地球物理勘探技术在地质处置库选址中的应用.pdf

第 2 8 卷 201 2焦 第 4 期 7 月 铀 矿 Ur a n iu m 地 质 Ge o l o g y V0 1 2 8 No 4 J u l y 2 0 1 2 D O I ：1 0 3 9 6 9 J is s n 1 0 0 0 0 6 5 8 2 0 1 2 0 4 0 0 9 地球物理勘探技术在地质处置库选址 中的应用 张 华，龚育龄，刘庆成，邓居智 ( 东华理工大学放射性地质与勘探技术国防重点学科实验室，江西 抚州 3 4 4 0 0 0 ) 摘要简要介绍了我国高放废物地质处置库选址的发展趋势 ，说明深部断裂构造、岩体的空间 形态以及局部不良地质体是当前处置库选址的主要地质问题，综合论述了高放废物处置库选址中采用 的地球物理勘探技术，介绍了重磁勘探、地震勘探、电磁法勘探及地面 丫能谱测量等地球物理勘探技 术，并且以甘肃北山新场预选区岩体为例，说明地球物理勘探技术解决的主要地质问题以及存在的不 足。结果表明，该技术在探测处置库预选区花岗岩深部地质构造特征方面具有明显的优势，为处置库 场址的稳定性和完整性评价提供参考。 关键词高放废物处置库；地球物理勘探技术 ；花岗岩；评价 文章编号1 0 0 0 0 6 5 8 ( 2 0 1 2 ) 0 4 0 2 4 4 0 6 中图分类号P 6 3 1 ；TL 9 4 2 文献标志码A 目前 ，世界各国对高放废物处置提出多种 方案 ，如太空处置、海洋处置、海岛处置 、冰 层处置及地质处置等 ，然而各国相对达成共识 的方案是深地质处置 ，即在距离地表深约 5 0 0 1 0 0 0 m 的地 质体 中建 造 “ 地 质处 置库” ， 通过这一天然屏障再加上工程屏障永久隔离高 放废物。但是在 围岩中建高放废物处置库 ，必 须从整体考虑该岩体的地质构造特征，如处置 库场址岩体中分布的大断裂向深部延伸情况、 岩体空间形态以及岩体局部不 良地质结构等重 大地质问题 ，而这些地质构造问题将是决定未 来处置库成败的关键因素之一 ，因此必须采用 一 系列的方法及时有效地查 明清楚_ 1 。 对处置库 围岩 的地质构 造研究手段 有地 质 ，物探和钻探等各种有效的方法。然而地质 方法 主要通 过 已知 的露头或岩心资料进行 推 断，不可能做到准确预测处置库岩体深层断裂 及其不 良地质结构问题 ，而钻探方法尽管能够 深入地下较为细致地进行描述和评价，然而只 能局限于钻孔这一局部范围，况且由于高放废 物处置库预选场地本身就不允许进行大量 的钻 探工作，因此这两种方法都有一定的局限性。 而物探方法主要是凭借仪器对地质体引起的地 球物理异常进行观测 ，根据异常场的分布寻找 地下异常体。这些方法完全可以应用于高放废 物深地质处置库选址，以便更好地研究和控制 岩体的深部构造 、圈定岩体的空间分布及查明 岩体中不良地质体，为高放废物处置库选址提 基金项 目：东华理工大学放射性地质与勘探技术重点学科实验室开放基金 ( 批准号 ：2 O 1 1 I E T O 3 ) 、甘 肃北山预选 区岩体深部地质结构地球物理探查 ( 批准号：2 0 0 8 6 5 2 )及 江西省教育厅青年科学基 金项 目 ( G J J 1 2 3 9 1 )资助。 收稿日期2 0 1 1 0 3 0 7 改回日 期2 0 1 1 1 2 2 2 作者简介张华 ( 1 9 7 9 一) ，男，在读博士，讲师，主要从事地球物理勘探方面的工作。E - ma i l ：z h h u a l 9 7 9 1 6 3 c o rn 第 4 期 张华 ，等：地球物理勘探技术在地质处置库选址中的应用 2 4 5 供参考 。 随着我国核电事业的发展 ，迫切需要建立 安全可靠的地质处置库 ，处理遗留下来的大量 高放射性核废料 ，应用地球物理方法研究处置 库深部地质构造问题势在必行。开展这项研究 对我国高放废物处置库选址具有重要 的现实意 义和潜在的战略意义。 1 研 究 区地质构造特 征 甘肃北 山新场预选 区位于我国甘肃省的西 北地区，地处人烟稀少的戈壁地带 ，矿产资源 相对匮乏，是我国高放废物地质处置库的重点 预选区。该 区域主要分布大面积华力西期侵入 的花岗岩 ，其厚度可达数公里。预选 区地层属 塔里木一 南疆地层大区 ，天山地层区的中天山一 北山地层分 区红柳园地层小区 ，出露 的地层包 括前长城系敦煌岩群、长城系咸水井群 、下石 炭统沙枣泉组 、侏罗系 、下 白垩统新 民堡群及 第 四系 。 该研究 区内地质构造复杂 ，以 NNEE W 向构造为主 ，其次为 NE向断裂 ，区内断裂构 造在空间展布和组合配套上都有明显的规律 性。主要 的压性 、压扭性断裂呈东西或近东西 向展布 ，而南北向张性和北东 向、北西向扭性 断裂则为与其配套的伴生断裂 ，其主要断裂构 造有 ：鱼脊山一 红旗 山一 碱湖子北山断裂 、机井 一 金庙沟煤矿一 红柳泉南 山断裂 、新 场断裂等， 同时还发育有大型褶曲构造 、薄皮构造 、倒转 构造、飞来峰群和构造窗群，带内岩石普遍糜 棱岩化 ，这些构造面均 向南倾斜 ，但是延伸深 度及方 向不 明 2 。 2 地球物理勘探技术 2 1 重磁勘探技术 重力 ( 磁 法)勘探 是利 用地壳 内部 各种 岩、矿石 间因密度 ( 磁性)差异而引起 的重力 ( 磁)异常来查明地质构造和寻找有用矿产 的 地球物理勘探方法。目前 ，两种方法的测量数 据采集精度和记录格式都有较大的发展，C G 5 型重力仪测量精度达到 1 0 m s ，比2 O 世纪 5 0 6 0年代提高了近百倍 。G8 5 6磁力仪 的精 度达到 0 0 0 5 n T，与早期几个甚至几十个 n T 的磁力仪相 比提高了近千倍 ，并且采用连续记 录方式 。 但在开展地球物理探测工作之前 ，必须广 泛收集研究区的区域航空重、磁场资料 。根据 区域地球物理场的分布 ，分析预选场址区域地 质构造 特征 ，这样 有利于处置 场址 的综 合评 价，而且也为制定电磁测深技术方案提供依 据 。通过采用重磁层析成像法 ，将不同深度场 源的影响 ，用不 同深度切片和不同垂直面切片 的手段区分开来，提高解释分辨率，对区域构 造背景 的了解更加详细 ，同时对于岩体局部地 段 ，可 以采用地面重磁测量方法，结合其它物 探方法 ，精确探测不同岩性的接触边界或局部 小构造 。 2 2 地震勘探技术 地震勘探是根据岩石弹性差异 ，研究人工 激发 的地震波在地质介质中传播 的规律 ，以查 明地下地质构造的方法 ，其地震采集装备是取 得高 品质地震数据 的重要保证 ，震源激发和信 号接收效果是影响地震数据质量与采集成本的 两个主要因素 。 ( 1 )震源 对于黏土岩预选区 ，采用 的震源为炸药 ， 它产生的地震波频谱宽，分辨率较高；而对于 花岗岩预选 区，由于表层较为坚硬，一般不适 合选用 炸药震源 ，激 发震源一般 采用可控 震 源 、聚能弹等 。可控震源已从早期的小吨位震 源发展到 目前的 2 8 t 级 的大 吨位震源 ，从 而 大大提高了激发能量 ，使探测深度能够达到要 求 ，提高了信号的信噪比。 ( 2 )地震记录仪 随着机械制造业和计算机技术的发展 ，地 震仪从 2 o世纪 5 0年代前最早的光点记录方 式、5 0年代的磁带模拟记录方式发展到 7 0年 代的数字记录方式；从 7 0年代的2 4道地震记 录仪、9 0年代的千道地震记录仪发展到今天 的万道地震记录仪；地震仪器向着超多道、遥 测、高位模数转换、完善的质量控制系统方向 铀 矿 地 质 第 2 8卷 发展， 使得记录的精度和效率大为提高。 在高放废物地质处置库选址中，地震勘探 技术主要用于了解大断裂的空间分布特征 ，查 清预选区岩体附近地区的推覆构造及其伴生构 造的局部特征 ，以及推覆构造面向深部延伸的 产状变化情况 。通过三维地震技术可以进一步 精细查明小 断裂构造 的平 面位置、埋 深、走 向、倾角 以及与岩体的空间位置关系，也可以 精细探测岩体中的局部不良地质结构，例如， 裂隙密集带、破碎带和蚀变带等。由于地震勘 探费用昂贵，一般只适用于二维长剖面的地震 测量 ，实际工作 中很少真正采用三维地震勘探 技术 。 2 3电磁法 它是根据岩石与矿石的导电性和导磁性 的 不同，利用 电磁感应原 理进行找矿勘探 的方 法 。由于预选区岩体的密度和电阻率与围岩差 别较大，同时构造带 内由于充填 了其它物质 ， 其密度和电阻率相对较低 。这样 ，岩体与围岩 以及与构造带之间由于电阻率的差异，往往会 形成良好的电阻率界面。因此，利用电法勘探 可以确定它们之间的分界面，从而可确定岩体 的边界、深度、空间形态和圈定大断裂向深部 延伸的情况 6 _ 8 _ 。 在电磁勘探方法中，音频大地电磁测深法 和可探源音频大地 电磁测深法 ( C S AMT)是 目前国际上主流的方法。一般先利用音频电磁 测深进行长剖面测量 ，圈定预选区岩体的分布 范围、空间形态以及控制岩体分布的大断裂特 征 。在此基础上 ，选择部分重点区段进行面积 性 C S AMT法测 量，精细地 研究深部 地质构 造和不 良地质现象，对预选区岩体的构造大 小 、走 向及其延伸情况进行控制。 在 向 阳山 一新 场地 段 ，布 置 了一 条 长 7 5 k m的音频电磁测深长剖面 ，北部跨过 四道 井一 红柳井断裂和中秋井一 金庙沟断裂，中部穿 越红柳井南山单元 、新场单元 ( 目标岩体)和 芨芨槽单元等花岗岩岩体、半滩南 山一 红旗 山 断裂 ，南端终于疏勒河大断裂 ，旨在查清楚该 区域所发育的断裂构造与岩体的完整情况。在 构造不太发育的岩体上再布置 C S A MT测线， 更精细地探测构造与不良地质体，为高放废物 处置库选址提供基础资料。图 1为预选 区新场 岩体 局 部 反演 成 果 图 ，从 图 中可 以看 出在 1 1 1 1 1 3 号点附近，视电阻率值较低，与其 两侧的视电阻率有一定差异，且宽度较大，推 断该处发育断裂构造 ，走向近东西向，倾角约 为 5 0 。 左 右 ，断 面 南倾 ，且 断裂 延 伸 较 浅； 1 1 6 1 2 1号点处视电阻率也较低，且低值范 围大 ，表明该处可能为一断裂破碎带 ，断面北 倾 ，倾角约为 6 0 。 ，且断裂破碎带较宽 ，延伸 相对较 深，由于本 区测线 方位 角 为 S W3 0 。 ， 可能该断裂走 向与测线夹角较小 ，导致跨过断 裂 的宽度较大，因此在剖面上形成 的破碎带宽 围1 困2 图 1 预选区岩体 E H4电磁测深局部反演成果图 F i g 1 Pa r t o f t h e i n v e r s i o n s e ct i o n o f EH4 s u r v e y i n t h e p r e s e l e ct e d pl u t o n 1 一视 电祖率 ( Q m)曲线 ；2 一断裂构造 。 铀 矿 地 质 第 2 8 卷 频率、高振幅的锯齿状 ，这种异常反 映了岩 石或土 壤 中放 射性 活度 的差 异。一般说 来 ， 花岗岩 的放射性活度较 高 ，砂岩 、砂砾岩 等 的放射性活度较低 ；而对构造带来 说 ，如果 构造活动性较强 ，构 造裂 隙还未被构造角砾 岩等充填、胶结和堵塞时，其放射性活度也 较高。因此 ，进行 能谱测量可 大致划分花 岗岩体的边界并辅助圈定断裂构造带，同时 也可 以对构造活动性进行评价 1 。 同样 ，我们布置了一条长剖 面进行地面 7 能谱测量 ，该测线位置与音频大地 电磁剖面相 重合 ，长度也为 7 5 k m。图 3为预选区新场岩 5 0 4 0 辍3 0 2 0 1 0 体地面 7 能谱总量测量剖面图。从图3中可以 看出，在 1 7 2 0 5 k m 处第 四系、白垩 系较 厚 ，其岩性主要为砂岩 、砂砾岩等 ，因此放射 性活度较低 ；而 2 O 5 2 2 k m 处为 已知 断裂 位置，但在此位置放射性活度相对不高 ，表明 断层活动性较弱，运移不频繁 ；2 2 2 9 k m处 为花岗岩岩体，其放射性活度较高；在 3 O k m 左右处有一高值，该处位于花岗岩岩体之上， 表层见有大量变质岩 ，主要为黑云母片岩 、石 榴二云片岩、石英岩等，同时结合地质资料 ， 该处发育 已知断层 ，其放射性活度较高表明该 断层活动性相对较强 。 1 7 1 8 1 9 2 O 21 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6 2 7 2 8 2 9 3 O 31 距离 ( k m) 图 3 预选区岩体总量测量剖面图 Fig 3 Th e p r o f il e o f t o t a l g a mma c o u nt in t h e p r e s e l e c t e d p l ut o n 3 结论 根据地球物理勘查技术探测的结果 ，认为 ： ( 1 )地球物理勘查技术特别适合在表层为 花 岗岩 的高放废物处置库预选 区进行勘探工 作 ，能有效地探测预选区岩体深层地质构造特 征。该技术对地形环境要求较低 、测量速度快 、 分辨率高。通过现场的调查并与地质资料对比， 结果表明该方法探测效果显著 ，能够为高放废 物处置库的稳定性和安全性做出初步评价。 ( 2 )根据音频电磁测深资料所推断的断裂 构造主要分布在岩体的边缘或者不同单元岩体 的接触带上 ，并且 由地面 7能谱测量得知 ，该 断裂活动性不强，对于整个岩体的稳定性影响 不大 ，预选场地的选取时只要远离该断裂构造 即可 ；而据 C S AMT资料所推 断的几处细小 碎裂构造，由于它们使得该地段岩体的稳定性 降低，因此选择地质处置库预选场地时，应尽 可能避开该处细小碎裂构造 ，使得对预选场地 的影响降低到最小 。 ( 3 )从 目前研究进展来看 ，由于新场预选 区场址的物探工作量较少，并且只在重点单元 岩体上布置了地球物理勘查测线 ，因此只能对 该地 区岩体的稳定性与安全性提供参考 。对于 预选场址整体的稳定性与安全性还有待进行其 它勘探工作，以满足高放废物地质处置库选址 的要求 。 参考文献 1 郭永海，王驹，金远新 世界高放废物地质处 置库选址研究概况及 国内进展 f J 地学前缘 ， 2 0 0 1 ， 8 ( 2 ) ： 3 2 7 3 3 2 第 4期 张华 ，等：地球物理勘探技术在地质处置库选址中的应用 2 4 9 2王驹 ，徐国庆，金远新，等 甘肃北山区域地壳 稳定性研究 【 北京：地质出版社，2 0 0 0 3金远新 ，闵茂中，陈伟明，等 甘肃北山预选区 新场地段花岗岩类岩石特征研究 J 岩石力学 与工程学报 ，2 0 0 7 ，2 6 ( 增 2 ) ：3 9 7 4 - 3 9 8 1 4曲寿利，王鑫 国内外物探技术现状与展望 E M- I 北京 ：石油工业 出版社 ，2 0 0 3 5徐佩芬 高分辨率地震勘探确定隐伏地质构造 方法研究 J 地球 物理 学 进展 ，1 9 9 8 ，1 3 ( 2 )：4 1 - 4 5 6管旭东，白英 E H4电磁成像系统在岩体深部 采空区勘查中的应用 J 内蒙古农业大学学 报 ，2 O 0 8 ，2 9 ( 1 ) ：4 2 1 4 2 4 7熊翥 我国物探技术的进步及展望 J 石油地 球物理勘探，2 0 0 4 ，3 9( 2 ) ：2 3 7 2 4 3 8程纪星，伍岳 ，韩绍 阳，等 综合地球物理方 法在高放废物处置库场址特性评价 中的应 用 J 铀矿地质 ，2 0 0 2 ，1 8( 3 ) ：1 7 4 1 7 9 9底青云，安志国，付长民，等 甘肃北山预选 区岩体深部地质结构 C S AMT法勘查研究 A 王驹 第三届废物地下处置学术研讨会论文集 C ，杭州 2 0 1 0 ：4 1 4 6 1 O 程业勋，王南萍 ，侯胜利 核辐射场与放射性 勘查 M 北京：地质出版社，2 0 0 5 App l ic a t io n o f Ge o ph y s ic a l Ex p l o r a t io n Te c h no l o g y in t h e S it t in g o f Ge o l o g ic a l Dis p o s a l Re po s it o r y Z HANG Hu a ，GONG Yu l in g，LI U Qin g c h e n g，DENG J u - z h i ( Fun d a me n t al Sc ie n c e o n Ra dio a c t iv e Ge o l o gy a n d Ex pl o r a t io n Te c h n o l o g y Lab o r a t o r y， E a s t C h in a I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y，Fu z h o u ，J ia n g x i 3 4 4 0 0 0，C h i n a ) Ab s t r a c t ： Th is p a p e r in t r o d u c e s t h e d e v e l o p me n t s it u a t i o n o f h ig h - l e v e l r a d i o a c t iv e wa s t e r e p o s it o r y s i t t in g i n Chi n a，a n d in d ic a t e s t h a t t h e ma in g e o l o g ic a l p r o bl e ms i n s i t e s e l e c t io n a r e de e p g e o l o g ic a l s t r uc t u r e s ，s p a t ia l f o r m a n d l o c a l a d v e r s i t y o f t h e p l u t o n By s u mma r i z in g t h e g e o p h y s ic a l me t h o d s wh i c h a r e u s e d i n h ig