工程地质学报  2018, Vol. 26 Issue (6): 1690-1700   (5283 KB)    
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  • 收稿日期:2017-11-29
  • 收到修改稿日期:2018-03-13
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    袁广祥
    张路青
    曾庆利
    黄志全
    李建勇
    王洪建
    邓绪彪

    引用本文  

    袁广祥, 张路青, 曾庆利, 等. 2018. 高放废物地质处置阿拉善预选区塔木素地段目标深度岩体质量预测[J]. 工程地质学报, 26(6): 1690-1700. doi: 10.13544/j.cnki.jeg.2017-561.
    YUAN Guangxiang, ZHANG Luqing, ZENG Qingli, et al. 2018. Prediction of rock mass quality in target depth for tamusu area of alxa pre-selected region for geological disposal of high-level nuclear waste[J]. Journal of Engineering Geology, 26(6): 1690-1700. doi: 10.13544/j.cnki.jeg.2017-561.

    高放废物地质处置阿拉善预选区塔木素地段目标深度岩体质量预测
    袁广祥, 张路青, 曾庆利, 黄志全, 李建勇, 王洪建, 邓绪彪    
    ① 华北水利水电大学地球科学与工程学院 郑州 450045;
    ② 中国科学院地质与地球物理研究所 北京 100029;
    ③ 中国科学院大学地球与行星科学学院 北京 100049
    摘要:高放废物地质处置阿拉善预选区塔木素地段位于阿拉善地块北部,主要由二叠纪和三叠纪侵入的花岗岩类岩石构成,地壳稳定。断层较不发育,但发育韧性剪切带和韧-脆性变形带,节理受区域构造控制,地表岩体质量以Ⅲ级岩体为主,其次是Ⅳ级岩体。根据钻孔岩芯编录和力学试验数据,对岩芯质量进行评价,岩芯基本质量较差,TMS01钻孔以Ⅴ级岩体最多,TMS02钻孔以Ⅲ级岩体最多。对比岩体质量和测井数据,发现岩体质量与岩体的物理参数具有明显的相关性。通过和CSAMT剖面上对应位置的对比,建立了岩体质量与电阻率的关系。结合地表岩体质量、钻孔岩芯质量和物探剖面,对目标深度岩体进行了预测:目标深度(600 m深左右)岩体质量以Ⅱ级和Ⅲ级岩体为主,局部有Ⅰ级岩体和Ⅵ岩体。
    关键词高放废物地质处置    塔木素地段    目标深度岩体    岩体质量    预测    
    PREDICTION OF ROCK MASS QUALITY IN TARGET DEPTH FOR TAMUSU AREA OF ALXA PRE-SELECTED REGION FOR GEOLOGICAL DISPOSAL OF HIGH-LEVEL NUCLEAR WASTE
    YUAN Guangxiang, ZHANG Luqing, ZENG Qingli, HUANG Zhiquan, LI Jianyong, WANG Hongjian, DENG Xubiao    
    ① College of Geosciences and Engineering, North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045;
    ② Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029;
    ③ College of Earth and Planetary Sciences, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049
    Abstract: Tamusu pre-selected area of Alxa pre-selected region for geological disposal of high-level nuclear waste is located in North Alxa Block. The crust consists of Permian and Triassic granite and is stable. There are a few faults, three ductile shear zones and one ductile-brittle deformation zone in the area. And the joints are controlled by regional tectonics. The classification of ground rock mass mainly is Ⅲ, and secondly is Ⅳ. According to core logging and mechanical test, the classifications of TMS01 and TMS02 drill cores are mainly Ⅴ and Ⅲ, respectively. From comparison of rock mass quality and well logging data, obvious correlation between quality and physical parameters of rock mass is found. Therefore, the relationship between rock mass quality and resistivity is established. Combining with the quality of surface rock mass and drilling core and geophysical prospecting section, the quality of rock mass in target depth is predicted as follows:the main rock mass is grade Ⅱ and Ⅲ, and some is grade Ⅰ and Ⅳ.
    Key words: Geological disposal of high-level nuclear waste    Tamusu pre-selected area    Rock mass in target depth    Classification of rock mass    Prediction    

    0 引言

    高放废物是指由核工业的生产、研究及核技术的应用所产生的高放射性核废料。因放射性强、发热量大、毒性大、半衰期长等特点,高放废物的处置问题在历经“太空处置”、“深海沟处置”、“冰盖处置”、“岩石熔融处置”等争论后,深部地质处置成为目前普遍接受的可行方案,即把高放废物埋在距离地表深约500~1000 m的地质体中,通过工程屏障和天然屏障使之永久与人类的生存环境隔离(王驹等,2006a)。多年研究成果表明,花岗岩、黏土岩、凝灰岩和岩盐比较适合作为高放废物的处置库围岩(王驹,2008)。我国对高放废物处置库的研究始于1985年(王驹等,2005),初步确定甘肃北山花岗岩地区为重点预选区(王驹等,2006b),并对区内的旧井(宗自华等,2006徐健等,2007赵宏刚等,2007)、向阳山(金远新等,2007高振兵等,2013万海涛等,2015)和野马泉(范洪海等,2005郭永海等,2005)等3个重点预选段开展了详细的深入研究。2011年起,对新疆阿奇山地段(万汉平等,2015郭永海等,2016a)、雅满苏和天湖地段(郭永海等,2016b),以及内蒙古阿拉善地区开展了高放废物地质处置备选场址的平行预选及评价研究工作(薛融晖等,2016)。在内蒙古阿拉善预选区,通过地壳稳定性多级评价与优选方法,筛选出巴彦诺日公和塔木素两个重点预选地段(张路青等,2016)。

    岩体质量评价是岩石工程设计、施工、编制定额预算的基本依据。地下洞室围岩质量评价主要是解决地下工程支护设计问题,关系到大量工程投资和安全,其实用价值已为国内外地下工程界所公认。因此,在地下工程选址勘察阶段,需对围岩质量进行评价,我国的相关规范对围岩质量评价有明确的要求(袁广祥等,2018)。在选址勘察阶段开展的工程地质勘察主要为工程地质测绘、工程勘探(包括钻探、槽探等)和地球物理勘探,所获得的工程地质数据主要为地表工程地质数据、钻孔数据和地球物理勘探数据。

    阿拉善预选区塔木素公地段位于内蒙古自治区最西端,人口稀少,气候干旱少雨,分布有大面积燕山期、华力西期及加里东期等不同时代的花岗岩体。2012年起,作者等对内蒙古阿拉善巴彦诺日公地段的花岗岩体进行了详细的野外地质调查和勘察。为保证高放废物地质处置选址的合理,并为设计、施工提供科学依据,根据勘察阶段所获得的数据,对阿拉善预选区巴彦诺日公地段目标深度岩体进行质量评价。

    1 区域地质背景

    阿拉善预选区塔木素地段大地构造上属阿拉善地块,阿拉善地块呈三角形,是一个具有独特活动特征的构造单元(图 1a)。塔木素花岗岩体位于华力西中晚期侵入的宗乃山—沙拉扎山岩浆带上,长约270 km,宽30~50 km,总出露面积约3500 km2,总体为一个SW-NE向延伸的岩基(图 1)。

    图 1 阿拉善地块(a)(Dan et al., 2014)和塔木素花岗岩体地质图(b)(宁夏地质局区域地质调查队,1978) Fig. 1 Alxa block(a) and geology of Tamusu granite rockmass(b)

    区域构造上,塔木素地段位于NE向恩格尔乌苏断裂与NE向巴丹吉林断裂之间的长条形巴丹吉林地体中(图 1a)。根据前人的研究成果(刘传正等,1993中国地质科学院地质力学研究所,1997孙叶等,1998李萍等,2004),阿拉善地块为基本稳定区,塔木素场址区所在的阿拉善地块北部为稳定区。恩格尔乌苏断裂带为一条晚二叠世晚期的塔里木板块与华北板块拼合的蛇绿混杂岩带,是一条深大断裂带(王廷印等,1998),该断裂可能在中生代发生过左行走滑,在北大山北侧发育了新生代的走向NNE的岌岌海子断陷盆地,盆地的北缘已经左行切割了恩格尔乌苏断裂,这说明恩格尔乌苏断裂至少在新生代中晚期没有活动过,不是一条活动断裂(刘少峰等,1997)。巴丹吉林断裂带可能为一条华北地台内部解体后又重新拼合的次级缝合线,也不是一条活动断裂带(吴泰然等,1992)。根据《中国地震动参数区划图》(GB18306-2015),塔木素Ⅱ类场地的地震动峰值加速度为0.05 g,反应谱特征周期为0.35 s,对应的地震烈度为Ⅵ度。阿拉善地区在20世纪50年代有地震记载以来,期间共发生7级地震1次,5级以上地震17次,弱震活动很频繁,其地震分布特征明显受构造控制。场址区地震活动微弱(王萍等,1997)。根据《活动断层与区域地壳稳定性调查评价规范(1 : 50000、1 : 250000)》(DD 2015-02),塔木素预选地段的地壳稳定性可综合评价为稳定。

    2 场址区工程地质特征
    2.1 岩石特征

    阿拉善预选区塔木素地段位于塔木素花岗岩体的中南部(图 1b)。场址区内出露的岩石主要为三叠纪和二叠纪侵入的花岗岩类(图 2),包括二长花岗岩、花岗闪长岩、石英闪长岩和闪长岩(冉皞等,2012刘治博等, 2014a, 2014b, 2014c, 2014d)。

    图 2 塔木素预选地段地质图(吴凤萍,2009刘治博,2009关晶,2010卿芸,2010) Fig. 2 Geology of Tamusu pre-selected area

    2.2 断层

    断裂构造是场址区内主要的构造形迹,根据断裂延伸的方向可划分为近东西向、北西向、北西西向和北东向断裂(图 2表 1)。

    表 1 塔木素地段内的主要断层(吴凤萍,2009刘治博,2009关晶,2010卿芸,2010) Table 1 Main faults in Tamusu section

    2.3 韧性剪切带和韧-脆性变形带

    韧性剪切带是在剪切作用下发生强烈塑性变形,呈狭窄线形分布的高应变带,其两侧的岩石发生不同量级的位移、错动和变形,但又无明显的错动断面,在野外以发育强烈密集的面理为特征。场址区内分布有3条韧性剪切带(图 2表 2),主要由糜棱岩组成。

    表 2 塔木素地段的韧性剪切带(吴凤萍,2009刘治博,2009关晶,2010卿芸,2010) Table 2 Ductile shear zones in Tamusu Section

    此外,场址区东南部分布1条韧-脆性变形带(图 2),即陶来阿木韧-脆性变形带,总体向北东东延伸,构造带明显发育片麻状构造,但岩石内部矿物变形并不明显。形成于约260 Ma中晚二叠世之间,三叠纪末—早侏罗世转化为盆地边缘的张性断裂(吴凤萍,2009关晶,2010卿芸,2010)。

    2.4 节理

    根据所量测节理,绘制节理玫瑰花图(图 3),从中可以看出,各个方向走向的节理都有出露,但主要可分为3组,走向分别为40°~60°,290°~310°和近SN。和图 3中的地质构造对比可以发现,节理的走向受区域构造的控制。

    根据节理的倾角,绘制节理倾角直方图(图 4),从中可以看出,区内节理以陡倾角为主,倾角大于70°的节理超过总数的50%,近75%的节理倾角大于60°。

    图 3 节理走向玫瑰花图 Fig. 3 Rose diagram of joint strike

    图 4 节理倾角直方图 Fig. 4 Histogram of joint angle

    2.5 地表岩体质量评价及深部岩体质量预测

    根据各观测点所布置的测线和量测的节理,确定了各观测线上节理的密度及间距。以此为基础,确定各观测点岩体的完整性。调查发现,超过50%的观测点的岩体质量为较完整,其次是较破碎岩体,很少一部分为破碎和极破碎。

    区内岩体以花岗类岩石为主,为坚硬岩。然而,由于风化卸荷作用严重,多呈中等风化,岩体变为较软岩。结合上述岩体完整性的划分,对岩体质量进行定性评价。地表岩体质量以Ⅲ级岩体为主,其次是Ⅳ级岩体。在断层及其影响带、韧性剪切带和韧-脆性变形带范围内,岩体质量主要为Ⅴ级岩体。

    一般而言,埋深越大,岩体风化程度越弱,卸荷裂隙越少。因此,深部岩体的完整性及强度均应好于地表,深部岩体质量除在断层及其影响带、韧性剪切带和韧-脆性变形带范围内,应以Ⅰ级和Ⅱ级岩体为主。

    3 钻孔岩芯质量

    钻孔岩芯质量利用岩体基本质量指标(BQ)进行评价,根据《工程岩体分级标准》(GBT50218-2014)确定。

    在钻孔TMS01岩芯中选取了5组样品进行单轴压缩试验,对比岩性、风化程度,并结合波速测试结果,初步估算各段岩芯的岩石单轴抗压强度。

    根据岩芯编录结果,对岩芯进行分段,求出每一段的RQD值(图 5),以此确定各段岩芯的完整性。TMS01钻孔岩芯RQD值为48.83,550~600 m深度范围内岩芯RQD值为71.68;TMS02钻孔岩芯RQD值为54.33,550~600 m深度范围内岩芯RQD值为34.53。根据RQD岩体质量分类,TMS01钻孔岩芯质量差,但目标深度岩体质量好于上部岩体;TMS02钻孔岩芯质量较差,而目标深度岩体质量总体比上部岩体差。

    图 5 RQD随深度变化曲线 Fig. 5 RQD of drill cores

    利用各段岩芯的岩石单轴抗压强度和完整性,评价岩芯的基本质量(图 6)。TMS01钻孔以Ⅴ级岩体最多,占25.01%,Ⅰ级岩体最少,仅占11.45%;TMS02钻孔以Ⅲ级岩体最多,Ⅰ级岩体最少。550~600 m深度范围内,TMS01钻孔以Ⅱ级岩体最多,占47.44%,Ⅰ级岩体占15.83%;TMS02钻孔以Ⅴ级岩体最多,占56.73%。

    图 6 钻孔岩芯基本岩体质量(BQ) Fig. 6 Rock mass basic quality of drill cores

    虽然整体上钻孔TMS02的岩体质量好于TMS01,但在深部TMS02明显比TMS01差。主要原因,可能是浅表部风化卸荷作用强烈,导致TMS01附近岩体较破碎。在深部,风化卸荷作用微弱,岩体完整性主要受地质构造和岩浆侵入的影响,而TMS02位于断层附近,且受不同期岩浆侵入的影响,因此岩体较破碎,导致岩体质量较差。

    4 目标深度岩体质量评价

    对于剖面上或目标深度的岩体质量,由于数据很少而很难得到可靠的岩体质量评价结果。基于此,对物探剖面的各种物理性质曲线与钻孔对比,探讨岩体的地球物理参数与岩体质量之间的关系。

    对比测井曲线(密度曲线、侧向电阻率曲线和纵波速度曲线)和岩芯基本质量BQ曲线与RQD曲线(图 7),测井对地层、破碎带的解释与地质、钻探资料基本吻合。TMS01钻孔550~600 m范围内,平均密度3.03g · cm-3,平均侧向电阻率477.13 Ω · m,平均纵波波速为5.78 km · s-1;对应的RQD为71.68,基本质量等级以Ⅱ级为主。因此,岩体的地球物理参数与岩体质量具有较好的对应关系。

    图 7 塔木素场址区TMS01钻孔BQ曲线与RQD曲线和测井曲线对比 Fig. 7 Comparison of BQ and RQD curve with logging curve along TMS01

    密度曲线:完整的花岗岩体,变化较小,为3.0~3.3g · cm-3;破碎或裂隙发育的花岗岩体,变化较大,为2.5~3.0g · cm-3

    侧向电阻率曲线:完整的花岗岩体一般为400~800 Ω · m;破碎或裂隙发育的花岗岩体一般为100~500 Ω · m。

    纵波速度曲线:完整的花岗岩体一般为5~7 km · s-1,破碎或裂隙发育的花岗岩体为3~4 km · s-1

    因此,可以判断目标深度岩体:TMS01钻孔附近的岩体质量较好,以Ⅱ级岩体为主;而TMS02钻孔附近的岩体差,以Ⅴ级岩体为主。

    但是物探剖面的数据与测井数据并不一致,为准确评价物探剖面的岩体质量,需建立物探剖面数据与岩体质量的关系。一般在进行地球物理勘探时,都会有物探剖面过钻孔;根据钻孔处地球物理参数变化曲线;对比钻孔岩芯岩体质量变化曲线及测井曲线,可得出地球剖面上地球物理参数与岩体质量的关系(图 8)。由此,可对CSAMT剖面的岩体质量进行初步评价:电阻率大于1200,为Ⅰ级岩体;电阻率介于900与1200之间,为Ⅱ级岩体;电阻率介于500与900之间,为Ⅲ级岩体;电阻率小于500,为Ⅳ和Ⅴ级岩体。

    图 8 TMS01侧向电阻率曲线、BQ值曲线和物探剖面对比 Fig. 8 Comparison of lateral resistivity curve and BQ curve along TMS01 with CSAMT profile

    根据CSAMT剖面,在目标深度(600 m深左右)以Ⅱ级和Ⅲ级岩体为主,局部有Ⅰ级岩体和Ⅵ岩体。

    5 讨论

    岩体的地球物理参数与其质量有明显的关系,因此,利用地球物理勘探的数据评价岩体质量是可行的。然而,在对钻孔中测井数据和岩体质量进行分析时,很难得到较好的拟合公式。存在这种问题可能与数据之间不能完全一一对应有关;同时,岩体质量的好坏不仅表现在相应的测井数据的大小,也表现为曲线的变化情况。比如,波速测井,数据的间距是5 cm,在5 cm范围内,结构面的数量、类型、性质的变化都会影响测井曲线的变化。因此,曲线变化幅度较小的情况下,岩体较完整;曲线变化幅度在很小的范围内发生很大的变化,说明结构面发育。

    通过对比钻孔测井曲线和岩体质量曲线,发现各测井曲线之间及测井曲线与岩体质量曲线之间的对应性较好。把钻孔测井曲线和岩体质量曲线与物探剖面上钻孔所在位置的物探数据对比,发现它们的对应关系较好。

    因此,在进行深部岩体质量评价时,首先根据钻孔编录数据和测井数据对钻孔岩芯及其附近岩体进行质量评价。其次,把岩体质量结果和测井数据与物探数据进行对比,判别不同的岩体质量级别对应的物探数据的值域(如波速、电阻率等)。最后,在此基础上,可以根据物探剖面或水平切面,初步评价剖面或目标深度岩体的质量。

    尽管测井也是地球物理勘探,但其测试方法、原理和地面布置测线的物探有所不同,在进行数据对比时,不能以数据的绝对值对比,要以曲线的变化趋势(相对值)进行对比。因此,同为质量等级的岩体,测井获得的侧向电阻率与CSAMT方法获得电阻率不相同。

    由于与钻孔测试相比,物探剖面的精度较低,其结果很难一一对应,从钻孔测试与物探剖面对比结果看,物探剖面存在很大的误差,且其位置有一定的差距。如图 8所示,物探剖面在TMS01钻孔处深度150 m左右有一高阻体,但其范围并不精确,对应的钻孔岩芯质量及测井曲线在160~210 m深度范围内。但仍可以根据钻孔测试与物探剖面对比对物探剖面岩体质量进行初步评价。

    6 结论

    (1) 塔木素预选地段的地壳整体是稳定的,作为高放废物地质处置库,在区域地壳稳定性方面是适宜的。塔木素花岗岩体的主体是二叠纪侵入的黑云母花岗岩。

    (2) 塔木素预选地段有6期花岗岩类的侵入,出露岩石主要为三叠纪二长花岗岩、晚二叠世含斑二长花岗岩和花岗闪长岩,岩石类型较多。断层发育较弱,场址区内无区域性断裂通过。但场址区周围发育有韧性剪切带和韧-脆性变形带,岩体变形强烈,岩体强度较低;而场址区中部岩体变形较弱,岩体强度较高。地表岩体质量以Ⅲ级岩体为主,其次是Ⅳ级岩体。

    (3) 钻孔TMS01和TMS02的岩芯RQD值较低,岩芯基本质量较差,TMS01钻孔以Ⅴ级岩体最多,TMS02钻孔以Ⅲ级岩体最多。但钻孔纵波波速绝大部分为5~6.5 m · s-1之间,岩石强度高,单轴抗压强度大于95 MPa,属于坚硬岩。

    (4) 对比钻孔数据,CSAMT剖面上,电阻率大于1200,为Ⅰ级岩体;电阻率介于900与1200之间,为Ⅱ级岩体;电阻率介于500与900之间,为Ⅲ级岩体;电阻率小于500,为Ⅳ和Ⅴ级岩体。

    (5) 根据地表工程地质测绘数据、钻孔数据和物探数据,高放废物地质处置阿拉善选区塔木素地段目标深度(600 m深左右)岩体质量以Ⅱ级和Ⅲ级岩体为主,局部有Ⅰ级岩体和Ⅵ岩体。

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