1 引言

随着经济的高速发展，能源依旧是我国完成现代化的基础和动力.当今世界政治、经济格局深刻调整，能源供求关系深刻变化，能源仍是国际政治、金融、安全博弈的焦点.2014年4月18日李克强总理在新一届国家能源委员会首次会议上指出，促进经济结构改革，调整能源结构和生产方式，积极发展绿色能源，推动改善环境质量.在核电、风电和光伏发电等清洁能源中，由于光、风电受光和风源的不可连续性等自然条件的限制，致使目前的成本很高.而核电是清洁能源中相对便宜，虽然投资大，但技术含量高，其本身是重大的基础设施建设，可带动一大批相关产业.新批准建设的第三代核电“华龙一号”拥有着我国自主的知识产权，对于我们走出去、建设“一带一路”，对于电力建设等中国制造业走向世界是重大利好.

目前我国在运核电机组18台，总装机容量1583万千瓦，约占全国总装机容量1.2%，与世界平均水平存在一定差距.从总体上看，世界核电发展的大趋势并没有根本改变，在尚未找到新的稳定、清洁、可替代的能源之前，建设和保有一定数量的核电将是解决能源问题的重要选择.但随着核能和核技术的不断发展，特别是20世纪中叶以来，人类开发利用核裂变能产生了大量高放固体废物.由于高放废物含有放射性强、发热量大、毒性大、半衰期长的核素，需要把它们与人类生存环境长期、可靠地隔离.目前提出的方案是对高放废物深进行地质处置，在距离地表深约500~1000 m的地质体中建造“地质处置库”，通过工程屏障和天然屏障永久隔离高放废物(潘自强和钱七虎，2009).

在众多地质介质中，花岗岩类岩石因具有致密、渗透性差、隔水性能好等优点，而被较多国家视为核废料贮存库的良好介质.粘土类岩石则因其极低的渗透性、良好的放射性抑制特性和孔隙自闭性而在法国的核废料贮存库岩体研究中成为首选地质介质体.我国从20世纪80年代中期，就开始了高放废物地质处置跟踪性研究，并把预选场址定在甘肃北山.因此，甘肃北山预选区花岗岩等诸多地质问题一直是我国地质工作者研究的重点(Wang，2010).虽然北山的研究工作已取得了阶段性成果，也预选了一些有利的岩体，为比选优选不同类型的潜力区段，2006年2月国家有关部委联合颁布的《高放废物地质处置研究开发规划指南》中提出了“在全国其他地区选择另外的预选区，并研究比较不同的围岩类型，完成其他预选地区和围岩类型的预选及推荐工作”的研究项目.

因内蒙古阿拉善盟地处内蒙古自治区最西端，人口稀少，气候干旱少雨.区内围绕巴丹吉林沙漠周边分布有大面积花岗岩，包括燕山期、华力西期及加里东期，可能存在适合建造高放废物地质处置库的花岗岩体，因此内蒙阿拉善地区成为被推荐的预选区之一.国家有关部门考虑到中国科学院地质与地球物理研究所在地质学和地球物理学领域的综合优势以及已有的工作基础，希望该所在充分利用甘肃北山选址和评价研究工作经验的基础上，在内蒙古阿拉善地区开展高放废物地质处置备选场址预选及评价研究工作.

然而，相对于甘肃北山预选区所取得的场址预选和评价研究成果，内蒙阿拉善选区及围岩类型的预选研究工作却十分薄弱.作为项目中专题研究之一，笔者所在学科组通过地球物理方法开展先导性工作，研究初选目标岩体的展布及内部结构，为预选岩体完整性评价提供地球物理依据.鉴于在国防科工局“十一五”甘肃北山项目中已具备了一定的研究基础(底青云等，2010)，笔者此次采用对目标深度有探测优势的手段-可控源音频大地电磁法(CSAMT法)(底青云和王若，2008；雷达，2010；王若等，2010；邱卫忠等，2011；薛云峰和张继峰，2011；卢鸿飞等，2013；Kalscheuer et al.，2013;王绪本等，2013；Troiano et al.，2014)，研究预选岩体内部电性结构.本文是这一研究工作的阶段性结果，在塔木素预选岩体上获得了地表两条北东向和两条北西向测线的CSAMT数据，通过分析了典型测深曲线了解岩石完整与否的响应差异，对比了钻孔测井和反演曲线，并结合区内浅表地质信息和钻孔资料，对CSAMT剖面反演结果进行了解释，划定了岩体内部结构，初步认为该岩体裂隙和破碎较发育，完整性欠佳.

2 岩性及标本物性

地表地球物理测量是研究地下物质组成和内部结构的重要手段，其研究地下物质组成和内部结构的解释基础就是不同岩性的物性差异，因此了解研究区出露的地层、岩性及其电性特征对于CSAMT来说，是很有必要的.

2.1 出露地层

研究区整体地势较为平坦，主要出露地层为：中性-酸性和中酸性花岗岩类，以中粒花岗闪长岩为主体，岩性单一；表层为第四系风积砂，厚度不大，小于2 m，但不均匀.地表出露的基岩较风化，破碎.区内钻孔揭示，岩石中发育裂隙、破碎，整体电阻率不高，几十~1000 Ωm.岩石质量整体不高，下部岩石质量优于上部.

2.2 钻孔岩石裂隙发育情况

CSAMT测线上有钻孔TMS02布设，通过岩心编录，对岩心的节理裂隙进行了详细统计、观察描述.岩石裂隙整体较为发育，主要表现为闭合裂隙、微张开裂隙、溶隙、微裂隙四种类型的裂隙发育.且随深度增加，裂隙有减少趋势，岩体亦趋于完整.

2.2.1 闭合裂隙

全孔岩石段均有发育，发育程度中等-极发育，一般发育2~3组，裂隙面轴夹角无规律，一般在15~71°之间，局部呈纵向发育.同组裂隙发育不连续，裂隙间距一般在25~65 cm之间，最大可达1.8 m，最小不足5 cm.

第1组在孔内表现为低角度裂隙，发育程度较好，局部发育极好.延伸性好，轴夹角40~71°，裂隙面在浅部呈黄褐色、褐红色，不平整，不光滑，有铁质及少量泥质充填.深部呈灰色、灰绿色，不平整-基本平直，不光滑，闭合状，有绿泥石及碳酸盐粉末充填.

第2组裂隙在孔内表现为高角度裂隙，与第1组呈共轭形式斜交，裂隙面灰白色、灰黑色，轴夹角一般18~46°，裂隙面不平整-基本平直，不光滑-略有光滑感，绿帘石等泥质物充填，局部裂隙面具有玻璃光泽.裂隙发育程度中等.

第3组呈纵向裂隙发育，与钻孔轴向近于平行，最大轴夹角15°，裂隙延伸长度0.15~1.44 m，裂隙在深部呈闭合状，碳酸盐脉充填，宽度1.0~3.0 mm.浅部呈半张开状，有片状碳酸盐、粉末状碳酸盐不完全充填，宽度0.5~1.5 mm.

2.2.2 微张开裂隙

主要为风化裂隙，裂隙面黄褐色、褐红色、褐黄色，不平整，不光滑，轴夹角一般22~62°，大多无充填或少量充填，充填物有氧化物、铁质及高岭土充填.裂隙一般延展性不好，发育裂隙间距15~33 cm.

2.2.3 溶隙

发育于岩石裂隙及裂隙充填物方解石细脉中，溶隙面凹凸不平，呈闭合状，局部形成溶蚀孔洞，有碳酸盐二次充填，发育程度不高，贯通性差，均为独立出现，宽度5～30 mm不等.

2.2.4 微裂隙

主要发育于浅部岩石及应力集中段，裂隙呈闭合状，无充填，呈网脉状分布于岩石之中，发育无规律性，宽度一般较小，均<0.2 mm.延展性差，一般<10 cm.整体发育程度不高，对岩体完整性破坏不大.

2.3 物性特征

区内出露的岩石大多较风化破碎，完整的岩石离测线又远，故利用测线上钻孔的岩心进行了电阻率测试.室内标本测试时，标本切割为圆柱体，长度为10 cm，圆截面直径5 cm.标本置于普通自来水浸泡24 h，取出后室温风干2 h.测量前将3522-50LCR测试仪进行标定，完成开路补偿与短路补偿.测量电极为紫铜铂片，选用浸泡饱和硫酸铜溶液的药用脱脂绷带敷于电极接触面.选用二极装置进行标本电阻率测试，测试结果可见表 1.

由于受风化裂隙、孔隙度等因素的影响，相同岩性不同深度测得的电阻率值不同，最大平均电阻率高可达1万Ωm，最小的平均电阻率低可至250 Ωm.但其RQD指标值反映了其质量完整情况.完整花岗岩电阻率值相对高，若裂隙发育、断层、岩石破碎含水等影响可使其电阻率表现为低电阻，从而具备了电磁法勘探的电性差异基础.

3 CSAMT探测

测区位于内蒙古阿拉善右旗，距离塔木素苏木直线距离25 km.地势平坦，人烟稀少.项目其他专题已圈定了区域构造分布，该区域的主应力为北西向，主构造北东向，并认为构造之间存在稳定的地块(“安全岛”)，但预选的塔木素岩体内部结构特征仍处于未知状态.项目办分析了大点距的EH4长剖面反演结果获知，在岩体中存在有高阻地段，可能存在完整岩体，为进一步查明该岩体的内部结构特征，建议在该区开展地球物理探测研究.

3.1 CSAMT测线设计

为此，共设计布设了4条CSAMT剖面，测线布置见图 1.图中绿色线为EH4测线，蓝色线为CSAMT测线，红色线为测线所对应的发射极位置.TMS02为钻孔.在该图中，CSAMT测线皆位于塔木素岩体中，唯一不同的是，L1和L2线与主应力方向大角度相交，而L3和L4线与主应力近平行或小角度斜交.

L1和L2线为平行线，方位为74°，相距2 km，长度分别为10.08 km和7.44 km，两线对应的发射极(南侧)长度为1.4 km，离L2线8 km.L3和L4线亦为平行线，方位为345°，线距3 km，长度分别为7.68 km和5.04 km，其对应的发射极在其东侧，长度为1.25 km，距离L4线12.7 km.

3.2 典型测深曲线

笔者结合中科院重点实验室开放基金，已对花岗岩体中断裂/破碎带等地质结构进行了系统的三维数值模拟分析(安志国，2014)，因此本文不再对其叙述，只是讨论原始的测深曲线特征.研究区典型测深曲线可见图 2，图中红色点线代表频率-视电阻率曲线，蓝色点线表示频率-相位曲线.图 2中，a为L1线3060点处地下花岗岩破碎不完整时所获得的测深曲线，虽然从高频7680 Hz开始，电阻率值逐渐变高(100 Ωm)，但低于100 Hz时电阻率值则小于100 Ωm，整体电阻率值不高；b为L3线580点处上覆低阻层较厚时获得的测深曲线，在电磁场远场区电阻率值都小于100 Ωm，“下冲效应”明显，近场区电阻率值升高；c图表示完整花岗岩的测深曲线，从高频到低频电阻率值逐渐升高，反映从浅至深花岗岩趋于致密完整.总体而言，此研究区浅层花岗岩中裂隙、破碎较发育，使得原始测深曲线上远区电阻率值偏低.

3.3 数据处理

研究区地广人稀，无电力等人文干扰，数据质量较好，且地势相对平坦，无明显地形起伏，但2.3节中出露的岩石裂隙特征以及表 1钻孔资料揭示中浅部存在薄低阻夹层，表明浅层的岩性存在纵向和横向不均匀性，势必会造成较大的静态效应，因此数据处理时主要考虑了个别频点的畸变剔除和静态校正.适合预选区特点的CSAMT数据处理流程(An et al.，2013a，b)，这里主要考虑对原始数据剔除畸变值后，利用汉宁窗空间滤波器进行空间滤波做静态校正处理.图 3为L1线数据处理前后电阻率拟断面对比结果.图 3a为L1线原始数据拟断面图，图 3b为原始数据经过处理之后的拟断面.处理之前，可以看出数据静态效应比较明显，图中出现多条高低阻渐变的条带，经过汉宁窗7点滤波后，静态效应得到部分压制，条带明显减少.

4 CSAMT结果与钻孔信息对比

地球物理测量的解释基础是已知的地质和岩石物性，而这些资料亦是验证和约束地球物理反演结果的前提.

4.1 钻孔岩石质量

该区钻孔TMS02位于L1线和L3线的交点处，施工孔深601.105 m，自上至下共分为28层，所揭露的岩性以中粒二长花岗闪长岩为主体，岩性单一，岩心新鲜、完整.其中夹杂一些在岩浆结晶分异过程中形成中细粒二长花岗闪长岩、中粒花岗闪长岩、后期侵入的碱长正长岩脉以及应力、机械作用形成的碎裂二长花岗闪长岩.钻孔揭露段未见有区域构造及次一级构造发育，因此，初步认为地质构造不发育.但通过对岩心的工程地质编录，以及严格按规范要求对岩石的RQD指标进行了统计.根据岩心编录资料和RQD指标统计结果，对岩石质量进行了评价(表 2).从表中可以看出，TMS02钻孔岩石质量不均匀，存在破碎和完整的互层，说明了600 m以浅的岩石裂隙和破碎相对较发育.但从工程施工的角度，根据RQD指标表明浅层深度范围内部分岩石质量较好，深部岩石质量优于浅部.

4.2 井旁测深数据分析

钻孔TMS02分别位于L1线的4380点，以及L3线的2300点，其中图 4a为相应测点原始数据的观测视电阻率拟合，图 4b为反演电阻率-深度、电阻率测井以及密度测井曲线.从图中可以看出，图 4a左图为钻孔在L1线的频率-视电阻率曲线拟合对比，7680~100 Hz段电阻率拟合非常好，电阻率值处于100 Ωm附近，反映了此点处岩石电阻率低；4a右图为L3线钻孔处的频率-视电阻率曲线拟合对比，同样拟合得很好，7680~100 Hz间电阻率值不高，小于200 Ωm，与在L1线一样都反映了岩石低电阻率特征.图 4b中密度测井曲线反映了钻孔岩石整体密度一致，但中间存在密度变化区段.电阻率测井曲线特征表明，钻孔岩石电阻率高低阻变化明显，反映了裂隙和破碎较发育，钻孔附近的电阻率测深反演结果反映了其总体的变化趋势，自浅至深电阻率值由低-高-低-高变化，这一特征与电阻率测深曲线整体上是一致的.这个结果与4.1中给出的测区浅部岩石的质量情况亦是一致的.CSAMT测深反演结果表明，虽然浅部存在裂隙和破碎夹层，但总体上层状结构比较明显，同表 1的结果一致，说明CSAMT的结果是可靠的.

5 结果解释

原始数据经过处理后，再利用远场数据进行全剖面2D圆滑模型反演.因CSAMT法属电磁类勘探方法，其解释的基础是地质和电阻率参数.用电阻率值的高低及分布形态来判断岩性、断裂和各种地质体在地下的赋存状态，特别是地下500~1000 m深度(标高900~400 m间)范围内的地质构造情况.由于四条测线的电阻率特征相类似，都处于塔木素岩体中，测区主要的岩性为二长花岗闪长岩，故这里只将L1和L3线说明(结果见图 5).

5.1 L1线

从整体上看，电阻率较低.浅表电阻率表现为低阻，中间夹杂中高阻或中低阻团块，表现了地表的不一致性，这种特征说明了岩体的不完整，裂隙、破碎较发育，但从处置库范围以深的反演电阻率特征看，岩体是比较完整的.现根据地质资料和电阻率特征对反演结果进行解释：

起点附近，有一低阻和中低阻异常，倾向北东，解释为已知的断裂F1-1.其影响宽度较大，延伸可至标高300 m，有一定的含水性.800~2200 m段，从浅至深电阻率以中低阻为主，说明花岗岩体不完整，裂隙、节理较发育.2200~3200 m段，地表至标高700 m，电阻率表现为低阻，中间夹一中低阻圈闭，说明了岩体较破碎，含水性好.此段处解释了两条破碎带，倾向皆南西，影响宽度较大.

4380 m处为钻孔TMS02.4480 m处有一耳坠型低阻异常圈闭，倾向南西，解释为破碎带，具备一定的含水性.4800 m和5200 m处各有一个低阻异常条带，解释为倾向南西的破碎带.5450 m处有一北东倾向的低阻异常，解释为破碎带.6000 m处亦发育一南西倾的低阻破碎带，两者都具备一定的含水.6640 m处存在一北东倾的中低阻异常，延伸可至底部. 另外，8200 m处一倾向南西的中低阻异常，深度亦可延伸至底部，解释为两条断裂，这两条断裂的存在使得此段岩体破碎、不完整，具备一定的含水性，导致电阻率变低.按照此电阻率变化特征来判断，9400m处的电阻率变化界面为断裂或破碎带存在所致，地表地质显示此处有多条破碎带存在，故解释为断裂.其倾向北东，具备一定的含水性.8820 m处的中低阻异常解释为破碎带，倾向南西，具备一定的规模.

5.2 L3线

L3线在L4线的西侧，距离约3 km平行布设，在2300 m与L1相交(L1线上的位置为4380 m).整体来看，L3线的电阻率特征同L1线类似，都是浅部横向不均匀，以低阻为中夹中高阻圈闭；中部中低阻和中阻为主，其下电阻率开始升高，但是深部的电阻率值比L1线深部的要高.究其原因，是因为L1和L2线的测线方向与区域的断裂、破碎带方向平行或小角度相交所致.此测线大部分地段岩体出露，但从已出露的地质信息和反演电阻率特征来看，花岗岩较破碎、裂隙节理多发育，含水性好.现根据地质资料和电阻率特征对反演结果进行解释：

起点附近有一低阻电阻率异常条带，倾向北西，解释为破碎带.500 m处的低阻电阻率异常带，同样解释为破碎带，倾向北西.1620 m处有一倾向南东的低阻异常，解释为破碎带.500 m和1620 m点解释的两处破碎带导致该段岩体破碎、裂隙发育，富水.2280 m处有一葫芦形状的低阻异常，解释为破碎带，倾向南东.2860 m和3180 m处各有一条低阻异常条带，倾向和倾角一致，都为南东倾，解释为破碎带.这两处破碎带造成岩体破碎富水，其导致电阻率变低.3500 m和4300 m附近各有一条倾向相对、陡立的低阻和中低阻异常，解释为破碎带.4680 m处有一倾向北西、较陡立的低阻异常，解释为已知的断裂F1-1.5000 m处有一宽度不大的低阻异常，倾向南东，解释为破碎带.5520 m处有一中低阻和低阻的电阻率变化界面，倾向北西解释为断裂.6040 m、7060 m和7520 m处各有一条影响宽度不等的低阻异常，倾向相对，倾角在50~85°之间，解释为破碎带.但这三条破碎带和5520 m处的断裂，影响宽度较大，使得岩体破碎、裂隙较发育，含水性好.

L1和L3线上解释的破碎带和断裂，大多处于500 m深度以浅.通过钻孔测试分析得知岩石质量低，说明钻孔处岩体完整性不高，存在裂隙和破碎.

但就整条剖面的CSAMT反演结果看，特别是在500~1000 m深度内，阻值以中低阻和中阻(小于1500 Ωm)为主，存在较多的局部低阻异常区.即使电阻率等值线比较均匀的区域，其电阻率值仍相对较低.结合笔者在甘肃北山新场岩体上开展的研究工作(底青云等，2010；An et al.，2013a，b)，新场岩体电阻率值相对较高，在500~1000 m目标深度上其值可达几千Ωm，而且北山钻孔揭示岩石RQD值较高且完整.因此，就目前CSAMT在塔木素岩体上的开展工作地段而言，笔者认为塔木素岩体不仅浅部存在较多的裂隙和破碎，而且储库及储库以下范围的低阻也是由岩石的裂隙、破碎带造成的，故这是导致电阻率值相对于北山的明显偏低的原因.

6 结论

区域地质构造研究圈定了可能适合高放废物地质处置场址建设的预选岩体，本文采用可控源音频大地电磁法在目标岩体上开展了针对性的剖面探测，推断解释了岩体内部断裂构造位置、产状及其延伸规模，圈定了岩体内部不均匀体范围和相对含水构造，并初步分析了相对含水构造的连通性，结果表明：

(1) 预选区岩体内部地质构造和完整围岩存在明显电性差异.根据断裂、破碎带等地质结构与完整围岩的测深曲线特征差异，以及前期数值模拟分析，可从电性角度对地质结构和完整岩石加以区分.

(2) 通过与实际钻孔等地质资料比对，CSAMT法结果的可靠性得到了验证，说明CSAMT法在高放废物场址预选中探测岩体内部地质结构的有效性.

(3) 通过CSAMT结果解释的预选岩体内部断裂、裂隙、破碎带等地质结构，大多位于500 m以浅，而在预选处置库深度及以深的岩体，其电阻率值相对于北山岩体相同深度范围的电阻率值明显偏低，判断在预选储库范围岩体也可能存在裂隙、破碎带，是不完整的.

(4) 在详细地质勘察工作之前，在预选岩体上使用CSAMT法可以快速有效地进行初步岩体完整性评价，节约成本，避免重复投入.此次探测工作的结果可为后续的详测工作和方法选择提供依据.

此次电磁测深工作属初期开创性工作，其研究目的已达到.由于预选岩体呈现面积性、立体性分布，二维剖面探测只能获得一个方向的信息，为了更好地获得岩体展布特征、构造形态和水力联系等，可尝试开展CSAMT三维勘探，以了解更细微直观的地下三维电性结构，对岩体构造、地下水特点等做出区域性、立体的综合评价.

致谢

感谢国家重大科研装备研制项目(ZDYZ2012-1-05)和国防科工局“十二五”核废料地质处置项目(科工二司[2013]727号)的资助，以及本文中有关数据的提供.