羅 輝，趙宏剛，蔣 實，陳偉明，田 霄

（1.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院中核高放廢物地質(zhì)處置評價重點實驗室，北京100029；2.中國國土資源航空物探遙感中心，北京 100083）

高放廢物地質(zhì)處置新疆雅滿蘇預(yù)選地段三維地質(zhì)建模研究

羅 輝1，趙宏剛1，蔣 實2，陳偉明1，田 霄1

（1.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院中核高放廢物地質(zhì)處置評價重點實驗室，北京100029；2.中國國土資源航空物探遙感中心，北京 100083）

利用三維地質(zhì)建模軟件Micromine和深探地學(xué)建模軟件建立了雅滿蘇預(yù)選地段的三維可視化地質(zhì)模型，直觀地反映了該預(yù)選地段巖體、斷裂的空間展布和相互關(guān)系等深部地質(zhì)環(huán)境信息。基于所建立模型開展了三維剖切分析、對模型任意切割和開挖等一系列實用的可視化分析，為后續(xù)處置庫預(yù)選地段的適宜性評價提供資料和技術(shù)支持。

雅滿蘇預(yù)選地段；處置庫；三維地質(zhì)建模

高水平放射性核廢物（高放廢物）由于其放射性活度高、半衰期長、毒性大等特點，對其進行最終安全處置難度極大，面臨一系列的科學(xué)、技術(shù)和工程挑戰(zhàn)，受到了各核工業(yè)國家的普遍重視［1-2］。關(guān)于高放廢物處置，目前普遍接受的可執(zhí)行方案是深部地質(zhì)處置，即把高放廢物埋在距離地表深約500～1 000 m的地質(zhì)體中，使之永久（數(shù)萬年計）與人類的生存環(huán)境隔離［3-5］。我國高放廢物地質(zhì)處置研究自1985年開始以來，開展了處置庫選址、場址評價、處置工程、安全評價、地下實驗室場址初選等研究。

三維地質(zhì)建模及可視化研究是當(dāng)前數(shù)學(xué)地質(zhì)、 水文、 工程地質(zhì)等研究的前沿和熱點［6］，也是快速、適時地再現(xiàn)地質(zhì)體三維信息及綜合分析的有效途徑，已成為許多國家高放廢物地質(zhì)處置項目中地質(zhì)分析和工程設(shè)計必不可少的手段［7-9］。主要目的是建立高放廢物地質(zhì)處置新疆雅滿蘇預(yù)選地段直觀、完整的真三維地質(zhì)模型，全面、真實地揭示候選場址深部地質(zhì)環(huán)境特征，從而為場址的適宜性評價以及審管部門做出合理的決策提供依據(jù)。

1 雅滿蘇地段地質(zhì)特征

1.1 地層

雅滿蘇位于塔里木地層區(qū)之北天山地層分區(qū)。進一步劃分為秋格明塔什-黃山地層小區(qū)和雅滿蘇地層小區(qū)。工作區(qū)僅出露有晚古生界石炭系和新生界第三系和第四系地層。晚古生界石炭系巖性十分復(fù)雜，包含變質(zhì)正常沉積碎屑、碳酸鹽巖建造和大量火山熔巖、凝灰?guī)r和火山碎屑巖建造，巖相變化劇烈。

1.2 侵入巖

雅滿蘇花崗巖是一個較大的侵入體，本身構(gòu)成了一個由3個單元組成、演化序列清晰完整的超單元（序列）。其總體形態(tài)為一NW-SE向展布，大體呈矩形的巖基。NW向長約20～22 km，南東寬約8～10 km，面積約164 km2。巖體的西北段侵入到下石炭統(tǒng)干墩組和中石炭統(tǒng)梧桐窩子組，巖體的東南段侵入到下石炭統(tǒng)雅滿蘇組。巖體西部和北部的外接觸帶中-下石炭統(tǒng)淺變質(zhì)灰?guī)r發(fā)生了夕卡巖化，淺變質(zhì)中基性火山巖、碎屑巖普遍發(fā)生了角巖化、角閃巖化和硅化等接觸變質(zhì)及蝕變現(xiàn)象，部分地段還發(fā)生了混合巖化。充分說明巖體侵入時代晚于早-中石炭統(tǒng)。雅滿蘇花崗巖各個單元礦物成分基本相同，均為黑云母二長花崗巖。唯有組成巖石的礦物結(jié)構(gòu)有較大的差異。如早期侵入的為中粒似斑狀結(jié)構(gòu)，中期侵入的為中粒結(jié)構(gòu)，晚期者為細(xì)粒少斑狀結(jié)構(gòu)。據(jù)此，將該巖體劃分為3個單元。即中粒似斑狀黑云母二長花崗巖單元（T2Y1）、中粒黑云母二長花崗巖單元（T2Y2）及細(xì)粒少斑狀黑云母二長花崗巖單元（T2Y3）。

1.3 斷裂特征

雅滿蘇預(yù)選地段在圖幅內(nèi)（圖1）共發(fā)育有8條斷裂，斷裂在圖幅南部比北部發(fā)育，北部和南部斷裂均未通過雅滿蘇花崗巖體。斷裂構(gòu)造以近EW向為主，NE向次之。雅滿蘇地段內(nèi)斷裂的主要特點是，斷裂破碎帶主要見硅質(zhì)角礫巖，蝕變帶主要為硅化、褐鐵礦化和碳酸鹽化，斷裂基本上都是老斷層，且均未穿過花崗巖體。由苦水?dāng)嗔眩‵2）未穿過巖體可以大致推斷，巖體侵入年代應(yīng)比該斷裂形成年代晚?？傮w上，巖體受斷裂構(gòu)造影響非常微弱。

2 建模思路和方法

雅滿蘇預(yù)選地段主要建立面積約686.25 km2（30.5 km×22.5 km），深度為2 km的地質(zhì)模型。本次三維地質(zhì)建模主要目的是反映雅滿蘇地段巖性和斷裂構(gòu)造的三維空間展布信息及其關(guān)系。依據(jù)建模要求，整個建模過程可以劃分為數(shù)據(jù)預(yù)處理、地質(zhì)面的構(gòu)建、線框模型的構(gòu)建及地質(zhì)體的構(gòu)建等步驟。對于每個步驟而言，都有若干子步驟需要處理。

根據(jù)雅滿蘇地質(zhì)構(gòu)造特點與已有的資料情況，本部分建模工作中，數(shù)據(jù)庫的建立和數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換主要以Micromine公司的KANTAN 3D軟件為主；構(gòu)造建模和礦體建模使用網(wǎng)格天地公司的深探地學(xué)建模軟件完成，以地質(zhì)平面圖、剖面圖和地球物理剖面資料為約束，制定相關(guān)建模策略和三維地質(zhì)體建模流程。

2.1 三維地質(zhì)建模的思路

采用三維構(gòu)造建模技術(shù)與構(gòu)造解釋相結(jié)合，將衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)資料、地形圖數(shù)字資料、地質(zhì)調(diào)查資料及地球物理測量等相關(guān)數(shù)據(jù)整理成軟件可接受格式導(dǎo)入，利用相干體技術(shù)及三維構(gòu)造可視化技術(shù)對地質(zhì)體及斷層的分布，尤其是對小斷層，小幅度構(gòu)造的分布細(xì)節(jié)進行仔細(xì)分析和研究，實現(xiàn)由點到線，由線到面的空間立體綜合解釋，在解釋過程中，認(rèn)真推敲地質(zhì)體產(chǎn)狀及其變化，注重小斷層細(xì)節(jié)，用瞬時相位技術(shù)識別斷點，做到準(zhǔn)確解釋，并最終得到成果地質(zhì)體模型。

圖1 雅滿蘇地段地質(zhì)圖Fig.1 Geological map of Yamansu area

構(gòu)造建模的過程是根據(jù)解釋成果，采用斷裂恢復(fù)法由解釋的斷層和地層數(shù)據(jù)直接網(wǎng)格化生成地質(zhì)面。通過簡單定義斷面邊界、斷面間主輔關(guān)系即可快速建立錯綜復(fù)雜的斷層網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。系統(tǒng)內(nèi)置的模糊控制機制可有效應(yīng)對地質(zhì)、斷面解釋數(shù)據(jù)在斷面附近不閉合的問題?？梢蕴幚砑鉁?、剝蝕、超覆和巖丘隆起等各種不整合現(xiàn)象。

2.2 三維地質(zhì)建模的方法

針對一般三維解釋成果數(shù)據(jù)進行構(gòu)造建模使用的地層生成方法是最小曲率和反距離加權(quán)生成方法，可以在保證建模效率的前提下很好地描述構(gòu)造形態(tài)特征。在二維測網(wǎng)解釋數(shù)據(jù)情況下，二維數(shù)據(jù)存在測網(wǎng)稀疏，有閉合差，不規(guī)則等問題，通常采用反距離加權(quán)的生成方式，可以進行更確切和更圓滑的插值，使生成的層面更貼近地質(zhì)解釋成果數(shù)據(jù)。同時軟件內(nèi)置的模糊處理機制可以很好地在數(shù)據(jù)量較少情況下正確地生成巖層面，必要時也可以人為地添加一些控制點，控制地層的走勢，以達(dá)到更為理想的效果。故本次建模針對花崗巖體采用的是反距離加權(quán)和幾何光順相接合的方法，針對變質(zhì)巖、粉砂巖及火山巖均采用的是最小曲率法。由于研究區(qū)面積較大，可用數(shù)據(jù)量較少，為了提高模型的精度，依據(jù)地質(zhì)人員的認(rèn)識，通過增加虛擬剖面的方法進行構(gòu)造解釋，提高對地層形態(tài)控制的能力。

3 三維地質(zhì)模型的建立

3.1 構(gòu)造建模

針對原始數(shù)據(jù)情況和工區(qū)內(nèi)剖面展示的斷層特點，采用構(gòu)造解釋技術(shù)、三角化網(wǎng)格剖分技術(shù)、斷面交切關(guān)系處理技術(shù)及閉合邊界自動生成等關(guān)鍵技術(shù)，制定相應(yīng)技術(shù)路線，建立斷層模型。斷層建模技術(shù)流程如下（圖2）。

對BMP位圖矢量化及定位點定位位圖，實現(xiàn)將二維構(gòu)造剖面的三維立體展布，并調(diào)整剖面圖間的比例系數(shù)達(dá)到較高的匹配度。最終形成柵狀的剖面組，將地質(zhì)平面圖、剖面圖和電法剖面圖位圖導(dǎo)入三維工區(qū)，利用實測坐標(biāo)定位地質(zhì)圖，分別解釋斷層的走向線和傾向線，創(chuàng)建三維斷層數(shù)據(jù)體（圖3）。

結(jié)合人機交互的工作模式編輯相關(guān)斷面的離散點、控制點，定義斷層的傾向及傾角，調(diào)整斷面傾角，并完成斷層面的平滑修正；利用已有斷層傾角及方位角信息，綜合考慮地層數(shù)據(jù)中斷距的延伸長度和斷層多邊形的延伸情況設(shè)置斷層的邊界。

圖2 斷層建模流程Fig.2 Fault modeling process

圖3 解譯斷層數(shù)據(jù)體Fig.3 Tomographic data interpretation body

斷層建模最后一個環(huán)節(jié)，也是非常關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)就是斷層交切關(guān)系的處理，通過解釋斷棱數(shù)據(jù)和多邊形數(shù)據(jù)的指導(dǎo)，手工指定交切斷層間的切割關(guān)系。

利用上述斷層建模技術(shù)，對雅滿蘇8條斷層進行交切關(guān)系處理，建立了斷層模型（圖4），三維模型中F5被F7斷開。

3.2 巖體建模

針對研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)體層面交切復(fù)雜的特點，采用構(gòu)造解釋技術(shù)、斷裂恢復(fù)法自動生成層面技術(shù)、層面相交處理技術(shù)等地質(zhì)建模關(guān)鍵技術(shù)，制定相應(yīng)建模技術(shù)流程，建立三維巖體模型。

圖4 雅滿蘇斷層模型Fig.4 Yamansu fault model

根據(jù)平面圖和剖面圖反映的地質(zhì)信息構(gòu)建三維地質(zhì)體，橫向上以平面圖地質(zhì)信息作為約束條件，縱向上以剖面圖地質(zhì)信息作約束條件，對剖面圖和平面圖矢量化后，解釋得到三維地質(zhì)體數(shù)據(jù)，創(chuàng)建三維地質(zhì)體模型。

3.2.1 解釋數(shù)據(jù)

用上述方法，創(chuàng)建花崗巖三維地質(zhì)數(shù)據(jù)，并創(chuàng)建地質(zhì)體，保證原始地質(zhì)資料對花崗巖體控制的準(zhǔn)確性（圖5）。本次工作中由于獲得能使用的剖面圖較少，因此每個花崗巖體模型增加了多個虛擬剖面，作為輔助解釋，每個地質(zhì)巖體均通過這種辦法，創(chuàng)建各自獨立的三維地質(zhì)數(shù)據(jù)體。

圖5 地質(zhì)體創(chuàng)建流程Fig.5 Geological creation process

3.2.2 面建模

依據(jù)衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)資料、地形圖數(shù)字資料、地質(zhì)調(diào)查資料及地球物理測量等，采用地質(zhì)構(gòu)造恢復(fù)法，根據(jù)地質(zhì)資料反映的巖體地質(zhì)信息及地質(zhì)特征，將晚二疊世中粒似斑狀黑云母二長花崗巖體單元地層面缺失部分補充完整，剝蝕部分填充上，人機交互完善地層層位離散點數(shù)據(jù)，采用反距離加權(quán)算法插值生成地層面。

3.2.3 體建模

花崗巖體上侵，切割沉積地層的地質(zhì)運動過程中，新老地層的交切處理，由新地層切割掉老地層，或花崗巖侵入后，切割掉原有地層方式。創(chuàng)建晚二疊世中粒似斑狀黑云母二長花崗巖體（圖6）。

圖6 巖體相交處理Fig.6 Rock intersection processing

采用以上方法建立了雅滿蘇預(yù)選區(qū)內(nèi)二疊紀(jì)、中二疊紀(jì)、晚二疊紀(jì)、泥盆紀(jì)等11個地質(zhì)體的地層數(shù)據(jù)、地層面和三維地質(zhì)體模型（圖8）。

圖7 雅滿蘇地段三維地質(zhì)模型Fig.7 Yamansu area 3D geological model

4 模型應(yīng)用

完成三維地質(zhì)實體模型的構(gòu)建之后，可以對模型進行一系列后續(xù)的三維分析，如模型觀察、剖面切割、任意形狀開挖、體積計算等。

隱藏地層，僅保留花崗巖體、斷裂、巖脈和第四系，對模型進行觀察和分析（圖8），可以直觀的看到，花崗巖體呈巖基狀NW-SE向展布，斷裂大多數(shù)都分布在巖體以外，第四系覆蓋于其他地層之上，巖體完整性較好 （未被大型斷裂切割）。對模型進行任意剖面切割（圖9），可以方便地質(zhì)人員對深部地質(zhì)情況進行分析和判斷。此外，還可以開挖感興趣的目標(biāo)地質(zhì)體 （圖10），查看巖塊的組成、分布及與斷裂的空間分布關(guān)系，方便后續(xù)工作中處置庫場址的篩選。對任意地質(zhì)體進行體積計算（圖11），可以查看巖塊或任意坑道的處置容積，這些三維地質(zhì)分析對后續(xù)工作中高放廢物地質(zhì)處置庫的篩選和設(shè)計都將非常實用。

圖8 巖體三維展示Fig.8 3D display of rock mass

圖9 剖面切割Fig.9 Cross-sectional cut

圖11 花崗巖體三維量算Fig.11 3D measurement of granite rock mass

5 結(jié)論

以高放廢物地質(zhì)處置預(yù)選地段新疆雅滿蘇為例，結(jié)合三維地質(zhì)可視化模型的理論方法和實際地質(zhì)環(huán)境情況，建立了該地段含巖體和斷層展布信息的三維地質(zhì)模型，全面的描述了預(yù)選地段三維構(gòu)造形態(tài)等參數(shù)，直觀、準(zhǔn)確地反映了該地段的深部地質(zhì)情況。基于所建立地質(zhì)模型，進行任意切割、開挖，生成了一定數(shù)量的地質(zhì)剖面，可以通過鼠標(biāo)點擊模型獲得相應(yīng)位置的屬性值，這對分析各種地質(zhì)信息在整個模型中的分布特征及規(guī)律有著直接指導(dǎo)意義，可以從宏觀上指導(dǎo)下一步工作計劃，從而為后續(xù)相關(guān)的工程設(shè)計以及審管部門做出合理的決策提供依據(jù)。

但是，本次建模由于由于鉆孔密度和模型尺寸的限制，導(dǎo)致地質(zhì)模型有較大的不確定性；鉆孔地質(zhì)記錄推測的構(gòu)造面空間延展?fàn)顟B(tài)以及地表露頭構(gòu)造面測量和構(gòu)造記錄相關(guān)的驗證也存在不同程度的困難。隨著研究區(qū)工作程度的不斷深入，可利用的建模資料將不斷豐富，模型可信度也將不斷提高。

［1］王駒．高放廢物地質(zhì)處置：進展與挑戰(zhàn)［J］．中國工程科學(xué)，2008（3）:58-65．

［2］潘自強，錢七虎．高放廢物地質(zhì)處置戰(zhàn)略研究［M］．北京：原子能出版社，2009．

［3］王駒，徐國慶，鄭華鈴，等．中國高放廢物地質(zhì)處置研究進展 1985—2004［J］. 世界核地質(zhì)科學(xué)，2005（1）:5-16．

［4］潘自強，等.2020年我國核能發(fā)展的策略和目標(biāo)研究［J］.鈾礦地質(zhì)，2004，20（5）:257-259.

［5］王駒，陳偉明，蘇銳，郭永海，金遠(yuǎn)新．高放廢物地質(zhì)處置及其若干關(guān)鍵科學(xué)問題［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2006，（4）:801-812．

［6］楊東來，張永波，王新春，等.地質(zhì)體三維建模方法與技術(shù)指南［M］.北京：地質(zhì)出版社，2007.

［7］Posiva.Olkiluoto site description 2011［D］.Finland：Posiva，2012.

［8］SKB， 2009.Site description of Forsmark at completion ofthe site investigation phase［D］. Swedish：2009.

［9］趙宏剛，KUNZ Herbert，王駒.甘肅北山舊井地段三維地質(zhì)建模及RockFlow在核素遷移模擬研究中的應(yīng)用［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2007，26（2）增：3 989-3 994.

Study on 3D geological modelling at Yamansu area in Xinjiang preselected region of High-level Radioactive Waste Disposal

LUO Hui1，ZHAO Honggang1，JIANG Shi2，CHEN Weiming1，TIAN Xiao1

（1.CNNC Key Laboratory on Geological Disposal of High-level Radioactive Waste，Beijing Research Institute of Uranium Geology，Beijing 100029，China；2.China Aero Geophysical Survey&Remote Sensing Center for Land and Resources，Beijing 100083，China）

By using 3D geological modelling software（micromine and DepthInsightGeoScience Modeling），3D geological model of Yamansu preselected area has been built up，which can reveal underground environmental character of this candidate site in detail，including spatial distribution of rock mass and fractures， as well as their relationships.A series of practical visualization analysis have been carried outbased on the 3D geological model，such as model-cutting and model-excavating.This model will provide information and technical support for the follow-up evaluation on the suitability of the site.

Yamansu preselected area； high level radioactive waste repository； 3D Geological Modelling；

TL942

A

1672-0636（2017）01-0047-07

10.3969/j.issn.1672-0636.2017.01.009

2016-06-29；

2016-10-17

羅 輝（1982—），男，湖北天門人，工程師，長期從事高放廢物地質(zhì)處置庫選址和場址特性評價工作。

E-mail：luo1029hui@163.com