羅輝 ,陳偉明,周志超,劉健,李亞偉,田霄,云龍

(1.核工業(yè)北京地質研究院,北京 100029;2.中國國家原子能機構高放廢物地質處置創(chuàng)新中心,北京 100029)

0 引言

高水平放射性核廢物(以下簡稱高放廢物)地質處置作為一項特殊的工程項目,在各核工業(yè)國家受到普遍重視[1]。目前,深地質處置(將廢物處置在地表以下500～1 000 m深度)是國際社會普遍接受的、可行的高放廢物最終安全處置方式[2-4]。1985年我國啟動了高放廢物地質處置庫場址篩選開發(fā)工作,提出我國可以作為高放廢物處置庫圍巖的類型有花崗巖、黏土巖、巖鹽和凝灰?guī)r,在綜合考慮到各類巖石的分布和社會經(jīng)濟等條件的基礎上,優(yōu)先對花崗巖場址進行了研究。經(jīng)過30多年的發(fā)展,先后開展了全國區(qū)域篩選、處置庫圍巖確定、重點地段篩選和適宜性評價等工作[5-8],最終,甘肅北山預選區(qū)被確定為我國高放廢物地質處置庫首選預選區(qū)。從1999年開始,國家國防科技工業(yè)局先后批復了6個有關北山預選區(qū)處置庫場址調查與評價的項目(簡稱“北山一～六期”),以這6個項目為依托,依次對北山預選區(qū)中舊井、野馬泉、新場—向陽山、沙棗園和算井子等5個預選地段開展了場址調查等工作[9-12],并從中篩選出高放廢物處置庫候選場址。北山預選區(qū)花崗巖型處置庫候選場址調查與篩選過程也是我國高放廢物地質處置庫候選場址調查與評價方法的研究過程。本研究以《核安全導則 高水平放射性廢物地質處置設施選址》[13](以下簡稱“選址導則”)為指導,基于選址準則的10個方面,綜合運用地質—地球物理—水文地質—地球化學等研究方法,建立了系統(tǒng)的處置庫候選場址調查與適宜性綜合分析方法,并在甘肅北山預選區(qū)算井子預選地段初步篩選出處置庫候選場址。

1 研究區(qū)概況

甘肅北山預選區(qū)是我國高放廢物地質處置庫場址6大預選區(qū)之一[6],位于甘肅西北部和內蒙古西部,其行政區(qū)劃隸屬于甘肅酒泉市及內蒙古阿拉善盟額濟納旗。區(qū)域上,北山造山帶處于西伯利亞板塊、哈薩克斯坦板塊和塔里木—華北板塊的結合部位,在大地構造位置上屬于中亞造山帶南緣(圖1a)。預選區(qū)的地層分屬天山—興安地層區(qū)北山地層分區(qū),區(qū)內出露的地層較齊全,由老到新有元古宇、寒武系、奧陶系、志留系、石炭系、二疊系、三疊系、侏羅系、白堊系、古近系、新近系和第四系[7-8]。區(qū)內花崗巖廣泛出露(圖1b),據(jù)統(tǒng)計,北山預選區(qū)內共有21個花崗巖體,單個巖體的面積從20 km2～800 km2不等,總面積達6 400 km2。花崗巖類的形成時間可從前寒武紀一直延續(xù)到中生代燕山期,而出露面積最廣的花崗巖類屬于華力西期,并主要集中在華力西晚期。北山地區(qū)廣泛分布的微陸塊、島弧、洋殼塊體、沉積變質塊體和增生雜巖塊體等眾多地體,在3大板塊的相互作用下經(jīng)歷了多次增生拼合,在復雜的地質過程中,北山境內自北向南以此形成了4條蛇綠巖帶。

1—中生代花崗巖;2—晚古生代花崗巖;3—早古生代花崗巖;4—前寒武紀花崗巖;5—克拉通;6—高壓變質帶;7—縫合帶;8—蛇綠巖帶(①紅石山蛇綠巖帶;②石板井—小黃山蛇綠巖帶;③紅柳河—牛圈子—洗腸井蛇綠巖帶;④輝銅山—帳房山蛇綠巖帶);9—斷層或推測斷層;10—第四系與露頭界線;11—研究區(qū)位置

算井子地段地處北山東北部,屬中低山區(qū),主要出露有青白口系圓藻山群大豁落山組、志留系中統(tǒng)公婆泉群、石炭系下統(tǒng)白山組、白堊系下統(tǒng)赤金堡組和第四系全新統(tǒng)地層。侵入巖為華力西中期巖漿活動的產(chǎn)物,以酸性巖類為主,呈巖基狀產(chǎn)出。

2 處置庫預選地段調查研究

選址導則把處置庫選址過程劃分為規(guī)劃選址、區(qū)域調查、場址特性評價和場址確認4個階段。區(qū)域調查階段的目標是在一個或若干個預選區(qū)內篩選出2個或2個以上適宜建造處置設施的候選場址,即對預選區(qū)中的具有有利條件的地段開展調查,篩選出若干個適宜建造處置設施的候選場址,供進一步的比選和場址特性評價。

選址準則分為地質條件、未來自然變化、水文地質、地球化學、人類活動、建造和工程條件、廢物運輸、環(huán)境保護、土地利用、社會經(jīng)濟和人文條件10個方面。通過對選址導則的研讀,將這10個方面的內容歸納為場址的安全性、可建造性和可接受性3項屬性。地段的適宜性主要體現(xiàn)在地段所在(或所含)巖體的適宜性上,本文以北山預選區(qū)算井子地段(巖體)為例,開展了以上10個方面的調查,重點闡述了調查方法及調查結果。

2.1 安全性調查

安全性調查涉及地質條件、水文地質、地球化學、未來自然變化和人類活動5個方面。

2.1.1 地質條件

地質條件調查研究是巖體安全性調查的重點,在預選地段開展地質條件研究,排除顛覆性因素。本研究通過地表地質調查、深部地質勘查和三維地質建模研究,查明場址中巖性和構造的空間分布特征,以滿足處置庫場址安全評價基本要求。首先以ArcGIS和MapGIS操作軟件為平臺,利用1∶2.5萬QuickBird遙感數(shù)據(jù)對研究區(qū)內重要構造、成巖物源、特殊蝕變等開展遙感地質解譯,獲得算井子地段面積約375 km2遙感解譯圖,并結合野外地質調查,獲得了研究區(qū)1∶5萬地表地質資料;然后在近南北方向施工3條AMT探測剖面對構造和巖體深部展布形態(tài)進行探測,并施工了2口深度約600 m的鉆孔對深部地質環(huán)境條件進行揭露;最后通過三維地質建模研究,對獲取的地質資料進行綜合解譯,利用場址特征數(shù)據(jù)建立三維可視化地質模型,直觀、清晰地展現(xiàn)場址的地質結構和特征。

算井子地段花崗巖體地表呈NE向長條狀出露[15],長約22 km,寬約8 km,出露面積176 km2(圖2)。地球物理探測結果顯示,算井子地段花崗巖體的深度可達地下2 000 m。經(jīng)BS22和BS23(孔深均為600 m)鉆孔勘察,均未揭露到巖體的底板,說明花崗巖體厚度大于600 m。算井子花崗巖體由三道明水北、三道明水和三道明水東3個單元組成(圖2),其中三道明水單元是算井子花崗巖體的主體,呈NE向長條狀展布,出露面積約151 km2,巖性為塊狀花崗閃長巖;三道明水北單元分布于三道明水單元西北側,并早于三道明水單元形成,出露面積約19 km2,巖性為片麻狀花崗閃長巖;三道明水東單元侵入于三道明水單元的東北部,出露面積僅6 km2,巖性為中細?；◢忛W長巖。算井子地段花崗巖巖體以酸性侵入巖為主,巖漿侵入活動為晚古生代,巖漿在侵入過程中受斷裂構造的控制,以巖墻擴張的方式就位。該地段共發(fā)育9條斷裂構造,主要分成NE向(F0、F3、F4)、NW向(F1、F2、F7、F8)及南部山前大斷裂(F5、F6)3組斷裂。斷裂活動具多期次的特點,無任何新構造活動的跡象,巖體比較穩(wěn)定。

1—全新統(tǒng)沖積;2—白堊系下統(tǒng)赤金堡組;3—三道明水東中細?；◢忛W長巖單元;4—三道明水花崗閃長巖單元;5—三道明水北片麻狀花崗閃長巖單元;6—石炭系下統(tǒng)白山組;7—志留系中統(tǒng)公婆泉群;8—青口白系圓藻山群大豁落山組;9—實測斷層;10—推測斷層;11—整合地質界線;12—角度不整合地質界線;13—鉆孔及其編號;14—地球物理測線

2.1.2 水文地質條件

在研究區(qū)開展水文地質調查,通過區(qū)域水文地質調查、溝谷洪流監(jiān)測、2口鉆孔抽水試驗和壓水等水文地質試驗、淺部地下水取樣分析、井中瞬變電磁法測量等手段,獲得了地下水循環(huán)交替特征、地下水化學特征、地下水同位素及溶解氣體特征等資料,掌握地下水的賦存和運移條件,為核素運移和巖體適宜性評價提供依據(jù)。

算井子地段地處北山預選區(qū)北部腹地,區(qū)內降水量小,年平均降水量不足90 mm,年平均蒸發(fā)量大于3 000 mm。地下水資源匱乏,以接受大氣降水補給為主,補給能力弱,地下水主要以潛水的形式賦存于50 m以上的風化裂隙中,據(jù)算井子地段深鉆孔揭露的平均水位埋深為3.12 m(圖3)。算井子地段裂隙相對填充和閉合,地下水賦存空間極為有限,富水性主要受控于地形地貌和巖性構造,單井涌水量小于100 m3/d,巖體含水量小。

圖3 算井子地段花崗巖體地下水水位等值線Fig.3 Contour map of groundwater level of granite mass in Suanjingzi section

在算井子地段采用Guelph滲透儀和雙環(huán)入滲儀,開展淺部包氣帶滲透試驗,獲得了淺部滲透性特征數(shù)據(jù),并利用雙栓塞水文地質試驗,獲得了算井子地段不同深度的滲透性參數(shù)。該地段巖體完整段滲透系數(shù)分布在1.00×10-11～1.00×10-10m/s,裂隙帶為1.00×10-8～1.00×10-6m/s,巖體內平均水力梯度在10‰左右。據(jù)此估算,巖體內地下水平均流速為1.00×10-10m/s,巖體內地下水運移到最終排泄區(qū)的時間約為57.1萬年,循環(huán)更新速率較慢,地下水總體流向為NE向。區(qū)內地下水主要為微咸水,水化學成分以高礦化為主要特征,總溶解固體(TDS)平均為2.51 g/L,pH值大多為7～8,化學成分含量變化很大,水化學類型以Cl·SO4-Na和SO4·Cl-Na型為主。

2.1.3 地球化學條件

結合北山預選區(qū)前期選址工作內容及成果,通過同位素測年和元素化學分析等手段,查明巖石類型、礦物組成及化學成分,從而探討巖體的成因和演化特征;運用同位素、微量元素及包裹體分析等方法,揭示裂隙充填物及其母源流體的來源、成因及演化特征,以及深部巖體的水—巖反應特征、氧化—還原條件等;對露頭點地下水均進行現(xiàn)場物理、化學參數(shù)測量,并采集了地下水化學和同位素樣品進行分析,查明了算井子花崗巖體及周圍地質單元的地球化學特征,并獲得了巖石、裂隙充填物和地下水的地球化學數(shù)據(jù)和資料。

算井子花崗巖體成巖年齡為346～359 Ma,為同一期巖漿活動作用的結果。各單元巖石的地球化學類型也一致,均屬于鈣堿性巖石系列,為過鋁質巖石,Ⅰ型花崗巖成因,是火成巖熔融形成的巖漿產(chǎn)物。

算井子花崗巖體內裂隙充填物的類型主要為方解石、黏土礦物、鐵氧化物及綠簾石、石英等,而裂隙中的黏土礦物多為蒙脫石和伊利石,二者均具有較強的離子吸附能力。根據(jù)填隙物隨深度變化的發(fā)育特征(圖4),在算井子花崗巖體不同位置和不同深度范圍內,填隙物的分布特征主要受控于斷層或節(jié)理的形成、開啟或閉合狀態(tài),以及構造裂隙的導水性。填隙方解石呈現(xiàn)Eu的正異常和Ce的無異?；蛉踟摦惓?巖體深部234U/238U放射性活度達到平衡或近似平衡狀態(tài)(巖體淺部比值較大),算井子花崗巖體整體處于還原環(huán)境。

圖4 算井子地段花崗巖體主要填隙物分布特征Fig.4 Distribution characteristics of main interstitial materials of granite mass in Suanjingzi section

算井子花崗巖體內及其周圍地區(qū)地下水化學成分含量變化很大,地下水總溶解固體(TDS)隨地域的不同而有明顯的差別。地下水化學類型以Cl·SO4-Na和SO4·Cl-Na型為主,其次是SO4·Cl-Na·Ca、Cl·SO4-Na·Ca等類型。鉆孔中測得的地下水Eh值組成范圍較大,介于-232～60 mV,表明其地下水環(huán)境為還原性?？傮w來講,算井子花崗巖體內地下水的物理、化學參數(shù)均較適宜。

2.1.4 未來自然變化

開展未來自然變化研究,在充分收集和整理相關歷史地震記錄和現(xiàn)代地震觀測資料上,通過野外地震地質調查,結合年代樣品測試及地震構造法、最大歷史地震法和綜合概率法的地震危險性分析,初步評價了算井子地段近區(qū)域(巖體外圍25 km)發(fā)震構造、最大潛在地震、能動斷層等關鍵問題對算井子花崗巖體的地震安全性影響。

研究區(qū)大部分地區(qū)為沙漠無人或少人區(qū),沒有歷史地震記載。區(qū)域臺網(wǎng)監(jiān)測能力也較弱,近年來只記載了8次3.0～3.9級地震,最大地震只有3.9級,都分布在巖體之外,地震沒有形成帶狀或團狀密集分布,地震活動沒有形成短時集中發(fā)生的現(xiàn)象。歷史地震中,算井子地段的最大影響烈度為Ⅵ度。綜合判斷,該區(qū)地震活動微弱,地殼結構穩(wěn)定。

算井子花崗巖體近區(qū)域斷層主要分布于巖體的西側、東北側和東南側,其中多條斷層集中于巖體西側,主要分布NW向斷層,如F11和F14,這兩條斷層被若干條NNW和NNE向次級斷層截為幾段。巖體東北側分布兩條斷層,分別為NW向的F9和近SN向的F10。巖體東南側分布NWW向的F12和近EW向的F13。巖體內分布NNE向的F3、F4和F5以及NNW向的F2。巖體南側分布一條近EW向,至算井子巖體附近轉為NEE向的F6(圖5)。通過野外調查,近區(qū)域范圍內的斷裂破碎帶均膠結堅硬,沿斷裂沒有第四紀盆地發(fā)育,斷裂破碎帶上均有第四系沖洪積、殘坡積物發(fā)育,未見斷裂對第四系產(chǎn)生錯斷、變形等現(xiàn)象,結合測年結果,認為上述斷裂在第四紀均不活動。結合近區(qū)域地震活動特征,認為近區(qū)域內已有的斷裂均不是發(fā)震構造。

圖5 算井子地段近區(qū)域地震構造Fig.5 Seismic structure map of the Suanjingzi nearby area

2.1.5 人類活動

高放廢物地質處置庫選址必須考慮場址及其附近現(xiàn)有和未來的人類活動,調查分析研究區(qū)能源礦產(chǎn)、礦物資源和地熱資源的分布、儲量以及開發(fā)和利用狀況,現(xiàn)有的和計劃中的地表水體分布和利用情況,地下水利用情況等。筆者主要通過資料調研整理和現(xiàn)場調查,獲得了以巖體中心為圓心的半徑25 km的人類活動狀況,結果顯示:算井子預選地段內沒有常年性地表水系,只有季節(jié)性洪水形成的沖溝,該區(qū)干旱少雨,無河流,井泉分布較多,但不均勻,多不宜飲用,其人類活動主要是礦產(chǎn)資源的勘探和開采活動;以算井子巖體中心為圓心的半徑25 km范圍內東部約22 km處有一個小型鐵礦小紅山鐵礦,目前停產(chǎn),無人看守;距巖體中心向南部約16 km處有一個小型煤礦,目前停產(chǎn),無人看守;算井子花崗巖體內尚未發(fā)現(xiàn)礦產(chǎn)資源。北山地區(qū)有2條主要河流,為其東側的黑河和西南側的疏勒河。算井子花崗巖體與黑河的最近距離大于150 km,與疏勒河的最近距離大于200 km,均相距較遠。

2.2 可建造性調查

可建造性調查的主要內容是處置庫建造與工程條件調查研究。通過對算井子BS22、BS23鉆孔巖心完整性調查、巖石力學性能測試和鉆孔深部地應力測量,進行巖體工程質量綜合評價,考察巖體是否滿足地下工程施工的要求。

算井子地段巖石抗拉強度較高,在8～12 MPa范圍內,單軸抗壓強度在120～180 MPa范圍內,屬于堅硬巖石,總體上巖石抗拉強度和單軸抗壓強度隨深度變化不明顯。方解石充填—開啟天然裂隙的內摩擦角主要集中在30°左右;粘聚力較為離散,整體上小于5 MPa。算井子地段地應力場以水平應力為主導,最大水平主應力小于25 MPa,其方向主要集中在NW向。如圖6所示,地應力值總體上隨著深度的增加而增加,巖體最大(Sh,max)、最小(Sh,min)水平主應力隨深度增加梯度系數(shù)分別為0.023 8和0.016 7;470 m深度以下,實測最大、最小水平主應力和垂向應力之間的關系可以描述為Sh,max>Sv>Sh,min。該地段屬中應力水平區(qū),在埋深500 m左右的范圍內,地下洞室的開挖發(fā)生巖爆的可能性不大。

圖6 算井子花崗巖體地應力隨深度的變化規(guī)律Fig.6 The variation pattern of in-situ stress of granite mass in Suanjingzi section with depth

算井子BS22鉆孔RQD(每次進尺中等于或大于10 cm的柱狀巖心的累計長度與每個鉆進回次進尺之比)評價為好或極好的回次所占比例超過95%,BS23鉆孔RQD評價為好或極好的回次所占比例超過87%,說明巖體具有很好的完整性。BS22號鉆孔400 m以下破碎帶厚度為1.74 m,占比0.87%;BS23號鉆孔400～600 m段破碎帶有4段,破碎帶厚度為7.62 m,占比為3.8%,BS22號鉆孔完整性好于BS23。

2.3 可接受性調查

可接受性調查涉及廢物運輸、環(huán)境保護、土地利用、社會經(jīng)濟和人文條件4方面內容,主要是對算井子地段所在區(qū)域的環(huán)境保護條件進行初步調查,獲取人口、生態(tài)、保護區(qū)、經(jīng)濟、資源、氣候、水文和交通等方面環(huán)境保護所需的數(shù)據(jù)和資料;對算井子花崗巖體及其周邊的土壤、空氣、圍巖、地表水、地下水、代表性植物進行取樣,進行放射性本底調查。

2.3.1 廢物運輸條件

算井子花崗巖體及周邊區(qū)域具有較便利的交通運輸條件,蘭新鐵路、312國道和連霍高速公路(G30)從其南部約200 km處通過。算井子花崗巖體東側約40 km處有嘉峪關至黑鷹山的嘉黑公路,向南有蘭新鐵路、312國道和連霍高速公路(G30),向東有一條簡易公路連接火車站,此火車站位于巖體以東90 km處,最終可與嘉策酒鋼專用鐵路連接。算井子花崗巖體以北60 km處有即將通車的額哈鐵路,巖體以北45 km處正在修建京新高速白臨段,白臨段高速在馬鬃山鎮(zhèn)處與馬鬃山—橋灣二級公路互通,并通過橋灣互通立交連接連霍高速。另外,算井子花崗巖體西北方向60 km處有馬鬃山鎮(zhèn),有簡易土路連接。此外,算井子花崗巖體內有干溝、戈壁灘均可通行越野車。因此,廢物運輸方面的條件有利。

2.3.2 環(huán)境保護條件

對研究區(qū)歷史遺址、野生動植物保護區(qū)、地表水和地下水資源、野生動植物等開展了資料收集和野外實地調研,并對研究區(qū)域環(huán)境的放射線劑量進行了測量。算井子花崗巖體及鄰近地區(qū)未發(fā)現(xiàn)歷史遺跡,距離其最近的歷史遺跡為嘉峪關,相距約為200 km。巖體及周邊沒有水土流失重點防治區(qū)、森林公園、地質公園、世界遺產(chǎn)地、歷史文化保護地、國家重點文物所在地、熱帶雨林區(qū)和重要濕地等環(huán)境敏感點。算井子花崗巖體內無地表水,地下水埋深較淺。以巖體中心為圓心的半徑90km外圍區(qū)域范圍內沒有河流水系,距離巖體最近的湖泊為干海子,相距120 km。測量了研究區(qū)域陸地γ輻射劑量率,空氣中氡氣,土壤樣、巖石樣、植物樣和水樣中總α、總β、137Cs、90Sr及天然放射性核素238U、226Ra、232Th、40K的含量,本底輻射通過外照射和內照射所致算井子巖體及其外圍區(qū)域公眾的總有效劑量為2.191 mSv/a,低于我國公眾所受天然輻射有效劑量2.3 mSv/a,該區(qū)屬于正常天然放射性本底地區(qū)。

2.3.3 土地利用條件

根據(jù)2008年第二次全國土地調查數(shù)據(jù)進行規(guī)劃基數(shù)轉換,對算井子花崗巖體中心為圓心的半徑25 km范圍內的土地類型進行統(tǒng)計,并調研了《阿拉善盟土地利用總體規(guī)劃(2006～2020年)》。算井子花崗巖體內土地類型以中低山、丘陵、地表裸露基巖為主,土層較薄,巖石裸露,植被稀疏。有少數(shù)牧民的居住地。該區(qū)域內沒有耕地、養(yǎng)殖場,除放牧外,算井子花崗巖體及其周圍無土地開發(fā)利用計劃和價值。

2.3.4 社會經(jīng)濟和人文條件

參照放射性廢物處置場、輻射環(huán)境監(jiān)測的標準規(guī)范(HJ/T 5.2—1993[16]和GB/T 15950—1995[17]等),研究了以算井子花崗巖體中心為圓心的半徑90 km范圍內的社會經(jīng)濟概況和人口分布概況。距巖體中心90 km區(qū)域內經(jīng)濟發(fā)展不平衡,人口稀少,人口多集中在馬鬃山鎮(zhèn),其他居民均為牧民,零星分布在大戈壁上,無萬人以上的人口分布中心。距巖體中心25 km范圍內有6戶牧民,均養(yǎng)殖少量的羊、駱駝以及家禽,沒有耕地;僅有小紅山鐵礦和一個小型煤礦,目前都停產(chǎn),無人看守。算井子地段社會經(jīng)濟與人文方面的條件十分有利。

3 候選場址適宜性綜合分析

3.1 適宜性評價的依據(jù)

選址導則是目前唯一的高放廢物處置庫選址的法規(guī)性文件,是本次綜合分析和評價的主要依據(jù),以此為基礎,提出了“3個角度和2個尺度”的地段綜合對比評價的基本思路,即從場址的安全性、可建造性和可接受性3個角度來評價預選地段適宜性,從地段和場址2個尺度來評價場址的適宜性。以場址適宜性分析與場址安全性分析的結果為基礎,構建了本次預選地段綜合評價的指標系統(tǒng),該指標系統(tǒng)由適宜性的屬性、影響因素、指標3個層次組成,共有3項屬性、10大影響因素、40多個指標(表1)。

表1 算井子地段適宜性綜合分析Table 1 Comprehensive analysis of the suitability in the Suanjingzi area

2011年頒布的《放射性廢物安全管理條例》第二十三條規(guī)定:“高水平放射性固體廢物和α放射性固體廢物深地質處置設施關閉后應滿足1萬年以上的安全隔離要求”。在關閉后的1萬年的時間內,未來自然變化和人類活動可能直接或間接地影響場址的安全性。所謂直接影響是指直接導致處置庫內核素的浸出或遷移。所謂間接影響是指通過改變場址原來的地質、水文地質和地球化學條件來影響場址的安全性。因此,地質、未來自然變化、水文地質、地球化學、人類活動是影響場址安全性的5個主要因素,其中地質、水文地質和地球化學這3個因素是一種確定性影響因素,未來自然變化和人類活動是一種概率性影響因素。

基于“3個角度和2個尺度”的基本思路,以評價指標系統(tǒng)為工具,把候選場址評價過程劃分為地段適宜性綜合分析、地段內場址圈定及其安全性綜合對比2個步驟。

3.2 算井子地段適宜性綜合分析

綜上分析,算井子地段均有很好的安全性,主要體現(xiàn)在:①有利的地質條件:地質條件簡單,巖性單一(為花崗閃長巖),花崗巖體足夠大(地表面積約176 km2,厚度大于2 000 m),且深部完整性好;構造不發(fā)育,無任何新構造活動的跡象,巖體比較穩(wěn)定,具備篩選出處置庫場址的條件(巖體內出露最大的巖塊面積約50 km2)。②有利的水文地質條件:巖體地下水含水量小(地下水賦存空間極為有限,單井涌水量小于100 m3/d),從處置設施到地下水出露點的徑流途徑長(離最近排泄區(qū)的距離約180 km),水力梯度低(地下水水力梯度小于10‰),完整巖石的滲透率小于1.00×10-11m/s,節(jié)理帶中滲透率小于1.00×10-6m/s。③有利的地球化學條件:算井子花崗巖體裂隙充填物在形成時大多處于還原環(huán)境,其中的黏土礦物具有很強的陽離子交換能力和吸附性,且地下水環(huán)境為還原性,這在一定程度上有利于阻滯放射性核素向外遷移。④有利的未來自然變化:與最近區(qū)域活動斷層的距離約155 km,所在地震構造區(qū)中最大彌散地震震級不大于5.5,避開了由于新構造運動、地震活動等地質作用所產(chǎn)生的不利影響。⑤有利的人類活動:與最近地表水體的距離至少有120 km,巖體內部沒有礦(點),人類活動幾乎不會對研究區(qū)產(chǎn)生影響。

算井子地段具有很好的可建造性,主要體現(xiàn)在:無不良地質地貌現(xiàn)象;較為平緩的地形條件適宜于布置高放廢物地質處置庫的地表設施,地下巖體特征滿足進行地面設施建造和地下工程施工的要求(巖石堅硬、完整性好、開挖不會發(fā)生巖爆)。

有很好的可接受性,主要體現(xiàn)在:①廢物運輸:具有便利的交通運輸條件(距鐵路小于75 km、公路小于45 km),鐵路和公路間沿途人口稀少、地勢平坦。②環(huán)境保護:與最近地表水體的距離遠,且對國家保護區(qū)沒有影響。③土地利用:土地利用價值極小,為只適用于放牧的低產(chǎn)草地。④社會經(jīng)濟和人文:社會經(jīng)濟與人文方面的條件十分有利(常住人口均小于2人,遠離人口稠密區(qū))。

從以上3個方面綜合分析認為,算井子地段具有很好的安全性、可建造性和可接受性,暫無發(fā)現(xiàn)顛覆性因素,為高放廢物地質處置庫建造適宜地段。

3.3 地段內場址圈定及其安全性綜合對比

3.3.1 算井子地段內場址圈定

算井子地段內花崗巖體地表出露面積約176 km2。地球物理探測結果顯示,該巖體深部具有足夠的規(guī)模,且完整性好。該巖體被一組NW向斷層和一組NE向斷層分割成若干塊體。其中鉆孔BS22和BS23所在的2個巖塊(Ⅰ號和Ⅱ號巖塊)的面積相對較大,因而把這2個巖塊圈定為場址(圖7)。這2個場址相距10 km,它們之間的巖塊(Ⅲ號巖塊)面積也較大(約23 km2),地表也一樣完整,可以作為上述2個場址的擴展區(qū)。

圖7 算井子地段花崗巖三維空間展布Fig.7 Three dimensional spatial distribution of granite mass in Suanjingzi section

3.3.2 地段內場址安全性綜合對比

地段內場址安全性綜合對比主要從地質、水文地質、地球化學、未來自然變化和人類活動5個方面進行(表2)。從表中可以看出,這2個場址各項指標極其相似,且均具有很好的地質、水文地質、地球化學、未來自然變化和人類活動條件。進一步分析,將Ⅰ號場址與Ⅱ號場址相比較,Ⅰ號場址在“場址地表面積”上具有一定優(yōu)勢,而Ⅱ號場址在“場址離最近礦(點)的距離”具有一定優(yōu)勢。由于小紅山鐵礦與這2個場址的距離均超過了20 km,它的開采已經(jīng)不會影響這2個場址的安全性。綜合考慮,Ⅰ號場址的優(yōu)勢具有一定的實際意義。因此,暫且把Ⅰ號場址選定為算井子地段的候選場址。Ⅰ號場址與Ⅱ號場址之間的巖塊作為該候選場址的擴展區(qū)。

表2 算井子地段內場址安全性綜合對比Table 2 Comprehensive comparison of site safety in the Suanjingzi area

4 結論及討論

1)本研究以算井子預選地段為研究對象,開展了巖體的地質、水文地質、未來自然變化、地球化學、建造和工程條件、人類活動、廢物運輸、環(huán)境保護、土地利用、經(jīng)濟和人文條件等方面的調查,獲取了地段適宜性評價的關鍵參數(shù)。并基于以上研究,建立了我國高放廢物處置預選地段調查與場址適宜性綜合分析系統(tǒng)。

2)以構建的指標系統(tǒng)為工具,通過地段適宜性綜合分析、地段內場址圈定及其安全性綜合對比,認為算井子地段具有很好的安全性、可建造性和可接受性,暫無發(fā)現(xiàn)顛覆性因素;并在算井子地段中篩選出1個花崗巖處置庫候選場址。

3)本次研究所篩選出的個處置庫候選場址可以作為我國下一階段處置庫場址特性評價候選對象,研究成果可直接服務于我國高放廢物地質處置庫場址篩選和場址特性評價,對保障我國核廢物安全管理和核能可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。