薛融暉， 安志國(guó)， 王顯祥， 底青云

中國(guó)科學(xué)院頁(yè)巖氣與地質(zhì)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所， 北京　100029

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利用電磁方法探測(cè)內(nèi)蒙古塔木素高放廢物預(yù)選場(chǎng)址巖體的內(nèi)部構(gòu)造

薛融暉， 安志國(guó)*， 王顯祥， 底青云

中國(guó)科學(xué)院頁(yè)巖氣與地質(zhì)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所， 北京100029

摘要高放廢物地質(zhì)處置庫(kù)選址要求圍巖完整穩(wěn)定，它與巖體深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，因此是場(chǎng)址評(píng)價(jià)中必須考慮的因素.在高放廢物儲(chǔ)庫(kù)選址新區(qū)內(nèi)蒙阿拉善塔木素巖體，采用可控源音頻大地電磁法進(jìn)行了剖面探測(cè).分析了典型測(cè)深曲線(xiàn)，區(qū)分了地質(zhì)構(gòu)造和完整圍巖的響應(yīng)特征；針對(duì)高放廢物預(yù)選場(chǎng)址的特點(diǎn)，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理；結(jié)合已有地質(zhì)、鉆井及測(cè)井資料完成了解釋?zhuān)唤Y(jié)果表明，利用可控源音頻大地電磁法有效地查明了該地巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，該巖體存在裂隙和破碎，完整性欠佳.

關(guān)鍵詞高放廢物預(yù)選場(chǎng)址； 巖體構(gòu)造； CSAMT探測(cè)

1引言

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，能源依舊是我國(guó)完成現(xiàn)代化的基礎(chǔ)和動(dòng)力.當(dāng)今世界政治、經(jīng)濟(jì)格局深刻調(diào)整，能源供求關(guān)系深刻變化，能源仍是國(guó)際政治、金融、安全博弈的焦點(diǎn).2014年4月18日李克強(qiáng)總理在新一屆國(guó)家能源委員會(huì)首次會(huì)議上指出，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)改革，調(diào)整能源結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)方式，積極發(fā)展綠色能源，推動(dòng)改善環(huán)境質(zhì)量.在核電、風(fēng)電和光伏發(fā)電等清潔能源中，由于光、風(fēng)電受光和風(fēng)源的不可連續(xù)性等自然條件的限制，致使目前的成本很高.而核電是清潔能源中相對(duì)便宜，雖然投資大，但技術(shù)含量高，其本身是重大的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，可帶動(dòng)一大批相關(guān)產(chǎn)業(yè).新批準(zhǔn)建設(shè)的第三代核電“華龍一號(hào)”擁有著我國(guó)自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，對(duì)于我們走出去、建設(shè)“一帶一路”，對(duì)于電力建設(shè)等中國(guó)制造業(yè)走向世界是重大利好.

目前我國(guó)在運(yùn)核電機(jī)組18臺(tái)，總裝機(jī)容量1583萬(wàn)千瓦，約占全國(guó)總裝機(jī)容量1.2%，與世界平均水平存在一定差距.從總體上看，世界核電發(fā)展的大趨勢(shì)并沒(méi)有根本改變，在尚未找到新的穩(wěn)定、清潔、可替代的能源之前，建設(shè)和保有一定數(shù)量的核電將是解決能源問(wèn)題的重要選擇.但隨著核能和核技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是20世紀(jì)中葉以來(lái)，人類(lèi)開(kāi)發(fā)利用核裂變能產(chǎn)生了大量高放固體廢物.由于高放廢物含有放射性強(qiáng)、發(fā)熱量大、毒性大、半衰期長(zhǎng)的核素，需要把它們與人類(lèi)生存環(huán)境長(zhǎng)期、可靠地隔離.目前提出的方案是對(duì)高放廢物深進(jìn)行地質(zhì)處置，在距離地表深約500～1000 m的地質(zhì)體中建造“地質(zhì)處置庫(kù)”，通過(guò)工程屏障和天然屏障永久隔離高放廢物(潘自強(qiáng)和錢(qián)七虎，2009).

在眾多地質(zhì)介質(zhì)中，花崗巖類(lèi)巖石因具有致密、滲透性差、隔水性能好等優(yōu)點(diǎn)，而被較多國(guó)家視為核廢料貯存庫(kù)的良好介質(zhì).粘土類(lèi)巖石則因其極低的滲透性、良好的放射性抑制特性和孔隙自閉性而在法國(guó)的核廢料貯存庫(kù)巖體研究中成為首選地質(zhì)介質(zhì)體.我國(guó)從20世紀(jì)80年代中期，就開(kāi)始了高放廢物地質(zhì)處置跟蹤性研究，并把預(yù)選場(chǎng)址定在甘肅北山.因此，甘肅北山預(yù)選區(qū)花崗巖等諸多地質(zhì)問(wèn)題一直是我國(guó)地質(zhì)工作者研究的重點(diǎn)(Wang，2010).雖然北山的研究工作已取得了階段性成果，也預(yù)選了一些有利的巖體，為比選優(yōu)選不同類(lèi)型的潛力區(qū)段，2006年2月國(guó)家有關(guān)部委聯(lián)合頒布的《高放廢物地質(zhì)處置研究開(kāi)發(fā)規(guī)劃指南》中提出了“在全國(guó)其他地區(qū)選擇另外的預(yù)選區(qū)，并研究比較不同的圍巖類(lèi)型，完成其他預(yù)選地區(qū)和圍巖類(lèi)型的預(yù)選及推薦工作”的研究項(xiàng)目.

因內(nèi)蒙古阿拉善盟地處內(nèi)蒙古自治區(qū)最西端，人口稀少，氣候干旱少雨.區(qū)內(nèi)圍繞巴丹吉林沙漠周邊分布有大面積花崗巖，包括燕山期、華力西期及加里東期，可能存在適合建造高放廢物地質(zhì)處置庫(kù)的花崗巖體，因此內(nèi)蒙阿拉善地區(qū)成為被推薦的預(yù)選區(qū)之一.國(guó)家有關(guān)部門(mén)考慮到中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所在地質(zhì)學(xué)和地球物理學(xué)領(lǐng)域的綜合優(yōu)勢(shì)以及已有的工作基礎(chǔ)，希望該所在充分利用甘肅北山選址和評(píng)價(jià)研究工作經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，在內(nèi)蒙古阿拉善地區(qū)開(kāi)展高放廢物地質(zhì)處置備選場(chǎng)址預(yù)選及評(píng)價(jià)研究工作.

然而，相對(duì)于甘肅北山預(yù)選區(qū)所取得的場(chǎng)址預(yù)選和評(píng)價(jià)研究成果，內(nèi)蒙阿拉善選區(qū)及圍巖類(lèi)型的預(yù)選研究工作卻十分薄弱.作為項(xiàng)目中專(zhuān)題研究之一，筆者所在學(xué)科組通過(guò)地球物理方法開(kāi)展先導(dǎo)性工作，研究初選目標(biāo)巖體的展布及內(nèi)部結(jié)構(gòu)，為預(yù)選巖體完整性評(píng)價(jià)提供地球物理依據(jù).鑒于在國(guó)防科工局“十一五”甘肅北山項(xiàng)目中已具備了一定的研究基礎(chǔ)(底青云等，2010)，筆者此次采用對(duì)目標(biāo)深度有探測(cè)優(yōu)勢(shì)的手段-可控源音頻大地電磁法(CSAMT法)(底青云和王若，2008；雷達(dá)，2010；王若等，2010；邱衛(wèi)忠等，2011；薛云峰和張繼峰，2011；盧鴻飛等，2013；Kalscheuer et al., 2013;王緒本等，2013；Troiano et al., 2014)，研究預(yù)選巖體內(nèi)部電性結(jié)構(gòu).本文是這一研究工作的階段性結(jié)果，在塔木素預(yù)選巖體上獲得了地表兩條北東向和兩條北西向測(cè)線(xiàn)的CSAMT數(shù)據(jù)，通過(guò)分析了典型測(cè)深曲線(xiàn)了解巖石完整與否的響應(yīng)差異，對(duì)比了鉆孔測(cè)井和反演曲線(xiàn)，并結(jié)合區(qū)內(nèi)淺表地質(zhì)信息和鉆孔資料，對(duì)CSAMT剖面反演結(jié)果進(jìn)行了解釋?zhuān)瑒澏藥r體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，初步認(rèn)為該巖體裂隙和破碎較發(fā)育，完整性欠佳.

2巖性及標(biāo)本物性

地表地球物理測(cè)量是研究地下物質(zhì)組成和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的重要手段，其研究地下物質(zhì)組成和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的解釋基礎(chǔ)就是不同巖性的物性差異，因此了解研究區(qū)出露的地層、巖性及其電性特征對(duì)于CSAMT來(lái)說(shuō)，是很有必要的.

2.1出露地層

研究區(qū)整體地勢(shì)較為平坦，主要出露地層為：中性-酸性和中酸性花崗巖類(lèi)，以中?；◢忛W長(zhǎng)巖為主體，巖性單一；表層為第四系風(fēng)積砂，厚度不大，小于2 m，但不均勻.地表出露的基巖較風(fēng)化，破碎.區(qū)內(nèi)鉆孔揭示，巖石中發(fā)育裂隙、破碎，整體電阻率不高，幾十～1000 Ωm.巖石質(zhì)量整體不高，下部巖石質(zhì)量?jī)?yōu)于上部.

2.2鉆孔巖石裂隙發(fā)育情況

CSAMT測(cè)線(xiàn)上有鉆孔TMS02布設(shè)，通過(guò)巖心編錄，對(duì)巖心的節(jié)理裂隙進(jìn)行了詳細(xì)統(tǒng)計(jì)、觀(guān)察描述.巖石裂隙整體較為發(fā)育，主要表現(xiàn)為閉合裂隙、微張開(kāi)裂隙、溶隙、微裂隙四種類(lèi)型的裂隙發(fā)育.且隨深度增加，裂隙有減少趨勢(shì)，巖體亦趨于完整.

2.2.1閉合裂隙

全孔巖石段均有發(fā)育，發(fā)育程度中等-極發(fā)育，一般發(fā)育2～3組，裂隙面軸夾角無(wú)規(guī)律，一般在15～71°之間，局部呈縱向發(fā)育.同組裂隙發(fā)育不連續(xù)，裂隙間距一般在25～65 cm之間，最大可達(dá)1.8 m，最小不足5 cm.

第1組在孔內(nèi)表現(xiàn)為低角度裂隙，發(fā)育程度較好，局部發(fā)育極好.延伸性好，軸夾角40～71°，裂隙面在淺部呈黃褐色、褐紅色，不平整，不光滑，有鐵質(zhì)及少量泥質(zhì)充填.深部呈灰色、灰綠色，不平整-基本平直，不光滑，閉合狀，有綠泥石及碳酸鹽粉末充填.

第2組裂隙在孔內(nèi)表現(xiàn)為高角度裂隙，與第1組呈共軛形式斜交，裂隙面灰白色、灰黑色，軸夾角一般18～46°，裂隙面不平整-基本平直，不光滑-略有光滑感，綠簾石等泥質(zhì)物充填，局部裂隙面具有玻璃光澤.裂隙發(fā)育程度中等.

第3組呈縱向裂隙發(fā)育，與鉆孔軸向近于平行，最大軸夾角15°，裂隙延伸長(zhǎng)度0.15～1.44 m，裂隙在深部呈閉合狀，碳酸鹽脈充填，寬度1.0～3.0 mm.淺部呈半張開(kāi)狀，有片狀碳酸鹽、粉末狀碳酸鹽不完全充填，寬度0.5～1.5 mm.

2.2.2微張開(kāi)裂隙

主要為風(fēng)化裂隙，裂隙面黃褐色、褐紅色、褐黃色，不平整，不光滑，軸夾角一般22～62°，大多無(wú)充填或少量充填，充填物有氧化物、鐵質(zhì)及高嶺土充填.裂隙一般延展性不好，發(fā)育裂隙間距15～33 cm.2.2.3溶隙

發(fā)育于巖石裂隙及裂隙充填物方解石細(xì)脈中，溶隙面凹凸不平，呈閉合狀，局部形成溶蝕孔洞，有碳酸鹽二次充填，發(fā)育程度不高，貫通性差，均為獨(dú)立出現(xiàn)，寬度5～30 mm不等.

2.2.4微裂隙

主要發(fā)育于淺部巖石及應(yīng)力集中段，裂隙呈閉合狀，無(wú)充填，呈網(wǎng)脈狀分布于巖石之中，發(fā)育無(wú)規(guī)律性，寬度一般較小，均<0.2 mm.延展性差，一般<10 cm.整體發(fā)育程度不高，對(duì)巖體完整性破壞不大.

2.3物性特征

區(qū)內(nèi)出露的巖石大多較風(fēng)化破碎，完整的巖石離測(cè)線(xiàn)又遠(yuǎn)，故利用測(cè)線(xiàn)上鉆孔的巖心進(jìn)行了電阻率測(cè)試.室內(nèi)標(biāo)本測(cè)試時(shí)，標(biāo)本切割為圓柱體，長(zhǎng)度為10 cm，圓截面直徑5 cm.標(biāo)本置于普通自來(lái)水浸泡24 h，取出后室溫風(fēng)干2 h.測(cè)量前將3522-50LCR測(cè)試儀進(jìn)行標(biāo)定，完成開(kāi)路補(bǔ)償與短路補(bǔ)償.測(cè)量電極為紫銅鉑片，選用浸泡飽和硫酸銅溶液的藥用脫脂繃帶敷于電極接觸面.選用二極裝置進(jìn)行標(biāo)本電阻率測(cè)試，測(cè)試結(jié)果可見(jiàn)表1.

表1　塔木素鉆孔標(biāo)本電阻率測(cè)試表

由于受風(fēng)化裂隙、孔隙度等因素的影響，相同巖性不同深度測(cè)得的電阻率值不同，最大平均電阻率高可達(dá)1萬(wàn)Ωm，最小的平均電阻率低可至250 Ωm.但其RQD指標(biāo)值反映了其質(zhì)量完整情況.完整花崗巖電阻率值相對(duì)高，若裂隙發(fā)育、斷層、巖石破碎含水等影響可使其電阻率表現(xiàn)為低電阻，從而具備了電磁法勘探的電性差異基礎(chǔ).

3CSAMT探測(cè)

測(cè)區(qū)位于內(nèi)蒙古阿拉善右旗，距離塔木素蘇木直線(xiàn)距離25 km.地勢(shì)平坦，人煙稀少.項(xiàng)目其他專(zhuān)題已圈定了區(qū)域構(gòu)造分布，該區(qū)域的主應(yīng)力為北西向，主構(gòu)造北東向，并認(rèn)為構(gòu)造之間存在穩(wěn)定的地塊(“安全島”)，但預(yù)選的塔木素巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征仍處于未知狀態(tài).項(xiàng)目辦分析了大點(diǎn)距的EH4長(zhǎng)剖面反演結(jié)果獲知，在巖體中存在有高阻地段，可能存在完整巖體，為進(jìn)一步查明該巖體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征，建議在該區(qū)開(kāi)展地球物理探測(cè)研究.

3.1CSAMT測(cè)線(xiàn)設(shè)計(jì)

為此，共設(shè)計(jì)布設(shè)了4條CSAMT剖面，測(cè)線(xiàn)布置見(jiàn)圖1.圖中綠色線(xiàn)為EH4測(cè)線(xiàn)，藍(lán)色線(xiàn)為CSAMT測(cè)線(xiàn)，紅色線(xiàn)為測(cè)線(xiàn)所對(duì)應(yīng)的發(fā)射極位置.TMS02為鉆孔.在該圖中，CSAMT測(cè)線(xiàn)皆位于塔木素巖體中，唯一不同的是，L1和L2線(xiàn)與主應(yīng)力方向大角度相交，而L3和L4線(xiàn)與主應(yīng)力近平行或小角度斜交.

L1和L2線(xiàn)為平行線(xiàn)，方位為74°，相距2 km，長(zhǎng)度分別為10.08 km和7.44 km，兩線(xiàn)對(duì)應(yīng)的發(fā)射極(南側(cè))長(zhǎng)度為1.4 km，離L2線(xiàn)8 km.L3和L4線(xiàn)亦為平行線(xiàn)，方位為345°，線(xiàn)距3 km，長(zhǎng)度分別為7.68 km和5.04 km，其對(duì)應(yīng)的發(fā)射極在其東側(cè)，長(zhǎng)度為1.25 km，距離L4線(xiàn)12.7 km.

3.2典型測(cè)深曲線(xiàn)

筆者結(jié)合中科院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金，已對(duì)花崗巖體中斷裂/破碎帶等地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)的三維數(shù)值模擬分析(安志國(guó)，2014)，因此本文不再對(duì)其敘述，只是討論原始的測(cè)深曲線(xiàn)特征.研究區(qū)典型測(cè)深曲線(xiàn)可見(jiàn)圖2，圖中紅色點(diǎn)線(xiàn)代表頻率-視電阻率曲線(xiàn)，藍(lán)色點(diǎn)線(xiàn)表示頻率-相位曲線(xiàn).圖2中，a為L(zhǎng)1線(xiàn)3060點(diǎn)處地下花崗巖破碎不完整時(shí)所獲得的測(cè)深曲線(xiàn)，雖然從高頻7680 Hz開(kāi)始，電阻率值逐漸變高(100 Ωm)，但低于100 Hz時(shí)電阻率值則小于100 Ωm，整體電阻率值不高；b為L(zhǎng)3線(xiàn)580點(diǎn)處上覆低阻層較厚時(shí)獲得的測(cè)深曲線(xiàn)，在電磁場(chǎng)遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)電阻率值都小于100 Ωm，“下沖效應(yīng)”明顯，近場(chǎng)區(qū)電阻率值升高；c圖表示完整花崗巖的測(cè)深曲線(xiàn)，從高頻到低頻電阻率值逐漸升高，反映從淺至深花崗巖趨于致密完整.總體而言，此研究區(qū)淺層花崗巖中裂隙、破碎較發(fā)育，使得原始測(cè)深曲線(xiàn)上遠(yuǎn)區(qū)電阻率值偏低.

3.3數(shù)據(jù)處理

圖1　塔木素巖體CSAMT測(cè)線(xiàn)布置Fig.1　Location of CSAMT lines across Tamsag rock mass

圖2　研究區(qū)典型測(cè)深曲線(xiàn)Fig.2　Typical sounding curves in study area

研究區(qū)地廣人稀，無(wú)電力等人文干擾，數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，且地勢(shì)相對(duì)平坦，無(wú)明顯地形起伏，但2.3節(jié)中出露的巖石裂隙特征以及表1鉆孔資料揭示中淺部存在薄低阻夾層，表明淺層的巖性存在縱向和橫向不均勻性，勢(shì)必會(huì)造成較大的靜態(tài)效應(yīng)，因此數(shù)據(jù)處理時(shí)主要考慮了個(gè)別頻點(diǎn)的畸變剔除和靜態(tài)校正.適合預(yù)選區(qū)特點(diǎn)的CSAMT數(shù)據(jù)處理流程(An et al.，2013a，b)，這里主要考慮對(duì)原始數(shù)據(jù)剔除畸變值后，利用漢寧窗空間濾波器進(jìn)行空間濾波做靜態(tài)校正處理.圖3為L(zhǎng)1線(xiàn)數(shù)據(jù)處理前后電阻率擬斷面對(duì)比結(jié)果.圖3a為L(zhǎng)1線(xiàn)原始數(shù)據(jù)擬斷面圖，圖3b為原始數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理之后的擬斷面.處理之前，可以看出數(shù)據(jù)靜態(tài)效應(yīng)比較明顯，圖中出現(xiàn)多條高低阻漸變的條帶，經(jīng)過(guò)漢寧窗7點(diǎn)濾波后，靜態(tài)效應(yīng)得到部分壓制，條帶明顯減少.

4CSAMT結(jié)果與鉆孔信息對(duì)比

地球物理測(cè)量的解釋基礎(chǔ)是已知的地質(zhì)和巖石物性，而這些資料亦是驗(yàn)證和約束地球物理反演結(jié)果的前提.

4.1鉆孔巖石質(zhì)量

該區(qū)鉆孔TMS02位于L1線(xiàn)和L3線(xiàn)的交點(diǎn)處，施工孔深601.105 m，自上至下共分為28層，所揭露的巖性以中粒二長(zhǎng)花崗閃長(zhǎng)巖為主體，巖性單一，巖心新鮮、完整.其中夾雜一些在巖漿結(jié)晶分異過(guò)程中形成中細(xì)粒二長(zhǎng)花崗閃長(zhǎng)巖、中?；◢忛W長(zhǎng)巖、后期侵入的堿長(zhǎng)正長(zhǎng)巖脈以及應(yīng)力、機(jī)械作用形成的碎裂二長(zhǎng)花崗閃長(zhǎng)巖.鉆孔揭露段未見(jiàn)有區(qū)域構(gòu)造及次一級(jí)構(gòu)造發(fā)育，因此，初步認(rèn)為地質(zhì)構(gòu)造不發(fā)育.但通過(guò)對(duì)巖心的工程地質(zhì)編錄，以及嚴(yán)格按規(guī)范要求對(duì)巖石的RQD指標(biāo)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì).根據(jù)巖心編錄資料和RQD指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，對(duì)巖石質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)價(jià)(表2).從表中可以看出，TMS02鉆孔巖石質(zhì)量不均勻，存在破碎和完整的互層，說(shuō)明了600 m以淺的巖石裂隙和破碎相對(duì)較發(fā)育.但從工程施工的角度，根據(jù)RQD指標(biāo)表明淺層深度范圍內(nèi)部分巖石質(zhì)量較好，深部巖石質(zhì)量?jī)?yōu)于淺部.4.2井旁測(cè)深數(shù)據(jù)分析

鉆孔TMS02分別位于L1線(xiàn)的4380點(diǎn)，以及L3線(xiàn)的2300點(diǎn)，其中圖4a為相應(yīng)測(cè)點(diǎn)原始數(shù)據(jù)的觀(guān)測(cè)視電阻率擬合，圖4b為反演電阻率-深度、電阻率測(cè)井以及密度測(cè)井曲線(xiàn).從圖中可以看出，圖4a左圖為鉆孔在L1線(xiàn)的頻率-視電阻率曲線(xiàn)擬合對(duì)比，7680～100 Hz段電阻率擬合非常好，電阻率值處于100 Ωm附近，反映了此點(diǎn)處巖石電阻率低；4a右圖為L(zhǎng)3線(xiàn)鉆孔處的頻率-視電阻率曲線(xiàn)擬合對(duì)比，同樣擬合得很好，7680～100 Hz間電阻率值不高，小于200 Ωm，與在L1線(xiàn)一樣都反映了巖石低電阻率特征.圖4b中密度測(cè)井曲線(xiàn)反映了鉆孔巖石整體密度一致，但中間存在密度變化區(qū)段.電阻率測(cè)井曲線(xiàn)特征表明，鉆孔巖石電阻率高低阻變化明顯，反映了裂隙和破碎較發(fā)育，鉆孔附近的電阻率測(cè)深反演結(jié)果反映了其總體的變化趨勢(shì)，自淺至深電阻率值由低-高-低-高變化，這一特征與電阻率測(cè)深曲線(xiàn)整體上是一致的.這個(gè)結(jié)果與4.1中給出的測(cè)區(qū)淺部巖石的質(zhì)量情況亦是一致的.CSAMT測(cè)深反演結(jié)果表明，雖然淺部存在裂隙和破碎夾層，但總體上層狀結(jié)構(gòu)比較明顯，同表1的結(jié)果一致，說(shuō)明CSAMT的結(jié)果是可靠的.

圖3　L1線(xiàn)數(shù)據(jù)處理電阻率擬斷面(a)前(b)后對(duì)比結(jié)果Fig.3　Comparision of resistivity psedo-sections before (a) and after (b) data processing

序號(hào)巖石名稱(chēng)位置RQD值(%)巖石質(zhì)量及完整性1碎裂二長(zhǎng)花崗閃長(zhǎng)巖0.000～7.4509.8極劣,破碎2中粒二長(zhǎng)花崗閃長(zhǎng)巖7.450～20.68759.7中等,較破碎3碎裂中粒二長(zhǎng)花崗閃長(zhǎng)巖20.687～29.23515.2極劣,破碎4中粒二長(zhǎng)花崗閃長(zhǎng)巖29.235～67.09544.7劣,較破碎5碎裂中粒二長(zhǎng)花崗閃長(zhǎng)巖67.095～68.1753.0極劣,破碎6中粒二長(zhǎng)花崗閃長(zhǎng)巖68.175～78.94567.5中等,較破碎7中粒花崗閃長(zhǎng)巖78.945～83.81199.3極好,完整8中粒二長(zhǎng)花崗閃長(zhǎng)巖83.811～84.71095.2極好,完整9碎裂二長(zhǎng)花崗閃長(zhǎng)巖84.710～111.05060.2中等,較破碎10中粒二長(zhǎng)花崗閃長(zhǎng)巖111.050～122.90089.5好,較完整11中?；◢忛W長(zhǎng)巖122.900～126.88390.4極好,完整12中粒二長(zhǎng)花崗閃長(zhǎng)巖126.883～131.50084.1好,較完整13中?；◢忛W長(zhǎng)巖131.500～142.81293.7極好,完整14中粒二長(zhǎng)花崗閃長(zhǎng)巖142.812～245.35060.8中等,較破碎15中細(xì)粒二長(zhǎng)花崗閃長(zhǎng)巖245.350～249.61037.6劣,破碎16中粒二長(zhǎng)花崗閃長(zhǎng)巖249.610～417.37390.6極好,完整17綠簾石化二長(zhǎng)花崗閃長(zhǎng)巖417.373～420.55099.5極好,完整18中粒二長(zhǎng)花崗閃長(zhǎng)巖420.550～441.84494.9極好,完整19堿長(zhǎng)正長(zhǎng)巖441.844～453.60693.9極好,完整20花崗閃長(zhǎng)巖453.606～460.07488.0好,較完整21堿長(zhǎng)正長(zhǎng)巖460.074～471.50870.3中等,較破碎22中粒二長(zhǎng)花崗閃長(zhǎng)巖471.508～549.00090.5極好,完整23中細(xì)粒二長(zhǎng)花崗閃長(zhǎng)巖549.000～555.90073.9中等,較破碎24中粒二長(zhǎng)花崗閃長(zhǎng)巖555.900～560.05087.9好,較完整25綠簾石化二長(zhǎng)花崗閃長(zhǎng)巖560.050～561.80068.6中等,較破碎26中粒二長(zhǎng)花崗閃長(zhǎng)巖561.800～566.60081.6中等,較破碎27堿長(zhǎng)正長(zhǎng)巖566.600～568.80097.9極好,完整28中細(xì)粒二長(zhǎng)花崗閃長(zhǎng)巖568.800～601.10591.7極好,完整

圖4　鉆孔處原始數(shù)據(jù)擬合及反演結(jié)果與測(cè)井曲線(xiàn)對(duì)比(a) 觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)擬合對(duì)比； (b) 反演結(jié)果與測(cè)井曲線(xiàn)對(duì)比.Fig.4　Fitting of original sounding data and comparison between inverted data and well logging(a) The fitting comparison of observed data; (b) The comparison of inversion result and logging curve.

5結(jié)果解釋

原始數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理后，再利用遠(yuǎn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行全剖面2D圓滑模型反演.因CSAMT法屬電磁類(lèi)勘探方法，其解釋的基礎(chǔ)是地質(zhì)和電阻率參數(shù).用電阻率值的高低及分布形態(tài)來(lái)判斷巖性、斷裂和各種地質(zhì)體在地下的賦存狀態(tài)，特別是地下500～1000 m深度(標(biāo)高900～400 m間)范圍內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造情況.由于四條測(cè)線(xiàn)的電阻率特征相類(lèi)似，都處于塔木素巖體中，測(cè)區(qū)主要的巖性為二長(zhǎng)花崗閃長(zhǎng)巖，故這里只將L1和L3線(xiàn)說(shuō)明(結(jié)果見(jiàn)圖5).

5.1L1線(xiàn)

從整體上看，電阻率較低.淺表電阻率表現(xiàn)為低阻，中間夾雜中高阻或中低阻團(tuán)塊，表現(xiàn)了地表的不一致性，這種特征說(shuō)明了巖體的不完整，裂隙、破碎較發(fā)育，但從處置庫(kù)范圍以深的反演電阻率特征看，巖體是比較完整的.現(xiàn)根據(jù)地質(zhì)資料和電阻率特征對(duì)反演結(jié)果進(jìn)行解釋?zhuān)?/p>

起點(diǎn)附近，有一低阻和中低阻異常，傾向北東，解釋為已知的斷裂F1-1.其影響寬度較大，延伸可至標(biāo)高300 m，有一定的含水性.800～2200 m段，從淺至深電阻率以中低阻為主，說(shuō)明花崗巖體不完整，裂隙、節(jié)理較發(fā)育.2200～3200 m段，地表至標(biāo)高700 m，電阻率表現(xiàn)為低阻，中間夾一中低阻圈閉，說(shuō)明了巖體較破碎，含水性好.此段處解釋了兩條破碎帶，傾向皆南西，影響寬度較大.

4380 m處為鉆孔TMS02.4480 m處有一耳墜型低阻異常圈閉，傾向南西，解釋為破碎帶，具備一定的含水性.4800 m和5200 m處各有一個(gè)低阻異常條帶，解釋為傾向南西的破碎帶.5450 m處有一北東傾向的低阻異常，解釋為破碎帶.6000 m處亦發(fā)育一南西傾的低阻破碎帶，兩者都具備一定的含水.6640 m處存在一北東傾的中低阻異常，延伸可至底部.另外，8200 m處一傾向南西的中低阻異常，深度亦可延伸至底部，解釋為兩條斷裂，這兩條斷裂的存在使得此段巖體破碎、不完整，具備一定的含水性，導(dǎo)致電阻率變低.按照此電阻率變化特征來(lái)判斷，9400 m處的電阻率變化界面為斷裂或破碎帶存在所致，地表地質(zhì)顯示此處有多條破碎帶存在，故解釋為斷裂.其傾向北東，具備一定的含水性.8820 m處的中低阻異常解釋為破碎帶，傾向南西，具備一定的規(guī)模.5.2L3線(xiàn)

L3線(xiàn)在L4線(xiàn)的西側(cè)，距離約3 km平行布設(shè)，在2300 m與L1相交(L1線(xiàn)上的位置為4380 m).整體來(lái)看，L3線(xiàn)的電阻率特征同L1線(xiàn)類(lèi)似，都是淺部橫向不均勻，以低阻為中夾中高阻圈閉；中部中低阻和中阻為主，其下電阻率開(kāi)始升高，但是深部的電阻率值比L1線(xiàn)深部的要高.究其原因，是因?yàn)長(zhǎng)1和L2線(xiàn)的測(cè)線(xiàn)方向與區(qū)域的斷裂、破碎帶方向平行或小角度相交所致.此測(cè)線(xiàn)大部分地段巖體出露，但從已出露的地質(zhì)信息和反演電阻率特征來(lái)看，花崗巖較破碎、裂隙節(jié)理多發(fā)育，含水性好.現(xiàn)根據(jù)地質(zhì)資料和電阻率特征對(duì)反演結(jié)果進(jìn)行解釋?zhuān)?/p>

起點(diǎn)附近有一低阻電阻率異常條帶，傾向北西，解釋為破碎帶.500 m處的低阻電阻率異常帶，同樣解釋為破碎帶，傾向北西.1620 m處有一傾向南東的低阻異常，解釋為破碎帶.500 m和1620 m點(diǎn)解釋的兩處破碎帶導(dǎo)致該段巖體破碎、裂隙發(fā)育，富水.2280 m處有一葫蘆形狀的低阻異常，解釋為破碎帶，傾向南東.2860 m和3180 m處各有一條低阻異常條帶，傾向和傾角一致，都為南東傾，解釋為破碎帶.這兩處破碎帶造成巖體破碎富水，其導(dǎo)致電阻率變低.3500 m和4300 m附近各有一條傾向相對(duì)、陡立的低阻和中低阻異常，解釋為破碎帶.4680 m處有一傾向北西、較陡立的低阻異常，解釋為已知的斷裂F1-1.5000 m處有一寬度不大的低阻異常，傾向南東，解釋為破碎帶.5520 m處有一中低阻和低阻的電阻率變化界面，傾向北西解釋為斷裂.6040 m、7060 m和7520 m處各有一條影響寬度不等的低阻異常，傾向相對(duì)，傾角在50～85°之間，解釋為破碎帶.但這三條破碎帶和5520 m處的斷裂，影響寬度較大，使得巖體破碎、裂隙較發(fā)育，含水性好.

L1和L3線(xiàn)上解釋的破碎帶和斷裂，大多處于500 m深度以淺.通過(guò)鉆孔測(cè)試分析得知巖石質(zhì)量低，說(shuō)明鉆孔處巖體完整性不高，存在裂隙和破碎.

但就整條剖面的CSAMT反演結(jié)果看，特別是在500～1000 m深度內(nèi)，阻值以中低阻和中阻(小于1500 Ωm)為主，存在較多的局部低阻異常區(qū).即使電阻率等值線(xiàn)比較均勻的區(qū)域，其電阻率值仍相對(duì)較低.結(jié)合筆者在甘肅北山新場(chǎng)巖體上開(kāi)展的研究工作(底青云等，2010；An et al.，2013a，b)，新場(chǎng)巖體電阻率值相對(duì)較高，在500～1000 m目標(biāo)深度上其值可達(dá)幾千Ωm，而且北山鉆孔揭示巖石RQD值較高且完整.因此，就目前CSAMT在塔木素巖體上的開(kāi)展工作地段而言，筆者認(rèn)為塔木素巖體不僅淺部存在較多的裂隙和破碎，而且儲(chǔ)庫(kù)及儲(chǔ)庫(kù)以下范圍的低阻也是由巖石的裂隙、破碎帶造成的，故這是導(dǎo)致電阻率值相對(duì)于北山的明顯偏低的原因.

6結(jié)論

區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造研究圈定了可能適合高放廢物地質(zhì)處置場(chǎng)址建設(shè)的預(yù)選巖體，本文采用可控源音頻大地電磁法在目標(biāo)巖體上開(kāi)展了針對(duì)性的剖面探測(cè)，推斷解釋了巖體內(nèi)部斷裂構(gòu)造位置、產(chǎn)狀及其延伸規(guī)模，圈定了巖體內(nèi)部不均勻體范圍和相對(duì)含水構(gòu)造，并初步分析了相對(duì)含水構(gòu)造的連通性，結(jié)果表明：

(1) 預(yù)選區(qū)巖體內(nèi)部地質(zhì)構(gòu)造和完整圍巖存在明顯電性差異.根據(jù)斷裂、破碎帶等地質(zhì)結(jié)構(gòu)與完整圍巖的測(cè)深曲線(xiàn)特征差異，以及前期數(shù)值模擬分析，可從電性角度對(duì)地質(zhì)結(jié)構(gòu)和完整巖石加以區(qū)分.

(2) 通過(guò)與實(shí)際鉆孔等地質(zhì)資料比對(duì)，CSAMT法結(jié)果的可靠性得到了驗(yàn)證，說(shuō)明CSAMT法在高放廢物場(chǎng)址預(yù)選中探測(cè)巖體內(nèi)部地質(zhì)結(jié)構(gòu)的有效性.

(3) 通過(guò)CSAMT結(jié)果解釋的預(yù)選巖體內(nèi)部斷裂、裂隙、破碎帶等地質(zhì)結(jié)構(gòu)，大多位于500 m以淺，而在預(yù)選處置庫(kù)深度及以深的巖體，其電阻率值相對(duì)于北山巖體相同深度范圍的電阻率值明顯偏低，判斷在預(yù)選儲(chǔ)庫(kù)范圍巖體也可能存在裂隙、破碎帶，是不完整的.

(4) 在詳細(xì)地質(zhì)勘察工作之前，在預(yù)選巖體上使用CSAMT法可以快速有效地進(jìn)行初步巖體完整性評(píng)價(jià)，節(jié)約成本，避免重復(fù)投入.此次探測(cè)工作的結(jié)果可為后續(xù)的詳測(cè)工作和方法選擇提供依據(jù).

此次電磁測(cè)深工作屬初期開(kāi)創(chuàng)性工作，其研究目的已達(dá)到.由于預(yù)選巖體呈現(xiàn)面積性、立體性分布，二維剖面探測(cè)只能獲得一個(gè)方向的信息，為了更好地獲得巖體展布特征、構(gòu)造形態(tài)和水力聯(lián)系等，可嘗試開(kāi)展CSAMT三維勘探，以了解更細(xì)微直觀(guān)的地下三維電性結(jié)構(gòu)，對(duì)巖體構(gòu)造、地下水特點(diǎn)等做出區(qū)域性、立體的綜合評(píng)價(jià).

致謝感謝國(guó)家重大科研裝備研制項(xiàng)目(ZDYZ2012-1-05)和國(guó)防科工局“十二五”核廢料地質(zhì)處置項(xiàng)目(科工二司[2013]727號(hào))的資助，以及本文中有關(guān)數(shù)據(jù)的提供.

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(本文編輯張正峰)

基金項(xiàng)目國(guó)家重大科研裝備研制項(xiàng)目“深部資源探測(cè)核心裝備研發(fā)”(ZDYZ2012-1)-05子項(xiàng)目“多通道大功率電法勘探儀”和“內(nèi)蒙阿拉善高放廢物地質(zhì)處置備選場(chǎng)址預(yù)選及評(píng)價(jià)研究”資助.

作者簡(jiǎn)介薛融暉，男，博士研究生，主要從事地球電磁正反演研究. E-mail：xrhtydk@126.com *通訊作者安志國(guó)，男，副研究員，主要從事地球電磁方法數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用研究. E-mail: zgancas@mail.iggcas.ac.cn

doi:10.6038/cjg20160633 中圖分類(lèi)號(hào)P631

收稿日期2015-05-18，2016-01-16收修定稿

Probing inner structure of rock mass at a high-level radioactive preselected site in Tamusu, Inner Mongolia

XUE Rong-Hui, AN Zhi-Guo*, WANG Xian-Xiang, DI Qing-Yun

KeyLaboratoryofShaleGasandGeoengineering，InstituteofGeologyandGeophysics,ChineseAcademyofSciences，Beijing100029，China

AbstractThe surrounding rock of a high-level radioactive waste geological disposal repository is required to be intact and stable, which is related with the deep geological structure of rock mass, that thus should be considered in the site evaluation process. To obtain such information of the subsurface, controlled source audio frequency magnetotelluric method (CSAMT) was applied to probe the Tamusu rock mass in Alxa, Inner Mongolia, which is a new site for waste repository. We analyzed the typical sounding curves, and identified the responses that are characteristics of geological structures and intact rock. The obtained profiles and sections were interpreted in combination with the available geological and logging data. The results show the existence of fractures and broken rocks within the study area. This study confirms the effectiveness of CSAMT method as a geophysical tool which could be used to characterize the geological structures in-situ at a high-level radioactive waste preselected site.

KeywordsHigh-level radioactive waste preselected site; Rock mass structure; CSAMT exploration

薛融暉， 安志國(guó)， 王顯祥等. 2016. 利用電磁方法探測(cè)內(nèi)蒙古塔木素高放廢物預(yù)選場(chǎng)址巖體的內(nèi)部構(gòu)造.地球物理學(xué)報(bào)，59(6):2316-2325,doi:10.6038/cjg20160633.

Xue R H, An Z G, Wang X X, et al. 2016. Probing inner structure of rock mass at a high-level radioactive preselected site in Tamusu, Inner Mongolia.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),59(6):2316-2325,doi:10.6038/cjg20160633.