饒 崢， 劉曉東*， 劉 帥， 龔志軍

(1.東華理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院， 南昌 330013； 2.核資源與環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南昌 330013)

目前，全世界公認(rèn)的對(duì)于高放廢物最安全、最有效處置的方法是深地質(zhì)處置，得到了世界各國和國際原子能機(jī)構(gòu)等眾多國際組織的廣泛認(rèn)可[1]。經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展和研究，高放廢物地質(zhì)處置普遍采用的是人工屏障和地質(zhì)屏障相結(jié)合的多重屏障體系對(duì)高放廢物進(jìn)行地質(zhì)處置，其中地質(zhì)屏障就是處置庫周圍的圍巖[2]，合適的處置庫圍巖可以有效地減緩和阻止放射性核素進(jìn)入生物圈。因此，選擇什么類型的圍巖作為處置庫的天然屏障就顯得非常重要，當(dāng)前花崗巖和黏土巖是各有核國家開展高放廢物地質(zhì)處置研發(fā)最主要的兩種圍巖類型。

中國于2009年正式啟動(dòng)高放廢物處置庫黏土巖場(chǎng)址預(yù)選區(qū)調(diào)查研究工作。從眾多厚層黏土巖區(qū)域篩選出內(nèi)蒙古塔木素地區(qū)、青海柴達(dá)木盆地西北緣以及甘肅隴東地區(qū)形成于中新生代的厚層黏土巖作為研究對(duì)象，并開展了廣泛的調(diào)查。重點(diǎn)對(duì)塔木素地區(qū)開展了進(jìn)一步研究，并將內(nèi)蒙古塔木素地區(qū)作為高放廢物黏土巖處置庫重點(diǎn)預(yù)選區(qū)[3]。新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)研究是評(píng)價(jià)預(yù)選區(qū)地質(zhì)環(huán)境穩(wěn)定性的重要內(nèi)容。塔木素預(yù)選區(qū)內(nèi)大部分地區(qū)被第四系地層所覆蓋，前人地質(zhì)填圖標(biāo)注的斷裂構(gòu)造大多為隱伏斷裂，對(duì)于隱伏斷裂的第四紀(jì)的活動(dòng)性很難通過直接的手段進(jìn)行研究。本文利用光釋光測(cè)年技術(shù)對(duì)研究區(qū)河流階地形成以來斷裂構(gòu)造活動(dòng)性的時(shí)間范圍進(jìn)行圈定，再結(jié)合河流階地高程曲線的變化對(duì)其晚第四紀(jì)以來的活動(dòng)性進(jìn)行判別，為評(píng)價(jià)預(yù)選區(qū)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的活動(dòng)性提供理論依據(jù)。

圖1 塔木素地理位置示意圖Fig.1 Geographical location map of Tamusu

光釋光(optically stimulated luminescence，OSL)測(cè)年技術(shù)在進(jìn)入21世紀(jì)后進(jìn)入了快速發(fā)展時(shí)期，使其成為了一種廣泛用于第四紀(jì)地層與環(huán)境、活動(dòng)構(gòu)造、考古年代測(cè)定等諸多研究中的重要手段[4-5]。國內(nèi)OSL研究在測(cè)試方法和測(cè)試技術(shù)上也取得了明顯的進(jìn)步，縮短了實(shí)驗(yàn)過程所需的時(shí)間，測(cè)試結(jié)果變得更加精確。

1 研究區(qū)概況及研究對(duì)象

1.1 研究區(qū)概況

塔木素研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)阿拉善右旗，西臨巴丹吉林沙漠(圖1)。海拔高度1 260～1 320 m，氣候常年干旱少雨，使得地表大部分區(qū)域被第四紀(jì)沉積物及沙丘所覆蓋。研究區(qū)地勢(shì)總體呈現(xiàn)出西高東低、北高南低的趨勢(shì)。

1.2 研究對(duì)象

塔木素?cái)嗔咽茄芯恐攸c(diǎn)，位于塔木素北部一帶，靠近控盆斷裂，是一條大型的隱伏斷裂，位于山前傾斜平原，長(zhǎng)度大約40 km，走向呈北東70°，傾角為70°～80°，向南東傾斜(圖2)。

2 實(shí)驗(yàn)方法及樣品采集和處理

2.1 實(shí)驗(yàn)方法

沉積物在埋藏過程中所累積的輻射劑量應(yīng)為光的激發(fā)而產(chǎn)生的釋光信號(hào)稱之為光釋光。光釋光測(cè)年測(cè)量的是沉積物中的礦物特別是石英顆粒上一次曝光后，樣品埋藏至今的時(shí)間[6-7]，其測(cè)量范圍可以從幾年到幾十萬年。目前，OSL測(cè)年技術(shù)已被廣泛用于各類第四紀(jì)沉積物的年代測(cè)定。

所測(cè)樣品的年齡可由樣品埋藏過程中接受的輻射劑量，即等效劑量除以單位時(shí)間接受的輻射劑量，即年劑量率表示[8]：

(1)

此次實(shí)驗(yàn)采用的是單片再生劑量法(single aliquot regenerative protocol，SAR)，這一方法是由Duller[9]于1991年首次提出，是以顆粒較粗的石英為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，利用小劑量的釋光信號(hào)來對(duì)靈敏度進(jìn)行校正的單片再生法。由于該方法需要的樣品量小，所有實(shí)驗(yàn)只需在一個(gè)石英測(cè)片上完成，無需校正不同單片的權(quán)重，可以大大提高測(cè)年的準(zhǔn)確性，因此成為目前眾多光釋光(OSL)測(cè)年方法中運(yùn)用最普遍的測(cè)年技術(shù)。

2.2 樣品采集

塔木素?cái)嗔盐挥谏角皟A斜平原，根據(jù)圖3(a)的衛(wèi)星遙感圖確定斷裂構(gòu)造切過的河流階地，河流階地主要由土黃色粉砂和砂礫石等礦物組成，從河流階地處采集了光釋光樣品，采樣點(diǎn)的坐標(biāo)位于北緯40°51′11″，東經(jīng)103°30′24″。

采樣使用的采樣管是底面直徑為5 cm，長(zhǎng)度為30 cm的不銹鋼管，采樣過程中為了避免采集到表層已曝光的樣品，采樣前需要去除剖面表層至少30 cm厚的沉積物[10]，清理出剖面新鮮面，并且避開粗大的礫石。采樣時(shí)，將黑色塑料袋塞入采樣管的一端，然后將該端口垂直采樣剖面砸入。待采樣管裝滿樣品后取出采樣管，及時(shí)用錫紙或黑色塑料袋等避光材料密封采樣管的兩端，以避免曝光和水分散失，最后寫上樣品編號(hào)[11-12]。采樣管兩頭的樣品用于U、Th、放射性K含量測(cè)定以及含水量的測(cè)量，這一部分的樣品在實(shí)驗(yàn)過程中無需避光，但需要進(jìn)行密封保存，以防止樣品中水分的散失，其余部分用于光釋光年齡測(cè)量，這一過程需要在暗室中進(jìn)行。

圖2 塔木素預(yù)選區(qū)構(gòu)造體系圖Fig.2 The structural system diagram of Tamusu Area

圖4 光釋光樣品預(yù)處理流程圖Fig.4 The process flow chart of samples for OSL

2.3 樣品預(yù)處理

樣品的預(yù)處理按照?qǐng)D4所示，首先將采樣管兩頭表面2～3 cm的樣品分離出來用于U、Th、放射性K含量測(cè)定以及含水量的測(cè)量。剩余樣品在實(shí)驗(yàn)室暗室中的紅光[(630±15)nm]條件下進(jìn)行石英顆粒的分離和提純處理。將樣品放入燒杯中，清水?dāng)嚢?，并超聲波振?0～15 min，靜置15 min后，去掉上層清液。之后使用濃度為10%的HCl和10%的H2O2去除樣品中的有機(jī)質(zhì)和碳酸鹽。用清水洗凈，使用濕篩的方法篩選出粒徑大于63 μm的顆粒，然后在50 ℃烘箱中將樣品烘干，使用干篩的方法分離出粒徑90～125 m粒徑的樣品，用2.58、2.75 g/cm3重液分選出石英顆粒。將提取的石英樣品在40%的HF中溶蝕60 min，去除石英樣品中的長(zhǎng)石等雜質(zhì)，用10%稀HCl去除在HF溶蝕過程中形成的氟化物，得到較為純凈的石英顆粒，最后將樣品烘干[13]。

為了檢測(cè)石英樣品的純度，可用紅外激發(fā)釋光信號(hào)(IRSL)/OSL信號(hào)比值檢測(cè)石英礦物中的長(zhǎng)石信號(hào)[14]。若IRSL/OSL>10%，說明仍然存在長(zhǎng)石雜質(zhì)，需要重復(fù)上述HF和HCl處理過程，直到樣品IRSL/OSL<10%[15]。

3 數(shù)據(jù)分析

此次的光釋光樣品年代測(cè)試工作主要分為兩個(gè)部分，一是輻射等效劑量的測(cè)量，另一個(gè)是年劑量率的估計(jì)。樣品的預(yù)處理、含水量的測(cè)量以及等效劑量測(cè)試工作是在中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所光釋光實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成。樣品鈾、釷和放射性鉀含量的分析工作是在核工業(yè)北京地質(zhì)研究所分析測(cè)試中心完成。

3.1 光釋光信號(hào)組分分析

為了檢驗(yàn)光釋光定年技術(shù)對(duì)與塔木素地區(qū)石英樣品的是否適用，需要對(duì)提純后石英樣品的光釋光信號(hào)組成成分進(jìn)行分析，具體的檢測(cè)步驟如表1所示。

表1 檢測(cè)石英單片恒源光釋光信號(hào)的實(shí)驗(yàn)步驟

對(duì)于檢測(cè)的石英制片，從圖5中可以看出樣品具有良好的恒源釋光曲線，其光釋光的信號(hào)強(qiáng)度在頭2 s的激發(fā)時(shí)間內(nèi)由原來的最大值迅速衰減了80%～90%，測(cè)量結(jié)果顯示石英測(cè)片的光釋光信號(hào)以快組分為主。由于快組分具有低回授、高光敏性和高熱穩(wěn)定性，因此，光釋光定年技術(shù)對(duì)該地區(qū)石英樣品具有很好的適用性[16]。

圖5 石英制片恒源光釋光信號(hào)衰減曲線Fig.5 The attenuation curve of quartz films by OSL

3.2 等效劑量測(cè)試

此次等效劑量測(cè)試所用的儀器為Ris?-TL/OSL-DA-15釋光儀，在直徑為10 mm的鋁片載體上均勻涂上一層硅油，將提純后的石英樣品黏在其中心2～3 mm處，之后放入轉(zhuǎn)盤之中，輻射源選擇劑量率為0.081 Gy/s的90Sr/90Y beta輻射源。另外測(cè)量?jī)x器配有藍(lán)光二極管(LEDs)[波長(zhǎng)峰值為(470±30)nm]和紅外光(LEDs)[波長(zhǎng)峰值為(870±40)nm]作為激發(fā)光源，在樣品測(cè)量時(shí)候，藍(lán)光二極管給樣品的激發(fā)光強(qiáng)度約為45 mW/cm2。石英樣品的發(fā)光信號(hào)，經(jīng)過Hoya U-340濾光片后，經(jīng)過光電倍增管后再檢測(cè)測(cè)量。

石英樣品的等效劑量是通過單片再生劑量法進(jìn)行測(cè)量，具體測(cè)試步驟如表2所示[17-18]，其中第三步得到的是自然釋光信號(hào)強(qiáng)度Li，第六步得到的是釋光信號(hào)強(qiáng)度Ti，二者相除之后可以得到經(jīng)過靈敏度校正后的自然釋光強(qiáng)度(Li/Ti)。在測(cè)量過程中，為了保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，可以給予一個(gè)重復(fù)劑量來校正靈敏度的變化。

表2 石英單片再生劑量法測(cè)量測(cè)試步驟

通過給石英測(cè)片分別增加不同的再生劑量，并重復(fù)表2中步驟1～6的測(cè)量過程，可以得到不同的光釋光信號(hào)強(qiáng)度(Lx/Tx)。利用靈敏度校正后的不同再生劑量產(chǎn)生的光釋光信號(hào)強(qiáng)度(Lx/Tx)與再生劑量作圖可以得到石英測(cè)片的光釋光增長(zhǎng)曲線，如圖6所示。最后將靈敏度校正后樣品的自然釋光強(qiáng)度(Li/Ti)用內(nèi)插法插入光釋光增長(zhǎng)曲線中即獲得該片的等效劑量。

圖6 光釋光增長(zhǎng)曲線Fig.6 The growth curve of OSL

在利用再生劑量法測(cè)量石英單片等效劑量值時(shí)，為了提高數(shù)據(jù)的可靠性，每個(gè)樣品至少測(cè)量30片，最后得到石英樣品等效劑量的Radial plot分析圖(圖7)?？梢娝舅?cái)嗔押恿麟A地處光釋光樣品等效劑量中心值為172.7 Gy。

圖7 石英樣品等效劑量的Radial plot分析圖Fig.7 Radial plot analysis of equivalent dose of quartz sample

3.3 年劑量率測(cè)試

年劑量率的大小由兩部分組成：一部分為樣品中放射性核素衰變所產(chǎn)生的劑量率，以U、Tu和放射性K的衰變?yōu)橹?，在?jì)算樣品的U、Tu和放射性K對(duì)年劑量率的貢獻(xiàn)量時(shí)，誤差按照所測(cè)元素值的10%進(jìn)行估計(jì)；另一部分為宇宙射線所產(chǎn)生的劑量率，宇宙射線的貢獻(xiàn)量根據(jù)采樣點(diǎn)的經(jīng)度、緯度、海拔高度以及采樣深度來估計(jì)[19]。

在計(jì)算年劑量率的同時(shí)還要考慮樣品的含水量對(duì)輻射的削弱作用[20]。沉積物孔隙中的水分子可以吸收一部分本來自可以到達(dá)礦物顆粒的輻射能量，從而減少樣品對(duì)輻射能量的吸收，此次含水量的測(cè)量采用烘干法測(cè)得，誤差按±20%進(jìn)行估計(jì)。年劑量率根據(jù)Aitken[21]的公式和參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，表3顯示光釋光樣品的年劑量率相關(guān)參數(shù)的測(cè)試結(jié)果，結(jié)果顯示光釋光樣品的年劑量率在3.04 Gy/ka左右。

表3 光釋光樣品分析測(cè)試結(jié)果

3.4 年代結(jié)果

根據(jù)表3的分析測(cè)試結(jié)果及式(1)計(jì)算得到其光釋光年齡為(56.8±5.2) ka。

4 河流階地高程

一般來說，斷裂構(gòu)造如果發(fā)生活動(dòng)那么在地表一定會(huì)形成一系列的構(gòu)造地貌特征，而且斷裂構(gòu)造活動(dòng)性越強(qiáng)這些構(gòu)造地貌特征在地表就越明顯。從圖2的衛(wèi)星遙感圖中可以看到塔木素?cái)嗔亚羞^一條干枯的河流，因此可以通過測(cè)量被塔木素?cái)嗔亚羞^的河流階地高程，從其高程曲線的變化判斷其活動(dòng)性?？紤]到普通GPS受到天氣、海拔等因素影響誤差比較大，本研究使用精度更高的差分GPS來測(cè)量河流階地的高程。

差分GPS主要由三個(gè)部分組成：通信網(wǎng)絡(luò)、基準(zhǔn)站和流動(dòng)站。其原理如圖8所示，首先在固定地方設(shè)立好基準(zhǔn)站，基準(zhǔn)站可以通過高質(zhì)量衛(wèi)星接收機(jī)接收多顆衛(wèi)星的測(cè)量值，再進(jìn)行誤差分析，得到測(cè)量修正值，最后通過數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)將測(cè)量修正值傳給用戶手中的流動(dòng)站，這樣得到的測(cè)量值比單點(diǎn)定位所得的結(jié)果精確度更高[22]。

圖8 差分GPS工作原理Fig.8 Differential GPS working principle

如圖9(a)所示，選擇了AA′為高程測(cè)量剖面，首先設(shè)好基準(zhǔn)站，然后使用流動(dòng)站沿著高程測(cè)量剖面每隔3 m測(cè)量一個(gè)高程值，由于風(fēng)化剝蝕作用，部分階地被剝蝕，使得測(cè)量出的河流階地出現(xiàn)不連續(xù)的情況，最后得到了3組河流階地高程數(shù)據(jù)。將高程數(shù)據(jù)生成高程曲線如圖9(b)所示，表明河流階地的3個(gè)不連續(xù)面，雖然階地呈不連續(xù)狀態(tài)，但是3段階地的傾斜角度都相差不大，并沒有明顯的高程差。

圖9 高程測(cè)量剖面和河流階地高程曲線Fig.9 Elevation measurement section and river terrace elevation curve

5 結(jié)論

塔木素預(yù)選區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造第四紀(jì)以來的活動(dòng)性影響著區(qū)域構(gòu)造環(huán)境的穩(wěn)定性，對(duì)于高放廢物黏土巖處置庫場(chǎng)址的篩選具有非常重要的意義，通過對(duì)塔木素?cái)嗔彦e(cuò)段河流階地光釋光年齡和高程的研究，得到以下認(rèn)識(shí)。

(1)塔木素地區(qū)河流階地石英樣品的光釋光信號(hào)以快組分為主，在激發(fā)時(shí)間2 s內(nèi)衰減了80%～90%，表明光釋光測(cè)年法非常適用于塔木素地區(qū)的石英樣品，根據(jù)測(cè)得的等效劑量和年劑量率，可以得到其光釋光年齡為(56.8±5.2) ka。

(2)從塔木素?cái)嗔彦e(cuò)段的河流階地高程曲線中可以看出，雖然河流階地呈現(xiàn)出不連續(xù)狀態(tài)，但是其3段高程曲線傾斜角度大致相同，并沒有發(fā)生大規(guī)模的錯(cuò)動(dòng)，說明晚第四紀(jì)河流階地形成以來塔木素?cái)嗔训幕顒?dòng)性弱，對(duì)于高放廢物黏土巖處置庫場(chǎng)址有利地段的篩選影響不大。