巴音戈壁盆地塔木素地區(qū)黏土巖地質(zhì)特征研究

管偉村，劉曉東，2，劉平輝

（1.東華理工大學，江西南昌 330013；2.東華理工大學，核資源與環(huán)境教育部重點實驗室，江西南昌 330013）

巴音戈壁盆地塔木素地區(qū)黏土巖地質(zhì)特征研究

管偉村1，劉曉東1，2，劉平輝1

（1.東華理工大學，江西南昌 330013；2.東華理工大學，核資源與環(huán)境教育部重點實驗室，江西南昌 330013）

黏土巖是高放廢物地質(zhì)處置庫重要的候選圍巖之一。通過野外地質(zhì)勘查，查明塔木素地區(qū)黏土巖產(chǎn)狀平緩、分布廣泛、沉積環(huán)境穩(wěn)定。采用薄片鑒定、X射線衍射及掃描電鏡分析等方法，研究了該地區(qū)黏土巖的巖石學和礦物學等特征，結(jié)果表明，巖石具泥質(zhì)結(jié)構(gòu)、致密塊狀構(gòu)造，黏土礦物主要為高嶺石、伊利石等。研究初步認為該地區(qū)黏土巖基本滿足高放廢物地質(zhì)處置庫圍巖的要求。

黏土巖；地質(zhì)特征；高放廢物地質(zhì)處置；圍巖

高放廢物地質(zhì)處置被認為是高放廢物最有效、最可行的處置方案，得到了國際原子能機構(gòu)和世界各有核國家的廣泛認同，而處置庫圍巖的選擇是至關重要的。國際原子能機構(gòu)深部地質(zhì)處置庫選址的標準提出［1-2］：處置庫場址所在區(qū)域應滿足大地構(gòu)造較簡單，圍巖巖層具有一定規(guī)模的厚度和展布，連續(xù)性、均勻性好等條件。且圍巖還應具備以下基本特性［3］：（1）巖石孔隙度小、水滲透率低；（2）裂隙較少；（3）較好的導熱性、抗輻射性；（4）較強的離子交換能力和吸附能力；（5）一定的機械強度；（6）足夠大的體積。目前國內(nèi)、外對候選圍巖的研究主要集中在花崗巖、黏土巖、塑性黏土、凝灰?guī)r和巖鹽上［4-5］。相對其他候選圍巖，黏土巖具分布范圍廣、深度大、滲透率低，對核素吸附作用強等特點，越來越受世界各國的關注，如法國、瑞士、比利時，已經(jīng)選定黏土巖為處置庫的圍巖［6］。我國從20世紀八十年代中期開始開展高放廢物地質(zhì)處置場址篩選研究，已篩選出甘肅北山花崗巖預選地段，目前正在開展預選地段評價研究。根據(jù)我國“高放廢物地質(zhì)處置研究開放規(guī)劃指南”，在最終確定高放廢物地質(zhì)處置庫場址之前，需開展不同圍巖和不同地區(qū)預選場址的比選研究，且除花崗巖以外，重點開展黏土巖場址篩選研究［7-9］。重點研究了巴音戈壁盆地塔木素地區(qū)黏土巖的地質(zhì)特征、巖石學和礦物學特征，認為該地區(qū)巴音戈壁組上段黏土巖能滿足高放廢物地質(zhì)處置庫圍巖篩選的基本要求。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

1.1 大地構(gòu)造背景

巴音戈壁盆地地處中蒙交界處，總面積約80 000 km2。盆地所處的大地構(gòu)造背景是古生代板塊陸-陸碰撞的結(jié)合部位，分別與塔里木板塊、哈薩克斯坦板塊、西伯利亞板塊和華北板塊相毗鄰，經(jīng)歷了古生代板塊陸-陸碰撞及中生代走滑拉分的演化過程。盆地整體呈近EW向展布，以宗乃山—沙拉扎山隆起為界分為北部坳陷和南部坳陷，北部坳陷包括查干德勒蘇坳陷、蘇紅圖坳陷和拐子湖坳陷；南部坳陷包括銀根坳陷和因格井坳陷（圖1）［10-12］。

塔木素地區(qū)位于因格井坳陷內(nèi)，因格井坳陷呈NE向展布，區(qū)內(nèi)面積約9 000 km2，沉積穩(wěn)定、相變小、深度變化梯度大，北側(cè)略緩，南部埋深較大，最大深度超過3 km，基底構(gòu)造簡單。斷裂構(gòu)造是區(qū)內(nèi)重要的構(gòu)造活動形式之一，其構(gòu)造線的總體走向存在NE向、近EW向兩組，近EW向早而NE向晚，這些斷裂構(gòu)造不僅控制了盆地的隆坳相間的構(gòu)造格局，同時也控制了沉積體系的類型和空間展布（圖2）。

1.2 區(qū)域地層特征

盆地的基底由前白堊紀地層構(gòu)成，主要由太古宇、元古宇、古生界變質(zhì)巖系及各時代的巖漿巖組成。蓋層主要為中新生代沉積巖系，且均為陸相沉積，三疊紀因盆地基底抬升，僅局部地區(qū)接受沉積，但分布范圍有限。侏羅系主要分布在盆地的南部，埋藏較深。白堊系在盆地中分布最廣、發(fā)育齊全、厚度最大，在各坳陷均有分布。古近系、新近系及第四系零星分布，厚度薄。在塔木素地區(qū)，中下侏羅統(tǒng)零星分布于塔木素的南西部和北東部，是一套以含煤粗碎屑巖為主的沉積地層。白堊系是蓋層發(fā)育的沉積主體，厚度較大，但發(fā)育不完全，下白堊統(tǒng)見巴音戈壁組，缺失蘇紅圖組和銀根組。巴音戈壁組根據(jù)巖性和巖相組合又分為下段和上段［13］，其中巴音戈壁組上段是黏土巖產(chǎn)出的主要層位。上白堊統(tǒng)烏蘭蘇海組沉積較薄，第四系主要為一些風成沙土，厚度較?。ū?）。

2 黏土巖地質(zhì)特征

采用野外觀察與室內(nèi)研究相結(jié)合的方法研究塔木素地區(qū)黏土巖地質(zhì)特征。野外觀察主要了解黏土巖的宏觀地質(zhì)特征；室內(nèi)研究則通過薄片觀察、X射線衍射分析及掃描電鏡等方法，確定所研究的黏土巖礦物組成及微觀特征。

室內(nèi)實驗選取了有代表性的多個鉆孔不同深度的黏土巖進行分析，樣品采集的目標層位為下白堊統(tǒng)巴音戈壁組上段下部，深度從605到703m不等。樣品信息見表2。

2.1 巴音戈壁組上段黏土巖產(chǎn)出特征

巴音戈壁組上段廣泛分布于塔木素地區(qū)，其展布方向呈NE向。塔木素地區(qū)沉積體系主要由扇三角洲、辮狀三角洲及湖相沉積構(gòu)成。其中湖相沉積發(fā)育面積較大，主要分布于各次級坳陷的沉積中心，巖性以灰色、深灰色粉砂質(zhì)泥巖、泥巖為主。同時湖相沉積環(huán)境也是塔木素地區(qū)巴音戈壁組上段黏土巖形成的重要條件。該黏土巖分別產(chǎn)出于上、中和下3個層位［14］。上部黏土巖主要為一套連續(xù)性較好的湖相沉積，厚度100～300 m，但埋深較淺，一般為距地表數(shù)米到數(shù)十米不等；中部黏土巖層厚度約為數(shù)十米，為一套扇三角洲相沉積，但其連續(xù)性較差，常與砂巖互層，且厚度較薄；下部黏土巖為一套層位穩(wěn)定且連續(xù)性較好的湖相厚層黏土巖，主要產(chǎn)于塔木素陶勒蓋的西南部，埋藏比較深，現(xiàn)有鉆孔揭露該層黏土巖埋深大于500m，連續(xù)厚度超過100 m，且目前所有鉆孔未揭穿該黏土巖層。

2.2 黏土巖的巖石學特征

研究區(qū)巴音戈壁組上段下部的黏土巖層產(chǎn)狀平緩、分布面積廣泛、連續(xù)性較好、厚度較大，整體上由南向北漸次變薄。從鉆孔巖心來看，該地區(qū)黏土巖顏色為灰色、深灰色，固結(jié)程度好、堅硬而性脆、質(zhì)細膩有滑感，貝殼狀斷口，水平層理較發(fā)育、多見生物擾動痕跡，含有碳酸鹽礦物、少量有機質(zhì)及黃鐵礦等。通過鏡下觀察其泥質(zhì)組分含量較高，具泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，呈致密塊狀構(gòu)造，礦物成分除細小的黏土礦物外，還有碳酸鹽礦物、長石碎屑、沸石、有機質(zhì)及黃鐵礦等，長石表面發(fā)生弱高嶺土化（圖3）。由于黏土巖中黏土礦物結(jié)構(gòu)和化學成分復雜，礦物顆粒細小，在顯微鏡下很難準確判斷其主要黏土礦物，因此，對樣品進行了XRD衍射實驗來研究其黏土礦物組成。

2.3 黏土巖礦物組成

X射線衍射物相分析是礦物鑒定最主要、也是最具本質(zhì)性的鑒定方法，主要是利用黏土礦物X射線衍射圖譜，通過比較主要的峰值和判斷其強度來達到。實驗采用D/max-3B型粉晶衍射儀進行測試，測試條件為：管壓30 kV，管流30mA，Cu靶，N濾波，掃描速度5°/min。通過XRD實驗得到每個樣品的衍射圖和實驗結(jié)果，以樣品TMS03的XRD衍射曲線圖（圖4）為例進行分析。

圖譜中可見伊利石、高嶺石的特征峰及蒙-綠混層礦物的部分特征峰，說明其黏土礦物主要為伊利石和高嶺石，還有少量的蒙-綠混層礦物。另外可見方沸石的基面反射強衍射峰，說明方沸石含量較高。此外還見到鈉長石、白云石及方解石的部分衍射峰，說明其中含少量該類礦物。所有測試樣品的X射線衍射分析結(jié)果見表3。

從所有測試的樣品分析結(jié)果可以看出塔木素地區(qū)的黏土巖主要含有的黏土礦物為高嶺石、伊利石等。

2.4 黏土巖礦物形貌分析

為進一步驗證以上結(jié)果，通過掃描電鏡對編號為ZKH16-16-2和ZKH24-16的黏土巖樣品進行了微觀形貌分析。實驗采用JSM-35CF型掃描電鏡，測試條件為：加速電壓25kV，工作電流2×10-11A。通過掃描電鏡觀察（圖5）得知：該黏土巖樣品含有微孔隙、微裂隙等顯微構(gòu)造?？紫兜姆植夹问接械V物顆粒表面的，還有顆粒間的。ZKH16-16-2（圖5A）試樣中的黏土礦物主要為片層狀的伊利石和高嶺石，其他礦物有呈細粒狀自形晶或無定形膠質(zhì)體狀的方沸石、架狀鈉長石和半自形菱形為主的白云石，白云石表面布滿丘狀顆粒。ZKH24-16（圖5B）試樣中的黏土礦物主要為層狀的伊利石，同樣還有呈細粒狀自形晶或無定形膠質(zhì)體狀的方沸石、架狀鈉長石和半自形菱形為主的白云石，同時還有少量片架狀的正長石。

從以上分析可知，X射線衍射分析結(jié)果與掃描電鏡分析結(jié)果是一致的。

3 結(jié)果與討論

1）研究區(qū)屬阿拉善地塊，新構(gòu)造期以來，阿拉善地塊斷層活動、褶皺變形和地震等新構(gòu)造活動特征均不明顯，地殼處于相對較穩(wěn)定的狀態(tài)［15］。參考我國《核電廠場址選擇中的地震問題》及《核電廠抗震設計規(guī)范》等相關技術標準，預選場址5 km范圍內(nèi)不能有能動斷裂。研究區(qū)周圍雖分布多條斷裂，但僅F4斷裂在研究區(qū)5 km范圍內(nèi)且局部出露在區(qū)內(nèi)（圖2）。該斷裂為一壓性斷裂，大部分地段被第四系覆蓋，局部在下白堊統(tǒng)中有所表露且主要發(fā)育于巴音戈壁組下段，并非能動斷裂。因此，認為研究區(qū)內(nèi)活動構(gòu)造不發(fā)育（圖2）。區(qū)內(nèi)黏土巖產(chǎn)狀平緩、沉積穩(wěn)定、分布廣泛?，F(xiàn)有鉆孔揭見的埋深超過500 m，連續(xù)厚度超過100 m，并且所有鉆孔并未揭穿該層黏土巖。目前，瑞士和法國已分別選定Opalinus黏土巖及Callovo-Oxfordian黏土巖為高放廢物處置庫主巖［16-17］，表4列出了3種圍巖的基本賦存特征，由表4可見，塔木素地區(qū)黏土巖賦存條件相比于瑞士及法國選定的黏土巖，除產(chǎn)狀略大外，其他賦存條件良好，這說明該地區(qū)黏土巖在宏觀的地質(zhì)特征上符合高放廢物處置庫圍巖的選擇標準。

2）黏土巖適宜于處置放射性廢物的特性包括［18-19］：黏土巖中有黏土礦物、沸石類礦物，具有很強的離子交換特性和吸附能力，可以有效地阻滯放射性核素遷移。黏土礦物對核素的吸附作用表現(xiàn)為物理吸附和化學吸附作用，前者主要是由分子間范德華力所致，而后者則是表現(xiàn)為離子交換特性［20-21］。從礦物成分分析結(jié)果得出塔木素地區(qū)黏土巖含有的黏土礦物主要為：高嶺石、伊利石。相比之下，高嶺石的離子交換能力較低，吸附性主要表現(xiàn)為物理吸附，這與其礦物的晶體結(jié)構(gòu)有關，而伊利石在這兩方面都具備優(yōu)良的性能。此外，薄片觀察顯示該區(qū)黏土巖中還存在有機質(zhì)及黃鐵礦，可以使巖石的環(huán)境呈還原狀態(tài)，有利于促進高價態(tài)核素的還原，減弱其遷移和擴散能力。有研究表明［22-23］水介質(zhì)的pH對鈾的吸附作用影響很大，當介質(zhì)的pH值接近5～6時，有機質(zhì)對鈾的吸附能力最強；而黃鐵礦能消耗地下水輻解產(chǎn)生的氧化性產(chǎn)物（如H2O2），對于維持處置庫的還原性環(huán)境是有利的。反應方程式如下：

3）實驗結(jié)果表明研究區(qū)黏土巖中含有方沸石。方沸石為含水鋁硅酸鹽，通常被看做是一種高溫沸石，常與白云石、方解石等碳酸鹽礦物共生于某些沉積巖中［24-25］。近年來，前人對方沸石的物理化學性能研究得出其對一些重金屬離子具有吸附性及離子交換特性，并且認為方沸石在工業(yè)利用、環(huán)境保護等方面能起到重要的作用［26-27］。但是，目前國內(nèi)、外在方沸石對放射性核素的影響方面研究甚少?？紤]到高放廢物處置自身的特殊性，筆者仍需在此方面進行深入的研究。

初步研究表明，內(nèi)蒙古巴音戈壁盆地塔木素地區(qū)構(gòu)造簡單、地殼相對穩(wěn)定，黏土巖地質(zhì)條件良好，且含有高嶺石、伊利石、有機質(zhì)及黃鐵礦等礦物，基本滿足我國高放廢物地質(zhì)處置庫圍巖的選擇標準。然而高放廢物處置庫圍巖的選擇是一項系統(tǒng)且復雜的過程，因此，除了前文提到的進一步研究方沸石對放射性核素的影響之外，還應開展該地區(qū)水文地質(zhì)條件及黏土巖地球化學特征、工程特性等方面的調(diào)查研究，為我國高放廢物處置庫圍巖的選擇提供更加可靠和全面的參考依據(jù)。

［1］IAEA.Siting，Design and Construction ofa Deep GeologicalRepository for the DisposalofHigh Leveland Alpha BearingWastes［R］.Vienna:IAEA-TECDOC-563，1990.

［2］IAEA.Safety principles and technical criteria for the underground disposal of high level radioactive wastes［R］.Vienna:Safety series No.99，1989.

［3］閔茂中.放射性廢物處置原理［M］.北京：原子能出版社，1998.

［4］王駒，徐國慶，金遠新.論高放廢物地質(zhì)處置庫圍巖［J］.世界核地質(zhì)科學，2006，23（4）:222-231.

［5］金遠新，王文廣，陳璋如.中國高放廢物處置庫圍巖巖石類型的選擇［C］//王駒，范顯華，徐國慶，等.中國高放廢物地質(zhì)處置十年進展.北京:原子能出版社，2004:62-73.

［6］王長軒，劉曉東，劉平輝.高放廢物地質(zhì)處置黏土巖處置庫圍巖研究現(xiàn)狀［J］.世界核地質(zhì)科學，2008，25（2）:95-103.

［7］國防科學技術工業(yè)委員會，科學技術部，國家環(huán)境保護總局.高放廢物地質(zhì)處置研究開發(fā)規(guī)劃指南［S］.國防科學技術工業(yè)委員會，北京：科學技術部，國家環(huán)境保護總局，2006.

［8］劉曉東，劉平輝，王長軒，等.高放廢物黏土巖處置庫場址預選研究［C］//第三屆廢物地下處置學術研討會論文集，北京：中國巖石力學與工程學會廢物地下處置專業(yè)委員會，中國核學會輻射防護分會，中國環(huán)境科學學會核安全與輻射環(huán)境安全專業(yè)委員會，2010:117-127.

［9］鄭華鈴，傅冰駿，范顯華.建議我國重點研究黏土巖處置庫預選場址［J］.輻射防護，2007，27（2）:92-98.

［10］聶逢軍.巴音戈壁盆地構(gòu)造演化、沉積體系與鈾成礦條件研究［R］.撫州：東華理工大學，2010.

［11］吳仁貴，周萬蓬，劉平華.巴音戈壁盆地塔木素地區(qū)砂巖型鈾礦及找礦前景分析［J］.鈾礦地質(zhì)，2008，24（1）:24-31.

［12］何中波，羅毅，馬漢峰.巴音戈壁盆地含礦目的層沉積特征與砂巖型鈾礦化的關系［J］.世界核地質(zhì)科學，2010，27（1）:11-18.

［13］寧夏地質(zhì)局區(qū)域地質(zhì)調(diào)查隊.區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報告：銀根幅［R］.北京：地質(zhì)出版社，1980:12-24.

［14］劉曉東，劉平輝.巴音戈壁盆地塔木素地區(qū)黏土巖基本特性研究［C］//《第四屆廢物地下處置學術研討會論文集》編委會，第四屆廢物地下處置學術研討會論文集，北京：中國原子能出版社，2012:50-58.

［15］汪昌亮，何建國，郭慶銀.中國西北地區(qū)新構(gòu)造運動特征及地殼穩(wěn)定性分析［J］.鈾礦地質(zhì).2008，24（5）:268-274.

［16］Thury M.The characteristics of the Opalinus Clay in vestigated in the Mont Terri underground rock labo ratory in Switzerland［J］.Applied Physics，2002，3（7）:923-933.

［17］ANDRA.Dossier2005:argile-phenomenologicalevolution ofa geological repository［R］.Paris:ANDRA，2005.

［18］閔茂中.高放廢物處置的地質(zhì)介質(zhì)選擇［J］.核科學與工程，1991，11（4）:353-362.

［19］雷明信.黏土巖作為高放廢物處置庫圍巖優(yōu)勢探討［C］//中國核科學技術進展報告：第二卷—中國核學會2011年學術年會論文集，北京：中國原子能出版社，2011:440-444.

［20］金承黎，易發(fā)成，李玉香.黏土礦物在核廢物處理中的應用［J］.礦產(chǎn)綜合利用，2003，（5）:35-38.

［21］陳璋如.我國高放廢物地質(zhì)處置庫圍巖的選擇［J］.國外鈾金地質(zhì)（現(xiàn)名：世界核地質(zhì)科學），1992（S1）:45-51.

［22］史維浚.鈾水文地球化學原理［M］.北京：原子能出版社，1990:243.

［23］陳濤，田文宇，黎春.黃鐵礦在維持高放廢物處置庫近場還原性環(huán)境中的作用［J］.物理化學學報，2010，26（9）:2 480-2 493.

［24］李紅，柳益群，梁浩，等.三塘湖盆地二疊系陸相熱水沉積方沸石巖特征及成因分析［J］.沉積學報，2012，30（2）:205-218.

［25］劉麗萍，關愛鳳，梁永，等.內(nèi)蒙古烏審旗板戶梁方沸石巖礦特征及開發(fā)應用前景［J］.內(nèi)蒙古地質(zhì)，2002，（1）:20-26.

［26］李曼尼，李根興，郭立軍，等.內(nèi)蒙古鄂爾多斯方沸石礦的物理化學性能研究［J］.內(nèi)蒙古大學學報：自然科學版，2004，35（6）:648-653.

［27］谷白云，商云帥，吳健，等.方沸石對Cd2＋離子的交換性能研究［J］.離子交換與吸附，2008，24（2）:154-161.

Study on the geological characteristics of claystone in Tamusu area of Bayingebi Basin

GUANWei-cun1，LIU Xiao-dong1，2，LIU Ping-hui1

（1.East China Institute of Technology，Nanchang，Jiangxi 330013，China；2.Key Laboratory of Nuclear Resources and Environment，Ministry of Education，East China Institute of Technology，Nanchang，Jiangxi 330013，China）

Claystone is one of the important candidate host rocks of the repository for high-level radioactive waste geological disposal.Geological prospecting has been conducted on the clay formation in Tamusu area，Inner Mongolia Autonomous Region，which suggested that the clay formation in Tamusu areawere formed in a stable sedimentary environmentwith widely extending horizontal stratum.Further studies on petrology and mineral characteristics by X-ray diffraction and SEManalysis indicated that the clays aremainly composed of kaolinite and illite with the politic texture and compact structure.The preliminary results of this study showed that the clay formation meets the requirements basically as the host rocks for high-level radioactive waste geological disposal.

claystone；geological characteristics；high-level radioactive waste geological disposal；host rock

P619.23+1；X771

A

1672-0636（2014）02-0095-08

10.3969/j.issn.1672-0636.2014.02.006

2014-01-10

管偉村（1987—），男，陜西定邊人，在讀碩士研究生，研究方向：高放廢物地質(zhì)處置。

E-mail:492716936@qq.com