高放廢物地質處置新疆雅滿蘇預選地段三維地質建模研究

羅 輝，趙宏剛，蔣 實，陳偉明，田 霄

（1.核工業(yè)北京地質研究院中核高放廢物地質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）

高放廢物地質處置新疆雅滿蘇預選地段三維地質建模研究

羅 輝1，趙宏剛1，蔣 實2，陳偉明1，田 霄1

（1.核工業(yè)北京地質研究院中核高放廢物地質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）

利用三維地質建模軟件Micromine和深探地學建模軟件建立了雅滿蘇預選地段的三維可視化地質模型，直觀地反映了該預選地段巖體、斷裂的空間展布和相互關系等深部地質環(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)處置庫預選地段的適宜性評價提供資料和技術支持。

雅滿蘇預選地段；處置庫；三維地質建模

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、技術和工程挑戰(zhàn)，受到了各核工業(yè)國家的普遍重視［1-2］。關于高放廢物處置，目前普遍接受的可執(zhí)行方案是深部地質處置，即把高放廢物埋在距離地表深約500～1 000 m的地質體中，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。

三維地質建模及可視化研究是當前數(shù)學地質、 水文、 工程地質等研究的前沿和熱點［6］，也是快速、適時地再現(xiàn)地質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處置項目中地質分析和工程設計必不可少的手段［7-9］。主要目的是建立高放廢物地質處置新疆雅滿蘇預選地段直觀、完整的真三維地質模型，全面、真實地揭示候選場址深部地質環(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雜，包含變質正常沉積碎屑、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)淺變質灰?guī)r發(fā)生了夕卡巖化，淺變質中基性火山巖、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構有較大的差異。如早期侵入的為中粒似斑狀結構，中期侵入的為中粒結構，晚期者為細粒少斑狀結構。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

雅滿蘇預選地段在圖幅內（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。斷裂構造以近EW向為主，NE向次之。雅滿蘇地段內斷裂的主要特點是，斷裂破碎帶主要見硅質角礫巖，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。由苦水斷裂（F2）未穿過巖體可以大致推斷，巖體侵入年代應比該斷裂形成年代晚?？傮w上，巖體受斷裂構造影響非常微弱。

2 建模思路和方法

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

根據(jù)雅滿蘇地質構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)格式的轉換主要以Micromine公司的KANTAN 3D軟件為主；構造建模和礦體建模使用網(wǎng)格天地公司的深探地學建模軟件完成，以地質平面圖、剖面圖和地球物理剖面資料為約束，制定相關建模策略和三維地質體建模流程。

2.1 三維地質建模的思路

采用三維構造建模技術與構造解釋相結合，將衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)資料、地形圖數(shù)字資料、地質調查資料及地球物理測量等相關數(shù)據(jù)整理成軟件可接受格式導入，利用相干體技術及三維構造可視化技術對地質體及斷層的分布，尤其是對小斷層，小幅度構造的分布細節(jié)進行仔細分析和研究，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，認真推敲地質體產(chǎn)狀及其變化，注重小斷層細節(jié)，用瞬時相位技術識別斷點，做到準確解釋，并最終得到成果地質體模型。

圖1 雅滿蘇地段地質圖Fig.1 Geological map of Yamansu area

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

2.2 三維地質建模的方法

針對一般三維解釋成果數(shù)據(jù)進行構造建模使用的地層生成方法是最小曲率和反距離加權生成方法，可以在保證建模效率的前提下很好地描述構造形態(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解釋成果數(shù)據(jù)。同時軟件內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和幾何光順相接合的方法，針對變質巖、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)地質人員的認識，通過增加虛擬剖面的方法進行構造解釋，提高對地層形態(tài)控制的能力。

3 三維地質模型的建立

3.1 構造建模

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

對BMP位圖矢量化及定位點定位位圖，實現(xiàn)將二維構造剖面的三維立體展布，并調整剖面圖間的比例系數(shù)達到較高的匹配度。最終形成柵狀的剖面組，將地質平面圖、剖面圖和電法剖面圖位圖導入三維工區(qū)，利用實測坐標定位地質圖，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）。

結合人機交互的工作模式編輯相關斷面的離散點、控制點，定義斷層的傾向及傾角，調整斷面傾角，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)，也是非常關鍵的一個環(huán)節(jié)就是斷層交切關系的處理，通過解釋斷棱數(shù)據(jù)和多邊形數(shù)據(jù)的指導，手工指定交切斷層間的切割關系。

利用上述斷層建模技術，對雅滿蘇8條斷層進行交切關系處理，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)內地質體層面交切復雜的特點，采用構造解釋技術、斷裂恢復法自動生成層面技術、層面相交處理技術等地質建模關鍵技術，制定相應建模技術流程，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信息構建三維地質體，橫向上以平面圖地質信息作為約束條件，縱向上以剖面圖地質信息作約束條件，對剖面圖和平面圖矢量化后，解釋得到三維地質體數(shù)據(jù)，創(chuàng)建三維地質體模型。

3.2.1 解釋數(shù)據(jù)

用上述方法，創(chuàng)建花崗巖三維地質數(shù)據(jù)，并創(chuàng)建地質體，保證原始地質資料對花崗巖體控制的準確性（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，每個地質巖體均通過這種辦法，創(chuàng)建各自獨立的三維地質數(shù)據(jù)體。

圖5 地質體創(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、地質調查資料及地球物理測量等，采用地質構造恢復法，根據(jù)地質資料反映的巖體地質信息及地質特征，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選區(qū)內二疊紀、中二疊紀、晚二疊紀、泥盆紀等11個地質體的地層數(shù)據(jù)、地層面和三維地質體模型（圖8）。

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

4 模型應用

完成三維地質實體模型的構建之后，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），可以方便地質人員對深部地質情況進行分析和判斷。此外，還可以開挖感興趣的目標地質體 （圖10），查看巖塊的組成、分布及與斷裂的空間分布關系，方便后續(xù)工作中處置庫場址的篩選。對任意地質體進行體積計算（圖11），可以查看巖塊或任意坑道的處置容積，這些三維地質分析對后續(xù)工作中高放廢物地質處置庫的篩選和設計都將非常實用。

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 結論

以高放廢物地質處置預選地段新疆雅滿蘇為例，結合三維地質可視化模型的理論方法和實際地質環(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模型，全面的描述了預選地段三維構造形態(tài)等參數(shù)，直觀、準確地反映了該地段的深部地質情況?；谒⒌刭|模型，進行任意切割、開挖，生成了一定數(shù)量的地質剖面，可以通過鼠標點擊模型獲得相應位置的屬性值，這對分析各種地質信息在整個模型中的分布特征及規(guī)律有著直接指導意義，可以從宏觀上指導下一步工作計劃，從而為后續(xù)相關的工程設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，導致地質模型有較大的不確定性；鉆孔地質記錄推測的構造面空間延展狀態(tài)以及地表露頭構造面測量和構造記錄相關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．高放廢物地質處置：進展與挑戰(zhàn)［J］．中國工程科學，2008（3）:58-65．

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

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

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

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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處置庫選址和場址特性評價工作。

E-mail：luo1029hui@163.com