高放废物地质处置地下实验室新场候选场址三维地质建模罗辉;王驹;蒋实;陈伟明;赵宏刚;金远新【摘要】Based on the analysis and interpretation of data available in Xinchang area,models of pluton units and faults have been set up separately.By combing this two models together and preforming interpolating calculation,a 3D geological model of the candidate underground research laboratory (URL) site for High-level Radioactive Waste Disposal has been built,which can reveal underground environmental character around the candidate site in detail.A series of practical visualization analysis have been carried out based on the 3D geological model,such as model-cutting,model-excavating,drilling design and so on.Finally,an area (R=1 km) was selected to act as candidate URL site.The conclusion can provide an useful reference and technical support for the further geological analysis and engineering design of the high level radioactive waste geological disposal project in China.%在新场研究区现有资料分析和解译的基础上,对岩体单元和断裂分别进行建模,然后将两个模型合并进行插值计算,建立了高放废物地质处置地下实验室新场候选场址的三维地质模型.基于模型开展了一系列三维剖切、任意开挖、钻孔设计等可视化分析应用研究,全面真实地揭示了候选场址周围深部地质环境特征,并筛选出半径约1 km的区域用作地下实验室的候选场址,为我国高放废物地质处置项目的后续工作中地质分析与工程设计提供有益参考和技术支持.【期刊名称】《铀矿地质》【年(卷),期】2017(033)003【总页数】6页(P178-183)【关键词】高放废物;地质处置;地下实验室;三维地质建模;模型应用【作者】罗辉;王驹;蒋实;陈伟明;赵宏刚;金远新【作者单位】核工业北京地质研究院,中核高放废物地质处置评价重点实验室,北京100029;核工业北京地质研究院,中核高放废物地质处置评价重点实验室,北京100029;中国国土资源航空物探遥感中心,北京 100083;核工业北京地质研究院,中核高放废物地质处置评价重点实验室,北京 100029;核工业北京地质研究院,中核高放废物地质处置评价重点实验室,北京 100029;核工业北京地质研究院,中核高放废物地质处置评价重点实验室,北京 100029【正文语种】中文【中图分类】TP39高放射性核废物处置库开发是一个长期的系统化工程，一般需要经过基础研究、处置库选址、场址评价、地下实验室研究、处置库设计、建设和关闭等阶段[1-2]。
目前许多国家都已经进入到地下实验室阶段，三维地质建模也已成为许多国家高放废物地质处置项目中地质分析和工程设计必不可少的手段。
我国高放废物地质处置研究自1985 年开始以来，开展了处置库选址、场址评价、处置工程、安全评价、地下实验室场址初选等研究[3-5]。
目前已经确定甘肃北山为高放废物地质处置的首选预选区，经过综合分析和定性比选，初步筛选出地下实验室的4个候选场址，新场候选场址即为其中一个。
1.1 自然地理概况高放废物处置库甘肃北山预选区新场预选地段距玉门市直线距离约80 km，行政区划隶属甘肃省肃北县和玉门市管辖。
高放废物地质处置地下实验室新场候选场址位于新场预选地段中东部范围内。
1.2 岩性分布特征新场岩体呈东西向展布，该地段主要出露新场单元(O1X)二长花岗岩、机井沟单元(O1J)花岗岩闪长岩、红柳井南山单元(Pt22H)片麻状花岗闪长岩和鸳鸯沟单元(Pt22Y)片麻状二长花岗岩(图1)。
东西长约20 km，南北宽约5 km，地表出露面积约94 km2，地球物理测量表明花岗岩底板深度超过1000 m。
1.3 构造分布特征地表地质调查鉴定出新场岩体中有13条断裂(图1)。
按断裂走向，断裂可分为近东西向、北北东向和北东向3组。
其中东西向断裂(F6、F7、F8)主要分布在岩体南北两侧，是控制岩体形成的构造。
北北东向和北东向断裂主要分布在岩体内部，并且这两个方向的断裂经常伴生在一起，成对出现。
2.1 数据准备建模已有的数据包括：1)地表地形数据；2)地质图件：新场地段1∶5万地质图1幅、地质剖面5条(1条实测剖面，4条联井剖面)、断裂地表描述数据；3)4条地球物理剖面数据(2条MT剖面，2条AMT剖面)；4)3个100 m浅孔和4个600 m深孔的钻孔岩心地质编录数据。
2.2 建模流程本次主要建立地下实验室新场候选场址周围10 km×10 km范围，深度1 km的地质模型，模型主要反映研究区范围岩体分布规模及与断裂的分布关系。
建模的主要思路是：尽可能多的收集新场地区已有的数据进行分析和解译，地表界线主要参照地质图资料，地下延伸和形态主要结合物探剖面和联井地质剖面进行解译，并加入地质认识。
地质模型分成断裂模型和岩体模型两部分，然后将断裂模型插入岩体模型，不断修正断裂和岩性界面的交叉点(面)，最后进行插值计算，生成反映研究区深部地质环境的三维地质模型。
具体建模流程为：1)提取岩性单元界线和断裂轨迹，并与地表数据进行叠加；2)对4条地球物理剖面数据进行解译，提取岩性和断裂信息，并将解译后的剖面置于三维空间与地质剖面和联井剖面进行匹配；3)竖直方向以100 m为间隔，生成岩体不同深度的水平方向界线；4)连接并修正地质界面和断裂在三维空间上的交叉点；5)进行插值运算，生成地质界面。
建模软件为Micromine，主要用于地质勘探、资源评估、储量计算及露天矿和地下矿山设计和开采，能够实现各种工程和矿体的三维立体显示和成图，同时还可以进行矿山的开采设计以及数字地质模型的建立。
3.1 断裂模型断裂的规模及其空间展布是预选场址地质调查的重要内容，它决定着岩体的结构和完整性。
有关断层的数据只有3个来源：1)钻孔数据，钻孔中破碎带可作为点数据，通过插值形成层面以及某些断层面的空间变化。
2)剖面图，可确定断层面及地层面的形态及相关参数。
3)地质图，确定断层地表位置和长度，根据断层产状和地球物理解译资料往下延伸。
综合探槽揭露资料中的断层产状信息对竖直剖面上的断层进行修正，并根据解译成果，建立断层三维模型。
先将断层线与地形数据进行叠加，提取地表断层线的高程数据，然后根据产状以100 m为间距建立线框模型。
将同一断裂在不同剖面上的线进行连接，生成网格面，进行插值，这样就生成了断裂模型(图2a)。
3.2 岩体模型岩体模型建立时需先建立岩体侵入的先后关系及岩体侵入穿插关系在三维空间上的概念模型。
本次共分了8个岩性单元进行建模，由于花岗岩单元Pt22H和Pt22Y 相对简单，而O1J和O1X单元相对复杂，故选择先建Pt22H和Pt22Y单元，然后建O1X和O1J单元，最后剩下部分便是第四系和其它单元。
具体如下：1)首先需提取地质图件中地质界线，导入地形数据，将地质界线与地形数据叠加。
由于地质体是一个有限区域的三维实体，内部构造受整个区域的限制，而实际的地质图存在区域不闭合、线框线条重复等问题，不能满足地质体的构建需求。
因此，在构建三维地质体数据之前，需要对地质图进行一定的处理，包括地质图数据的读取、区域封闭性处理、二维高程交互处理、主要信息提取等。
2)利用创建表面的工具，生成整个区域的数字地面模型(DTM)，利用线对线框裁剪工具对全区域的DTM进行切割。
结合实际需求建立每个地层的表面模型，基本操作概念是利用软件导入已有的地层区块，在软件中对每个区块进行封闭操作，给每个地层封闭线赋以地层代号，用这些地层封闭线对整个DTM进行切割，分别做出每块地层的表面，最后将这些地层表面加以整合，完成地层表面模型的建立。
3)生成岩体边界面。
岩体边界和形态主要由水平剖面和竖直剖面控制。
将实测地质剖面、物探解译地质剖面、联井剖面及图切剖面导入三维空间，依据地质知识，参考地质图资料和竖直剖面，以100 m为间隔自地表向下绘制不同深度的水平界线。
最后选择相同岩性的界线进行插值计算生成网格面。
4)生成岩体的边界面后，再导入控制岩体顶底板的DTM面，进而用表面到实体工具，创建出一个完整的岩体实体模型。
3.3 三维地质模型分别建立新场候选场址区域的断层模型和岩体模型后，需要对两个模型进行交切处理，得到该区域的三维地质模型(图2b)。
在交切处理时，需将岩体边界与断层交叉部分打断重新进行连接，再插值计算生成线框表面。
这样断层在不同岩体单元的部分就具有不同属性，更能反映真实的地质情况，方便以后将断层和岩体模型用于数值模型计算。
新场候选场址区域的南边外围地层为敦煌群变质岩(AnChD)，其北边外围地层为咸水井群变质岩(Chxs)，花岗岩体呈东西向展布，岩性类别从北至南依次为：红柳井南山单元(Pt22H)片麻状花岗闪长岩、新场单元(O1X)二长花岗岩、机井沟单元(O1J)花岗闪长岩和鸳鸯沟单元(Pt22Y)片麻状二长花岗岩。
敦煌群和咸水井群变质岩是花岗岩的围岩，第四系覆盖于变质岩地层之上。
花岗岩体主要由近东西向断裂(F6和F7)与南北两侧变质岩(敦煌群变质岩和咸水井群)分割开，岩体内部则被一系列北北东(北东)向规模不大的断裂分割成大小不一的块体，形成多个“构造安全岛”。
完成候选场址区域三维地质建模后，可对模型进行一系列三维可视化分析，如模型观察、剖面切割、任意形状开挖、钻孔设计等。
4.1 模型观察与开挖在建好的三维地质模型中可以选取任意感兴趣的信息进行查看和分析，如对生成的地质模型在任意位置切取剖面或开挖任意目标区域，以便了解岩体深部地质环境特征等。
图3a中隐藏机井沟单元(O1J)，可以直观了解花岗岩体大小形态、断层空间展布、钻孔分布及其之间的相互关系，便于以后工作中选择合适的场地建地下实验室或处置库。