巴音戈壁盆地塔木素地区黏土岩地质特征研究

管伟村，刘晓东，2，刘平辉

（1.东华理工大学，江西南昌 330013；2.东华理工大学，核资源与环境教育部重点实验室，江西南昌 330013）

巴音戈壁盆地塔木素地区黏土岩地质特征研究

管伟村1，刘晓东1，2，刘平辉1

（1.东华理工大学，江西南昌 330013；2.东华理工大学，核资源与环境教育部重点实验室，江西南昌 330013）

黏土岩是高放废物地质处置库重要的候选围岩之一。通过野外地质勘查，查明塔木素地区黏土岩产状平缓、分布广泛、沉积环境稳定。采用薄片鉴定、X射线衍射及扫描电镜分析等方法，研究了该地区黏土岩的岩石学和矿物学等特征，结果表明，岩石具泥质结构、致密块状构造，黏土矿物主要为高岭石、伊利石等。研究初步认为该地区黏土岩基本满足高放废物地质处置库围岩的要求。

黏土岩；地质特征；高放废物地质处置；围岩

高放废物地质处置被认为是高放废物最有效、最可行的处置方案，得到了国际原子能机构和世界各有核国家的广泛认同，而处置库围岩的选择是至关重要的。国际原子能机构深部地质处置库选址的标准提出［1-2］：处置库场址所在区域应满足大地构造较简单，围岩岩层具有一定规模的厚度和展布，连续性、均匀性好等条件。且围岩还应具备以下基本特性［3］：（1）岩石孔隙度小、水渗透率低；（2）裂隙较少；（3）较好的导热性、抗辐射性；（4）较强的离子交换能力和吸附能力；（5）一定的机械强度；（6）足够大的体积。目前国内、外对候选围岩的研究主要集中在花岗岩、黏土岩、塑性黏土、凝灰岩和岩盐上［4-5］。相对其他候选围岩，黏土岩具分布范围广、深度大、渗透率低，对核素吸附作用强等特点，越来越受世界各国的关注，如法国、瑞士、比利时，已经选定黏土岩为处置库的围岩［6］。我国从20世纪八十年代中期开始开展高放废物地质处置场址筛选研究，已筛选出甘肃北山花岗岩预选地段，目前正在开展预选地段评价研究。根据我国“高放废物地质处置研究开放规划指南”，在最终确定高放废物地质处置库场址之前，需开展不同围岩和不同地区预选场址的比选研究，且除花岗岩以外，重点开展黏土岩场址筛选研究［7-9］。重点研究了巴音戈壁盆地塔木素地区黏土岩的地质特征、岩石学和矿物学特征，认为该地区巴音戈壁组上段黏土岩能满足高放废物地质处置库围岩筛选的基本要求。

1 区域地质背景

1.1 大地构造背景

巴音戈壁盆地地处中蒙交界处，总面积约80 000 km2。盆地所处的大地构造背景是古生代板块陆-陆碰撞的结合部位，分别与塔里木板块、哈萨克斯坦板块、西伯利亚板块和华北板块相毗邻，经历了古生代板块陆-陆碰撞及中生代走滑拉分的演化过程。盆地整体呈近EW向展布，以宗乃山—沙拉扎山隆起为界分为北部坳陷和南部坳陷，北部坳陷包括查干德勒苏坳陷、苏红图坳陷和拐子湖坳陷；南部坳陷包括银根坳陷和因格井坳陷（图1）［10-12］。

塔木素地区位于因格井坳陷内，因格井坳陷呈NE向展布，区内面积约9 000 km2，沉积稳定、相变小、深度变化梯度大，北侧略缓，南部埋深较大，最大深度超过3 km，基底构造简单。断裂构造是区内重要的构造活动形式之一，其构造线的总体走向存在NE向、近EW向两组，近EW向早而NE向晚，这些断裂构造不仅控制了盆地的隆坳相间的构造格局，同时也控制了沉积体系的类型和空间展布（图2）。

1.2 区域地层特征

盆地的基底由前白垩纪地层构成，主要由太古宇、元古宇、古生界变质岩系及各时代的岩浆岩组成。盖层主要为中新生代沉积岩系，且均为陆相沉积，三叠纪因盆地基底抬升，仅局部地区接受沉积，但分布范围有限。侏罗系主要分布在盆地的南部，埋藏较深。白垩系在盆地中分布最广、发育齐全、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。在塔木素地区，中下侏罗统零星分布于塔木素的南西部和北东部，是一套以含煤粗碎屑岩为主的沉积地层。白垩系是盖层发育的沉积主体，厚度较大，但发育不完全，下白垩统见巴音戈壁组，缺失苏红图组和银根组。巴音戈壁组根据岩性和岩相组合又分为下段和上段［13］，其中巴音戈壁组上段是黏土岩产出的主要层位。上白垩统乌兰苏海组沉积较薄，第四系主要为一些风成沙土，厚度较薄（表1）。

2 黏土岩地质特征

采用野外观察与室内研究相结合的方法研究塔木素地区黏土岩地质特征。野外观察主要了解黏土岩的宏观地质特征；室内研究则通过薄片观察、X射线衍射分析及扫描电镜等方法，确定所研究的黏土岩矿物组成及微观特征。

室内实验选取了有代表性的多个钻孔不同深度的黏土岩进行分析，样品采集的目标层位为下白垩统巴音戈壁组上段下部，深度从605到703m不等。样品信息见表2。

2.1 巴音戈壁组上段黏土岩产出特征

巴音戈壁组上段广泛分布于塔木素地区，其展布方向呈NE向。塔木素地区沉积体系主要由扇三角洲、辫状三角洲及湖相沉积构成。其中湖相沉积发育面积较大，主要分布于各次级坳陷的沉积中心，岩性以灰色、深灰色粉砂质泥岩、泥岩为主。同时湖相沉积环境也是塔木素地区巴音戈壁组上段黏土岩形成的重要条件。该黏土岩分别产出于上、中和下3个层位［14］。上部黏土岩主要为一套连续性较好的湖相沉积，厚度100～300 m，但埋深较浅，一般为距地表数米到数十米不等；中部黏土岩层厚度约为数十米，为一套扇三角洲相沉积，但其连续性较差，常与砂岩互层，且厚度较薄；下部黏土岩为一套层位稳定且连续性较好的湖相厚层黏土岩，主要产于塔木素陶勒盖的西南部，埋藏比较深，现有钻孔揭露该层黏土岩埋深大于500m，连续厚度超过100 m，且目前所有钻孔未揭穿该黏土岩层。

2.2 黏土岩的岩石学特征

研究区巴音戈壁组上段下部的黏土岩层产状平缓、分布面积广泛、连续性较好、厚度较大，整体上由南向北渐次变薄。从钻孔岩心来看，该地区黏土岩颜色为灰色、深灰色，固结程度好、坚硬而性脆、质细腻有滑感，贝壳状断口，水平层理较发育、多见生物扰动痕迹，含有碳酸盐矿物、少量有机质及黄铁矿等。通过镜下观察其泥质组分含量较高，具泥质结构，呈致密块状构造，矿物成分除细小的黏土矿物外，还有碳酸盐矿物、长石碎屑、沸石、有机质及黄铁矿等，长石表面发生弱高岭土化（图3）。由于黏土岩中黏土矿物结构和化学成分复杂，矿物颗粒细小，在显微镜下很难准确判断其主要黏土矿物，因此，对样品进行了XRD衍射实验来研究其黏土矿物组成。

2.3 黏土岩矿物组成

X射线衍射物相分析是矿物鉴定最主要、也是最具本质性的鉴定方法，主要是利用黏土矿物X射线衍射图谱，通过比较主要的峰值和判断其强度来达到。实验采用D/max-3B型粉晶衍射仪进行测试，测试条件为：管压30 kV，管流30mA，Cu靶，N滤波，扫描速度5°/min。通过XRD实验得到每个样品的衍射图和实验结果，以样品TMS03的XRD衍射曲线图（图4）为例进行分析。

图谱中可见伊利石、高岭石的特征峰及蒙-绿混层矿物的部分特征峰，说明其黏土矿物主要为伊利石和高岭石，还有少量的蒙-绿混层矿物。另外可见方沸石的基面反射强衍射峰，说明方沸石含量较高。此外还见到钠长石、白云石及方解石的部分衍射峰，说明其中含少量该类矿物。所有测试样品的X射线衍射分析结果见表3。

从所有测试的样品分析结果可以看出塔木素地区的黏土岩主要含有的黏土矿物为高岭石、伊利石等。

2.4 黏土岩矿物形貌分析

为进一步验证以上结果，通过扫描电镜对编号为ZKH16-16-2和ZKH24-16的黏土岩样品进行了微观形貌分析。实验采用JSM-35CF型扫描电镜，测试条件为：加速电压25kV，工作电流2×10-11A。通过扫描电镜观察（图5）得知：该黏土岩样品含有微孔隙、微裂隙等显微构造。孔隙的分布形式有矿物颗粒表面的，还有颗粒间的。ZKH16-16-2（图5A）试样中的黏土矿物主要为片层状的伊利石和高岭石，其他矿物有呈细粒状自形晶或无定形胶质体状的方沸石、架状钠长石和半自形菱形为主的白云石，白云石表面布满丘状颗粒。ZKH24-16（图5B）试样中的黏土矿物主要为层状的伊利石，同样还有呈细粒状自形晶或无定形胶质体状的方沸石、架状钠长石和半自形菱形为主的白云石，同时还有少量片架状的正长石。

从以上分析可知，X射线衍射分析结果与扫描电镜分析结果是一致的。

3 结果与讨论

1）研究区属阿拉善地块，新构造期以来，阿拉善地块断层活动、褶皱变形和地震等新构造活动特征均不明显，地壳处于相对较稳定的状态［15］。参考我国《核电厂场址选择中的地震问题》及《核电厂抗震设计规范》等相关技术标准，预选场址5 km范围内不能有能动断裂。研究区周围虽分布多条断裂，但仅F4断裂在研究区5 km范围内且局部出露在区内（图2）。该断裂为一压性断裂，大部分地段被第四系覆盖，局部在下白垩统中有所表露且主要发育于巴音戈壁组下段，并非能动断裂。因此，认为研究区内活动构造不发育（图2）。区内黏土岩产状平缓、沉积稳定、分布广泛。现有钻孔揭见的埋深超过500 m，连续厚度超过100 m，并且所有钻孔并未揭穿该层黏土岩。目前，瑞士和法国已分别选定Opalinus黏土岩及Callovo-Oxfordian黏土岩为高放废物处置库主岩［16-17］，表4列出了3种围岩的基本赋存特征，由表4可见，塔木素地区黏土岩赋存条件相比于瑞士及法国选定的黏土岩，除产状略大外，其他赋存条件良好，这说明该地区黏土岩在宏观的地质特征上符合高放废物处置库围岩的选择标准。

2）黏土岩适宜于处置放射性废物的特性包括［18-19］：黏土岩中有黏土矿物、沸石类矿物，具有很强的离子交换特性和吸附能力，可以有效地阻滞放射性核素迁移。黏土矿物对核素的吸附作用表现为物理吸附和化学吸附作用，前者主要是由分子间范德华力所致，而后者则是表现为离子交换特性［20-21］。从矿物成分分析结果得出塔木素地区黏土岩含有的黏土矿物主要为：高岭石、伊利石。相比之下，高岭石的离子交换能力较低，吸附性主要表现为物理吸附，这与其矿物的晶体结构有关，而伊利石在这两方面都具备优良的性能。此外，薄片观察显示该区黏土岩中还存在有机质及黄铁矿，可以使岩石的环境呈还原状态，有利于促进高价态核素的还原，减弱其迁移和扩散能力。有研究表明［22-23］水介质的pH对铀的吸附作用影响很大，当介质的pH值接近5～6时，有机质对铀的吸附能力最强；而黄铁矿能消耗地下水辐解产生的氧化性产物（如H2O2），对于维持处置库的还原性环境是有利的。反应方程式如下：

3）实验结果表明研究区黏土岩中含有方沸石。方沸石为含水铝硅酸盐，通常被看做是一种高温沸石，常与白云石、方解石等碳酸盐矿物共生于某些沉积岩中［24-25］。近年来，前人对方沸石的物理化学性能研究得出其对一些重金属离子具有吸附性及离子交换特性，并且认为方沸石在工业利用、环境保护等方面能起到重要的作用［26-27］。但是，目前国内、外在方沸石对放射性核素的影响方面研究甚少。考虑到高放废物处置自身的特殊性，笔者仍需在此方面进行深入的研究。

初步研究表明，内蒙古巴音戈壁盆地塔木素地区构造简单、地壳相对稳定，黏土岩地质条件良好，且含有高岭石、伊利石、有机质及黄铁矿等矿物，基本满足我国高放废物地质处置库围岩的选择标准。然而高放废物处置库围岩的选择是一项系统且复杂的过程，因此，除了前文提到的进一步研究方沸石对放射性核素的影响之外，还应开展该地区水文地质条件及黏土岩地球化学特征、工程特性等方面的调查研究，为我国高放废物处置库围岩的选择提供更加可靠和全面的参考依据。

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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

管伟村（1987—），男，陕西定边人，在读硕士研究生，研究方向：高放废物地质处置。

E-mail:492716936@qq.com