流体包裹体研究在高放废物处置库场址评价中的应用——以新疆阿奇山1号岩体为例

邱林飞，　欧光习，　张　敏，　尚长健，　黎　琼，　吴　迪

(核工业北京地质研究院，北京　100029)



流体包裹体研究在高放废物处置库场址评价中的应用
——以新疆阿奇山1号岩体为例

邱林飞，欧光习，张敏，尚长健，黎琼，吴迪

(核工业北京地质研究院，北京100029)

流体包裹体是封存于矿物内的古流体，对裂隙充填脉体的流体包裹体研究可以揭示高放废物深地质处置库预选场址的深部热环境及古地下水热历史。以新疆阿奇山1号岩体为研究对象，通过测定1号岩体中不同期次热液脉体中包裹体的形成温度、盐度、成分等信息，结合该区的地质背景及其稳定同位素特征，综合分析阿奇山地段1号选址岩体热液流体性质及其活动的强度，为评价阿奇山地段候选场址的稳定性提供科学依据,为高放废物处置库场址的评价提供新的方法依据。

流体包裹体；高放废物处置库；阿奇山1号岩体；新疆

邱林飞，欧光习，张敏，等.2016.流体包裹体研究在高放废物处置库场址评价中的应用——以新疆阿奇山1号岩体为例[J].东华理工大学学报：自然科学版，39(2)：165-172.

Qiu Lin-fei,Ou Guang-xi, Zhang Min,et al.2016.Application of fluid inclusions in reservoir evaluation of high-level radioactive waste disposal site——A case of study in No.1 granite rock mass of Aqishan in Xinjiang province[J].Journal of East China University of Technology (Natural Science), 39(2)：165-172.

深部地质处置是目前处置高放废物普遍接受的可行方案，即把高放废物埋在距离地表深约500～1 000 m的地质体中,使之永久与人类的生存环境隔离。高放废物深部地质处置库场址的适宜性评价研究方法众多，既有地质学方法，也有水文学方法，还有工程力学研究方法等(王驹等，2008；刘帅等，2012；张华等，2012；王海龙，2014)。概括而言，目前常用的主要有8种方法，包括钻孔施工方法研究、水文地质参数现场测试技术方法研究、深部地下水取样技术研究、水文地球化学测井方法研究、钻孔地应力测量方法研究、岩体声波测试方法研究、声波钻孔电视侧量方法研究、钻孔雷达测试方法研究、断裂稳定性评价方法研究和岩体节理研究(王驹等，2008)。

流体包裹体的研究是目前地球科学研究中最活跃的领域之一(卢焕章等，2004)，是研究热液流体活动的一个重要手段，对于探讨流体的性质、形成温度等有着十分重要的作用。核废物深地质处置库中的放射性核素向外释放和迁移，显著受处置库地球化学环境所影响，如温度、压力、地下水的化学成分辐射场等 (闵茂中,1998)。因此，评价预选场址深部环境是高放废物处置场研究的重要部分(Fyfe, 1999; Blyth et al., 2000 )。目前，流体包裹体研究在高放废物处置库的评价及应用还处于探索性的阶段，仅个别研究人员进行了初步的探索(罗兴章等，2004;田宵等，2014)。流体包裹体作为一项行之有效的手段，可提供矿物形成时流体运移历史、流体成分、温度等相关重要信息(卢焕章等,2004)，是研究古流体的重要手段。通过研究高放废物处置库预选场址裂隙填隙物中流体包裹体特征，结合矿物流体的稳定同位素地球化学组成，可重现岩体深部环境的古热历史及地下水演化历史，反演矿物形成时的古温度环境，推断古流体的成因及演化历史。

因此，在高放废物处置库场址选择筛选和评价中，研究地下古流体的温度、压力和地下水化学特征，是评价候选场址的稳定性的手段之一。本文通过测定阿奇山地段1号岩体中不同期次热液脉体的形成温度、盐度等信息，综合分析阿奇山地段选址岩体热液流体的性质、来源及其活动的强度，推断该区古流体的成因及演化历史，可为评价阿奇山地段候选场址的稳定性提供参考，为高放废物地质处置场址的选择提供一定的依据。

1　地质背景

阿奇山地段位于新疆东天山地区，其大地构造位位置上处于塔里木板块北侧的二级单元阿奇山-雅满苏岛弧系上，邻近哈萨克斯坦-准噶尔板块(I)与塔里木板块(II)的对接带(图1)。阿奇山1 号岩体以出露花岗岩为主, 总面积可达318 km2, 为大型岩基，岩体主体正长花岗岩与早二叠世地层呈侵入接触关系。岩体东北部正长花岗岩与二长花岗岩为侵入接触, 西部的碱长花岗岩与北部的正长花岗岩为侵入接触关系, 南部发育大范围的灰白色中细粒黑云母二长花岗岩, 内部发育近NS向的辉绿玢岩脉与碱长花岗岩、正长花岗岩呈侵入接触关系, 除此之外, 还发育有近NS向花岗斑岩脉、花斑岩脉, 这些岩脉充填近NS向压扭性裂隙, 严格受裂隙构造控制，区内比较大的区域断裂有康古尔韧性剪切带和阿其克库都克断裂，岩体内局部受区域断裂影响而发育小型的次级裂隙，裂隙中常充填宽度从几厘米至数十厘米宽的热液脉体。

图1　东天山地区板块构造单元划分图(据田明明，2013)Fig.1　Division map of plate tectonics in the eastern Tianshan area1.板块俯冲-碰撞带；2.分界断裂及编号；3.板块单元代号；4.强韧性剪切变形带；5.城镇乡地点；6.铁路；7.研究区位置

2　样品特征及测试方法

本研究采集的样品主要为阿奇山地段1号岩体中的浅部探槽及钻孔中的方解石脉和石英脉。根据野外地质特征及其所处构造位置的相互关系可知，1号岩体内共发育2期次4阶段热液脉体，第1期早阶段为灰绿色、黄绿色微细晶硅质脉，晚阶段为白色石英脉。第2期早阶段为红色岩脉(沸石脉)、晚阶段为浅肉红色、浅黄色、米黄色、白色方解石脉(图2)。第1期硅质-石英脉走向为北西向、北北西向，一般呈直立或近直立状，倾角一般为70～85°左右，第2期红色岩脉和方解石脉走向近南北向，呈直立或近直立状，倾角一般为65～80°左右。其中灰绿色石英脉和红色岩脉(沸石脉)的发育规模都很小，其宽度一般为1～10 cm。白色石英脉发育规模较大，其宽度一般为10～1 m，呈多条平行状排列。方解石脉发育规模较大，局部膨大，其宽度一般在数十厘米至2 m的范围内。

图2　阿奇山地段1号岩体热液脉宏观期次特征Fig.2　The macro stage characteristics of hydrothermal veins in No.1 granite rock mass of Aqishan areaa.第1期早阶段灰绿色硅质-石英脉；b.第1期晚阶段白色石英脉；c.第2期早阶段红色岩脉；d～e.第2期晚阶段浅肉红色、白色方解石脉

对上述不同期次的热液脉体进行详细的显微岩相学观察，而后测定了流体包裹体温度-盐度，并对不同期次的样品进行了成分、微量元素及C-D-O同位素的研究，本次实验均在核工业北京地质研究院分析测试研究所进行，具体实验方法如下：

(1)单个包裹体研究：对样品进行包裹体片的磨制→使用显微镜对样品进行显微岩相学的观察，寻找各期次发育的包裹体后标记、照相→清洗包裹体片表面的胶，按标记分割成块→应用 LabRAM HR800型激光拉曼光谱仪对包裹体的进行测定→采用Linkam THMS600 型冷热台对包裹体的均一温度和冰点温度进行测定，并计算出盐度。

(2)群体包裹体成分研究：首先将样品破碎到60～80目，从中挑选出石英及方解石单矿物，然后用爆裂法提取包裹体的气相，再送入PE公司生产的Clarus 600型气相色谱仪进行检测，将测试结果与标准样品进行对比，确定相关气体成分与含量。

(3)流体包裹体的微量元素测定：首先挑选60～80目单矿物样品，超声波洗净烘干装入爆裂管中，先升温100 ℃后导入载气排放掉样品吸附气及其它杂气，然后升温至600 ℃将矿物流体包裹体爆裂，再加入5 mL去离子水使用超声波冲洗，再使用等离子体质谱分析仪进行在线分析。

(4)脉体体碳、氧同位素研究：直接将方解石脉中纯方解石样品放入玛瑙研钵中研磨至200目，烘干后将样品放入样品管中用载气去除样品管中的空气，用酸针向样品管中加过量的100%磷酸，并用测试针测试；脉体流体包裹体中水的氢同位素测试是将单矿物在105 ℃下烘干后，在真空系统中加热抽走次生包裹体爆裂产生的水，释放的水通过收集、冷凝和纯化处理，然后用锌置换出水中的氢，对获得的H2利用MAT253质谱仪进行分析。

3　测试结果与讨论

3.1流体包裹体显微岩相学及其温度-盐度特征

1号岩体从早到晚分别发育2期次4阶段热液脉体，包裹体期次特征及测温结果如表1所示。显微岩相学观察发现，该区热液脉体中流体包裹体普遍少量发育或较为发育，包裹体大小为5～40 μm，多呈浑圆形、柱形、长条形，大部分为成群或均匀分布，少部分成带状分布，其中以呈透明无色的纯液体包裹体或呈无色-灰色的气液两相包裹体为主，极少发育呈深灰色的纯气体包裹体。不同期次阶段热液脉体中流体包裹体显微特征有所不同，从第1期早阶段硅质脉→第1期晚阶段白色石英脉→第2期早阶段红色岩脉(沸石脉)→第2期晚阶段浅肉红色、浅黄色、白色方解石脉，其流体包裹体随着矿物结晶程度越高而越发育，而包裹体中的气液比则有降低的趋势(图3)。

图3　不同阶段热液脉体流体包裹体显微特征Fig.3　Microscopic characteristics of fluid inclusions in difference stages of hydrothermal veins a.第1期早阶段硅质脉;b.第1期晚阶段石英脉; c.第2期早阶段红色岩脉; d.第2期晚阶段白色方解石脉

测温结果表明，该区热液脉体流体包裹体均一温度分布范围较宽，从71～218 ℃，集中于100～180 ℃之间。将不同期次的热液脉体均一温度制成均一温度及盐度直方图(图4)。由图4a看出，不同期次的热液脉体均一温度峰值略有差异，总体而言，从早期到晚期其均一温度具有逐渐降低的趋势。第1期早阶段硅质(石英)脉均一温度分布范围为102～218 ℃，集中于140～200 ℃；第1期晚阶段烟灰色、白色石英脉均一温度分布范围为96～227 ℃，集中于140～180 ℃；第2期晚阶段肉红色、浅肉红色、米黄-白色方解石脉均一温度分布范围为109～226 ℃，集中于100～140 ℃。图4b看出，阿奇山地段1号岩体热液脉流体包裹体盐度普遍较低，分布范围较窄，从(0.18～8.00)Wt%NaCl，集中于(0.18～4.00)Wt%，NaCl之间。不同期次的热液脉体盐度略有差别，总体都属于低盐度的范畴，从早期到晚期其盐度具有略微降低的趋势。

3.2流体包裹体成分特征

3.2.1单个流体包裹体激光拉曼成分

对1号岩体中热液脉体流体包裹体进行了大量的显微激光拉曼测试，测试过程发现其流体包裹体气体含量普遍很低(拉曼特征峰极低)，在测试的150多个测点中，因包裹体含气量低而只有34个流体包裹体有气体特征峰显示。结果表明，1号岩体中热液脉体流体包裹体气体含有少量的N2，CO2，H2，CH4，个别含有O2(表2)。

3.2.2群体包裹体气相成分

流体包裹体中气相色谱成分中H2O通常可以大致等同于包裹体总流体的量，而H2+N2+CO+CH4+CO2则代表了总挥发份的量，各种气体成分及其含量百分比可以反映出热液脉体富含的气体成分特征，指示热液脉体的成因。表3是1号岩体热液脉流体包裹体气体成分测试结果。结果表明，该区热液脉体流体包裹体中挥发分的总含量很低，最高的样品中气体总含量为8.21 μl/g，而最低的样品中气体含量仅仅只有0.25 μl/g，大部分样品中气体含量为1～5 μl/g，平均为2.902 μl/g，说明该区热液脉流体包裹体中的挥发性气体含量极低，这与显微观察到的、热液脉体中流体包裹体主要是以H2O为主的富液或纯液包裹体现象一致。从表3看出，还原性气体∑(H2+CO+CH4)含量为0.05～2.08 μl/g，集中于0.04～0.51 μl/g的范围内，其平均含量为0.431 μl/g，氧化性气体∑(N2+CO2)含量为0.19～6.41 μl/g，集中于1.11～4.84 μl/g的范围内，其平均含量为2.44 μl/g，可见热液脉中还原性气体∑(H2+CO+CH4)含量明显低于氧化性气体∑(N2+CO2)含量，说明了热液脉体形成于浅部氧化环境内。从早期到晚期其气体总含量总体呈下降的趋势，到第2期晚阶段方解石脉中下降则极为明显。

3.2.3流体包裹体稀土元素特征

流体包裹体稀土元素分析结果表明(表4)，该区热液脉体流体包裹体中REE含量极低，仅为0.975～21.188 ng/g的范围，∑LREE的含量是∑HREE含量的数倍，LREE/HREE位于2.55～9.22之间，(La/Yb)N为2.82～9.97，δEu为0.02～0.28，δEu明显小于1，充分说明了阿奇山地段1号岩体热液脉体流体包裹体相对富集轻稀土而贫重稀土。将热液脉体流体包裹体稀土元素作成稀土元素配方曲线(图5)。从图5看出，1号岩体不同期次热液脉体流体包裹体的REE配分曲线差别不大，总体都呈略微右倾模式，相对富集轻稀土而贫重稀土，明显负Eu异常，同时还存在负Ce异常，与田明明等(2014)测得的该区花岗岩的稀土元素配分曲线相近，说明该区形成方解石脉和石英脉的热液流体和花岗岩具有同源性。较为强烈的负Ce异常可能是由于在氧化环境和酸性条件下Ce4+发生水解而滞留原地，使淋滤出的溶液中贫Ce，说明形成阿奇山地段1号岩体热液脉的地质热流体可能主要来源于该花岗岩区淋滤出的淋滤液。

图4　不同阶段热液脉体流体包裹体均一温度及盐度直方图Fig.4　The histogram of homogenization temperature and salinity of fluid inclusions in difference stages of hydrothermal veins

样品号期次/阶段赋存矿物分布形态大小/μm气液比/%均一温度/℃平均温度/℃盐度/wt%NaClTC122-1TC114-1TC112-1TC105-1第1期早阶段石英成群分布3～1510～15149～213182.22.07～5.26石英成群分布2～1210～15157～2181933.39～8.00石英成群分布1～105～10114～172143.91.40～4.80石英成群分布2～125～10102～194154.71.23～6.01TC113-1TC105-2TC122-2TC119-1TC121-1TC201-1TC201-1-ED3364-1第1期晚阶段石英成群分布5～455～10133～207183.42.47～3.71石英成群分布3～605～10119～209169.81.40～5.71石英成群分布2～505～10112～217179.92.07～5.26石英成群分布6～485～10110～168157.14.96～6.88石英成群分布2～365～10102～208172.80.71～3.87石英成群分布2～355～1096～159136.10.71～3.06石英成群分布4～485～10142～202171.93.06～4.34石英成群分布5～525～10117～166148.80.88～4.03TC101-1TC116-1TC116-4TC108-1TC108-2TC101-2第2期晚阶段方解石成群分布10～805～10108～178146.40.71～2.90方解石成群分布10～605～10107～171140.61.23～1.91方解石成群分布8～505～10103～166133.82.41～2.70方解石成群分布8～405～10109～161143.90.53～1.06方解石成群分布6～6010～15115～174143.22.24方解石成群分布4～65571～142112.60.53～1.40

3.3热液脉体的性质与来源探讨

3.3.1热液脉体C，O同位素特征

热液脉体C，O同位素分析表明，1号岩体方解石脉的δ13CV-PDB变化较大，其δ13CV-PDB值为-4.2‰～-14.2‰，集中于-6.0‰～-11.6‰之间。该区方解石脉碳同位素组成总体上明显低于地幔及海相碳酸岩的δ13C值范围，而高于有机质的碳同位素特征值、与大气CO2、淡水CO2、地壳的碳同位素特征值接近或重叠。结合该地区的地质背景，表明形成方解石脉的热液流体主要受浅部地壳流体的影响，阿奇山地段候选岩体中方解石脉的成因与浅部流体作用密切相关。δ18OV-SMOW对δ13CV-PDB图解表明(图6)，1号岩体中方解石脉C，O的大部分投影点都远离地幔多相体系和沉积岩混染(高T效应)区域，方解石脉C，O数据的投影点大部分向18O增高方向或大气降水区漂移，主要由于大气降水形成的浅部流体与浅部围岩发生了低温蚀变，从而进行同位素交换而造成的，部分投影点向18O偏低的方向漂移，主要受大气降水的影响。由此表明，阿奇山地段候选岩体中的地质热流体主要来源于大气降水，并与浅部围岩发生了低温蚀变反应。

表2　1号岩体热液脉流体包裹体激光拉曼分析结果

表3　1号岩体热液脉体流体包裹体气体成分测试结果

注：表中“—”表示未检出或低于检测限

表4　1号岩体热液脉流体包裹体稀土元素特征

注：(La/Yb)N中下标“N”为标准化

图5　1号岩体热液脉流体包裹体REE配分曲线Fig.5　The REE distribution pattern of calcite veins and fluid inclusions of hydrothermal veins in No.1 granite rock mass

图6　1号岩体中方解石脉的δ18O-δ13C图解(底图据毛景文等，2002)Fig.6 The δ18O-δ13C graph of calcite veins in No.1 granite rock mass

图7　1号岩体石英脉的δD-δ18O关系图(底图据于津生等，1997)Fig.7　The δD-δ18O graph of quartz veins in No.1 granite rock mass

3.3.2热液脉体流体包裹体D，O同位素特征

石英脉流体包裹体D同位素分析表明，1号岩体石英脉δD为-79.2‰～-63.1‰，1号岩体石英脉的δ18O石英V-SMOW值为-0.8‰～7.7‰，集中于5.2‰～6.9‰之间。将实测的石英脉中流体包裹体的δDV-SMOW值及通过氧同位素平衡分馏方程计算得到的δ18O水V-SMOW值投影到δD-δ18O关系图上(图7)。由图7看出，1号岩体石英脉的氢、氧同位素投影点落在雨水线附近，并且远离原生岩浆水和变质水的范围，表明形成1号岩体热液脉的地质热流体主要为大气降水，基本未受到深部流体的影响，阿奇山地段候选岩体与深部构造活动关系不密切。

3.3.3热液脉体的性质与来源

上述表明，阿奇山地段1号岩体热液脉体中的流体包裹体总体发育丰度较低，仅局部较高，流体包裹体的发育丰度与矿物的结晶程度存在正相关关系，即流体包裹体随着矿物结晶程度越高而越发育，而包裹体中的气液比则有降低的趋势。不同阶段热液脉流体包裹体均一温度有所差异，第1期石英脉形成温度相对较高，为140～180 ℃，第2期方解石脉形成温度相对较低，为100～140 ℃，从早期到晚期呈明显降低的趋势。不同阶段热液脉流体包裹体盐度都相对较低(0.18～8.00Wt%NaCl)，明显具有低盐度的特点。成分研究表明，阿奇山地段1号岩体热液脉体流体包裹体总挥发分(气体)含量普遍极低，热液脉体主要形成于靠近地表的富N2和CO2环境中，其气体成分含有少量的N2，CO2，H2，CH4等，个别含有少量的O2，不同期次热液脉流体包裹体气体成分组合略有差异，从早期到晚期依次为H2+CH4±CO2→N2+CO2±H2±CH4。热液脉体流体包裹体中含有少量的稀土元素(仅为1～n×10 ng/g)，稀土配分曲线表明形成热液脉体的地质热流体具壳源性的特点，应该来源于该花岗岩区淋滤出的淋滤液。

综上所述，形成阿奇山1号岩体热液脉的地质热流体为低含气量的低温低盐度流体，其稀土元素配分曲线具有浅源性质的特点，稀土配分曲线负Ce异常说明该区形成热液脉的热液流体和花岗岩具有同源性，其地质热流体可能主要来源于该花岗岩区淋滤出的淋滤液，C—O同位素表明形成方解石脉的热液流体主要受浅部地壳流体的影响，阿奇山地段候选岩体中方解石脉的成因与浅部流体作用密切相关，D—O同位素特征表明1号岩体地质热流体主要为大气降水，而且未受到深部流体的影响，说明1号岩体与深部构造活动关系不密切。

4　结论

流体包裹体作为一种新的手段，可以研究裂隙中热液脉体中的流体包裹体，揭示高放废物处置库预选场址深部热环境和化学环境，评价深部热活动强度和了解处置主岩及其裂隙充填热液脉充填物对放射性核素的阻滞能力，从而为评价高放废物处置库预选场址的安全性提供依据。虽然流体包裹体作为一种新的手段对评价高放废物处置库预选场址的安全性是有效的，但是目前缺乏统一的流体包裹体温度、盐度及同位素等地球化学参数的标准，目前只能作为评价高放废物处置库预选场址稳定性的补充手段。

本研究对阿奇山1号岩体不同期次热液脉体的形成温度、盐度、成分等信息进行了详细的研究，得出以下几点结论：

(1)阿奇山地段1号岩体热液脉体中流体包裹体均一温度集中在100～180 ℃，盐度集中在(0.18～4.0)Wt%NaCl范围内，均属于低温低盐度热液流体，早期热液脉体均一温度相对较高，集中为140～180 ℃，而晚期热液脉体均一温度相对较低，集中为100～140 ℃。

(2)阿奇山地段1号岩体热液脉体流体包裹体总挥发分(气体)含量普遍极低，热液脉体主要形成于靠近地表的富N2和CO2环境中，其气体成分含有少量的N2，CO2，H2，CH4等，个别含有少量的O2，含有少量的微量和稀土元素(仅为1～n×10 ng/g)，稀土配分曲线表明形成热液脉体的地质热流体具壳源性的特点，并应该来源于该花岗岩区淋滤出的淋滤液。

(3)阿奇山地段1号岩体地质热流体的碳、氢、氧同位素分别为：-4.2‰～-14.2‰、-79.2‰～-63.1‰、-0.8‰～7.7‰，具有壳源浅成流体的碳、氢、氧同位素特征，进一步证实阿奇山1号岩体地质热流体主要为大气降水，而且未受到深部流体的影响，说明1号岩体与深部构造活动关系不密切。

致谢：野外工作得到了核工业北京地质研究院地矿所张松高级工程师大力帮助,室内分析及成文过程中得到何建国研究员的悉心指导,匿名审稿专家给本稿的修改提出了十分宝贵的意见，作者在此一并表示衷心的感谢。

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Application of Fluid Inclusions in Reservoir Evaluation of High-level Radioactive Waste Disposal Site——A Case of Study in No.1 Granite Rock Mass of Aqishan in Xinjiang Province

QIU Lin-fei,OU Guang-xi,ZHANG Min,SHANG Chang-jian,LI Qiong,WU Di

(Beijing Research Institute of Uranium Geology, Beijing 100029, China)

Fluid inclusions are ancient fluid which is sealed in the minerals. The study on fluid inclusions of fracture filled veins,which can reveal the deep thermal environment and paleo groundwater history of preselected sites of high-level radioactive waste. The study is researched as the object of No.1 granite rock mass of Aqishan area in Xinjiang province. The temperature, salinity, composition and other informations of the different stages hydrothermal veins are measured to analyze the properties of geological hydrothermal fluid and its activity intensity in No.1 granite rock mass in Aqishan area which is combined with the region geological background and its stable isotope characteristics.The study provides a scientific basis for the stability evaluation of Aqishan candidate sites, and provides a new method for the selection of high-level radioactive waste disposal site.

fluid inclusion; high-level radioactive waste disposal site;No.1 rock mass of Aqishan area;Xinjiang province

2016-01-31

邱林飞(1984—)，硕士，工程师，主要从事流体地球化学和铀矿地质方面的研究。

10.3969/j.issn.1674-3504.2016.02.010

X771

A

1674-3504(2016)02-0165-09