高放废物地质处置新疆雅满苏预选地段三维地质建模研究

罗 辉，赵宏刚，蒋 实，陈伟明，田 霄

（1.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；2.中国国土资源航空物探遥感中心，北京 100083）

高放废物地质处置新疆雅满苏预选地段三维地质建模研究

罗 辉1，赵宏刚1，蒋 实2，陈伟明1，田 霄1

（1.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；2.中国国土资源航空物探遥感中心，北京 100083）

利用三维地质建模软件Micromine和深探地学建模软件建立了雅满苏预选地段的三维可视化地质模型，直观地反映了该预选地段岩体、断裂的空间展布和相互关系等深部地质环境信息。基于所建立模型开展了三维剖切分析、对模型任意切割和开挖等一系列实用的可视化分析，为后续处置库预选地段的适宜性评价提供资料和技术支持。

雅满苏预选地段；处置库；三维地质建模

高水平放射性核废物（高放废物）由于其放射性活度高、半衰期长、毒性大等特点，对其进行最终安全处置难度极大，面临一系列的科学、技术和工程挑战，受到了各核工业国家的普遍重视［1-2］。关于高放废物处置，目前普遍接受的可执行方案是深部地质处置，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（数万年计）与人类的生存环境隔离［3-5］。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。

三维地质建模及可视化研究是当前数学地质、 水文、 工程地质等研究的前沿和热点［6］，也是快速、适时地再现地质体三维信息及综合分析的有效途径，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［7-9］。主要目的是建立高放废物地质处置新疆雅满苏预选地段直观、完整的真三维地质模型，全面、真实地揭示候选场址深部地质环境特征，从而为场址的适宜性评价以及审管部门做出合理的决策提供依据。

1 雅满苏地段地质特征

1.1 地层

雅满苏位于塔里木地层区之北天山地层分区。进一步划分为秋格明塔什-黄山地层小区和雅满苏地层小区。工作区仅出露有晚古生界石炭系和新生界第三系和第四系地层。晚古生界石炭系岩性十分复杂，包含变质正常沉积碎屑、碳酸盐岩建造和大量火山熔岩、凝灰岩和火山碎屑岩建造，岩相变化剧烈。

1.2 侵入岩

雅满苏花岗岩是一个较大的侵入体，本身构成了一个由3个单元组成、演化序列清晰完整的超单元（序列）。其总体形态为一NW-SE向展布，大体呈矩形的岩基。NW向长约20～22 km，南东宽约8～10 km，面积约164 km2。岩体的西北段侵入到下石炭统干墩组和中石炭统梧桐窝子组，岩体的东南段侵入到下石炭统雅满苏组。岩体西部和北部的外接触带中-下石炭统浅变质灰岩发生了夕卡岩化，浅变质中基性火山岩、碎屑岩普遍发生了角岩化、角闪岩化和硅化等接触变质及蚀变现象，部分地段还发生了混合岩化。充分说明岩体侵入时代晚于早-中石炭统。雅满苏花岗岩各个单元矿物成分基本相同，均为黑云母二长花岗岩。唯有组成岩石的矿物结构有较大的差异。如早期侵入的为中粒似斑状结构，中期侵入的为中粒结构，晚期者为细粒少斑状结构。据此，将该岩体划分为3个单元。即中粒似斑状黑云母二长花岗岩单元（T2Y1）、中粒黑云母二长花岗岩单元（T2Y2）及细粒少斑状黑云母二长花岗岩单元（T2Y3）。

1.3 断裂特征

雅满苏预选地段在图幅内（图1）共发育有8条断裂，断裂在图幅南部比北部发育，北部和南部断裂均未通过雅满苏花岗岩体。断裂构造以近EW向为主，NE向次之。雅满苏地段内断裂的主要特点是，断裂破碎带主要见硅质角砾岩，蚀变带主要为硅化、褐铁矿化和碳酸盐化，断裂基本上都是老断层，且均未穿过花岗岩体。由苦水断裂（F2）未穿过岩体可以大致推断，岩体侵入年代应比该断裂形成年代晚。总体上，岩体受断裂构造影响非常微弱。

2 建模思路和方法

雅满苏预选地段主要建立面积约686.25 km2（30.5 km×22.5 km），深度为2 km的地质模型。本次三维地质建模主要目的是反映雅满苏地段岩性和断裂构造的三维空间展布信息及其关系。依据建模要求，整个建模过程可以划分为数据预处理、地质面的构建、线框模型的构建及地质体的构建等步骤。对于每个步骤而言，都有若干子步骤需要处理。

根据雅满苏地质构造特点与已有的资料情况，本部分建模工作中，数据库的建立和数据格式的转换主要以Micromine公司的KANTAN 3D软件为主；构造建模和矿体建模使用网格天地公司的深探地学建模软件完成，以地质平面图、剖面图和地球物理剖面资料为约束，制定相关建模策略和三维地质体建模流程。

2.1 三维地质建模的思路

采用三维构造建模技术与构造解释相结合，将卫星遥感影像数据资料、地形图数字资料、地质调查资料及地球物理测量等相关数据整理成软件可接受格式导入，利用相干体技术及三维构造可视化技术对地质体及断层的分布，尤其是对小断层，小幅度构造的分布细节进行仔细分析和研究，实现由点到线，由线到面的空间立体综合解释，在解释过程中，认真推敲地质体产状及其变化，注重小断层细节，用瞬时相位技术识别断点，做到准确解释，并最终得到成果地质体模型。

图1 雅满苏地段地质图Fig.1 Geological map of Yamansu area

构造建模的过程是根据解释成果，采用断裂恢复法由解释的断层和地层数据直接网格化生成地质面。通过简单定义断面边界、断面间主辅关系即可快速建立错综复杂的断层网络系统。系统内置的模糊控制机制可有效应对地质、断面解释数据在断面附近不闭合的问题。可以处理尖灭、剥蚀、超覆和岩丘隆起等各种不整合现象。

2.2 三维地质建模的方法

针对一般三维解释成果数据进行构造建模使用的地层生成方法是最小曲率和反距离加权生成方法，可以在保证建模效率的前提下很好地描述构造形态特征。在二维测网解释数据情况下，二维数据存在测网稀疏，有闭合差，不规则等问题，通常采用反距离加权的生成方式，可以进行更确切和更圆滑的插值，使生成的层面更贴近地质解释成果数据。同时软件内置的模糊处理机制可以很好地在数据量较少情况下正确地生成岩层面，必要时也可以人为地添加一些控制点，控制地层的走势，以达到更为理想的效果。故本次建模针对花岗岩体采用的是反距离加权和几何光顺相接合的方法，针对变质岩、粉砂岩及火山岩均采用的是最小曲率法。由于研究区面积较大，可用数据量较少，为了提高模型的精度，依据地质人员的认识，通过增加虚拟剖面的方法进行构造解释，提高对地层形态控制的能力。

3 三维地质模型的建立

3.1 构造建模

针对原始数据情况和工区内剖面展示的断层特点，采用构造解释技术、三角化网格剖分技术、断面交切关系处理技术及闭合边界自动生成等关键技术，制定相应技术路线，建立断层模型。断层建模技术流程如下（图2）。

对BMP位图矢量化及定位点定位位图，实现将二维构造剖面的三维立体展布，并调整剖面图间的比例系数达到较高的匹配度。最终形成栅状的剖面组，将地质平面图、剖面图和电法剖面图位图导入三维工区，利用实测坐标定位地质图，分别解释断层的走向线和倾向线，创建三维断层数据体（图3）。

结合人机交互的工作模式编辑相关断面的离散点、控制点，定义断层的倾向及倾角，调整断面倾角，并完成断层面的平滑修正；利用已有断层倾角及方位角信息，综合考虑地层数据中断距的延伸长度和断层多边形的延伸情况设置断层的边界。

图2 断层建模流程Fig.2 Fault modeling process

图3 解译断层数据体Fig.3 Tomographic data interpretation body

断层建模最后一个环节，也是非常关键的一个环节就是断层交切关系的处理，通过解释断棱数据和多边形数据的指导，手工指定交切断层间的切割关系。

利用上述断层建模技术，对雅满苏8条断层进行交切关系处理，建立了断层模型（图4），三维模型中F5被F7断开。

3.2 岩体建模

针对研究区内地质体层面交切复杂的特点，采用构造解释技术、断裂恢复法自动生成层面技术、层面相交处理技术等地质建模关键技术，制定相应建模技术流程，建立三维岩体模型。

图4 雅满苏断层模型Fig.4 Yamansu fault model

根据平面图和剖面图反映的地质信息构建三维地质体，横向上以平面图地质信息作为约束条件，纵向上以剖面图地质信息作约束条件，对剖面图和平面图矢量化后，解释得到三维地质体数据，创建三维地质体模型。

3.2.1 解释数据

用上述方法，创建花岗岩三维地质数据，并创建地质体，保证原始地质资料对花岗岩体控制的准确性（图5）。本次工作中由于获得能使用的剖面图较少，因此每个花岗岩体模型增加了多个虚拟剖面，作为辅助解释，每个地质岩体均通过这种办法，创建各自独立的三维地质数据体。

图5 地质体创建流程Fig.5 Geological creation process

3.2.2 面建模

依据卫星遥感影像数据资料、地形图数字资料、地质调查资料及地球物理测量等，采用地质构造恢复法，根据地质资料反映的岩体地质信息及地质特征，将晚二叠世中粒似斑状黑云母二长花岗岩体单元地层面缺失部分补充完整，剥蚀部分填充上，人机交互完善地层层位离散点数据，采用反距离加权算法插值生成地层面。

3.2.3 体建模

花岗岩体上侵，切割沉积地层的地质运动过程中，新老地层的交切处理，由新地层切割掉老地层，或花岗岩侵入后，切割掉原有地层方式。创建晚二叠世中粒似斑状黑云母二长花岗岩体（图6）。

图6 岩体相交处理Fig.6 Rock intersection processing

采用以上方法建立了雅满苏预选区内二叠纪、中二叠纪、晚二叠纪、泥盆纪等11个地质体的地层数据、地层面和三维地质体模型（图8）。

图7 雅满苏地段三维地质模型Fig.7 Yamansu area 3D geological model

4 模型应用

完成三维地质实体模型的构建之后，可以对模型进行一系列后续的三维分析，如模型观察、剖面切割、任意形状开挖、体积计算等。

隐藏地层，仅保留花岗岩体、断裂、岩脉和第四系，对模型进行观察和分析（图8），可以直观的看到，花岗岩体呈岩基状NW-SE向展布，断裂大多数都分布在岩体以外，第四系覆盖于其他地层之上，岩体完整性较好 （未被大型断裂切割）。对模型进行任意剖面切割（图9），可以方便地质人员对深部地质情况进行分析和判断。此外，还可以开挖感兴趣的目标地质体 （图10），查看岩块的组成、分布及与断裂的空间分布关系，方便后续工作中处置库场址的筛选。对任意地质体进行体积计算（图11），可以查看岩块或任意坑道的处置容积，这些三维地质分析对后续工作中高放废物地质处置库的筛选和设计都将非常实用。

图8 岩体三维展示Fig.8 3D display of rock mass

图9 剖面切割Fig.9 Cross-sectional cut

图11 花岗岩体三维量算Fig.11 3D measurement of granite rock mass

5 结论

以高放废物地质处置预选地段新疆雅满苏为例，结合三维地质可视化模型的理论方法和实际地质环境情况，建立了该地段含岩体和断层展布信息的三维地质模型，全面的描述了预选地段三维构造形态等参数，直观、准确地反映了该地段的深部地质情况。基于所建立地质模型，进行任意切割、开挖，生成了一定数量的地质剖面，可以通过鼠标点击模型获得相应位置的属性值，这对分析各种地质信息在整个模型中的分布特征及规律有着直接指导意义，可以从宏观上指导下一步工作计划，从而为后续相关的工程设计以及审管部门做出合理的决策提供依据。

但是，本次建模由于由于钻孔密度和模型尺寸的限制，导致地质模型有较大的不确定性；钻孔地质记录推测的构造面空间延展状态以及地表露头构造面测量和构造记录相关的验证也存在不同程度的困难。随着研究区工作程度的不断深入，可利用的建模资料将不断丰富，模型可信度也将不断提高。

［1］王驹．高放废物地质处置：进展与挑战［J］．中国工程科学，2008（3）:58-65．

［2］潘自强，钱七虎．高放废物地质处置战略研究［M］．北京：原子能出版社，2009．

［3］王驹，徐国庆，郑华铃，等．中国高放废物地质处置研究进展 1985—2004［J］. 世界核地质科学，2005（1）:5-16．

［4］潘自强，等.2020年我国核能发展的策略和目标研究［J］.铀矿地质，2004，20（5）:257-259.

［5］王驹，陈伟明，苏锐，郭永海，金远新．高放废物地质处置及其若干关键科学问题［J］．岩石力学与工程学报，2006，（4）:801-812．

［6］杨东来，张永波，王新春，等.地质体三维建模方法与技术指南［M］.北京：地质出版社，2007.

［7］Posiva.Olkiluoto site description 2011［D］.Finland：Posiva，2012.

［8］SKB， 2009.Site description of Forsmark at completion ofthe site investigation phase［D］. Swedish：2009.

［9］赵宏刚，KUNZ Herbert，王驹.甘肃北山旧井地段三维地质建模及RockFlow在核素迁移模拟研究中的应用［J］.岩石力学与工程学报，2007，26（2）增：3 989-3 994.

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

罗 辉（1982—），男，湖北天门人，工程师，长期从事高放废物地质处置库选址和场址特性评价工作。

E-mail：luo1029hui@163.com