钻孔电视技术在三维地质建模中的应用

王锡勇，成 功，李冬伟

（核工业北京地质研究院，北京100029）

高水平放射性废物 （以下简称 “高放废物”）具有放射性活度高、半衰期长、毒性大等特点，如何安全处置高放废物正受到公众的广泛关注［1-3］。目前国际上对高放废物处置普遍认可并且技术上可行的方案是地质处置，即在地下深300～1 000 m的花岗岩或黏土岩地质体中将高放废物进行埋藏，使之永久（数万年计）与人类生存环境隔离［1，4-5］。 埋藏高放废物的地下工程即称为高放废物地质处置库。由于高放废物地质处置的整个过程涉及科学问题较多、学科之间相互交叉，并且缺乏工程实践经验，各国都采取基础研究→处置库选址及场址评价→地下实验室论证研究→处置库设计、建设和关闭逐层推进的方式，对高放废物地质处置开展系统化研究。自1985年开始高放废物地质处置研究以来，我国先后开展了处置库选址、场址评价、处置工程、安全技术评价、地下实验室场址初选等方面的研究工作［1，4-5］， 并确定了甘肃北山新场花岗岩地段为中国高放废物地质处置地下实验室的推荐场址。

围岩作为处置系统的天然屏障，其三维结构特征尤其是围岩内的断层等规模较大的结构面，是影响围岩完整性以及工程设计、建造的重要影响因素，也是核素迁移的快速通道。国家核安全局颁布的 《高水平放射性废物地质处置设施选址》导则中明确提出：处置设施必须与地质体的不连续面 （如断层、裂隙密集带等）保持足够距离，避开能为放射性核素迁移提供快速通道的断裂破碎带［6］。因此，在地下实验室和处置库的选址和建造过程中，需要对围岩内的断层等结构面的特征进行深入了解，构建详实的围岩三维地质模型，为地下实验室和处置库的工程设计、建造提供参考数据。

传统的地表地质调查、探槽等手段可以获得断层的浅地表产状特征，通过钻探取心和物探方法可获得其纵向延伸范围和深部断层产状，但数据精度较低，影响三维地质建模的准确性，难以满足工程设计要求。作为一种小口径地球物理测井工具，超声波钻孔电视采用先进的声波束聚焦技术、数字记录技术和数字化数据处理等技术，可获得高精度的围岩深部结构面产状特征数据，有效弥补了钻探取心和物探方法数据精度低的缺陷，从而大幅提高三维地质建模的可靠性。因此，被广泛应用于水文地质、矿产勘探和开采设计、工程勘察以及高放废物地质处置等领域［7-9］。

为验证场址周边线性构造特征，北山新场花岗岩体内钻探施工了多个深钻孔并开展钻孔电视测量工作。通过分析钻孔电视技术、钻探取心、探槽以及其他物探方法获得的数据，对场址内断层特征进行综合评价，为三维地质建模提供基础数据。

1 区域地质概况

1.1 自然地理位置

北山新场地段距甘肃玉门市以北约80 km左右，行政区划隶属甘肃省肃北县和玉门市。高放废物地质处置地下实验室推荐场址位于新场地段中部位置。

1.2 主要岩性分布

北山新场地段主要岩性为新场单元（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）。其中，片麻状花岗闪长岩和片麻状二长花岗岩呈EW向展布，主要分布于岩体南北边缘；二长花岗岩和花岗闪长岩分布于岩体中部、西部和北部。地球物理探测结果显示花岗岩底板深度超过1 km。

1.3 断层分布

已有地质资料显示新场地段发育两组断层：近EW走向的压性、压扭性主干断层和与其配套的NE、NW走向的扭性、张扭性断层。主干断层切割中生代及其以前地层和岩体，为岩体的边界断层，规模较大，一般为长约10～20 km，宽n×10 m，在地貌上多形成沟谷。扭性、张扭性的次级配套断裂主要发育在地段内花岗岩体中，以左旋扭性为主，规模相对较小，一般长约2～5 km，倾角50°～80°。地下实验室场址周边主要断层为F31、F32、 F33和 F34（图 1）。

2 钻孔电视成像原理、数据采集和图像处理

2.1 成像原理

超声波钻孔电视测量技术基本原理如图2所示：压电陶瓷晶体产生并发射的高频超声波束沿探管轴心传播，被高速旋转的特制凹面反射镜垂直反射并聚焦，然后穿过低密度树脂透声窗和钻井液到达孔壁。部分超声波被孔壁反射并按原路径返回，被压电陶瓷晶体接收。压电陶瓷晶体记录孔壁反射波的振幅和传播时间生成孔壁特征图像。同时，三轴磁力仪记录孔壁各扫描点的磁坐标对孔壁图像定向；测斜仪则记录孔壁各扫描点的倾斜坐标并计算钻孔的偏移值以及对所测得的结构面进行倾角校正。最终形成反映孔壁特征的二维孔壁展开图像。

图1 地下实验室场址及周边地质简图Fig.1 Geological sketch map of preferred site for URL

图2 超声波钻孔电视探头结构及声波运行路径示意图Fig.2 Structure of sonde and principle of ATV

2.2 数据采集及图像处理

测量所使用的超声波钻孔电视为美国Mount Sopris仪器公司生产，包括声波探头、数据采集器、绞车和显示器。声波探头型号为QL40，可发射频率为1.2MHz、尺寸为3mm×3 mm的超声波束；探头内置磁力计精度为5%；最大测量深度为1 500 m；适用直径为50～510 mm范围的钻孔。

数据采集由MSlog软件自动控制，操作简便易行。数据采集模式和频率根据现场情况而定，测量速度保持在0.6～1.0 m·min-1，以保证采集数据的正确率和图像的精度。

图像的处理和解译采用Well CAD软件。将采集的数据文件 （*rd.或*Las.文件）导入Well CAD软件，可自动获得钻孔孔壁二维图像，该图像是由传感器从地磁北极开始以顺时针方向 （N→E→S→W→N）对钻孔孔壁进行扫描所形成的孔壁二维平剖图。由于不同物质对超声波的反射能力存在差异，平剖图的颜色深浅变化反映了超声波反射信号的强弱，即反映了岩性和强度的差异性。因此，结构面在平剖图中以正弦/余弦曲线的形式展现，并且与围岩图像形成鲜明反差。

结构面的产状可通过测量正弦或余弦曲线获得，其方法是：在孔壁二维图像上建立与其同样大小的新图层，将孔壁二维图像上的正弦/余弦曲线精确描绘在新图层上，形成一张结构面随钻孔深度分布的图像。Well CAD软件可自动计算每个结构面的深度、倾向和倾角值，这些数值可以数字的方式输出，或者以 “蝌蚪”符表示，其中 “蝌蚪”所在的区间代表结构面倾角， “蝌蚪尾巴”的指向代表结构面倾向，与倾向垂直的方向为结构面走向（图3）。

3 断裂构造特征分析

根据研究需要，在场址周边的F33、F34断层附近钻探施工了BS39、BS37斜钻孔，钻孔顶角/方位角分别为 11°/110°和 9°/120°， 以揭露断层产状特征。

利用钻孔电视、野外调查和探槽揭露，对F33、F34断层的规模、产状、构造岩类型、力学性质等特征进行了详细调查和研究，详细内容如下。

3.1 F33断层特征

F33断层位于推荐场址东侧，NNE走向，长约5 km，总体形态呈中段略向东弯曲的直线型。卫片影像上为暗灰色细条带，地表出露处则形成较大的冲沟或负地形。

图3 结构面随深度分布的超声波电视图像Fig.3 ATV image of structural planes distribution with depth

3.1.1 断层浅部特征

探槽揭露的断层特征显示：断层破碎带主要由单个或两个以上大致平行的舒缓波状断层面组成。单个断层面宽度一般0.45～0.60 m，最宽4 m，最窄仅有0.15 m，延伸不远。断层面之间可见破碎的花岗闪长岩、二长花岗岩脉。 断层面产状约为 280°～290°∠68°～80°。

构造岩类型为硅化角砾岩、碎粒岩和碎裂花岗闪长岩及花岗岩脉（图4）。

①硅化角砾岩：呈灰黄色、灰褐色，角砾棱角状且大小混杂，一般为0.5 cm×1.0 cm，大者约2 cm×3 cm。角砾成分为硅质、花岗质和基性岩等，硅质胶结，宽度0.45 m左右。②碎粒岩：发育在断层带上、下盘面附近，宽度分别为0.40 m和0.90 m左右，构成断层的主结构面。碎粒岩呈灰白色，粉末状，难以辨认原岩成分。③碎裂的花岗闪长岩：发育在碎粒岩之间。岩石破碎，部分碎裂岩已硅化蚀变。

图4 F33断层探槽剖面图Fig.4 Cross-section of trial trench of F33fault

3.1.2 断层深部特征

在F33断层南部靠近推荐场址一侧钻探施工BS39钻孔。钻探结果显示BS39钻孔揭穿了F33断层。通过解译超声波钻孔电视图像获得的数据表明：断层深度为471.47～472.90 m，视厚度为1.43 m。根据上下界面裂隙产状推断断层产状为 293°∠68°～71°，由此计算断层真厚度为0.47～0.54 m左右（图 5）。

岩心地质编录显示：构造岩为灰色、灰白色的角砾岩。角砾呈棱角状、次棱角状，大小在2～10 mm（图5）；其成分主要为花岗闪长岩和煌斑岩，角砾含量约占±30%，多为泥质胶结，泥质成分主要为绿泥石、伊利石。此外，在局部构造岩中可见片状黄铁矿化。

图5 F33断层钻孔电视解译图Fig.5 ATV image interpretation of F33fault

断层的上盘465.10～471.50 m，厚度为6.40 m，为碎裂蚀变的二长花岗岩，岩石碎裂，裂隙发育，岩石的碳酸盐化和伊利石化蚀变强。断层的下盘472.90～480.80 m，厚度为7.90 m，为碎裂蚀变的花岗闪长岩，岩石碎裂，裂隙发育，岩石的碳酸盐化和伊利石化蚀变强。

3.1.3 F33断层特征

根据地表探槽、钻探取心、钻孔电视技术及其他地质资料获得F33断层的浅部和深部特征，研究结果表明：①断层产状为280°～290°∠60°～80°。 断层整体呈现舒缓波状， 倾角随深度增加而逐渐变缓。②断层宽度呈现由地表至深部逐渐变小的趋势。地球物理资料显示，断层宽度由北向南逐渐变窄，表明构造强度由北向南逐渐减弱。③断层破碎带内构造岩以构造角砾岩和碎斑岩为主。断层浅部由多个大致平行的断层面组成，向深部逐渐收缩成单个断层面，断层整体呈现上部分散下部收敛的帚状形态，表明断层的性质为张性。

3.2 F34断层特征

F34断层位于推荐场址西北部，走向NE40°，长度约4.6 km。卫片影像上呈连续的直线型暗灰色条带，地貌上则表现为洼陷的负地形。

3.2.1 断层浅部特征

探槽揭露的断层特征显示：断层中段宽度相对较大，为0.8～0.9 m；向南北两端逐渐变窄，为 0.2～0.6 m。断面产状 310°～320°∠70°～85°。

构造岩类型以硅化角砾岩为主，并有极少量碎斑岩（图6）。

图6 F34断层探槽剖面图Fig.6 Cross-section of trial trench of F34fault

①硅化角砾岩：呈黄褐色、黑褐色，地面出露宽度约0.2～0.8 m。角砾呈棱角状，大小不一，排列杂乱；角砾大小一般为0.3 cm×1.0 cm，成分以硅质和花岗质为主，硅质胶结。部分地段可见花岗闪长岩受热液活动影响形成的硅化蚀变影响范围达1 m以上。②碎斑岩：呈浅灰色、灰黑色，仅发现的碎斑岩宽度约0.4 m。岩石由原岩小碎块和岩粉组成，并可见少量赤铁矿化。

3.2.2 断层深部特征

在F34断层中南部远离推荐场址一侧钻探施工BS37钻孔。钻孔揭露断层的规模非常小，通过解译超声波钻孔电视图像获得的数据表明：断层深度为601.70～601.98 m，视厚度0.28 m。解译断裂产状为300°∠64°，计算可得真厚度为0.12 m。构造岩为硅质胶结碎裂岩，胶结程度很好（图7）。由于构造作用较弱，断层上下盘岩石未产生蚀变等现象。

图7 F34断层钻孔电视解译图Fig.7 ATV image interpretation of F34fault

3.2.3 F34断层特征

根据地表探槽、钻探取心、钻孔电视技术及其他地质资料获得F34断层的浅部和深部特征，研究结果表明：①断层产状为300°～320°∠65°～80°。 断层整体呈现舒缓波状， 倾角随深度增加而逐渐变缓。②断层宽度呈现由地表至深部逐渐变小的趋势。断层中段宽度相对较大，向南北两端逐渐变窄。③断层破碎带内构造岩以硅化角砾岩和少量碎粒岩为主。断层浅部由1～2个大致平行的断层面组成，向深部逐渐收缩成单个断层面，断层整体呈现上部分散下部收敛的帚状形态，表明断层的性质为张性。

4 结论

通过超声波钻孔电视技术，对高放废物地质处置地下实验室推荐场址—北山新场花岗岩体的BS39、BS37钻孔进行测量，获得钻孔所揭露的F33、F34断层深部产状特征的可靠实测数据。结合地面探槽、钻孔岩心以及其他地质资料等数据，对断层的规模、产状、构造岩类型、断层性质等进行研究，为三维地质建模提供了参考数据，主要结论如下：

1） F33断层产状为 280°～290°∠60°～80°。断层整体呈现舒缓波状，倾角随深度增加而逐渐变缓。断层破碎带内构造岩以构造角砾岩和碎粒岩为主，断层宽度由地表至深部逐渐变小，整体呈现上部分散下部收敛的帚状形态。

2） F34产状为 300°～320°∠65°～80°。断层整体呈舒缓波状，倾角随深度增加而逐渐变缓。断层破碎带内构造岩以硅化角砾岩和少量碎斑岩为主，断层宽度由地表至深部逐渐变小。在地下实验室主体试验区深度（560～600 m），F34断层仅表现为硅质胶结碎裂岩，对围岩影响较弱。断层整体呈上部分散下部收敛的帚状形态。

通过钻孔电视技术获得了深部断层产状，使得对断层特征评价更全面，同时为三维地质建模、地下实验室和处置库的工程设计、建造提供参考数据。