甘肃北山算井子花岗岩地球化学特征、成因及对高放废物地质处置的启示

北山是中亚造山带的重要组成部分,广泛发育着花岗岩。前人对北山花岗岩开展了大量地球化学研究,但很少与高放废物地质处置相结合。本研究分析了哈尔特尔德勒、哈尔根头口布、算井子花岗岩的岩石类型,并以算井子花岗岩为例,分析其岩石成因,探讨其对高放废物地质处置的启示,得到如下结论:1)哈尔特尔德勒花岗岩是A型、南岭型花岗岩,哈尔根头口布花岗岩属于A型、浙闽型花岗岩,算井子花岗岩为未分异的Ⅰ型、埃达克型花岗岩;2)处置库围岩的Fe^(3+)/Fe^(2+)比值可能对高放废物地质处置具有重要意义;3)算井子花岗岩属于埃达克质成因,但成矿潜力微弱,甚至不能成矿,因此该地区作为高放废物地质处置库选址,符合经济性原则;4)算井子花岗岩含有较高体积分数的黑云母,对放射性核素的阻滞具有重要作用,有利于作为高放废物地质处置库围岩。

高放废物地质处置北山预选区算井子花岗岩体地质特征

为评价高放废物地质处置北山预选区算井子地段的地质条件适宜性,重点对该地段内的花岗岩体开展了遥感解译、地质调查、地球物理探测和钻孔勘察等处置库场址的区域调查工作,获得算井子岩体的规模、岩性和断层等地质信息,基本掌握算井子岩体的地质特征,为地段的比选和该地段内处置库场址的圈定提供了地质资料。区域调查结果显示:算井子花岗岩体的地表出露面积约176 km^(2),地球物理探测的岩体推测深度约2000 m,钻孔验证的岩体实际深度不少于600 m。该岩体的岩性以中粗粒块状花岗闪长岩为主。岩体中共识别出9条断层,按走向可分为NE向和NW向两组。由这两组断层切割而成的地表面积最大的岩块约46 km^(2)。算井子岩体具备岩体规模较大,地质条件简单,岩性单一,岩体内部断层较少等非常适宜高放废物地质处置的地质条件。

甘肃北山算井子埃达克质花岗岩年代学、地球化学特征及其构造意义

算井子埃达克质花岗岩体由中粗粒片麻状黑云母花岗闪长岩、中粗粒黑云母花岗闪长岩和中细粒黑云母二长花岗岩3个岩相单元组成,其为同一次岩浆熔融事件过程中曾经发生过三次岩浆侵入活动而形成的深成岩体。LA-ICP-MS锆石U-Pb定年结果表明,算井子埃达克质花岗岩体侵位于早石炭世(350.0～351.7Ma),为海西中期的产物。该岩体总体富硅(SiO_2为67.81%～70.93%),富铝(Al_2O_3为14.94%～16.07%),全碱含量中等(K_2O+Na_2O为6.01%～6.74%),K_2O/Na_2O为0.37～0.69,富含钠质成分,而Ti、Ca、Fe和Mg(MgO为0.99%～1.61%)含量较低,(K_2O+Na_2O)/Al_2O_3为0.37～0.45,A/CNK为0.95～1.03,属于准铝质-弱过铝质钙碱性花岗岩。微量元素Sr含量(409×10^(-6)～548×10^(-6))较高,而Y(8.1×10^(-6)～17.7×10^(-6))和Yb(0.83×10^(-6)～1.73×10^(-6))含量较低,总体上富集大离子亲石元素(LILE)K、Rb、Ba和高场强元素(HFSE)Th,而亏损高场强元素Nb、Ta和Ti,稀土元素的球粒陨石标准化配分曲线呈右倾型,轻重稀土分馏大,轻稀土富集且分异明显,而重稀土亏损且分异不显著,具轻微的铕异常(δEu=0.64～1.13),与典型的埃达克岩特征相似。年代学及地球化学特征研究表明:(1)算井子岩体属准铝质-弱过铝质未分异的Ⅰ型花岗岩,并具有典型的埃达克岩特征;(2)岩浆源于俯冲板片流体交代地幔楔诱发下地壳玄武质岩石部分熔融源区,并在岩浆上升过程中混染了火山弧物质;(3)岩体形成于海西中期活动大陆边缘的火山弧环境,推测其南侧的塔里木板块和哈萨克斯坦板块的俯冲-碰撞效应可能一直持续到早石炭世。

高放废物地质处置算井子候选场址核素迁移模拟研究

运用FEPs(Features,Events and Processes)分析和情景开发技术,针对北山预选区算井子候选场址的长期放射性影响进行了初步评价。以BS23钻孔560 m深度所在地代表算井子处置库中心,以废物罐到生物圈的直线迁移长度9.25 km为计算路径,以碳钢废物罐失效(处置库关闭后1000年)开始至其后10万年为评价时间,在只考虑单个废物罐的条件下,应用Gold Sim软件评价处置库正常演变情景条件下的长期辐射安全。结果显示,算井子处置库近场核素总释放率达到2.58×105 Bq/a,远场核素总释放率最大为6372 Bq/a,生物圈最大个人年剂量率是1.84×10-7 m Sv/a,主要贡献核素是Se-79和Cs-135。

高放废物地质处置算井子地段地质条件适宜性研究

在算井子地段开展地表地质特征、深部地质特征研究和三维地质建模等,初步查明了该地段花岗岩体的岩性和构造分布特征,得出如下认识:算井子地段主体岩性为花岗闪长岩,出露面积约176 km^(2),深度超过2 km,花岗岩体呈岩基状产出,总体呈NE—SW向分布,与研究区主构造线方向一致。花岗岩岩性单一,岩体深部完整性好,岩石蚀变程度低。研究区共有9条断裂,基本发育在岩体里面,倾角较陡。花岗岩岩体内可筛选出一面积大于31 km2岩块,岩性单一、容积足够大、完整性好,或可用作为未来高放废物处置库的候选场址。总体上,算井子地段作为高放废物地质处置预选地段,地质条件适宜性较好。

算井子地段地表岩体结构面发育程度评价

为了探讨结构面发育程度对高放废物地质处置库选址的影响,以甘肃北山算井子地段岩体为研究对象,通过调查地表岩体节理和断层几何特征,采用数理统计方法获得节理产状、密度、间距、迹长和断层产状、断裂带宽度和断层泥厚度等统计数据,提出多尺度结构面综合评价指标来评价岩体结构面发育程度。结果表明:BS22和BS23钻孔周围分别发育4个和5个节理优势组,节理产状服从正态分布;BS22和BS23钻孔周围岩体节理平均中点面密度分别为0.037 m^(-2)和0.035 m^(-2),平均迹长分别为20.38 m和17.39 m;解译出断层F1产状为35°∠85°,延伸长度为4.49 km;BS22钻孔周围岩体结构面发育程度更低,更适合作为我国高放废物处置库建造场址。