高放废物处置库甘肃北山预选区同位素水文学研究及设想.pdf

'第28卷第2期铀矿地质VoL28NO．22012正3月UraniumGeologyMar．2O12高放废物处置库甘肃北山预选区同位素水文学研究及设想肖丰，郭永海，王志明(核工业北京地质研究院，北京100029)[摘要]甘肃省北山地区是我国高放废物处置库场址重要预选区之一，花岗岩是处置库候选围岩。1O余年来，在北山地区开展了水文地质和同位素水文学调查、研究工作，为场址评价提供了重要的水文地质依据。今后，在深入开展预选区水文地质研究工作中，应进一步开展同位素水文学研究，示踪地下水的补给来源，揭示水循环过程，测定地下水滞留时间和流速等，以获得高放废物处置场址特性评价所需的水文地质参数资料。[关键词]高放废物；地质处置；同位素水文学；北山预选区[文章编号]1000—0658(2012)02—0114—06[中图分类号]TP751[文献标志码]A地质处置是目前国际上普遍接受的高放废物安全处置方法。高放废物处置库是由天l北山预选区水文地质研究的技术路然屏障和人工屏障构成的复杂系统。天然屏线和内容障包括围岩及其周围的地质建造；人工屏障甘肃北山地区是我国高放废物处置库场址的包括整备过的废物体、包装材料、缓冲回填重要预选区，花岗岩是处置库候选围岩。在北山材料等。天然屏障和人工屏障结合在一起，预选区开展水文地质研究的主要技术路线是：充其基本功能是在设置的安全期内，将废物与分利用以往的地质与水文地质研究成果，通过野人类及其生存环境有效地隔离l1]。天然屏障外水文地质调查、钻孔施工和孔内水文地质实系统对核素隔离作用的效果，在很大程度上验、测试等，获得不同地貌单元地下水水位、同取决于系统的水文地质条件。高放废物的核位素及水化学等信息，分析研究该区的地质、水素返回到人类环境的主要机制是地下水的迁文地质条件和地下水补给、径流、排泄机制，揭移，也就是说，地下水是核素运移的主要载示区域地下水循环交替规律，建立地下水流动的体，水文地质条件是处置库选址的重要依据概念模型和数学模型，进行地下水流场的模拟，之一_4]。本文依据我国高放废物处置规划以预测流场的未来变化，并结合高放废物地质处置及甘肃北山地区水文地质研究现状和水文地库选址要求，评价北山地区作为我国高放废物地质条件，提出了在预选区深入开展同位素水质处置库场地的适宜l生，为处置库预选场址性能文学研究的设想和思路。评价提供水文地质依据。[收稿日期]2011—04—27[作者简介]肖丰(1958一)，男，高级工程师，1982年毕业于兰州大学水文地质与工程地质专业。E-mail：xfeng9818@163．corn 第2期肖丰，等：高放废物处置库甘肃北山预选区同位素水文学研究及设想·115·北山预选区水文地质研究的主要内容为：10~50m之间。在沉积岩和变质岩分布地区，(1)水文地质条件与地下水循环分析：开展区浅部(<30m)以潜水为主，深部常常可形内地下水露头调查，包括井、泉水位、水化学、成承压水。基岩裂隙水的含水空间主要是基岩同位素调查，重点认识北山区域水文地质条件风化裂隙和构造裂隙。与地下水分布特征，包括含水介质系统结构、基岩裂隙水的径流条件，受地形、岩性及边界条件、地下水流场特征；(2)不同水文地地质构造条件的制约，一般说来山区降雨相对质单元之间水力联系的分析：通过调查，了解不充沛、地形切割强烈，沟谷深切的岩浆岩地同水体、不同水文地质单元地下水的特征，了解区，地下水多以水平方向的径流为主，且径流不同单元地下水的形成条件和循环特征等，阐明的强度较大，易形成以低矿化为主要特征的地不同水文地质单元地下水补给、径流、排泄机制下水。在地形起伏不大的变质岩区，地下水径及其它们之间的水力联系；(3)钻孔水文地质调流不畅，易形成高矿化地下水。基岩裂隙水的查和试验：获取深部地质、水文地质参数，建立排泄方式主要有：在山区，山地基岩裂隙水与垂向水文地质剖面；(4)建立区域地下水循环模第四系沟谷潜水相互转化，形成泉水排泄；在式：依据区域的地质、构造、地层及水文地质调山前，山地基岩裂隙水通过侧向径流转化为第查成果，结合地下水动力场分析，建立区域地下四系潜水或盆地孔隙、裂隙水进行排泄；此水循环模式；(5)地下水流场模拟和预测，评价外，地面蒸发和植物蒸腾也是排泄方式之一。场址的水文地质适宜陛。受地形、地貌条件控制，区域地下水的总到目前为止已经开展的工作包括：区域水体流向为自西向东流动，黑河流域下游地区是文地质调查研究、地段水文地质调查研究、钻北山区域地下水的主要排泄区；在研究区南部孔水文地质研究、地下水流及水文地球化学模的局部地区，地下水的流向为自北向南流动，拟研究等，对预选区地下水流的总体状态和化河西走廊地区为北山地下水的局部排泄区。学环境、地下水的循环交替规律有了初步的了解和认识，为场地评价提供了必要的信息和3北山地区地下水同位素水文学特征数据。在地下水环境同位素研究中，地下水的环境同位素测年是其中最重要的研究内容之一。2北山预选区区域水文地质特征依据国际原子能机构(IAEA)编著的“水循研究区降水量多年平均仅为50~120mm，环中的同位素”等有关专著[5]，可用于地下是我国典型的干旱地区。但是，区内大部分降水测年的环境同位素包括：。H(适用于1952水集中于6、7、8三个月，并多以暴雨形式出年以来的地下水)3H一。He(适用于1952年以现，对于补给地下水而言是相对有利的。研究来的地下水)、MC(普遍适用)36CI(适用于古区广泛分布不同时代的变质岩、岩浆岩、碎屑老的地下水)234U／。。。U(适用于非常古老的岩、碳酸岩，由于经历多期的构造变动及风化地下水)、”O(一般适用)、32Si(测年域约作用，节理裂隙比较发育，为雨水的渗入、赋10。a)、∞Ar(测年域约2000a)、81Kr(适用于存和运移提供了空间条件。因此，各种不同岩古老的地下水)、4He(测年域约1Oa)、85Kr类都程度不同地含有地下水，地下水的类型主(适用于1960年以来的地下水)129I(适用于要有裂隙层状水、裂隙脉状水、松散岩类孔隙古老的地下水)。在这些同位素测年方法中，水等。基岩裂隙水是区内最主要的地下水类有的在应用中还存在问题(如船Si和He)，应型。由于结晶岩地区以潜水为主，地下水的埋用较少。国际上最常用的方法包括。H、MC、藏深度受地形起伏的影响，地势低洼区水位埋sH—He、CI等，在我国，受分析测试条件等深一般小于5m，地势较高处一般较大，多在因素的限制，。H、HC应用最广。 铀矿地质第28卷鉴于目前的研究水平并考虑到地下水采样取自以山前及丘0陵地带为0主的径流区0。可以n看M深度较小，在北山地区以往的研究中，主要选出，区域补给区地下水中，放射性同位素氚择氢、氧同位素。H、。H、O。(。H)总体偏高，多在16TU以上，最高达3．1浅部地下水中氢、氧同位素特征到33．84TU，根据地下水氚测年原理，可以2007年在北山地区采集了6O个浅部地下认为，地下水年龄一般小于60a；而排泄区地水样品进行了氢氧同位素分析。表2给出了部下水中，氚(。H)总体偏低，多在3TU以分泉水和浅井地下水样品分析结果。下，估计年龄多大于60a；径流区地下水中，在表1中，1～9号水样取自马鬃山区域氚(。H)介于补给区和排泄区地下水之间，地下水补给区；10～l8号水样取自以山间盆地下水年龄大于60a，但小于排泄区地下水年地及丘陵地带为主的排泄区；19～26号水样龄。表1浅部地下水氢、氧同位素测试结果Table1AnclysticdResultsofhydrogenandoxygenisotopesinshallowgroundwaterinBeishanarealO井一63．4—9．528．84饮马泉—63．8——9．221．78袖珍井—74．8—1O．216．29北骆驼泉沟井—63．3—8．92O．9O算井子—61．1—8．333．84410井—57．8——8．024．471136井—67．8—9．316．69同昌口—67．6—8．54．O6两个井—57．8—7．618．69—西三井83．4—11．21．44红旗泉—68．0——8．03．13乌龙泉—74．6一lO．11．64炭窑子井——64．6—9．32．30大红泉—74．6—8．91．45前红泉—68．5—7．92．41—独山北井55．5—9．21|36野马泉—65．9—9．O1．47总口子—57．1一7．62．26红山井—59．2—8．25．92地质西井—62．8—8．82．79—地质井65．7—8．57．46—十月井5O．7—5．915．24机井沟井—58．9—8．114．77—南泉6O．7～6．63．38～炭窑井55．2—8．513．95—四方山井71．8—8．611．48 第2期肖丰，等：高放废物处置库甘肃北山预选区同位素水文学研究及设想·I17·以上研究结果反映了北山浅部地下水系统作用的影响，无论是浅部地下水还是大气降的开启性，说明浅部地下水具有循环交替较强水，都要受到强烈的蒸发作用而导致地下水重的特征，同时也印证了地下水从区域补给区到同位素明显高于地表水同位素组成的情况，它排泄区的径流过程和时间尺度。表明浅部地下水的循环交替能力是较强的。根据几次同位素采样结果分析，北山地区浅3．2深部地下水中氢、氧同位素特征部地下水的值多分布在一50．0‰～一83．4‰到目前为止，仅在3号和5号钻孔采集到L；)跏之间，o大部分在一5．9‰～一12．4‰之问。深部地下水同位素样品。表2给出了样品测试㈣㈣在北山地下水O与D含量关系中可以看结果。可以看出，和O组成与浅部地下水出，北山地区地下水氢、氧稳定同位素组成主差异不大，但氚(。H)明显低于浅部地下水，要分布在全球雨水线的附近和右下侧，说明地最低仅为0．41TU，这说明深部地下水年龄明显下水起源于当地的大气降水人渗补给。位于全老于浅部，即深部地下水循环交替强度弱于浅球雨水线的附近及上方的水点，多取自地下水部，符合一般的水文地质规律。此外，从3号钻循环交替较快的沟谷内，受蒸发浓缩作用影响孔同位素测试结果可知，随深度增加，地下水中较弱。而位于全球雨水线右下侧的水点，其重的氚(。H)逐渐降低，这也符合一般的水文地同位素含量相对较高，这种地下水重同位素相质规律。但5号钻孔地下水却表现出相反的特对富集的现象可以解释为受浅层蒸发作用所征，很可能说明在500m以下的深部存在相对较致，因为研究区属于典型的干旱地区，受蒸发强的渗流带。表2深部地下水氢、氧同位素测试结果Table2AnclyticdResultsofhydrogenandoxygenisotopesindeepgroundwaterinBeishanarea3号孔144—7．93号孔208—9．03号孔430—8．25号孔～8．825号孔—8．905号孔—8．0O简单地说，同位素方法的应用就是通过同4北山地区同位素水文学研究设想位素取样测试、数据获取、周密分析和综合判以往地下水同位素研究表明，在高放废物断，来提取有关地下水形成和运移的信息，揭处置库选址过程中，地下水同位素技术的应用示地下水的循环交替规律。同位素方法较传统在获取地下水形成和运移的信息方面可以起到的水动力学和水化学动力学测年方法都更直重要作用，是研究弱含水、低渗透介质地下水接、更客观、更准确、更可靠。运动的理想工具。但是，受诸多因素的限制，但是，高放废物处置库场地基岩裂隙水系到目前为止，北山地区地下水同位素水文学研统是非常复杂的，如图1所示，该系统一般由究工作还处在初级阶段，研究的规模有限，取浅部的“地下水活跃带”和深部的“地下水滞得的数据量不多，还远没有充分发挥同位素水留带”构成，2个带内的地下水形成及循环交文学在处置库选址中应有的作用。替规律可以存在非常大的差别，而处置库选址 ·1l8·铀矿地质第28卷团1囹23回4圈5图1高放废物处置库场地地下水系统示意图Fig．1Sketchmapofgroundwatersysteminthesiteofhighlevelradioactivewastedisposalrepository1浅部地下水流向；2深部地下水流向；3断裂带；4一地下水溢出位置；5地下水分带。不仅需要查清“地下水活跃带”的水文地质特供更为可靠的水文地质依据。征，更需要揭示深部“地下水滞留带”的水循4．1．1MC测年方法环过程，因为处置库最终将放置于“地下水滞MC是元素碳的放射性同位素，半衰期为留带”。面对这样的地下水系统和处置库对地5730a。自1949年提出可用MC测定年龄以下水环境的要求，不可能期望采用一种或单一来，该方法在应用中不断得到改进和完善，是的同位素技术就能够了解系统内部地下水运移目前地下水测年中应用最广，也是较成熟的方和变化的全过程，并且常用的环境同位素方法之一。并且，随着测试技术的提高，nC分法，各有最佳适用范围，因此，如何根据具体析测试所需样品量由早年的几十升或百余升问题及地质、水文地质条件选择适合的同位素(取样量取决于水中碳的含量)减少到几百毫方法就成为同位素水文学研究的关键所在。根升，因此，操作简单易行，国内有多家研究机据处置库选址的要求、北山地区的水文地质条构具备测试MC的能力。北山地区虽然进行过件以及各种环境同位素方法的特点，提出今后氚(。H)法年龄学研究，但对于深部地下水应重点采用的同位素包括：氢、氧同位素、而言，更应该尽早开展MC测年方法研究，以MC、。C1和气体同位素。便提供处置库选址所重点关注的“地下水滞留4．1氢、氧同位素方法带”(图1)的水文地质信息。氢有3种同位素，H、氘(。H)和氚(。H)，4．1．2。C1测年方法其中氚(。H)为放射性同位素；氧有3个同位。cl是氯元素的一种放射性同位素，半衰素，O、"o、MO，均为稳定同位素，坞O、H和氚期为3．01×10。a，理论上可测定3×10a范(。H)是国内外应用较为普遍的同位素。随着分围内的各种样品，也就是第四纪全部时间范围析技术的发展，氚测年技术被广泛应用，是年轻的样品，它是一种有较大潜力的测年手段。。水年龄界定的较好手段，且对认识新老水补、排Cl是宇宙射线和次生中子作用产生的，其产关系至关重要。碍0、。H广泛用于地下水形成的研率在纬度45。为最高，约是赤道和两极产率的究，且取得大量的成果。北山地区虽然开展了5倍，且存在明显大陆效应，适用于测定很古o、H和氚(。H)的研究工作，但获得数据有老的地下水，由于核试验同样产生大量Cl，限，涉及的区域也仅侧重于目前的3个重点研究也可用其变化测定较年轻地下水的年龄。目前，地段，因此，需要投人更多的O、。H和氚(。H)北山地区深部地下水的年龄尚不清楚，开展。。研究工作，可以将这种方法同时应用于区域地下Cl测年与MC测年的联合研究将是正确认识水(浅部地下水为主)和钻孑L地下水(侧重深部“地下水滞留带”地下水形成和循环交替规律的地下水)研究，以获取更多的数据，为场评价提重要途径。 第2期肖丰，等：高放废物处置库甘肃北山预选区同位素水文学研究及设想·119·4．1．3稀有气体及其同位素比值方法稀有气体都由不同的同位素组成。已有研稀有气体一般是指氦、氖、氩、氪、氙，由究表明，地球不同圈层的稀有气体同位素比值于化学性质不活泼，常被称为“惰性气体”。这不同(表3)。因此，地下水中稀有气体及同些稀有气体存在于大气中，含量很低，但基本稳位素比值能够反应地下水循环特征和水一岩一定。地下水中所含大气成因的稀有气体与补给地气相互作用。利用稀有气体及其同位素比值，下水的大气降水温度和汇流区域的平均空气压力结合地下水化学、O、H和氚(。H)同位素密切相关。在给定的温度、压力下，与大气平衡组成，可以探讨区内地下水与大气降水的关的水在人渗补给地下水后，与大气隔绝，在封闭系，分析了不同含水系统地下水的循环交替特环境下地下水中的稀有气体基本保挣匣定。这是征。同时，利用地下水中稀有气体可恢复地下因为稀有气体基本不与其它元素发生反应。稀有水的补给温度，并结合测年结果为古气候研究气体的这种性质，能被用来重建地下水补给的时提供参考。地下水中溶解的稀有气体在一定程间和气温。度上还能够反映断裂性质。表3地球各圈层气体同位素组成特征Table3Isotopiccompositionsofraregasesintheearth心设计、周密分析和综合判断。只有将同位素5结语方法与地质、水文地质研究方法密切结合，才核电的快速发展，必然产生越来越多的高能充分发挥该方法的优势，从而获得正确的认放废物。日本福岛核泄露事故的发生，对高放识和结论。废物处置库选址提出了更高的要求。目前，我[参考文献]国高放废物地质处置“十二五”规划已经启动，在这个规划中，明确提出处置库的选址必[1]IAEAIsotopefieldapplicationsforgroundwater须在不同地区进行充分比对的基础上稳步向前studiesintheMiddleEastER]．1996．推进，由此将新疆预选区、内蒙古预选区的进[2]IAEA．Isotopetechniquesinwaterdevelopment一步选址工作纳人规划，并将很快付诸实施。ER-i．1987．由于高放废物处置的难度和苛刻要求，对于人[3]IAEHydrogeologicalinvestigationofsitesforthegeologicaldisposalofradioactivewaste类现已掌握的技术和手段而言是一个巨大挑[R]．1998．战，同位素水文学研究是较为先进的技术和方[4]P．AWitherspoon，G．S．Bodvarsson．Geolog—法之一。与国外相比，我国的同位素水文学研iealchallengesinradioactivewasteisolation-究仅仅处于起步阶段，急需加大力度向前推ThirdworldwidereviewrM]．2001．进，充分发挥这项技术在处置库选址水文地质[5]PradeepK．Aggarwal，Joe1．GatandKlausF．研究中的优势。应从国情出发，注重与国际接O．Froehlich．Isotopesinthewatercycle轨，在实施处置库选址项目的过程中，逐步实EM3．2005．现环境同位素技术应用的规范化、标准化和系r6]王恒纯主编．同位素地质学概论[M3．北京：统化。在选择同位素方法时，需要与具体问题地质出版社，1991．及地质、水文地质条件相结合。研究中应当精(下转第83页，Continuedonpage83) 第2期欧阳平宁，等：向阳坪铀矿床断裂构造原生晕特征及找矿意义[3]李惠，张文华．中国主要类型金矿床的原生晕轴[参考文献]向分带序列研究及其应用准则EJ]．地质与勘探，1999，35(1)：32—35．[4]李惠，张文华．大型、特大型金矿盲矿预测的原[13肖建军，欧阳平宁，巢小林，等．广西壮族自治生叠加晕理想模型[J]．地质找矿论丛，1999，区向阳坪铀矿床皮树坪地段铀矿普查技术报告14(3)：25—33．FR1．核工业230研究所，2009．[5]曹洁，邱斌，晁会霞，等．新疆红石金矿床原生[2]欧阳平宁，肖建军，黄满湘，等．苗儿山铀矿田晕特征与隐伏矿预测[J]．地球学报，2010，31向阳坪地区构造地球化学研究及矿化富集中心预(1)：83—89．测[R]．核工业230研究所，2010．TheCharacteristicsofOriginalGeochemicalHaloinFaultZoneandItsProspectingSignificanceinXiangyangpingUraniumDepositOUYANGPing—ning，HUANGMan-xiang，LIUXin—yang。，CHENYue。XIAOJian-jun(1．SchoolofGeosciencesandInfo—physics，CentralSouthUniversity，Changsha，Hunan410083，China；2．ResearchInstituteNo．230，CNNC，Changsha，Hunan410013，China；3．AdministrationofGeologyandMineralResource，CNNC，Beijing100013，China)Abstract：Xiangyangpinguraniumdepositisahydrothermalfillingdepositcontrolledbyfaults．Theaxialzonationoforigina1elementalongthefaultiSinsequenceofNi—R1)_Bi—Sr卜CLl-WHgAS-Sb—Mo÷SrZnwhichshowsthecharacteristicofsuperimposedhalosandmultiphasemineralization．ThedistributioncharacteristicOforiginalhalosalongstructuresuggeststhaturaniummineralizationmaypossessmulti—en—riehmentzonesalongaxialandstratatend．Thesecharacteristicsareofprospectingsignificance．Keywords：Xiangyangpinguraniumdeposit；originalhalo；axialzonation；predictionofconcealedorebody(上接第119页，Continuedfrompage119)OutlookofIsotopicHydrologicStudyinBeishanPreselectedAreaofHighLevelWasteRepositoryXIAOFeng，GUOYong—hai，WANGZhi—ming(BeijingResearchInstituteofUranirmGeology，Beijing100029，China)Abstract~BeishanareainGansuprovinceisoneofthepre-selectedareaofdisposalrepositoryforhighlevelradioactivewaste(HLW)inChina．Graniteisthehostrockoftherepository．Overthe1astdecade，hydrogeologicalandisotopichydrologicinvestigationandstudywerecarriedoutinBeishaarea．Andpro—videdveryimportanthydrgeologicalinformationandbasisfortheevaluationofthepre—selectedsite．Forthefuture，moreisotopichydrologicstudyshouldbedonetotracetherechargesourceofgroundwater，toexplorewatercirculationprocessesandtomeasuretheageandvelocityofgroundwatercirculationinthearea．Soastoobtainmoreusefulhydrogeologicaldataforthesiteevaluationofhighlevelradioactivewastedisposalrepository．Keywords：highlevelradioactivewaste；geologicaldisposal；isotopichydrology；Beishanpre-selectedarea'