與高放核廢物地質(zhì)處置相關(guān)的能動(dòng)構(gòu)造研究

摘 要：高放核廢物采用深地質(zhì)處置的方法被稱為“throwaway cycle”（丟棄循環(huán)）。這種劇毒的放射性物質(zhì)要經(jīng)歷20個(gè)半衰期的時(shí)間才能變?yōu)闊o害的，因此地質(zhì)處置庫的選擇首先要把地震地質(zhì)穩(wěn)定性放在首位，其中關(guān)鍵的廠址相關(guān)參數(shù)（site-related parameters）稱之謂地表斷層作用（surface faulting），即斷層的能動(dòng)性評(píng)價(jià)（assessment of capability for surface faulting）。本文對(duì)能動(dòng)構(gòu)造研究的主要內(nèi)容提出了新的認(rèn)識(shí)，相關(guān)結(jié)論已被我國核安全規(guī)范（HAF010）所接受。

關(guān)鍵詞：高放核廢物；地質(zhì)處置；地震能動(dòng)構(gòu)造；地表斷層作用

中圖分類號(hào)：X771 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

一、問題的提出

核技術(shù)首先用之于軍事目的，這是眾所周知的歷史事實(shí)。民用或商用核工業(yè)相對(duì)要滯后很多。1946年，美國國會(huì)通過了《原子能法案》，并規(guī)定要設(shè)立原子能委員會(huì)以發(fā)展和平利用原子能的計(jì)劃，同時(shí)建立了國會(huì)原子能聯(lián)合委員會(huì)以監(jiān)督原子能委員會(huì)的活動(dòng)。但原子能委員會(huì)對(duì)軍事目的給予了優(yōu)先權(quán)，對(duì)發(fā)展商用核反應(yīng)堆只提供了象征性的經(jīng)費(fèi)。二十世紀(jì)50年代初，美國艾森豪威爾政府禁止了私營事業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)入核領(lǐng)域。至60年代美國核電工業(yè)一蜂而上，70年代則迅速迭入低谷。盡管如此，由于未能預(yù)計(jì)到核廢料問題也并不感到存在任何技術(shù)上的障礙，低輻射廢料直接填埋于淺溝或者放在無人居住地帶隔離起來。高輻射的廢料（約7000萬加侖的高輻射軍用廢料）堆放在華盛頓、南卡萊羅納及愛德華州的政府工廠中；有6900萬立方英尺的低輻射商用及軍用廢料存在于華盛頓、南卡萊羅納及肯塔基州的淺溝中；1.4億噸的鈾尾礦堆積成山，遍及南部；約7000噸商用反應(yīng)堆產(chǎn)生的廢燃料存在反應(yīng)堆所在地的冷水池或“游泳池”中的支架上。核廢物的處置及對(duì)人類生存環(huán)境的影響，成了一個(gè)“揮之不去”的問題和“燙手的山芋”。

美國在West Valley， Sheffield， Maxey Flats， Oak Ridge， Savannah River， Barnwell， Hanford， Idaho Falls， Beatty， Los Alamos及Nevada Test Site有核廢物的貯存或處置場(chǎng)地，但高放廢物只存放于West Valley。1984年12月20日，美國能源部曾就高放廢物處置庫有關(guān)的9個(gè)場(chǎng)址公布了環(huán)境評(píng)價(jià)（EA）草案，其中5個(gè)被提名進(jìn)行特別鑒定的場(chǎng)址。再經(jīng)國家科學(xué)放射性廢物管理委員會(huì)審查后，由總統(tǒng)正式提名3個(gè)場(chǎng)址，能源部在這3個(gè)場(chǎng)址上各建造2個(gè)直徑7m的勘探豎井，深度300～1200米。原計(jì)劃1991年由能源部在3個(gè)場(chǎng)址對(duì)比的基礎(chǔ)上向總統(tǒng)推薦一個(gè)場(chǎng)址，以開發(fā)為第一個(gè)高放廢物深層處置庫（規(guī)劃該庫可貯存7萬噸核廢物，造價(jià)達(dá)200億美元，原預(yù)計(jì)1998年投入使用）。同時(shí)能源部還對(duì)第二個(gè)深層處置庫進(jìn)行了選址和研究工作。內(nèi)華達(dá)州尤卡山成為唯一被推薦的場(chǎng)址。但內(nèi)華達(dá)州于2001年12月對(duì)聯(lián)邦政府提出了起訴，反對(duì)把尤卡山建成核廢料貯存所。內(nèi)華達(dá)州同時(shí)還設(shè)法阻止對(duì)尤卡山的供水，拉斯維加斯市通過法律禁止運(yùn)輸核廢料把核廢料運(yùn)往尤卡山的命令，他們就會(huì)帶頭在州的邊界上組成一道人墻，阻止火車和卡車入境，并逮捕負(fù)責(zé)運(yùn)輸?shù)娜?。尤卡山最終高放廢物貯存所在美國成了一件政治上的大事，布什在2002年正式批準(zhǔn)了該項(xiàng)工程，2004年在總統(tǒng)大選時(shí)成為克里攻擊布什并爭奪選民的焦點(diǎn)議題。2013年尤卡山工程再告停止。

美國公眾反對(duì)建立核廢料處理場(chǎng)，這是對(duì)建立永久性核廢料處理的一個(gè)困難問題。很多人不希望高或低輻射廢料經(jīng)過他們的居住地，更反對(duì)儲(chǔ)存在他們的后院，有9個(gè)州禁止在他們的州界內(nèi)掩埋核廢料，還有4個(gè)州宣布在核廢料處理技術(shù)成熟之前，推遲新的反應(yīng)堆建造。所以，盡管在70年代美國原子能委員會(huì)（AEC）及后來的核管理委員會(huì)（NRC）頒布了一些核廢物處理方面管理規(guī)定和原則性的要求，但在核廢物處置庫的選擇方面久議不決或決而不斷，直至2002年才確定尤卡山為最終處置庫所在地。關(guān)于處置庫的選址特別是在地震及活動(dòng)構(gòu)造方面引用了核電站選址的相關(guān)規(guī)定，如美國國家標(biāo)準(zhǔn)ANSI/ANS-2.19《獨(dú)立乏燃料儲(chǔ)存設(shè)施（水池型）場(chǎng)址選擇與設(shè)計(jì)——確定場(chǎng)址相關(guān)參數(shù)導(dǎo)則》，美國核管會(huì)管理導(dǎo)則RG3.44《獨(dú)立乏燃料儲(chǔ)存設(shè)施（ISFSI）安全分析報(bào)告的標(biāo)準(zhǔn)格式和內(nèi)容（水池型）》，NRC RG3.26《核燃料后處理廠安全分析報(bào)告的標(biāo)準(zhǔn)格式和內(nèi)容》中都相繼要求，要詳細(xì)描述廠址8公里范圍內(nèi)、長度大于300米的能動(dòng)斷層（Capable fault），要確定與能動(dòng)斷層相關(guān)的地震以及震中與能動(dòng)斷層的關(guān)系。

美國的以上法規(guī)為國際原子能機(jī)構(gòu)頒布的一系列安全標(biāo)準(zhǔn)奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)也為各國核廢物處置提供了政策上的參考依據(jù)。IAEA在80年代特別頒布了一系列核安全標(biāo)準(zhǔn)（Uss， Nuclear Safety Standards），其中關(guān)于政府管理（Governmental Organization）方面有50-C-G系列9個(gè)導(dǎo)則，選址（siting）方面有50-C-S系列13個(gè)導(dǎo)則，設(shè)計(jì)（Design）方面50-C-D系列14個(gè)導(dǎo)則，運(yùn)行（Operation）方面50-C-O系列11個(gè)導(dǎo)則，質(zhì)量保證（Quality Assurance）50-C-QA系列11個(gè)導(dǎo)則。此外，還出版了安全系列、技術(shù)報(bào)告系列、TECDOC系列和會(huì)議系列的指導(dǎo)叢書，其中涉及核廢物安全管理的有《核電廠放射性廢物的管理》（1985）、《核電廠放射性廢物系統(tǒng)的設(shè)計(jì)》（1986）、《核電站放射性廢物的安全處理指南》（1980）、《核電站選址中的劑量評(píng)價(jià)》（1988）。世界各國關(guān)于放射性廢物的地質(zhì)處置現(xiàn)狀，核工業(yè)北京地質(zhì)研究院的王駒博士等曾于1999年翻譯出版了美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室地球科學(xué)部P.A. Witherspoon教授編輯出版的《Geological Problems in Radioactive Waste Isolation—Second Worldwide Review》（1996）專著，書中集中介紹了世界26個(gè)國家和地區(qū)在核廢物（主要是高放廢物）地質(zhì)處置的最新進(jìn)展，內(nèi)容包括：地質(zhì)處置計(jì)劃，處置庫的概念設(shè)計(jì)，處置庫圍巖類型選擇，選址和場(chǎng)址特性評(píng)價(jià)，地下實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，地質(zhì)穩(wěn)定性研究，水文地質(zhì)研究，巖石力學(xué)研究，核素遷移研究，緩沖材料研究及環(huán)境評(píng)價(jià)研究等，令人感到意外的是該書內(nèi)容不涉及具體的地震及能動(dòng)斷層評(píng)價(jià)技術(shù)要求。

二、我國核廢物處置庫研究現(xiàn)狀

我國于1977年開始研究放射性廢物的最終處置，1979年研究確定：高放廢物一般要就地臨時(shí)貯存20至30年，使放射性減弱，然后永久處置；中、低放核廢物可以就地、就近選擇合適地址處置。

1985年由核工業(yè)總公司提出“中國高放廢物深地質(zhì)處置研究發(fā)展計(jì)劃”（DGD計(jì)劃），計(jì)劃共分四個(gè)階段：1985～2025年，場(chǎng)址篩選和場(chǎng)址特性評(píng)價(jià)；2025～2029年，處置庫設(shè)計(jì)；2041～2050年，處置庫建造；2051年以后，處置庫運(yùn)行。根據(jù)這一總體計(jì)劃，1986年成立了由核工業(yè)北京地質(zhì)研究院、核工業(yè)北京工程設(shè)計(jì)研究院、中國原子能科學(xué)研究院和中國輻射防護(hù)研究院的專家組成了“高放廢物地質(zhì)處置專家協(xié)調(diào)組”，負(fù)責(zé)研究發(fā)展計(jì)劃及選址、場(chǎng)址評(píng)價(jià)、處置庫設(shè)計(jì)和性能評(píng)價(jià)等有關(guān)領(lǐng)域的研究工作。在全國篩選、區(qū)域篩選、地區(qū)篩選和場(chǎng)址篩選的基礎(chǔ)上，先后選定華東、西北、西南、華南以及東北作為五個(gè)中、低放廢物處置場(chǎng)。1989年以來，工作主要集中于西北地區(qū)，并考慮把花崗巖作為候選圍巖，同時(shí)開展了地震、構(gòu)造骨架、活動(dòng)斷層、地殼穩(wěn)定性、巖性、水文地質(zhì)和工程地質(zhì)工作，根據(jù)研究結(jié)論，選取前紅泉和舊井兩地區(qū)開展進(jìn)一步研究工作。但截止目前為止，選址勘測(cè)及評(píng)價(jià)的主要依據(jù)，是根據(jù)現(xiàn)有的研究成果、國外同行的經(jīng)驗(yàn)和核廢料的特性，尚無國家選址標(biāo)準(zhǔn)予以指導(dǎo)（王駒，2005）。1998年國家核安全局批準(zhǔn)發(fā)布了3個(gè)相關(guān)的規(guī)定：《放射性廢物的分類》（HAD 40I/04）、《放射性廢物近地表處置場(chǎng)選址》（HAD 40I/05）、《放射性廢物地質(zhì)處置庫選址》（HAD 40I/06），尚無高放廢物地質(zhì)處置庫選址的規(guī)定。

區(qū)域內(nèi)的地震地質(zhì)工作是針對(duì)四零四廠開展的。1985年，核工業(yè)部西北地勘局對(duì)四零四地區(qū)區(qū)域的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。1988年，國家地震局地殼應(yīng)力研究所和蘭州地震研究所完成了《四零四地區(qū)地震地質(zhì)綜合研究報(bào)告》。1991年，國家地震局地質(zhì)研究所進(jìn)一步提交了《四零四廠1257工程設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)及地震小區(qū)劃》研究報(bào)告。這些工作主要就廠址及其附近的活斷層、地震基本烈度復(fù)核、地震危險(xiǎn)性分析及區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提出了結(jié)論性意見，需要強(qiáng)調(diào)的是所有研究都不涉及斷層的能動(dòng)性的研究。

能動(dòng)構(gòu)造研究是地質(zhì)屏障中至關(guān)重要的一環(huán)，高放廢物深地質(zhì)處置庫的場(chǎng)址選擇對(duì)斷層的能動(dòng)性評(píng)價(jià)是不可或缺的，這是處置庫未來安全運(yùn)行的決定性因素。

三、能動(dòng)構(gòu)造的主要研究內(nèi)容

1）斷層的活動(dòng)性與能動(dòng)性的關(guān)系研究。斷層的活動(dòng)性和能動(dòng)性是兩個(gè)相互區(qū)別與關(guān)聯(lián)的重要課題。

2）我國晚更新世（約10萬年）以來構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)研究。斷層能動(dòng)性的主要特征是年代問題，確定年代依據(jù)是建立在整個(gè)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)上的。我國喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)以來，晚更新世至今是一次決定性的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，波及全國，持續(xù)至今，并影響未來，時(shí)間約10萬年。

3）斷層的地震性研究。地震是斷層活動(dòng)的結(jié)果，但地震的震級(jí)與斷層的能動(dòng)性有何關(guān)系？有認(rèn)為沒有關(guān)系者，有認(rèn)為必須有M≥5級(jí)的地震才能算活動(dòng)斷層。在美國M≥3級(jí)的地震被列為“macroearthquake”和 “microearthauake”的界限并作為能動(dòng)性的依據(jù)。在我國應(yīng)如何劃分？

4）斷層的地表破裂與牽連機(jī)制的研究。斷層運(yùn)動(dòng)的不同性質(zhì)與斷層的幾何結(jié)構(gòu)有關(guān)。通常斷裂帶可分為主斷層、分支斷層和次級(jí)斷裂，屬于同一斷裂系的斷層運(yùn)動(dòng)（特別是主斷層的運(yùn)動(dòng)）會(huì)牽動(dòng)同一體系的斷層一起運(yùn)動(dòng)。

5）斷層的近地表破裂判據(jù)研究。在能動(dòng)構(gòu)造的識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)中，“近地表”是一個(gè)很重要的概念。這涉及到覆蓋區(qū)（包括松散沉積物和水域覆蓋區(qū)）高精度地球物理方法問題，不同方法的精度和局限性以及判斷近地表破裂可靠程度問題。

6）斷層的斷代依據(jù)研究。新年代學(xué)的方法用于測(cè)定斷層運(yùn)動(dòng)的特性和最近一次運(yùn)動(dòng)的時(shí)間是非常重要的。但是不同方法的物理意義是不同的，精度也相差很大。近年來的實(shí)踐表明，不加分析的“拿來主義”是不行的，特別是如何測(cè)定斷層最后一次運(yùn)動(dòng)以及對(duì)它的物理意義和精度。

通過能動(dòng)構(gòu)造定義和識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)的研究，建立符合我國地震地質(zhì)特征的識(shí)別原則。通過斷層的活動(dòng)性與能動(dòng)性、斷層能動(dòng)性的時(shí)間意義、地震性、牽連機(jī)制、近地表破裂判據(jù)和新年代學(xué)方法進(jìn)行研究，是能動(dòng)構(gòu)造研究的核心內(nèi)容。

幾個(gè)重要概念辨析

1）活動(dòng)斷層（Active fault）、活動(dòng)構(gòu)造（Active tectonics）、能動(dòng)斷層（Capable fault）、能動(dòng)構(gòu)造（Capable tectonics）等術(shù)語的構(gòu)造含義和區(qū)別，是引起廣泛爭議的主要問題之一。

2）確定可供鑒別的最新構(gòu)造標(biāo)志層。地層的錯(cuò)斷及相關(guān)斷層運(yùn)動(dòng)年齡的確定，應(yīng)以地層上的地質(zhì)證據(jù)為主。目前國內(nèi)不同規(guī)范給出的是不同的規(guī)定，凸顯出不同的認(rèn)識(shí)，在實(shí)際工程評(píng)價(jià)中可能會(huì)給出相互矛盾的結(jié)果。認(rèn)真研究我國第四紀(jì)以來地層的分層、分布、厚度、結(jié)構(gòu)、組成特點(diǎn)，并進(jìn)一步確定斷層上斷點(diǎn)最新運(yùn)動(dòng)的標(biāo)志層；

3）斷代方法物理意義和構(gòu)造意義分析。斷層物質(zhì)的采樣、測(cè)年，確定斷層活動(dòng)年齡，是目前廣泛采用的方法。很多研究往往直接引用測(cè)試年齡的數(shù)據(jù)以佐證斷層活動(dòng)的年齡，少有對(duì)方法學(xué)的研究和數(shù)據(jù)給出的物理意義的說明。其實(shí)，不同測(cè)試方法給出的物理意義是不一樣的，精度不同構(gòu)造意義也不同。

4）能動(dòng)構(gòu)造體系的研究。斷裂的體系觀點(diǎn)是認(rèn)為斷裂可劃分出主干斷裂、分支斷裂和次級(jí)斷裂，斷裂的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和體系特點(diǎn)決定了對(duì)斷裂調(diào)查寬度的確定，問題很關(guān)鍵也很復(fù)雜，分析的難度很大。

四、結(jié)束語

核裂變產(chǎn)物的廢物罐在移離核反應(yīng)堆新埋在地下地質(zhì)體中，第一年可使溫度達(dá)到1000℃，老化10年后仍可達(dá)到250℃。廢物罐的距離以5米計(jì)，存放10年后的溫度為700℃，間距約為10米時(shí)，溫度仍達(dá)400℃。受熱巖石會(huì)膨脹，使處置庫附近的巖石擴(kuò)張，巖石會(huì)產(chǎn)生不均勻裂縫，水沿裂縫的滲入并溶解核廢料復(fù)又回到生物圈，預(yù)測(cè)這類可能發(fā)生的事件以及評(píng)價(jià)場(chǎng)地能承受這種高熱度安全閾值是困難的。按目前這種廢料的放置方法預(yù)測(cè)，整個(gè)儲(chǔ)存場(chǎng)地在600年內(nèi)可身高10米。而由此產(chǎn)生的水平移動(dòng)也會(huì)使放置的廢物罐之間的距離重新排列，對(duì)存儲(chǔ)場(chǎng)地未來的安全估計(jì)更是極端困難。不管怎么說，這種溫度產(chǎn)生的影響尚可由技術(shù)進(jìn)步來逐步解決，而地質(zhì)處置庫的地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境，活動(dòng)的構(gòu)造條件。地震孕育及發(fā)生的背景，特別是斷裂的能動(dòng)性，必須采用避讓的方法，必須在早期的選址中給出科學(xué)的評(píng)價(jià)，因?yàn)槿魏喂こ檀胧┒疾蛔阋詽M足高度安全的需求。對(duì)于高放核廢料處置庫的研究我們才剛剛起步，對(duì)能動(dòng)構(gòu)造的研究仍是一片空白。核安全的要求促使我們必須邁出這一步。

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（本文審稿 陳洪江）