鉆孔電視技術(shù)在三維地質(zhì)建模中的應(yīng)用

王錫勇，成 功，李冬偉

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京100029）

高水平放射性廢物 （以下簡(jiǎn)稱(chēng) “高放廢物”）具有放射性活度高、半衰期長(zhǎng)、毒性大等特點(diǎn)，如何安全處置高放廢物正受到公眾的廣泛關(guān)注［1-3］。目前國(guó)際上對(duì)高放廢物處置普遍認(rèn)可并且技術(shù)上可行的方案是地質(zhì)處置，即在地下深300～1 000 m的花崗巖或黏土巖地質(zhì)體中將高放廢物進(jìn)行埋藏，使之永久（數(shù)萬(wàn)年計(jì)）與人類(lèi)生存環(huán)境隔離［1，4-5］。 埋藏高放廢物的地下工程即稱(chēng)為高放廢物地質(zhì)處置庫(kù)。由于高放廢物地質(zhì)處置的整個(gè)過(guò)程涉及科學(xué)問(wèn)題較多、學(xué)科之間相互交叉，并且缺乏工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，各國(guó)都采取基礎(chǔ)研究→處置庫(kù)選址及場(chǎng)址評(píng)價(jià)→地下實(shí)驗(yàn)室論證研究→處置庫(kù)設(shè)計(jì)、建設(shè)和關(guān)閉逐層推進(jìn)的方式，對(duì)高放廢物地質(zhì)處置開(kāi)展系統(tǒng)化研究。自1985年開(kāi)始高放廢物地質(zhì)處置研究以來(lái)，我國(guó)先后開(kāi)展了處置庫(kù)選址、場(chǎng)址評(píng)價(jià)、處置工程、安全技術(shù)評(píng)價(jià)、地下實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)址初選等方面的研究工作［1，4-5］， 并確定了甘肅北山新場(chǎng)花崗巖地段為中國(guó)高放廢物地質(zhì)處置地下實(shí)驗(yàn)室的推薦場(chǎng)址。

圍巖作為處置系統(tǒng)的天然屏障，其三維結(jié)構(gòu)特征尤其是圍巖內(nèi)的斷層等規(guī)模較大的結(jié)構(gòu)面，是影響圍巖完整性以及工程設(shè)計(jì)、建造的重要影響因素，也是核素遷移的快速通道。國(guó)家核安全局頒布的 《高水平放射性廢物地質(zhì)處置設(shè)施選址》導(dǎo)則中明確提出：處置設(shè)施必須與地質(zhì)體的不連續(xù)面 （如斷層、裂隙密集帶等）保持足夠距離，避開(kāi)能為放射性核素遷移提供快速通道的斷裂破碎帶［6］。因此，在地下實(shí)驗(yàn)室和處置庫(kù)的選址和建造過(guò)程中，需要對(duì)圍巖內(nèi)的斷層等結(jié)構(gòu)面的特征進(jìn)行深入了解，構(gòu)建詳實(shí)的圍巖三維地質(zhì)模型，為地下實(shí)驗(yàn)室和處置庫(kù)的工程設(shè)計(jì)、建造提供參考數(shù)據(jù)。

傳統(tǒng)的地表地質(zhì)調(diào)查、探槽等手段可以獲得斷層的淺地表產(chǎn)狀特征，通過(guò)鉆探取心和物探方法可獲得其縱向延伸范圍和深部斷層產(chǎn)狀，但數(shù)據(jù)精度較低，影響三維地質(zhì)建模的準(zhǔn)確性，難以滿(mǎn)足工程設(shè)計(jì)要求。作為一種小口徑地球物理測(cè)井工具，超聲波鉆孔電視采用先進(jìn)的聲波束聚焦技術(shù)、數(shù)字記錄技術(shù)和數(shù)字化數(shù)據(jù)處理等技術(shù)，可獲得高精度的圍巖深部結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀特征數(shù)據(jù)，有效彌補(bǔ)了鉆探取心和物探方法數(shù)據(jù)精度低的缺陷，從而大幅提高三維地質(zhì)建模的可靠性。因此，被廣泛應(yīng)用于水文地質(zhì)、礦產(chǎn)勘探和開(kāi)采設(shè)計(jì)、工程勘察以及高放廢物地質(zhì)處置等領(lǐng)域［7-9］。

為驗(yàn)證場(chǎng)址周邊線性構(gòu)造特征，北山新場(chǎng)花崗巖體內(nèi)鉆探施工了多個(gè)深鉆孔并開(kāi)展鉆孔電視測(cè)量工作。通過(guò)分析鉆孔電視技術(shù)、鉆探取心、探槽以及其他物探方法獲得的數(shù)據(jù)，對(duì)場(chǎng)址內(nèi)斷層特征進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，為三維地質(zhì)建模提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

1.1 自然地理位置

北山新場(chǎng)地段距甘肅玉門(mén)市以北約80 km左右，行政區(qū)劃隸屬甘肅省肅北縣和玉門(mén)市。高放廢物地質(zhì)處置地下實(shí)驗(yàn)室推薦場(chǎng)址位于新場(chǎng)地段中部位置。

1.2 主要巖性分布

北山新場(chǎng)地段主要巖性為新場(chǎng)單元（O1X）二長(zhǎng)花崗巖、機(jī)井溝單元（O1J）花崗巖閃長(zhǎng)巖、紅柳井單元（Pt22H）片麻狀花崗閃長(zhǎng)巖和鴛鴦溝單元（Pt22Y）片麻狀二長(zhǎng)花崗巖（圖 1）。其中，片麻狀花崗閃長(zhǎng)巖和片麻狀二長(zhǎng)花崗巖呈EW向展布，主要分布于巖體南北邊緣；二長(zhǎng)花崗巖和花崗閃長(zhǎng)巖分布于巖體中部、西部和北部。地球物理探測(cè)結(jié)果顯示花崗巖底板深度超過(guò)1 km。

1.3 斷層分布

已有地質(zhì)資料顯示新場(chǎng)地段發(fā)育兩組斷層：近EW走向的壓性、壓扭性主干斷層和與其配套的NE、NW走向的扭性、張扭性斷層。主干斷層切割中生代及其以前地層和巖體，為巖體的邊界斷層，規(guī)模較大，一般為長(zhǎng)約10～20 km，寬n×10 m，在地貌上多形成溝谷。扭性、張扭性的次級(jí)配套斷裂主要發(fā)育在地段內(nèi)花崗巖體中，以左旋扭性為主，規(guī)模相對(duì)較小，一般長(zhǎng)約2～5 km，傾角50°～80°。地下實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)址周邊主要斷層為F31、F32、 F33和 F34（圖 1）。

2 鉆孔電視成像原理、數(shù)據(jù)采集和圖像處理

2.1 成像原理

超聲波鉆孔電視測(cè)量技術(shù)基本原理如圖2所示：壓電陶瓷晶體產(chǎn)生并發(fā)射的高頻超聲波束沿探管軸心傳播，被高速旋轉(zhuǎn)的特制凹面反射鏡垂直反射并聚焦，然后穿過(guò)低密度樹(shù)脂透聲窗和鉆井液到達(dá)孔壁。部分超聲波被孔壁反射并按原路徑返回，被壓電陶瓷晶體接收。壓電陶瓷晶體記錄孔壁反射波的振幅和傳播時(shí)間生成孔壁特征圖像。同時(shí)，三軸磁力儀記錄孔壁各掃描點(diǎn)的磁坐標(biāo)對(duì)孔壁圖像定向；測(cè)斜儀則記錄孔壁各掃描點(diǎn)的傾斜坐標(biāo)并計(jì)算鉆孔的偏移值以及對(duì)所測(cè)得的結(jié)構(gòu)面進(jìn)行傾角校正。最終形成反映孔壁特征的二維孔壁展開(kāi)圖像。

圖1 地下實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)址及周邊地質(zhì)簡(jiǎn)圖Fig.1 Geological sketch map of preferred site for URL

圖2 超聲波鉆孔電視探頭結(jié)構(gòu)及聲波運(yùn)行路徑示意圖Fig.2 Structure of sonde and principle of ATV

2.2 數(shù)據(jù)采集及圖像處理

測(cè)量所使用的超聲波鉆孔電視為美國(guó)Mount Sopris儀器公司生產(chǎn)，包括聲波探頭、數(shù)據(jù)采集器、絞車(chē)和顯示器。聲波探頭型號(hào)為QL40，可發(fā)射頻率為1.2MHz、尺寸為3mm×3 mm的超聲波束；探頭內(nèi)置磁力計(jì)精度為5%；最大測(cè)量深度為1 500 m；適用直徑為50～510 mm范圍的鉆孔。

數(shù)據(jù)采集由MSlog軟件自動(dòng)控制，操作簡(jiǎn)便易行。數(shù)據(jù)采集模式和頻率根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況而定，測(cè)量速度保持在0.6～1.0 m·min-1，以保證采集數(shù)據(jù)的正確率和圖像的精度。

圖像的處理和解譯采用Well CAD軟件。將采集的數(shù)據(jù)文件 （*rd.或*Las.文件）導(dǎo)入Well CAD軟件，可自動(dòng)獲得鉆孔孔壁二維圖像，該圖像是由傳感器從地磁北極開(kāi)始以順時(shí)針?lè)较?（N→E→S→W→N）對(duì)鉆孔孔壁進(jìn)行掃描所形成的孔壁二維平剖圖。由于不同物質(zhì)對(duì)超聲波的反射能力存在差異，平剖圖的顏色深淺變化反映了超聲波反射信號(hào)的強(qiáng)弱，即反映了巖性和強(qiáng)度的差異性。因此，結(jié)構(gòu)面在平剖圖中以正弦/余弦曲線的形式展現(xiàn)，并且與圍巖圖像形成鮮明反差。

結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀可通過(guò)測(cè)量正弦或余弦曲線獲得，其方法是：在孔壁二維圖像上建立與其同樣大小的新圖層，將孔壁二維圖像上的正弦/余弦曲線精確描繪在新圖層上，形成一張結(jié)構(gòu)面隨鉆孔深度分布的圖像。Well CAD軟件可自動(dòng)計(jì)算每個(gè)結(jié)構(gòu)面的深度、傾向和傾角值，這些數(shù)值可以數(shù)字的方式輸出，或者以 “蝌蚪”符表示，其中 “蝌蚪”所在的區(qū)間代表結(jié)構(gòu)面傾角， “蝌蚪尾巴”的指向代表結(jié)構(gòu)面傾向，與傾向垂直的方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)面走向（圖3）。

3 斷裂構(gòu)造特征分析

根據(jù)研究需要，在場(chǎng)址周邊的F33、F34斷層附近鉆探施工了BS39、BS37斜鉆孔，鉆孔頂角/方位角分別為 11°/110°和 9°/120°， 以揭露斷層產(chǎn)狀特征。

利用鉆孔電視、野外調(diào)查和探槽揭露，對(duì)F33、F34斷層的規(guī)模、產(chǎn)狀、構(gòu)造巖類(lèi)型、力學(xué)性質(zhì)等特征進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)查和研究，詳細(xì)內(nèi)容如下。

3.1 F33斷層特征

F33斷層位于推薦場(chǎng)址東側(cè)，NNE走向，長(zhǎng)約5 km，總體形態(tài)呈中段略向東彎曲的直線型。衛(wèi)片影像上為暗灰色細(xì)條帶，地表出露處則形成較大的沖溝或負(fù)地形。

圖3 結(jié)構(gòu)面隨深度分布的超聲波電視圖像Fig.3 ATV image of structural planes distribution with depth

3.1.1 斷層淺部特征

探槽揭露的斷層特征顯示：斷層破碎帶主要由單個(gè)或兩個(gè)以上大致平行的舒緩波狀斷層面組成。單個(gè)斷層面寬度一般0.45～0.60 m，最寬4 m，最窄僅有0.15 m，延伸不遠(yuǎn)。斷層面之間可見(jiàn)破碎的花崗閃長(zhǎng)巖、二長(zhǎng)花崗巖脈。 斷層面產(chǎn)狀約為 280°～290°∠68°～80°。

構(gòu)造巖類(lèi)型為硅化角礫巖、碎粒巖和碎裂花崗閃長(zhǎng)巖及花崗巖脈（圖4）。

①硅化角礫巖：呈灰黃色、灰褐色，角礫棱角狀且大小混雜，一般為0.5 cm×1.0 cm，大者約2 cm×3 cm。角礫成分為硅質(zhì)、花崗質(zhì)和基性巖等，硅質(zhì)膠結(jié)，寬度0.45 m左右。②碎粒巖：發(fā)育在斷層帶上、下盤(pán)面附近，寬度分別為0.40 m和0.90 m左右，構(gòu)成斷層的主結(jié)構(gòu)面。碎粒巖呈灰白色，粉末狀，難以辨認(rèn)原巖成分。③碎裂的花崗閃長(zhǎng)巖：發(fā)育在碎粒巖之間。巖石破碎，部分碎裂巖已硅化蝕變。

圖4 F33斷層探槽剖面圖Fig.4 Cross-section of trial trench of F33fault

3.1.2 斷層深部特征

在F33斷層南部靠近推薦場(chǎng)址一側(cè)鉆探施工BS39鉆孔。鉆探結(jié)果顯示BS39鉆孔揭穿了F33斷層。通過(guò)解譯超聲波鉆孔電視圖像獲得的數(shù)據(jù)表明：斷層深度為471.47～472.90 m，視厚度為1.43 m。根據(jù)上下界面裂隙產(chǎn)狀推斷斷層產(chǎn)狀為 293°∠68°～71°，由此計(jì)算斷層真厚度為0.47～0.54 m左右（圖 5）。

巖心地質(zhì)編錄顯示：構(gòu)造巖為灰色、灰白色的角礫巖。角礫呈棱角狀、次棱角狀，大小在2～10 mm（圖5）；其成分主要為花崗閃長(zhǎng)巖和煌斑巖，角礫含量約占±30%，多為泥質(zhì)膠結(jié)，泥質(zhì)成分主要為綠泥石、伊利石。此外，在局部構(gòu)造巖中可見(jiàn)片狀黃鐵礦化。

圖5 F33斷層鉆孔電視解譯圖Fig.5 ATV image interpretation of F33fault

斷層的上盤(pán)465.10～471.50 m，厚度為6.40 m，為碎裂蝕變的二長(zhǎng)花崗巖，巖石碎裂，裂隙發(fā)育，巖石的碳酸鹽化和伊利石化蝕變強(qiáng)。斷層的下盤(pán)472.90～480.80 m，厚度為7.90 m，為碎裂蝕變的花崗閃長(zhǎng)巖，巖石碎裂，裂隙發(fā)育，巖石的碳酸鹽化和伊利石化蝕變強(qiáng)。

3.1.3 F33斷層特征

根據(jù)地表探槽、鉆探取心、鉆孔電視技術(shù)及其他地質(zhì)資料獲得F33斷層的淺部和深部特征，研究結(jié)果表明：①斷層產(chǎn)狀為280°～290°∠60°～80°。 斷層整體呈現(xiàn)舒緩波狀， 傾角隨深度增加而逐漸變緩。②斷層寬度呈現(xiàn)由地表至深部逐漸變小的趨勢(shì)。地球物理資料顯示，斷層寬度由北向南逐漸變窄，表明構(gòu)造強(qiáng)度由北向南逐漸減弱。③斷層破碎帶內(nèi)構(gòu)造巖以構(gòu)造角礫巖和碎斑巖為主。斷層淺部由多個(gè)大致平行的斷層面組成，向深部逐漸收縮成單個(gè)斷層面，斷層整體呈現(xiàn)上部分散下部收斂的帚狀形態(tài)，表明斷層的性質(zhì)為張性。

3.2 F34斷層特征

F34斷層位于推薦場(chǎng)址西北部，走向NE40°，長(zhǎng)度約4.6 km。衛(wèi)片影像上呈連續(xù)的直線型暗灰色條帶，地貌上則表現(xiàn)為洼陷的負(fù)地形。

3.2.1 斷層淺部特征

探槽揭露的斷層特征顯示：斷層中段寬度相對(duì)較大，為0.8～0.9 m；向南北兩端逐漸變窄，為 0.2～0.6 m。斷面產(chǎn)狀 310°～320°∠70°～85°。

構(gòu)造巖類(lèi)型以硅化角礫巖為主，并有極少量碎斑巖（圖6）。

圖6 F34斷層探槽剖面圖Fig.6 Cross-section of trial trench of F34fault

①硅化角礫巖：呈黃褐色、黑褐色，地面出露寬度約0.2～0.8 m。角礫呈棱角狀，大小不一，排列雜亂；角礫大小一般為0.3 cm×1.0 cm，成分以硅質(zhì)和花崗質(zhì)為主，硅質(zhì)膠結(jié)。部分地段可見(jiàn)花崗閃長(zhǎng)巖受熱液活動(dòng)影響形成的硅化蝕變影響范圍達(dá)1 m以上。②碎斑巖：呈淺灰色、灰黑色，僅發(fā)現(xiàn)的碎斑巖寬度約0.4 m。巖石由原巖小碎塊和巖粉組成，并可見(jiàn)少量赤鐵礦化。

3.2.2 斷層深部特征

在F34斷層中南部遠(yuǎn)離推薦場(chǎng)址一側(cè)鉆探施工BS37鉆孔。鉆孔揭露斷層的規(guī)模非常小，通過(guò)解譯超聲波鉆孔電視圖像獲得的數(shù)據(jù)表明：斷層深度為601.70～601.98 m，視厚度0.28 m。解譯斷裂產(chǎn)狀為300°∠64°，計(jì)算可得真厚度為0.12 m。構(gòu)造巖為硅質(zhì)膠結(jié)碎裂巖，膠結(jié)程度很好（圖7）。由于構(gòu)造作用較弱，斷層上下盤(pán)巖石未產(chǎn)生蝕變等現(xiàn)象。

圖7 F34斷層鉆孔電視解譯圖Fig.7 ATV image interpretation of F34fault

3.2.3 F34斷層特征

根據(jù)地表探槽、鉆探取心、鉆孔電視技術(shù)及其他地質(zhì)資料獲得F34斷層的淺部和深部特征，研究結(jié)果表明：①斷層產(chǎn)狀為300°～320°∠65°～80°。 斷層整體呈現(xiàn)舒緩波狀， 傾角隨深度增加而逐漸變緩。②斷層寬度呈現(xiàn)由地表至深部逐漸變小的趨勢(shì)。斷層中段寬度相對(duì)較大，向南北兩端逐漸變窄。③斷層破碎帶內(nèi)構(gòu)造巖以硅化角礫巖和少量碎粒巖為主。斷層淺部由1～2個(gè)大致平行的斷層面組成，向深部逐漸收縮成單個(gè)斷層面，斷層整體呈現(xiàn)上部分散下部收斂的帚狀形態(tài)，表明斷層的性質(zhì)為張性。

4 結(jié)論

通過(guò)超聲波鉆孔電視技術(shù)，對(duì)高放廢物地質(zhì)處置地下實(shí)驗(yàn)室推薦場(chǎng)址—北山新場(chǎng)花崗巖體的BS39、BS37鉆孔進(jìn)行測(cè)量，獲得鉆孔所揭露的F33、F34斷層深部產(chǎn)狀特征的可靠實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。結(jié)合地面探槽、鉆孔巖心以及其他地質(zhì)資料等數(shù)據(jù)，對(duì)斷層的規(guī)模、產(chǎn)狀、構(gòu)造巖類(lèi)型、斷層性質(zhì)等進(jìn)行研究，為三維地質(zhì)建模提供了參考數(shù)據(jù)，主要結(jié)論如下：

1） F33斷層產(chǎn)狀為 280°～290°∠60°～80°。斷層整體呈現(xiàn)舒緩波狀，傾角隨深度增加而逐漸變緩。斷層破碎帶內(nèi)構(gòu)造巖以構(gòu)造角礫巖和碎粒巖為主，斷層寬度由地表至深部逐漸變小，整體呈現(xiàn)上部分散下部收斂的帚狀形態(tài)。

2） F34產(chǎn)狀為 300°～320°∠65°～80°。斷層整體呈舒緩波狀，傾角隨深度增加而逐漸變緩。斷層破碎帶內(nèi)構(gòu)造巖以硅化角礫巖和少量碎斑巖為主，斷層寬度由地表至深部逐漸變小。在地下實(shí)驗(yàn)室主體試驗(yàn)區(qū)深度（560～600 m），F(xiàn)34斷層僅表現(xiàn)為硅質(zhì)膠結(jié)碎裂巖，對(duì)圍巖影響較弱。斷層整體呈上部分散下部收斂的帚狀形態(tài)。

通過(guò)鉆孔電視技術(shù)獲得了深部斷層產(chǎn)狀，使得對(duì)斷層特征評(píng)價(jià)更全面，同時(shí)為三維地質(zhì)建模、地下實(shí)驗(yàn)室和處置庫(kù)的工程設(shè)計(jì)、建造提供參考數(shù)據(jù)。