三維地質(zhì)建模在高放廢物地質(zhì)處置預(yù)選地段篩選中的應(yīng)用
——以新疆預(yù)選區(qū)天湖預(yù)選地段為例

羅輝，蔣實(shí)，趙宏剛，李亞偉，田霄

(1.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院 中核高放廢物地質(zhì)處置評價重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029；2.中國自然資源航空物探遙感中心，北京 100083)

0 引言

三維地質(zhì)建模是運(yùn)用計算機(jī)技術(shù)在三維環(huán)境下，將空間信息管理、地質(zhì)解譯、空間分析和預(yù)測、地學(xué)統(tǒng)計、實(shí)體內(nèi)容分析以及圖形可視化等工具結(jié)合起來，并用于地質(zhì)分析的技術(shù)[1-4]。相對于傳統(tǒng)的二維地質(zhì)數(shù)據(jù)表示方法，三維模型能夠直接從三維空間的角度去理解和表達(dá)各種地質(zhì)現(xiàn)象，快速直觀地再現(xiàn)各地質(zhì)單元的空間展布特征及其相互關(guān)系，挖掘隱含的地質(zhì)信息，方便工程決策、地質(zhì)分析等[5-7]。

高水平放射性廢物(高放廢物)的安全處置受到世界各國的高度關(guān)注[8-9]。高放廢物處置庫選址分為4個階段：方案設(shè)計和規(guī)劃階段、區(qū)域調(diào)查階段、場址特性評價階段、場址確認(rèn)階段，而區(qū)域調(diào)查階段地段篩選就是在預(yù)選區(qū)中有利地段開展調(diào)查研究，初步了解深部巖體或巖層的特性，從而篩選出若干滿足要求的預(yù)選地段[10]。我國高放廢物處置庫選址工作始于1985年，已開展了處置庫選址、場址評價、處置工程、安全評價、地下實(shí)驗(yàn)室場址篩選等研究[11-13]，獲得了大量地質(zhì)資料和成果。然而這些資料與成果形式多樣，場址評價工作者很難對其在處置主巖中的分布規(guī)律有一個整體和直觀的把握，因此亟需利用一些先進(jìn)的手段方法，系統(tǒng)地將這些成果綜合利用起來進(jìn)行分析，達(dá)到對地質(zhì)條件直觀和深入理解的目的。

本文以高放廢物地質(zhì)處置新疆預(yù)選區(qū)中的天湖預(yù)選地段為研究對象，將野外勘查獲得的各種地質(zhì)信息，包括地形數(shù)字資料、地表地質(zhì)調(diào)查資料、工程地質(zhì)勘查資料及地球物理測量資料等信息進(jìn)行綜合研究，建立三維地質(zhì)模型，處理巖層界面與結(jié)構(gòu)面的組合關(guān)系，表達(dá)地質(zhì)信息在處置主巖中的分布規(guī)律，尤其是處置庫圍巖的空間分布特征及與其他巖層和斷裂的相互關(guān)系，處置庫圍巖的深度、體積、深部形態(tài)等，提高對深部地質(zhì)環(huán)境的認(rèn)識，進(jìn)而指導(dǎo)預(yù)選地段篩選及后續(xù)處置庫的選址、場址特性評價等工作。

1 研究區(qū)地質(zhì)特征

天湖預(yù)選地段位于新疆維吾爾自治區(qū)哈密市東南部，面積約467 km2，其東南段跨入甘肅省酒泉市瓜州縣及敦煌市境內(nèi)，為東天山東部至北山山系的西延部分，地貌以低山丘陵和戈壁荒漠為主，地勢總體東高西低。

1.1 地層

天湖預(yù)選地段地層分區(qū)均屬天山—興安嶺地層區(qū)，以庫米什—紅柳河隱伏斷裂為界，北部為中天山地層分區(qū)卡瓦部拉克地層小區(qū)，南部為北山地層分區(qū)穹塔格—馬宗山地層小區(qū)[14]。該地區(qū)所處位置地質(zhì)構(gòu)造十分復(fù)雜，地層變質(zhì)變形強(qiáng)烈。研究區(qū)內(nèi)出露有古元古界天湖鐵礦巖組地層(屬區(qū)內(nèi)最老地層)、中元古界長城系古硐井巖組地層以及寒武系、二疊系、第四系等地層(圖1)。

1—第四系全新統(tǒng)湖積物；2—全新統(tǒng)洪積物；3—更新統(tǒng)-全新統(tǒng)洪積物；4—紅柳河群中亞組灰色變質(zhì)礫巖和砂巖；5—紅柳河群下亞組灰色變質(zhì)砂巖；6—寒武系西大山組灰黑色硅質(zhì)巖夾角礫狀灰?guī)r；7—長城系古硐井巖組大理巖、白云質(zhì)大理巖及片巖；8—天湖鐵礦巖組灰色黑云母片巖、片麻巖及大理巖；9—早三疊世尾亞二長花崗巖；10—早三疊世尾亞石英正長巖；11—早三疊世天湖中粒含斑黑云母二長花崗巖單元；12—早三疊世天湖中細(xì)粒黑云母花崗閃長巖單元；13—早三疊世天湖細(xì)粒二長花崗巖單元；14—晚二疊世中粒黑云母花崗閃長巖；15—晚二疊世中粒黑云母二長花崗巖；16—泥盆紀(jì)二長花崗巖；17—中元古代片麻狀黑云母花崗閃長巖；18—中元古代片麻狀黑云母鉀長花崗巖；19—細(xì)粒花崗巖脈；20—中基性巖脈；21—斷層；22—裂隙蝕變帶；23—地質(zhì)界線；24—剖面位置；25—鉆孔位置及編號

1.2 侵入巖

天湖地段花崗巖體呈等軸狀巖株產(chǎn)出，出露面積約123 km2，侵入于古元古界天湖鐵礦巖組變質(zhì)巖系(Pt1t)、中元古代湖東片麻狀花崗巖(Pt2H)及二疊系紅柳河群(P1h)，接觸界面多外傾。巖體南側(cè)外接觸帶角巖化發(fā)育，其寬度約數(shù)十米至數(shù)百米。內(nèi)接觸帶捕虜體發(fā)育，主要為灰黑色細(xì)?；◢忛W長巖，其形態(tài)呈球狀、橢球狀，直徑幾厘米到幾十厘米不等。在巖體中分布有大量NNW向二長花崗巖脈和輝綠巖脈。

天湖預(yù)選地段花崗巖序列由3個花崗巖單元組成，呈套疊式、同心環(huán)帶狀分布(圖1)，其中一單元(T1T1)分布在天湖花崗巖巖體邊部，形成一個較規(guī)則外環(huán)帶，巖性主要為灰白色中粒含斑黑云母二長花崗巖；二單元(T1T2)分布在一單元內(nèi)部，僅為一個侵入體，與一單元呈脈動式侵入接觸關(guān)系，巖石為灰色，具有半自形粒狀含斑鑲嵌結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，巖性為中?！屑?xì)粒黑云母花崗閃長巖；三單元(T1T3)由4個侵入體組成，其中有3個侵入體分布在巖體中部，北起天湖火車站西南，呈NE向排列，延伸至天湖巖體西南部，自北部起依次編號為①、②、③，②號侵入體較大，約2 km2，其余兩個均約1 km2，這3個侵入體與二單元呈脈動式侵入接觸關(guān)系。3個花崗巖單元在空間上呈套疊式、同心環(huán)帶狀分布。地球物理測量顯示花崗巖體深度超過2km。

1.3 脈巖

工作區(qū)脈巖十分發(fā)育，其中與天湖巖體成因關(guān)系密切的主要有細(xì)?；◢弾r脈、偉晶巖脈以及石英脈，而與區(qū)域構(gòu)造關(guān)系密切的脈巖有輝綠巖、閃斜煌斑巖、閃長玢巖和石英脈巖等。區(qū)域性脈巖輝綠巖、閃斜煌斑巖、閃長玢巖等十分發(fā)育，且大都切穿天湖巖體，表明其侵入活動晚于二疊紀(jì)晚期侵入的天湖巖體(即華力西晚期造山運(yùn)動)，這些脈巖是在造山運(yùn)動之后(中新生代)，陸內(nèi)出現(xiàn)相對拉張的構(gòu)造環(huán)境下的產(chǎn)物。

1.4 斷裂構(gòu)造

天湖預(yù)選地段外圍構(gòu)造較為發(fā)育，主要有圖幅外北部尾亞—沙泉子和南部紅柳河2條EW向區(qū)域性大斷裂帶，預(yù)選地段內(nèi)主要在天湖巖體以北發(fā)育有捷山子大斷裂(F2)。受此3條區(qū)域性大斷裂影響，預(yù)選地段內(nèi)斷裂構(gòu)造相對發(fā)育。經(jīng)遙感解譯和地表追索調(diào)查，天湖預(yù)選地段在圖幅內(nèi)(圖1)共發(fā)育有37條斷裂，且?guī)r體以南比巖體以北斷裂更加發(fā)育，而中南部受EW向區(qū)域性大斷裂控制發(fā)育NE向和NW向的小斷裂。在天湖巖體內(nèi)僅發(fā)育1條NW走向、長約2 km的斷裂(F5-1)?？傮w上，天湖預(yù)選地段斷裂構(gòu)造雖然發(fā)育，但斷層時代較老，斷層巖均以硅化角礫巖為主，無活動構(gòu)造跡象[14]，其對天湖花崗巖體的穩(wěn)定性沒有影響，為處置庫場址篩選和評價的有利條件。

1.5 裂隙蝕變帶

天湖巖體中發(fā)育一組排列規(guī)則的裂隙構(gòu)造蝕變帶，這些裂隙構(gòu)造蝕變帶主要分布在天湖火車站以西花崗巖體內(nèi)，走向一般為NW340°，在裂隙構(gòu)造蝕變帶的北西端走向略有偏轉(zhuǎn)，變?yōu)镹W320°～300°。在天湖花崗巖體西緣T1-2T1單元一帶，裂隙構(gòu)造蝕變帶中大都充填了中基性脈巖，包括閃長玢巖脈、輝綠巖脈、閃斜煌斑巖等，而在東部裂隙構(gòu)造蝕變帶中，中基性脈巖充填較少。裂隙構(gòu)造蝕變帶延伸規(guī)模不一，大多數(shù)長度在300～2 000 m之間，研究區(qū)內(nèi)裂隙構(gòu)造蝕變帶共計33條，其間隔約100～500 m，為主干裂隙構(gòu)造蝕變帶(圖1)。在巖體中部北側(cè)，即中部T1T2單元的北部，是裂隙構(gòu)造蝕變帶最密集處。

2 軟件概述

地質(zhì)建模使用北京網(wǎng)格天地軟件技術(shù)有限公司開發(fā)的深探地學(xué)建模軟件。該軟件包含7個模塊：構(gòu)造建模模塊、礦體建模模塊、構(gòu)造演化模塊、應(yīng)力建模模塊、模型數(shù)據(jù)庫管理模塊、速度與屬性建模模塊及油藏地質(zhì)建模模塊，能夠完成復(fù)雜地質(zhì)體的結(jié)構(gòu)建模和屬性建模。本研究主要使用構(gòu)造建模模塊、礦體建模模塊和模型數(shù)據(jù)庫管理模塊3個模塊來完成。構(gòu)造建模模塊系統(tǒng)的核心是三角網(wǎng)格剖分技術(shù)和優(yōu)化的算法，可以自動計算斷層、地層接觸關(guān)系，依據(jù)原始數(shù)據(jù)快速生成精細(xì)三維構(gòu)造模型。在網(wǎng)格化過程中既充分考慮到斷層之間的接觸關(guān)系、地層之間的接觸關(guān)系和斷層與地層之間的接觸關(guān)系，又可加入地質(zhì)學(xué)家的認(rèn)識，準(zhǔn)確描述出更接近地質(zhì)實(shí)際的三維地質(zhì)構(gòu)造模型。礦體建模部分可直接利用地質(zhì)圖件解釋數(shù)據(jù)，創(chuàng)建任意大小形態(tài)的礦體，可滿足本次脈體建模的需求。同時，地質(zhì)體間大量的接觸關(guān)系可通過軟件的地質(zhì)體相交功能進(jìn)行處理，運(yùn)用地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動關(guān)系切割地質(zhì)體生成模型，所建的模型更符合地質(zhì)實(shí)際。該軟件用于本次建模主要有有3個方面優(yōu)勢：為沒有數(shù)據(jù)的工區(qū)解譯三維地質(zhì)數(shù)據(jù)體；地質(zhì)體間實(shí)現(xiàn)真正的無縫拼接；可創(chuàng)建任意形態(tài)大小的脈體、蝕變帶等三維地質(zhì)體。

3 建模思路和方法

本研究主要目的是對天湖預(yù)選地段的衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)資料、地形圖數(shù)字資料、地質(zhì)調(diào)查資料及地球物理測量等相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而建立該地段(面積526.75 km2、深度2 km)包含基本巖性分布、斷層、地質(zhì)體、脈體和蝕變帶的三維地質(zhì)體模型，直觀反映新疆預(yù)選區(qū)天湖地段巖性和斷裂特征及其空間分布，尤其是處置圍巖的深度、體積，從三維空間的角度為預(yù)選地段的篩選提供綜合地質(zhì)依據(jù)。

地質(zhì)體建模的基本思路為：采用三維構(gòu)造建模技術(shù)與構(gòu)造解釋相結(jié)合，將衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)資料、地形圖數(shù)字資料、地質(zhì)調(diào)查資料及地球物理測量等相關(guān)數(shù)據(jù)整理成軟件可接受格式導(dǎo)入，利用相干體技術(shù)及三維構(gòu)造可視化技術(shù)對地質(zhì)體及斷層的分布，尤其是對小斷層、小幅度構(gòu)造的分布細(xì)節(jié)進(jìn)行仔細(xì)分析和研究，實(shí)現(xiàn)由點(diǎn)到線，由線到面的空間立體綜合解釋，在解釋過程中，認(rèn)真推敲地質(zhì)體產(chǎn)狀及其變化，注重小斷層細(xì)節(jié)，用瞬時相位技術(shù)識別斷點(diǎn)，做到準(zhǔn)確解釋，并最終得到成果地質(zhì)體模型。

構(gòu)造建模的過程是根據(jù)解釋成果，采用斷裂恢復(fù)法由解釋的斷層和地層數(shù)據(jù)直接網(wǎng)格化生成地質(zhì)面，其中一個主要難點(diǎn)就是地層不整合關(guān)系的處理。工作區(qū)存在大量的不整合地層，不整合關(guān)系是由地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動產(chǎn)生的，因此從構(gòu)造運(yùn)動出發(fā)處理不整合關(guān)系建成的模型才更具地質(zhì)真實(shí)性。如果采取簡單的圈定邊界生成地質(zhì)體的方法建立的模型，各地質(zhì)體間不存在先后順序，無地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動的概念，而且各地質(zhì)體間不可能實(shí)現(xiàn)完全的無縫相接，導(dǎo)致模型無限放大后地質(zhì)體間會有縫隙。本次所用的深探地質(zhì)軟件正好可以解決這一問題，它采用還原地層的方法，首先按照地層沉積的層序建立覆蓋工區(qū)的所有地質(zhì)體模型，再按照構(gòu)造運(yùn)動的先后次序進(jìn)行地層的相交處理，就像地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動一樣，先生成的地層經(jīng)過一段時間的沉積后，花崗巖體再侵入進(jìn)來，將先沉積的地層切割掉，最終得到符合沉積次序的較為真實(shí)的三維地質(zhì)體模型。

脈體建模是根據(jù)脈體產(chǎn)狀選取不同的地層或斷層作為創(chuàng)建脈體的參考面，按照地形圖數(shù)字資料、地質(zhì)調(diào)查資料及地球物理測量等資料上的相關(guān)信息提取邊界線，根據(jù)精度要求設(shè)置網(wǎng)格步長后創(chuàng)建離散化三維脈體數(shù)據(jù)，設(shè)置脈體與地層或斷層的交接關(guān)系后即可得到三維脈體模型。由于脈體一般是侵入體與圍巖發(fā)生交代作用的產(chǎn)物，因此最后需處理脈體與圍巖、侵入體間交切關(guān)系。

通常在構(gòu)造建模時使用最小曲率和反距離加權(quán)法生成地層，可以在保證建模效率的前提下很好地控制構(gòu)造的形態(tài)特征。本次建模針對花崗巖體采用的是反距離加權(quán)和幾何光滑相結(jié)合的方法，針對變質(zhì)巖、沉積巖等地層均采用最小曲率法。由于建模區(qū)域面積較大，可用數(shù)據(jù)量相對較少，為了提高模型的準(zhǔn)確度，本次建模依據(jù)地質(zhì)認(rèn)識，通過增加虛擬剖面的方法進(jìn)行構(gòu)造解釋，對地層形態(tài)進(jìn)行控制。

4 模型實(shí)現(xiàn)步驟

整個建模過程可以劃分為數(shù)據(jù)預(yù)處理、地質(zhì)面的構(gòu)建、線框模型的構(gòu)建和地質(zhì)體的構(gòu)建等步驟。

4.1 研究區(qū)構(gòu)建與數(shù)據(jù)加載

1)在深探地學(xué)建模軟件中導(dǎo)入天湖研究區(qū)DEM離散點(diǎn)數(shù)據(jù)，設(shè)定地層面網(wǎng)格大小為200 m，采用最小曲率算法和三角網(wǎng)格化算法插值生成地表面。

2)在地表面的基礎(chǔ)上，把BMP格式的天湖地質(zhì)圖覆蓋在地表面上，并采用坐標(biāo)定位技術(shù)使導(dǎo)入的圖片與地表面完全重合。

3)利用深探地學(xué)建模軟件的地震解釋模塊功能，實(shí)現(xiàn)二維剖面的三維立體展布。按照對應(yīng)的坐標(biāo)位置，把天湖地段3條實(shí)測地質(zhì)剖面(剖面位置見圖1)的BMP位圖導(dǎo)入軟件，并采用坐標(biāo)定位技術(shù)使剖面圖在三維空間與地表面完全吻合。

4)依據(jù)天湖地形數(shù)據(jù)生成地表面，并在地表以下約2 km處建立水平地層面，作為巖體的基底。

完成天湖三維工區(qū)的構(gòu)建與數(shù)據(jù)加載(圖2)。

圖2 工區(qū)構(gòu)建與數(shù)據(jù)加載模型示意 圖3 斷層模型

4.2 斷層建模

綜合考慮研究區(qū)斷層的位置、長度、寬度、走向、傾向、傾角、延伸趨勢、斷層交切關(guān)系等一系列斷層性質(zhì)，在地表面(DTM)、基底面、地質(zhì)剖面及地球物理剖面上解釋斷層線，對于沒有剖面控制的斷層，通過添加虛擬地震解釋剖面進(jìn)行輔助解釋，完善控斷層形態(tài)的斷層數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)由點(diǎn)到線，由線到面的空間立體綜合解。

調(diào)整斷層的邊界，使斷層的長度和斷層邊界吻合，設(shè)定斷面網(wǎng)格50 m，采用最小曲率算法和三角網(wǎng)格化算法插值生成斷層面(圖3)。定義斷層之間的交切關(guān)系，建立合理、完善、準(zhǔn)確的斷層模型。

天湖區(qū)塊共建立斷層37條，其中斷層長度大于10 km(包括建模區(qū)域以外延伸部分)的有4條，長度在2～10 km的有19條，長度小于 2 km的有14條(圖3)。

4.3 地層建模

針對天湖研究區(qū)內(nèi)巖體間的接觸關(guān)系復(fù)雜的情況，為滿足巖體間的無縫融合與連接，把地質(zhì)體大致劃分為沉積模式和侵入模式兩大類來進(jìn)行建模。

按沉積模式建模的地質(zhì)體有：Qh1第四系全新統(tǒng)湖積物、Qhpl第四系全新統(tǒng)洪積物、(Qp3-Qh)pl第四系更新統(tǒng)—全新統(tǒng)洪積物、∈1x西大山組灰黑色硅質(zhì)巖夾角礫狀灰?guī)r、Chg長城系古硐井巖組大理巖—白云質(zhì)大理巖及片巖、P1h2紅柳河群中亞組灰色變質(zhì)礫巖和砂巖、P1h1紅柳河群下亞組灰色變質(zhì)砂巖、Pt1tc天湖鐵礦巖組c段白色大理巖—石英片巖和石英巖、Pt1tb天湖鐵礦巖組b段絹云母石英片巖—黑云母片巖夾黑云母斜長片麻巖、Pt1ta天湖鐵礦組a段厚層石英巖夾石英大理巖—絹云母石英片巖。

按侵入模式建模的地質(zhì)體有：P3W1二疊紀(jì)石英正長巖單元、P3T3晚二疊世細(xì)粒黑云母二長花崗巖單元、P3T2晚二疊世中—中細(xì)粒黑云母花崗閃長巖單元、P3T1晚二疊世中—中粗粒含斑黑云母二長花崗巖單元、γδP2H中二疊世中粒黑云母花崗閃長巖單元、ηγP2H中二疊世中粒黑云母二長花崗巖單元、ηγD泥盆紀(jì)黑云母二長花崗巖、γδPt2H中元古代片麻狀黑云母花崗閃長巖單元、ηγPt2H中元古代片麻狀黑云母鉀長花崗巖、P3W2二疊紀(jì)黑云母二長花崗巖單元。

在地質(zhì)圖、地質(zhì)剖面圖及地球物理剖面圖上解譯并提取地質(zhì)界線，由于研究區(qū)實(shí)測剖面圖較少，本次建模增加了50多個虛擬剖面(圖切剖面)作為輔助解釋，用于創(chuàng)建各自獨(dú)立的三維地質(zhì)數(shù)據(jù)體，并進(jìn)一步利用地震數(shù)據(jù)體格式采樣功能，建立整個研究區(qū)的離散點(diǎn)數(shù)據(jù)。設(shè)置地層面網(wǎng)格大小為200 m?？紤]到巖體分界面的離散點(diǎn)在三維空間展布及特點(diǎn)，沉積模式地質(zhì)體的分界面采用最小曲率插值算法和三角網(wǎng)格化算法插值生成地質(zhì)分界面，侵入模式地質(zhì)體的分界面采用反距離加權(quán)算法和三角網(wǎng)格化算法插值生成巖體分界面，并同時采用層面平滑技術(shù)增強(qiáng)巖體分界面與離散點(diǎn)之間的吻合程度。

在斷層和地層分界面的約束下，通過定義巖體分界面與地表面(DEM)和基底面之間的削截關(guān)系及巖體分界面之間的削截關(guān)系，使巖體在三維空間內(nèi)形成封閉的空間場景包圍盒, 并計算生成地質(zhì)體(圖4)。

圖4 地質(zhì)體模型(圖例說明同圖1)

4.4 脈體與蝕變帶建模

天湖區(qū)塊共含有22個脈體，33個蝕變帶。針對脈體與蝕變帶寬度較薄、形態(tài)較規(guī)則的特點(diǎn)，采用特有的脈體與蝕變帶建模方案: ①對研究區(qū)地質(zhì)資料綜合解譯，確定脈體、蝕變帶的位置、長度、寬度、個數(shù)、走向、傾向、傾角等信息；②在地質(zhì)圖、地質(zhì)剖面圖、地球物理剖面圖中，依據(jù)解釋斷層的模式，在脈體、蝕變帶的一側(cè)勾畫斷層線，并通過添加虛擬地震解釋剖面進(jìn)行輔助解釋，完善控制脈體(蝕變帶)形態(tài)的斷層線數(shù)據(jù)，使建立的數(shù)據(jù)在位置、長度、走向、傾向、傾角上與脈體和蝕變帶的產(chǎn)狀保持一致；③定義對應(yīng)的斷層面作為參考面，設(shè)置脈體與蝕變帶的寬度，深探地學(xué)建模軟件系統(tǒng)按照設(shè)置的寬度值，采用地震重采樣的功能，沿參考斷層面形態(tài)采樣離散點(diǎn)(圖5a)；④在天湖三維工區(qū)內(nèi)形成獨(dú)立的三維工區(qū)，通過三維空間坐標(biāo)變換技術(shù)，沿采樣的離散點(diǎn)生成脈體或蝕變帶的頂?shù)酌?，形成三維工區(qū)內(nèi)的空間場景包圍盒，生成脈體和蝕變帶(圖5b)。

圖5 脈體、蝕變帶模型

將建好的脈體、蝕變帶模型與地質(zhì)體做相交處理后，即得到天湖預(yù)選區(qū)的三維地質(zhì)體模型(圖6)。

圖6 天湖整體地質(zhì)模型(圖例說明同圖1)

5 模型的應(yīng)用

目前國際上普遍接受的高放廢物地質(zhì)處置方案是深部地質(zhì)處置，即把廢物埋在距離地表深約500～1 000 m的地質(zhì)體中，因此，深部地質(zhì)環(huán)境在高放廢物地質(zhì)處置研究中尤為重要。建立研究區(qū)三維地質(zhì)模型后，可以對模型進(jìn)行任意剖面切割、開挖、量算和有用信息提取等操作，方便直觀地對深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)信息進(jìn)行分析，對后續(xù)開展高放廢物處置庫選址相關(guān)工作具有重要的指導(dǎo)意義。

5.1 三維可視化分析與剖面生成

三維地質(zhì)模型實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)、模型、圖的一致性，能通過圖件內(nèi)容的異常及時反映出數(shù)據(jù)的錯誤并及時調(diào)整和修正。利用地質(zhì)模型可以開展一系列三維可視化分析，對整體或局部關(guān)注的地質(zhì)體或要素進(jìn)行多角度多方式的展示。將模型中的天湖花崗巖體與斷裂提取出來(圖7a)，可以直觀地看到花崗巖巖性單一，巖體呈巖株?duì)?，且邊界外傾，巖體深部橫截面變大，深度2 km的巖體體積約為296 km3；斷裂主要分布在花崗巖體外部，巖體內(nèi)僅發(fā)育1條NW走向、長約2 km斷裂。在模型中僅顯示花崗巖體、蝕變帶及巖脈(圖7b)，可以看到，巖體內(nèi)部NNW向的裂隙構(gòu)造蝕變帶比較發(fā)育，巖體西部的裂隙構(gòu)造蝕變帶中大都充填有中基性脈巖，東部裂隙構(gòu)造蝕變帶脈巖充填較少。

圖7 巖體與斷裂及巖脈、蝕變帶的空間關(guān)系(圖例說明同圖1、圖3)

在三維地質(zhì)模型的基礎(chǔ)上可以快速地編制大量的基礎(chǔ)地質(zhì)圖件，如構(gòu)造平面圖、剖面圖、等厚圖、等值線圖等。對天湖地段進(jìn)行剖面切割，隨機(jī)選取3條剖面進(jìn)行巖體深部地質(zhì)信息探討，其中剖面Ⅰ、Ⅱ?yàn)閮蓷l平行的近南北向剖面，剖面Ⅲ與剖面Ⅰ、Ⅱ垂直相交(圖8)，可以看出，3條剖面上巖性主體均為花崗巖，沿剖面Ⅰ(近東西)方向蝕變帶分布較為密集，剖面Ⅰ、Ⅱ南部和剖面Ⅱ、Ⅲ東北部蝕變帶分布較少，巖體南部和東北部相對完整。

圖8 天湖任意剖面切割(圖例說明同圖1)

利用模型單獨(dú)提取巖體、斷層、蝕變帶等信息，并切取剖面對深部地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行分析后，初步認(rèn)為天湖預(yù)選地段適宜開展進(jìn)一步工作，由于巖體中、西部裂隙構(gòu)造蝕變帶發(fā)育，完整性受到了一定影響，巖體東北部和南部更適宜開展進(jìn)一步工作。

5.2 切割與開挖

利用三維模型進(jìn)行縮放、平移、剝離、疊加、拾取等操作，可以從不同角度和方位觀察、分析深部地質(zhì)特征，便于初步篩選場址；對選定場址內(nèi)的任意小塊進(jìn)行切割和開挖，方便對可選用價值較高的區(qū)塊進(jìn)行精細(xì)的構(gòu)造分析，以確定是否有足夠的容積開展廢物處置，并在合適的位置進(jìn)行虛擬處置巷道和處置坑的布設(shè)，為場址評價提供技術(shù)支持。

切取天湖預(yù)選地段兩個鉆孔所在花崗巖塊的局部模型(圖9)，該巖塊無斷裂通過，但NNW向的裂隙構(gòu)造蝕變帶比較發(fā)育，TH-2號孔以東相對完整。鉆孔揭露資料顯示，TH-01和TH-02鉆孔裂隙蝕變帶均較發(fā)育，TH-01鉆孔256 m以下巖石完整，TH02鉆孔239.35～301.50 m、350.30～457.60 m、507.00～596.35256 m三段巖石完整。利用地質(zhì)模型進(jìn)行不同深度水平方向剖切研究，發(fā)現(xiàn)巖塊在510.00～595.00 m深度范圍內(nèi)蝕變帶減少，有更大范圍進(jìn)行虛擬處置坑道和巷道的布設(shè)，可對場址不同深度的適宜處置面積進(jìn)行對比，為將來處置庫深度和空間布設(shè)提供有益參考。

圖9 天湖模型局部開挖(圖例說明同圖1)

基于成果模型還可開展距離、面積、體積等量算，為未來處置庫的空間布設(shè)及單個處置坑的展布尺寸等提供設(shè)計依據(jù)。隨著高放廢物地質(zhì)處置選址工作進(jìn)一步深入，地質(zhì)模型作為基礎(chǔ)模型還將為場址性能評價提供重要的構(gòu)造形態(tài)規(guī)模和性質(zhì)參數(shù)，為水文地質(zhì)建模、地球化學(xué)建模等數(shù)值計算等提供邊界條件。此外，隨著研究區(qū)地質(zhì)資料的不斷豐富，還可結(jié)合地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)相關(guān)知識，對深部地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行預(yù)測，并利用實(shí)際地質(zhì)資料對模型進(jìn)行修正，不斷提高模型的可預(yù)測性和可靠性。

6 結(jié)論

1)結(jié)合三維地質(zhì)可視化模型的理論方法和研究區(qū)地質(zhì)資料，運(yùn)用深探地學(xué)建模軟件建立了天湖預(yù)選地段地質(zhì)模型，描述了預(yù)選地段三維構(gòu)造形態(tài)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)、模型、圖件的統(tǒng)一?？梢詮亩S到三維、從整體到局部，綜合地對研究區(qū)地質(zhì)條件進(jìn)行三維可視化分析，直觀地表達(dá)地質(zhì)信息在處置主巖中的分布規(guī)律。

2)從巖性組合與巖體形態(tài)及空間展布來看，天湖地段花崗巖體巖性單一，呈等軸狀巖株產(chǎn)出，花崗巖邊界外傾，巖體體積滿足處置庫場址條件；斷裂主要分布在花崗巖體外部，僅在巖體東南部發(fā)育一條走向NW、出露長度2 km的斷裂；巖體內(nèi)部脈體和蝕變帶較為發(fā)育，巖體中、西部完整性受到了一定影響，巖體東北部和南部更適宜開展進(jìn)一步工作。

3)建立研究區(qū)三維地質(zhì)模型，可以方便對研究區(qū)地質(zhì)資料進(jìn)行有效管理，依托模型可隨時查詢、更新地質(zhì)數(shù)據(jù)，分析各種地質(zhì)信息在整個模型中的分布特征及規(guī)律，提高對于地質(zhì)規(guī)律的認(rèn)識，可以更好地指導(dǎo)處置庫的選址、場址評價以及處置庫的建造等工作。

4)隨著研究區(qū)地質(zhì)資料的不斷豐富，以建立的地質(zhì)模型為基礎(chǔ)，可結(jié)合地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)相關(guān)知識對深部地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行預(yù)測等探索；三維地質(zhì)模型作為基礎(chǔ)模型還可以為場址性能評價提供重要的構(gòu)造形態(tài)規(guī)模和性質(zhì)參數(shù)，為高放廢物地質(zhì)處置研究區(qū)其他模型的建立和數(shù)值計算等提供邊界條件。

致謝：衷心感謝北京網(wǎng)格天地軟件技術(shù)有限公司孫艷霞、支亮兩位工程師在建模過程中提供的技術(shù)支持和幫助。