高放废物处置库北山预选区深部地下水成因机制研究

发布时间：2020-07-19 00:57

【摘要】：目前国际上公认的技术上最为可行的高放废物安全处置方法为深地质处置，即以地质体作为天然屏障，并在地下处置库中设置多重人工屏障，从而实现高放废物与人类生存环境的长期或者永久隔离。基岩裂隙介质对核废物的屏障功能以及作为核素迁移载体的基岩裂隙水的水文地质特征对高放废物处置库的安全性能极为重要。鉴于高放废物具有强放射性、长半衰期及高释热率等特点，在场址筛选和安全评价中，往往更注重于处置库场址水文地质长时间尺度的系统特征。因此，开展高放废物处置库北山预选区深部地下水成因机制研究，获取地下水水化学与同位素等所蕴涵的水文地质信息，对理解和把握处置库场址地下水的补给来源和滞留时间、长时间尺度的地下水系统特征及深部地下水循环模式与动力学特征具有重要的意义。论文研究目标是揭示我国高放废物处置库甘肃北山预选区深部地下水成因机制，为我国高放废物地质处置库场址的选址提供依据。为此主要开展三个方面的研究工作：（1）地下水水化学与同位素分布特征研究；（2）浅部介质的渗透特性与地下水补给研究；（3）地下水测年及深部地下水的成因机制研究。论文研究以我国高放废物地质处置的工程需求及关键水文地质问题为导向，围绕北山预选区深部地下水成因机制这一核心问题开展研究。首先在收集和总结前人研究成果的基础上，详细分析研究区的水文地质背景；通过开展深部环境原状地下水取样、地下水的水化学与同位素分布特征、地下水的分层监测、氯质量平衡法的地下水补给估算、同位素测年等综合手段和方法，重点研究地下水的补给及水化学同位素特征、测定深部地下水的年龄、识别地下水的循环更新速率及补给来源，提出地下水补给机制和流动模式，深化研究区深部地下水的成因机制的认识，解决深部地下水的年龄和成因机制等关键水文地质问题，为我国高放废物地质处置研发工作提供了重要的科学依据。通过研究得出如下成果和认识： 1.采用国际先进的双栓塞水文地质试验系统，历时近4个月的深部地下水分层连续抽水试验，在我国高放废物处置库甘肃北山预选区的BS15号钻孔，成功地采集到330m～340m和390m～400m两个深度段的原状地下水样，并开展了地下水的水化学、同位素及惰性气体测试工作。 2.通过渗透性试验定量获得了区内不同地貌单元的渗透参数，平滩地带渗透性最弱，平均渗透系数为7.69×10-6m/s，沟谷和缓坡地带平均渗透系数分别为4.0×10-5m/s和1.6×10-5m/s，构造影响带的渗透性最强，渗透系数达10-4m/s的量级。基于包气带的氯质量平衡法估算的地下水补给量在第四系较厚的沟谷中仅1.57mm/a，基于饱和带氯质量平衡法估算的区域浅部地下水补给量为0.28mm/a，不足大气降水量的1%。 3.重点阐明了区内大气降水、浅部和深部地下水的水化学及同位素特征，浅部地下水水化学类型以Na-Cl-SO4型和Na-Ca-Cl-SO4型为主，深部地下水水化学类型以Na-Cl-SO4型为主，深部地下水经历了相对较长的水流路径和更长时间的水岩作用，地下水循环速率较慢；地下水样中的δD和δ18O大部分位于降水线的右下侧，且沿着斜率为5的蒸发线分布；地下水的补给高程范围均落在研究区范围附近，研究区大气降水补给的平均月气温为13.6℃，浅部地下水的主要补给来源于本地雨季的大气降水，深部地下水的氚含量都小于5TU，氚含量较低，说明深部地下水并非现代成因为主的大气降水所补给。 4.联合使用多种同位素（2H、18O、3H、14C、85Kr、81Kr）及环境示踪剂（4He），并结合研究区水文地质条件、水化学和同位素特征，对研究区BS15号孔深部地下水的年龄进行了综合分析与校正计算。其中，深部地下水的14C年龄分布在5.7ka～8.7ka；在国内首次测得了地下水中的81Kr的数据，其81Kr年龄达25ka和46ka；基于地下水溶解气体及深部原位岩石的取样和测试，采用4He积累法所估算的深部地下水平均滞留时间为3.8ka和5.0ka。定量评价了区内地下水的更新速率，其中浅部地下水的更新速率为0.28mm/a，深部地下水的流速为9.8×10-4m/a～9.5m/a，深部地下水的更新速率为0.006%～0.012%。 5.结合地下水的水化学、同位素、水文地质试验及地下水动态监测等数据，提出了深部地下水同时接受侧向古地下水和浅部年轻水的补给机制，深部地下水以侧向补给的老水为主，所占比例大于80%的成因模式，且无深部壳源和幔源的补给来源，总结了研究区地下水的补给和流动模式，揭示了区内深部地下水的成因机制。本文的研究，不仅深化了对预选区场址水文地质条件的认识，而且在国内首次开展了81Kr同位素测年研究，根据地下水水化学演化特征、氯离子示踪估算及同位素测年研究，定量评价了地下水补给量及更新速率，从新老水混合的角度认识和提取同位素水文地质信息，认识了深部地下水的年龄属性，从水循环的角度提出了地下水的补给机制、流动模式及成因机制，在学术思路及研究方法上具有一定的创新性，为推动我国高放废物地质处置工作具有重要的研究意义。
【学位授予单位】：核工业北京地质研究院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：P641.11;TL942
【图文】：

洪积相,残积物,片流,含砂量

图 2-5 第四纪地质图（据郭永海、刘淑芬等修改，2012a）Fig.2-5 Quaternary geological map坡洪积相砂碎石主要为侏罗系残积物经片流搬运再堆积而成，并混有风成砂及亚砂土，浅灰黄色，砾石直径一般小于 2cm，含砂量较大，具不清晰的层理。

地质图,地质图

图 2-6 区域构造地质图（据郭召杰，2007；1:20 万地质图修改）Fig.2-6 Map of regional structural geology

高放废物处置库北山预选区深部地下水成因机制研究

区域水文地质图（据郭永海、刘淑芬等修改，2007a）

【参考文献】