何建國(guó)，高洪雷，張 松，田明明，黃賢芳，孔維豪，李 平，白 蕓

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，中核集團(tuán)鈾資源勘查與評(píng)價(jià)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029）

為了安全處置高放廢物，國(guó)際上高放廢物處置庫(kù)均采用天然屏障和人工屏障組成的多重屏障系統(tǒng)。對(duì)保障處置庫(kù)的安全性而言，天然屏障的作用是主要的，而人工屏障是對(duì)天然屏障的補(bǔ)充［1］，是用來(lái)彌補(bǔ)場(chǎng)址天然屏障的不足而采取的工程措施［1-2］。要使多重屏障系統(tǒng)在安全處置方面長(zhǎng)期發(fā)揮作用，保障處置庫(kù)的壽命至少達(dá)到1萬(wàn)a甚至更長(zhǎng)的時(shí)間，還必須有一個(gè)不可或缺的前提條件，即處置庫(kù)場(chǎng)址必須選在一個(gè)區(qū)域地殼穩(wěn)定的地區(qū)［2］。因此，處置庫(kù)場(chǎng)址的區(qū)域地殼穩(wěn)定性從根本上影響著高放廢物能否安全處置，是區(qū)域選址階段必須解決的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。西北地區(qū)高放廢物處置庫(kù)備選區(qū)預(yù)選研究項(xiàng)目組從2008年開(kāi)始，遵循從區(qū)域到局部的技術(shù)路線，充分利用前人對(duì)全國(guó)區(qū)域活動(dòng)構(gòu)造與區(qū)域地殼穩(wěn)定性分區(qū)的研究成果［3-4］，從區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)性問(wèn)題切入，排除明顯不適合選址的區(qū)域地殼不穩(wěn)定區(qū)域，按照諸如區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，不存在區(qū)域性構(gòu)造結(jié)，花崗巖體發(fā)育，降水稀少，非水源地，無(wú)人煙或人口稀少，地貌平緩，無(wú)土地利用前景等區(qū)域選址條件遴選出東天山地區(qū)為選址的重點(diǎn)工作區(qū)之一。筆者僅對(duì)東天山區(qū)域地殼穩(wěn)定問(wèn)題進(jìn)行討論。

1 地形地貌特點(diǎn)

東天山重點(diǎn)工作區(qū)地貌類(lèi)型為干燥的剝蝕高原［5］，海拔一般為900～1300 m，局部為干燥剝蝕山地，海拔最高達(dá)1538m。構(gòu)造地貌類(lèi)型為燕山運(yùn)動(dòng)隆起喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)上升的高原［5］，屬區(qū)域整體構(gòu)造隆升的產(chǎn)物。

TM遙感圖像上，從東天山西部的阿奇山至東天山東部的雅滿蘇—尾亞—天湖一帶，未見(jiàn)地形起伏引起的圖像陰影，說(shuō)明地形平緩。

野外實(shí)地觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)東天山為準(zhǔn)平原化老年地貌。表現(xiàn)為地形起伏和緩，高差小，方圓200～300m以?xún)?nèi)一般高差小于10m。局部受巖性差別引起的差異風(fēng)化影響，高差可達(dá)到15 m。干枯的季節(jié)性河流多為寬谷，寬度在10～40m，深度從不足1 m到數(shù)米，河谷谷坡上未見(jiàn)河流階地，河床平坦，坡降和緩，河流游蕩性強(qiáng)，河道沉積物最大粒度一般小于5cm，個(gè)別最大的一般也不超過(guò)10cm，河道中一般均有厚幾十厘米至2m以下的河流沖積物，河床上除局部出露抗風(fēng)化的硅質(zhì)巖外，很少見(jiàn)基底裸露，說(shuō)明沖刷剝蝕與堆積作用基本平衡。工作區(qū)準(zhǔn)平原化老年地貌、沖刷剝蝕與堆積作用基本平衡的季節(jié)性寬淺沖溝、不發(fā)育河流階地均顯示地殼穩(wěn)定區(qū)的地形地貌特點(diǎn)。

2 區(qū)域斷裂活動(dòng)性、歷史地震記錄與地震烈度

2.1 區(qū)域斷裂活動(dòng)性

東天山地區(qū)有兩條區(qū)域性構(gòu)造（圖1），分別為康古爾塔格—黃山韌-脆性剪切斷裂帶和阿奇山—沙泉子斷裂（博樂(lè)—阿其克庫(kù)都克斷裂的東段）。其中，康古爾塔格—黃山韌-脆性剪切斷裂帶是一條早二疊世韌性剪切帶疊加晚二疊世脆性右行走滑（壓扭性）斷裂的多期活動(dòng)的構(gòu)造帶。在放大到1∶50000的SPOT多分辨率（全色與多譜段）遙感圖像上，該斷裂帶中的右行走滑（壓扭性）主干斷裂（稱(chēng)為康古爾塔格斷裂）兩側(cè)區(qū)域?yàn)闇?zhǔn)平原化地貌，橫穿該斷裂的沖溝并未在斷裂附近出現(xiàn)錯(cuò)動(dòng)（圖2），干河床寬度及坡度也未發(fā)生變化（圖3、4），顯示該斷裂帶不屬于活動(dòng)斷裂。另外，沿該斷裂未見(jiàn)第四系分布，說(shuō)明其屬于前第四紀(jì)斷裂。

圖1 東天山地區(qū)構(gòu)造綱要圖Fig.1 The structure outline map of eastern Tianshan

阿奇山—沙泉子斷裂形成于晚石炭世末，早期擠壓逆沖推覆，中期右行走滑，晚期再次向北逆沖。在阿奇山南和雅滿蘇南，沿晚期逆沖斷裂破碎帶上盤(pán)抬升區(qū)形成的山前斷層谷地十分寬緩，谷地內(nèi)第四系沖積物厚度僅為數(shù)米，探槽中未發(fā)現(xiàn)第四系沖積物被斷裂切割的現(xiàn)象。逆沖斷裂帶上盤(pán)抬升形成的山體和斷層崖已經(jīng)被風(fēng)化剝蝕成渾圓的山嘴，處于戴維斯斷層崖地貌侵蝕降低后退演變的第3階段，即斷層三角面進(jìn)一步降低、后退，形成渾圓的山嘴，山嘴已距離斷層一段距離，預(yù)示晚期逆沖活動(dòng)距今較早。沿破碎的斷層帶中采集到2件ESR測(cè)年樣品，測(cè)年結(jié)果分別 為 （392±39）KaB.P、 （1479±147）KaB.P；說(shuō)明阿奇山—沙泉子斷裂在早—中更新世有過(guò)活動(dòng)。另外，橫穿該斷裂的河流為平底的寬谷，從隆起區(qū)至下降區(qū)，河床坡降基本一致，無(wú)裂點(diǎn)；全新世沖積扇規(guī)模小，沉積厚度薄 （小于1 m），沖積物粒度小于5 cm，地貌漸變，未發(fā)現(xiàn)斷裂新近活動(dòng)的痕跡。綜合判斷認(rèn)為阿奇山—沙泉子斷裂晚更新世以來(lái)未活動(dòng)。

圖2 穿越康古爾塔格斷裂的沖溝SPOT遙感圖像Fig.2 The SPOT image of the gully through Kangguertag fault

圖3 沿康古爾塔格斷裂走向兩側(cè)的沖溝地貌（鏡向西）Fig.3 The landform along the both sides of Kangguertag fault（the lens to the west）

圖4 穿越康古爾塔格斷裂的沖溝地面照片（鏡向北）Fig.4 Photo of the gully through Kangguertag fault（the lens to the north）

2.2 歷史地震與地震烈度

東天山為非地震活動(dòng)區(qū)，是被北天山地震帶、南天山地震帶和柴達(dá)木—阿爾金地震帶圍限的一個(gè)“安全島”。從阿奇山到雅滿蘇的東天山中心地區(qū)，幾乎沒(méi)有破壞性地震分布，3級(jí)以上的歷史地震也僅記錄到1次，為康古爾塔格東部的3.9級(jí)地震；小于3.9級(jí)的地震呈彌散狀分布，與康古爾塔格—黃山韌-脆性剪切斷裂帶和阿奇山—沙泉子斷裂沒(méi)有明顯的聯(lián)系。

東天山地震烈度絕大部分＜Ⅵ度，僅少部分為Ⅵ度［6］，為地震低烈度區(qū)。

3 現(xiàn)代地殼形變

3.1 地殼水平運(yùn)動(dòng)

GPS觀測(cè)結(jié)果表明［7］，在西天山喀什以西，地殼縮短速率大約為18 mm·a-1，喀什以東的地殼縮短速率減小為約13 mm·a-1。庫(kù)車(chē)一帶的地殼縮短速率大約為7mm·a-1。烏魯木齊站一帶橫跨東天山的地殼縮短速率小于2 mm·a-1，再向東到天山東端的哈密一帶，地殼縮短基本上趨于0。向北運(yùn)動(dòng)的分量基本上趨于0。烏魯木齊—庫(kù)爾勒一線是天山地殼縮短變形的一個(gè)明顯的分界線，分界線以西，地殼水平縮短明顯；以東即鄯善—哈密以南的東天山，現(xiàn)代地殼水平運(yùn)動(dòng)速度小或者接近0，地殼縮短不明顯。說(shuō)明在現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)下，鄯善—哈密以南的東天山地區(qū)未遭受明顯的SN向擠壓?，F(xiàn)代地殼縮短速率小或者接近0。

分布在東天山的桃樹(shù)園組（E3N1t）為一套紅色、黃色粉砂巖、砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥巖河流沉積，沉積厚度薄，最大約20m，地層現(xiàn)在仍保持原始沉積的水平產(chǎn)狀，說(shuō)明桃樹(shù)園組沉積后的新近紀(jì)以來(lái)，東天山并未遭受明顯的構(gòu)造擠壓變形。

3.2 地殼垂向運(yùn)動(dòng)

東天山地區(qū)除沿阿奇山—沙泉子斷層局部地段形成的谷地內(nèi)分布厚度僅數(shù)米的第四系沖積物外，第四系總體不發(fā)育，不存在區(qū)域性的地殼下降。筆者利用磷灰石裂變徑跡對(duì)東天山地區(qū)的地殼隆升史進(jìn)行了分析，結(jié)果表明取自東天山東段的12個(gè)磷灰石裂變徑跡年齡集中于81～53 Ma，記錄了東天山地區(qū)晚白堊世—始新世的冷卻事件。根據(jù)實(shí)測(cè)裂變徑跡數(shù)據(jù)和徑跡長(zhǎng)度與利用AFTSolve軟件對(duì)磷灰石溫度-時(shí)間反演模擬結(jié)果具有明顯的一致性來(lái)判斷，晚白堊世—始新世（80～50 Ma），東天山地區(qū)經(jīng)歷了一次強(qiáng)烈的快速隆升-剝露事件［8］；而始新世（50 Ma）至今的溫度-時(shí)間模擬曲線為一條略向上翹起的近水平直線，預(yù)示東天山地殼始新世以來(lái)基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，但存在輕微的抬升。這一判斷也得到東天山地區(qū)河道沖刷剝蝕與堆積作用基本平衡事實(shí)的佐證。另外，郭召杰對(duì)取自東天山東段尾亞和西段阿奇山地段的磷灰石和鋯石裂變徑跡年齡研究表明，東天山地區(qū)的現(xiàn)今構(gòu)造面貌基本繼承了中生代時(shí)期特征［9］。同時(shí)，根據(jù)何為2009年測(cè)得東天山紅山銅金礦地表氧化帶表生礦物黃鉀鐵礬的形成年齡為11 Ma可見(jiàn)［10］，11 Ma時(shí)期近地表礦床氧化帶未被剝蝕掉，反映東天山11 MaB.P.處于穩(wěn)定狀態(tài)，地殼抬升幅度很小。

另外，筆者在東天山地區(qū)取平均地溫梯度 35℃·km-1，磷灰石封閉溫度 （110±10）℃，地表溫度10℃，利用磷灰石裂變徑跡計(jì)算得到的東天山83 Ma以來(lái)的平均隆升速率4.31×10-2mm·a-1，隆 升 速 率 非常低［8］。 郭召杰利用磷灰石和鋯石裂變徑跡計(jì)算得到的東天山地區(qū)晚白堊世的平均隆升速率也處在10-2mm·a-1級(jí)別［9］，同樣指示東天山地區(qū)隆 升速率非常低，地殼抬升不明顯，反映東天山地區(qū)區(qū)域地殼穩(wěn)定。

4 區(qū)域地球物理場(chǎng)

4.1 區(qū)域重磁場(chǎng)特征

據(jù)梁月明等（2001）的研究，醒目的康古爾塔格重力梯度帶作為東天山重力異常的分區(qū)界線，以極顯著的標(biāo)志劃分了南、北重力異常場(chǎng)，北部為迪坎爾—康古爾塔格—梧桐大泉重力高值異常區(qū)，南部為重力低值異常區(qū)［11］。該重力梯度帶呈中部略向南凸的弧形波狀東西橫貫全區(qū)，連續(xù)分布500 km以上，寬度一般10～20 km，重力值位于20×10-5～30×10-5m·s-2之間，梯度變化每千米在2×10-5～3×10-5m·s-2之間。該梯度帶對(duì)應(yīng)康古爾塔格—黃山韌-脆性斷裂帶。

在康古爾塔格—黃山韌-脆性斷裂帶北側(cè)的航磁升高磁異常帶經(jīng)上延不同高度處理后，航磁異常依然存在，表明引起升高磁異常的主要因素并不是出露地表的石炭紀(jì)火山巖，這些以中基性為主的火山巖可以形成劇烈跳動(dòng)的變化磁場(chǎng)，但不可能在長(zhǎng)達(dá)500余千米的范圍內(nèi)形成連續(xù)性很好的升高磁異常帶。推斷磁異常帶是由隱伏強(qiáng)磁性地質(zhì)體引起的，是古老結(jié)晶基底的反映，說(shuō)明康古爾塔格—黃山韌-脆性斷裂帶可能是不同地殼基底的拼貼帶，而康古爾塔格重力梯度帶是不同重、磁物性特征的地殼基底引起的，而非現(xiàn)代構(gòu)造活動(dòng)的產(chǎn)物。

另外，沿康古爾塔格—黃山韌-脆性斷裂帶局部重力高、磁升高異常具有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，表明重、磁升高異常是由同一地質(zhì)因素造成的。地質(zhì)勘查結(jié)果表明，沿康古爾塔格—黃山韌-脆性斷裂帶走向，地表幾十處見(jiàn)到超基性巖體［11］，沿?cái)嗔训母叽女惓ｃ@探發(fā)現(xiàn)有基性-超基性巖分布。在黃山一帶，已圈定10余處基性-超基性巖體，這些巖體源自上地幔，以輝長(zhǎng)輝綠巖、輝石角閃橄欖巖為主。上述基性-超基性巖的分布不是以孤立的巖體產(chǎn)出，往往成帶成片分布，這些巖體幾乎全部在重、磁異常高點(diǎn)或異常高點(diǎn)附近出露。巖石物性測(cè)量結(jié)果，基性-超基性巖的平均密度為 2.87×103～2.98×103kg·m-3，比石炭紀(jì)巖石平均密度高出0.3×10-3～0.4×10-3kg·m-3，兩者的密度差十分明顯；巖石磁化率比石炭紀(jì)巖石平均磁化率高出幾倍到幾百倍，兩者的磁性差異也十分明顯。這些基性-超基性巖巖體已經(jīng)把康古爾塔格—黃山韌-脆性斷裂帶兩側(cè)地質(zhì)單元“焊”接在一起，是晚石炭世—二疊紀(jì)東天山地區(qū)地殼克拉通化的結(jié)果。

4.2 重力均衡異常

在重力均衡異常圖上［12］，東天山地區(qū)東經(jīng)90°以東的區(qū)域均衡重力異常0～20 mgal，此圖的原作者賈民育等考慮到繪圖精度，認(rèn)為均衡重力異常絕對(duì)值小于20 mgal的地區(qū)為基本均衡區(qū)。如依此為標(biāo)準(zhǔn)，東天山地區(qū)屬重力基本均衡區(qū)，顯示地殼穩(wěn)定區(qū)的均衡重力異常特征。

5 地殼速度結(jié)構(gòu)與巖石圈有效彈性厚度

5.1 地殼速度結(jié)構(gòu)

邱瑞照等（2006）通過(guò)對(duì)鄂爾多斯克拉通型巖石圈和塔里木克拉通型巖石圈的研究，認(rèn)為殼內(nèi)速度結(jié)構(gòu)為正梯度，無(wú)殼內(nèi)低速層，是典型的大陸克拉通巖石圈的結(jié)構(gòu)特征［13］。

圖5 中國(guó)北部北緯42°～44°西部天山—長(zhǎng)白山區(qū)S波速度結(jié)構(gòu)剖面［14］Fig.5 The S wave velocity structural profile of west Tianshan-Changbai Mountain along N42°～44°in north of China［14］

據(jù)陳國(guó)英等利用中周期和長(zhǎng)周期瑞利面波資料分別反演得到中國(guó)北部及其鄰區(qū)的三維S波速度結(jié)構(gòu)結(jié)果［14］（圖5），東天山地殼厚度為43～45 km，吐魯番—哈密的地殼S波速度結(jié)構(gòu)為正梯度地殼波速結(jié)構(gòu)，即由淺到深S波速度整體上表現(xiàn)為越來(lái)越大，中、下地殼不存在低速層，與塔里木穩(wěn)定地區(qū)具有類(lèi)似的地殼結(jié)構(gòu)，顯示地殼穩(wěn)定區(qū)的速度結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

5.2 巖石圈有效彈性厚度

巖石圈有效彈性厚度為與巖石圈板塊中實(shí)際應(yīng)力所產(chǎn)生的彎矩相等的理論彎曲彈性薄板的厚度。它標(biāo)志著在地質(zhì)時(shí)間尺度內(nèi)巖石承受壓力超過(guò)100 MPa時(shí)發(fā)生彈性行為和流變行為轉(zhuǎn)變的深度［15］。利用巖石圈有效彈性厚度概念可以分析巖石圈的力學(xué)強(qiáng)度，反映地殼的穩(wěn)定性特點(diǎn)。即巖石圈有效彈性厚度越大，抵抗地應(yīng)力作用的能力越強(qiáng)，地殼越穩(wěn)定，反之，地殼活動(dòng)性強(qiáng)。

據(jù)趙俐紅等對(duì)中國(guó)西部大陸巖石圈有效彈性厚度的研究成果［16］（圖6），東天山與地殼穩(wěn)定的塔里木都是巖石圈有效彈性厚度為40～50 km的中等強(qiáng)度塊體，比庫(kù)爾勒以西地殼強(qiáng)烈活動(dòng)的南天山的巖石圈有效彈性厚度大了25～35 km。巖石圈有效彈性厚度大者則不易變形，說(shuō)明東天山地區(qū)地殼穩(wěn)定。

圖6 工作區(qū)及鄰區(qū)巖石圈有效彈性厚度圖［16］Fig.6 Effective elastic thickness of the lithosphere of working area and its adjacent area［16］

6 大地?zé)崃髋c地?zé)岙惓?/h2>

據(jù)汪洋等的研究［17］，東天山地區(qū)熱流值為45～60 mW·m-2之間。比西天山高熱流區(qū)，熱流值60～70 mW·m-2要低得多，但與塔里木盆地低熱流區(qū)，熱流值42～56 mW·m-2接近。顯示東天山地區(qū)與地殼穩(wěn)定的塔里木盆地具有類(lèi)似的熱流特征。

據(jù)中國(guó)溫泉分布圖［18］，東天山地區(qū)不發(fā)育溫泉。與塔里木盆地內(nèi)部、準(zhǔn)噶爾盆地內(nèi)部一并劃歸無(wú)水熱活動(dòng)區(qū)。無(wú)水熱活動(dòng)是區(qū)域地殼穩(wěn)定的表現(xiàn)。

7 結(jié)論

從以上6個(gè)方面的討論中，發(fā)現(xiàn)東天山地區(qū)具有準(zhǔn)平原化老年地貌、發(fā)育沖刷剝蝕與堆積作用基本平衡的寬淺沖溝；區(qū)內(nèi)的區(qū)域性斷裂晚更新世以來(lái)不活動(dòng)或?yàn)榍暗谒募o(jì)斷裂；從阿奇山到雅滿蘇的東天山中心地區(qū)，幾乎沒(méi)有破壞性地震分布，3級(jí)以上的歷史地震也僅記錄到1次，為康古爾塔格東部的3.9級(jí)地震。區(qū)內(nèi)絕大部分地震烈度＜Ⅵ度，部分為Ⅵ度；區(qū)內(nèi)現(xiàn)代地殼縮短速率小或者接近0，桃樹(shù)組（E3N1t）未遭受過(guò)擠壓褶皺變形，仍保持水平產(chǎn)狀；晚白堊世以來(lái)，該地區(qū)的平均隆升速率處在10-2mm·a-1級(jí)別，地殼抬升不明顯；重、磁場(chǎng)綜合解釋表明東天山地區(qū)不存在新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)引起的重力梯度帶，重力基本均衡；東天山地區(qū)殼內(nèi)不發(fā)育低速層，巖石圈有效彈性厚度大，屬低熱流區(qū)，不發(fā)育地?zé)岙惓５?。?jù)此分析認(rèn)為東天山區(qū)域地殼穩(wěn)定，就選址安全而言，值得進(jìn)一步開(kāi)展高放廢物處置庫(kù)選址工作。

致謝：在與本文有關(guān)的研究工作中，作者曾得到徐國(guó)慶研究員級(jí)高級(jí)工程師的悉心指導(dǎo)與幫助，他在高放廢物處置庫(kù)選址方面提出的許多前瞻性和建設(shè)性意見(jiàn)和建議使作者受益良多，在此表示誠(chéng)摯感謝！

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