蒋美霞, 刘平辉*, 向龙, 高宏霞

(1.东华理工大学地球科学学院, 南昌 330013; 2.核资源与环境国家重点实验室, 南昌 330013)

发展核能是国家发展战略,是实现“双碳”目标的重要途径,对核能利用产生的高放废物实施“深地质处置”是目前国际公认高放废物处置的可行方案[1-3]。当前,中国正在开展高放废物地质处置库黏土岩(泥岩)场址的筛选与评价工作。薛凯喜等[4]提出了中国黏土岩(泥岩)处置库场址预选地区筛选的基本准则。泥岩作为高放废物地质处置库围岩应具备的基本地质条件有:纵向深度连续分布厚度不小于100 m;目标层的埋藏位于300～1 000 m;富黏土矿物;质地均匀;产状平缓。地球化学条件需满足:围岩具有吸附性;围岩中所含的活性物质少;系统应处于还原环境中,最好含有还原性的硫化物等[5]。内蒙古二连盆地川井坳陷作为高放废物地质处置的备选区[6],赛汉组泥岩是目标围岩之一。前人对于赛汉组的研究多侧重于砂岩特征、沉积相等方面。齐文博等[7]对赛汉组砂岩粒度特征研究表明砂岩沉积时的水动力能量较强,识别为河流—三角洲沉积相;李西得等[8]对川井凹陷赛汉组砂岩类型进行研究,认为砂岩类型主要为低程度低成熟度岩屑砂岩或长石岩屑砂岩。而从赛汉组泥岩矿物组分和沉积环境角度,对其进行高放废物地质处置库黏土岩(泥岩)场址地质条件及地球化学条件适宜性评价却鲜有探究。

利用元素地球化学稳定性特征来追溯沉积岩古沉积环境,是地质学研究者恢复古环境的重要手段[9]。沉积岩的主微量元素对于不同环境和气候等感应度灵敏,具有不同表现,能真实反映古盐度、古气候、古环境[10-11],稀土元素极强的稳定性保留了大量沉积区物源信息,是可靠的物源指示剂[12]。因此,地球化学元素分析在古环境、古气候反演中具有越来越重要的地质意义。

因此,借助在川井坳陷白音查干凹陷施工钻孔KZK2-6的泥岩样品,现对赛汉组泥岩矿物组分和主量元素及微量稀土元素地球化学特征进行研究,以期为赛汉组泥岩作为黏土岩(泥岩)预选场址备选围岩地质条件评价提供科学依据。

1 地质概况

川井坳陷位于内蒙古高原中部,为华北地台与内蒙古中部地槽褶皱带过渡区域,是中国高放废物地质处置库黏土岩(泥岩)预选场址筛选的备选区。地势上具南高北低、西高东低的特点,属中温带干旱气候区,区内呈现荒漠草原地貌景观。从构造的稳定性来看,内蒙古二连盆地构造活动形式主要为断裂构造,活动构造不发育,构造环境稳定,地壳处于稳定状态。川井坳陷属于二连盆地五大坳陷之一,位于二连盆地的西部,呈近东西向展布。该坳陷为大陆内的裂谷盆地,盆地基底的分割性强,坳陷内部进一步可划分为3个凹陷和2个凸起5个次级构造单元,分别为白音查干凹陷、桑根达来凹陷、包龙凹陷、巴音杭盖凸起和白彦花凸起(图1)。白音查干凹陷位于坳陷西北部,呈东北-西南走向的狭长梭形,面积约为3 200 km2。白音查干凹陷基底为古生界的变质岩,其沉积盖层主要为下白垩统的巴彦花群和厚度较薄的二连达布苏组,下白垩统巴彦花群自下而上依次填充了阿尔善组(K1a)、腾格尔组(K1t)、都红木组(K1d)和赛汉塔拉组(K1s)[13]。赛汉组在白音查干凹陷内普遍发育,上部以杂色粉砂岩、泥岩为主,下部岩性以中粗粒或不等粒砂岩为主。组内发育的湖相泥岩经已施工钻孔揭露其连续厚度超过100 m,且展布的连续性好,其赋存深度和厚度符合国际原子能机构(International Atomic Energy Agency, IAEA)建议的高放废物地质处置库建造深度(300～1 000 m)及连续厚度(大于100 m)围岩筛选要求[14]。

2 样品采集与测试

23件泥岩样品均采自于二连盆地川井坳陷白音查干凹陷KZK2-6钻孔,结合IAEA高放废物地质处置库建造深度的相关准则,选取埋藏深度为300～480 m且连续性好、颜色为灰色或深灰色的块状泥岩岩芯进行采样,所采集的泥岩样品全部真空封存,具体采样层位和样品编号如图1所示。

将23件样品经酒精擦拭并烘干,研磨为过200目标准筛的泥岩粉末。样品进行预处理后,通过X射线衍射分析泥岩全岩矿物组分;测试泥岩的主微量、稀土元素等进行地球化学特征及古环境分析。X射线衍射分析在东华理工大学“核资源与环境国家重点实验室”完成,实验仪器为多晶X射线衍射仪,仪器型号为德国布鲁尔D8 ADVANCE,测角仪精度为0.000 1°,准确度≤0.02°。主微量、稀土元素地球化学测试在澳实分析检测(广州)有限公司完成,实验仪器分别为电感耦合等离子体发射光谱(ICP-AES),仪器型号Aglilent产地美国;电感耦合等离子体发射质谱仪(ICP-MS),仪器型号Perkin Elmer Elan 9000产地美国,系统设定检测方法的精密度和准确度(相对误差和相对偏差)均控制在<10(±5)%。

3 样品矿物组分成及地球化学特征

3.1 矿物组分

赛汉组泥岩部分样品X衍射图谱解译如图2所示,矿物组分显示泥岩主要由石英、黏土矿物、钠长石组成(表1),其平均质量分数分别为29%(15.2%～40.2%)、21.2%(6.5%～29.8%)、19.79%(14%～32.4%)。此外含有一定质量的方沸石、白云石和方解石,其平均质量分数分别为8.33%(3.4%～22.8%)、7.44%(2.4%～22.8%)、7.37%(2.3%～17.1%);另有少量的黄铁矿和赤铁矿。黏土矿物组成中高岭石和伊利石质量分数含量略高,平均值为8.33%和8.61%,绿泥石平均值为4.26%。纵向上各矿物组分质量分数与深度线性变化不明显。

表1 KZK2-6钻孔泥岩样品X衍射分析数据表

图2 KZK2-6钻孔部分泥岩样品X射线衍射图

3.2 主量元素特征

赛汉组泥岩主量元素分析如表2所示,从表2可看出 SiO2在所有元素中含量最高,与矿物组分中石英质量分数最高较吻合,范围在37.59 %～61.27 %,平均值为51.26%;其次为Al2O3,范围为12.6%～21.48%,平均值为17.3%;次之TFe2O3为3.82%～7.39%,均值为5.79%;MnO、P2O5和TiO2含量都小于1%,均值分别为0.09%、0.14%、0.68%。烧矢量为6.55%～19.38%,波动大,推测与盐酸盐和泥岩矿物中结构水流失有关[15]。以大陆上地壳主量元素平均含量为标准对23件泥岩样品主量元素含量进行标准化处理(图3),与大陆上地壳平均含量相比,赛汉组泥岩Al2O3、MgO、SiO2、TiO2和Fe2O3含量相对富集,CaO在不同深度富余与亏损波动较大,上段大部分泥岩样品CaO富余,可能与上段泥岩白云质含量相对较高有关;MnO、P2O5含量相较于上地壳亏损,可能与缺氧的沉积环境中Mn易迁移有关。

表2 KZK2-6钻孔泥岩样品主量元素分析结果

图3 KZK2-6钻孔泥岩样品主量元素UCC标准化模式

3.3 微量元素特征

赛汉组泥岩样品微量元素分析如表3所示。Ba的质量分数最高,范围为332×10-6～931×10-6,平均值可达465.96×10-6;其次为Sr,范围为177.5×10-6～550×10-6,平均值为278.8×10-6;质量分数最低的是U,范围为2.01×10-6～5.13×10-6,平均值为3.55×10-6。在微量元素蛛网图(图4)中可以看出微量元素总体与大陆上地壳保持在同一水平,其中Ga、Cr、Cu、Rb、Th、V、U、Zn元素稍有富集,而Ba、Sr略微亏损。

表3 KZK2-6钻孔泥岩样品微量元素分析结果

图4 KZK2-6钻孔泥岩样品微量元素大陆上地壳标准化蛛网图

3.4 稀土元素特征

泥岩样品稀土元素分析如表4所示,赛汉组泥岩稀土元素总量(∑REE)为140.83×10-6～194.85×10-6,稀土元素总量平均值166.68×10-6明显高于大陆上地壳稀土元素总量平均值146.37×10-6,轻稀土(∑LREE)范围为124.62×10-6～174.89×10-6,平均值为149.79×10-6,重稀土(∑HREE)范围为14.63×10-6～23.16×10-6,平均值为17.07×10-6。赛汉组泥岩轻重稀土(∑LREE/∑HREE)比值范围为7.13～11.08,平均值为8.87,略低于大陆上地壳(9.54),可见轻重稀土分异明显,轻稀土富集,重稀土亏损。(La/Yb)N是稀土元素配分模式中分布曲线的斜率,斜率越大趋势越陡,赛汉组泥岩(La/Yb)N范围为7.49～12.84,配分曲线呈明显的“右倾”趋势(图5),轻稀土元素段斜率趋势更陡,重稀土元素段斜率趋势相对较缓。(La/Sm)N、(Gd/Yb)N可分别表示轻稀土元素和重稀土元素的分馏程度,(La/Sm)N范围为3.04～3.99,平均值为3.56;(Gd/Yb)N范围为1.37～1.85,平均值为1.68,说明轻稀土元素分馏特征明显,重稀土元素分馏较弱,轻稀土元素比重稀土元素更富集。赛汉组泥岩δCe介于0.89～1.04,平均值为0.98,表现为轻微负异常;δEu介于0.58～0.67,平均值为0.63,为明显的负异常。

表4 KZK2-6钻孔泥岩样品稀土元素分析结果

图5 KZK2-6井样品稀土元素球粒陨石标准化数值

4 地质意义

4.1 物源分析

稀土元素和部分微量元素具有较稳定的化学性质,很少受到剥蚀、搬运、风化、沉积及成岩作用的影响,源岩区的岩石化学性质成为控制其地球化学特征的主要因素,因此它们可以提供沉积岩物源区的相关信息,常常用来追踪沉积物源区类型和特征[16-17]。赛汉组泥岩经过球粒陨石标准化配分模式后,配分曲线整体呈“右倾”模式,与大陆上地壳配分模式形态基本保持一致(图5);轻重稀土分异明显,轻稀土元素富集、重稀土元素亏损;δEu介于0.58～0.67,表现Eu为明显的负异常;δCe介于0.89～1.04,表现Ce无明显异常,表明赛汉组泥岩源岩可能来自大陆上地壳。La /Yb-∑REE是Allègre等[18]提出的源岩判别图解可以揭示源岩类型,对泥岩样品原始属性进行投点分析[图6(a)],样品主要落在沉积岩区及沉积岩和花岗岩的交汇区有少部分落在碱性玄武岩区,说明赛汉组泥岩源岩来源具有多样性。为进一步揭示源岩属性,利用La/Th-Hf图解进行投点[图6(b)],样品点主要落在大陆上地壳酸性岛弧物源区少部分落在长英质、基性岩混合物源区。

图6 二连盆地川井坳陷赛汉组泥岩样品源岩判别图解

综上说明,赛汉组泥岩母岩类型较复杂,主要为沉积岩和花岗岩,物源为长英质和基性岩混合物的混合来源。

4.2 沉积环境分析

4.2.1 古气候

沉积物中元素的配分不仅受本身物理化学元素性质影响也受沉积气候和环境的影响,地球化学元素如Sr、Cu、Sr/Cu、Sr/Ba、Rb/ Sr、Al2O3/MgO能很好地判别古气候演变过程[19]。当Sr/Cu<10指示为温暖、湿润气候,当Sr/Cu>10表示为炎热、干燥气候[20]。赛汉组泥岩样品Sr/Cu范围为4.01～21.24,平均值为7.95,整体指示为温暖湿润气候。

SiO2/Al2O3也可以用于研究沉积时期古气候特征,其比值大于4时,表示为干燥气候,反之为湿润气候[21]。研究区样品SiO2/Al2O3比值范围在2.71～3.79,平均值为2.98,说明赛汉组处于湿润气候的沉积环境,且比值纵向波动小,推测在赛汉组泥岩沉积时期气候较为稳定。此外本文研究区岩芯泥岩标本颜色为灰色及暗色,说明该泥岩形成于潮湿的还原环境。

4.2.2 古盐度

古盐度是反映地质历史时期沉积环境海陆变化的重要参数。一般采用Sr/Ba值作为反映沉积物古盐度的指标,Sr/Ba元素比值越高,环境水体古盐度也越高[22-23]。当沉积物中Sr/Ba比值>1时,指示为海相沉积环境;当沉积物中Sr/Ba比值为1～0.5时,指示为海陆过渡沉积;当沉积物中Sr/Ba比值<0.5时,指示为陆相沉积环境[24]。赛汉组样品Sr/Ba比值为0.23～1.47,平均值为0.67,比值在0.5～1,结合古气候分析,判断赛汉组泥岩为海陆过渡的微咸水沉积环境。

4.2.3 古氧化还原条件

微量元素如Th、V、Ni、U等对氧化还原非常敏感,是古环境水体氧化还原示踪的可靠指标。根据Jones等[25]和Elderfield等[26]提出的V/Ni,V/(V+Ni)和 Ceanom元素参数在判别水体氧化还原环境具有可靠指示作用基础上归纳出一套判别沉积物沉积时期水体氧化-还原环境数据指标如表5[25-26]所示。赛汉组泥岩样品V/Ni,V/(V+Ni)值范围分别为1.79～4.71、0.64～0.82,平均值分别为2.89、0.74,最小值均分别大于1、0.6,指示赛汉组整体沉积环境为厌氧的还原环境,与钻井岩芯整体以灰色、深灰色为主相应证,也与前文所证实的湿润古气候相耦合。Ceanom范围为-0.066～0.015,平均值为-0.018,同样可证明为厌氧的还原环境。综上表明赛汉组整体为厌氧的还原环境。

表5 氧化-还原环境判别表

4.3 构造背景判别

利用稳定的微量、稀土元素构成的La-Th-Sc、Th-Sc-Zr/10和 Th-Co-Zr/10[27]判别图解是判别构造背景有效工具。将研究区样品数据分别投入3个判别图解中[图7(a)],从图7(a)中可以看出,大部分样品都落在大陆岛弧范围内,反映出源岩沉积时的构造背景为大陆岛弧。此外主量元素之间不同关系也可用作构造背景判别,结合文献[17,28]提的主量元素K2O/Na2O-SiO2判别图解将样品数据投图,如图7(b)所示,可见白音查干凹陷赛汉组泥岩大部分落入岛弧范围,仅有小部分分布在活动大陆边缘。综上推断,白音查干凹陷赛汉组沉积时期形成于大陆岛弧的构造背景中。

图7 二连盆地川井坳陷赛汉组泥岩样品构造背景判别图解

4.4 泥岩特性对处置库场址筛选的意义

就泥岩矿物组分而言,泥岩作为深地质处置库天然围岩具有先天阻滞优势,基本不含水、具有自愈合特性和对核素的强吸附性是其作为建造高放废物地质处置库围岩的三大优势[29-31]。赛汉组泥岩由黏土矿物、方沸石、黄铁矿等组成,黏土矿物比表面积大、空隙多和结构疏松是其吸附性能强的重要原因;基于方沸石孔道及分子筛等功能,含方沸石泥岩在核素吸附、含水率、渗透性方面兼备了典型黏土岩围岩的优势[32-33],此外方沸石含有的沸石水在应对处置库运行初期核废料热辐射温度场时具有更高的耐相变温度,方沸石“抗矿物转化”优势较典型黏土岩明显,热稳定性更强[34-35];黄铁矿会使整体处于弱还原环境,导致整体不但可吸附放射性核素,还可以让处于高价的放射性核素改变成迁移难度大的低价状态[36]。由此可见,赛汉组泥岩相对高含量的黏土矿物和一定含量的方沸石和黄铁矿在核素吸附、低渗透性、热稳定性等围岩关键参数方面优势凸显。

就泥岩沉积环境而言,赛汉组还原的沉积环境,有利于高价铀离子还原,从而降低铀离子的活动性,使系统整体处于难迁移状态,辅助核素吸附与固化[37];加之赛汉组泥岩连续厚度超过100 m,是高放废物地质处置库黏土岩场址筛选过程中有较高研究价值的目标围岩。若能进一步探究其核素吸附性能,对于推动中国高放废物地质处置库黏土岩(泥岩)场址筛选与评价的进程具有重要科学价值和意义。

5 结论

由川井坳陷白音查干凹陷赛汉组泥岩元素地球化学数据分析结果,综合古沉积学标志和高放废物处置库黏土岩场址筛选与评价的地质条件得出以下结论。

(1)赛汉组泥岩矿物组分以石英、黏土矿物、钠长石为主,且含有一定质量方沸石和黄铁矿;由伊利石、高岭石和绿泥石组成的黏土矿物含量为21.2%,纵向深度与矿物组分不存在明显线性关系。黏土矿物、方沸石和黄铁矿是核素吸附的有利条件,具有低渗透性和热稳定性等特性,可为高放废物处置库黏土岩(泥岩)场址筛选与评价提供一定参考。

(2)主量元素以SiO2、Al2O3、TFe2O3为主,微量元素Ga、Cr、Cu等元素稍有富集,轻重稀土分异明显,轻稀土富集重稀土亏损,配分曲线呈明显的“右倾“趋势,δCe轻微负异常而δEu明显的负异常。

(3)泥岩物源为长英质和基性岩混合物的混合来源,母岩以沉积岩和花岗岩为主。由主微量构造背景判别图结果表明赛汉组形成于大陆岛弧的构造背景。赛汉组古盐度、古气候、古氧化还原环境指示为海陆过渡的微咸湖相沉积、整体以厌氧的还原环境为主,高价放射性核素向难迁移的低价核素转换,有利于增强整体环境对放射性核素的吸附与固化。