深地质处置是当前长期存放长寿命高放射性废物最合适、有效的方法之一。粘土岩因对放射性核素具有良好的阻挡、吸附作用,可有效减弱核素迁移,同时具有自封闭、渗透率低等优点,已成为高放废物地质处置库选址的重要围岩类型。我国也启动了粘土岩高放废物地质处置场址筛选工作,其中内蒙古塔木素地区是粘土岩处置库选址的重点研究区域之一。本文在分析和总结塔木素地区地质地球物理特征的基础上,综合利用多种地球物理数据,引入三维地质建模技术,结合粘土岩处置库场址筛选准则,提出了多尺度的高放废物粘土岩处置库场址筛选地球物理探测技术,即从“预选区”到“预选地段”再到“优选地段”的高放废物地质处置库场址筛选技术。基于预选区已有区域重磁、12条反射地震剖面和地表地质、钻孔等资料,构建了预选区三维地质模型。通过三维模型分析,圈定了粘土岩高放废物地质处置库预选地段。在预选地段布设了4条大地电磁测深(MT)剖面,根据反演结果解释了预选地段电性分布特征以及深部存在的断裂构造,在此基础上确定了粘土岩高放废物地质处置优选地段。在优选地段开展了可控源音频大地电磁测深(CSAMT),圈定了优选地段内粘土岩的空间延伸规模、连续性,获得了巴音戈壁组下段目标层泥岩的厚度与埋深,基于CSAMT的反演和钻孔数据构建了优选地段的三维地质模型。通过融入了三维地质建模技术的多尺度的高放废物粘土岩处置库场址筛选地球物理探测技术,确定巴音戈壁组下段为塔木素地区的粘土岩处置库优选地段的目标层。该目标岩层连续好、整体厚度大于100m,平均埋深在400~800m之间,且上覆地层巴音戈壁上段稳定,地形起伏较小,周边无大型断裂,满足粘土岩地质处置库场址筛选准则的要求,适合在该地段进一步开展调查工作。