姜守君

(甘肅省地礦局第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，甘肅 天水 741020)

示蹤試驗(yàn)在六盤山東麓地區(qū)巖溶水水文地質(zhì)條件分析中的應(yīng)用

姜守君

(甘肅省地礦局第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，甘肅 天水 741020)

運(yùn)用示蹤試驗(yàn)來探查地下水的補(bǔ)排條件及相互轉(zhuǎn)化關(guān)系已有許多成功實(shí)例。六盤山東麓地區(qū)位于兩大構(gòu)造體系的復(fù)合部位，地質(zhì)、水文地質(zhì)條件復(fù)雜，巖溶水與白堊系地下水的轉(zhuǎn)化關(guān)系復(fù)雜多變，利用常規(guī)方法不易查清。本文根據(jù)在平?jīng)鲩_展的示蹤試驗(yàn)成果，結(jié)合有關(guān)資料對二者關(guān)系進(jìn)行探討。并初步認(rèn)為:白堊系地下水含水介質(zhì)不均勻，以裂隙運(yùn)移為主，在天然狀態(tài)下，巖溶水與白堊系地下水均以側(cè)向徑流為主，垂向上大部分地段聯(lián)系較弱，僅在部分地段存在補(bǔ)給。

示蹤試驗(yàn);六盤山東麓;巖溶水

六盤山東麓地區(qū)位于鄂爾多斯盆地周邊巖溶區(qū)的西緣中南段，是鄂爾多斯白堊系自流水盆地的重要補(bǔ)給區(qū)之一。但該區(qū)地質(zhì)、水文地質(zhì)條件復(fù)雜，特別是巖溶水與白堊系地下水的轉(zhuǎn)化關(guān)系復(fù)雜多變，利用常規(guī)方法不易查清。本文根據(jù)在平?jīng)鲩_展的示蹤試驗(yàn)成果，結(jié)合有關(guān)資料對巖溶水與白堊系地下水的轉(zhuǎn)化關(guān)系及水文地質(zhì)條件進(jìn)行分析和探討。

1 示蹤區(qū)地質(zhì)概況

示蹤區(qū)位于涇河源頭支流頡河的谷地。該區(qū)位于賀蘭褶帶南北向構(gòu)造帶與六盤山弧形構(gòu)造帶的復(fù)合部位，地質(zhì)構(gòu)造非常復(fù)雜，碳酸鹽巖呈南北向條帶狀分布，自下而上分別為奧陶系中統(tǒng)三道溝組和下統(tǒng)水泉嶺組灰?guī)r，多為下伏地層，上覆下白堊系六盤山群系碎屑巖，自下而上分為三橋、和尚鋪、李洼峽、馬東山、乃家河五個(gè)組。

2 示蹤區(qū)水文地質(zhì)條件

示蹤區(qū)位于六盤山東麓地區(qū)北部埋藏巖溶水區(qū)，即三關(guān)口—安國巖溶水系統(tǒng)，其在構(gòu)造上為賀蘭褶帶古生代碳酸鹽巖隆起的沙井子—平?jīng)龆?，其西部邊界為小黃峁山—三關(guān)口—沙南斷裂，為一傾向西的深大斷裂，該斷裂在示蹤區(qū)以北的固原一帶表現(xiàn)為張性，東側(cè)為古生界，西側(cè)為新生界洼地，在三關(guān)口一帶為壓性，致使其西側(cè)的奧陶系灰?guī)r隆起(三關(guān)口背斜)而裸露，該斷裂在區(qū)域上控制著賀蘭褶帶的西部邊界，也構(gòu)成三關(guān)口—安國巖溶水系統(tǒng)的西部邊界;東部邊界為彭陽—平?jīng)錾畲髷嗔?，為賀蘭褶帶與伊陜盾地的分界線，為傾向西的壓性斷裂，東側(cè)為中生代凹陷，西側(cè)的早古生界碳酸鹽巖與下白堊系對接;系統(tǒng)的南邊界在頡河南側(cè)，為呈北西向展布的六盤山旋回褶帶的中生代凹陷，即涇河凹陷，其中三疊系、白堊系地層沉積厚度上千米，在平?jīng)鍪袇^(qū)段，由于涇河河谷南北邊緣東西向正斷層的存在，涇河凹陷表現(xiàn)為斷陷成因的地塹性質(zhì);系統(tǒng)的北部與黑山—云霧山巖溶水系統(tǒng)相連，兩者具有統(tǒng)一的水動力場，構(gòu)成一個(gè)相對完整的水文地質(zhì)單元。

該巖溶水系統(tǒng)內(nèi)，灰?guī)r除在三關(guān)口和大路河有小片的出露外，其余均被下白堊系六盤山群碎屑巖和第三系泥巖覆蓋，為埋藏型巖溶水。巖溶的埋藏特征總體上為自西向東由淺入深，在三關(guān)口一帶灰?guī)r裸露，小黃峁山—三關(guān)口斷裂與古城—安國斷裂之間白堊系地層部分裸露，灰?guī)r伏于白堊系之下，埋深在200 m左右，如安國西白楊林 L5勘探孔，三道溝組灰?guī)r埋深230 m，在古城—安國斷裂以東，白堊系之上覆有40～200 m厚的第三系泥巖，灰?guī)r埋深逐漸加大，大約在500～800 m，如上頡河村 D15孔揭露三道溝組埋深690 m，但在系統(tǒng)的北部推測由于南北向的次級斷裂的控制，從區(qū)外的溝口到西陽一帶存在著一南北向的灰?guī)r隆起帶，其埋深要小于東西兩側(cè)。南北方向上，自北向南灰?guī)r埋深由淺增大，在系統(tǒng)北部的大路河一帶，白堊系地層缺失，灰?guī)r已有零星露頭，往北到區(qū)外的洪河、茹河河谷灰?guī)r已有大片的裸露區(qū)，而向南到頡河河谷一帶，灰?guī)r埋深則普遍大于200 m，到?jīng)芎雍庸葎t大于1 000 m。系統(tǒng)內(nèi)揭露的碳酸鹽巖地層為奧陶系中統(tǒng)三道溝組灰?guī)r和下統(tǒng)水泉嶺組白云質(zhì)灰?guī)r，兩者構(gòu)成一個(gè)上強(qiáng)下弱的統(tǒng)一含水巖組，厚500～700 m。

三關(guān)口—安國巖溶水系統(tǒng)的補(bǔ)給來源主要為灰?guī)r零星露頭區(qū)的大氣降水和地表徑流入滲補(bǔ)給，另外還有白堊系地下水越流補(bǔ)給。系統(tǒng)西部的三關(guān)口一帶灰?guī)r有大片的裸露區(qū)，地表巖石破碎，裂隙發(fā)育，大氣降水的入滲條件優(yōu)越，尤其是頡河河谷三關(guān)口裸露灰?guī)r段地表徑流的入滲構(gòu)成巖溶水的重要補(bǔ)給來源;系統(tǒng)北部的大路河、小路河河谷谷底灰?guī)r有零星的露頭，部分地段為黃土及河谷松散層淺覆蓋，黃土和松散層潛水的下滲構(gòu)成巖溶水的又一補(bǔ)給來源;白堊系地下水含水巖段主要為三橋組，巖性為礫巖、角礫巖，鈣質(zhì)膠結(jié)，礫質(zhì)成分以灰?guī)r為主，利于溶蝕，多見溶隙、溶洞，下伏地層多為奧陶系中統(tǒng)三道溝組，二者之間無隔水層存在，初步認(rèn)為水力聯(lián)系密切，是巖溶水的補(bǔ)給源之一，也是示蹤試驗(yàn)進(jìn)一步查證的目的之一。該系統(tǒng)巖溶水徑流方向總體上自北西向南東，向頡河下游方向徑流，排泄主要是通過平銅斷裂向志丹群含水巖組弱滲流。

3 示蹤試驗(yàn)方案

3.1 試驗(yàn)場選取與布置

示蹤試驗(yàn)場選在三關(guān)口—安國巖溶水子系統(tǒng)南部的頡河河谷安國鄉(xiāng)白楊林村，利用已有的L5號巖溶水勘探孔進(jìn)行，在其近旁上游施工的L6號白堊系鉆孔作為示蹤劑投放孔，該孔孔深到達(dá)白堊系底板，深度為230.03 m，以L5號孔作為示蹤劑抽水接收孔，兩孔相距6.56 m，目的是通過示蹤試驗(yàn)查證巖溶水與上覆白堊系地下水的相互關(guān)系。其中，L5孔孔深 500.16 m，15.75～230.18 m 為下白堊系六盤山群和尚鋪組和三橋組(K1h+K1s)碎屑巖，230.18～500.16 m 為中奧陶系(Q2)灰?guī)r。據(jù)分層抽水試驗(yàn)資料，下白堊系碎屑巖水位埋深為 36.00 m，地下水礦化度 643 mg/L，其中 Cl－含量 7.1 mg/L;奧陶系灰?guī)r水位埋深為 57.20 m，地下水礦化度 796 mg/L，其中 Cl－含量 24.8 mg/L。L67 號孔水位埋深 1.92 m，礦化度971 mg/L。

3.2 示蹤劑選擇

示蹤劑選擇所遵循的原則是:

(1)示蹤元素的地下水環(huán)境背景值足夠低且波動小;

(2)圍巖對示蹤劑無吸附或吸附很小;

(3)示蹤劑對環(huán)境無不良影響或影響期極短;

(4)有能夠滿足精度要求的、便于快速實(shí)施的、檢測下限低于或接近于環(huán)境背景值的檢測方法;

(5)檢測費(fèi)用低廉;

(6)對于多元素示蹤，一種示蹤劑在最大接收濃度范圍內(nèi)對其它示蹤劑的檢測不產(chǎn)生干擾，或雖有干擾，但能找到消除干擾的方法;

(7)示蹤劑性質(zhì)穩(wěn)定，不與其它示蹤劑和環(huán)境物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng);

(8)示蹤劑有足夠大的溶解度;

(9)示蹤元素在示蹤劑中的離子含量高;

(10)示蹤劑的價(jià)格便宜。

根據(jù)以上原則，首選示蹤劑為鉬酸銨，并取碘化鉀為備用示蹤劑。

在試驗(yàn)前，首先測定了地下水中鉬離子含量的背景值。為了排除偶然性，共從示蹤劑接收孔(L5)連續(xù)抽水中取了10組本底值樣，相鄰樣品取樣間隔半小時(shí)，同時(shí)在示蹤劑投放孔(L6)單孔抽水試驗(yàn)中取了1組本底值樣，結(jié)果如表1所示。

本底值(mg/L)0.027 0.020 0.027 0.027 0.027 0.027 0.020 0.027 0.033 0.033 0.079

為了確定圍巖對鉬酸銨的吸附性，在試驗(yàn)之初，首先在實(shí)驗(yàn)室做了圍巖的吸附試驗(yàn)，為了提高可靠度，每組試驗(yàn)中共取8組平行樣進(jìn)行分析，結(jié)果如表2所示。從表2中看出，奧陶系灰?guī)r對標(biāo)準(zhǔn)液吸附后，鉬含量與標(biāo)準(zhǔn)液值基本一致或略高，表明奧陶系灰?guī)r對鉬酸銨無吸附性;而三橋組礫巖對標(biāo)準(zhǔn)液吸附后的鉬含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)液值，另分析三橋組礫巖中的鉬含量為0.463～0.494×10－6g/T，對蒸餾水吸附后的鉬含量達(dá)0.276～0.345 mg/L，表明三橋組礫巖不但對鉬酸銨無吸附，而且礫巖粉末中的鉬離子溶出量達(dá)0.276～0.345 mg/L。因而選用鉬酸銨做為示蹤劑是完全可行的。

奧陶系灰?guī)r(標(biāo)準(zhǔn)液試劑) 0.396 0.220 0.234 0.277 0.289 0.231 0.220 0.266標(biāo)準(zhǔn)液試劑 0.626 0.772 0.571 0.607 0.626 0.662 0.626 0.662三橋組礫巖蒸餾水試劑0.276 0.324 0.345標(biāo)準(zhǔn)液值(mg/L):W10.208 W20.237 W30.231 W40.277

3.3 示蹤劑投放

鉬酸銨投放量根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定。考慮到本試驗(yàn)為上下層水之間的連通試驗(yàn)，示蹤劑的運(yùn)移距離短，同時(shí)參考前人的試驗(yàn)體會，以及鉬酸銨的價(jià)格因素，確定鉬酸銨投放量為15 kg。

示蹤劑投放原則上使示蹤劑在盡量短的時(shí)間內(nèi)一次投注到預(yù)定含水層位置，其目的是使示蹤劑在投放點(diǎn)范圍內(nèi)形成一個(gè)“高濃度團(tuán)”隨地下水一起運(yùn)移，以保證示蹤劑到達(dá)接收點(diǎn)時(shí)有比較大的濃度便于檢測到。本次試驗(yàn)中，將鉬酸銨配制成飽和溶液，一次投注到L6孔底的三橋組礫巖底部，使其在上部高水頭壓力下以“高濃度團(tuán)”的形式進(jìn)入三橋組含水層中。

投放前，首先將鉬酸銨溶解，100 g水中約溶解43 g鉬酸銨，這樣共配制成約55 kg的鉬酸銨飽和溶液。為了將鉬酸銨飽和溶液直接投注到孔底，本次試驗(yàn)中采用了定位爆破技術(shù)。先將溶液裝入到一個(gè)專門加工成的圓桶裝置中，再將該圓桶吊入到孔底，然后引爆圓桶底部的爆破裝置，將圓桶底部爆裂，再將圓桶提起，這樣就將溶液全部漏入到孔底。然后從孔口注水，使孔內(nèi)水位高于白堊系靜水位，將示蹤溶液壓入含水層中。

3.4 示蹤劑接收與檢測

抽水孔(L5)為示蹤劑接收孔，示蹤劑從抽出的水中取樣檢測。待示蹤劑投放完成后，開始啟泵抽水，試驗(yàn)過程中抽水孔連續(xù)抽水，直至試驗(yàn)結(jié)束。抽水過程中除在抽水孔取樣分析示蹤劑濃度變化外，還監(jiān)測了投放孔(L6)的水位變化情況，監(jiān)測密度按照多孔抽水試驗(yàn)要求進(jìn)行。

抽水孔抽水后即開始取樣，考慮到地下水滲透速度較慢，抽水初期取的水樣為鉬本底值樣，每隔半小時(shí)取一次水樣，共計(jì)10組。從第5小時(shí)開始，每隔2小時(shí)取一次水樣，直至試驗(yàn)結(jié)束，共歷時(shí)85小時(shí)，共計(jì)43組。

鉬酸銨檢測方法為催化示波極譜法，其檢出限為0.2?g/l。由于儀器設(shè)備搬運(yùn)不便，本次試驗(yàn)采用實(shí)驗(yàn)室分析法。為了降低檢測費(fèi)用，在所采取的樣品中，每隔3組樣品檢測1組，即每6小時(shí)檢測一次示蹤劑，每天檢測4次，如果當(dāng)檢出示蹤劑濃度有變化后，可向兩端加密檢測逐個(gè)樣品，以便檢出示蹤劑濃度峰值變化的全過程。

4 示蹤試驗(yàn)成果與分析

示蹤試驗(yàn)抽水取樣共計(jì)90小時(shí)，鉬離子檢測結(jié)果如表3所示。其中001－010號樣品為開始抽水后5小時(shí)內(nèi)取的樣品，代表的是鉬離子的本底值，鉬離子含量為0.020～0.033 mg/L;015－053號樣品為抽水5小時(shí)后到試驗(yàn)結(jié)束時(shí)所取的樣品，鉬離子含量為 0.013 ～0.043 mg/L。

表3 示蹤劑濃度檢測結(jié)果表

從離子變化可以看出，示蹤劑濃度變化全過程為波狀起伏特征，整體上仍反映的是示蹤劑本底值變化范圍，說明巖溶水與上覆白堊系地下水在90 h內(nèi)沒有聯(lián)系，也說明巖溶水與上覆白堊系地下水的相互關(guān)系微弱。從水動力條件上看，天然狀態(tài)下，白堊系地下水水位埋深為36 m，而巖溶水水位埋深為57.20 m，二者水頭差近19 m，說明在天然狀態(tài)下兩者水力聯(lián)系微弱;在本試驗(yàn)過程中，L5號孔連續(xù)抽水時(shí)，對L6號孔白堊系水位進(jìn)行了歷時(shí)120 h的觀測，水位自始至終沒有變化，也說明巖溶水與白堊系地下水在抽水期內(nèi)沒有發(fā)生水力聯(lián)系。

5 結(jié)論

通過示蹤試驗(yàn)得出如下初步結(jié)論:

(1)六盤山東麓地區(qū)北部埋藏型巖溶水區(qū)(三關(guān)口 －安國巖溶水系統(tǒng))巖溶水與上覆白堊系碎屑巖類孔隙裂隙水雖有相似的形成與賦存條件，兩者之間存在著聯(lián)系的可能性，但聯(lián)系比較微弱。

(2)巖溶水與白堊系地下水之間在示蹤區(qū)水動力影響甚微，在示蹤期內(nèi)(90小時(shí))兩者之間沒有發(fā)生水力聯(lián)系，它們之間可能存在部分構(gòu)造有利地段有聯(lián)系，部分地段沒有聯(lián)系的可能，但在本次示蹤區(qū)基本沒聯(lián)系。

(3)天然狀態(tài)下巖溶水與上覆白堊系地下水均以側(cè)向徑流為主，兩者之間富水性和滲透性強(qiáng)弱差距明顯，垂向僅存在著微弱的水交替。

(4)示蹤試驗(yàn)是一種比較成熟的方法，可配合查清水文地質(zhì)條件，特別是水文地質(zhì)條件比較復(fù)雜的地區(qū)。

在本項(xiàng)試驗(yàn)工作中，得到了中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所孫繼朝、齊繼祥研究員和巖溶地質(zhì)研究所韓行瑞、梁永平研究員的熱情幫助，在本文編寫中得到了甘肅省地質(zhì)調(diào)查院李生永、張彥林高級工程師的悉心指導(dǎo)，在此一并表示感謝。

［1］徐遠(yuǎn)光.紅水河里蘭煤礦示蹤實(shí)驗(yàn)報(bào)告.巖溶地質(zhì)研究所.1989.

［2］梁彬，王珽，鄧振平.桐柏抽水蓄能電站示蹤實(shí)驗(yàn)報(bào)告.巖溶地質(zhì)研究所.1998.

［3］張彥林，李生永，等.隴東盆地西部巖溶地下水形成機(jī)制研究，中國地質(zhì).2006.

［4］張彥林，李生永，等.六盤山東麓地區(qū)巖溶地質(zhì)特征分析，甘肅地質(zhì)學(xué)報(bào).2005.

S274

B

1004－1184(2012)01－0027－03

2011－05－30

姜守君(1973－)，男，山東莒縣人，工程師，主要從事實(shí)驗(yàn)測試工作。