示蹤試驗在六盤山東麓地區巖溶水水文地質條件分析中的應用

姜守君

(甘肅省地礦局第一地質礦產勘查院，甘肅 天水 741020)

示蹤試驗在六盤山東麓地區巖溶水水文地質條件分析中的應用

姜守君

(甘肅省地礦局第一地質礦產勘查院，甘肅 天水 741020)

運用示蹤試驗來探查地下水的補排條件及相互轉化關系已有許多成功實例。六盤山東麓地區位于兩大構造體系的復合部位，地質、水文地質條件復雜，巖溶水與白堊系地下水的轉化關系復雜多變，利用常規方法不易查清。本文根據在平涼開展的示蹤試驗成果，結合有關資料對二者關系進行探討。并初步認為:白堊系地下水含水介質不均勻，以裂隙運移為主，在天然狀態下，巖溶水與白堊系地下水均以側向徑流為主，垂向上大部分地段聯系較弱，僅在部分地段存在補給。

示蹤試驗;六盤山東麓;巖溶水

六盤山東麓地區位于鄂爾多斯盆地周邊巖溶區的西緣中南段，是鄂爾多斯白堊系自流水盆地的重要補給區之一。但該區地質、水文地質條件復雜，特別是巖溶水與白堊系地下水的轉化關系復雜多變，利用常規方法不易查清。本文根據在平涼開展的示蹤試驗成果，結合有關資料對巖溶水與白堊系地下水的轉化關系及水文地質條件進行分析和探討。

1 示蹤區地質概況

示蹤區位于涇河源頭支流頡河的谷地。該區位于賀蘭褶帶南北向構造帶與六盤山弧形構造帶的復合部位，地質構造非常復雜，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三道溝組和下統水泉嶺組灰巖，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、乃家河五個組。

2 示蹤區水文地質條件

示蹤區位于六盤山東麓地區北部埋藏巖溶水區，即三關口—安國巖溶水系統，其在構造上為賀蘭褶帶古生代碳酸鹽巖隆起的沙井子—平涼段，其西部邊界為小黃峁山—三關口—沙南斷裂，為一傾向西的深大斷裂，該斷裂在示蹤區以北的固原一帶表現為張性，東側為古生界，西側為新生界洼地，在三關口一帶為壓性，致使其西側的奧陶系灰巖隆起(三關口背斜)而裸露，該斷裂在區域上控制著賀蘭褶帶的西部邊界，也構成三關口—安國巖溶水系統的西部邊界;東部邊界為彭陽—平涼深大斷裂，為賀蘭褶帶與伊陜盾地的分界線，為傾向西的壓性斷裂，東側為中生代凹陷，西側的早古生界碳酸鹽巖與下白堊系對接;系統的南邊界在頡河南側，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，在平涼市區段，由于涇河河谷南北邊緣東西向正斷層的存在，涇河凹陷表現為斷陷成因的地塹性質;系統的北部與黑山—云霧山巖溶水系統相連，兩者具有統一的水動力場，構成一個相對完整的水文地質單元。

該巖溶水系統內，灰巖除在三關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，在三關口一帶灰巖裸露，小黃峁山—三關口斷裂與古城—安國斷裂之間白堊系地層部分裸露，灰巖伏于白堊系之下，埋深在200 m左右，如安國西白楊林 L5勘探孔，三道溝組灰巖埋深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，灰巖埋深逐漸加大，大約在500～800 m，如上頡河村 D15孔揭露三道溝組埋深690 m，但在系統的北部推測由于南北向的次級斷裂的控制，從區外的溝口到西陽一帶存在著一南北向的灰巖隆起帶，其埋深要小于東西兩側。南北方向上，自北向南灰巖埋深由淺增大，在系統北部的大路河一帶，白堊系地層缺失，灰巖已有零星露頭，往北到區外的洪河、茹河河谷灰巖已有大片的裸露區，而向南到頡河河谷一帶，灰巖埋深則普遍大于200 m，到涇河河谷則大于1 000 m。系統內揭露的碳酸鹽巖地層為奧陶系中統三道溝組灰巖和下統水泉嶺組白云質灰巖，兩者構成一個上強下弱的統一含水巖組，厚500～700 m。

三關口—安國巖溶水系統的補給來源主要為灰巖零星露頭區的大氣降水和地表徑流入滲補給，另外還有白堊系地下水越流補給。系統西部的三關口一帶灰巖有大片的裸露區，地表巖石破碎，裂隙發育，大氣降水的入滲條件優越，尤其是頡河河谷三關口裸露灰巖段地表徑流的入滲構成巖溶水的重要補給來源;系統北部的大路河、小路河河谷谷底灰巖有零星的露頭，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成巖溶水的又一補給來源;白堊系地下水含水巖段主要為三橋組，巖性為礫巖、角礫巖，鈣質膠結，礫質成分以灰巖為主，利于溶蝕，多見溶隙、溶洞，下伏地層多為奧陶系中統三道溝組，二者之間無隔水層存在，初步認為水力聯系密切，是巖溶水的補給源之一，也是示蹤試驗進一步查證的目的之一。該系統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 示蹤試驗方案

3.1 試驗場選取與布置

示蹤試驗場選在三關口—安國巖溶水子系統南部的頡河河谷安國鄉白楊林村，利用已有的L5號巖溶水勘探孔進行，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查證巖溶水與上覆白堊系地下水的相互關系。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)灰巖。據分層抽水試驗資料，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;奧陶系灰巖水位埋深為 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、便于快速實施的、檢測下限低于或接近于環境背景值的檢測方法;

(5)檢測費用低廉;

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

(7)示蹤劑性質穩定，不與其它示蹤劑和環境物質發生化學反應;

(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)示蹤劑的價格便宜。

根據以上原則，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)連續抽水中取了10組本底值樣，相鄰樣品取樣間隔半小時，同時在示蹤劑投放孔(L6)單孔抽水試驗中取了1組本底值樣，結果如表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，在試驗之初，首先在實驗室做了圍巖的吸附試驗，為了提高可靠度，每組試驗中共取8組平行樣進行分析，結果如表2所示。從表2中看出，奧陶系灰巖對標準液吸附后，鉬含量與標準液值基本一致或略高，表明奧陶系灰巖對鉬酸銨無吸附性;而三橋組礫巖對標準液吸附后的鉬含量遠遠大于標準液值，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。

奧陶系灰巖(標準液試劑) 0.396 0.220 0.234 0.277 0.289 0.231 0.220 0.266標準液試劑 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標準液值(mg/L):W10.208 W20.237 W30.231 W40.277

3.3 示蹤劑投放

鉬酸銨投放量根據經驗確定。考慮到本試驗為上下層水之間的連通試驗，示蹤劑的運移距離短，同時參考前人的試驗體會，以及鉬酸銨的價格因素，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間內一次投注到預定含水層位置，其目的是使示蹤劑在投放點范圍內形成一個“高濃度團”隨地下水一起運移，以保證示蹤劑到達接收點時有比較大的濃度便于檢測到。本次試驗中，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”的形式進入三橋組含水層中。

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，本次試驗中采用了定位爆破技術。先將溶液裝入到一個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，試驗過程中抽水孔連續抽水，直至試驗結束。抽水過程中除在抽水孔取樣分析示蹤劑濃度變化外，還監測了投放孔(L6)的水位變化情況，監測密度按照多孔抽水試驗要求進行。

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，每隔半小時取一次水樣，共計10組。從第5小時開始，每隔2小時取一次水樣，直至試驗結束，共歷時85小時，共計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。由于儀器設備搬運不便，本次試驗采用實驗室分析法。為了降低檢測費用，在所采取的樣品中，每隔3組樣品檢測1組，即每6小時檢測一次示蹤劑，每天檢測4次，如果當檢出示蹤劑濃度有變化后，可向兩端加密檢測逐個樣品，以便檢出示蹤劑濃度峰值變化的全過程。

4 示蹤試驗成果與分析

示蹤試驗抽水取樣共計90小時，鉬離子檢測結果如表3所示。其中001－010號樣品為開始抽水后5小時內取的樣品，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小時后到試驗結束時所取的樣品，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內沒有聯系，也說明巖溶水與上覆白堊系地下水的相互關系微弱。從水動力條件上看，天然狀態下，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，說明在天然狀態下兩者水力聯系微弱;在本試驗過程中，L5號孔連續抽水時，對L6號孔白堊系水位進行了歷時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沒有發生水力聯系。

5 結論

通過示蹤試驗得出如下初步結論:

(1)六盤山東麓地區北部埋藏型巖溶水區(三關口 －安國巖溶水系統)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，兩者之間存在著聯系的可能性，但聯系比較微弱。

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

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

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

在本項試驗工作中，得到了中國地質科學院水文地質環境地質研究所孫繼朝、齊繼祥研究員和巖溶地質研究所韓行瑞、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調查院李生永、張彥林高級工程師的悉心指導，在此一并表示感謝。

［1］徐遠光.紅水河里蘭煤礦示蹤實驗報告.巖溶地質研究所.1989.

［2］梁彬，王珽，鄧振平.桐柏抽水蓄能電站示蹤實驗報告.巖溶地質研究所.1998.

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

［4］張彥林，李生永，等.六盤山東麓地區巖溶地質特征分析，甘肅地質學報.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，主要從事實驗測試工作。