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地质地球所以北京西山岩溶水系统为例研究深埋地下水储层导水机制取得进展

  

  岩溶水是重要的地下水资源,在全球地下水饮用水供水总量中占1/4以上。然而导水空间的复杂性制约了地下水观测、勘查和评价结果的可靠性。因为导水空间与储层介质类型密切相关,储层介质的孔隙/裂隙的大小、形态以及分布差异导致储层水动力参数和化学条件的差异十分明显。岩溶水储层不均一性最为显著,碳酸盐岩地层中孔隙、裂隙、溶孔、溶洞、孔洞,以及断裂共存使储层水力参数变化大。 

  针对上述问题,中科院地质地球所页岩气与地质工程院重点实验室秦大军课题组在国家基金(面上)项目、北京市岩溶水资源勘查评价工程,以及北京市西郊地区地下水战略储备前期勘察研究项目资助下,从北京西山岩溶水系统补给源、永定河河水入渗水流路径入手,探寻优势地下水水流通道,揭示了岩溶水系统不均一性以及深埋岩溶水系统导水机制。水文地质、水化学、同位素水文学、地下水年代学的研究结果表明:

  (1)西山岩溶水系统具有三个特征补给源区(图1);

  (2)岩溶水Na含量明显低于河水(图2a);

  (3)Sr 与87Sr/86Sr比值表明地下水化学主要受水-碳酸盐作用控制,并非水-硅酸盐作用(图2b);

  (4)与河水相比,岩溶水δ2H and δ18O值更亏损;

  (5)水化学模拟计算表明河水入渗促进岩溶发育。

  他们发现西山岩溶水Naδ2H and δ18O值与河水入渗量有关,建立了岩溶水与河水二元混合模型,确定了永定河NW断裂、八宝山NE断裂,以及军庄-永丰屯NE断裂导水性,并发现一条新的导水断裂(F5,古城-玉泉山导水断裂),揭示出始于补给源区的地下水流路径,北京西山岩溶水系统是具有三个优势通道的不均一水流系统(图3)。

 

  1 北京西山岩溶水储层分布和水样点位置  

 

  2 a)河水(+)和岩溶水Naδ18O关系图;(b)岩溶水Sr/K+Na)与87Sr/86Sr关系图 

 

  3 a)岩溶水系统中河水分布;(b)岩溶水系统内的优势水流通道(IIIIII  

  北京西山岩溶水水资源丰富,在城市供水中占有重要地位,含水层的特点是厚覆盖、大埋深(埋深可达2000米)。无论是作为地下水储蓄库,还是改善西部山区及山前平原区水文生态环境都要求准确、精细的刻画岩溶水流系统。该项工作对北京西山岩溶水系统利用保护,水生态环境恢复具有一定的指导意义。  

   以上研究成果近期发表在国际水文学期刊Hydrological Processes(Qin et al. Using hydrochemical, stable isotope, and river water recharge data to identify groundwater flow paths in a deeply buried karst system. Hydrological Processes, 2017, 31(24): 4297-4314)。 

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