示踪试验在六盘山东麓地区岩溶水水文地质条件分析中的应用

姜守君

(甘肃省地矿局第一地质矿产勘查院，甘肃 天水 741020)

示踪试验在六盘山东麓地区岩溶水水文地质条件分析中的应用

姜守君

(甘肃省地矿局第一地质矿产勘查院，甘肃 天水 741020)

运用示踪试验来探查地下水的补排条件及相互转化关系已有许多成功实例。六盘山东麓地区位于两大构造体系的复合部位，地质、水文地质条件复杂，岩溶水与白垩系地下水的转化关系复杂多变，利用常规方法不易查清。本文根据在平凉开展的示踪试验成果，结合有关资料对二者关系进行探讨。并初步认为:白垩系地下水含水介质不均匀，以裂隙运移为主，在天然状态下，岩溶水与白垩系地下水均以侧向径流为主，垂向上大部分地段联系较弱，仅在部分地段存在补给。

示踪试验;六盘山东麓;岩溶水

六盘山东麓地区位于鄂尔多斯盆地周边岩溶区的西缘中南段，是鄂尔多斯白垩系自流水盆地的重要补给区之一。但该区地质、水文地质条件复杂，特别是岩溶水与白垩系地下水的转化关系复杂多变，利用常规方法不易查清。本文根据在平凉开展的示踪试验成果，结合有关资料对岩溶水与白垩系地下水的转化关系及水文地质条件进行分析和探讨。

1 示踪区地质概况

示踪区位于泾河源头支流颉河的谷地。该区位于贺兰褶带南北向构造带与六盘山弧形构造带的复合部位，地质构造非常复杂，碳酸盐岩呈南北向条带状分布，自下而上分别为奥陶系中统三道沟组和下统水泉岭组灰岩，多为下伏地层，上覆下白垩系六盘山群系碎屑岩，自下而上分为三桥、和尚铺、李洼峡、马东山、乃家河五个组。

2 示踪区水文地质条件

示踪区位于六盘山东麓地区北部埋藏岩溶水区，即三关口—安国岩溶水系统，其在构造上为贺兰褶带古生代碳酸盐岩隆起的沙井子—平凉段，其西部边界为小黄峁山—三关口—沙南断裂，为一倾向西的深大断裂，该断裂在示踪区以北的固原一带表现为张性，东侧为古生界，西侧为新生界洼地，在三关口一带为压性，致使其西侧的奥陶系灰岩隆起(三关口背斜)而裸露，该断裂在区域上控制着贺兰褶带的西部边界，也构成三关口—安国岩溶水系统的西部边界;东部边界为彭阳—平凉深大断裂，为贺兰褶带与伊陕盾地的分界线，为倾向西的压性断裂，东侧为中生代凹陷，西侧的早古生界碳酸盐岩与下白垩系对接;系统的南边界在颉河南侧，为呈北西向展布的六盘山旋回褶带的中生代凹陷，即泾河凹陷，其中三叠系、白垩系地层沉积厚度上千米，在平凉市区段，由于泾河河谷南北边缘东西向正断层的存在，泾河凹陷表现为断陷成因的地堑性质;系统的北部与黑山—云雾山岩溶水系统相连，两者具有统一的水动力场，构成一个相对完整的水文地质单元。

该岩溶水系统内，灰岩除在三关口和大路河有小片的出露外，其余均被下白垩系六盘山群碎屑岩和第三系泥岩覆盖，为埋藏型岩溶水。岩溶的埋藏特征总体上为自西向东由浅入深，在三关口一带灰岩裸露，小黄峁山—三关口断裂与古城—安国断裂之间白垩系地层部分裸露，灰岩伏于白垩系之下，埋深在200 m左右，如安国西白杨林 L5勘探孔，三道沟组灰岩埋深230 m，在古城—安国断裂以东，白垩系之上覆有40～200 m厚的第三系泥岩，灰岩埋深逐渐加大，大约在500～800 m，如上颉河村 D15孔揭露三道沟组埋深690 m，但在系统的北部推测由于南北向的次级断裂的控制，从区外的沟口到西阳一带存在着一南北向的灰岩隆起带，其埋深要小于东西两侧。南北方向上，自北向南灰岩埋深由浅增大，在系统北部的大路河一带，白垩系地层缺失，灰岩已有零星露头，往北到区外的洪河、茹河河谷灰岩已有大片的裸露区，而向南到颉河河谷一带，灰岩埋深则普遍大于200 m，到泾河河谷则大于1 000 m。系统内揭露的碳酸盐岩地层为奥陶系中统三道沟组灰岩和下统水泉岭组白云质灰岩，两者构成一个上强下弱的统一含水岩组，厚500～700 m。

三关口—安国岩溶水系统的补给来源主要为灰岩零星露头区的大气降水和地表径流入渗补给，另外还有白垩系地下水越流补给。系统西部的三关口一带灰岩有大片的裸露区，地表岩石破碎，裂隙发育，大气降水的入渗条件优越，尤其是颉河河谷三关口裸露灰岩段地表径流的入渗构成岩溶水的重要补给来源;系统北部的大路河、小路河河谷谷底灰岩有零星的露头，部分地段为黄土及河谷松散层浅覆盖，黄土和松散层潜水的下渗构成岩溶水的又一补给来源;白垩系地下水含水岩段主要为三桥组，岩性为砾岩、角砾岩，钙质胶结，砾质成分以灰岩为主，利于溶蚀，多见溶隙、溶洞，下伏地层多为奥陶系中统三道沟组，二者之间无隔水层存在，初步认为水力联系密切，是岩溶水的补给源之一，也是示踪试验进一步查证的目的之一。该系统岩溶水径流方向总体上自北西向南东，向颉河下游方向径流，排泄主要是通过平铜断裂向志丹群含水岩组弱渗流。

3 示踪试验方案

3.1 试验场选取与布置

示踪试验场选在三关口—安国岩溶水子系统南部的颉河河谷安国乡白杨林村，利用已有的L5号岩溶水勘探孔进行，在其近旁上游施工的L6号白垩系钻孔作为示踪剂投放孔，该孔孔深到达白垩系底板，深度为230.03 m，以L5号孔作为示踪剂抽水接收孔，两孔相距6.56 m，目的是通过示踪试验查证岩溶水与上覆白垩系地下水的相互关系。其中，L5孔孔深 500.16 m，15.75～230.18 m 为下白垩系六盘山群和尚铺组和三桥组(K1h+K1s)碎屑岩，230.18～500.16 m 为中奥陶系(Q2)灰岩。据分层抽水试验资料，下白垩系碎屑岩水位埋深为 36.00 m，地下水矿化度 643 mg/L，其中 Cl－含量 7.1 mg/L;奥陶系灰岩水位埋深为 57.20 m，地下水矿化度 796 mg/L，其中 Cl－含量 24.8 mg/L。L67 号孔水位埋深 1.92 m，矿化度971 mg/L。

3.2 示踪剂选择

示踪剂选择所遵循的原则是:

(1)示踪元素的地下水环境背景值足够低且波动小;

(2)围岩对示踪剂无吸附或吸附很小;

(3)示踪剂对环境无不良影响或影响期极短;

(4)有能够满足精度要求的、便于快速实施的、检测下限低于或接近于环境背景值的检测方法;

(5)检测费用低廉;

(6)对于多元素示踪，一种示踪剂在最大接收浓度范围内对其它示踪剂的检测不产生干扰，或虽有干扰，但能找到消除干扰的方法;

(7)示踪剂性质稳定，不与其它示踪剂和环境物质发生化学反应;

(8)示踪剂有足够大的溶解度;

(9)示踪元素在示踪剂中的离子含量高;

(10)示踪剂的价格便宜。

根据以上原则，首选示踪剂为钼酸铵，并取碘化钾为备用示踪剂。

在试验前，首先测定了地下水中钼离子含量的背景值。为了排除偶然性，共从示踪剂接收孔(L5)连续抽水中取了10组本底值样，相邻样品取样间隔半小时，同时在示踪剂投放孔(L6)单孔抽水试验中取了1组本底值样，结果如表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

为了确定围岩对钼酸铵的吸附性，在试验之初，首先在实验室做了围岩的吸附试验，为了提高可靠度，每组试验中共取8组平行样进行分析，结果如表2所示。从表2中看出，奥陶系灰岩对标准液吸附后，钼含量与标准液值基本一致或略高，表明奥陶系灰岩对钼酸铵无吸附性;而三桥组砾岩对标准液吸附后的钼含量远远大于标准液值，另分析三桥组砾岩中的钼含量为0.463～0.494×10－6g/T，对蒸馏水吸附后的钼含量达0.276～0.345 mg/L，表明三桥组砾岩不但对钼酸铵无吸附，而且砾岩粉末中的钼离子溶出量达0.276～0.345 mg/L。因而选用钼酸铵做为示踪剂是完全可行的。

奥陶系灰岩(标准液试剂) 0.396 0.220 0.234 0.277 0.289 0.231 0.220 0.266标准液试剂 0.626 0.772 0.571 0.607 0.626 0.662 0.626 0.662三桥组砾岩蒸馏水试剂0.276 0.324 0.345标准液值(mg/L):W10.208 W20.237 W30.231 W40.277

3.3 示踪剂投放

钼酸铵投放量根据经验确定。考虑到本试验为上下层水之间的连通试验，示踪剂的运移距离短，同时参考前人的试验体会，以及钼酸铵的价格因素，确定钼酸铵投放量为15 kg。

示踪剂投放原则上使示踪剂在尽量短的时间内一次投注到预定含水层位置，其目的是使示踪剂在投放点范围内形成一个“高浓度团”随地下水一起运移，以保证示踪剂到达接收点时有比较大的浓度便于检测到。本次试验中，将钼酸铵配制成饱和溶液，一次投注到L6孔底的三桥组砾岩底部，使其在上部高水头压力下以“高浓度团”的形式进入三桥组含水层中。

投放前，首先将钼酸铵溶解，100 g水中约溶解43 g钼酸铵，这样共配制成约55 kg的钼酸铵饱和溶液。为了将钼酸铵饱和溶液直接投注到孔底，本次试验中采用了定位爆破技术。先将溶液装入到一个专门加工成的圆桶装置中，再将该圆桶吊入到孔底，然后引爆圆桶底部的爆破装置，将圆桶底部爆裂，再将圆桶提起，这样就将溶液全部漏入到孔底。然后从孔口注水，使孔内水位高于白垩系静水位，将示踪溶液压入含水层中。

3.4 示踪剂接收与检测

抽水孔(L5)为示踪剂接收孔，示踪剂从抽出的水中取样检测。待示踪剂投放完成后，开始启泵抽水，试验过程中抽水孔连续抽水，直至试验结束。抽水过程中除在抽水孔取样分析示踪剂浓度变化外，还监测了投放孔(L6)的水位变化情况，监测密度按照多孔抽水试验要求进行。

抽水孔抽水后即开始取样，考虑到地下水渗透速度较慢，抽水初期取的水样为钼本底值样，每隔半小时取一次水样，共计10组。从第5小时开始，每隔2小时取一次水样，直至试验结束，共历时85小时，共计43组。

钼酸铵检测方法为催化示波极谱法，其检出限为0.2?g/l。由于仪器设备搬运不便，本次试验采用实验室分析法。为了降低检测费用，在所采取的样品中，每隔3组样品检测1组，即每6小时检测一次示踪剂，每天检测4次，如果当检出示踪剂浓度有变化后，可向两端加密检测逐个样品，以便检出示踪剂浓度峰值变化的全过程。

4 示踪试验成果与分析

示踪试验抽水取样共计90小时，钼离子检测结果如表3所示。其中001－010号样品为开始抽水后5小时内取的样品，代表的是钼离子的本底值，钼离子含量为0.020～0.033 mg/L;015－053号样品为抽水5小时后到试验结束时所取的样品，钼离子含量为 0.013 ～0.043 mg/L。

表3 示踪剂浓度检测结果表

从离子变化可以看出，示踪剂浓度变化全过程为波状起伏特征，整体上仍反映的是示踪剂本底值变化范围，说明岩溶水与上覆白垩系地下水在90 h内没有联系，也说明岩溶水与上覆白垩系地下水的相互关系微弱。从水动力条件上看，天然状态下，白垩系地下水水位埋深为36 m，而岩溶水水位埋深为57.20 m，二者水头差近19 m，说明在天然状态下两者水力联系微弱;在本试验过程中，L5号孔连续抽水时，对L6号孔白垩系水位进行了历时120 h的观测，水位自始至终没有变化，也说明岩溶水与白垩系地下水在抽水期内没有发生水力联系。

5 结论

通过示踪试验得出如下初步结论:

(1)六盘山东麓地区北部埋藏型岩溶水区(三关口 －安国岩溶水系统)岩溶水与上覆白垩系碎屑岩类孔隙裂隙水虽有相似的形成与赋存条件，两者之间存在着联系的可能性，但联系比较微弱。

(2)岩溶水与白垩系地下水之间在示踪区水动力影响甚微，在示踪期内(90小时)两者之间没有发生水力联系，它们之间可能存在部分构造有利地段有联系，部分地段没有联系的可能，但在本次示踪区基本没联系。

(3)天然状态下岩溶水与上覆白垩系地下水均以侧向径流为主，两者之间富水性和渗透性强弱差距明显，垂向仅存在着微弱的水交替。

(4)示踪试验是一种比较成熟的方法，可配合查清水文地质条件，特别是水文地质条件比较复杂的地区。

在本项试验工作中，得到了中国地质科学院水文地质环境地质研究所孙继朝、齐继祥研究员和岩溶地质研究所韩行瑞、梁永平研究员的热情帮助，在本文编写中得到了甘肃省地质调查院李生永、张彦林高级工程师的悉心指导，在此一并表示感谢。

［1］徐远光.红水河里兰煤矿示踪实验报告.岩溶地质研究所.1989.

［2］梁彬，王珽，邓振平.桐柏抽水蓄能电站示踪实验报告.岩溶地质研究所.1998.

［3］张彦林，李生永，等.陇东盆地西部岩溶地下水形成机制研究，中国地质.2006.

［4］张彦林，李生永，等.六盘山东麓地区岩溶地质特征分析，甘肃地质学报.2005.

S274

B

1004－1184(2012)01－0027－03

2011－05－30

姜守君(1973－)，男，山东莒县人，工程师，主要从事实验测试工作。