發(fā)布時(shí)間：2018-03-09 16:09

  本文選題：巖溶發(fā)育　切入點(diǎn)：溶解潛力　出處：《中國(guó)地質(zhì)大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：巖溶水系統(tǒng)含水介質(zhì)的非均質(zhì)性大大增加了調(diào)查分析巖溶空間分布和時(shí)間演變規(guī)律的難度。在研究局部巖溶水流動(dòng)和非均質(zhì)巖溶介質(zhì)分布時(shí),基于水文地質(zhì)地表調(diào)查的定性分析或者工程勘察的局部調(diào)查是現(xiàn)有的主要手段。目前可實(shí)現(xiàn)巖溶演化的少數(shù)數(shù)值模型僅可模擬1-2個(gè)主方向裂隙網(wǎng)絡(luò)的溶解,與實(shí)際巖溶空間分布差異較大�，F(xiàn)有數(shù)值模型多為可視化程度較低的源代碼程序,普及性不佳�；趨^(qū)域地下水流動(dòng)系統(tǒng)理論和碳酸鹽巖化學(xué)溶解機(jī)理,本文提出以溶解潛力來(lái)刻畫(huà)地下水可以溶解并攜帶碳酸鹽巖的最大數(shù)量,將表征“溶解潛力”的概念參數(shù)稱為巖溶發(fā)育指數(shù)ΦK(Karstification Index).巖溶發(fā)育指數(shù)的物理意義為在單位時(shí)間內(nèi)地下水可溶解的碳酸鹽巖物質(zhì)的量[MT1]。巖溶發(fā)育指數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：ΦK=q·s式中q為巖溶水系統(tǒng)任意空間位置點(diǎn)的地下水流量[L3T1]；s為單位體積地下水與碳酸鹽巖完全反應(yīng)達(dá)到飽和時(shí)地下水中增加的碳酸鹽巖[ML-3]；本研究設(shè)定非飽和帶巖溶發(fā)育指數(shù)為零。巖溶水系統(tǒng)中地下水徑流是不均勻的,水流的不均勻性造成可溶巖的差異性溶解,這種漸強(qiáng)的不均勻性徑流與介質(zhì)差異性溶解的正反饋過(guò)程是巖溶水系統(tǒng)特有的自組織機(jī)制。巖溶發(fā)育模型需要體現(xiàn)巖溶水系統(tǒng)自組織機(jī)制、模擬巖溶形成過(guò)程與相對(duì)規(guī)模大小。根據(jù)研究區(qū)水文地質(zhì)條件和化學(xué)反應(yīng)條件構(gòu)建巖溶水流動(dòng)、熱量運(yùn)移數(shù)值模型,由任意點(diǎn)鈣離子背景值、流量、水溫、二氧化碳分壓計(jì)算任意時(shí)刻的巖溶發(fā)育指數(shù)。根據(jù)巖溶發(fā)育指數(shù)值計(jì)算經(jīng)歷一段時(shí)間(一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng))溶解作用后介質(zhì)隙寬的擴(kuò)大量,進(jìn)而獲取透水介質(zhì)的滲透系數(shù)和溶解進(jìn)入水中的鈣離子數(shù)量。在該時(shí)刻水流與鈣離子運(yùn)移耦合模型中添加隨時(shí)間變化的溶解鈣離子量,模擬獲取下一時(shí)刻鈣離子背景值。利用計(jì)算的透水介質(zhì)滲透系數(shù)構(gòu)建下一時(shí)刻的水流-熱量運(yùn)移模型,根據(jù)模擬的流量、水溫,結(jié)合新的鈣離子濃度背景值計(jì)算下一時(shí)刻巖溶發(fā)育指數(shù)。以巖溶發(fā)育指數(shù)作為巖溶介質(zhì)和地下水正反饋過(guò)程的橋梁,通過(guò)反復(fù)模擬-計(jì)算-迭代來(lái)實(shí)現(xiàn)巖溶發(fā)育過(guò)程的方法就是基于溶解潛力的巖溶發(fā)育數(shù)值模型。本研究把早期透水介質(zhì)概化成一系列可沿任意方向相互連通的細(xì)小圓管,含水層內(nèi)的地下水流動(dòng)簡(jiǎn)化為達(dá)西流。本文選用功能齊全的地下水水量、熱量、溶質(zhì)運(yùn)移軟件系統(tǒng)FEFLOW來(lái)模擬巖溶水系統(tǒng)任意時(shí)刻的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)及溶質(zhì)場(chǎng)。相對(duì)巖溶發(fā)育的漫長(zhǎng)地質(zhì)歷史時(shí)間而言,巖溶介質(zhì)和水流分布在一定時(shí)期內(nèi)變化并不顯著。因此,本研究構(gòu)建的巖溶發(fā)育數(shù)值模型假設(shè)任意時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)碳酸鹽巖勻速溶解,且一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)系統(tǒng)狀態(tài)不變。這樣的處理方法雖然沒(méi)有精細(xì)刻畫(huà)出實(shí)時(shí)的巖溶發(fā)育過(guò)程,但是對(duì)于分析系統(tǒng)內(nèi)巖溶化的階段性進(jìn)程是合理且有意義的。另外,巖溶發(fā)育進(jìn)入成熟期將形成大型管道和洞穴,地下水物理侵蝕作用占主導(dǎo)地位,基于溶解機(jī)制建立的巖溶發(fā)育數(shù)值模型不再適用。此時(shí),一般情況下地下水中將出現(xiàn)紊流,因此,本研究以雷諾數(shù)作為模型時(shí)效性的判斷依據(jù)。但是,基于溶解潛力的早期巖溶發(fā)育模型已經(jīng)奠定了整個(gè)巖溶水系統(tǒng)巖溶發(fā)育的總體趨勢(shì)和介質(zhì)巖溶化格局的基本雛形。如果模擬的時(shí)間過(guò)程沒(méi)有出現(xiàn)大的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)改變基本地質(zhì)結(jié)構(gòu),本文提出的研究思路和建立的數(shù)值模型,可以定量刻畫(huà)巖溶發(fā)育宏觀特征,預(yù)測(cè)巖溶發(fā)育的空間差異性和趨勢(shì)性規(guī)律。以均質(zhì)各向同性灰?guī)r河間地塊作為水文地質(zhì)理論模型,本文分析了巖溶發(fā)育的一般過(guò)程。100ky時(shí),河間地塊理論模型地下水中出現(xiàn)紊流。模擬結(jié)果表明基準(zhǔn)面排泄點(diǎn)的溶解潛力最大,早期巖溶通道沿排泄基準(zhǔn)面水平逐漸向內(nèi)延伸。根據(jù)理論模型巖溶發(fā)育過(guò)程,本研究將巖溶早期發(fā)育分為3個(gè)階段：(1)潛伏期(0-40ky),指潛水位逐漸降低直至穩(wěn)定不變的階段,以排泄高程的降低時(shí)間作為劃分依據(jù)；(2)發(fā)育期(40-90ky),指溶解作用集中在排泄基準(zhǔn)面緩慢進(jìn)行的階段,巖溶發(fā)育指數(shù)增加幅度占比少于10%；(3)突變期(90-100ky),排泄區(qū)形成水平向內(nèi)延伸的早期巖溶通道,該階段巖溶發(fā)育指數(shù)增加幅度占比大于90%。不同區(qū)域巖溶發(fā)育過(guò)程在以上3個(gè)階段的時(shí)間分配可能不同,但是以上過(guò)程符合早期巖溶發(fā)育的一般規(guī)律。本研究逐次改變理論模型的基巖滲透性、補(bǔ)給源鈣離子濃度,并依次添加相對(duì)隔水層、導(dǎo)水帶,以分析以上影響因素對(duì)巖溶發(fā)育的影響。結(jié)果表明,溶解潛力及其非均質(zhì)性與基巖滲透性成正比、與補(bǔ)給源鈣離子濃度成反比,且?guī)r溶發(fā)育對(duì)前者的敏感系數(shù)比后者大2個(gè)數(shù)量級(jí)。在理論模型中添加相對(duì)隔水層或?qū)畮?系統(tǒng)內(nèi)巖溶發(fā)育規(guī)模和空間分布都變化顯著。添加水平相對(duì)隔水層后,理論模型巖溶發(fā)育出現(xiàn)分層現(xiàn)象,巖溶僅在隔水層上部含水層發(fā)育,最終在隔水底板形成水平巖溶管道,下部含水層巖溶不發(fā)育。添加導(dǎo)水帶后,巖溶化作用集中在導(dǎo)水帶,介質(zhì)非均質(zhì)性增強(qiáng),巖溶發(fā)育進(jìn)程加快。不同位置的導(dǎo)水帶巖溶水系統(tǒng)內(nèi)巖溶發(fā)育空間位置也不同。導(dǎo)水帶與排泄基準(zhǔn)面重合的系統(tǒng)主要沿排泄基準(zhǔn)面發(fā)育水平延伸的巖溶管道；350m水平延伸的導(dǎo)水帶系統(tǒng)僅可能在排泄口發(fā)育小溶洞；150m水平延伸的導(dǎo)水帶系統(tǒng)的巖溶通道沿導(dǎo)水帶水平延伸、沿河床垂直向下,基準(zhǔn)排泄點(diǎn)還可能發(fā)育溶洞；導(dǎo)水帶斜穿含水層的系統(tǒng)在導(dǎo)水帶下端發(fā)育巖溶管道,兩側(cè)基準(zhǔn)排泄點(diǎn)發(fā)育溶洞。筆者攻讀博士學(xué)位期間在湖北興山縣境內(nèi)對(duì)香溪河流域巖溶發(fā)育進(jìn)行了研究,依托1：5萬(wàn)水文地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目積累了大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料。在對(duì)香溪河流域巖溶水系統(tǒng)劃分流動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,本研究分別構(gòu)建霧龍洞小流域和響龍洞小流域巖溶發(fā)育模型。目的一是分析不同地質(zhì)結(jié)構(gòu)巖溶水系統(tǒng)的巖溶發(fā)育特征,嘗試解答地表調(diào)查和局部水文地質(zhì)勘察無(wú)法準(zhǔn)確說(shuō)明的問(wèn)題；二是通過(guò)野外現(xiàn)象與模型的對(duì)比驗(yàn)證說(shuō)明巖溶發(fā)育模型的可靠性與可行性。模擬結(jié)果表明霧龍洞流域上層寒武系巖溶水系統(tǒng)內(nèi)發(fā)育局部垂直相通的多層水平巖溶管道,斷裂帶局部還可能形成串珠狀小溶洞。下層震旦系巖溶水系統(tǒng)溶解潛力僅為上層系統(tǒng)的1/105～1/106,僅在高嵐河河床和斷裂帶附近發(fā)生溶解作用。響龍洞流域二疊-三疊系巖溶水系統(tǒng)內(nèi)部巖溶發(fā)育程度較低,僅在排泄點(diǎn)形成溶洞。霧龍洞流域和響龍洞流域巖溶發(fā)育模型的宏觀特征都較好重現(xiàn)并解釋了主要的實(shí)際巖溶現(xiàn)象,包括巖溶泉、溶洞、巖溶管道的空間位置及基本規(guī)模、形態(tài)等。并且,霧龍洞流域模型中上層寒武系巖溶水系統(tǒng)巖溶泉的水文動(dòng)態(tài)過(guò)程與監(jiān)測(cè)序列相似度較高。因此,巖溶發(fā)育模型在香溪河流域的實(shí)例應(yīng)用是成功的,說(shuō)明本文構(gòu)建的巖溶發(fā)育數(shù)值模型合理可行。巖溶發(fā)育模型可用于劃分復(fù)雜巖溶水流動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和層級(jí),協(xié)助水文地質(zhì)工作者判斷區(qū)域主要的巖溶發(fā)育強(qiáng)度和部位、分析深部巖溶水資源空間分布,更好地根據(jù)工作目的選擇重點(diǎn)靶區(qū)開(kāi)展高精度水文地質(zhì)勘察工作、制定更科學(xué)的水資源開(kāi)發(fā)保護(hù)方案。由于巖溶發(fā)育過(guò)程包含有多個(gè)物理化學(xué)過(guò)程,因此巖溶發(fā)育模型可基于溶解潛力概念進(jìn)行模塊拓展。由簡(jiǎn)單因素拓展至復(fù)雜因素、由單一因素拓展至多個(gè)因素是溶解潛力模型發(fā)展的必然趨勢(shì)。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：P642.25

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本文編號(hào)：1589259