CN111397663B

CN111397663B - 依据地下水温度来判别岩溶发育程度的方法

Info

Publication number: CN111397663B
Application number: CN202010311951.6A
Authority: CN
Inventors: 张娟娟; 邓晓颖; 田大永; 任静; 齐玉峰; 周春华; 吕小冬
Original assignee: No2 Institute Of Geological & Mineral Resoures Survey Of Henan
Current assignee: No2 Institute Of Geological & Mineral Resoures Survey Of Henan
Priority date: 2020-04-20
Filing date: 2020-04-20
Publication date: 2022-10-21
Anticipated expiration: 2040-04-20
Also published as: CN111397663A

Abstract

本发明公开了一种依据地下水温度来判别岩溶发育程度的方法，首先根据资料在平面图上绘制地下水的补给区、径流区和排泄区；在该区域内钻监测孔；分次统一测量各监测孔内的水温、水位，测量次数≥3次，每次测量时间1~3天；绘制地下水温度场分布图；依据各监测孔内的水位数据，修正地下水补给区、径流区和排泄区分布图，并将其与地下水温度场分布图进行整合，形成地温场和水文地质分区综合分布图；将岩溶发育程度对应的划分为三级或四级；根据划分结果，在地温场和水文地质分区综合分布图中进行岩溶发育程度分区圈定。按照本发明方法划分的岩溶发育程度分区更能反映客观，为在缺乏岩溶勘探资料情况时的岩溶发育程度判断提供了一些量化参考和依据。

Description

依据地下水温度来判别岩溶发育程度的方法

技术领域

本发明涉及工程地质勘察技术，尤其是涉及一种在常见的碳酸盐岩地层分布地区同一水文单元内依据地下水温度来判别岩溶发育程度的方法。

背景技术

岩溶（国际上称喀斯特）是地表水和地下水对可溶性岩石所进行的一种以化学溶蚀为主、机械剥蚀为辅的地质作用及其所产生的各种现象的总称。

在我国广西、贵州、四川、重庆以及北方太行山等地区，碳酸盐岩地层分布较广，为盐酸盐岩成片分布区。在岩溶地区的工程地质勘察过程中，常常需要判别工程区内不同区段的岩溶发育程度。目前对地面以下岩溶发育程度的判别一般是先基于地质测绘、地质钻探、物探、取样室内测试、地下水化学等手段，通过钻孔岩芯、平硐揭露、地表出露等获取岩溶发育的形态、规模等，然后根据岩溶发育的形态、密度、岩石的可溶性测试指标等，总结和归纳出评价区内岩溶发育的特征和分布规律，最后依据相关的手册或者规程规范评价不同区段地下岩溶发育的不同程度。

上述是工程勘察领域最常用也是最常规的工作方法和工作流程，岩溶发育程度的划分需要大量工作积累，且需要耗费较长工作时间的野外和内业分析研究工作。涉及的工作手段多，步骤流程和人为判别复杂，往往需要综合各种手段方法的测试和判断结果来最终给出研判，尤其是对于埋藏型的岩溶，由于地表露头少，埋藏于地表以下，用于判断岩溶发育程度的一些指标，如发育规模、形态、发育层位等，肉眼无法直接观测，只能依靠有限的地质钻孔、示踪试验以及地表测绘成果等来推测和判断岩溶发育程度。

对岩溶发育程度进行判别往往针对的是相对较大的区域范围，虽然参考的因素或者依据有多种，但最终很大程度上是靠人为的判别，因此其精度上受资料精细程度的限制。一般情况下，掌握的地质、水文地质资料、钻孔资料、试验资料等越丰富，划分的就会越准确。目前，常参考的因素有地层岩性、岩性组合特征、岩石矿化成分、地下水径流模数、地表岩溶洞穴发育密度等。

地下水温度作为地下水的一个重要指标，其对岩溶发育程度虽有一定的指示意义，然而，这一指示特征在岩溶发育程度分级或程度判别中却一直未被加以利用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种同一水文单元内依据地下水温度来判别岩溶发育程度的方法，特别在埋藏型岩溶地区，以期对现行划分或判别方法进行有效的补充或验证。

为实现上述目的，本发明可采取下述技术方案：

本发明所述的依据地下水温度来判别岩溶发育程度的方法，包括下述具体步骤：

第一步，基于资料搜集、现场水文地质调查和测绘工作，掌握研究区的基本地质和水文地质条件，在平面图上绘制地下水的补给区、径流区和排泄区；

第二步，为获取温度场的基本形态，依照平面图上绘制的区域，在研究区地下水补给区边界、径流主方向的上、下游和两侧间隔钻设监测孔，构成地下水监测网；为保证监测点能覆盖所研究的区域，在研究区内构筑地下水监测网的监测孔数目不少于7个；正常情况下，监测孔的孔径为50~130cm（不小于50cm），深度要进入地下水位以下并揭露主要岩溶含水层；监测孔的密度视水文地质单元大小而定，如100 km²~500km²的单元，观测孔密度宜按照（10~20）个/100km²设定；

监测孔的具体技术要求可参见相关规范，如《地下水监测工程技术规范》(GB/T51040-2014)、《地下水环境监测技术规范》（HJ/T164-2004）等）；

对工程区建立地下水监测网时，监测网应考虑工程区所处的岩溶水文地质单元位置、地下水径流方向以及控制面积等综合确定，若为工程建设服务，则应充分利用工程地质勘察孔，以节约造孔费用；

第三步，在非大气降水时段（测量前7~15天和测量期间未产生明显降水），分次统一测量各监测孔内的水温、水位，测量次数≥3次，每次测量时间1~3天；

第四步，依据每次统一测量的各监测孔内的水温数据，绘制地下水温度场分布图，获得整个水文地质单元内的地下水温度分布情况；依据每次统一测量的各监测孔内的水位数据，修正第一步中的地下水补给区、径流区和排泄区分布图，并将其与地下水温度场分布图进行整合，形成地温场和水文地质分区综合分布图；

第五步，将监测到的温度数据根据其分布区间特征进行分级（分级方法可采用数列分级法、等间距分级法、模糊聚类法等），结合第四步中修正的地下水补给区、径流区和排泄区的划分，将研究区的岩溶发育程度对应的划分为三级或四级；

第六步，根据第五步的划分结果，在第四步中的地温场和水文地质分区综合分布图中进行岩溶发育程度分区圈定。

如果第三步统一测量时采用具有自动检测和数据存储功能的自动水温水压计，应将所有监测孔的数据采集时间设置一致。如果第三步统一测量时采用人工测量，应在三天内完成一次对所有监测孔的测量工作，测量时应尽量缩短时间。统一测量时，为保证测量数据的准确性，应避开大气降水期（一般测量前7~15天无明显的大气降水过程）。

第五步中，若将监测到的温度数据根据其分布区间特征由高到低分为相对高温、相对中等温度、相对低温三级时，结合地下水补给、径流和排泄区分布，岩溶发育程度对应的划分为三级，包括弱发育、中等发育、强发育；如下表1所示（三分法）：

表1

若将监测到的温度数据根据其分布区间特征由高到低分为相对高温、相对较高温、相对较低温、相对低温四级时，结合地下水补给、径流和排泄区分布，岩溶发育程度对应的划分为四级，包括微弱发育、中等发育、强烈发育、极强发育；如表表2所示（四分法）。

表2

由于岩溶地区的水体（包括大气降水和地表水）在入渗进入岩土体后，地下水温随着地下水在岩体中的运移距离的增加、运移时间的增加而提升，并逐渐趋于和岩石温度相等。岩体中岩溶越发育程度越强烈，地下水补给和径流条件越好，滞留时间越短，即地下水在其中的运移速率越快，岩溶含水层中的地下水越易得到补给和更新，此时地下水温相对偏低；反之，岩体中岩溶不发育，地下水流通缓慢，地下水易于接受岩体的增温，从而使得其温度相对偏高。

本发明基于上述原理采用的技术方案，其优点主要体现在如下三点：

（1）增加的额外成本小，一般不需要单独为了利用本发明方法而专门布置地下水温观测孔。岩溶地区的工程建设，在前期的工程地质勘察工作中，依据规程规范，大部分要求对地下水进行长期观测（监测项目一般包括地下水位、水温，部分项目要求监测水质），这为利用地下水温判定地下岩溶发育程度提供了数据基础。

（2）某一观测点（监测孔）上的地下水温度反映的岩溶发育程度可以代表的范围更广。由于地下岩溶发育的不均一性，一个地质钻孔揭露的岩溶发育现象和发育程度代表性较差，不利于对对地下岩溶发育程度进行判定，而一个监测孔的水温则可以代表或反映周边一定范围内的地下水温度，由于地下水温度是反映地下水补给和更新能力的一个重要指标，稳定的地下水温度反映出的岩溶发育程度可以代表的范围更广，利于岩溶发育程度的准确判别。

（3）不需要繁杂或繁琐的计算，直接利用给出的表格进行判断即可，两种表格分别用了三分法和四分法，吻合了现行规程规范和手册中对岩溶发育程度的分级标准。

相对于未考虑地下水温度的岩溶发育程度分级结果，增加采用本发明方法后，划分的岩溶发育程度分区更能反映客观，为在缺乏岩溶勘探资料情况时的岩溶发育程度判断提供了一些量化参考和依据。因此，将地下水温度指标应用于岩溶发育程度分级中，对于提高岩溶发育程度判别的精度、丰富岩溶发育程度判别方法和判断依据方面具有重要的实际指导意义。

需要说明的是，本方法适用于绝大部分的岩溶发育地区，但对于地热异常区和有地热水分布区域深大断裂带地段不适用。

附图说明

图1是本发明方法的流程图。

图2为本发明实施例的地质平面示意图。

图3为实施例中地下水位等值线图及补给、径流和排泄区划分。

图4为实施例中地下水温度聚类分布特征。

图5为实施例中地下水温度场和水文地质综合分区图。

图6为实施例中获取的岩溶发育程度分区图。

图7为采用常规方法绘制的岩溶发育程度分区图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明方法做更加详细的描述，以便于本领域技术人员对本发明方法的理解和使用。

应用实例：徐家沟泉域岩溶发育程度分级

一、工程区概况

1、许家沟泉域边界

许家沟泉域属于鹤壁—林县岩溶水系统的子系统之一，泉域面积 249km²，其中80％的面积属于碳酸盐岩裸露区，分布于鹤壁市西部和西南部的低山区，约 20％的面积覆盖在石炭—二叠、古近系和新近系地层之下，分布于山前丘陵区。泉域东边界北起下赵荒，经西马驹河、故县村、西扒厂、山后至朱家，为奥陶系灰岩与二叠系泥岩、古近系和新近系砾岩深部接触带，阻碍了奥陶系岩溶水向东运动，是一条相对隔水的边界；南边界西起水峪，经新庄、西土门、西形盆至朱家，与水峪—形盆断裂走向一致，水峪—形盆断裂是一条阻水边界；西边界北起太平庙，经土门、天井沟至盘石头，南段大致与盘石头背斜轴部走向一致，中下寒武统砂页岩与岩溶含水层接触，起到隔水作用；边界北段是地表分水岭。

从四周边界分析，泉域为相对封闭的一个水文地质单元，岩溶水在西部的灰岩裸露区接受大气降水入渗和地表水渗漏补给，自西向东径流，受到东部石炭—二叠系地层的阻挡，转向南径流，在许家沟淇河岸边以泉群的形式集中集中向淇河排泄。

2、基本地质条件

泉域内出露的地层有寒武系（Є）、奥陶系（O）、新近系（N）和第四系（Q），零星出露有岩浆岩，地质平面示意图见图2。其中碳酸盐岩地层岩性以灰岩、白云质灰岩、白云岩为主，岩溶裂隙较发育，可分为裸露型、覆盖型和埋藏型三种。裸露型岩溶区地下水分布在评价区西部，透水性相对较弱，含水层渗透系数一般0.56m/d～4.95m/d。覆盖型和埋藏型岩溶区地下水分布在评价区中部和东部，上覆第四系松散堆积物、新近系、二叠系、三叠系碎屑岩，埋藏深度自西向东逐渐加深。

主要的岩溶含水岩组有：

①寒武系中统张夏组（Є₂z）

该组下部为青灰色厚层花斑状灰岩夹有两层鲕状花斑状灰岩，底部为薄板状灰岩，中上部为鲕状灰岩与藻礁屑灰岩，底部有0.2m厚深灰色豆状灰岩与厚2.2m的生物碎屑灰岩，含三叶虫化石，与下伏地层呈整合接触，厚150m。主要分布于窑洞、肖横岭以北，马横岭以西一带。

②寒武系上统（Є₃）

下部为厚层鲕状灰岩，其间夹有泥质条带和竹叶状灰岩；中部为青灰色薄层、泥质条带状灰岩与竹叶状灰岩互层，并夹有浅灰色白云质灰岩；上部为细晶白云岩。与下伏地层呈整合接触，厚60m。主要分布于马横岭以北、张公堰以西一带。

③奥陶系（O）

在评价区内出露地层主要为奥陶系下统、中统，奥陶系下统缺失，奥陶系中统分布广泛，区内出露有

下马家沟组（O₂x）、上马家沟组（O₂s）和峰峰组峰峰组（O₂f）。三个含水层组各自的上部均为泥晶灰岩，下部为角砾状灰岩与白云质灰岩，角砾状灰岩、白云质灰岩由于膏溶作用，常发育网格状溶蚀裂隙和蜂窝状溶孔，泥晶灰岩虽然原生孔隙率低，但地下水对成岩裂隙或构造裂隙进行片状溶蚀，易形成宽大溶蚀裂隙与小溶洞。

3、地下水补给、径流和排泄条件

泉域内岩溶地下水主要接受来自碳酸盐岩裸露区大气降雨和渠系渗漏补给，在覆盖区，还接受上层的越流补给；泉域内的地形地势与地质构造，决定了泉域裂隙岩溶水自西接受补给，向东径流的总趋势。地下水流至东部受石炭、二叠系、古近系、新近系巨厚页岩、砂岩地层阻挡，转向南径流，至淇河北岸许家沟河段，由于河流切割含水层，地下水以泉群形式集中排泄，受集中补给与开采影响，局部地段流向有所改变。水力坡度为 1.7～4.0‰，排泄区水力坡度为 0.9～2.2‰。由于许家沟泉水的集中排泄，在许家沟水源地附近形成漏斗，改变了地下水的流向，使岩溶水从北、西、南三面向泉口径流，在泉口排泄而出，许家沟泉群的排泄流量为0.85m³/s。

二、地下水位和地下水温监测

1、地下水位监测

泉域内分布着大量的民井、机井，还有为各种建设项目而实施的各类地下水监测孔，为本次的研究提供了条件。在本泉域内，共调查和监测地下水位井（孔）点50余处，其中统测获取的有效水位数据共41点处，均为岩溶地下水井。根据各个井孔的地下水位资料，绘制了地下水等值线图，并根据地下水流场形态、水文地质条件，划分了地下水的补给区、径流区和排泄区。图3为地下水温等值线图及补给、径流和排泄区划分。

2、地下水温监测

因受现场工作条件限制，区内地下水温监测点比水位点少一些，有效地下水温监测点为24个，其中，补给区4个，径流区18个，排泄区2个。根据监测结果，泉域内的地下水温度总体上以中低温水为主，测量结果在11.23℃~21.88℃之间。

地下水位和水温统测结果见下表3。

表3

根据统测的地下水温数据，进行了初步聚类分析，从图4可以看出，地下水温有相对明显的聚类性，将其根据大小分为四个等级，分别是相对高温区、相对较高温区、相对较低温区和相对低温区，据此，绘制了泉域内地下水温分布图，同时将水文地质分区（即前述的补给、径流和排泄区）也绘制在图上，见图5。

从图上可以看出，总体上泉域大范围的地下温度较为相近，西部和西北部的地下水补给区温度相对偏高，最高温出现在泉域的西北的SGY点，为21.88℃，显示出地下水径流缓慢的特征。在泉域的东南部，分布着一个近南北展布的条带状相对低温带（温度在11.23℃~13.17℃），长度近15km，反映出该地带的地下水位径流速度较快，此外，在泉域的中南部，还有一近东北-西南展布的相对较低温带。

三、岩溶发育程度划分

本实施例中岩溶发育程度划分采用的是四分法，根据图5和表2，可以将泉域的岩溶发育程度划分为四级，分别是微弱发育区、中等发育区、强烈发育区和极强发育区，见图6。从图中可以看出，泉域内岩溶发育程度最强烈的地段位于排泄区，主要是由于该地段，地下水受排泄影响活动最为强烈；此外，在泉域东部的近南北向的强径流带，岩溶发育程度为强烈，这与区域水文地质条件的认识是一致的。

四、本发明方法的效果分析

在采用本发明方法前，没有对徐家沟泉域的地下水温和水位进行监测，而是采用常规方法，根据泉域内地层岩性、岩性展布特征、水文地质条件以及掌握的地质钻孔揭露的岩溶发育情况等，也划分了泉域的岩溶发育程度分区图，见图7。

对比图6和图7可以看出，两图总体上是一致的，西部、西北部均为岩溶发育微弱区，岩溶发育强烈区位于东部的地下水强径流区和许家沟泉群附近的排泄区，温度对岩溶发育的强弱程度指示性较为明显，说明地下水温可以应用到岩溶发育程度的划分中。

但在两图中，也存在有局部不一致的地方，主要体现在：1、未采用地下水温划分的岩溶发育程度分区图（图7）中，强烈发育区有两个片区，呈南北方向分布，而采用温度划分的岩溶发育程度分区图（图6）中，将这两个片区连在了一起，形成一个强径流带；2、未采用地下水温划分的岩溶发育程度分区图（图7）中，在泉域的中北部的西扬邑以北，存在一小面积的中等发育区，但在采用温度划分的岩溶发育程度分区图（图6）中，未划分出该区域。

分析认为，未采用地下水温划分的岩溶发育程度时，主要是依据地表感官认识和经验判断，以及个别钻孔揭露的岩芯的溶蚀情况，由于钻孔数量有限，钻孔仅能反映一个点位上的情况，尤其在碳酸盐岩埋藏区，可供参考的信息更少，而地下水温往往能代表监测孔周边一定范围的地下水活动和岩溶发育情况，且是实测成果，因此，将地下水温增加作为分析判断岩溶发育程度的一种因素，所刻画出来的岩溶发育程度分区更为客观。

综上分析，利用地下水温结合水文地质测绘成果进行岩溶发育程度分级分区，可以更好地反映地下岩溶发育程度，岩溶发育程度的地下水温度判别方法是对目前岩溶发育程度判断的有效补充和丰富，具有很好的应用前景和价值。

Claims

1.一种依据地下水温度来判别岩溶发育程度的方法，其特征在于：包括下述具体步骤：

第二步，为获取温度场的基本形态，依照平面图上绘制的区域，在研究区地下水补给区边界、径流主方向的上、下游和两侧间隔钻设监测孔，构成地下水监测网；

第三步，在非大气降水时段，分次统一测量各监测孔内的水温、水位，测量次数≥3次，每次测量时间1～3天；所述第三步统一测量时采用自动水温水压计，所有监测孔的数据采集时间设置一致；

第四步，依据每次统一测量的各监测孔内的水温数据，绘制地下水温度场分布图；依据每次统一测量的各监测孔内的水位数据，修正第一步中的地下水补给区、径流区和排泄区分布图，并将其与地下水温度场分布图进行整合，形成地温场和水文地质分区综合分布图；

第五步，将监测到的温度数据根据其分布区间特征进行分级，结合第四步中修正的地下水补给区、径流区和排泄区的划分，将研究区的岩溶发育程度对应的划分为三级或四级；

若将监测到的温度数据根据其分布区间特征由高到低分为相对高温、相对中等温度、相对低温三级时，结合地下水补给、径流和排泄区分布，岩溶发育程度对应的划分为三级，包括弱发育、中等发育、强发育；若将监测到的温度数据根据其分布区间特征由高到低分为相对高温、相对较高温、相对较低温、相对低温四级时，结合地下水补给、径流和排泄区分布，岩溶发育程度对应的划分为四级，包括微弱发育、中等发育、强烈发育、极强发育；

2.根据权利要求1所述的依据地下水温度来判别岩溶发育程度的方法，其特征在于：所述第二步中在研究区内构筑地下水监测网的监测孔数目≥7个。

3.根据权利要求1所述的依据地下水温度来判别岩溶发育程度的方法，其特征在于：所述第二步中监测孔孔径为50～130cm，深度要进入地下水位以下并揭露主要岩溶含水层；监测孔密度为10～20个/100km2。

4.根据权利要求1所述的依据地下水温度来判别岩溶发育程度的方法，其特征在于：所述第三步统一测量时采用人工测量，三天内完成一次测量所有监测孔的工作。