CN117409874A - 基于水化学和多同位素隧道涌水来源和循环示踪方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于水化学和多同位素隧道涌水来源和循环示踪方法，属于隧道涌水防治技术领域，其特征在于，包括以下步骤：步骤A、对水样进行常量水化学指标和同位素测试；步骤B、揭示隧道涌水的补给高程、补给来源、径流路径、时间长短、更新能力和水岩作用的程度；步骤C、揭示控制隧道涌水的水化学形成和演化的因素；步骤D、揭示隧道涌水中锶、锂、氮和硫的来源和循环过程；步骤E、计算隧道涌水的矿物饱和系数，用于评估矿物与隧道涌水之间的平衡和反应性，验证隧道涌水中离子组分的来源；步骤F、绘制模型概念图。本发明能够定量解析大范围下复杂地质条件的隧道涌水中离子组分的来源，揭示循环机制，提高判别结果的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及到隧道涌水防治技术领域，尤其涉及基于水化学和多同位素隧道涌水来源和循环示踪方法。
背景技术
隧道涌突水灾害是指地下工程开挖过程中，破坏了原有的地层结构，打破了土体和地层中水体的力学平衡状态，在没有及时防护时，造成水体涌入开挖洞室的过程。近年来我国高速铁路和高速公路覆盖面积迅速扩张，在道路修建过程中不得不面对各种起伏地貌现象和不良地质条件，特别是我国西南以及高原地区，由于岩溶与山脉发育，隧道覆盖占比不断提高。伴随隧道开挖，隧道涌突水也经常发生。因此，明确掌握开挖地区地下水的来源和循环机制，对于隧道涌突水的治理和预防具有重要意义。
在对隧道突涌水进行示踪时，判别隧道涌水的补给来源是示踪过程的重要部分，不同类型的补给水，如降雨、冰雪融水或河流水，会直接影响补给水的流速、流量和水化学特征。其次是揭示隧道突涌水在补给后直至涌出隧道过程中的循环机制，隧道涌水在循环过程中所流径的岩性和深度的不同，会导致隧道涌水具有不同的温度和水化学特征。因此明确隧道涌水的补给来源和流径的岩性和深度，可以提高开挖隧道突涌水治理和防治的效果。
目前在隧道涌水防治中，用来示踪隧道涌水补给来源和循环机制的方法主要有传统水化学和单一同位素分析方法分析隧道涌水的水化学特征，或利用钻孔注入含同位素的水样，通过室内模型或现场实验来识别渗流路径、涌水位置和涌水量。使用单一同位素进行隧道涌水来源和循环机制判别时，在面对复杂地下水赋存条件以及复杂地下水运移通道的情况下具有相当的局限性和不足，受到局部地质岩性异常的影响较大，会限制判别结果的准确性。通过钻孔注入含同位素水样的模型或实验的方法，对于短距离的局部隧道涌水具有较好的示踪效果，但面对开挖深度和跨度大的隧道，模型和实验方法的工作量很大，且经济效益低，并不能解决大范围隧道涌水来源和循环机制问题。且对于具有复杂地质条件下的隧道涌水问题，也不能简单快速的识别涌水来源和循环机制。
公开号为CN111929742A，公开日为2020年11月13日的中国专利文献公开了一种高原复杂山区地热异常深埋隧道工程高温热水判别方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1，根据地热地质、温泉调查获取区域的地质构造展布、地层岩性分布以及初步的地热背景特征，结合地形地貌初步判断地下水溢出带；
S2，基于地面物探以及航空物探对交通廊道内的地温异常区块进行识别，揭示硬质岩隧道断裂带以及节理密集带平面及断面分布特征，进一步确定地下水溢出带；
S3，通过深孔勘探揭示地层结构、地下水以及破碎带位置，钻孔分层测温数据揭示孔内地温及变化特征，分析地温所处层位，通过综合测试及地温陡度进一步确定深埋隧道高温热水的出露特征；
S4，同时取样分析地下水、地表水水化学组份，分析对比高温热水与地表水、地下水的差别，综合判断隧道洞身范围内是否存在高温热水。
该专利文献公开的高原复杂山区地热异常深埋隧道工程高温热水判别方法，刻画了隧道高温热水可能出漏的范围，为隧道高温热水设计施工提供了资料。但是，不能解析复杂地质条件的隧道涌水中离子组分的来源及循环机制，影响判别结果的准确性。
发明内容
本发明为了克服上述现有技术的缺陷，提供基于水化学和多同位素隧道涌水来源和循环示踪方法，本发明能够定量解析大范围下复杂地质条件的隧道涌水中离子组分的来源，揭示循环机制，提高判别结果的准确性。
本发明通过下述技术方案实现：
基于水化学和多同位素隧道涌水来源和循环示踪方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A、开展隧道区域的野外水文地质调查和样品采集，采集隧道涌水和地表水，对水样进行常量水化学指标和同位素测试；
步骤B、根据水样的氢、氧和氚同位素特征，揭示隧道涌水的补给高程、补给来源、径流路径、时间长短、更新能力和水岩作用的程度；
步骤C、基于Gibbs图和离子比值图分析隧道涌水在地下径流或渗流过程中的水岩作用特征，揭示控制隧道涌水的水化学形成和演化的因素；
步骤D、通过分析水样的锶、锂、氮氧和硫氧同位素特征，并结合水文地质条件，揭示隧道涌水中锶、锂、氮和硫的来源和循环过程；
步骤E、利用PHREEQC3.0软件计算隧道涌水的矿物饱和系数，用于评估矿物与隧道涌水之间的平衡和反应性，验证隧道涌水中离子组分的来源；
步骤F、根据现有的开挖隧道进行隧道涌水来源和循环过程分析，绘制模型概念图。
所述步骤A中，隧道涌水包括地下热水和地下冷水。
所述步骤B具体包括：
步骤B1、基于水中氢同位素的高程公式，计算隧道涌水的补给高程：
式1
式中，为隧道涌水的补给高程，m；/>为地表水采样高程，m；/>为隧道涌水的/>值，‰；/>大气降水的/>值，‰；/>为地区/>的高程递减梯度，%/m；
步骤B2、划分出隧址区的分水岭位置和地表水径流方向，利用Arcgis10.8软件在区域上圈定出补给区的范围和位置，得出隧道涌水的补给来源；
步骤B3、根据水样中氚同位素的浓度，测定隧道涌水年龄，揭示地下水的起源和形成时代；
步骤B4、基于氚同位素的放射性衰变原理，利用数学模型法定量计算隧道涌水的年龄，判断出隧道涌水径流路径、时间长短、更新能力和水岩作用的程度；
式2
式中，为隧道涌水的年龄，年；/>为氚的衰变常数；/>为氚的半衰期，12.43年；/>为最初由大气降水输入地下含水层的氚浓度，TU；/>为水样中的氚浓度，TU。
所述步骤B3具体是指采用氚做定性年龄估算，氚同位素的浓度小于1TU时为老水，1953年前补给；氚同位素的浓度在1-3TU时为老水混入新水，0-10年；氚同位素的浓度在3-10TU时为新水，0-10年内补给；氚同位素的浓度在10-20TU时，显示仍残留核爆3H；氚同位素的浓度>20TU时，判定为20世纪60年代补给。
所述步骤D具体包括：
步骤D1、以锶同位素比值87Sr/86Sr为纵坐标，Mg2+/Ca2+值为横坐标，绘制比值图，并标注硅酸盐岩、石灰岩和白云岩三个端元，若样点位于三个端元之间或附近，则结合三端元混合模型，定量估算地下热水中不同来源的贡献率；
步骤D2、利用锶同位素判断地下热水在形成过程中的冷热混合关系，计算混合比例曲线；
式3
式中，为端元A的混合比；/>为端元A的Sr浓度；/>为端元B的Sr浓度；/>为端元A的87Sr/86Sr同位素比率；/>为端元B的87Sr/86Sr同位素比率；/>为使用A和B两个端元的预定混合比例计算的假定87Sr/86Sr同位素比率；
选取地表水为冷水端元，深层地热水为热水端元，计算并绘制出混合曲线图，依据地下热水在图上所处的位置，判断地下热水中冷水的混合比例；
步骤D3、估算地下储层热水的温度；
式4
式中，为地下储层热水的温度，℃；/>为水样的锂同位素值，‰；
再利用隧址区域的地热增温梯度，计算热水的循环深度；
式5
式中，为深部热储埋深，m；/>为地下储层热水的温度，℃；/>为常温带温度，℃；G为地温梯度，℃/m；/>为常温带深度，m；
步骤D4、计算温度在25-250℃范围内锂同位素的分馏值与温度的关系，得出与地下热水所反应的储层岩体的值范围，判断储层岩性；
式6
式中，为/>在固体-溶液的分馏程度，‰；
步骤D5、利用贝叶斯混合模型定量估算隧道涌水中硝酸盐来源的混合比例；
步骤D6、通过判断水体中硫氧同位素的变化，追踪硫酸盐污染物的来源和迁移路径。
所述步骤D6中，水体中硫酸盐污染物包括硫化物氧化、大气降水、化肥、污水和蒸发岩溶解。
所述步骤F具体是指结合水文地质条件、构造发育状况、补给高程、补给来源、径流路径、时间长短、控制隧道涌水的水化学形成和演化的因素和矿物系数，对开挖隧道进行隧道涌突水来源分析，并绘制相应的模型概念图，直观揭示隧道涌水的来源和循环过程。
所述控制隧道涌水的水化学形成和演化的因素包括不同岩石的贡献比率、冷热水混合比例、储层温度、储层岩性和人为活动的影响程度。
本发明所述PHREEQC是指用于计算多种低温水文地球化学反应的计算机软件。
本发明所述Gibbs图是指吉布斯图。
本发明所述Arcgis10.8是指地理信息系统。
本发明的有益效果主要表现在以下方面：
1、本发明，较现有技术而言，能够定量解析大范围下复杂地质条件的隧道涌水中离子组分的来源，揭示循环机制，提高判别结果的准确性。
2、本发明，与以往传统水化学和单一同位素分析方法相比，分析隧道涌水的来源和循环过程所得出的结论更多，更加适合复杂地质条件下深埋和大跨度隧道的研究，并且多同位素的结合可以对得出的结果进行相互验证，减少了传统水化学和单一同位素分析造成的误差。
3、本发明，与室内模型或现场实验来的方法相比，其操作方法更加简单快速，仅需在现场采集水样送至室内分析，结合相关软件和公式即可得到相应结论；并且与室内模型或现场实验的单点或短距离分析相比，多同位素的分析能够揭示整个隧道或局部区域范围内的涌水的来源和循环过程。
4、本发明，不仅能揭示地下冷水往上的补给来源和循环过程，而且能揭示地下热水往下的补给来源和循环过程，同时定量解析了人为活动对隧道涌水的影响，因此适用的隧道涌水类型范围更多，更广。
5、本发明，最后的结论是提出一种已开挖隧道涌突水来源模型概念图，对开挖隧道涌水来源和循环过程进行可视化处理，为复地质条件下的隧道涌水研究提供一种新的思路，能对隧道涌水防治提供有效的支撑。
附图说明
下面将结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步的具体说明：
图1为本发明的流程框图；
图2为本发明的氢氧同位素δD-δ18O关系图；
图3为本发明的隧道涌水补给区示意图；
图4为本发明的Mg2+/Ca2+与87Sr/86Sr关系图；
图5为本发明的1/Sr与87Sr/86Sr关系图；
图6为本发明的TDS与矿物饱和系数关系图；
图7为本发明已开挖隧道涌突水来源示意图。
具体实施方式
实施例1
参见图1，基于水化学和多同位素隧道涌水来源和循环示踪方法，包括以下步骤：
步骤A、开展隧道区域的野外水文地质调查和样品采集，采集隧道涌水和地表水，对水样进行常量水化学指标和同位素测试；
步骤B、根据水样的氢、氧和氚同位素特征，揭示隧道涌水的补给高程、补给来源、径流路径、时间长短、更新能力和水岩作用的程度；
步骤C、基于Gibbs图和离子比值图分析隧道涌水在地下径流或渗流过程中的水岩作用特征，揭示控制隧道涌水的水化学形成和演化的因素；
步骤D、通过分析水样的锶、锂、氮氧和硫氧同位素特征，并结合水文地质条件，揭示隧道涌水中锶、锂、氮和硫的来源和循环过程；
步骤E、利用PHREEQC3.0软件计算隧道涌水的矿物饱和系数，用于评估矿物与隧道涌水之间的平衡和反应性，验证隧道涌水中离子组分的来源；
步骤F、根据现有的开挖隧道进行隧道涌水来源和循环过程分析，绘制模型概念图。
本实施例为最基本的实施方式，较现有技术而言，能够定量解析大范围下复杂地质条件的隧道涌水中离子组分的来源，揭示循环机制，提高判别结果的准确性。
实施例2
参见图1，基于水化学和多同位素隧道涌水来源和循环示踪方法，包括以下步骤：
步骤A、开展隧道区域的野外水文地质调查和样品采集，采集隧道涌水和地表水，对水样进行常量水化学指标和同位素测试；
步骤B、根据水样的氢、氧和氚同位素特征，揭示隧道涌水的补给高程、补给来源、径流路径、时间长短、更新能力和水岩作用的程度；
步骤C、基于Gibbs图和离子比值图分析隧道涌水在地下径流或渗流过程中的水岩作用特征，揭示控制隧道涌水的水化学形成和演化的因素；
步骤D、通过分析水样的锶、锂、氮氧和硫氧同位素特征，并结合水文地质条件，揭示隧道涌水中锶、锂、氮和硫的来源和循环过程；
步骤E、利用PHREEQC3.0软件计算隧道涌水的矿物饱和系数，用于评估矿物与隧道涌水之间的平衡和反应性，验证隧道涌水中离子组分的来源；
步骤F、根据现有的开挖隧道进行隧道涌水来源和循环过程分析，绘制模型概念图。
所述步骤A中，隧道涌水包括地下热水和地下冷水。
所述步骤B具体包括：
步骤B1、基于水中氢同位素的高程公式，计算隧道涌水的补给高程：
式1
式中，为隧道涌水的补给高程，m；/>为地表水采样高程，m；/>为隧道涌水的/>值，‰；/>大气降水的/>值，‰；/>为地区/>的高程递减梯度，%/m；
步骤B2、划分出隧址区的分水岭位置和地表水径流方向，利用Arcgis10.8软件在区域上圈定出补给区的范围和位置，得出隧道涌水的补给来源；
步骤B3、根据水样中氚同位素的浓度，测定隧道涌水年龄，揭示地下水的起源和形成时代；
步骤B4、基于氚同位素的放射性衰变原理，利用数学模型法定量计算隧道涌水的年龄，判断出隧道涌水径流路径、时间长短、更新能力和水岩作用的程度；
式2
式中，为隧道涌水的年龄，年；/>为氚的衰变常数；/>为氚的半衰期，12.43年；/>为最初由大气降水输入地下含水层的氚浓度，TU；/>为水样中的氚浓度，TU。
所述步骤B3具体是指采用氚做定性年龄估算，氚同位素的浓度小于1TU时为老水，1953年前补给；氚同位素的浓度在1-3TU时为老水混入新水，0-10年；氚同位素的浓度在3-10TU时为新水，0-10年内补给；氚同位素的浓度在10-20TU时，显示仍残留核爆3H；氚同位素的浓度>20TU时，判定为20世纪60年代补给。
本实施例为较佳实施方式，与以往传统水化学和单一同位素分析方法相比，分析隧道涌水的来源和循环过程所得出的结论更多，更加适合复杂地质条件下深埋和大跨度隧道的研究，并且多同位素的结合可以对得出的结果进行相互验证，减少了传统水化学和单一同位素分析造成的误差。
实施例3
参见图1，基于水化学和多同位素隧道涌水来源和循环示踪方法，包括以下步骤：
步骤A、开展隧道区域的野外水文地质调查和样品采集，采集隧道涌水和地表水，对水样进行常量水化学指标和同位素测试；
步骤B、根据水样的氢、氧和氚同位素特征，揭示隧道涌水的补给高程、补给来源、径流路径、时间长短、更新能力和水岩作用的程度；
步骤C、基于Gibbs图和离子比值图分析隧道涌水在地下径流或渗流过程中的水岩作用特征，揭示控制隧道涌水的水化学形成和演化的因素；
步骤D、通过分析水样的锶、锂、氮氧和硫氧同位素特征，并结合水文地质条件，揭示隧道涌水中锶、锂、氮和硫的来源和循环过程；
步骤E、利用PHREEQC3.0软件计算隧道涌水的矿物饱和系数，用于评估矿物与隧道涌水之间的平衡和反应性，验证隧道涌水中离子组分的来源；
步骤F、根据现有的开挖隧道进行隧道涌水来源和循环过程分析，绘制模型概念图。
所述步骤A中，隧道涌水包括地下热水和地下冷水。
所述步骤B具体包括：
步骤B1、基于水中氢同位素的高程公式，计算隧道涌水的补给高程：
式1
式中，为隧道涌水的补给高程，m；/>为地表水采样高程，m；/>为隧道涌水的/>值，‰；/>大气降水的/>值，‰；/>为地区/>的高程递减梯度，%/m；
步骤B2、划分出隧址区的分水岭位置和地表水径流方向，利用Arcgis10.8软件在区域上圈定出补给区的范围和位置，得出隧道涌水的补给来源；
步骤B3、根据水样中氚同位素的浓度，测定隧道涌水年龄，揭示地下水的起源和形成时代；
步骤B4、基于氚同位素的放射性衰变原理，利用数学模型法定量计算隧道涌水的年龄，判断出隧道涌水径流路径、时间长短、更新能力和水岩作用的程度；
式2
式中，为隧道涌水的年龄，年；/>为氚的衰变常数；/>为氚的半衰期，12.43年；/>为最初由大气降水输入地下含水层的氚浓度，TU；/>为水样中的氚浓度，TU。
所述步骤B3具体是指采用氚做定性年龄估算，氚同位素的浓度小于1TU时为老水，1953年前补给；氚同位素的浓度在1-3TU时为老水混入新水，0-10年；氚同位素的浓度在3-10TU时为新水，0-10年内补给；氚同位素的浓度在10-20TU时，显示仍残留核爆3H；氚同位素的浓度>20TU时，判定为20世纪60年代补给。
所述步骤D具体包括：
步骤D1、以锶同位素比值87Sr/86Sr为纵坐标，Mg2+/Ca2+值为横坐标，绘制比值图，并标注硅酸盐岩、石灰岩和白云岩三个端元，若样点位于三个端元之间或附近，则结合三端元混合模型，定量估算地下热水中不同来源的贡献率；
步骤D2、利用锶同位素判断地下热水在形成过程中的冷热混合关系，计算混合比例曲线；
式3
式中，为端元A的混合比；/>为端元A的Sr浓度；/>为端元B的Sr浓度；/>为端元A的87Sr/86Sr同位素比率；/>为端元B的87Sr/86Sr同位素比率；/>为使用A和B两个端元的预定混合比例计算的假定87Sr/86Sr同位素比率；
选取地表水为冷水端元，深层地热水为热水端元，计算并绘制出混合曲线图，依据地下热水在图上所处的位置，判断地下热水中冷水的混合比例；
步骤D3、估算地下储层热水的温度；
式4
式中，为地下储层热水的温度，℃；/>为水样的锂同位素值，‰；
再利用隧址区域的地热增温梯度，计算热水的循环深度；
式5
式中，为深部热储埋深，m；/>为地下储层热水的温度，℃；/>为常温带温度，℃；G为地温梯度，℃/m；/>为常温带深度，m；
步骤D4、计算温度在25-250℃范围内锂同位素的分馏值与温度的关系，得出与地下热水所反应的储层岩体的值范围，判断储层岩性；
式6
式中，为/>在固体-溶液的分馏程度，‰；
步骤D5、利用贝叶斯混合模型定量估算隧道涌水中硝酸盐来源的混合比例；
步骤D6、通过判断水体中硫氧同位素的变化，追踪硫酸盐污染物的来源和迁移路径。
所述步骤D6中，水体中硫酸盐污染物包括硫化物氧化、大气降水、化肥、污水和蒸发岩溶解。
所述步骤F具体是指结合水文地质条件、构造发育状况、补给高程、补给来源、径流路径、时间长短、控制隧道涌水的水化学形成和演化的因素和矿物系数，对开挖隧道进行隧道涌突水来源分析，并绘制相应的模型概念图，直观揭示隧道涌水的来源和循环过程。
所述控制隧道涌水的水化学形成和演化的因素包括不同岩石的贡献比率、冷热水混合比例、储层温度、储层岩性和人为活动的影响程度。
本实施例为最佳实施方式，与室内模型或现场实验来的方法相比，其操作方法更加简单快速，仅需在现场采集水样送至室内分析，结合相关软件和公式即可得到相应结论；并且与室内模型或现场实验的单点或短距离分析相比，多同位素的分析能够揭示整个隧道或局部区域范围内的涌水的来源和循环过程。
不仅能揭示地下冷水往上的补给来源和循环过程，而且能揭示地下热水往下的补给来源和循环过程，同时定量解析了人为活动对隧道涌水的影响，因此适用的隧道涌水类型范围更多，更广。
最后的结论是提出一种已开挖隧道涌突水来源模型概念图，对开挖隧道涌水来源和循环过程进行可视化处理，为复地质条件下的隧道涌水研究提供一种新的思路，能对隧道涌水防治提供有效的支撑。
下面具体以西藏隧道对本发明进行详细说明：
S1：开展西藏某隧道区域的野外水文地质调查和样品采集，系统的采集研究区的隧道涌水和地表水，对水样进行常量水化学指标和同位素测试；
在西藏某隧道区域前后共采样了12组地下热水、15组地下冷水和8组地表水。
对水样进行现场测试和实验的指标有：
温度、pH值、TDS、Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cl－、SO4 2－、HCO3 －、NO3 －、Sr、Li、氢氧同位素δD-δ18O、氚同位素δ3H、锶同位素87Sr/86Sr、锂同位素δ7Li、氮氧同位素δ15N-NO3 －与δ18O-NO3 －以及硫氧同位素δ15S-SO4 2－与δ15O-SO4 2－。
西藏某隧道域区的构造条件复杂，含水层埋藏条件与其它含水层的接触关系、岩石破碎程度均受构造影响，即岩石的富水性与所处构造部位，埋藏深度有关，总的说由浅到深富水性变弱。受地形地貌及构造的控制，地下水主要赋存于片麻岩及侵入岩基岩裂隙中；在构造有利部位，也分布有较深循环的断裂带裂隙水。
S2：绘制样品的δD-δ18O的关系图，如图2所示，几乎所有地下热水、地下冷水、地表水和地下水样品均位于全球和西南地区大气降水线附近，说明研究区水样的补给来源主要为大气降水。其中，4号地下热水位于两条大气降水线的右下侧，表明出现了显著的“氧飘移”现象，参考其出露温度84.7℃较高，推测地下热水在运移过程中由于高温环境发生了较为强烈的水-岩作用，将围岩中的“氧”18O溶滤到热水中。
基于氢同位素的高程公式估算地下热水的补给高程为2481-3518m，平均值为2977m；地下冷水的补给高程为2518-3231m，平均值为2732m。总体来看，地下热水的补给高程普遍高于地下冷水，地下热水的循环深度更深，径流路径更长，因此补给来源和范围更广，补给高程越高。运用Arcgis10.8软件圈定了隧道区域附近的补给区域范围，如图3所示。主要是来自于西北部高山的大气降水和冰雪融水，通过断层和一些次生断裂带以及基岩裂隙下渗补给隧道涌水。
根据样品中氚3H同位素的浓度，可测定地下水年龄，从而揭示地下水的起源和形成时代。主要测试样品为地下冷水。地下热水和温泉水的氚含量为1.5-9.4±0.5TU，说明隧道区域的地下冷水为新水，年龄较小，显示较短的径流路径和时间。
基于氚同位素的放射性衰变原理，利用数学模型法定量计算地下水的年龄，计算得出隧道内的地下冷水年龄为25.19-38.02年，说明地下冷水的补给时间较短，在地表以下径流的路径和时间较短，更新能力较强。因此水岩作用的程度较低。
S3：绘制Gibbs图底图，将所测的样点数据投到图上。Gibbs基于全球地表水体的主要水化学组分特征分析，将其水化学形成和演化机制划分为3类：蒸发结晶主导型、岩石风化主导型和大气降水主导型。Gibbs图由两组半对数坐标散点图构成，其横坐标为Cl−/(Cl−+HCO3 −)或Na+/(Na+Ca2+)的比值，纵坐标均为TDS值。
实施例中隧道涌水样品的Cl−/(Cl−+HCO3 −)或Na+/(Na+Ca2+)比值和TDS值的范围几乎全部位于岩石风化主导型区域，说明岩石风化作用是研究区地下水化学组分形成的主导机制。
常见的水岩作用形式有硅酸盐风化、蒸发矿物以及碳酸盐溶解。一般情况下可通过 Ca2+、Mg2+、Na+以及 HCO3 -的相关比值确定水岩作用的主要类型。实施例中计算隧道区域水样Ca/Na-Mg/Na和Ca/Na-HCO3/ Na比值范围得出，隧道涌水和地表水位于蒸发岩→硅酸盐岩→碳酸盐岩的过渡区域，说明研究区地层岩性非常复杂，蒸发岩的溶解、硅酸盐风化和碳酸盐矿物溶解均会影响隧道涌水水化学成分的变化。
S4：基于前述S3中Gibbs和离子比值所得出的结果，可进一步通过分析样品的锶、锂、氮氧和硫氧同位素特征，并结合水文地质条件，进一步揭示隧道涌水中锶、锂、氮和硫的来源和循环过程。
S4-1：锶的来源不同，其87Sr/86Sr和Mg2+/Ca2+比值也各不相同。以锶同位素比值87Sr/86Sr为纵坐标，Mg2+/Ca2+值为横坐标，绘制比值图，并标注硅酸盐岩、石灰岩和白云岩三个端元。图4为实施例中的Mg2+/Ca2+和87Sr/86Sr关系图，可以看出大部分隧道涌水均集中在石灰岩溶解端元附近，部分样点靠近硅酸盐岩和白云岩溶解端元，说明隧道涌水在径流过程中，石灰岩是主要参与水岩作用的岩石。
基于三端元混合模型，定量估算三个端元之间或附近地下热水中不同来源的贡献率：
式中，f 为隧道涌水中不同来源的贡献率；计算得出石灰岩、硅酸盐岩和白云岩对隧道涌水的平均贡献率为78%、20%和2%左右。
对于隧道涌水中的地下热水，利用锶同位素初步判断地下热水在形成过程中的冷热混合关系，用以下公式计算混合比例曲线：
选取地表水为冷水端元，深层地热水为热水端元，计算并绘制出混合曲线图，以1/Sr为横坐标，87Sr/86Sr为纵坐标，如图5所示。部分地下热水分布在10%-20%的节点之间，说明这部分样品冷水混合比例较低，因此热水涌出温度较高，对隧道施工影响较大。其余地下热水样点分布距离混合线较远，说明存在额外的混合端元。需要进一步利用其它方法计算混合比例。
S4-2：前述S4-1中锶同位素在估算混合比例的基础上，进一步利用锂同位素与储层温度的关系，估算地下储层热水的温度，估算出研究区热储温度范围为48-251℃，平均温度为165℃。热储温度范围变化较大，说明由于隧道跨度较大，跨过了不同的构造区域，导致不同位置热水储层温度也发生了相应的变化。
据估算出的热储温度，利用隧址区域的地热增温梯度，估算出循环深度范围为643-4404m，平均值为2814m。说明大部分地下热水经过了深度较深、路径较长及时间较长的循环，这与它的出露温度高、热储温度高和水-岩作用程度较强相符合。
热水中锂同位素的分馏受到储层温度影响，估算出地下热水Δ溶液-固体的含量变化范围为7.27-15.34‰，因此与地下热水反应的岩体的δ7Li值的范围为-5.90-5.05‰。估算出岩体δ7Li值的结果与研究区地体中花岗岩δ7Li为-5.03-10.16‰值接近，说明热水中δ7Li的来源于深部的花岗岩。
S4-3：除了前述S2、S3、S4-1和S4-2所得出的大气降水和水岩作用会影响隧道涌水的补给来源和循环过程以外，人为活动也会对隧道涌水补给来源和循环过程带来部分影响。首先可以通过氮氧同位素δ15N-NO3 -与δ18O-NO3 -识别地下水中不同的硝酸盐来源。水生态系统中硝酸盐的来源主要包括大气沉降、土壤有机氮、硝酸盐肥料、氨态氮肥、生活污水和牲畜粪便五个端元。利用贝叶斯混合模型定量估算隧道涌水中硝酸盐来源的混合贡献比例，模型由R软件包MixSIAR 3.1.10版运行。通过考虑来源值的不确定性，MixSIAR改进了更简单的线性混合模型，如下式所示：
其中，Xij为样品i的同位素值j，其中i=1，2，3…，N和j=1，2，3…，J；Sjk为同位素j的源值k，其平均值为μjk，标准偏差为ω2 jk；Pk是源k的比例贡献；Cjk是同位素j在源k上的分馏因子，其均值为λjk，标准差为τ2 jk；εij是均值为0，标准差为σ2 j的残差。
计算得出的硝酸盐来源混合贡献比例如下表1：
可以看出硝酸盐氮肥、大气沉降和土壤有机氮对水中硝酸盐的贡献比例较大，但是隧道区附近并没有大量的人类居住耕种以及牲畜养殖，硝酸盐氮肥的贡献应该较低才能与实际相符。这是由于土壤有机氮、氨态氮肥、生活污水和牲畜粪便三个端元在δ18O-NO3 -值上存在重合，因此需要对硝酸盐的主要来源进行矫正，即减少或去掉氨态氮肥端元的范围。矫正后的来源比例如下表2所示：
地下热水和地表水中土壤氮源占比较大，平均值为56%，依次为大气沉降22%、硝酸盐氮肥10%、污水和牲畜粪便9%以及氨态氮肥3%，说明地下热水和地表水中硝酸盐主要来源于土壤氮源，存在少量硝酸盐氮肥、生活污水和牲畜粪便对隧道涌水造成污染。
S4-4：通过判断水体中硫氧同位素δ15S-SO4 2-与δ15O-SO4 2-的变化，可以追踪硫酸盐污染物的来源和迁移路径。水体中硫酸盐污染物的来源主要包括硫化物氧化、大气降水、化肥、污水和蒸发岩溶解。
基于贝叶斯混合模型定量评估出地下热水中硫酸盐来源的混合贡献比例，如下表3所示：
可以看出，混合贡献比例依次为蒸发岩61%、污水13%、化肥10%、大气降水10%和硫化物6%，如图7所示。可以看出蒸发岩提供了地下热水中主要的硫酸盐，存在少量污水和化肥对地下热水产生污染，得出的结论与氮氧同位素相符合，证实了结论的合理性。
S5：基于所述步骤S3和S4-1得出参与水岩作用的岩石类型和贡献率，进一步应用PHREEQC3.0计算样品中矿物的饱和系数SI，以此来验证所述步骤D1结果的准确性。计算的矿物包含文石、方解石、白云石、硬石膏、石膏和岩盐。饱和系数SI是离子活度积与平衡常数比的对数值，其计算公式为：
式中，IPA为地下水中离子的活度积；K为平衡常数。
图6是实施例中矿物的饱和系数SI与TDS的关系图，由图可知，研究区大部分水样中文石、方解石和白云石矿物呈现较饱和的状态，在径流过程中有沉淀的趋势；硬石膏和石膏矿物呈现略微欠饱和的状态，在径流过程中在平衡-溶解之间过渡；岩盐处于欠饱和的状态，在径流过程中呈现溶解的趋势。因此，说明地下冷水和地下热水在径流过程中与文石、方解石、白云石、硬石膏和石膏等矿物发生了水岩相互作用，证实了蒸发岩的溶解和碳酸盐矿物溶解会影响隧道涌水水化学成分的变化，结果与区域水文地质条件相符。
S6：上述S1、S2、S3和S4所得出的具体结论，结合区域构造和水文地质条件，提出西藏某开挖隧道涌突水来源的模型概念图。
图7是实施例中的已开挖隧道涌突水来源示意图，如图所示，高程为2481-3518m区域的大气降水和冰雪融水，沿着断裂缝隙下渗，在重力的驱动作用下，沿着接近坡度的方向径流。由于地下冷水的年龄较小，因此径流路径和时间较短、水岩作用强度较低。在径流过程中主要与硅酸盐岩和碳酸盐岩发生反应，但地下冷水中各离子浓度均较低。当遇到F51深切断裂破碎带后，地下水进行汇流，因此在F51及临近段，地下冷水量最大。
由于板块的俯冲作用，隧道区所处区域地幔物质上涌，在地壳形成花岗岩质的局部熔融体。冰雪融水和大气降水沿着构造裂隙在巨大的水头压力下下渗，经过深部花岗岩质的局部熔融体加热后沿着大断裂上升，加热后的热储温度最高可达到251℃，最大循环深度为4404m。在浅部片麻岩裂隙热储中与下渗的地表冷水混合，冷水混合比例在10-20%之间。混合后，地热水继续沿断裂上升，在上升过程中不断与周围的硅酸盐岩、碳酸盐岩和蒸发岩发生强烈的水岩相互作用，使地热水中的Na+、K+、Ca2+和Mg2+离子浓度不断增加。隧道在施工过程中涌出的地下热水即为上升过程中混合的地热水，因不同的冷水混合比例，涌出的热水温度也有所差别。由于在开挖隧道周围存在人为活动，在生产生活中的产生的污水和农业活动会对隧道涌水产生轻微的污染。
通过以上西藏隧道的实例，说明本发明能够定量解析大范围下复杂地质条件的隧道涌水中离子组分的来源，揭示循环机制，提高判别结果的准确性。
Claims (8)
1.基于水化学和多同位素隧道涌水来源和循环示踪方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A、开展隧道区域的野外水文地质调查和样品采集，采集隧道涌水和地表水，对水样进行常量水化学指标和同位素测试；
步骤B、根据水样的氢、氧和氚同位素特征，揭示隧道涌水的补给高程、补给来源、径流路径、时间长短、更新能力和水岩作用的程度；
步骤C、基于Gibbs图和离子比值图分析隧道涌水在地下径流或渗流过程中的水岩作用特征，揭示控制隧道涌水的水化学形成和演化的因素；
步骤D、通过分析水样的锶、锂、氮氧和硫氧同位素特征，并结合水文地质条件，揭示隧道涌水中锶、锂、氮和硫的来源和循环过程；
步骤E、利用PHREEQC3.0软件计算隧道涌水的矿物饱和系数，用于评估矿物与隧道涌水之间的平衡和反应性，验证隧道涌水中离子组分的来源；
步骤F、根据现有的开挖隧道进行隧道涌水来源和循环过程分析，绘制模型概念图。
2.根据权利要求1所述的基于水化学和多同位素隧道涌水来源和循环示踪方法，其特征在于：所述步骤A中，隧道涌水包括地下热水和地下冷水。
3.根据权利要求1所述的基于水化学和多同位素隧道涌水来源和循环示踪方法，其特征在于：所述步骤B具体包括：
步骤B1、基于水中氢同位素的高程公式，计算隧道涌水的补给高程：
式1
式中，为隧道涌水的补给高程，m；/>为地表水采样高程，m；/>为隧道涌水的/>值，‰；大气降水的/>值，‰；/>为地区/>的高程递减梯度，%/m；
步骤B2、划分出隧址区的分水岭位置和地表水径流方向，利用Arcgis10.8软件在区域上圈定出补给区的范围和位置，得出隧道涌水的补给来源；
步骤B3、根据水样中氚同位素的浓度，测定隧道涌水年龄，揭示地下水的起源和形成时代；
步骤B4、基于氚同位素的放射性衰变原理，利用数学模型法定量计算隧道涌水的年龄，判断出隧道涌水径流路径、时间长短、更新能力和水岩作用的程度；
式2
式中，为隧道涌水的年龄，年；/>为氚的衰变常数；/>为氚的半衰期，12.43年；/>为最初由大气降水输入地下含水层的氚浓度，TU；/>为水样中的氚浓度，TU。
4.根据权利要求3所述的基于水化学和多同位素隧道涌水来源和循环示踪方法，其特征在于：所述步骤B3具体是指采用氚做定性年龄估算，氚同位素的浓度小于1TU时为老水，1953年前补给；氚同位素的浓度在1-3TU时为老水混入新水，0-10年；氚同位素的浓度在3-10TU时为新水，0-10年内补给；氚同位素的浓度在10-20TU时，显示仍残留核爆3H；氚同位素的浓度>20TU时，判定为20世纪60年代补给。
5.根据权利要求1所述的基于水化学和多同位素隧道涌水来源和循环示踪方法，其特征在于：所述步骤D具体包括：
步骤D1、以锶同位素比值87Sr/86Sr为纵坐标，Mg2+/Ca2+值为横坐标，绘制比值图，并标注硅酸盐岩、石灰岩和白云岩三个端元，若样点位于三个端元之间或附近，则结合三端元混合模型，定量估算地下热水中不同来源的贡献率；
步骤D2、利用锶同位素判断地下热水在形成过程中的冷热混合关系，计算混合比例曲线；
式3
式中，为端元A的混合比；/>为端元A的Sr浓度；/>为端元B的Sr浓度；/>为端元A的87Sr/86Sr同位素比率；/>为端元B的87Sr/86Sr同位素比率；/>为使用A和B两个端元的预定混合比例计算的假定87Sr/86Sr同位素比率；
选取地表水为冷水端元，深层地热水为热水端元，计算并绘制出混合曲线图，依据地下热水在图上所处的位置，判断地下热水中冷水的混合比例；
步骤D3、估算地下储层热水的温度；
式4
式中，为地下储层热水的温度，℃；/>为水样的锂同位素值，‰；
再利用隧址区域的地热增温梯度，计算热水的循环深度；
式5
式中，为深部热储埋深，m；/>为地下储层热水的温度，℃；/>为常温带温度，℃；G为地温梯度，℃/m；/>为常温带深度，m；
步骤D4、计算温度在25-250℃范围内锂同位素的分馏值与温度的关系，得出与地下热水所反应的储层岩体的值范围，判断储层岩性；
式6
式中，为/>在固体-溶液的分馏程度，‰；
步骤D5、利用贝叶斯混合模型定量估算隧道涌水中硝酸盐来源的混合比例；
步骤D6、通过判断水体中硫氧同位素的变化，追踪硫酸盐污染物的来源和迁移路径。
6.根据权利要求5所述的基于水化学和多同位素隧道涌水来源和循环示踪方法，其特征在于：所述步骤D6中，水体中硫酸盐污染物包括硫化物氧化、大气降水、化肥、污水和蒸发岩溶解。
7.根据权利要求1所述的基于水化学和多同位素隧道涌水来源和循环示踪方法，其特征在于：所述步骤F具体是指结合水文地质条件、构造发育状况、补给高程、补给来源、径流路径、时间长短、控制隧道涌水的水化学形成和演化的因素和矿物系数，对开挖隧道进行隧道涌突水来源分析，并绘制相应的模型概念图，直观揭示隧道涌水的来源和循环过程。
8.根据权利要求7所述的基于水化学和多同位素隧道涌水来源和循环示踪方法，其特征在于：所述控制隧道涌水的水化学形成和演化的因素包括不同岩石的贡献比率、冷热水混合比例、储层温度、储层岩性和人为活动的影响程度。
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|---|---|---|---|---|
| CN117672048A (zh) * | 2024-01-31 | 2024-03-08 | 山东大学 | 基于氮同位素测试的氮源分析虚拟仿真实验系统及方法 |
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2023
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| CN117672048B (zh) * | 2024-01-31 | 2024-04-19 | 山东大学 | 基于氮同位素测试的氮源分析虚拟仿真实验系统及方法 |
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