測氡技術(shù)在泉州清源山地下水源勘查中地應用

滕彥國,鄭潔瓊,庹先國,王金生,胡立堂,岳衛(wèi)峰,左 銳

(1.北京師范大學 水科學研究院,北京 100875;2.地下水污染控制與修復教育部工程研究中心,北京 100875;3.成都理工大學 網(wǎng)絡教育學院,成都 610059)

測氡技術(shù)在泉州清源山地下水源勘查中地應用

滕彥國1,2,鄭潔瓊1,2,庹先國3,王金生1,2,胡立堂1,2,岳衛(wèi)峰1,2,左 銳1,2

(1.北京師范大學 水科學研究院,北京 100875;2.地下水污染控制與修復教育部工程研究中心,北京 100875;3.成都理工大學 網(wǎng)絡教育學院,成都 610059)

測氡是一種有效的放射性地球物理探測方法。由于含水裂隙基巖與其周邊巖體的結(jié)構(gòu)存在差異,氡氣的濃度異常可間接反映出地質(zhì)體裂隙系統(tǒng)的情況,并可分析其開啟度、連通性,以及破碎程度。應用測氡技術(shù)對地下水資源進行勘探,對含水裂隙基巖的結(jié)構(gòu)特征進行研究,能達到節(jié)約投資,縮短勘探時間的目的。并可與地質(zhì)資料分析相互驗證,為地下水勘察應用提供依據(jù)。這里將測氡技術(shù)應用于泉州市清源山地下水資源勘探工作中,旨在尋找基巖山區(qū)地下水富集帶。測氡結(jié)果顯示,在清源山一帶明顯存在二條北西西向和北西向斷裂,結(jié)合地質(zhì)資料認為:F1斷裂帶和F2斷裂帶是地下水賦存的理想位置,而且這二條斷裂延伸2.5 km～3.0 km,匯水面積大于13 km2,大氣降水的補給能力5 770m3/d,每年的補給量可達211×104m3。

測氡技術(shù);氡異常;地下水

0 前言

隨著社會經(jīng)濟的迅猛發(fā)展,地下水的開發(fā)利用在國民經(jīng)濟建設中的作用日益增強,尤其是在干旱貧水地區(qū),找尋基巖裂隙水、巖溶水更為迫切。隨著地下水資源勘探難度的增大,迫切需要有更先進、更有效的方法技術(shù)配合地下水開采工作。在上世紀七十年代中,氡氣測量技術(shù)開始用于水文地質(zhì)工作。

氡(Rn)是一種放射性的惰性氣體,易溶于水,屬于天然鈾放射系列[1],是鈾、鐳衰變的子體。氡氣測量技術(shù)(簡稱測氡技術(shù)),是一種放射性勘探地球物理技術(shù)及方法[2],在找礦、發(fā)現(xiàn)斷裂構(gòu)造、地震預報、環(huán)境監(jiān)測、油氣勘探、巖溶塌陷探測,以及滑坡研究等領域,均得到了應用[3～5]。但與鈾礦資源的勘探所不同的是,在水文地質(zhì)勘探時,對氡氣測量技術(shù)要求是高精度、高靈敏度、多參數(shù)的測量技術(shù),以便于發(fā)現(xiàn)并處理地質(zhì)勘探問題中常是微弱的放射性氡氣異常。因此,氡氣測量技術(shù)在解決水文地質(zhì)問題等領域中的應用是值得研究的課題[6]。

近年來,放射性方法在水文地質(zhì)和工程地質(zhì)等問題上的應用,已得到了國內(nèi)、外學者的重視。目前,我國已有關(guān)于測氡技術(shù)找尋基巖地下水成功應用的報道[7]。此外,對壤中氡氣進行測量,還可以有效地勘查隱伏斷裂[8]、探測花崗巖地區(qū)基巖裂隙水[9]。因此,作者在本文應用壤中氡氣測量技術(shù),對泉州市清源山地區(qū)隱伏斷裂和基巖裂隙水進行了勘查研究。

1 測氡技術(shù)的基本原理

富含Th、U等放射性元素的地質(zhì)體,衰變釋放出來的氡氣因自身的機制,有著很強的向上運移能力。而活動斷層、構(gòu)造活動帶、巖溶帶,以及滑坡地段等現(xiàn)代地動帶形成的斷裂和裂隙,可成為地下深處的氡氣向上運移的良好通道。同時,由于氡氣是惰性氣體,在遷移過程中不與其它物質(zhì)發(fā)生化學反應。因此在地表土壤中,高濃度的氡氣和寬廣平緩的氡異常,可較為準確地反映地質(zhì)體的裂隙系統(tǒng)的開啟度、連通性及破碎程度,從而指導尋找基巖裂隙水。

地質(zhì)工作中的測氡方法,大多以氡子體為測量對象。氡子體是氡衰變的產(chǎn)物,包括Po、B i、Pb、T1等,其中Po的同位素都是α輻射體,其它的多為β和γ輻射體。這些子體大多是短壽命的固態(tài)放射性核素,它們會在有氡氣經(jīng)過的物體上沉淀下來[10],一般多富集于地表土壤之中。

作者在本次研究中,所選用的是成都理工大學自主研制的KJD-2000R型測氡儀。該儀器是一種新型的連續(xù)測氡儀器,屬于標準測氡方法之一。它可利用靜電收集氡衰變子體進行累積測量,具有靈敏度高,操作方便的優(yōu)勢,可用于室內(nèi)測氡,壤中測氡,水溶液測氡等領域,本次測量為壤中測氡。儀器的檢測對象為222Rn、220Rn;采用半導體α粒子探測器;具有實時α能譜顯示和512道分析器;本底小于5CPH;靈敏度為3 Bq/m3;測量范圍為3 Bq/m3～40 000 Bq/m3;測量不確定度為〈10%(K=2);氣泵的流量為1 L/m in;測量時間為5m in;可自動保存測量1 000條譜線。

2 應用研究

本次測氡技術(shù)在地下水資源勘探中的應用研究區(qū),選在福建省泉州市清源山。由于泉州市主要供水源來自地表水,所以地下水開發(fā)利用程度不高,而且缺乏充足的備用水源。為了改變?nèi)菔酗嬘盟畣我还┧疇顩r,應對突發(fā)性的水源污染事件,本項研究是為建立該市地下水應急水源地的前期基礎研究,旨在尋找基巖山區(qū)基巖地下水富集帶。

2.1 研究區(qū)概況

泉州市地處福建省東南部,南側(cè)部份區(qū)域與漳州和廈門交界,部份區(qū)域臨海,北臨三明市,東與福州市、莆田市接攘,西與龍巖市相鄰。泉州市區(qū)溪流眾多,發(fā)源于泉州市境內(nèi)的流域面積100 km2以上的河流有三十五條,流域面積為7 933 km2。其中,晉江水系十六條;九龍江水系五條;閩江水系九條;單獨入海五條,如圖1所示。

2.2 地質(zhì)、水文地質(zhì)條件

(1)地層。工作區(qū)位于泉州市東北直距5 km,地處清源山、群山、環(huán)山包圍形成的小盆地。出露地層為第四系覆蓋,侵入巖主要有加里東和燕山早期、燕山晚期所形成的侵入巖,它們的分布和展布嚴格受區(qū)內(nèi)主要構(gòu)造控制。

(2)構(gòu)造。該工作區(qū)屬于燕山早期侵入巖,多呈北東、次為北北東向,沿新華夏系主干斷裂侵入,散布全區(qū),構(gòu)成壯觀的巖帶或呈“多”字形。其中,主要巖石有二長花崗巖、黑云母花崗巖、花崗閃長巖,以及石英閃長巖、斜長花崗巖、細?；◢弾r、閃長巖、輝石閃長巖等,呈全晶質(zhì)花崗結(jié)構(gòu)和塊狀構(gòu)造。

(3)水文地質(zhì)條件。研究區(qū)屬新華夏系長樂～南澳斷裂帶。該區(qū)段由較密集的數(shù)條近平行壓性斷裂組成,呈北東向展布,帶內(nèi)巖石強烈片麻理化及混合巖化。構(gòu)造脈狀裂隙水主要賦存于西側(cè)山腳地帶,泉點多出露于北西向短小張斷裂交匯部位,其中包括晉江古垵和深滬鎮(zhèn)泉。由于過量開采或近期的新構(gòu)造活動,泉流量減小,如圖2(見下頁)所示。

2.3 測氡技術(shù)的應用

根據(jù)前述測氡技術(shù)的原理,在清源山附近選取三條剖面(見下頁圖3),每條剖面布101個目標點,并對每個點進行測氡實驗,獲得其濃度。然后,找出氡濃度異常高的點。在這些點的位置上,下部巖土體往往有較大空隙,可能預示著基巖斷裂的存在,對尋找基巖裂隙水有很大的指導作用。

圖1 研究區(qū)地理位置圖Fig.1 Location of study area

圖2 研究區(qū)水文地質(zhì)及剖面圖Fig.2 Hyd ro-geo logical and p rofilem ap of study area

圖3 測氡點分布及異常點位置示意圖Fig.3 D istribution of radon detection and anom aly sites

野外測氡氣含量持續(xù)二周,沿線氡氣含量變化如圖4所示。從圖4中可以看出,在三條清源山剖面線中的101個測點中,氡濃度值超過40 000 Bq/m3的有12個,最高值為86 205 Bq/m3。在經(jīng)過ARCG IS、MAPGIS等地理信息系統(tǒng)軟件處理后發(fā)現(xiàn),清源山腳下可能有二條較明顯的斷裂帶(見圖3),一條為山前的北西西向斷裂(F1),位置在CM 1-5～CM 2-5～涌泉礦泉水廠680/3點,走向北西～南東,傾向南西。在該斷裂帶上測得氡氣含量較高,寬度窄;另一條為山前的北西向斷裂(F2),位于CM 3-2～CM 1-3～CM 2-3,走向北西～南東,傾向南西。在該斷裂帶上測得氡氣含量相對較小,寬度較大。這二條斷裂延伸2.5 km～3.0 km。此外,各線還存在多處規(guī)模較小的斷裂。

結(jié)合地質(zhì)資料作者認為:F1斷裂帶是造山運動形成的;F2斷裂帶是多次花崗巖侵入和后期構(gòu)造運動形成的,是地下水賦存的理想位置。其中,靠西部的北西向斷裂,比另一條靠山邊的北西西斷裂破碎寬度大。

圖4 三條剖面氡氣含量變化圖Fig.4 Variationsof radon concentration on three p rofiles

2.4 地下水開發(fā)可行性分析

結(jié)合氡氣測量和已有的鉆探結(jié)果,為方便該斷裂區(qū)礦泉水和溫泉(深部地下水)的開發(fā)利用,有必要進行地下水補給資源量的確定。

作者本次計算的是地下水補給資源量,F1斷裂形成的補給區(qū)近似認為是清源山脈西南的一部份,屬于裂隙水和淺層孔隙水;F2斷裂形成的補給區(qū)為平原區(qū),淺層為松散孔隙水,深層為裂隙水,其匯水面積僅延伸到后茂村,因為物探調(diào)查區(qū)域主要集中于燎原、肖厝、竹腳等區(qū)域,補給區(qū)面積可能更大,本次計算確定的補給區(qū)如圖5所示。

圖5 清源山二條斷裂地下水補給區(qū)劃分Fig.5 D ivision of groundwater recharge areas in Q ingyuanshan

根據(jù)測氡技術(shù)確定的斷裂延伸范圍可知,I區(qū)和II區(qū)的補給面積分別為3.5 km2和9.6 km2。結(jié)合當?shù)啬杲邓颗c降水入滲系數(shù),構(gòu)造水的補給量分別為1 035.62 m3/d和4 734.25 m3/d,合計為5 769.87m3/d,每年可提供210.6×104m3地下水量。目前已有證實,F1斷裂上的竹腳村礦泉水廠有一自流井,水量達80m3/d,并且常年不斷,這說明本區(qū)水量尚有較大的開發(fā)潛力。

3 結(jié)論

(1)測氡法是一種簡便易行,勘探效果明顯的定位地下水源新方法,應用測氡技術(shù)查明地下水源位置與地質(zhì)分析判斷吻合較好。

(2)依據(jù)氡異常值進行地下水源的識別,判定在清源山一帶明顯存在二條北西西向和北西向斷裂。結(jié)合地質(zhì)資料可以認為,這二條斷裂是地下水賦存的理想位置,每年的大氣降水補給量可達211×104m3;

(3)為了進一步探明地下水儲量,氡氣探測技術(shù)可與其它各種物探方法相結(jié)合,廣泛應用于地下水源地的勘查中。

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P 631.6+32

A

1001—1749(2011)01—0075—04

國家重大科技專項課題(2009ZX07419-03);水利部地下水保護行動項目專題資助(水綜地下水[2009]第(8)號)

2010-08-11 改回日期:2010-11-02

滕彥國(1974-),男,教授,博導,從事地下水科學與工程研究。