金沙江斷裂帶中段巖溶發(fā)育和地下水循環(huán)特征

馬劍飛李向全張春潮付昌昌王學(xué)鋒謝小國(guó)王振興羅 兵白占學(xué)趙崇欽

1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所,河北 石家莊 050061;

2.自然資源部地下水科學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北 石家莊 050061;

3.中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所新生代地質(zhì)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100029;

4.四川省地質(zhì)礦產(chǎn)開(kāi)發(fā)局水文地質(zhì)工程地質(zhì)中心,四川 成都 610081;

5.四川省華地建設(shè)工程有限責(zé)任公司,四川 成都 610081

0 引言

地下工程水害是巖溶區(qū)工程安全的主要威脅。在中國(guó)中西南地區(qū),超過(guò)一半的巖溶地下工程曾發(fā)生過(guò)嚴(yán)重的涌突水災(zāi)害(Li et al., 2021; Xue et al., 2021)。發(fā)生該類(lèi)災(zāi)害最為根本的原因,是對(duì)巖溶含水層結(jié)構(gòu)及地下水循環(huán)過(guò)程認(rèn)識(shí)不夠深刻(Fan et al., 2018; Li et al., 2020)。受氣溫、降

水、構(gòu)造活動(dòng)等因素影響,青藏高原東部高山峽谷區(qū)巖溶發(fā)育特征有其特殊性(Zhang,1994;蔣忠誠(chéng)等,2019)。特別是在巴塘斷裂以南至德欽-中甸-大具斷裂的金沙江斷裂帶中段(夏金梧和朱萌,2020),疊加活躍的構(gòu)造活動(dòng)和廣泛分布的冰川湖泊等因素后,巖溶發(fā)育特征和巖溶水循環(huán)過(guò)程的復(fù)雜程度明顯增加。因此,開(kāi)展巖溶發(fā)育和巖溶水循環(huán)特征研究,對(duì)工程選址、災(zāi)害預(yù)測(cè)和分析具有重要意義。

自20世紀(jì)60年代起到21世紀(jì)初,眾多學(xué)者就建立了青藏高原與國(guó)內(nèi)其他地區(qū)的巖溶存在差異的基本認(rèn)識(shí),并總結(jié)了地形地貌(趙天石和高瑞袖, 1985;高全洲等,2002)、巖性(沈繼方等,1991;盧耀如, 1999)、氣候條件(Zhang, 1994;章典和師長(zhǎng)興,2002)和地表匯水條件(高全洲等,2000)等導(dǎo)致巖溶發(fā)育特征存在差異的因素。近年來(lái),隨著青藏高原地學(xué)研究的逐步深入,對(duì)巖溶水文地質(zhì)條件和構(gòu)造之間關(guān)系有了更多認(rèn)識(shí)(穆文平, 2018; 鐘玲敏等, 2018;史簫笛等, 2019; 許漢華等, 2020;康小兵等, 2021)。李向全等(2021)結(jié)合青藏高原隆升歷史,提出青藏高原東部經(jīng)歷了不少于3個(gè)巖溶主要發(fā)育期,且在垂向上存在明顯的分帶特征。各高程級(jí)別的巖溶之間或由構(gòu)造、地下暗河連通,或單獨(dú)發(fā)育,甚至形成封閉的蓄水構(gòu)造,巖溶水的補(bǔ)給區(qū)與排泄區(qū)高差多超過(guò)1500 m,估算排泄區(qū)靜水壓力超過(guò)10 MPa,巖溶水流動(dòng)力強(qiáng)勁(張永雙等,2021)。馬劍飛等(2022a)通過(guò)對(duì)多個(gè)巖溶大泉補(bǔ)給來(lái)源和方式的分析,初步總結(jié)了青藏高原東部構(gòu)造巖溶地下水的補(bǔ)給模式和影響因素。多位學(xué)者通過(guò)對(duì)分布在青藏高原東部巖溶大泉的調(diào)查研究,提出了巖溶地貌發(fā)育和水循環(huán)受斷裂影響大的認(rèn)識(shí)(羅文藝,2019;張春潮等,2021;王杜江等,2021; 馬劍飛等, 2022b; Ma et al., 2022a, 2022b)。以上研究豐富了高原構(gòu)造巖溶研究的內(nèi)容體系,為后續(xù)深入探索奠定了基礎(chǔ)。

然而巖溶發(fā)育具有極大的不均一和各向異性,加之青藏高原東部惡劣的自然環(huán)境影響,對(duì)巖溶發(fā)育和地下水補(bǔ)徑排特征的研究程度仍不足以滿(mǎn)足當(dāng)前社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。如多級(jí)別構(gòu)造巖溶發(fā)育時(shí)間如何界定、各級(jí)別巖溶洞穴當(dāng)前是否仍在發(fā)育、溶蝕速率如何、是否有新的證據(jù)來(lái)進(jìn)一步佐證巖溶水徑流受斷裂控制、地下水年齡如何等。這些問(wèn)題的認(rèn)識(shí)不夠深入,可能對(duì)未來(lái)工程開(kāi)發(fā)建設(shè)帶來(lái)安全隱患。

針對(duì)以上問(wèn)題,文章在巖溶地貌和水文地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上,借助鈾系不平衡測(cè)年的方法,研究了金沙江斷裂帶中段巖溶發(fā)育特征,采用水化學(xué)和新型同位素測(cè)年和示蹤的方法,分析了巖溶水的補(bǔ)給來(lái)源、徑流過(guò)程和排泄特征,初步探討了對(duì)高原構(gòu)造巖溶的工程影響,為青藏高原巖溶區(qū)資源開(kāi)發(fā)利用和工程建設(shè)提供地質(zhì)科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

1.1 地形地貌

研究區(qū)位于金沙江四川巴塘縣-得榮縣段東岸。該地屬高山峽谷地貌,地形起伏大,嶺谷高差一般超過(guò)1500 m,最高點(diǎn)位于研究區(qū)北部地表水分水嶺,海拔約5335 m,最低點(diǎn)位于研究區(qū)南部定曲河谷,海拔約3100 m。

區(qū)內(nèi)山坡坡型復(fù)雜,坡度陡,一般45°～60°,沿定曲河谷分布的斷層崖坡度不小于75°。研究區(qū)東部山頂由于冰川和溶蝕共同作用,形成以冰蝕臺(tái)原為主的冰蝕-溶蝕地貌,地形較為平坦。河谷形態(tài)在剖面上多呈“V”型,僅在研究區(qū)南部波密鄉(xiāng)、根久村一帶呈“U”型。

1.2 氣象與水文

研究區(qū)屬于高山高原型氣候,年均氣溫14.8℃。年均降水量504 mm,雨季為每年的6月至9月,雨季降水量占比超過(guò)90%。

區(qū)內(nèi)主要河流為金沙江一級(jí)支流——定曲。研究區(qū)北部為定曲源區(qū),自北向南流出研究區(qū),于研究區(qū)外的得榮縣古學(xué)鄉(xiāng)附近匯入金沙江干流,全長(zhǎng)約222 km,在研究區(qū)內(nèi)長(zhǎng)約75 km。定曲上游(測(cè)流位置見(jiàn)圖1,測(cè)流時(shí)間為2021年5月,無(wú)降水)流量約為1.6 m3/s,入河口流量為187 m3/s(四川省地方志編纂委員會(huì),1996)。河流比降大,動(dòng)能充沛。

高程4400 m以上的冰蝕臺(tái)原區(qū)廣泛分布冰川湖泊,湖面面積0.1×104～5.0×104m2,湖水深度一般0.4～1.2 m(Ma et al., 2022b)。湖面面積在雨季略有增加,但受地形限制,湖面面積增加十分有限。部分湖水可觀察到排泄口,以地表水形式排泄;大部分湖水的排泄口無(wú)法直接觀察到,可能以蒸發(fā)、地表潛流或下滲補(bǔ)給地下水形式排泄。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造與地層巖性

研究區(qū)位于金沙江斷裂帶中段,斷裂分布密集,構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈。其中的定曲斷裂為晚更新世活動(dòng)斷裂;研究區(qū)西側(cè)的齋如隆斷裂分東、西兩支,均為全新世活動(dòng)斷裂(楊志華等,2022),其余斷裂活動(dòng)性不確定。斷裂兩側(cè)巖體較為破碎,為地下水補(bǔ)給和徑流提供了空間條件(楊忠平等,2020;秦宇龍等,2021)。

研究區(qū)出露基巖包括印支期石英二長(zhǎng)巖(ηo1-b)、寒武系()、奧陶系(O)至中上志留統(tǒng)(S2-3)碎屑巖、碳酸鹽巖、泥盆系—石炭系(C—P)碳酸鹽巖、下二疊統(tǒng)(P1)碎屑巖夾薄層碳酸鹽巖、中下三疊統(tǒng)(T1-2)碎屑巖、變質(zhì)碎屑巖。巖層水平分布復(fù)雜,傾角27°～48°。碳酸鹽巖分布受活動(dòng)斷裂控制,主要分布在定曲斷裂和齋如隆東支斷裂之間。

2 巖溶發(fā)育特征調(diào)查和樣品采集

在研究區(qū)開(kāi)展了巖溶發(fā)育特征調(diào)查,以獲取巖溶地貌類(lèi)型、空間位置、發(fā)育規(guī)模等數(shù)據(jù)。在溶洞中采集了次生方解石樣品2件,用于測(cè)年和巖溶發(fā)育時(shí)間分析。樣品在中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所新生代地質(zhì)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室利用多接收電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(MC-ICP-MS)進(jìn)行測(cè)試,年齡分析精度優(yōu)于5‰。

2021年4—5月(旱季末期)在研究區(qū)采集巖溶泉水樣品4件,分別為定曲泉(編號(hào)LB)、波密泉(編號(hào)BM)、經(jīng)筒泉(編號(hào)JT)和根久泉(編號(hào)GJ)。同期還采集了河流樣品5件(編號(hào)分別為定曲-1、定曲東-1、定曲-2、定曲東-2、定曲-3)、冰湖湖水樣品2件(編號(hào)分別為L(zhǎng)ake-1、Lake-2)、積雪樣品1件,采樣位置見(jiàn)圖1。在2021年4月和9月分別采集降雨樣品1件。樣品采集過(guò)程中,使用多參數(shù)水質(zhì)分析儀(HANNA Instruments ?,意大利)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試水體的pH值和電導(dǎo)率參數(shù)。隨后對(duì)采集的樣品進(jìn)行水質(zhì)全分析和δD、δ18O和T(氚)等的同位素測(cè)試分析。其中水質(zhì)全分析在自然資源部地下水礦泉水及環(huán)境監(jiān)測(cè)中心完成,陰陽(yáng)離子平衡相對(duì)誤差小于±5%;δD、δ18O和T(氚)等同位素測(cè)試在自然資源部地下水科學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成,測(cè)試精度分別為±1‰、±0.1‰和±0.5 TU。

圖1 研究區(qū)水文地質(zhì)簡(jiǎn)圖Fig.1 Hydrogeological sketch map of the study area

研究區(qū)部分水體還采集了鐳(Ra)同位素和稀有氣體氪(Kr)同位素。Ra同位素樣品采集體積為80～120 L,并在現(xiàn)場(chǎng)完成富集(圖2a);226Ra和228Ra放射性活度測(cè)試在華東師范大學(xué)河口海岸學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成,具體采集和測(cè)試方法見(jiàn)郎琳等(2020)。為研究冰湖水是否存在跨斷裂帶影響范圍的補(bǔ)給,在齋如隆東支斷裂附近的一處冰湖也采集了鐳同位素樣品。稀有氣體Kr同位素樣品采用中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所研制的地下水溶解性氣體膜萃取裝置采集(圖2b)。樣品采集量均大于400 L,純度滿(mǎn)足測(cè)試要求。測(cè)試工作在中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)先進(jìn)技術(shù)研究院完成。

圖2 水體中Ra和85Kr采樣照片F(xiàn)ig.2 Photos of Ra and 85Kr sampling

3 巖溶發(fā)育特征

研究區(qū)內(nèi)巖溶地貌主要有溶洞、溶孔、溶溝、雨痕等類(lèi)型。溶洞多出露于陡峭的山坡,直徑0.5 m至數(shù)米不等(圖3a—3c)。洞的深度一般不大,超過(guò)2 m深的溶洞較為少見(jiàn)。但主溶洞內(nèi)一般發(fā)育多個(gè)截面直徑不超過(guò)0.5 m的次級(jí)溶洞,實(shí)測(cè)了部分次級(jí)溶洞的深度,測(cè)得其發(fā)育深度都超過(guò)1.5 m(圖3c)。

圖3 研究區(qū)不同高程的巖溶地貌Fig.3 Karst landforms at different elevations in the study area

研究區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育受構(gòu)造控制的特征較為明顯。主要表現(xiàn)在:①可溶巖地層分布受斷裂控制;②巖溶地貌主要在斷裂,特別是活動(dòng)斷裂附近發(fā)育;③受地殼隆升影響,巖溶分多個(gè)期次發(fā)育,在垂向上呈現(xiàn)多級(jí)別分布的格局。

區(qū)內(nèi)巖溶地貌空間分布不均。經(jīng)調(diào)查統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),垂向上主要在3個(gè)高程級(jí)次發(fā)育較好。一級(jí)巖溶發(fā)育區(qū)海拔4900～5300 m、二級(jí)巖溶發(fā)育區(qū)海拔4000～4300 m,三級(jí)巖溶發(fā)育區(qū)海拔3400～3600 m(圖3a—3c)。除此高程之外,也有巖溶洞穴發(fā)育,但規(guī)模和數(shù)量都較小。這一規(guī)律與李向全等(2021)總結(jié)的格聶山地區(qū)巖溶發(fā)育規(guī)律相近。平面上,巖溶地貌主要在定曲斷裂及其分支斷裂發(fā)育(圖1)。沿定曲斷裂,有多個(gè)巖溶泉出露,其中流量較大的有波密泉、根久泉和定曲泉等(圖3d—3f)。

區(qū)內(nèi)大部分溶洞干涸或有少量地下水滲出。部分洞內(nèi)有少量次生方解石以穴珠形態(tài)沉積。分別在二級(jí)和三級(jí)巖溶頂部的洞穴中采集了次生方解石(采樣位置見(jiàn)圖1,H19、H60,采樣點(diǎn)照片見(jiàn)圖3b和3c),利用U/Th同位素測(cè)試其年齡分別為36737±11667 a BP和14298±903 a BP(表1)。由于穴珠的形成需要有廣闊平坦的洞底和淺積水的環(huán)境(Donahue,1965),還需要間歇性的流水和流水帶來(lái)的外來(lái)物質(zhì)以提供穴珠生長(zhǎng)的“碎屑核心”(翁金桃和茹錦文,1982),一般代表洞穴的成年期。而后隨著地殼抬升和河谷下切,排泄基準(zhǔn)面下降,溶洞干涸、巖溶不再發(fā)育。因此可認(rèn)為采集穴珠測(cè)得的年齡為所在溶洞的巖溶發(fā)育末期。

表1 不同高程次生方解石的230Th年齡Table 1 230Th age of secondary calcite at different elevations

李向全等(2021)提出青藏高原東部二、三級(jí)巖溶發(fā)育期分別為中新世晚期至上新世和上新世至更新世。結(jié)合此次測(cè)年結(jié)果,可以得出研究區(qū)第二級(jí)巖溶于中新世晚期開(kāi)始發(fā)育,至更新世晚期干涸并停止發(fā)育;第三級(jí)巖溶頂部自上新世開(kāi)始發(fā)育,至更新世晚期干涸停止發(fā)育。

4 巖溶水循環(huán)特征

4.1 巖溶水補(bǔ)給來(lái)源

泉水、河水、湖水和大氣降水(雨水和積雪)的水化學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。泉水和河水的總?cè)芙庑怨腆w物質(zhì)(Total Dissolved Solids, TDS)值分別為90.00～207.00 mg/L和52.00～251.00 mg/L,平均值分別為162.50 mg/L和139.20 mg/L,二者相差不大,但都大于湖水和大氣降水。大氣降水、泉水和湖水中主要陰離子為HCO-3。河水中主要的陰離子除HCO-3外,還有SO24-(圖4)。Ma et al. (2022b)分析認(rèn)為河水中的SO24-和Cl-主要來(lái)源于畜牧業(yè)和人類(lèi)生活用水影響。上述離子特征一方面顯示了泉水和河水處于水循環(huán)末端的特征,另一方面表明地下水和河水之間的相互關(guān)系,更有可能是地下水補(bǔ)給河水而非河水補(bǔ)給地下水。

圖4 水化學(xué)Durov圖Fig.4 Durov diagram of hydrochemistry

表2 水化學(xué)和同位素測(cè)試結(jié)果Table 2 Test results of hydrochemical components and isotopes

大氣降水穩(wěn)定同位素具有隨海拔升高而下降的特征(Clark and Fritz, 1997),降水入滲至地下水排泄的過(guò)程中則基本保持穩(wěn)定。因而可利用大氣降水穩(wěn)定同位素的高程效應(yīng)間接確定地下水補(bǔ)給區(qū)范圍(Tesfaldet et al., 2020)。受降水水汽來(lái)源、水汽組成和大氣環(huán)流等因素的影響,不同地區(qū)降水同位素和海拔的關(guān)系略有差異。由于研究區(qū)尚未開(kāi)展大氣降水的高程效應(yīng)研究,因而此次將巖溶泉的穩(wěn)定同位素代入與研究區(qū)相近地區(qū)的大氣降水同位素與海拔的關(guān)系式,來(lái)計(jì)算巖溶泉的補(bǔ)給高程(表3)。

表3 巖溶泉補(bǔ)給高程計(jì)算值Table 3 Calculated values of the karst water recharge elevation

根據(jù)于津生等(1980)和李維杰等(2018)提出的關(guān)系公式計(jì)算出LB、BM、JT和GJ 4個(gè)巖溶泉的補(bǔ)給高程均高于5300 m。而研究區(qū)絕大部分地區(qū)海拔低于5200 m,因而這兩列計(jì)算的結(jié)果在研究區(qū)不適用。根據(jù)姚檀棟等(2009)的計(jì)算公式,補(bǔ)給高程在4400～4650 m之間,為冰川湖泊分布區(qū);按照張磊等(2021)的計(jì)算方法,補(bǔ)給區(qū)高程在3800～4150 m之間,這一海拔高程為陡峭的山體、定曲上游及其支流。從空間上看,以上兩組計(jì)算結(jié)果是合理的,即大氣降水、冰川湖水和河水都可能是巖溶水的補(bǔ)給源。根據(jù)水化學(xué)特征,研究區(qū)河水對(duì)巖溶地下水的補(bǔ)給可能性較小。綜上可知,區(qū)內(nèi)巖溶水的補(bǔ)給來(lái)源主要是位于海拔4400～4650 m之間的大氣降水和冰川湖水。

利用水中的Ra同位素,進(jìn)一步分析補(bǔ)給來(lái)源的可能性。

巖溶泉226Ra的活度為6.27±1.07～8.75±1.06 dpm/100 L,與 冰 湖 水3.95±0.78～9.57±1.11 dpm/100 L相近,遠(yuǎn)低于定曲河水的14.95±1.16 dpm/100 L。分水嶺外冰湖Lake-2的228Ra活度為29.42±2.70 dpm/100 L,明顯高于其余樣品的4.28±1.91～13.56±2.13 dpm/100 L。一般來(lái)講,隨著水體鹽度的升高,水中堿土金屬離子會(huì)對(duì)Ra產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)吸附作用,導(dǎo)致Ra發(fā)生解析,以溶解態(tài)Ra2+的形式進(jìn)入水體。因此除Lake-2以外的水中226Ra和228Ra的活度均表現(xiàn)出隨鹽度增加的趨勢(shì)(圖5a、5b)。

圖5 水樣226Ra和228Ra與鹽度的關(guān)系及226Ra與228Ra的關(guān)系圖Fig.5 226Ra and 228Ra vesus salinity and 226Ra vesus 228Ra

河水的226Ra高于其他樣品,而228Ra與除Lake-2外的樣品相差不多。表明在河水中,226Ra有明顯的累積現(xiàn)象。這是由于226Ra半衰期長(zhǎng)(1600 a),不會(huì)如228Ra(半衰期5.75 a)易發(fā)生衰減(孔凡翠等,2021)。也表明鐳同位素具有“Lake-1→泉水→河水”的“傳遞”過(guò)程。

Lake-2的226Ra和228Ra活度分別是Lake-1的2.42倍和5.58倍。因兩個(gè)水樣的鹽度相差不大,可排除Ra同位素吸附/解吸差異的影響。這種現(xiàn)象應(yīng)是由于228Ra的半衰期較短所致。這說(shuō)明Lake-2的滯留時(shí)間短于Lake-1,即兩個(gè)冰川湖泊水的來(lái)源不完全相同。Lake-1中冰川融水、積雪融水等“老水”比例大,Lake-2的補(bǔ)給源更多是來(lái)自于現(xiàn)代大氣降水。

當(dāng)水體來(lái)源相同或具有上下游關(guān)系時(shí),226Ra和228Ra活度的比值相近。已有多項(xiàng)研究得出,226Ra與228Ra的關(guān)系顯示出很好的線(xiàn)性回歸關(guān)系(Younget al., 2008; Luo et al., 2017, 2018; Liao et al., 2020)。從圖5c可以看出,除Lake-2外,其余點(diǎn)都位于1∶1線(xiàn)附近,表明其來(lái)源具有相似性。對(duì)所有點(diǎn)(圖5c紅線(xiàn))和去除Lake-2的點(diǎn)(圖5c綠線(xiàn))進(jìn)行線(xiàn)形擬合,得出的線(xiàn)形關(guān)系分別為:

表4 研究區(qū)主要水體226Ra和228Ra活度Table 4 226Ra and 228Ra activity in the water samples from the study area

可以看出,當(dāng)增加了Lake-2后,R2值從0.7821降到了0.1837,擬合關(guān)系差,Lake-2表現(xiàn)出于其他樣品的非同源關(guān)系。這說(shuō)明Lake-2并非區(qū)內(nèi)巖溶泉的主要補(bǔ)給來(lái)源,由此判定非定曲斷裂影響帶范圍內(nèi)的冰川湖泊,無(wú)法產(chǎn)生跨斷裂影響范圍的補(bǔ)給。

4.2 巖溶水徑流過(guò)程

巖溶水徑流過(guò)程中,主要化學(xué)組分受巖石風(fēng)化溶濾作用和陽(yáng)離子交換作用控制(圖6)。但各種水體之間的離子濃度差別并不明顯。在巖溶區(qū)出現(xiàn)這種現(xiàn)象,可能有如下原因,一是氣候環(huán)境不利于發(fā)生水巖作用,溶蝕能力差,二是地下水徑流速度快導(dǎo)致“來(lái)不及”與含水介質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。

圖6 研究區(qū)水體中離子關(guān)系圖Fig.6 The relationship between ions in the water from the study area

將研究區(qū)內(nèi)巖溶泉與同屬青藏高原東部的其他巖溶大泉的水化學(xué)特征進(jìn)行對(duì)比。位于康定北部的清泉村泉和白玉縣南部的火龍泉徑流速度較快,循環(huán)時(shí)間短,循環(huán)深度淺(馬劍飛等, 2022b; Ma et al., 2022a);位于察雅縣東部的娘曲泉當(dāng)中包含深循環(huán)巖溶水,循環(huán)時(shí)間長(zhǎng)(張春潮等,2021)。研究區(qū)內(nèi)的巖溶泉與清泉村泉和火龍泉的水化學(xué)特征相似,與娘曲泉的TDS值和陰離子特征有明顯區(qū)別(圖4)。這說(shuō)明研究區(qū)內(nèi)巖溶泉徑流速度快、徑流深度淺、地下水徑流速度快,導(dǎo)致水巖作用不強(qiáng)烈(徐一萍等,2020)。

利用氚值(T)和85Kr來(lái)分析巖溶水的更新能力。隨著水樣TDS值的增加,氚值有逐漸減小的趨勢(shì)(圖7a)。這說(shuō)明水的年齡越大,在循環(huán)過(guò)程中產(chǎn)生的反應(yīng)越多。作為補(bǔ)給源的降水、湖水的氚值大于巖溶泉。所有巖溶泉的氚值都位于4.2～4.7 TU之間,說(shuō)明地下水的平均年齡在5～20 a之間(馬劍飛等, 2022b)。利用85Kr同位素測(cè)年法,使用最新的北半球大氣85Kr基線(xiàn)進(jìn)行矯正(Bollh?fer et al., 2019; Gao et al., 2021),得出根久泉(GJ)和定曲泉(LB)兩個(gè)巖溶泉的年齡分別為13.8±0.5 a和＜4.0 a,說(shuō)明巖溶水徑流速度快,更新能力強(qiáng)。

根據(jù)Loosli et al. (2000)建議的方法,通過(guò)比較氚和85Kr測(cè)量值,獲得了對(duì)年輕水和老水混合比例的半定量方法(圖7b)?？梢钥闯?GJ和LB兩點(diǎn)均遠(yuǎn)離99%比例的混合線(xiàn),即兩個(gè)巖溶泉的組成幾乎都是年齡較小的地下水。

圖7 水樣T值與TDS和85Kr關(guān)系圖Fig.7 T value vesus TDS value and 85Kr value in the water sample

4.3 巖溶泉流量特征

利用“流速-斷面”法對(duì)研究區(qū)內(nèi)主要巖溶泉進(jìn)行多次測(cè)流。除2022年5月測(cè)流前存在連續(xù)降雨以外,其余測(cè)流日期前均無(wú)明顯降雨。由圖8可以看出,連續(xù)降雨對(duì)所有巖溶泉都有影響。其余日期,BM(波密泉)和JT(經(jīng)筒泉)的波動(dòng)幅度略大于樣品GJ(根久泉)和LB(定曲泉)。不同泉的流量波動(dòng)規(guī)律也存在差異,說(shuō)明地下水徑流通道存在差異,但總體來(lái)說(shuō)所測(cè)量的4處巖溶泉流量基流量都較為穩(wěn)定,同時(shí)對(duì)大氣降水都有較為快速的響應(yīng)。這說(shuō)明巖溶水的基流量是由較大范圍補(bǔ)給和長(zhǎng)距離的徑流支撐的,同時(shí)有現(xiàn)代大氣降水補(bǔ)充(Gautam et al., 2022)。

圖8 研究區(qū)主要巖溶泉多期流量(GJ、BM部分?jǐn)?shù)據(jù)源自Ma et al., 2022b)Fig.8 Multi-flow of main karst springs in the study area (Parts of GJ, BM data are from Ma et al., 2022b)

巖溶泉流量在2022年5月出現(xiàn)陡增,這部分陡增水量對(duì)降水的響應(yīng)時(shí)間短,各泉的響應(yīng)時(shí)間較一致。說(shuō)明巖溶泉流量當(dāng)中有一部分是現(xiàn)代大氣降水補(bǔ)給,徑流距離短、徑流速度快。通過(guò)對(duì)研究區(qū)3個(gè)巖溶發(fā)育高程級(jí)別的地形地貌條件分析,認(rèn)為現(xiàn)代降雨補(bǔ)給位于地形坡度較為平緩的海拔3400～3600 m的第三級(jí)巖溶發(fā)育區(qū)。巖溶泉也主要出露于第三級(jí)巖溶發(fā)育區(qū),地下水接受補(bǔ)給后快速?gòu)搅鞑⑴判?從而形成了對(duì)大氣降水的快速響應(yīng)。

4.4 巖溶水循環(huán)過(guò)程

研究區(qū)巖溶水循環(huán)主要受定曲斷裂及其分支斷裂控制。巖溶地下水接受大氣降水和冰湖水入滲補(bǔ)給,補(bǔ)給區(qū)海拔4400～4600 m。非定曲斷裂控制范圍內(nèi)的大氣降水和地表水體(河水、湖水、積雪、冰川等)難以形成跨流域單元補(bǔ)給。地下水主要沿定曲斷裂自北向南徑流。海拔3400～3600 m的第三級(jí)巖溶發(fā)育區(qū),受地勢(shì)較為平坦的影響,也存在現(xiàn)代大氣降水的補(bǔ)給。在徑流過(guò)程中受到定曲斷裂各級(jí)分支斷裂影響,形成多個(gè)巖溶排泄點(diǎn)。排泄區(qū)和補(bǔ)給區(qū)之間的高差為1000～1400 m,因而巖溶水具有較強(qiáng)的水動(dòng)力條件,流速較快。巖溶水年齡不大于15 a,且此次未發(fā)現(xiàn)有滯留的老巖溶水,含水層更新能力強(qiáng)。巖溶水徑流過(guò)程中與含水介質(zhì)的相互作用以溶蝕和陽(yáng)離子交換作用為主,由于徑流速度快,水巖作用普遍不強(qiáng)。

5 巖溶水循環(huán)特征與工程影響分析

將研究區(qū)巖溶泉和已有研究揭示的青藏高原東部部分巖溶泉的循環(huán)特征進(jìn)行對(duì)比分析,初步總結(jié)出青藏高原東部巖溶水循環(huán)特征及其對(duì)工程的影響。

(1)巖溶水的補(bǔ)徑排均受斷裂控制,特別是受活動(dòng)斷裂控制。地下水單元位于活動(dòng)斷裂及其分支斷裂控制帶內(nèi),一般不會(huì)產(chǎn)生跨活動(dòng)斷裂控制范圍的補(bǔ)給和徑流。

在工程水量預(yù)測(cè)時(shí),應(yīng)充分考慮斷裂,特別是活動(dòng)斷裂的分布,來(lái)劃分地下水單元和計(jì)算單元。

(2)活動(dòng)斷裂可溝通多個(gè)高程級(jí)次的巖溶區(qū)段(李向全等,2021),多在垂向上形成總高差大于1000 m的徑流通道。因此,在設(shè)計(jì)和施工時(shí),應(yīng)充分考慮高水頭的影響,適當(dāng)提高水壓擋、排措施標(biāo)準(zhǔn)。

(3)地下水徑流方向受斷裂控制,可以隨斷裂展布方向產(chǎn)生大角度變向。在施工過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)超前預(yù)報(bào),密切關(guān)注巖溶水徑流異常情況。

(4)冰川湖泊、河流等地表水是巖溶大泉的重要補(bǔ)給源,對(duì)流量的持續(xù)支撐十分重要?？赏ㄟ^(guò)加強(qiáng)對(duì)流域周邊重點(diǎn)地表水體的監(jiān)測(cè),預(yù)判地下水循環(huán)異變,開(kāi)展災(zāi)害預(yù)警。

(5)地下水大多流速快,更新能力強(qiáng)。在地?zé)岙惓^(qū),受導(dǎo)水導(dǎo)熱深大斷裂影響,也存在深循環(huán)的巖溶地下熱水。深循環(huán)水與其他巖溶水具有明顯的水化學(xué)特征差異。因而可重點(diǎn)關(guān)注TDS、硫酸根離子、水溫等特征指標(biāo),判斷工程、特別是地下工程所處地下水循環(huán)的位置,針對(duì)性開(kāi)展預(yù)防措施。

(6)巖溶大泉的基流量穩(wěn)定,部分大泉存在快速響應(yīng)大氣降水而產(chǎn)生流量劇烈波動(dòng)的現(xiàn)象。對(duì)位于地下水集中排泄區(qū)的工程,在基流量的基礎(chǔ)上,應(yīng)充分考慮降雨對(duì)地下水排泄量的影響,提升防災(zāi)能力。在工人駐地、辦公場(chǎng)地選址方面,也應(yīng)注意地下水量激增造成的地質(zhì)災(zāi)害。

6 結(jié)論

文章通過(guò)巖溶調(diào)查、水化學(xué)和新型同位素分析等手段,研究了金沙江斷裂帶中段巖溶發(fā)育和地下水循環(huán)特征,并進(jìn)行了工程影響分析。

(1)研究區(qū)巖溶發(fā)育受斷裂控制的特征較為明顯。在定曲斷裂控制范圍內(nèi)存在3個(gè)巖溶發(fā)育區(qū)段,一級(jí)巖溶發(fā)育區(qū)海拔4900～5300 m,二級(jí)巖溶發(fā)育區(qū)海拔4000～4300 m,三級(jí)巖溶發(fā)育區(qū)海拔3400～3600 m。其中二級(jí)巖溶發(fā)育時(shí)間為晚中新世至晚更新世;三級(jí)巖溶頂部巖溶發(fā)育時(shí)間為上新世至晚更新世。

(2)巖溶地下水的補(bǔ)給區(qū)位于海拔4400～4600 m的冰川湖泊分布區(qū),主要補(bǔ)給源為大氣降水和冰湖水。水體中鐳同位素特征顯示,非定曲斷裂控制范圍內(nèi)水源難以形成跨流域單元補(bǔ)給。

(3)巖溶水循環(huán)速度快,根久泉和定曲泉的85Kr年齡分別為13.8±0.5 a和＜4.0 a,基本沒(méi)有年齡較大的地下水混合。由于徑流時(shí)間短,水巖作用以碳酸鹽巖溶蝕和陽(yáng)離子交換為主,且反應(yīng)不充分。

(4)在工程當(dāng)中,應(yīng)充分考慮構(gòu)造巖溶發(fā)育的不均一性、高度的各向異性、活動(dòng)斷裂影響下巖溶水徑流通道分布、巖溶水的高水壓影響和其與特殊天氣條件帶來(lái)的地質(zhì)災(zāi)害威脅,保障工程安全和環(huán)境安全。