测氡技术在泉州清源山地下水源勘查中地应用

滕彦国,郑洁琼,庹先国,王金生,胡立堂,岳卫峰,左 锐

(1.北京师范大学 水科学研究院,北京 100875;2.地下水污染控制与修复教育部工程研究中心,北京 100875;3.成都理工大学 网络教育学院,成都 610059)

测氡技术在泉州清源山地下水源勘查中地应用

滕彦国1,2,郑洁琼1,2,庹先国3,王金生1,2,胡立堂1,2,岳卫峰1,2,左 锐1,2

(1.北京师范大学 水科学研究院,北京 100875;2.地下水污染控制与修复教育部工程研究中心,北京 100875;3.成都理工大学 网络教育学院,成都 610059)

测氡是一种有效的放射性地球物理探测方法。由于含水裂隙基岩与其周边岩体的结构存在差异,氡气的浓度异常可间接反映出地质体裂隙系统的情况,并可分析其开启度、连通性,以及破碎程度。应用测氡技术对地下水资源进行勘探,对含水裂隙基岩的结构特征进行研究,能达到节约投资,缩短勘探时间的目的。并可与地质资料分析相互验证,为地下水勘察应用提供依据。这里将测氡技术应用于泉州市清源山地下水资源勘探工作中,旨在寻找基岩山区地下水富集带。测氡结果显示,在清源山一带明显存在二条北西西向和北西向断裂,结合地质资料认为:F1断裂带和F2断裂带是地下水赋存的理想位置,而且这二条断裂延伸2.5 km～3.0 km,汇水面积大于13 km2,大气降水的补给能力5 770m3/d,每年的补给量可达211×104m3。

测氡技术;氡异常;地下水

0 前言

随着社会经济的迅猛发展,地下水的开发利用在国民经济建设中的作用日益增强,尤其是在干旱贫水地区,找寻基岩裂隙水、岩溶水更为迫切。随着地下水资源勘探难度的增大,迫切需要有更先进、更有效的方法技术配合地下水开采工作。在上世纪七十年代中,氡气测量技术开始用于水文地质工作。

氡(Rn)是一种放射性的惰性气体,易溶于水,属于天然铀放射系列[1],是铀、镭衰变的子体。氡气测量技术(简称测氡技术),是一种放射性勘探地球物理技术及方法[2],在找矿、发现断裂构造、地震预报、环境监测、油气勘探、岩溶塌陷探测,以及滑坡研究等领域,均得到了应用[3～5]。但与铀矿资源的勘探所不同的是,在水文地质勘探时,对氡气测量技术要求是高精度、高灵敏度、多参数的测量技术,以便于发现并处理地质勘探问题中常是微弱的放射性氡气异常。因此,氡气测量技术在解决水文地质问题等领域中的应用是值得研究的课题[6]。

近年来,放射性方法在水文地质和工程地质等问题上的应用,已得到了国内、外学者的重视。目前,我国已有关于测氡技术找寻基岩地下水成功应用的报道[7]。此外,对壤中氡气进行测量,还可以有效地勘查隐伏断裂[8]、探测花岗岩地区基岩裂隙水[9]。因此,作者在本文应用壤中氡气测量技术,对泉州市清源山地区隐伏断裂和基岩裂隙水进行了勘查研究。

1 测氡技术的基本原理

富含Th、U等放射性元素的地质体,衰变释放出来的氡气因自身的机制,有着很强的向上运移能力。而活动断层、构造活动带、岩溶带,以及滑坡地段等现代地动带形成的断裂和裂隙,可成为地下深处的氡气向上运移的良好通道。同时,由于氡气是惰性气体,在迁移过程中不与其它物质发生化学反应。因此在地表土壤中,高浓度的氡气和宽广平缓的氡异常,可较为准确地反映地质体的裂隙系统的开启度、连通性及破碎程度,从而指导寻找基岩裂隙水。

地质工作中的测氡方法,大多以氡子体为测量对象。氡子体是氡衰变的产物,包括Po、B i、Pb、T1等,其中Po的同位素都是α辐射体,其它的多为β和γ辐射体。这些子体大多是短寿命的固态放射性核素,它们会在有氡气经过的物体上沉淀下来[10],一般多富集于地表土壤之中。

作者在本次研究中,所选用的是成都理工大学自主研制的KJD-2000R型测氡仪。该仪器是一种新型的连续测氡仪器,属于标准测氡方法之一。它可利用静电收集氡衰变子体进行累积测量,具有灵敏度高,操作方便的优势,可用于室内测氡,壤中测氡,水溶液测氡等领域,本次测量为壤中测氡。仪器的检测对象为222Rn、220Rn;采用半导体α粒子探测器;具有实时α能谱显示和512道分析器;本底小于5CPH;灵敏度为3 Bq/m3;测量范围为3 Bq/m3～40 000 Bq/m3;测量不确定度为〈10%(K=2);气泵的流量为1 L/m in;测量时间为5m in;可自动保存测量1 000条谱线。

2 应用研究

本次测氡技术在地下水资源勘探中的应用研究区,选在福建省泉州市清源山。由于泉州市主要供水源来自地表水,所以地下水开发利用程度不高,而且缺乏充足的备用水源。为了改变泉州市饮用水单一供水状况,应对突发性的水源污染事件,本项研究是为建立该市地下水应急水源地的前期基础研究,旨在寻找基岩山区基岩地下水富集带。

2.1 研究区概况

泉州市地处福建省东南部,南侧部份区域与漳州和厦门交界,部份区域临海,北临三明市,东与福州市、莆田市接攘,西与龙岩市相邻。泉州市区溪流众多,发源于泉州市境内的流域面积100 km2以上的河流有三十五条,流域面积为7 933 km2。其中,晋江水系十六条;九龙江水系五条;闽江水系九条;单独入海五条,如图1所示。

2.2 地质、水文地质条件

(1)地层。工作区位于泉州市东北直距5 km,地处清源山、群山、环山包围形成的小盆地。出露地层为第四系覆盖,侵入岩主要有加里东和燕山早期、燕山晚期所形成的侵入岩,它们的分布和展布严格受区内主要构造控制。

(2)构造。该工作区属于燕山早期侵入岩,多呈北东、次为北北东向,沿新华夏系主干断裂侵入,散布全区,构成壮观的岩带或呈“多”字形。其中,主要岩石有二长花岗岩、黑云母花岗岩、花岗闪长岩,以及石英闪长岩、斜长花岗岩、细粒花岗岩、闪长岩、辉石闪长岩等,呈全晶质花岗结构和块状构造。

(3)水文地质条件。研究区属新华夏系长乐～南澳断裂带。该区段由较密集的数条近平行压性断裂组成,呈北东向展布,带内岩石强烈片麻理化及混合岩化。构造脉状裂隙水主要赋存于西侧山脚地带,泉点多出露于北西向短小张断裂交汇部位,其中包括晋江古垵和深沪镇泉。由于过量开采或近期的新构造活动,泉流量减小,如图2(见下页)所示。

2.3 测氡技术的应用

根据前述测氡技术的原理,在清源山附近选取三条剖面(见下页图3),每条剖面布101个目标点,并对每个点进行测氡实验,获得其浓度。然后,找出氡浓度异常高的点。在这些点的位置上,下部岩土体往往有较大空隙,可能预示着基岩断裂的存在,对寻找基岩裂隙水有很大的指导作用。

图1 研究区地理位置图Fig.1 Location of study area

图2 研究区水文地质及剖面图Fig.2 Hyd ro-geo logical and p rofilem ap of study area

图3 测氡点分布及异常点位置示意图Fig.3 D istribution of radon detection and anom aly sites

野外测氡气含量持续二周,沿线氡气含量变化如图4所示。从图4中可以看出,在三条清源山剖面线中的101个测点中,氡浓度值超过40 000 Bq/m3的有12个,最高值为86 205 Bq/m3。在经过ARCG IS、MAPGIS等地理信息系统软件处理后发现,清源山脚下可能有二条较明显的断裂带(见图3),一条为山前的北西西向断裂(F1),位置在CM 1-5～CM 2-5～涌泉矿泉水厂680/3点,走向北西～南东,倾向南西。在该断裂带上测得氡气含量较高,宽度窄;另一条为山前的北西向断裂(F2),位于CM 3-2～CM 1-3～CM 2-3,走向北西～南东,倾向南西。在该断裂带上测得氡气含量相对较小,宽度较大。这二条断裂延伸2.5 km～3.0 km。此外,各线还存在多处规模较小的断裂。

结合地质资料作者认为:F1断裂带是造山运动形成的;F2断裂带是多次花岗岩侵入和后期构造运动形成的,是地下水赋存的理想位置。其中,靠西部的北西向断裂,比另一条靠山边的北西西断裂破碎宽度大。

图4 三条剖面氡气含量变化图Fig.4 Variationsof radon concentration on three p rofiles

2.4 地下水开发可行性分析

结合氡气测量和已有的钻探结果,为方便该断裂区矿泉水和温泉(深部地下水)的开发利用,有必要进行地下水补给资源量的确定。

作者本次计算的是地下水补给资源量,F1断裂形成的补给区近似认为是清源山脉西南的一部份,属于裂隙水和浅层孔隙水;F2断裂形成的补给区为平原区,浅层为松散孔隙水,深层为裂隙水,其汇水面积仅延伸到后茂村,因为物探调查区域主要集中于燎原、肖厝、竹脚等区域,补给区面积可能更大,本次计算确定的补给区如图5所示。

图5 清源山二条断裂地下水补给区划分Fig.5 D ivision of groundwater recharge areas in Q ingyuanshan

根据测氡技术确定的断裂延伸范围可知,I区和II区的补给面积分别为3.5 km2和9.6 km2。结合当地年降水量与降水入渗系数,构造水的补给量分别为1 035.62 m3/d和4 734.25 m3/d,合计为5 769.87m3/d,每年可提供210.6×104m3地下水量。目前已有证实,F1断裂上的竹脚村矿泉水厂有一自流井,水量达80m3/d,并且常年不断,这说明本区水量尚有较大的开发潜力。

3 结论

(1)测氡法是一种简便易行,勘探效果明显的定位地下水源新方法,应用测氡技术查明地下水源位置与地质分析判断吻合较好。

(2)依据氡异常值进行地下水源的识别,判定在清源山一带明显存在二条北西西向和北西向断裂。结合地质资料可以认为,这二条断裂是地下水赋存的理想位置,每年的大气降水补给量可达211×104m3;

(3)为了进一步探明地下水储量,氡气探测技术可与其它各种物探方法相结合,广泛应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

国家重大科技专项课题(2009ZX07419-03);水利部地下水保护行动项目专题资助(水综地下水[2009]第(8)号)

2010-08-11 改回日期:2010-11-02

滕彦国(1974-),男,教授,博导,从事地下水科学与工程研究。