基于溶解潜力的岩溶发育数值模型及其应用研究

发布时间：2018-03-09 16:09

本文选题：岩溶发育　切入点：溶解潜力　出处：《中国地质大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：岩溶水系统含水介质的非均质性大大增加了调查分析岩溶空间分布和时间演变规律的难度。在研究局部岩溶水流动和非均质岩溶介质分布时,基于水文地质地表调查的定性分析或者工程勘察的局部调查是现有的主要手段。目前可实现岩溶演化的少数数值模型仅可模拟1-2个主方向裂隙网络的溶解,与实际岩溶空间分布差异较大。现有数值模型多为可视化程度较低的源代码程序,普及性不佳。基于区域地下水流动系统理论和碳酸盐岩化学溶解机理,本文提出以溶解潜力来刻画地下水可以溶解并携带碳酸盐岩的最大数量,将表征“溶解潜力”的概念参数称为岩溶发育指数ΦK(Karstification Index).岩溶发育指数的物理意义为在单位时间内地下水可溶解的碳酸盐岩物质的量[MT1]。岩溶发育指数的数学表达式为：ΦK=q·s式中q为岩溶水系统任意空间位置点的地下水流量[L3T1]；s为单位体积地下水与碳酸盐岩完全反应达到饱和时地下水中增加的碳酸盐岩[ML-3]；本研究设定非饱和带岩溶发育指数为零。岩溶水系统中地下水径流是不均匀的,水流的不均匀性造成可溶岩的差异性溶解,这种渐强的不均匀性径流与介质差异性溶解的正反馈过程是岩溶水系统特有的自组织机制。岩溶发育模型需要体现岩溶水系统自组织机制、模拟岩溶形成过程与相对规模大小。根据研究区水文地质条件和化学反应条件构建岩溶水流动、热量运移数值模型,由任意点钙离子背景值、流量、水温、二氧化碳分压计算任意时刻的岩溶发育指数。根据岩溶发育指数值计算经历一段时间(一个时间步长)溶解作用后介质隙宽的扩大量,进而获取透水介质的渗透系数和溶解进入水中的钙离子数量。在该时刻水流与钙离子运移耦合模型中添加随时间变化的溶解钙离子量,模拟获取下一时刻钙离子背景值。利用计算的透水介质渗透系数构建下一时刻的水流-热量运移模型,根据模拟的流量、水温,结合新的钙离子浓度背景值计算下一时刻岩溶发育指数。以岩溶发育指数作为岩溶介质和地下水正反馈过程的桥梁,通过反复模拟-计算-迭代来实现岩溶发育过程的方法就是基于溶解潜力的岩溶发育数值模型。本研究把早期透水介质概化成一系列可沿任意方向相互连通的细小圆管,含水层内的地下水流动简化为达西流。本文选用功能齐全的地下水水量、热量、溶质运移软件系统FEFLOW来模拟岩溶水系统任意时刻的流场、温度场及溶质场。相对岩溶发育的漫长地质历史时间而言,岩溶介质和水流分布在一定时期内变化并不显著。因此,本研究构建的岩溶发育数值模型假设任意时间步长内碳酸盐岩匀速溶解,且一个时间步长内系统状态不变。这样的处理方法虽然没有精细刻画出实时的岩溶发育过程,但是对于分析系统内岩溶化的阶段性进程是合理且有意义的。另外,岩溶发育进入成熟期将形成大型管道和洞穴,地下水物理侵蚀作用占主导地位,基于溶解机制建立的岩溶发育数值模型不再适用。此时,一般情况下地下水中将出现紊流,因此,本研究以雷诺数作为模型时效性的判断依据。但是,基于溶解潜力的早期岩溶发育模型已经奠定了整个岩溶水系统岩溶发育的总体趋势和介质岩溶化格局的基本雏形。如果模拟的时间过程没有出现大的构造运动改变基本地质结构,本文提出的研究思路和建立的数值模型,可以定量刻画岩溶发育宏观特征,预测岩溶发育的空间差异性和趋势性规律。以均质各向同性灰岩河间地块作为水文地质理论模型,本文分析了岩溶发育的一般过程。100ky时,河间地块理论模型地下水中出现紊流。模拟结果表明基准面排泄点的溶解潜力最大,早期岩溶通道沿排泄基准面水平逐渐向内延伸。根据理论模型岩溶发育过程,本研究将岩溶早期发育分为3个阶段：(1)潜伏期(0-40ky),指潜水位逐渐降低直至稳定不变的阶段,以排泄高程的降低时间作为划分依据；(2)发育期(40-90ky),指溶解作用集中在排泄基准面缓慢进行的阶段,岩溶发育指数增加幅度占比少于10%；(3)突变期(90-100ky),排泄区形成水平向内延伸的早期岩溶通道,该阶段岩溶发育指数增加幅度占比大于90%。不同区域岩溶发育过程在以上3个阶段的时间分配可能不同,但是以上过程符合早期岩溶发育的一般规律。本研究逐次改变理论模型的基岩渗透性、补给源钙离子浓度,并依次添加相对隔水层、导水带,以分析以上影响因素对岩溶发育的影响。结果表明,溶解潜力及其非均质性与基岩渗透性成正比、与补给源钙离子浓度成反比,且岩溶发育对前者的敏感系数比后者大2个数量级。在理论模型中添加相对隔水层或导水带,系统内岩溶发育规模和空间分布都变化显著。添加水平相对隔水层后,理论模型岩溶发育出现分层现象,岩溶仅在隔水层上部含水层发育,最终在隔水底板形成水平岩溶管道,下部含水层岩溶不发育。添加导水带后,岩溶化作用集中在导水带,介质非均质性增强,岩溶发育进程加快。不同位置的导水带岩溶水系统内岩溶发育空间位置也不同。导水带与排泄基准面重合的系统主要沿排泄基准面发育水平延伸的岩溶管道；350m水平延伸的导水带系统仅可能在排泄口发育小溶洞；150m水平延伸的导水带系统的岩溶通道沿导水带水平延伸、沿河床垂直向下,基准排泄点还可能发育溶洞；导水带斜穿含水层的系统在导水带下端发育岩溶管道,两侧基准排泄点发育溶洞。笔者攻读博士学位期间在湖北兴山县境内对香溪河流域岩溶发育进行了研究,依托1：5万水文地质调查项目积累了大量基础数据资料。在对香溪河流域岩溶水系统划分流动系统的基础上,本研究分别构建雾龙洞小流域和响龙洞小流域岩溶发育模型。目的一是分析不同地质结构岩溶水系统的岩溶发育特征,尝试解答地表调查和局部水文地质勘察无法准确说明的问题；二是通过野外现象与模型的对比验证说明岩溶发育模型的可靠性与可行性。模拟结果表明雾龙洞流域上层寒武系岩溶水系统内发育局部垂直相通的多层水平岩溶管道,断裂带局部还可能形成串珠状小溶洞。下层震旦系岩溶水系统溶解潜力仅为上层系统的1/105～1/106,仅在高岚河河床和断裂带附近发生溶解作用。响龙洞流域二叠-三叠系岩溶水系统内部岩溶发育程度较低,仅在排泄点形成溶洞。雾龙洞流域和响龙洞流域岩溶发育模型的宏观特征都较好重现并解释了主要的实际岩溶现象,包括岩溶泉、溶洞、岩溶管道的空间位置及基本规模、形态等。并且,雾龙洞流域模型中上层寒武系岩溶水系统岩溶泉的水文动态过程与监测序列相似度较高。因此,岩溶发育模型在香溪河流域的实例应用是成功的,说明本文构建的岩溶发育数值模型合理可行。岩溶发育模型可用于划分复杂岩溶水流动系统的结构和层级,协助水文地质工作者判断区域主要的岩溶发育强度和部位、分析深部岩溶水资源空间分布,更好地根据工作目的选择重点靶区开展高精度水文地质勘察工作、制定更科学的水资源开发保护方案。由于岩溶发育过程包含有多个物理化学过程,因此岩溶发育模型可基于溶解潜力概念进行模块拓展。由简单因素拓展至复杂因素、由单一因素拓展至多个因素是溶解潜力模型发展的必然趋势。
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【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：P642.25

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