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2022年 第41卷  第5期

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《岩溶动力学理论研究与应用》专辑(三)
基于频域电磁法反演喀斯特表层土-岩结构研究
程凭, 程勤波, 陈喜, 刘金涛, 张志才, 高满
2022, 41(5): 675-683. doi: 10.11932/karst20220501
摘要:
喀斯特地区浅表层土壤分布极不均匀,探测土-岩界面和土壤分布对区域水文以及生态环境研究具有重要意义。文章基于麦克斯韦方程组构建了频域电磁法(FDEM)探测的电导率(EC)一维反演模型,实现了喀斯特浅表剖面EC可视化表述。根据设定的理想地层EC数据以及南方喀斯特峰丛洼地两个剖面和出露的三个实测剖面的FDEM实测视电导率,结合高密度电法、剖面实测土-岩界面,检验了反演模型可靠性。结果表明:FDEM法反演结果能较好的描述理想地层EC变化,以及土壤与灰岩、白云岩界面EC分布,进而可辨识土壤厚度分布,但基于反演的EC值判别尺度较小的溶沟(槽)以及泥岩区土-岩界面误差较大。
自然电场法与高密度电法联作在西江中下游岩溶区找水中的应用
陈贻祥, 黄奇波, 覃小群, 韩凯, 肖琼, 苗迎, 杜成亮, 贺德煌
2022, 41(5): 684-697. doi: 10.11932/karst20220502
摘要:
基于溶洼区浅层岩溶地下水的渗流特性,研究富水岩溶地质结构在地下水渗流作用下引起的自然极化及由此形成的自然电场的分布特征,通过自然电场法与高密度电法联作,利用科研和中国地质调查局地质调查项目中探采结合井位的综合物探结果,探讨以自然电场法为主导、辅以高密度电法等综合物探方法,在西江中下游岩溶石山地区不同水文地质环境中寻找岩溶地下水的成功应用效果与失败的经验教训。研究结果表明,感应类电法(如瞬变电磁法、音频大地电磁测深法、地面核磁共振法、激发极化法、声频大地电场法、甚低频电磁法等)受电网、通信网络等人为电磁场干扰较严重;高密度电法抗人为电磁场干扰的能力较强,信噪比较高,但勘探深度相对较浅,且易受炭泥质灰岩、岩溶矿产等良导电岩矿体的干扰。自然电场法利用岩溶地下水运移引起的富水岩溶地质结构自然极化特征,自然电场异常与动态地下水的补给与运移状态关系较密切,自然电场法与基于探测目的体导电特性的高密度电法联作寻找溶洼区浅层地下水可起到方法互补、相互印证、提高探测分辨率与精度的作用。
基于扫描电镜和CT成像技术的碳酸盐岩溶蚀作用微观结构和变化规律研究
邓宇林, 郭绪磊, 罗明明, 陈祥勇, 况野, 周宏
2022, 41(5): 698-707. doi: 10.11932/karst20220503
摘要:
为研究溶蚀作用下碳酸盐岩孔隙的演变规律及控制作用,文章选取三峡地区4种类型碳酸盐岩开展溶蚀实验。同时结合扫描电镜、CT成像对实验前后岩石的溶蚀特征及孔隙结构进行测试。结果表明:溶蚀总发生在低晶格能的矿物处且沿矿物晶体的菱形解理面以及薄弱部位发育,表现为对矿物和孔隙等结构的选择性溶解;碳酸盐岩的孔隙度对溶蚀过程影响较小,岩石的孔径大小是影响碳酸盐岩溶蚀速率的重要因素;小孔径岩石的溶蚀多在样品表面发育小型溶孔,大孔径岩石的溶蚀主要发生在孔隙隙壁且有向岩石内部溶蚀的痕迹;经溶蚀改造,孔喉半径和连通性均呈现出增长趋势。本研究对碳酸盐岩差异性岩溶作用机理及岩溶发育规律的认识有一定指导意义。
断层-充水溶洞上不同装置三维高密度电阻率法正演模拟响应特征分析
杨妍妨, 居和建, 甘伏平, 程洋, 王永
2022, 41(5): 708-717. doi: 10.11932/karst20220505
摘要:
高阻碳酸盐岩中的低阻断层和充水溶洞是岩溶区地下水勘查的主要目标体。根据高阻中找低阻的原则,建立碳酸盐岩类裂隙溶洞水赋存模式的断层-溶洞地电模型,利用RES3D软件进行温纳、施伦贝格、偶极-偶极三种采集装置的正反演模拟计算,从三维反演结果、剖面、电测深曲线三个维度,对比分析不同装置下断层-溶洞目标体的地电响应特征和规律。结果显示:(1) 探测深度内,温纳、施伦贝格、偶极-偶极装置可有效识别断层及其上盘三倍于电极距规模的充水溶洞,无法分辨断层下盘二倍于电极距规模的充水溶洞;(2) 相同模型和观测条件下,偶极-偶极装置对目标体的识别能力最强,其三维反演结果可识别溶洞下边界,剖面中形成左凸低阻圈闭异常,不同测深点的曲线类型、拐点、极值点与模型设计最为贴近,且拐点对应岩性界面,极值点位于地质体的中心深度。该工作对野外观测方式的选取和地质解译有一定指导意义。
滇东南高原斜坡区某拟建铁路岩溶水文地质问题及对策建议
张华, 康晓波, 王波, 柴金龙, 周翠琼, 蔡双乐, 侯旭涛, 黄晨晖, 潘晓东
2022, 41(5): 718-727. doi: 10.11932/karst20220506
摘要:
研究区位于云贵高原南缘滇东南高原斜坡区,属珠江源头河段南盘江流域与红河流域的地表分水岭地带,侵蚀切割强烈,地形条件复杂,广泛出露的三叠系中统个旧组含水层组富水性强,岩溶强烈发育,地下河管道、洼地、落水洞等广布。通过野外调查、观测、示踪试验、实验测试等手段,利用水文地质学、岩溶学等理论方法,分析研究区岩溶含水层富水性、岩溶发育强度、大泉地下河及管道分布、地热分布情况,及其对拟建铁路选线的影响,计算隧道涌水量,提出隧道施工尽量避开地下水富集区、岩溶强发育区、大泉地下河主管道径流区、地热异常区、岩溶砂岩地层区等建议措施,减少拟建铁路施工可能面临的岩溶水文地质危害及其对地下水环境造成的破坏,为强岩溶发育区的工程建设提供参考建议。
西南某水电站断裂构造和层间溶蚀带组合岩溶渗漏研究
冯志刚, 韦国建, 张汉猛, 许国
2022, 41(5): 728-735. doi: 10.11932/karst2021y33
摘要:
西南某水电站坝址基岩为碳酸盐岩,坝区断层构造和岩溶较发育。水库蓄水后,坝址右岸抗力体1 315 m排水洞出现持续渗漏。随库区水位升高,涌水量逐渐加大至约1.9 m3·s−1,水库无法正常蓄水。为查明库水渗漏途径,有针对性地采取措施减少渗漏量,开展了岩溶渗漏研究。通过工程地质测绘、岩溶水文地质调查、钻探、压水试验、孔内电视、孔内电磁波CT等勘察手段,结合前期平硐、基坑开挖和物探等勘查成果,并利用灌浆孔灌浆过程试验数据,最终查明库水渗漏通道:在水压力作用下,库水沿断裂构造F12下渗,在深部沿层间溶蚀带绕过防渗帷幕,呈30°倾角向下游逐步抬升,最终通过竖向岩溶发育带,从1 315 m排水洞地质薄弱点涌出。通过对灌浆帷幕采取补强措施,封堵了主要渗漏通道,库水渗漏得到有效控制,达到了设计要求。
复杂岩溶水系统势汇区建坝成库可行性研究——以北盘江流域普岔河水库为例
胡大儒, 郑克勋, 赵代尧, 陈占恒
2022, 41(5): 736-745. doi: 10.11932/karst20220507
摘要:
北盘江流域沿线山高谷深,岩溶水文地质条件复杂,局部区域水资源短缺,岩溶渗漏问题成为水利水电工程建设的瓶颈。文章综合地质调查测绘、钻探及物探、水文地质试验、岩溶水系统分析、地下水均衡分析等方法,论证了PCH水库不会发生邻谷渗漏及绕坝基深部的岩溶管道型渗漏,但发生溶隙型渗漏的可能性较大。采用有限元法模拟溶隙渗漏显示:随着T1yn1-1灰岩溶蚀率的增大,坝基抗滑稳定系数稍有降低,潜在失稳模式为后缘剪断T1yn1-2岩体,前缘沿T1yn1-2层内岩屑夹泥型软弱结构面剪出;坝基渗漏量呈线性增加,T1yn1-1灰岩溶隙密集带为坝基主要渗漏区。当溶隙密集带沿T1yn1-1灰岩与T1yn1-2泥灰岩接触带水平发育且集中分布时,坝基抗滑稳定系数将明显减小,坝基渗漏量将明显增大;当溶隙密集带垂直发育、分散发育或主要分布于坝后区域时,其对坝基抗滑稳定及坝基渗漏量影响微弱。岩溶水文地质分析及数值模拟均显示,复杂岩溶水系统势汇区下游区域多以溶隙渗漏为主,其工程影响有限,具备建坝成库条件。
岩溶基底隧道拱顶沉陷三段四层关键技术研究
覃剑文, 李海波, 潘光明, 田月明
2022, 41(5): 746-758. doi: 10.11932/karst20220508
摘要:
为有效治理岩溶基底城市隧道拱顶地层沉陷地质灾害,在充分探明沉陷区水文地质、工程地质特征的基础上,提出了“三段四层控制技术”,将治理区划分为沉陷区重点加固段、影响区次重点加固段和超前加固段;再根据治理深度和治理顺序进一步把沉陷区重点加固段分为顶部阻浆层、拱顶止浆垫层、拱顶加固层和中间加固层,研究了每段、每层注浆加固机理、浆液类型选择和控制注浆参数。研究成果表明,采用孔内复合止浆技术满足不同深度地层分段注浆为主、垂直孔和定向斜孔相结合,充填注浆、劈裂-挤密注浆相结合,以速凝浆液为主、单液水泥浆为辅,严格控制安全注浆参数,是“三段四层控制技术”安全有效注浆的技术关键,该技术方案在岩溶基底城市隧道拱顶地层沉陷地质灾害治理方面,取得了较好的注浆加固效果,有良好的推广应用价值。
湖南怀化盆地岩溶发育特征与分布规律
吴远斌, 刘之葵, 殷仁朝, 杨建兴, 罗伟权, 雷明堂, 戴建玲, 潘宗源
2022, 41(5): 759-772, 807. doi: 10.11932/karst2022y22
摘要:
怀化盆地位于沅麻盆地和雪峰山冲断带2个构造单元接触带上,区内地质构造条件复杂,岩溶强烈发育。文章以区内碳酸盐岩为研究对象,通过资料收集、野外调查、钻探以及测试等工作手段分析空间上的地层、岩性组合特征,从岩溶形态、地层与岩性、构造条件、侵蚀基准面、地貌与水动力条件、可溶岩与非可溶岩接触带六个方面,系统总结怀化盆地岩溶发育特征。结果发现:研究区以覆盖型岩溶区为主,区内各类岩溶形态发育;区内自高向低存在三个溶蚀最发育段,其标高分别为500~600 m、210~270 m以及190~210 m,分别受历史侵蚀基准面、泸阳-怀化-中方谷地局部侵蚀基准面与舞水河侵蚀基准面控制;区内各地层钻孔遇洞率一般为57.1%~61.5%,最高为87.5%;谷地内各地层岩溶发育强度依次为厚层灰岩>白云岩>红层灰砾岩>薄层灰岩,但受地貌、水动力条件影响,溶蚀构造峰脊洼区的白云岩岩溶发育明显较谷地内更为强烈;舞水河沿岸、断层带附近、可溶岩与非可溶岩接触带以及山前冲洪积区等地下水交替循环强烈的地带,岩溶发育相对更为剧烈;区内岩溶强发育区主要分布于泸阳-城东新区、白沙-菜门溪一带。
喀斯特石漠化治理措施对土壤颗粒有机碳与团聚体有机碳的影响
蓝家程, 王俊贤, 王莎莎, 祁雪, 龙启霞
2022, 41(5): 773-783. doi: 10.11932/karst20220509
摘要:
文章以耕地为对照,分析不同石漠化治理措施(花椒林和次生林)对土壤0~20 cm土层有机碳(SOC)、颗粒有机碳(POC)、矿物结合有机碳(MOC)和团聚体有机碳的影响,探讨POC、MOC与SOC、团聚体有机碳的关系。结果表明:与耕地相比,花椒林和次生林均不同程度提高SOC、POC、MOC和团聚体有机碳含量。0~10 cm土层次生林SOC含量和各粒径团聚体有机碳含量均显著高于耕地和花椒林,在10~20 cm土层无显著差异;0~20 cm土层花椒林和次生林土壤POC含量显著高于耕地,MOC无显著差异。POC/SOC范围为20.38%~45.27%,花椒林和次生林显著高于耕地。相反,MOC/SOC为耕地显著高于花椒林和次生林 。退耕为花椒林和次生林后,SOC含量的增加主要以POC含量增加为主。次生林和花椒林>2 mm粒径对SOC贡献率显著高于耕地,但0.25~2 mm粒径、0.053~0.25 mm粒径和 < 0.053 mm粒径对SOC贡献率显著低于耕地。其相关分析表明:POC、MOC与SOC、团聚体有机碳的关系均呈正相关,表现为次生林 > 花椒林 > 耕地。退耕恢复为花椒林和次生林后,SOC、POC和MOC增加量与团聚体有机碳增加量显著相关,其以次生林的相关性较强。石漠化治理措施改变SOC物理组分及其组成以及它们之间的关系,从而促进有机碳的积累。
粤北岩溶区土壤酸化的空间分异特征研究
吴雨珩, 曾发明, 魏兴琥, 刘淑娟, 黄金国
2022, 41(5): 784-795. doi: 10.11932/karst20220510
摘要:
为了解粤北岩溶区土壤酸化的空间分异特征,选择华南酸雨区的岩溶槽谷地貌和峰丛洼地地貌土壤为研究对象,对土壤pH数据进行空间插值预测,采用参数最优地理探测器分析岩溶槽谷地貌与峰丛洼地地貌中土壤酸化的空间特征及关键驱动力。结果表明:(1)区内土壤pH范围为4.62~8.19,主要以弱酸性(5.5≤pH <6.5)和酸性(4.5≤pH<5.5)为主。在不同地貌类型中,pH<6.5的土壤样品占比顺序为:岩溶槽谷(61.0%)< 峰丛洼地(69.2%)<非岩溶区(75.0%);(2)岩溶区小生境复杂多样,在酸雨影响下,成土母质可能是研究区内控制土壤pH的关键因子,而土壤pH空间分异格局可能是多因子共同作用的结果;(3)坡度对土壤pH空间分异的影响仅次于成土母质,表现为土壤pH随坡度的增加而升高,且其与成土母质的交互作用对研究区内土壤pH空间分异的解释力最大。区内土壤酸化防治建议:(1)根据成土母质和坡度因子进行分区分类,并在岩溶槽谷和非岩溶区内设定土壤酸化重点监测区,进行精准防治;(2)除了对酸雨的防控外,还应该重视诸如氮肥使用、工业和矿业活动等外源性因素对土壤的影响。
石灰土对硫酸型酸雨缓冲过程模拟及碳汇效应研究
赵光帅, 黄奇波, 朱义年, 李腾芳, 普政功
2022, 41(5): 796-807. doi: 10.11932/karst20220504
摘要:
硫酸型酸雨沉降至地表经石灰土缓冲后,参与碳酸盐岩溶蚀及对岩溶碳汇的影响尚不明确,严重制约了我国岩溶碳汇效应的准确评估。本研究通过设置不同土层厚度条件下pH 4.5的硫酸型酸雨淋滤实验,以明确石灰土对硫酸型酸雨的缓冲过程及关键控制因素。结果表明:石灰土对酸雨的缓冲作用主要发生在表层(10 cm),淋出液中Ca2+、Mg2+ ${\rm{HCO}}_3^{-}$ 含量在淋溶初期均表现快速降低,当淋溶量(土壤水达饱和后)为1 020 mL时Ca2+、Mg2+ ${\rm{HCO}}_{{3}}^{-}$ 淋失量趋于稳定,稳定淋失量分别为20 mg·L−1、6 mg·L−1、40 mg·L−1。淋出液中被酸雨H+交换出的Ca2+、Mg2+仅占很小一部分,土壤水溶性Ca2+、Mg2+是淋出液中Ca2+、Mg2+的主要部分,开放系统中,大气和土壤CO2溶于降雨形成H2CO3不仅增加碳汇,且H2CO3解离产生的H+交换土壤中交换态Ca2+、Mg2+,造成Ca2+、Mg2+的淋失量不容忽视。不同厚度石灰土中交换性钙镁可缓冲酸雨容量均大于土壤碳酸钙矿物可缓冲容量,前者是后者的1.17~1.59倍。相同酸度、同一降雨量(土壤水达饱和后)下土壤盐基离子参与酸雨缓冲产生的碳汇量约为碳酸盐矿物风化缓冲产生碳汇量的2.1倍,不同厚度(≥10 cm)石灰土产生的碳汇量大致相等。根据本次实验及桂林市降雨数据计算,桂林市质纯石灰岩风化残积土壤区(土层厚度≥10 cm),土壤盐基离子参与酸雨缓冲每年可产生0.59 ~0.93 mol·m−2的碳汇通量。
古岩溶油气储层研究进展
张宇, 赵伦, 李长海, 张祥忠
2022, 41(5): 808-824. doi: 10.11932/karst202204y10
摘要:
古岩溶对可溶性岩石的改造作用表现为形成溶蚀孔洞等储集空间,特别是对于碳酸盐岩地层,古岩溶发育会极大地改善了地层的储集性能,形成具有良好孔渗性的岩溶储层。作为碳酸盐岩地层中重要储层类型之一,岩溶储层的发育与分布对于碳酸盐岩油气藏的形成具有重要意义。文章系统地总结了前人在不同类型岩溶储层以及断溶体等方面的研究成果,并对古岩溶油气储层研究的最新进展进行了梳理归纳,这对于认识我国含油气盆地中岩溶储层的发育与分布具有重要参考价值。总结认为古岩溶油气储层研究主要存在以下问题:(1)早成岩岩溶储层研究实例较少,且利用测井、地震资料对该类型储层的分布进行预测缺少相应实践;(2)表生岩溶储层的研究主要集中于古地貌恢复以及垂向分带方面。但目前的古地貌恢复方法,均具有一定的局限性,无法对古地貌实现定量恢复。垂向分带的方案众多,尚未形成一个统一的分类方案,且在垂向上带与带之间的界线不明确,无法进行准确地划分;(3)埋藏岩溶储层的研究主要集中在硫酸盐热还原作用以及热液溶蚀方面,对于受有机酸影响的埋藏岩溶储层缺少相应的研究;(4)断溶体的识别、刻画与预测主要依赖于地震资料,受地震资料分辨率影响显著;(5)岩溶储层发育的影响因素众多,仅靠单一地质或者地震资料无法实现对岩溶储层的精准预测。
岩溶地下工程地质环境影响区范围划定初步研究——以深圳市龙岗区基坑降水为例
吴晟堂, 蒋小珍, 马骁, 汤振
2022, 41(5): 825-837. doi: 10.11932/karst20220511
摘要:
在大量建设城市地下轨道交通及城市更新工程的背景之下,我国城市岩溶地质灾害日趋严重。文章以深圳市3个岩溶地面塌陷事件为例,开展岩溶地下工程地质环境影响区的划定研究。首先运用高频岩溶地下水气压力监测技术对工程影响实际范围进行监测分析,然后结合工程施工参数、岩溶塌陷主要影响因素与水文地质试验参数,采用定性分析和量化计算的综合研究方法,推导出岩溶地下工程地质环境影响范围理论计算经验公式。结果表明:岩溶地下工程影响范围主要与渗透系数、工程深度成正比,与土层厚度成反比,推导的半定量理论公式适用于岩溶承压水条件下,可快速为缺乏地下水监测资料的岩溶地区地下工程安全建设及城市防灾减灾工作提供依据。
广西环江凹陷深部岩溶缝洞充填物碳氧同位素特征及古环境意义
董红琪, 张庆玉, 梁嘉鹏, 淡永, 梁彬, 聂国权, 季少聪
2022, 41(5): 838-846, 837. doi: 10.11932/karst20220512
摘要:
深部岩溶是碳酸盐岩地区深部油气资源勘探中不可避免的问题。深部岩溶发育期次的确定是岩溶储层地质的技术难题。广西环江凹陷在页岩气钻井中发现大量深部溶洞且充填物丰富多样,成为深部岩溶发育期次研究的良好素材。文章对HD1-4钻井揭露的深部岩溶缝洞充填物及地表岩溶缝洞充填物进行碳氧同位素分析,揭示出环江地区的4种不同岩溶环境:同生期或准同生期岩溶环境、表生期大气淡水岩溶环境、中浅埋藏岩溶环境、深埋藏或热液岩溶环境,环江地区深部岩溶发育为4期不同岩溶环境叠加的效果,主要受到热液岩溶环境和大气淡水岩溶环境的影响。