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【中国科学报】动静结合,把脉地球之水——解密水文地质科研利器
2015-07-22 | 作者:转自:中国科学报 | 【 】【打印】【关闭
文章来源:中国科学报 王晨绯 李捷    发布时间:2015-07-20  

   

  博山野外测量工作照片

   

  手摇式测温工作场景

   

  自动式连续测温仪在工作

   

  现代化的测温车

  水是生命之源。水文地质工作者的主要工作就是与地球上的水打交道,为他们“看病开方”。随着时代变迁与科技进步,水文地质工作者使用的工具也在不断变革,帮助科研工作者解决越来越多的问题。

  “总的来说,这些野外科考的科研利器可以分为移动式与固定式两类,可谓‘动静结合’。移动式主要包括地质工作传统的‘三大件’(锤子、罗盘、放大镜),GPS,水质多参数分析仪等常用的便携式工具;固定式主要包括野外长期监测站点以及卫星上配备的仪器设备等。”中科院地球与地质物理研究所研究员庞忠和告诉《中国科学报》记者。

  刚从四川进行水文地质科考回到实验室,庞忠和就投入到紧张的后续工作中,他向记者介绍了他的“宝贝”们。

  水文气象研究: 

    大气降水同位素监测网络 

  对于搞水文地质的科学家来说,监测站就是他们工作的第一线。庞忠和常去的大气降水同位素监测站点,通常配备有降水采集器、温度湿度记录仪等设备,可以开展月累积降水、单次降水甚至单次降水过程连续取样,并同步记录温度、湿度等相关气象参数。

  庞忠和向记者介绍说,大气降水是水循环的输入项,大气降水中的稳定同位素18O和2H是研究大气过程和示踪水汽来源、追踪地下水起源,和指示气候变化和重建古气候的重要工具。对降水中的氘氧同位素进行系统监测将有助于明确全球及局地水循环机制和大气环流模式。

  “降水取样最重要的是防止样品收集过程中的蒸发影响,特别对收集时间较长的降水取样。”为减少或避免蒸发,科学家们通常采用一些特殊而巧妙的措施,比如在储水瓶内装入至少2毫米厚的液态石蜡或矿物油,或者在承水口放置一个乒乓球等。

  温度、湿度等气象参数对于降水同位素分析也是必不可少的。在中科院地质地球所大气降水同位素观测站,设有U23-001温度湿度记录仪,内置温度和可更换的相对湿度探头,具备-40°C ~70°C温度量程和0~100%RH湿度量程,可对温度、相对湿度情况进行实时监测。测量数据利用BASE-U-4光学USB基座快速读取使用。同时该站配有RG3-M自动雨量计,该仪器为自动记录、电池供电、自带数据采集器的翻斗式雨量记录仪,其分辨率为0.2mm,精度±1.0%(20mm/hr时)。

  山区基岩找水: 

    地球物理与地球化学探测仪器相结合 

  基岩山区找水是一个水文地质难题。受山东珑山集团委托,庞忠和课题组曾在2012年为山东省淄博市池上镇的花岗岩分布区找水。

  “利用电磁场的频率域特性进行电阻率测深的电磁测深方法,可以有效地反映地下介质电阻率分布的信息。”庞忠和课题组成员王光杰向记者介绍道。

  目前,中国的科学家们常用勘探仪器包括加拿大凤凰地球物理公司生产的V8网络化多功能电法仪,美国Zonge公司生产的GDP32II多功能电法工作站,德国Metronix公司生产的GSM-07综合电磁观测系统,以及国内自主研发的地面电磁探测SEP系统,中南工业大学生产的广域电磁发射机等。

  “由于电磁法解译的多解性,结合地质学、地球化学等方法,往往能够更精准地判断地下介质属性,多种方法结合也成为解译地下介质特征的一种新趋势。”王光杰说。

  在淄博池上镇的花岗岩分布区找水的过程中,庞忠和与同事们结合大量的野外地质调查工作,确定了区域内北西西向断裂为主要导水通道,北北东向断裂为阻水屏障,并依此布置了物探剖面线。他们利用先进的可控源大地电磁测深法相关仪器、测氡仪以及γ射线谱测量仪器等进行野外数据采集,结合地质资料进行综合分析,最终圈定井位。

  根据庞忠和他们确定的井位,当地成功打成两口水井单井出水量达20m3/小时。“水质很好,满足了当地的供水需求。”为此,山东珑山集团还专门来北京给他们送锦旗:“科技引领献水源,知识创新惠民众。”

  深层地下水精细研究: 

    钻孔双栓塞定深采样系统 

  “因为传统的地下水井取样通常只能取到多层含水层系统的混合样。而为取到不同层位、不同深度地下水代表性样品,定深取样器是必不可少的。”庞忠和说。

  这时,双栓塞系统就大显身手了。双栓塞水文地质试验系统由抽水、止水(充气囊及相应的充气设备)与井下水头(压力)、水温等的实时观测系统组成。

  他们利用双栓塞系统定深采样器在我国高放核废物预选场址——甘肃北山花岗岩体3号试验钻孔进行取样,首次采集到分别来自144.00~156.77,208.00~238.00,430.51~445.72 米这3个层段的代表性地下水样,并对其稳定同位素、氚含量、CFCs含量进行了分析,为评价高放核废物地质处置预选场址安全性,提供了科学依据。

  双栓塞水文地质试验系统在分层测定水文地质参数、分层抽水、分层取样、分层地下水自动监测等方面有广泛用途。

  地热资源研究: 

    从手摇式测温到自动式连续测温 

  近年来,地热资源研究也日益受到关注。地热勘探离不开钻孔测温,这种测温方式借助于测量钻井中水的温度获得地下岩石的温度,是研究区域温度场最直接的方法。

  由于在钻探过程中,天然温度场受到破坏,只有在钻探终止,井液循环停止之后,才会逐渐恢复。钻孔温度经过恢复与井液(围岩)温度达到平衡之后,所进行的测温称为稳态测温,能够反映实际的地温情况。

  庞忠和介绍说,当井深小于800 米时,他们通常采用自行组装的半导体热敏电阻测温仪进行单点测温,精度为0.1°C。近年来,他们已经利用这个方法在淮南煤田和苏北进行了地温测量工作,为防治矿山热害和寻找地热资源提供了依据。

  而当井深大于800米时,由于测温线缆重量和体积较大,他们便采用自动式连续测温仪进行井孔测温,并配备现代化的测温车。

  “这种连续测温仪为美国劳雷公司DS2000新型温度连续采集系统,配置铂电阻探头,测量分辨率为0.01°C,最大测温深度5000米,可以从井口到劲敌连续不间断测井,数据记录为每隔0.05米记录一个点。”庞忠和介绍说。他们利用该仪器在咸阳和雄县两个大型地热田开展了系统测温工作,获得了一批高质量地温数据,在地热资源成因研究和地热田开发利用方案制定中起到了重要作用。

  (原载于《中国科学报》 2015-07-20 第8版 平台)

 
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