1、鄂尔多斯白垩系盆地地下水系统研究第 36 卷第 3 期2006 年 5 月吉林大学(地球科学版)JournalofJilinUniversity(EarthScienceEdition)Vo1.36NO.3May2006鄂尔多斯白垩系盆地地下水系统研究侯光才,林学钰,苏小四,王晓勇,刘杰1.吉林大学水资源与环境研究所,环境与资源学院,教育部城市环境与可持续发展联合研究中心吉林大学分中心,长春 1300262.西安地质矿产研究所,西安 710054摘要:地下水系统研究是正确评价和合理开发利用区域地下水资源的基础 ,也是区域地下水资源规划的重要依据.在对鄂尔多斯盆地白垩系岩相古地理和含水介质空间展
2、布研究的基础上,应用区域地下水动力场,水文地球化学场和深井 Packer 系统所获得的不同深度的水位数据以及同位素资料,将白垩系地下水流系统概括为局部水流系统,中间水流系统和区域地下水流系统 3 种类型.以盆地中部的白于山地表分水岭为界,划分为南北 2 个地下水亚系统和 5 个分支系统,其中南部黄土高原地下水亚系统为典型的自流水盆地,而北部沙漠高原地下水亚系统则具有潜水盆地的特征.关键词:鄂尔多斯;白垩系自流水盆地;含水层系统;地下水系统中圈分类号:P641 文献标识码:A 文章编号:16715888(2006)03 0391 一 O8GroundwaterSysteminOrdosCreta
3、ceousArtisanBasin(CAB)HOUGuangcai,IINXue-yu,SUXiaosi,WANGXiaoyong.,LIUJie.1,InstituteofWaterResourcesandEnvironment,CollegeofEnvironmentandResources,JointResearchCenter(BranchofJilinUniversity)ofUrbanEnvironmentandSustainableDevelopment,MinistryofEducation,JilinUniversity,Changchun130026,China2,Inst
4、ituteofXianGeologicalResearch,xian710054.ChinaAbstract:Groundwatersystemstudyisanimportantbasetoassessregionalgroundwaterresourcesandtosetuptherationalgroundwaterdevelopmentpatterns.BasedonlithopaleogeographyoftheWflterbearingmediaanditsspatialdistributionofOrdosCretaceousartisanbasin(CAB)andthefeat
5、uresofregionalgroundwaterflowregime,hydrogeochemistryregimeandmonitoringdataaboutthegroundwaterlevelandisotopicanalysisatdifferentdepthsampledbyPackersamplingsysteminthedeepdrillingholes,theauthorshaveexploredthemaincharacteristicsofthegroundwatersystemsinCAB.ThegroundwaterflowsysteminCABcanbeclassi
6、fiedintothreetypes:localflowsystem,mediumflowsys-tamandregionalsystem.BorderedbythesurfacedivideofBaiyushanMountain,theCABcanbedividedintotwogroundwatersubsystemsandfivegroundwaterbranchsystems.Amongthem,thegroundwatersubsysteminloessplayainsouthCABischaracterizedbytypicalartisanbasinandthegroundwat
7、ersub-systemindesertplayainnorthCABistypicalofphreaticbasin.Keywords:0rdos;CretaceousArtisanBasin(CAB);water-bearingsystem;groundwatersystem收稿日期:200507 一,13基金项目:中国国土资源大调查项目(1212010331302);IAEA 技术合作项目(CRP/8/012017);教育部博士点基金项目(20030027020)作者简介:侯光才(1958 一),男,山东青州人,博士研究生,教授级高级工程师,主要从事水文地质研究工作,E-mail:xah
8、guangcaicgs.gov.cm通讯联系人:林学钰(1937 一),女.福建福州人,教授,博士生导师,院士,长期从事水资源,水文地质与环境地质研究,Tel:04318502595.E-mail:.吉林大学(地球科学版) 第 36 卷0 引言鄂尔多斯盆地是我国新兴的重要能源化工基地,由于盆地地处我国干旱一半干旱缺水地区,水资源短缺已成为制约区域经济社会发展和能源基地建设的主要因素1. 在鄂尔多斯盆地中西部地区分布有面积为 13.21lOkm 的白垩纪地层,它是由白垩系下统保安群(简称白垩系,下同)陆相碎屑岩构成的大型沉积盆地,其中未完全胶结的砂岩(含砾岩)是盆地内主要的含水层,与上覆局部分布
9、的新生界含水层构成了一个相对独立,地跨陕,甘,宁,蒙四省(区)的大型地下水盆地 (亦称白垩系自流水盆地),白垩系地下水是当地能源勘探开发和能源基地建设的主要供水水源.由于不同时期地质构造作用和沉积特征的差异,使盆地南北两侧的水文地质结构和地下水的形成条件存在着明显差异【3.本文从区域地下水动力场,水文地球化学场和同位素对水循环的示踪意义等出发,对鄂尔多斯白垩系地下水系统进行了研究.提出了含水层系统,地下水水流系统和地下水系统的初步划分方案,开展此项研究对于深入分析白垩系地下水的形成条件,揭示地下水的演化规律,进行区域地下水资源评价和规划具有重要的理论和实际意义.1 地下水系统概念地下水系统是水
10、文地质学的研究热点之一,迄今为止,学术界对“地下水系统 “的概念尚没有一个明确的定义和统一的认识.最早把地下水系统看作在时间和空间上具有四维性质,能量不断新陈代谢的有机整体.前苏联的 H.B.鲍柯夫斯卡娅指出:任何一个复杂系统可归纳为 3 个方面:系统的组成;系统的结构,它表征系统与周围介质的相互作用和系统内各要素的相互联系;系统的作用,性质和发育历史.据此,提出了与地下水系统概念相似的“ 水文地质系统“ 的概念 ,认为“水文地质系统是水圈中地下水部分的基本单位,它有三度空间体积,周围受自然条件的限制.“法国 G.卡斯塔尼认为:“地下水系统具有一定的时空特征及其水动力系统,并有以下几个综合特征
11、:具有连续范围(流域,盆地,建造);水与介质作用;水循环的连续性.“美国地质调查所水资源处拉尔夫?C?海斯指出【4:“地下水系统指的是从潜水面到岩石裂隙带底面的这一部分地壳,是地下水赋存和运动场所,由含水层和围闭层所组成.“并认为地下水系统具有以下 5 个特征:系统的组成要素,包括含水层,隔水层及其组合关系;主要含水空隙性质;主要含水层的岩性;主要含水层的储水与导水性;主要含水层的补排条件.我国水文地质工作者对地下水系统概念的认识也不一致.在中华人民共和国国家标准水文地质术语(GB/T1415793)6 中规定:“地下水系统(groundwatersystem)是具有水量,水质输入,运营和输出
12、的地下水基本单元及其组合.“中国科学院资深院士陈梦熊对地下水系统的概念进行了全面的概括和总结,并分别给出了含水层系统和地下水系统的概念及其区别.他认为:“含水层系统是一组具有固定边界,相互连通或具有水力联系的,同一时代或不同时代的若干含水岩组.地下水系统是一个错综复杂,包括各种天然因素,人为因素所控制的,具有不同等级的互相联系又互相影响,在时空分布上具有四维性质和各自特征,不断运动演化的若干独立单元的统一体“.这个统一体具有以下特点 :(1)地下水系统是由若干具有一定独立性又互相关联,互相影响的不同等级的亚系统或次系统所组成.(2)地下水系统是水文系统的一个组成部分,与降水和地表水系统存在密切
13、联系,互相转化;地下水系统的演化,很大程度上受地表水输入与输出系统的控制.(3)每个地下水系统都具有各自的特征与演变规律,包括各自的含水层系统,水循环系统,水动力系统,水化学系统.(4)含水层系统与地下水系统代表两种不同的概念,前者具有固定的边界,而后者的边界是自由可变的.(5)地下水系统的时空分布与演变规律,既受自然条件的控制,又受社会环境特别是人类活动的影响而发生变化.在上述各种观点中,以陈梦熊院士对地下水系统的概念及其特征的概括最为全面,所提出的地下水系统研究内容和方法最为详细和具体,无论从理论上还是在实际应用中都具有很好的指导意义.必须指出的是,由于研究对象不同,所处的水文地质条件各异
14、,在对某个特定的地下含水体进行地下水系统分析时,还应根据所要解决的主要问题灵活应用,突出重点,有的放矢,从而既能保持地下水系统划分的科学性,又能考虑到其实用性.第 3 期侯光才,等:鄂尔多斯白垩系盆地地下水系统研究 3932 含水层系统在以往工作中,前人将白垩系含水岩系划分为三大含水岩组7,自下而上分别为洛河含水岩组,环河含水岩组和罗汉洞含水岩组,这种划分方案尚不能有效地刻划和描述盆地内不同含水层的空间分布和内在的联系.笔者以陈梦熊院士给出的关于含水层系统的基本概念 c4为依据,将白垩系地下水盆地视为统一的含水层系统(一级系统),该系统西部以磴口一平凉断裂为界,东部以保安群与侏罗纪地层接触界线
15、为界,北部以河套南缘断裂为界,南部以保安群与侏罗纪地层接触界线(渭北山地南北分水岭)为界 ,平面形状似矩形,南北延伸 640km,东西宽 200265km,面积约为 13.21x10km.(图1).在此基础上,依据含水层的地层时代和它们在空间上的叠置关系划分为 3 个亚系统.再根据各含水层亚系统的岩相古地理组合1 门和岩性特征进一步划分为 7 个含水岩组(表 1).3 地下水流系统为了更好地描述白垩系地下水盆地内地下水流系统特征,通过对地下水形成演化分析,利用完全揭穿白垩系的最新勘探钻孔资料,尤其是利用深井Packer 系统所获得的不同深度水位,同位素和水化学分层资料,将白垩系地下水盆地南北两
16、侧东西向剖面地下水流系统划分为 3 种类型1,即为局部水流系统,中间水流系统和区域水流系统(图 2).3.1 局部水流系统局部水流系统是地下水径流交替最强烈的地图 l 白垩系地下水系统结构模式图Fig.1GroundwatersystempatterninCAB1.等水位线 f2.系统分区界线(地表分水岭)f3. 隔水边界;4.侧向补给边界;5.侧向排泄边界;6.地下径流方向;7.地下水系统代号带.在盆地的北部(白于山以北),局部水流系统是发生在梁(台)地与就近相对低洼地区(河谷洼地,湖沼洼地)之间的地下水的渗流运动,长期不涸竭,大小不等的湖(淖), 几乎都是局部水流系统的直接反表 l 鄂尔多
17、斯白垩系自流水盆地含水层系统划分TablelDivisionofaquifersysteminOrdosCretaceousArtisanBasin394 吉林大学(地球科学版)第 36 卷9l0lI50km 钻孔编号口.z 囵.日 4 日 s 圈 6 田矿悯 g,L)Ll 嚣孔深(m)图 2 苏贝淖一红庆河剖面水流系统示意图(据陕甘宁内蒙白垩系自流水盆地地下水资源评价报告修改)Fig.2SchematicdiagramofgroundwaterflowsystemintheprofileofSubeinao-Hongqinghe1.含水层;2.弱含水层;3.试段位置及编号;4.地下水位线及水
18、位;5.地下水流向;6. 水流系统界线;7.水流系统代号:I.区域水流系统;.中间水流系统;.局部水流系统映(图 2).局部水流系统的循环深度大致在 100m左右,它包括第四系潜水含水层系统和白垩系含水层系统(埋藏深度在 100m 以内),其特点是地下水交替强烈,更新能力强,水质最好,主要为近几十年以来的降雨补给形成的新水,是开发利用第四系潜水和白垩系罗汉洞组地下水的有利地段.地下水氚平均含量大于 IOTU,地下水的 HC 年龄为几十年到几百年,主体年龄小于 1000a1.在盆地南部( 白于山以南)黄土高原地下水系统,局部水流系统是发生在黄土地下水的一种渗流运动,地下水在塬,梁,峁地区接受大气
19、降水入渗补给后,向地形相对低洼的周边地区径流,以泉的形式泄于河谷之中,在每个塬,梁,峁均构成一个完整而相对独立的局部水流系统.3.2 中间水流系统相对局部水流系统而言,中间水流系统的影响范围广,深度大,是地下水的积极交替带,其水质一般较好,水量较丰富.在北部的沙漠高原地下水亚系统内,是开发利用白垩系环河含水岩组地下水的有利地段,区内主要的地表河流和较大的湖泊是中间水流系统地下水的排泄基准面,其循环深度大约300m 左右.地下水氚平均含量为 7TU_1,地下水的 HC 年龄介于几百年到几千年之间,主体年龄一般小于 10000a,并随着所处的区域位置和地下水的形成条件的变化而变化(图 3a).3.
20、3 区域地下水流系统地下水的径流交替十分缓慢,循环深度达到白垩系的底部边界,深度为 5001000m 不等.在北部沙漠高原地下水亚系统中,地下水的水质较好,TDS 一般小于 1g/L,地下水的 HC 年龄一般为1000020000a,为全新世以前降水补给形成.南部黄土高原地下水亚系统中,地下水的水质较差,TDS 一般为 13g/L,HC 年龄多介于 1000030000a(图 3b).4 鄂尔多斯盆地地下水系统根据地下水系统的定义和对白垩系含水层系统,地下水水流系统的认识,将白垩系地下水盆地视为一个相对独立而完整的地下水系统(一级系统),其分布范围与含水层系统的范围相一致.在系统内以中部的白于
21、山地表分水岭为界,南北两侧无论是含水层结构,还是地下水在补排方式,赋存规律,水化学特征等方面均存在着明显的差异性,构成了明显不同的两个次级地下水系统,故二级系统以区域地质构造和地下水的形成条件为依据,将白垩系自流水盆地划分为北部沙漠高原地下水亚系统和南部黄土高原地下水亚系统.第 3 期侯光才,等:鄂尔多斯白垩系盆地地下水系统研究 395l600l300l000700400l00l600l300l000量嫩 700400l00子午图 3 白垩系自流水盆地东西向水流系统剖面示意图Fig.3Schematicdiagramofgroundwaterflowsystemineast-westcross
22、sectionofCAB(a)盆地北部;(b)盆地南部;1 隔水基底;2 含水岩组界线;3.地下潜水位;4. 水流系统界线;5.地下水流线及流向;6.水流系统代号:I.区域水流系统;II 中问水流系统 ;m.局部水流系统;7.钻孔编号及深度三级地下水系统的划分主要考虑含水体之间是否有水力联系或是否有统一的水循环系统,水动力系统和水化学系统作为依据.在北部沙漠高原地下水亚系统内,地下水的流场主要受地形和水文系统等因素的控制,地下水流在天然势能差的作用下,由地势高的地区(地表分水岭)接受补给经过浅深循环和水平与垂直交替,最终向区域最低侵蚀基准面河流(湖泊 )排泄 .地下水的流向严格受地表水输出系统的控制,并基本与地表水的流向趋于一致,分别以都思兔河(西侧), 无定河一乌兰木伦河(东侧)和摩林河 (北侧)为地下水的归宿,因此,在北部沙漠高原地下水亚系统内以盐池一东胜和新召地表分水岭为界进一步划为 3 个分支系统(表 2).在南部黄土高原地下水系统内地下的流场不受地形控
