林效賓,王志明,郝偉林,劉武生
GMS軟件在二連盆地賽漢高畢地區(qū)古河道砂巖型鈾礦床水文地質(zhì)條件研究中的應(yīng)用
林效賓,王志明,郝偉林,劉武生
(核工業(yè)北京地質(zhì)研究院,中核集團(tuán)鈾資源勘查與評(píng)價(jià)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100029)
應(yīng)用目前最流行的地下水動(dòng)力模擬軟件之一GMS,以二連盆地賽漢高畢地區(qū)為研究區(qū)建立地下水?dāng)?shù)值模型。通過(guò)建立地層模型、流場(chǎng)正向示蹤、流場(chǎng)反向示蹤等,得出了流經(jīng)礦體地下水的補(bǔ)-徑-排條件等信息,認(rèn)為地下水?dāng)?shù)值模擬在古河道砂巖型鈾礦床成礦水文地質(zhì)條件研究中具有良好的應(yīng)用前景。
GMS;地下水?dāng)?shù)值模擬;古河道砂巖型鈾礦床;賽漢高畢地區(qū)
地下水的 “補(bǔ)-徑-排”體系是水成鈾礦床成礦的重要條件之一,對(duì)于古河道(谷)砂巖型鈾礦床亦是如此,且其范圍更具體,可變因素更多,只有追蹤進(jìn)入古河道的滲入水,到流出古河道的滲出水這一全過(guò)程,才能把握方向,找準(zhǔn)位置[1-2]。所以弄清楚古河道水動(dòng)力循環(huán)機(jī)制尤為重要。而地下水?dāng)?shù)值模擬方法因能較好地反映復(fù)雜地質(zhì)條件下地下水流狀態(tài),且具有較高仿真度,在地下水研究中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。目前地下水模擬及相關(guān)軟件已達(dá)數(shù)百個(gè),國(guó)際流行的地下水模擬軟件主要有 GMS、Visual Modflow、Visual Groundwater等,這些軟件被廣泛應(yīng)用于地下水環(huán)境評(píng)價(jià)、水資源評(píng)價(jià)等領(lǐng)域,但在砂巖型鈾礦水文地質(zhì)條件研究中鮮有報(bào)道,僅魏云杰曾介紹了Visual Modflow模型應(yīng)用潛力[3]。針對(duì)以上思路,筆者主要進(jìn)行一些試探性研究,嘗試?yán)勉@孔及水文地質(zhì)資料通過(guò)地下水動(dòng)力模擬軟件GMS研究賽漢高畢地區(qū)的現(xiàn)代水動(dòng)力機(jī)制,進(jìn)而反演成礦期間的水動(dòng)力條件,探索其在古河道(谷)砂巖型鈾礦床中的應(yīng)用效果。
GMS是地下水模擬系統(tǒng)(Groundwater Modeling System) 的簡(jiǎn)稱(chēng), 它由 Modflow、Modpath、 MT3D、 Femwater、 SEEP2D、SEAM3D、Pest、Map、Borehole Data、TINS(Triang Mated Irregular Nets)、Solid等模塊組成??蛇M(jìn)行地下水流三維有限差分?jǐn)?shù)值模擬、溶質(zhì)運(yùn)移模擬、反應(yīng)運(yùn)移模擬;建立三維地層實(shí)體,進(jìn)行鉆孔數(shù)據(jù)管理、二維(三維)地質(zhì)統(tǒng)計(jì);可視化和打印二維(三維)模擬結(jié)果[4-5]。
研究中主要應(yīng)用GMS鉆孔數(shù)據(jù)管理及其他輔助模塊,構(gòu)建地層三維實(shí)體模型,將其轉(zhuǎn)化為Modflow模型后,再利用Modflow模塊及Modpath模塊賦值及計(jì)算功能進(jìn)行地下水動(dòng)力特征的模擬。
賽漢高畢地區(qū)行政隸屬內(nèi)蒙古蘇尼特左旗賽漢高畢蘇木的寶力格嘎查,位于二連盆地烏蘭察布坳陷東北部,夾持于巴音寶力格隆起與蘇尼特隆起之間。二連盆地大地構(gòu)造位置屬于蒙古-興安裂谷系中部,是中生代后期在海西褶皺基底和侏羅紀(jì)殘留盆地基礎(chǔ)上,經(jīng)正向斷層強(qiáng)烈拉伸、裂陷而形成的中、小型盆地群的組合。自早-中侏羅世以來(lái)共經(jīng)歷了伸展(早-中侏羅世)、構(gòu)造反轉(zhuǎn)(晚侏羅世)、強(qiáng)烈伸展(早白堊世)、抬升反轉(zhuǎn)(晚白堊世以來(lái))4個(gè)階段[6]。尤其是晚白堊世以來(lái),二連地區(qū)處于一種穩(wěn)定、持續(xù)性的調(diào)整時(shí)期,主要表現(xiàn)為內(nèi)部無(wú)差異性構(gòu)造運(yùn)動(dòng),沉積作用微弱,也可以說(shuō)作為中生代的盆地已經(jīng)處于靜止和死亡狀態(tài),新生代亦無(wú)成盆歷史[7]。
區(qū)內(nèi)地層主要發(fā)育有下白堊統(tǒng)巴彥花群騰格爾組(K1bt)、下白堊統(tǒng)巴彥花群賽漢組(K1bs),上白堊統(tǒng)二連組(K2e);古近系伊爾丁曼哈組(E2y)、古近系呼爾井組(E3h);新近系通古爾組(N1t)、新近系寶格達(dá)烏拉組(N2b)和第四系等。
賽漢高畢地區(qū)共有兩片鈾礦產(chǎn)地,分別是曼德林礦化地段和威仁礦化地段。
曼德林地段氧化作用既具有垂向潛水氧化作用,又具有側(cè)向?qū)娱g氧化作用。該地段鈾礦化產(chǎn)于賽漢組非典型辮狀河相的心灘砂體中,礦體受發(fā)育在該組中的潛水-層間氧化帶控制。潛水-層間氧化帶形狀主要受控于塔木欽隱伏巖體,平行于塔木欽隱伏巖體發(fā)育;也受控于河道北岸次級(jí)河道的空間展布形態(tài),其發(fā)育寬度受控于賽漢組原生巖石還原能力和含氧水氧化強(qiáng)度,其形態(tài)和寬度受控于目的層砂體的透水性等因素。
威仁地段位于賽漢高畢古河道中游,鈾礦體產(chǎn)于通古爾組曲流河相的邊灘砂體中,受發(fā)育在該組中的潛水-層間氧化帶控制,礦化帶呈NE向展布。該地段潛水-層間氧化帶形狀主要受控于南部塔木欽隱伏巖體,其發(fā)育寬度受控于通古爾組原生巖石還原能力和含氧水氧化強(qiáng)度,形成的礦卷形狀和寬度受控于目的層砂體的透水性等因素。
3.1 邊界條件確定
如圖1所示,選定二連盆地賽漢高畢地區(qū)巴音寶力格隆起與蘇尼特隆起之間的區(qū)域?yàn)橹饕M區(qū)。北西(AB)邊界和南東(CD)邊界分別沿賽漢高畢蘇木基巖出露區(qū)及蘇尼特隆起北緣劃定,設(shè)置為隔水邊界;西南(AD)邊界、東北(BC)邊界大致沿地下水流線(xiàn)方向布置,概化為零通量邊界。
3.2 地層結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建
圖1 模擬邊界范圍示意圖Fig.1 Schematic diagram of simulation boundary
以模擬區(qū)內(nèi)均勻分布的9個(gè)鉆孔(圖1)資料作為基礎(chǔ),構(gòu)建地層結(jié)構(gòu)模型。在構(gòu)建結(jié)構(gòu)模型之前需要對(duì)鉆孔資料進(jìn)行相應(yīng)的簡(jiǎn)化:將該區(qū)地層劃分為新近系、古近系始新統(tǒng)伊爾丁曼哈組、白堊系巴彥花群賽漢組(含部分二連組)和前賽漢組4個(gè)層組;每個(gè)層組又劃分為泥巖(含粉砂巖)、砂巖(包括細(xì)砂巖、中砂巖、砂巖)、礫巖3種巖性。在構(gòu)建模型時(shí),由于GMS作為一種工具,模擬復(fù)雜的地層結(jié)構(gòu)時(shí)存有一定的缺陷,通過(guò)軟件得出的剖面是根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)差值計(jì)算自動(dòng)充填的,其結(jié)果和實(shí)際的地層分布相差較大,需要結(jié)合古河道中的砂體變化、次造山活動(dòng)和頂?shù)装甯羲缘荣Y料,用發(fā)展和變化的觀點(diǎn),綜合判斷,手動(dòng)修改自動(dòng)填充的剖面,使其與實(shí)際相符。通過(guò)GMS軟件建立的巖性結(jié)構(gòu)三維模型如圖2所示。
圖2 賽漢高畢地區(qū)巖性結(jié)構(gòu)三維圖Fig.2 The 3D graph of lithologic structure in Saihangaobiarea
3.3 參數(shù)輸入及模型運(yùn)行
根據(jù)賽漢高畢地區(qū)多年平均降水量,將模型降水量設(shè)為0.000 4m·d-1;蒸發(fā)量根據(jù)模型校正結(jié)果確定,最后定為0.001 m·d-1。參考《水文地質(zhì)手冊(cè)》(第二版)[8]數(shù)據(jù),將泥巖的滲透系數(shù)定為0.01 m·d-1,砂巖的滲透系數(shù)定為5.0m·d-1,礫巖的滲透系數(shù)定為15.0m·d-1,各巖性水平滲透系數(shù)與垂直滲透系數(shù)之比(Kh/Kv)均設(shè)為3。把初定的參數(shù)代入模型進(jìn)行計(jì)算,將觀測(cè)孔計(jì)算水位與實(shí)測(cè)水位進(jìn)行比較,然后不斷調(diào)整各項(xiàng)參數(shù)值和邊界條件,直到兩者誤差達(dá)到允許范圍便可認(rèn)為模型計(jì)算成功。
4.1 地下水流場(chǎng)
鈾礦化富集是一個(gè)長(zhǎng)期復(fù)雜的過(guò)程,水動(dòng)力循環(huán)機(jī)制是含氧含鈾水得以源源不斷地卸載、富集鈾的必備條件。該區(qū)河流相砂體作為地下水運(yùn)移通道和富集場(chǎng)所,與盆地構(gòu)造—沉積演化等條件一起決定著地下水的“補(bǔ)-徑-排”機(jī)制。由計(jì)算得出的地下水現(xiàn)代動(dòng)力場(chǎng)(圖3)結(jié)合構(gòu)造-巖性條件可知,地下水從盆地蝕源區(qū)或局部隆起區(qū)補(bǔ)給后,從SW向NE以沿河道緩坡側(cè)幫滲入氧化為主,其他方向滲入氧化為輔;沿著頂?shù)装鍨椴煌杆鄮r夾層的透水砂巖層徑流,經(jīng)與砂巖中的還原物質(zhì)交換反應(yīng),使鈾還原沉淀并富集;排泄以河道北坡側(cè)幫為主,低洼匯水蒸發(fā)排泄為輔。鈾礦體主要沿著地下水動(dòng)力條件變異(水頭顯著減?。┑牟课划a(chǎn)出。
圖3 賽漢高畢地區(qū)賽漢組水頭等值線(xiàn)圖Fig.3 Contour map ofwater head of Saihan formation in Saihangaobiarea
4.2 礦段地下水反向示蹤
將示蹤水質(zhì)點(diǎn)定義在礦體分布區(qū),利用軟件自帶Modpath模塊向后反演經(jīng)過(guò)礦體的地下水流線(xiàn),可追溯地下水補(bǔ)給區(qū),從而能確定地下水補(bǔ)給來(lái)源(鈾源)和補(bǔ)給通道等。
曼德林地段礦化體地下水流場(chǎng)反向示蹤(圖4),地下水以側(cè)向?qū)娱g補(bǔ)給為主,補(bǔ)給區(qū)位于西南部,受塔木欽隱伏隆起影響較大;威仁地段礦化體地下水流場(chǎng)反向示蹤(圖5),地下水也主要以古河道南岸側(cè)向補(bǔ)給為主,補(bǔ)給區(qū)位于西南部,同時(shí)受塔木欽隱伏隆起影響,但不同于曼德林地段,威仁地段上部通古爾組含礦砂體與下部賽漢組含礦砂體之間存在明顯的垂向水力聯(lián)系,兩礦體成礦機(jī)理存在某種關(guān)系,上部礦體的形成可能是下部礦體遭受破壞后重新遷移再富集而成。
圖4 曼德林地段礦體水動(dòng)力場(chǎng)反演流線(xiàn)圖Fig.4 Flow line graph of hydrodynam ic inversion modeling for ore body in M andelin section
圖5 威仁地段礦體水動(dòng)力場(chǎng)反演流線(xiàn)圖Fig.5 Flow line graph of hydrodynam ic inversion modeling for ore body in W eiren section
4.3 礦段地下水正向示蹤
與反向示蹤原理相同,將示蹤水質(zhì)點(diǎn)定義在礦體分布區(qū),利用軟件自帶Modpath模塊可向前示蹤水質(zhì)點(diǎn)滲流至排泄區(qū),為水文地質(zhì)條件研究提供依據(jù)。
將賽漢高畢地段礦化段水流正向示蹤結(jié)果與潛水鈾異常圖進(jìn)行疊合對(duì)比(圖6),可以看出示蹤終點(diǎn)與異常區(qū)存在一定的重合關(guān)系。在區(qū)域鈾成礦或水文地球化學(xué)找礦研究中,由于地表放射性異常水體來(lái)源往往不易確定,給預(yù)測(cè)區(qū)圈定帶來(lái)了困難,而我們完全可以利用上述示蹤終點(diǎn)與異常區(qū)存在重合關(guān)系的特點(diǎn),通過(guò)潛水鈾異常區(qū)流場(chǎng)的反向示蹤技術(shù),結(jié)合水動(dòng)力場(chǎng)變化情況預(yù)測(cè)深部有利的成礦區(qū)域。
圖6 賽漢高畢地區(qū)含礦砂體正向示蹤流線(xiàn)平面圖Fig.6 Flow line planar graph of hydrodynam ic forward modeling for ore body in Saihangaobiarea
1)賽漢高畢地區(qū)地下水從SW向NE以沿河道側(cè)幫滲入氧化為主,其他方向滲入氧化為輔,礦體主要沿水頭顯著減小的部位產(chǎn)出;
2)地下水流場(chǎng)反向示蹤結(jié)果:曼德林地段與威仁地段水流均以古河道南岸側(cè)向?qū)娱g補(bǔ)給為主,且受塔木欽隱伏隆起影響較大;威仁地段上部通古爾組含礦砂體與下部賽漢組含礦砂體存在明顯的垂直水力聯(lián)系,上部礦體的形成可能是下部礦體遭受破壞后重新遷移再富集的結(jié)果;
3)賽漢高畢地區(qū)兩個(gè)礦化段水流正向示蹤終點(diǎn),與潛水水化學(xué)異常區(qū)存在很好的重合,利用此現(xiàn)象,有望通過(guò)反演潛水鈾異常區(qū)地下水流場(chǎng),預(yù)測(cè)深部有利成礦區(qū)域。
GMS軟件在鈾成礦水文地質(zhì)條件研究中,除了能建立地層三維結(jié)構(gòu)模型、模擬流場(chǎng)外,理論上還可應(yīng)用于礦體三維展布、層間氧化帶三維展布、計(jì)算水交替強(qiáng)度等方面,如果與先進(jìn)的水文地球化學(xué)模擬軟件相結(jié)合,還可對(duì)鈾成礦水文地質(zhì)條件做出綜合預(yù)測(cè)。綜上所述,GMS軟件在砂巖型鈾礦床研究中具備良好的應(yīng)用潛力。
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App lication of GMS software in the study on hydrogeological condition of paleochannel sandstone type uranium deposit in Saihangaobiarea of Erlian basin
LIN Xiaobin,WANG Zhiming,HAOWeilin,LIUWusheng
(CNNC Key Laboratory of Uranium Resource Exploration and Evaluation Technology,Beijing Research Institute of Uranium Geology,Beijing 100029,China)
The popular groundwater simulation software GMS is applicated to establish the groundwater flow model in Saihangaobi study area of Erlian basin.Through building stratigraphic model and flow tracer,conditions of groundwater recharge,the runoff and discharge condition of the case deposit were obtained which presented good application effect of groundwater numerical simulation for the hydrogeological condition study on paleochannel sandstone type uranium deposit.
GMS;groundwater numerical simulation;paleochannel sandstone type uranium deposit;Saihangaobiarea
P641;P619.14
A
1672-0636(2015)01-0019-05
10.3969/j.issn.1672-0636.2015.01.004
2014-03-07;
2014-10-14
林效賓(1984—),男,山東菏澤人,工程師,主要從事鈾礦水文地質(zhì)工作。
E-mail:linbin58@126.com