任双坡(博士研究生), 姚光庆等 资源学院构造与油气资源教育部重点实验室 Journal of Hydrology, 2018, Borehole characterization of hydraulic properties and groundwater flow in a crystalline fractured aquifer of a headwater mountain watershed, Laramie Range, Wyoming

2018年，国际著名期刊《Journal of Hydrology》刊发了我校关于美国西部怀俄明州拉勒米地区山区裂缝性花岗岩地下水系统综合表征的研究成果。论文第一作者为资源学院2015级博士研究生任双坡。该研究成果来源于资源学院姚光庆教授科研团队与美国怀俄明大学地质系Ye Zhang教授合作项目。论文第一作者赴美国怀俄明大学联合培养期间受到学校“研究生国际交流基金”资助。

已有的研究表明山区流域的裂缝性结晶岩地下蓄水层是世界淡水供应的重要组成部分。在美国西部，由山区流域提供的地下水和地表水能够满足6000多万人口的用水需求。在全球范围内的多个区域，尤其是像印度以及非洲这些干旱-半干旱地区，裂缝性结晶岩地下蓄水层几乎是当地居民唯一的饮用水水源。目前看来，人们对于大多数山区环境中的地下水储存和流动的了解还十分有限。山区流域的地下蓄水层主要以火成岩或者变质岩为载体，其特点是地形崎岖粗糙，这对水文地质勘探工作造成了很大困难。此外，由于山脉的稀疏分布，如何选择合理的位置空间进行布井也是一个难题，也直接导致山地流域地下水监测数据变得非常稀缺。针对该问题，本项研究对美国西部怀俄明州拉勒米地区Blair Wallis裂缝性花岗岩地下水研究井场进行了综合表征，研究手段涉及露头分析、岩心观察、测井解释、单井水位长期监测以及多种单井水力测试实验。该研究在对单井水力传导系数精细测试的基础上定量估算了地下水在裂缝中的流速，揭示了Blair Wallis研究区拥有可观的地下水储量。

Blair Wallis裂缝性花岗岩水文学研究井场地处美国怀俄明州拉勒米山脉Crow Creek流域内，位于怀俄明州拉勒米东南约21公里处，井区海拔大约在2400米到2600米之间，是美国西部乃至全美都难得的理想山区地下水研究区。研究区位于前寒武系形成的一套花岗岩储层中，其主要矿物组成为微斜长石、斜长石、石英、黑云母、角闪石和钛铁矿。野外露头观察发现该地区裂缝广泛发育。过去10年里，Crow Creek SNOTEL监测站记录的数据显示Blair Wallis研究区每年接收的降水量大约为620mm，其中90%的供给量来源于降雪。

FLUTe liner profiling测试结果显示单井水力传导系数范围在10⁻⁸–10⁻⁵ m/s之间，并且随地层深度减小，同裂缝发育强度基本保持一致。在原地条件下，综合利用井下成像测井数据和井下流量计测试数据对单井裂缝发育条数进行了详细、准确的厘定，并在此基础上估算出裂缝开度，从而预测出裂缝孔隙度以及地下水储量。进一步研究发现通过微水试验计算的裂缝开度和FLUTe liner profiling测得的裂缝平均开度非常接近。长期水位监测数据表明研究区范围内水力梯度整体变化幅度较小（约为0.03-0.05），年平均水力梯度约为0.04。依据达西定律计算的裂缝平均线性流速为0.4-81m/day，意味着裂缝为地下水提供了高速导流通道。该研究成果对于认识山区裂缝性花岗岩地下水资源储量、地下水流动具有重要意义。

论文信息：

Title: Borehole characterization of hydraulic properties and groundwater flow in a crystalline fractured aquifer of a headwater mountain watershed, Laramie Range, Wyoming

Authors: Shuangpo Ren, Samuel Gragg, Ye Zhang, Bradley J. Carr, Guangqing Yao

Source: Journal of Hydrology, Volume 561, Pages 780-795

DOI: 10.1016/j.jhydrol.2018.04.048

Published: June 2018

全文链接：https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2018.04.048