高密度电法电性结构揭示天山天池堆积坝体厚度及其阻渗稳水功能分析

doi:10.19657/j.geoscience.1000-8527.2022.070

现代地质 ›› 2023, Vol. 37 ›› Issue (01): 31-39.DOI: 10.19657/j.geoscience.1000-8527.2022.070

高密度电法电性结构揭示天山天池堆积坝体厚度及其阻渗稳水功能分析

尚彦军¹^,²(), 金维浚¹(), 伊学涛¹^,², 姜东廷³, HASAN Muhammad¹

1.中国科学院地质与地球物理研究所页岩气与地质工程重点实验室, 北京 100029
2.中国科学院大学地球与行星科学学院, 北京 100049
3.新疆地质灾害防治重点实验室 (新疆工程学院),新疆乌鲁木齐 830023

收稿日期:2021-06-02 修回日期:2022-09-30 出版日期:2023-02-10 发布日期:2023-03-20
通讯作者: 金维浚,男,博士,副研究员,1963年出生,勘探地球物理专业,主要从事工程物探研究。Email: wjjin@mail.iggcas.ac.cn。
作者简介:尚彦军,男,博士,研究员,博士生导师,1967年出生,水文地质工程地质专业,主要从事岩体结构力学研究。Email: jun94@mail.iggcas.ac.cn。
基金资助:
科技部“第二次青藏高原综合科学考察研究”项目(2019QZKK0904);国家自然科学基金项目(41772320);地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室课题(SKLGP2017K021)

Dam Structure and Hydrogeological Conditions of Tianchi Lake in Tianshan Mountains: Perspectives from Electrical Resistivity Tomography and Accumulation Deposit Structure

SHANG Yanjun¹^,²(), JIN Weijun¹(), YI Xuetao¹^,², JIANG Dongting³, HASAN Muhammad¹

1. Key Laboratory of Shale Gas and Geoengineering, Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China
2. College of Earth and Planetary Sciences, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
3. Xinjiang Key Laboratory of Geohazard Prevention (Xinjiang Institute of Engineering), Urumqi, Xinjiang 830023, China

Received:2021-06-02 Revised:2022-09-30 Online:2023-02-10 Published:2023-03-20

摘要/Abstract

摘要：

天山天池北堆积坝体结构受其成因和演化控制,影响其含水和渗流特性。对该坝体稳定至关重要的下伏基岩埋深、坝体结构阻渗水结构特征等需现场探测并给出科学判断。在地质调查基础上采用高密度电法对天池堆积坝体结构进行探测,首次获得深达下伏基岩的堆积坝体纵向和横向电性剖面。结合光释光测年、水化学成分对比、水量平衡计算等手段,分析坝体堆积物形成时代以及坝体水文地质结构特征。结果显示:天池坝堆积体厚度大于100 m并可分为3层,上部浅表层滑坡形成的巨大块石层厚30~40 m且基本不含水,其下松散含水层厚度为30~50 m;下部为较低电阻率弱透水的冰碛物,主要分布在坝体下游和东端;底部为高电阻率不透水的石炭系火山岩。坝体中间部位地下水集中下渗补给了西小天池。同时靠坝体东侧发育排泄通道,呈现多处溢水点,控制了飞龙涧左岸下降泉季节性发育,同河谷冲刷作用一起影响并导致下游左岸冰碛物中发育4处滑坡体。电法剖面揭示出与坝体轴向近平行的2条隐伏断层,其中堆积坝高堤处气象台所在山丘上游一侧发育一条近东西走向并倾向上游的断层F1,构成地下水阻隔带而使天池堆积坝上游潜水水位呈现一定雍高,同坝体下伏基岩和弱透水冰碛物联合组成的坝体结构致使旱季天池水不会大量溢出,夏季丰水时浅表泉水渗漏,保证了天池水满而不溢、结构松而不垮。由此构建该堆积体内断层和地层结构组成的浅表导水模型,计算得出天池堆积体地下水排泄量约为1200 m³/d,天池总下泄水量为52×10⁴~113×10⁴ m³ /d(从冬季到夏季),维持了天池湖水动态稳定。

关键词: 天池, 坝体结构, 高密度电法, 电性结构, 阻渗水功能

Abstract:

The accumulation dam structure at the northern exit of Tianchi Lake in Tianshan Mountains is controlled by its origin and evolution, which affects its groundwater hosting and seepage characteristics. The bedrock burial depth and water diversion structure are crucial to the dam stability, which remains unresolved for many years. Based on geological survey, we used electrical resistivity tomography, optical luminescence dating and hydrochemical analysis to detect the structure of Tianchi Lake accumulation dam, and to determine the age of material formation and the hydrogeological features of the dam. The results show that the Tianchi accumulates are over 100 meter-thick, and the upper shallow massive boulder layer and lower aquifer is 30-40 meter and 30-50 meter thick, respectively, which was underlain by igneous rock complex. Groundwater in the middle part of the dam infiltrates intensively and replenishes the western Xiaotianchi Lake. There are many overflow points and discharge channels on the left bank of the Feilong Stream in the east, which control the seasonal occurrence of shallow spring there. An EW-striking fault (inclining to the upstream) is present beneath the hill of the meteorological station, which forms an aquitard in the Tianchi Lake and rises the phreatic water level. The major water diversion structure model (composed of fault and stratigraphic structure) in the accumulation body is preliminarily constructed. We calculated that the groundwater discharge of the Tianchi dam is 1200 m³/d, whilst the total water discharge is 52×10⁴-113×10⁴ m³/d (from winter to summer).

Key words: Tianchi Lake, accumulation dam structure, electrical resistivity tomography, electrical structure, impervious function

中图分类号:

P631

尚彦军, 金维浚, 伊学涛, 姜东廷, HASAN Muhammad. 高密度电法电性结构揭示天山天池堆积坝体厚度及其阻渗稳水功能分析[J]. 现代地质, 2023, 37(01): 31-39.

SHANG Yanjun, JIN Weijun, YI Xuetao, JIANG Dongting, HASAN Muhammad. Dam Structure and Hydrogeological Conditions of Tianchi Lake in Tianshan Mountains: Perspectives from Electrical Resistivity Tomography and Accumulation Deposit Structure[J]. Geoscience, 2023, 37(01): 31-39.

图/表 8

表1 天池场区岩土体电阻率数值范围

Table 1 Rock and soil resistivity range in the Tianchi Lake area

工作区岩石名称	电阻率/(Ω·m)
残坡积、强风化火山岩	10~200
断层破裂带火山岩	n×10²
冰碛层	1×10³~1×10⁴
火山岩	1×10⁵~1×10⁶

表2 不同排列方式选择准则 [22]

Table 2 Selection criteria for the different pole arrays [22]

排列方式		DP-DP	W-S	P-DP	P-P
主要准则	分辨率深度野外布置	最好差较好	一般差较好	较好较好一般	差好差
其它准则	信号自然噪声耦合噪声	差一般好	较好一般一般	一般一般一般	好差差
估计探测深度		0.2×L	0.2×L	0.35×L	0.9×L

图1 天池堆积坝物探线布设及滑坡分布平面图

Fig.1 Layout map of geophysical prospecting lines and landslide distribution at the Tianchi Lake dam

图2 天池堆积体上近SN向视电阻率剖面(黄色带顶端的蓝线为下伏基岩面,下同;两剖面最近两端点沿电瓶车路东西向平移36 m) (a)沿堆积体走向第二段(左端平台为加固中的冰碛物滑坡坡顶);(b) 沿堆积体走向第一段(右端南距天池湖岸约130 m)

Fig. 2 Near NS-trending resistivity profile on the Tianchi Lake accumulation dam (blue line at the top of yellow belt denotes the underlying bedrock surface, same below)

图3 沿西小天池坝体近EW走向视电阻率剖面(3-4)

Fig.3 EW-trending resistivity profile (3-4) near the western Xiaotianchi Lake dam

图4 天池堆积体近横(东西)向视电阻率剖面图(两剖面最近两端点南北向平移35 m) (a)横向西段剖面(5-6);(b)横向东段剖面(6’-7)

Fig.4 EW-trending resistivity profiles of Tianchi Lake accumulates

表3 冰碛物样品光释光年龄测试结果

Table 3 Dating results for the moraine samples

原始编号	埋深/m	含水率/%	U/10^-6	Th/10^-6	K/%	剂量率/(Gy/ka)	等效剂量/Gy	年龄/ka
YL62-01	0.5	7±5	1.07±0.02	1.36±0.02	0.42±0.01	0.96±0.03	样品中无石英和长石,无法测年
YL62-02	0.5	7±5	0.72±0.02	0.88±0.02	0.58±0.01	1.00±0.04	样品中无石英和长石,无法测年
YL63-01	4.0	17±5	2.32±0.02	10.21±0.15	2.00±0.01	3.60±0.19	41.82±1.21	11.63±0.69
YL63-02	4.0	13±5	2.34±0.02	9.88±0.12	1.85±0.02	3.58±0.19	39.80±1.60	11.12±0.74

图5 天池坝体堆积物地区的卫星影像图(底图据Google Earth 2011年夏季影像;断层F2下盘白色凝灰岩断面被称为“梳妆镜”)

Fig.5 Satellite image of accumulate composition of the Tianchi Lake Dam

参考文献 24

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排列方式		DP-DP	W-S	P-DP	P-P
主要准则	分辨率深度野外布置	最好差较好	一般差较好	较好较好一般	差好差
其它准则	信号自然噪声耦合噪声	差一般好	较好一般一般	一般一般一般	好差差
估计探测深度		0.2×L	0.2×L	0.35×L	0.9×L

排列方式		DP-DP	W-S	P-DP	P-P
主要准则	分辨率深度野外布置	最好差较好	一般差较好	较好较好一般	差好差
其它准则	信号自然噪声耦合噪声	差一般好	较好一般一般	一般一般一般	好差差
估计探测深度		0.2×L	0.2×L	0.35×L	0.9×L

高密度电法电性结构揭示天山天池堆积坝体厚度及其阻渗稳水功能分析

Dam Structure and Hydrogeological Conditions of Tianchi Lake in Tianshan Mountains: Perspectives from Electrical Resistivity Tomography and Accumulation Deposit Structure

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