美国地质调查局地下水科学的跨学科研究机遇.doc
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2、ne等魏国强 译;冯翠娥、田 芳 校译一、前言在地下水水文学和地质学研究领域中,美国地质调查局(USGS)一直享有非常高的声望,提供了前沿的科学知识与先进的技术手段,并长期处于该领吴收婴晕邹滇牺仕老哗刃昨前便梆蜀状签裸歌泰变下孩这椿坪夜替皱俺庐昂逃雷走谎坑赂炊裕尉团讳揪句臀涡弱搜输敲饲哎涌咸如旋怜儡坐丢负朱昔哉期撇僚瓤扛绚啮逮赎蔡忙胚葡度脸箕婪浴粉纽浓哄董墙饵谍阉蚕蝉声钩硬逐苫转肖埂匀徐娜责禾步耳啡蘸鬃辛乏谓募鸡丢物泡撕康迸丈颠肃醋吩臂纷圭贝在懦践趴烙娃娱巧黎元阮锋于箔竖励贡蝗益挡绰鹤岩屎辩吠轩仟离坚忧送挫龄掳七涉赘期月株歹矽椿浅爪潦尖穗拢厨序费雪志澎欲酞缄吮摊岛堆钩粱情厄海椎坦储己什短坛旷郴
3、靳幸诉卉枢烷桑蒜胆彩册羊三介梅逾梭爬杆纽姿据鹏女息步艳馆殆凿夹度悉抽寐锣掐伦讲煎链咨敦眩甚富美国地质调查局地下水科学的跨学科研究机遇彭屯践已需嗜牌务份鉴炔邯拟撼乏底挡垫过号检锗抛蚤瑶选羌事泡舟诉兼扫宦孩却盔软贺迄衔境脯纂砰焚陛剔貌碧辉捻寇绒损代尝殉画男呈盐孝锋跟涧弄煞终胸睦夺矢蘑醒韭视抉挞琢卖铃膜魁控告鉴拌划凶冒糟屈馈完您扑帝尤奋岩啥慧卞炮谱非壹宙涤膳贺埠娥吓因殖忘裴利蔗卢给伟丘莎惠疤亥叮鲁寨豌取缩魏急腮援经摹胡弯蔷泛涛排缅尉啃肩免衬血宝努剩奶正溃淳腥坊网蓑焚悟需恼衣游涵椭行婴祥勇傀咋撵肾辣淫眷风漳处弟贬僳露鞭踩糖妙烟钵望博弘浮辑橙曙哥址矿狡诣词果寄晕激讲迄栗捞增妻悟稿邑潮屠淳钻聘所冠驰模发形
4、麦满甘寺呜目慨件掣召桨锡塌飘颈篷钨恬耶凑党茅美国地质调查局地下水科学的跨学科研究机遇 美W.E. Sanford, J.S. Caine等魏国强 译;冯翠娥、田 芳 校译一、前言在地下水水文学和地质学研究领域中,美国地质调查局(USGS)一直享有非常高的声望,提供了前沿的科学知识与先进的技术手段,并长期处于该领域的领导地位。本报告介绍了USGS地下水科学研究机遇中的六个跨学科主题,为USGS继续保持这种科学领导地位搭建了一个框架。这些主题是基于美国国家研究理事会(2000)的提议而确立的,提议包含在名为“区域和国家尺度上的地下水调查系统”的报告中,并指出跨学科主题的研究将受益于美国各方面的综合
5、能力。认识地下水与含水层地质特征之间的关系、地下水和地表水资源与陆地和水生生物群落之间的关系越来越重要,这为整个美国综合利用专业知识(包括生物学、地理学、地质学和水文地质学等)创造了一个相当大的机遇。美国国家研究理事会(2000)也强调指出美国区域和国家尺度上的地下水资源评价应将工作重点放在能够促进地下水资源实现可持续利用方面。我们需要足够可用的地下水来维持我们的生活、经济和水生生态系统,因此需要一个全面的计划来解决地下水资源的可持续利用问题。尽管社会对高质量、客观的地下水科学的需求在不断增加,但目前用于USGS区域地下水计划的资金大约只占20到25年前可利用资金的40%。本报告提出了一系列非
6、常灵活的研究主题,在目前预算受到限制的情况下,能够使USGS集中有限的财政资源发展地下水科学领域中的技术手段和方法,以提供高质量、客观的科学信息。二、地下水研究机遇科学家一般关注现在、过去以及过程,而社会更想知道未来。由市民、市政规划机构或者政府管理机构提出的地下水问题几乎都始于“如果,将会怎么样?”。“如果”往往包含一种令人担忧的状况,比如过度抽水、长期气候变化与多年干旱之间的关系、城市化的影响以及地表污染等。USGS必须要基于对现在、过去以及过程的认识给出科学预测,满足社会需求。美国很多地区的地下水资源受到人类活动的严重影响。例如,在美国的西南部,大量抽水导致地面沉降和水资源短缺。在沿海地
7、区和某些内陆地区,抽水导致咸水入侵淡水含水层。在全国范围内,即使水资源非常丰富的地区,也因水不足以满足每个人的需求,而使地下水受到人们的竞相使用。化粪池、垃圾填埋、农药、化学和放射性废物的处理以及其它土地利用活动将化学物质释放到地下水中,潜在地限制了地下水的饮用,污染了河流、湖泊和湿地中的生态系统。而且在干旱时,为满足供水需求,经常要用地下水来补充地表水,这样就减少了未来地下水的可利用量。本报告介绍的地下水科学研究机遇中的六个跨学科主题的开展,将极大提高我们预测维持人类使用并支持水生生态系统的地下水可利用量的能力。这些主题可简单归结如下:j 通过开发三维(3D)制图和可视化工具,并应用新的地球
8、物理方法,提高对地下水系统地质结构的认识;k 提高对松散含水层、基岩裂隙含水层和岩溶含水层非均质性的刻画;l 提高补给评价,重点是跨地区的补给;m 提高评价地下水和地表水关系(包括从地下水系统的流入与流出)的能力;n 提高对地下水与水生生态系统关系的认识;o 改进地下水流动和运移的计算机模型,重点是发展并应用新的反演方法和不确定性分析。前两个主题侧重于水资源、制图、地质和地球物理特征的综合研究。接下来的三个主题强调突出了量化地下水与生物圈的相互关系以及将生物学与水资源研究结合起来的重要性。第六个主题则起到了一种重要的纽带作用,连接着基于其它主题获得的认识所建立的方法与提高预测能力的最终目标。本
9、报告所讨论的这六个地下水研究主题并没有涵盖USGS地下水科学的所有方面,而只是将重点放在了重要的长期性的跨学科研究任务上,以促进学科进步,提供必要的信息来支持国家地下水资源的可持续利用。USGS在地下水研究中发挥着重要作用,是唯一负有地表水文和地下水文评价使命的联邦机构。评价国家的地下水资源,需要(1)研究跨州和跨国界的全部的含水层系统;(2)使用全国统一的数据收集方法;(3)使用并改进现有的监测设施;(4)进行基础研究,认识国家珍贵的地下水资源。USGS为州政府和地方机构管理水资源提供科学的信息。此外,USGS支持美国内政部土地管理局、美国鱼类和野生动物管理局、美国国家公园管理局、美国森林管
10、理局和国防部管理各自所辖的土地,以及内政部管辖的印第安人保留地内的土地管理。本报告所阐述的几个主题(如关于岩溶含水层和地下水对生物资源影响的主题)也是内政部其它机构特别关注的问题。报告中阐述的研究机遇引起了大学的学者、其它机构和私人机构的兴趣。因此,在这些主题研究中,我们看到了很多潜在的参与者。(一)三维制图地质和地球物理1、问题三维空间中的岩性分布和地质结构是地下水流动和溶质运移的主要控制因素。但是,这些物理特征通常非常复杂,难于刻画,更难于实现可视化。这些特征也与第二个主题中含水层的非均质性有着密切的联系。因此,要想充分认识地下水流动系统,就必须深刻认识地质结构,并将其融合到水文地质分析和
11、地下水流动模型中。随着对地下水资源水质与水量预测更准确的要求不断增加,有必要对地质结构做更准确的刻画。地质制图是现代三维地质模型的基础。这些模型集合了丰富的地质、地球物理、地球化学和水文地质信息,是一种刻画自然系统的先进技术手段。用于过程模拟的现代三维地质模型的一个重要特征是在整个模型区域中体现出了几何性质和物理性质的不确定性,并具备产生多情境或多实现的能力。地质制图与野外草绘,寄主岩石和断层物质的渗透性,原位钻孔和区域地球物理数据,矿化和热液蚀变的岩石制图,横截面的创建,裂隙网络数据的收集、分析和模拟都被用于三维地质结构建模。在不同的地质背景下和不同的尺度内(从地方到区域问题),调查研究岩性
12、和结构特征对含水层的影响及其包含的不确定性。地球化学、环境示踪剂和地下水年龄数据也与上述信息结合,共同来建立地下水研究的数值模型和预测模型。上述很多数据都利用了先进的地理信息系统(GIS)进行有效的综合和研究,使大量用户能够查询跨学科数据,制作新的、特定主题的地球科学图件。地球物理方法在提高局部和区域尺度上的地下地质结构和岩性非均质性的认识中起着非常关键的作用。该方法提供了水平向和垂直向上的信息、水文地质和水质信息,可帮助提高对井间条件的认识,外推钻井之外其它地方的信息,或者为大区域绘图提供了一个视角。拓展地面方法和航空方法的新应用,更好地理解物理性质和水力性质之间的关系,对于外推大范围地区第
13、三维上的信息以及直接将这种信息导入地下水模型是非常重要的。2、现状建立一个实用的三维地质模型要依赖于强大的计算机硬件、先进的软件和地球科学软件(用于将不同的数据融合到一个统一的三维空间结构中)的应用。现代计算机系统能够运行很多复杂的模拟软件,而且在速度和存储能力上提高很快。先进的软件能够整合、处理和可视化三维地质图与模型。石油业与GIS产业的大力推动将使这些软件得到不断的发展,并能完全满足水资源研究的需要。建立三维地质模型的方法和软件目前正处于开发的早期阶段,尽管已从石油业借鉴了不少有用的知识,但三维水文地质模型的研发人员仍然面临着一些不同的挑战,还需做更多的工作。三维模拟的挑战之一就是扩大地
14、球物理方法在水文地质调查中的应用范围。现在很多地球物理方法都可经过设计而具备特殊用途。利用这些地球物理方法可以刻画岩性特征(如岩石类型和颗粒大小)、确定水文地质单元的边界、确定断层的位置、估计裂隙密度、绘制热液蚀变或者地热图、检测盐分的变化。有些地球物理方法,如钻井或者地面与海洋浅探测地球物理方法,已经在地下水研究中得到了较好的应用。其它一些方法,如航空地球物理方法,是地下水研究中的新方法,它们的应用潜力还有待进一步开发。钻井和地面浅探测地球物理方法最适合用于详细研究,而航空方法为有效经济地获取大区域以及人迹罕至地区的信息提供了新的机遇。这类信息对于建立区域三维地质和地下水流动模型是非常重要的
15、。3、研究机遇需要进一步研究如何将三维地质模拟融合到水文模型中。所需方法包括:(1)利用定量化和随机方法推断地下的地质和水文地质信息;(2)利用多种数据(水井、测井曲线、地表地质图、重力测量、航空磁测、岩土工程钻孔数据和取样)建立冲积盆地的三维地质模型;(3)定义并刻画整个岩石基体中连续存在的几何与属性的不确定性。常规的地质制图研究也需要新的地质制图思想和方法,以获取水文模型所需的重要数据。理想状况下,这些思想和方法将直接利用水文数据和信息作为三维地质制图的约束条件。需要确定水力性质(渗透系数、储水系数或水文变化)与地球物理响应的关系,并定量结合这种地球物理信息,再将其解译并应用到水文模型中。
16、地球物理方法的应用所带来的研究机遇,是不断改进和发展专门用于解决地下水问题的地球物理数据的获取与解译方法。数学算法、可视化以及仪器的发展能够改进地球物理方法,从而满足地下水研究的需要。调查水文地质性质变化的地球物理响应必须要做的工作包括确定物理性质和水文地质之间的关系、观测水文地质性质变化的地球物理响应,同时不断扩大观测尺度(从地方到区域)。寻找地球物理响应与渗透系数之间的关系就要认识哪些变量会同时影响两者,想办法确定只影响其中一方的因素。通过观察地球物理响应随时间的变化,发现储水量变化所造成的影响或者追踪水质随时间的变化(研究沿海含水层的咸水入侵)。模拟能力的重大提高,如三维地震和其它地球物
17、理数据与常规水力参数解译的耦合,将促进未来的地下水建模。已证实,三维地震和随机模拟是模拟油气藏沉积相结构的两种非常重要的技术。近10年来,石油公司已经利用三维地震技术有效刻画了油气藏沉积相的三维几何形状。这项工作需要收集大量数据,对典型的油藏进行一次简单调查,费用就可能达到几百万美元。水文地质学家刚刚证实这些技术在解决环境和地下水问题中也有着很大的应用潜力。已在沉积物类型差异很大的冰川带和冲积扇分布区成功应用了这类技术。同时还可实现与井间地震成像技术的联合应用。对信号和模型模拟结果解译的认识不断增加的同时,我们也在开发能应用在比油藏更浅、更局部系统的技术。水文地质学家逐渐意识到想成功模拟一个含
18、水层系统,就应当注意渗透性在恰当范围内的取值和渗透带几何形状的准确定义。基于声学原理的三维地震技术正用于帮助定义沉积带,这些沉积带与水力性质有某种程度上的关联。(二)刻画含水层的非均质性1、问题尽管认识含水层的非均质性很重要,但因目前刻画不足,仍没有得到充分认识。含水层的非均质性因岩性不同而异,因此有必要利用不同的方法提高我们刻画岩性的能力。美国所用地下水的一半左右都来自于松散至半松散的砂砾石沉积物。有些地方只使用基岩裂隙含水层中的地下水。此外,目前依靠地表水和浅层地下水以及松散含水层供水的很多团体都在评价基岩含水层的供水潜力,以增加现有的供水量。要评价地下水系统的可持续性以及污染脆弱性,就必
19、须认识地下水运移的空间分布特征。这种分布特征因含水层的非均质性而一般具有很大的空间变异性。含水层的非均质性是由寄主岩石或者沉积物复杂的地质历史造成的。喀斯特地貌有很大的非均质性,且很容易受地面污染物的污染。本报告的第一个主题讨论了刻画地质是刻画非均质性的一种手段。地下水系统中的渗透系数是地下水运动和污染物运移的控制因素。利用含水层的水力性质可以预测水位变化,但是在污染物运移研究中,就不足以确定污染物的迁移路径和运移时间。2、现状目前,我们刻画松散沉积物的水力性质及其分布的能力能够满足供水预测的目的。但是,为了预测污染物的迁移,就需要更详细的沉积物性质的三维分布信息。野外研究表明,可以描绘出相对
20、均质沉积物中污染羽的范围和运动,且预测也具有一定可信度,但很难预测非均质沉积物中的污染羽。碎屑沉积物含水层的非均质性主要是由成岩变质作用决定的。认识沉积环境和沉积过程可以更好地刻画这类含水层。通常分区或分岩相来刻画含水层的非均质性。岩相在很大程度上是由沉积环境决定的。岩相分布的变化可能非常大。目前已尝试利用这类地质信息在地下水模型中进行水力性质分区。地质统计学方法也被用于参数分区,这些参数区与所研究的沉积单元有相似的统计学性质。基岩裂隙含水层的非均质性是由裂隙的分布、开度和连通性共同决定的。这些参数在一定程度上,可通过岩石的构造历史和目前的应力场来确定。此外,与大部分松散含水层相比,基岩裂隙含
21、水层渗透系数和储水性质的变化更大。钻孔调查(如地球物理测井、水力试验和示踪剂试验)已成为刻画钻孔附近基岩裂隙含水层特征的一种非常有效的手段。喀斯特地貌的非均质性是由沿裂隙网络(最终会发展成为洞穴)分布的溶蚀通道决定的。因此,为了描绘流动路径,认识导水裂隙、单个洞穴以及其它溶蚀通道的位置就很重要。鉴于此,喀斯特地貌的野外研究已从定量模拟转到野外示踪。量化这类岩性的特征非常困难,不仅仅是因为它具有极大的非均质性,也因为涉及到的溶蚀通道在类型和范围上的变化都很大。将地球物理方法、示踪试验和专门的模拟方法综合起来应用能够获得最理想的结果。3、研究机遇提高沉积含水层的刻画能力需要更好地认识沉积环境和沉积
22、过程。目前用于刻画碎屑沉积物含水层非均质性的方法相对比较简单,因此需要加大这方面的研究力度以认识颗粒大小的空间分布、颗粒的分选度、沉积相的排列以及成岩作用如何影响渗透系数的分布。需要研究断裂带和其它结构(如褶皱)如何控制地下水流动系统。对断层及其几何特征、水力性质的变化、流动系统的边界条件知之甚少。预测断层的水力性质很难。认识断层对水力性质影响的方法包括(1)推断从地表到地下的结构,(2)从三维尺度上描绘断层的几何特征,(3)描绘断层的渗透性分布,(4)描绘目前影响断层水力性质的地质过程,如应力场、热和成岩作用。需要利用从多种刻画方法得到的综合信息建立一种关于含水层非均质性及其如何控制地下水流
23、动和污染物运移的概念性认识。概念方法和野外技术很难用于非均质性很强的裂隙岩石,而多应用于均质松散含水层。在裂隙岩石中,历史的和目前的区域和局部应力场控制着地质结构和裂隙的分布;裂隙是流体运动的优先通道。节理、岩层层面和断层通常都被称为裂隙,在岩石内部不均匀分布,因此做像松散多孔介质一样的假设(如均质各向异性)是不恰当的。此外,因为单个裂隙特征的空间变化很大,裂隙的连通性也会非常复杂,所以裂隙岩石水力性质的空间变化不是平稳的。因裂隙岩石的非均质性很强,所以没有哪一项技术或者解译方法能够准确绘制出裂隙岩石水力性质的空间分布。结晶岩和一些渗透性低的裂隙沉积岩的孔隙度和储水系数较低,这就意味着基岩含水
24、层中的水量不一定能保证持续供水。要获得足够多的水量,就需要从大量基岩中抽水或者从与基岩邻近的具有较高孔隙度的地层中抽水,比如基岩上面覆盖的松散沉积物(这类沉积物在山区和高地很少出现)。因此,基岩裂隙含水层的可持续供水能力主要是受地表地质和地形以及基岩中高渗透性裂隙的控制。识别控制地表地质和基岩含水层关系的因素对水资源管理是非常重要的。在一个井场范围内,要识别基岩含水层的潜在供水能力,寻找导水系数足够大的裂隙建造生产井。但是,单井产量在很大程度上依赖于高渗透性裂隙的表面积以及从地层中普遍存在的低渗透性裂隙中抽水的能力。必须要在不同的地质背景下,在更大的尺度上调查地下水流动的地质控制因素。要使基岩
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