Characterization of rock thermophysical properties and factors affecting thermal conductivity−A case study of Datong Basin,China

Rock thermal physical properties play a crucial role in understanding deep thermal conditions,modeling the thermal structure of the lithosphere,and discovering the evolutionary history of sedimentary basins.Recent advancements in geothermal exploration,particularly the identification of high-temperature geothermal resources in Datong Basin,Shanxi,China,have opened new possibilities.This study aims to characterize the thermal properties of rocks and explore factors influencing thermal conductivity in basins hosting high-temperature geothermal resources.A total of 70 groups of rock samples were collected from outcrops in and around Datong Basin,Shanxi Province.Thermal property tests were carried out to analyze the rock properties,and the influencing factors of thermal conductivity were studied through experiments at different temperature and water-filled states.The results indicate that the thermal conductivity of rocks in Datong,Shanxi Province,typically ranges from 0.690 W/(m·K)to 6.460 W/(m·K),the thermal diffusion coefficient ranges from 0.441 mm^(2)/s to 2.023 mm^(2)/s,and the specific heat capacity of the rocks ranges from 0.569 KJ/(kg·℃)to 1.117 KJ/(kg·°C).Experimental results reveal the impact of temperature and water saturation on the thermal conductivity of the rock.The thermal conductivity decreases with increasing temperature and rises with high water saturation.A temperature correction formula for the thermal conductivity of different lithologies in the area is proposed through linear fitting.The findings from this study provide essential parameters for the assessment and prediction,development,and utilization of geothermal resources in the region and other basins with typical high-temperature geothermal resource.

Major Geochemical Controls on Fluoride Enrichment in Groundwater: A Case Study at Datong Basin,Northern China

Hydrogeochemical investigations were carried out in the Datong Basin, northern China to understand the sources and mechanisms of fluoride enrichment in the groundwater. The re- sults indicate that fluoride concentrations reached up to 7.2 mg/L, and the hydrochemical type changed from Ca-HCO3, Ca-Mg-HCO3 water in the recharge areas to Na-HCO3, Na-Mg-HCO3 in the flow-through area and ultimately to Na-CI-HCO3, Na-SO4-CI and Na-CI in the discharge areas. The to- tal fluorine contents in the soils ranged between 277.6 and 1 292.5 mg/kg, which can provide large amounts of fluorine from fluorine-bearing minerals, such as fluorite, biotite and amphibole. The con- centration of water-soluble fluorine ranged from 3.9 to 49.9 mg/kg （mostly less than 1% of the total fluorine） in the soils and rocks that, may have released sufficient fluorine into the groundwater. The results of PHREEQC simulations indicate that most of the analyzed samples are under-saturated with respect to fluorite （CaFz） from the recharge area to the discharge area. The fluctuation of F concentra- tion in the 11 months indicates that the seasonal variation and the agricultural activity also affect the fluoride content in the groundwater. Fluoride enrichment in groundwater is predominantly controlled by fluorite solubility, residence time, evapotranspiration intensity and seasonal variation in this arid and semi-arid area.

Monitoring and Modeling the Effects of Groundwater Flow on Arsenic Transport in Datong Basin

Although arsenic-contaminated groundwater in the Datong Basin has been studied for more than 10 years, little has been known about the complex patterns of solute transport in the aquifer systems. Field monitoring and transient 3D unsaturated groundwater flow modeling studies were car- ried out on the riparian zone of the Sanggan River at the Datong Basin, northern China, to better un- derstand the effects of groundwater flow on As mobilization and transport. The results indicate that ir- rigation is the primary factor in determining the groundwater flow paths. Irrigation can not only in- crease groundwater level and reduce horizontal groundwater velocity and thereby accelerate vertical and horizontal groundwater exchange among sand, silt and clay formations, but also change the HS concentration, redox conditions of the shallow groundwater. Results of net groundwater flux estimation suggest that vertical infiltration is likely the primary control of As transport in the vadose zone, while horizontal water exchange is dominant in controlling As migration within the sand aquifers. Recharge water, including irrigation return water and flushed saltwater, travels downward from the ground surface to the aquifer and then nearly horizontally across the sand aquifer. The maximum value of As enriched in the riparian zone is roughly estimated to be 1 706.2 mg.d-1 for a horizontal water exchange of 8.98 m3.d-1 close to the river and an As concentration of 190 μg.L-1.

大同盆地地下水中铀的成因机制及其健康风险评价

查明地下水中铀(U)的分布特征、富集机制及对不同人群的暴露风险,为干旱-半干旱地区地下水资源保护和可持续利用提供数据支持。综合利用Shukarev分类法、热力学计算、水文地球化学数值模拟和人类健康风险评估(HRA)等方法,分析了大同盆地地下水和地表水中U污染分布特征和形态分布,解释了地下水中U的形成机制,评估了U污染对不同人群的暴露风险。结果表明,地下水TDS分布范围较大,为27.60~4034.00 mg/L,其中浅层地下水(Ⅰ区)整体上TDS较高,为338.00~4034.00 mg/L(平均1371.80 mg/L),U含量为0~2.44 mg/L(平均0.26 mg/L),超标率为71.74%,与TOC、NO_(3)^(-)和SO_(4)^(2-)浓度垂向分布一致,随着埋深深度增加,整体浓度呈现变小趋势。氧化还原条件、络合、吸附和蒸发浓缩作用是控制研究区地下水中U浓度和形态分布的机制,其中微生物参与下的还原作用是制约地下水中U浓度的关键。此外,铀酰离子(UO_(2)^(2+))与碳酸盐配体形成易于迁移的UO_(2)(CO_(3))22-和UO_(2)(CO_(3))_(3)^(4-)稳定络合物,也是影响地下水中U迁移的因素之一。人类健康风险结果表明,地下水和地表水的非致癌风险排序为儿童>青年人>成年人,地表水和Ⅰ区地下水的非致癌风险超标率最大(100%)。

超采区浅层地下水数值模拟及预测分析

超采区的地下水变化趋势分析对于区域水资源可持续管理具有重要意义。本文以大同盆地浅层地下水超采区为研究对象,分析了含水层结构和地下水的补给、径流、排泄条件,明确了潜水含水层为影响地下水变化的主要区域。基于GMS与MODFLOW软件,建立了大同盆地潜水含水层各向同性非均质二维非稳定流模型,利用实测地下水流场对模型进行了验证,开展了未来不同场景条件下地下水位预测模拟与分析。结果表明,大同盆地2010—2019年平均地下水开采量(6.0861亿m^(3))大于2001—2016年平均地下水补给量(5.6254亿m^(3)),地下水位下降趋势明显。若地下水开采量下降至2019年开采量的85%,至2035年平均地下水位可回升11.6 m,恢复速度约0.68 m a;若综合考虑未来水源替换工程,至2035年地下水位可显著回升,恢复速率可达1.4 m a。本文研究成果可为大同盆地地下水管控提供科学依据,同时对于我国北方类似地下水超采区的水资源管理和评价具有一定参考价值。

The S to P convert wave from the bottom of sediment basin in the near-field seismic records

From the near-field records of aftershock of Datong earthquakes in October 1989 and March 1991,an extra phase between P and S arrivals is found. High-precision epicenter location shows that some of these records are obtained with the incidental angle less than the critical angle. This excludes the possibility that the extra wave phase is a refractive wave from ground surface. Particle motion analysis shows that the characteristic of the extra wave is similar to that of wave, so it is possible that the extra phase is an S to P convert wave from the bottom of sediment basin. Suppose a low velocity layer covers a high velocity basement. Successful simulation by the synthetic seismogram confirms that the extra phase is an S-P convert wave from the interface of the basin bottom. Modifying the depth of interface at each ray path to match the waveform, we obtain an interface distribution in space. In this way, a brief bottom image could be shown, and the Datong basin has a 'V' shaped bottom.

大同盆地土壤盐碱化特征及地质成因研究

大同盆地作为中国北方重要的农业产区之一,长期以来受到土壤盐碱化问题的困扰。盐碱化对土壤质量、农作物生长和生态环境产生了严重影响,给当地的农业生产和可持续发展带来了巨大挑战(鲁佳等,2020)。因此,深入研究大同盆地盐碱化的形成机制和影响因素,探索有效的防治和治理措施,对于保护生态环境、提高土地利用效率具有重要意义(冯云格等,2020)。

青藏高原大通河流域径流变化归因分析

大通河流域地处青藏高原东北部边缘,生态环境敏感脆弱,开展变化环境下水资源演变、归因研究对保护区域水生态环境,保障水生态文明建设具有十分重要的意义。采用线性倾向估计、集中度、集中期、有序聚类检验、小波分析等统计方法,分析了流域径流的年际变化、年内分配、周期和突变变化特征,基于累积量斜率变化率法和双累积曲线定量评估了气候因素和人类活动对径流变化的影响。结果表明:(1)近60 a大通河流域气候暖湿化明显,年平均气温、降水量、潜在蒸发量增幅分别为0.42℃·(10a)~(-1)和8.9 mm·(10a)~(-1)、5.6 mm·(10a)~(-1),年径流呈减少趋势,倾向率0.67×108m3·(10a)~(-1)。(2)径流集中度和不均匀系数呈微弱下降趋势,枯季径流增加趋势明显,年内分配更趋于均匀,集中期有推迟趋势,延迟速率为3.0 d·(10a)~(-1)。(3)年径流在44 a左右尺度上周期震荡明显,突变发生在1990年,突变后径流量减少3.52×108m3,流域冰川分布呈减小趋势,植被覆盖无显著变化。(4)气候、人类活动对大通河径流减少的贡献率分别为~(-1)7.7%和117.7%,降水量是流域来水的主要补给来源,跨流域调水是引起径流减小的主要驱动因素。

A Preliminary Study on the Datong Fault Belt

The Datong fault belt is a NE trending fault in the northern Qinghai-Xizang (Tibet) Plateau and controls the boundary of the Xining Basin and Datong Basin. It consists of the Maziying-Miaogou (F_1) fault and the Laoye Mountain-Nanmenxia fault (F_2). There is obvious displacement in vertical direction along the belt. The field investigation results show that this belt has long-term activity. There are several meters long crushed zones and veins along the fault side in the basement rock. On the fault section,the Cambria system thrusts over the red-brick-colored Quaternary Period gravel,and there is a fault gouge of several centimeters thick developed on the fault plane. The fault gouge date (ESR) on the fault plane is 610±61ka. The covering deluvial loess is not dislocated,and the OSL result is 14.6±1.5ka. So it can be concluded that the fault belt was active in the middle Pleistocene,but inactive in the late Pleistocene according to the age data and geomorphologic features. Interior formations of the Datong basin features fold with the major axis orienting northwest. According to the relation of fault and fold deformation,Datong fault is a transversal tear,which is due to uneven compression of the folds in different parts and NNE trending regional compressive stress. It is common among the NE trending faults in the northeast of Qinghai-Xizang (Tibet) Plateau. These NE trending faults aren't large,and most are located in the active plate. They are all nearly vertical to the axis of the folds and compressive basins.

基于土壤侵蚀方程的大通湖流域吸附态氮磷负荷估算

【目的】大通湖的水质长期处于Ⅲ类及以下,其主要超标污染物为总氮和总磷,通过估算大通湖流域吸附态氮、磷污染负荷,为大通湖地区水污染治理和水环境保护提供科学依据。【方法】该研究采用修正通用土壤侵蚀方程,耦合吸附态氮、磷污染负荷模型估算研究区的吸附态氮、磷污染负荷,重点分析大通湖流域吸附态氮、磷污染的空间分布特征。【结果】模型计算结果表明:2020年,大通湖流域土壤侵蚀总量为4804.8 t,平均土壤侵蚀模数为5.20 t/(km^(2)·a),吸附态氮、磷的负荷量分别为4.943、2.098 t,对流域内各土地利用类型按吸附态氮、磷污染负荷模数由大到小排序依次为:林地、耕地、建设用地;按行政区域划分,茅草街、青树嘴、乌嘴乡、明山头和河坝镇吸附态氮、磷污染较为严重;按流域划分,五七运河流域、苏河流域、大新河流域、大通湖西入湖区以及草阳渠片区氮、磷污染负荷较大。【结论】大通湖流域土壤侵蚀强度以微度侵蚀为主,耕地是吸附态氮、磷的主要流失来源,对于吸附态氮、磷流失较大的区域,可以按照源头减量、过程拦截、末端治理的思路进行治理。同时适当调整农业种植结构、改进耕作方式、完善水土保持措施,减少土壤流失量,降低吸附态氮、磷污染物对水体的直接影响。

阳高—天镇地区高温地热系统形成机制及资源开发前景研究

“双碳”背景下,山西省持续深入推进清洁能源发展,2020年3月在大同天镇县水桶寺村附近探获高温高压地热流体。为探究大同阳高—天镇地区高温地热系统及成因机制,选择阳高孤山村—平山村一带20 km^(2)的范围作为重点研究区,采用地质调查、地球物理、钻探、测井等手段查明研究区地热赋存条件和规律。研究结果表明:(1)阳高—天镇地区的地热资源主要赋存于太古界变质岩及断裂带含水岩组中,直接热源可能为中上地壳未冷却的岩浆囊,盖层为第四系堆积物、新近系和古近系砂砾石层。(2)该地区高温地热系统为对流、传导型地热系统:一方面大气降水、地表水经孔隙渗透作用及断层裂隙通道下渗至热储位置受热形成热水,随后沿断裂通道对流上升至浅地表出露成温泉;另一方面新生代以来持续的伸展拉张环境,导致软流圈上涌,上地幔部分熔融形成的基性玄武岩浆经深部断裂通道上升至中上地壳形成多个岩浆囊,热量通过断裂或高热导率值的太古界变质岩传递至浅地表形成地热异常。(3)YG-1井抽水试验结果显示,该地区水热型地热资源以静储量为主,开发利用应考虑采用无干扰换热技术。综合分析区域地质条件,结合物探、钻探成果,认为该地区深部可能存在干热岩型地热资源,有待进一步查证。

山西大同盆地北部地热地质特征及资源潜力

【研究目的】大同盆地为新生代断陷盆地,具有较优越的地热地质条件,但由于盆内地球物理和钻探资料较少,针对盆地结构、沉积地层分布、地热地质特征和资源评价研究相对薄弱,在一定程度上制约了对大同盆地地热资源的潜力认识和开发利用。【研究方法】本文综合应用新的二维地震及钻测井等油气和地热勘探资料,开展了大同盆地北部地质结构、断裂、沉积地层、地热地质特征等研究,评价了地热资源潜力,估算了地热资源量,指出了地热资源有利区。【研究结果】将大同盆地划分为怀仁凹陷、桑干河凹陷、应县凹陷和黄花梁低凸起、桑干河西凸起5个二级构造单元;盆地北部(大同市境内)具有较好的地热地质条件及地热资源潜力,主要发育新近系砂岩和太古界基岩两套热储层,并发育较厚的第四纪热盖层,新生代拉张作用和火山活动强烈,总体处于大地热流高值区,具备新近系砂岩和太古界基岩层状地热资源潜力,总静态资源量约68.8×10^(15)kJ,折合标煤约23.47亿t。【结论】综合评价认为大同盆地怀仁凹陷西部和桑干河凹陷北部为水热型地热资源一类区,是地热勘探开发有利目标区,热储埋深大于2000 m,预测平均水温大于60℃,单井涌水量可达60 m^(3)/h,怀仁凹陷东北部和桑干河凹陷西南部为地热资源二类区,黄花梁低凸起和桑干河西凸起区地热资源相对较差。

大通河流域生态流量确定及预警方案研究

生态流量是维护河流生态健康和功能的重要基础和保障。以大通河流域青石嘴站、天堂站、连城站、享堂站的长序列径流资料作为基础数据,采用基流比例法、Tennant法、最枯月平均流量多年平均值法、90%保证率法和7Q10法计算大通河流域生态流量,同时研究流域生态流量预警方案和预警流量控制指标。结果表明:基流比例法计算结果更具全面性和合理性,可以反映各年际各时段的流域生态流量;大通河流域生态流量的流量范围为多年平均流量的11%~35%,相应的青石嘴站、天堂站、连城站和享堂站的生态流量分别为5.57~17.73 m^(3)/s、8.68~27.61 m^(3)/s、9.08~28.88 m^(3)/s和9.39~29.89 m^(3)/s,经过保障度分析,各水文站全年生态流量保障度达到90%;依据确定的生态流量,将生态预警划分为蓝色预警、橙色预警、红色预警3个等级,并制定预警方案,该方案可以提高流量监测的可靠性和准确性,优化水库调度,维护生态环境健康。

内湖流域水环境综合治理与可持续发展试点研究——以湖南省大通湖流域为例

湖南省大通湖水体流动性差,生态环境较为脆弱,早期受到化肥养鱼以及污水直排等问题影响,水环境逐渐恶化。2018—2020年,大通湖开展了首批流域水环境综合治理与可持续发展试点工作,取得积极成效。对大通湖流域首批试点工作实施路径及成果进行了分析总结,针对目前总磷存量过多、农业面源污染、人居环境较差等问题,提出流域控源减污、优化农业产业结构、整治乡村人居环境、构建治理长效机制等对策和建议,为其他内湖流域推进水环境综合治理与可持续发展提供实践参考。

面向供水对象转型的引大入秦工程水资源优化配置研究

引大入秦工程(以下简称引大工程)建成初期主要以秦王川农业供水为主,但随着兰州新区的建设发展,其供水对象开始向城市生活用水和工业用水转型,如何实现有限水资源的合理配置是目前研究的重点问题。基于此,依据引大工程供水区(以下简称引大供水区)可持续发展要求,构建以实现经济、社会、生态效益最大化为目标函数,可供水量、输水能力、用户需水量、排水系统排水量与变量非负为约束条件的多目标水资源优化配置模型,使用遗传算法进行求解。结果表明:2025年引大供水区不同用水部门配水量(保证率P=50%、P=75%)分别为生活用水8323.85×10^(4)、8322.49×10^(4)m^(3),农业用水15001.95×10^(4)、15631.53×10^(4)m^(3),工业用水11111.00×10^(4)、11100.00×10^(4)m^(3),生态用水946.88×10^(4)、947.02×10^(4)m^(3),各部门总配水量与优化前供水量4.23×10^(8) m^(3)相比,达到供需平衡;2030年引大供水区不同用水部门配水量(保证率P=50%、P=75%)分别为生活用水12650.51×10^(4)、12666.53×10^(4)m^(3),农业用水16397.77×10^(4)、17019.70×10^(4)m^(3),工业用水20498.00×10^(4)、20508.00×10^(4)m^(3),生态用水948.00×10^(4)、948.88×10^(4)m^(3),不同保证率下各部门总体缺水率分别为12.27%、13.38%。2025—2030年引大供水区的非农业用水结构将大幅提升,农业灌溉用水量降低。研究结果可为引大供水区优化水资源配置决策提供参考依据。

青海大通河流域北山林区青杄林经营模式和技术

本文通过对青海大通河流域北山林区青杄(Picea wilsonii)林群落系统的调查,综述了北山林区青杄林区概况、现状和经营技术模式选择,并提出健康经营模式和改进技术措施。这为提高青海大通河流域青杄林的经营水平和经营效益提供借鉴和建议。

黄河流域碳生态安全水平空间格局与动态演进

[目的]分析中国重要的“能源流域”黄河流域的碳生态安全水平空间差异与动态演进,客观反映黄河流域碳生态安全现状及其演变趋势,为碳生态安全格局优化提供参考。[方法]在驱动力—压力—状态—影响—响应(DPSIR)分析框架下构建黄河流域碳生态安全评价指标体系,借助逼近于理想解的排序方法(TOPSIS)评估碳生态安全水平并运用核密度估计法分析时空演变特征。[结果](1)2012—2021年黄河流域碳汇量和碳排放量逐年增加,碳排放量增长速度快于碳汇量。从空间范围看,碳汇量具有“西高东低”的特点,而碳排放量呈“西低东高”的特征。(2)黄河流域碳生态安全水平逐年提升,由2012的0.356增长到2021年的0.639。在空间分布上,上游地区碳生态安全水平高于中、下游地区,呈现出“上游领先,中游追赶,下游超越”的特征。此外,碳生态安全等级均趋于良好。(3)基于核密度估计结果,黄河流域区域间碳安全水平差异逐渐缩小,且上游区域内碳生态安全水平差异性下降快于中、下游地区。[结论]基于黄河流域碳生态安全现状,建议上游地区继续增强碳汇能力,中、下游地区发展附加值高的技术密集型和清洁能源产业,推动GDP绿色增长。此外,应建立碳生态补偿机制,协调解决跨区域碳生态安全问题,提升全流域碳生态安全水平。

大通县宝库河流域湿地生态系统野生动物资源现状调查

采用样线法、样点法和访问调查法,对大通县宝库河流域湿地生态系统的野生动物资源进行了调查与分析。共记录野生动物5纲20目42科74属97种,其中鸟类70种,占青海省鸟类总数的17.5%;鸟类记录中国家一级保护动物3种,国家二级保护动物10种。兽类4目10科21种,占青海省陆栖兽类的19.41%;两栖爬行类3种,鱼类4种。通过对流域内野生动物区系和分布型的研究发现,兽类和鸟类均以古北界成分为主。本调查结果可为科学研究当地物种多样性和野生动物资源保护提供一定的参考。

大同盆地砷、氟中毒地方病生态地球化学研究

山西大同盆地属干冷荒漠景观条件的半封闭型断陷盆地。区内有害元素的聚集导致氟中毒等多种地方病肆虐,20世纪90年代因开发和饮用深层地下水爆发了水砷中毒病。经地球化学调查发现:地下潜水高含F,超标1.3～12倍;深层承压地下水富As,砷含量超标2～20倍。砷中毒发病率与饮水中As3+/∑As比值呈正相关关系。盆地周边分布多层富含As和F的地层和火成岩体,处于富As、F的区域地球化学省内。由于大同盆地的不均匀沉降,在其边缘部分形成深凹陷带,含砷下渗地下水经有机碳质层的还原作用,使砷还原为三价,提高了地下水的毒性并滞留聚集。探讨了F、As富集和中毒的机理和生态地球化学危害评价,提出了治理和外围调查预测建议。

砂质辫状河岩相与构型特征——以山西大同盆地中侏罗统云冈组露头为例

砂质辫状河沉积具有极好的储集性能,是重要的油气储层。为了阐明砂质辫状河储层的岩相与构型特征,定量表征构型单元的几何属性和物性特征,采用露头实测、精细构型解释以及实验分析等方法对山西大同盆地中侏罗统云冈组砂质辫状河露头进行了系统研究,共识别出7种岩相类型和5种岩相组合。砂质辫状河中发育河道（CH）、心滩（CB）、边滩（PB）、废弃河道（ACH）及漫溢沉积（OF）5种典型构型单元,以河道和心滩构型单元为主,两者的累积分布频率高达78%。河道构型单元的厚度介于2.5-6.5 m,宽厚比约为25-30,平均孔隙度为7.1%。心滩构型单元的厚度介于2.5-7.0 m,宽厚比约为30-35,平均孔隙度为7.8%。同一沉积时期,砂质辫状河中存在4种基本构型单元组合,分别为CH-OF,CH/ACH-PB,CH-CB-CH和CH/ACH-PB-OF。不同沉积时期的构型单元空间分布可表示为4种基本组合类型及河道构型单元在垂向和横向的重复或叠加。河道和心滩构型单元为砂质辫状河的主要储层类型,但心滩构型单元的规模和储层物性优于河道构型单元。