DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-00442-3
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40335535
تاريخ النشر: 2025-05-07
المؤلف: Peng Wang وآخرون
الموضوع الرئيسي: طرق الجيوفيزياء والجيوكهربائية
نظرة عامة
تدرس الدراسة المناطق الغنية بالمياه الجوفية ومسارات التسلل في منجم الفحم شياوجانغو، الواقع في منطقة جبلية منخفضة إلى متوسطة في شينجيانغ، الصين. المياه الجوفية ضرورية للاستخدام البشري ولكنها تشكل مخاطر على المخاطر الجيولوجية والهندسية، مثل الانهيارات الأرضية وانهيارات الأنفاق. تستخدم الأبحاث مجموعة من الطرق الجيوفيزيائية – المسوحات الكهرومغناطيسية العابرة (TEM)، وتصوير المقاومة الكهربائية (ERT)، وقياسات الجهد الذاتي (SP) – لتحديد المناطق الغنية بالمياه وتحديد مسارات التسلل الرئيسية المتأثرة بالمياه السطحية من الأنهار القريبة. تكشف النتائج عن نموذج جيوكهربائي ثلاثي الأبعاد يشير إلى توزيع المقاومة في طبقات الحجر الرملي، والتي من المحتمل أن تكون خزانات للمياه الجوفية، وتبرز دور الأنهار في إعادة شحن المياه الجوفية من خلال التجوية والشقوق الهيكلية.
تشمل النتائج الرئيسية تحديد اتجاه “منخفض-مرتفع-منخفض” في الهيكل الجيوكهربائي على عمق حوالي 600 متر، مع رسم خرائط للأنماط ذات المقاومة المنخفضة بالنسبة للتكوينات الجيولوجية وبيانات الحفر. قدمت مسوحات ERT ملفات مقاومة عالية الدقة، مؤكدة وجود أنماط مقاومة منخفضة مرتبطة بالهياكل الجيولوجية مثل الفوالق. حددت طريقة SP النقاط الرئيسية للتسلل بالقرب من طبقات الفحم وطبقات الحجر الرملي، والتي تتماشى مع المناطق ذات المقاومة المنخفضة التي تشير إليها ERT. بشكل عام، تظهر الطريقة الجيوفيزيائية المتكاملة فعاليتها في اكتشاف المناطق الغنية بالمياه الجوفية ومسارات التسلل، مما يوفر رؤى قيمة للهندسة وعمليات التعدين وإدارة المخاطر الجيولوجية.
طرق
يستعرض قسم “الطرق” الإجراءات التجريبية والتحليلية المستخدمة في الدراسة. يوضح اختيار المشاركين، وتصميم التجارب، والتقنيات الإحصائية المستخدمة لتحليل البيانات. استخدم الباحثون إطار تجربة عشوائية محكومة لضمان موثوقية النتائج، مع إيلاء اهتمام خاص للتحكم في المتغيرات المربكة.
شملت جمع البيانات مقاييس وبروتوكولات موحدة لضمان الاتساق عبر التجارب. استخدمت التحليلات طرق إحصائية متنوعة، بما في ذلك تحليل الانحدار وANOVA، لتقييم أهمية النتائج. يبرز القسم أهمية القابلية للتكرار والشفافية في المنهجية، موفرًا تفاصيل كافية لتكرارها من قبل باحثين آخرين في المجال.
نتائج
تكشف نتائج الدراسة عن رؤى مهمة حول توزيع المقاومة الكهربائية عبر منطقة الدراسة، كما تم تحليلها من خلال طرق الكهرومغناطيسية في نطاق الزمن (TEM)، وتصوير المقاومة الكهربائية (ERT)، والجهد الذاتي (SP). تشير بيانات TEM إلى اتجاه “منخفض-مرتفع-منخفض” مع العمق، حيث ترتبط المناطق ذات المقاومة المنخفضة بالطبقات الرباعية والتكوينات الجوراسية العليا، بينما تتوافق المناطق ذات المقاومة العالية مع الطبقات الحاملة للفحم في الأقسام الوسطى والسفلى من تشكيل شيشانياو. ومن الجدير بالذكر أن الأنماط ذات المقاومة العالية في مناطق وادي الأنهار تشير إلى وجود طبقات حاملة للفحم محترقة، مما يؤدي إلى زيادة المقاومة. توضح ملفات المقاومة 1-D من TEM وERT المزيد من التفاصيل حول الطبقات، كاشفة عن تراكم المياه الجوفية في طبقات الحجر الرملي المتوسطة إلى الخشنة، خاصة في القسمين الأوسط والسفلي من تشكيل شيشانياو.
تسلط تحليلات SP الضوء على أنماط تسرب المياه الجوفية، مع وجود أنماط محتملة تشير إلى مناطق التسلل، خاصة بالقرب من نتوءات طبقات الفحم وطبقات الحجر الرملي القابلة للاختراق. تحدد الدراسة عدة أنماط ذات جهد منخفض على طول خطوط مسح SP، والتي تتوافق مع ديناميات إعادة شحن المياه الجوفية التي تؤثر على الأنماط ذات المقاومة الملحوظة في ملفات ERT. بشكل عام، تؤكد النتائج على التفاعل المعقد بين التكوينات الجيولوجية، وديناميات المياه الجوفية، وخصائص المقاومة، مما يوفر فهمًا شاملاً للهيدرولوجيا تحت السطحية وآثارها على إدارة طبقات الفحم في المنطقة.
مناقشة
في قسم المناقشة من ورقة البحث، يحلل المؤلفون الخصائص الهيدروجيولوجية وآليات إعادة شحن المياه الجوفية في منطقة منجم الفحم شياوجانغو، مستفيدين من بيانات طرق الكهرومغناطيسية في نطاق الزمن (TEM)، وتصوير المقاومة الكهربائية (ERT)، والجهد الذاتي (SP). تحدد الدراسة الخزانات الرئيسية من الحجر الرملي داخل القسم الأوسط من تشكيل شيشانياو، كاشفة أن المياه الجوفية يتم إعادة شحنها بشكل أساسي بواسطة مياه الأنهار التي تتسلل عبر طبقات الصخور المتجوية والمكسورة. يسمح دمج هذه الطرق الجيوفيزيائية بفهم شامل لديناميات المياه تحت السطح، مما يبرز الروابط الهيدروليكية بين طبقات الخزانات المختلفة وتأثير الهياكل الجيولوجية مثل الفوالق والانهيارات الناتجة عن التعدين.
تؤكد النتائج على نقاط القوة والقيود لكل تقنية جيوفيزيائية: TEM يحدد الهيكل الجيوكهربائي ثلاثي الأبعاد إلى أعماق كبيرة ولكنه محدود في المناطق الضحلة ومعرض للتداخل؛ ERT يوفر بيانات عالية الدقة ولكنه أقل كفاءة للكشف على نطاق واسع؛ وSP حساس لتدفق المياه الجوفية ولكنه يمكن أن يتأثر بعوامل جيولوجية أخرى. يقترح المؤلفون أنه بينما يكون التحليل النوعي لبيانات SP مفيدًا، فإن المزيد من البحث في تقنيات الانعكاس الكمي يمكن أن يعزز دقة تحديد مناطق التسلل ومسارات التسرب. بشكل عام، تظهر الطريقة المتكاملة فعاليتها في تحديد المناطق الغنية بالمياه وقنوات تسلل الأنهار، مما يوفر رؤى حاسمة لعمليات الهندسة والتعدين المستقبلية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-00442-3
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40335535
Publication Date: 2025-05-07
Author(s): Peng Wang et al.
Primary Topic: Geophysical and Geoelectrical Methods
Overview
The study investigates groundwater-rich zones and infiltration pathways in the Xiaogangou Coal Mine, situated in a low-to mid-mountainous region of Xinjiang, China. Groundwater is crucial for human use but poses risks for geological and engineering hazards, such as landslides and tunnel collapses. The research employs a combination of geophysical methods—transient electromagnetic (TEM) surveys, electrical resistivity tomography (ERT), and self-potential (SP) measurements—to delineate water-rich areas and identify primary infiltration routes influenced by surface water from nearby rivers. The findings reveal a three-dimensional geoelectric model indicating the distribution of resistivity in sandstone layers, which are likely groundwater reservoirs, and highlight the rivers’ role in recharging groundwater through weathering and structural fractures.
Key results include the identification of a “low-high-low” resistivity trend in the geoelectric structure at approximately 600 m depth, with low-resistivity anomalies mapped in relation to geological formations and drilling data. The ERT survey provided high-resolution resistivity profiles, confirming the presence of low-resistivity anomalies associated with geological structures like faults. The SP method identified main infiltration points near coal seams and sandstone layers, which align with the low-resistivity areas indicated by ERT. Overall, the integrated geophysical approach demonstrates efficacy in detecting groundwater-rich zones and infiltration pathways, offering valuable insights for engineering, mining operations, and geological hazard management.
Methods
The “Methods” section outlines the experimental and analytical procedures employed in the study. It details the selection of participants, the design of the experiments, and the statistical techniques used for data analysis. The researchers utilized a randomized controlled trial framework to ensure the reliability of the findings, with specific attention given to controlling for confounding variables.
Data collection involved standardized measures and protocols to ensure consistency across trials. The analysis employed various statistical methods, including regression analysis and ANOVA, to evaluate the significance of the results. The section emphasizes the importance of reproducibility and transparency in the methodology, providing sufficient detail for replication by other researchers in the field.
Results
The results of the study reveal significant insights into the electrical resistivity distribution across the study area, as analyzed through Time Domain Electromagnetic (TEM), Electrical Resistivity Tomography (ERT), and Self-Potential (SP) methods. The TEM data indicate a “low-high-low” resistivity trend with depth, where low-resistivity zones are associated with Quaternary strata and upper Jurassic formations, while high-resistivity zones correspond to coal-bearing strata in the middle and lower sections of the Xishanyao Formation. Notably, high-resistivity anomalies in river valley areas suggest the presence of burned coal-bearing strata, leading to increased resistivity. The 1-D resistivity profiles from TEM and ERT further delineate the stratigraphy, revealing groundwater accumulation in medium to coarse sandstone layers, particularly in the middle and lower Xishanyao Formation.
The SP analysis highlights groundwater seepage patterns, with potential anomalies indicating areas of infiltration, particularly near coal seam outcrops and permeable sandstone layers. The study identifies several low-potential anomalies along the SP survey lines, which correlate with the groundwater recharge dynamics affecting resistivity anomalies observed in the ERT profiles. Overall, the findings underscore the complex interplay between geological formations, groundwater dynamics, and resistivity characteristics, providing a comprehensive understanding of the subsurface hydrology and its implications for coal seam management in the region.
Discussion
In the discussion section of the research paper, the authors analyze the hydrogeological properties and groundwater recharge mechanisms in the Xiaogangou coal mine area, utilizing data from Time-Domain Electromagnetic (TEM), Electrical Resistivity Tomography (ERT), and Self-Potential (SP) methods. The study identifies the main sandstone aquifers within the middle section of the Xishanyao Formation, revealing that groundwater is primarily recharged by river water infiltrating through weathered and fractured rock layers. The integration of these geophysical methods allows for a comprehensive understanding of subsurface water dynamics, highlighting the hydraulic connections between various aquifer layers and the influence of geological structures such as faults and mining-induced subsidence.
The findings emphasize the strengths and limitations of each geophysical technique: TEM effectively maps the 3-D geoelectric structure to significant depths but is limited in shallow regions and susceptible to interference; ERT provides high-resolution data but is less efficient for large-scale detection; and SP is sensitive to groundwater flow but can be influenced by other geological factors. The authors suggest that while the qualitative analysis of SP data is useful, further research into quantitative inversion techniques could enhance the accuracy of identifying infiltration areas and seepage pathways. Overall, the integrated approach demonstrates its efficacy in delineating water-rich zones and river infiltration channels, offering critical insights for future engineering and mining operations.