河南省新安縣郁山鋁土礦床水文地質(zhì)特征

羅文金，劉百順，孫亞偉，尚瑞鑫，劉家橘

(1.河南省地質(zhì)調(diào)查院，河南鄭州 450001; 2.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第一地質(zhì)工程院，河南駐馬店 463000; 3.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局區(qū)域地質(zhì)調(diào)查隊(duì)，河南鄭州 450001)

郁山鋁土礦床是河南省近幾年新探獲的大型隱伏鋁土礦床，位于河南省新安縣城西南約5km處，地處河南省最主要的鋁土礦資源產(chǎn)地－洛陽(yáng)－三門峽地區(qū)的東段(陳全樹等，2002)，其礦床水文地質(zhì)條件是河南省鋁土礦床的典型代表。

郁山鋁土礦區(qū)位于澗河南岸，地形南高北低，地面標(biāo)高282～640m，相對(duì)高差為320m;區(qū)內(nèi)地貌類型有低山丘陵、黃土丘陵和河谷帶狀平原。礦區(qū)屬北溫帶大陸性季風(fēng)氣候，多年平均氣溫13.84℃，多年平均降水量630.47mm，降水年際變化較大，多年平均蒸發(fā)量為1595.15mm;礦區(qū)屬黃河水系，主要河流澗河多年平均流量2.758m3/s，最大年平均流量為9.27m3/s(1964年)，最小年平均流量0.72m3/ s(1981年)，多年平均水位242.84m①。礦區(qū)東部土古洞水庫(kù)最大庫(kù)容約為45萬(wàn)m3。

1 區(qū)域水文地質(zhì)特征

礦區(qū)位于華北地層大區(qū)晉冀魯豫地層區(qū)豫陜地層分區(qū)澠池－確山地層小區(qū)。區(qū)域地層發(fā)育較全(圖1)，主要地層有中元古界洛峪群三教堂組石英砂巖、下古生界寒武－奧陶系碎屑巖和碳酸鹽巖、上古生界石炭－二疊系碎屑巖夾碳酸鹽巖、中生界三疊系碎屑巖、新生界新近系洛陽(yáng)組碎屑巖和第四系松散堆積物。根據(jù)地下水賦存的巖類、賦存條件及水理性質(zhì)，礦區(qū)所在區(qū)域地下水劃分為三大類型:松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖類裂隙巖溶水及碎屑巖類孔隙裂隙水。

1.1 松散巖類孔隙水

區(qū)域上松散巖類地層厚度小、埋深淺，賦存其中的地下水與大氣降水關(guān)系密切，屬淺層地下水。分布于黃土丘陵地區(qū)，中更新統(tǒng)黃土含水層，單井涌水量小于10m3/d，常見泉流量小于1.0L/s，地下水位埋深10～30m;下伏新近系賦存砂礫石層孔隙水，補(bǔ)給條件較差，水量貧乏，單井涌水量小于10m3/d;澗河兩側(cè)的河流階地和河漫灘上更新統(tǒng)和全新統(tǒng)賦存沖積層孔隙水，水位埋深一般3～10m，富水性強(qiáng)，二級(jí)階地單井涌水量500～1000m3/d，河漫灘和一級(jí)階地單井涌水量1000～5000m3/d。

圖1 西郁山礦段水文地質(zhì)剖面圖Fig.1 Hydrogeological profile of the western Yushan mine section1－第四系;2－石盒子組三段;3－石盒子組二段;4－石盒子組一段;5－山西組;6－太原組;7－本溪組;8－奧陶系馬家溝組; 9－礦層;10－鉆孔編號(hào);11－壓力水頭線;12－碳酸鹽巖裂隙巖溶水含水層;13－碎屑巖類裂隙水含水層;14－隔水層1－Quaternary;2－third member of Shihezi Fm.;3－second member of Shihezi Fm.;4－first member of Shihezi Fm.;5－Shanxi Fm.; 6－Taiyuan Fm.;7－Benxi Fm.;8－Ordovician Majiagou Fm.;9－Orebody;10－Drillhole Number;11－Line pressure head;12－carbonate karst fissure water aquifers;13－clastic rocks of fracture water aquifers;14－water－resisting layer

主要為大氣降水入滲補(bǔ)給、澗河側(cè)滲補(bǔ)給、水庫(kù)滲漏補(bǔ)給、地下水側(cè)向徑流補(bǔ)給等。流向與地形傾向基本一致，水力坡度與地形坡度相近，河谷階地地下水徑流條件較好，黃土丘陵區(qū)徑流條件差。排泄方式為蒸發(fā)排泄、開采排泄、越流排泄、泉排泄及河流排泄。

1.2 碳酸鹽巖類裂隙巖溶水

賦存于寒武系、奧陶系及石炭系碳酸鹽巖裂隙溶洞之中，分布廣泛，大面積出露于礦區(qū)北部的低山丘陵地區(qū)，零星出露于礦區(qū)東部的澗河南側(cè)，埋藏于第四系及二疊系之下。含水巖組以下寒武系饅頭組頁(yè)巖為隔水底板，以二疊系砂頁(yè)巖為隔水頂板。出露區(qū)被溝谷切割，溶溝、溶槽、半干谷發(fā)育，裂隙、溶洞沿溝谷滋生，構(gòu)成區(qū)域上裂隙巖溶水補(bǔ)給區(qū)。出露區(qū)多處于非飽和狀態(tài)，潛水位埋深很大，出露的泉流量一般較小;覆蓋區(qū)為飽和帶，地下水相對(duì)富集，但水量差別較大，單井涌水量10～1500m3/d;緊鄰礦區(qū)北部的廟頭上升泉流量為68.9L/s①，富水性極強(qiáng)。

大氣降水入滲是區(qū)域碳酸鹽巖類裂隙巖溶水的主要補(bǔ)給來(lái)源。地下水沿層面及裂隙、溶隙向東逕流，徑流條件較好。在補(bǔ)給區(qū)沿溝谷就地以泉排泄、澗河階地成泉排泄;通過斷裂向東、向北徑流排泄及向上覆含水層排泄;通過中深井人工開采排泄;排泄條件較好。

1.3 碎屑巖類孔隙裂隙水

賦存在中元古界、古生界石炭系、二疊系、中生界三疊系及新生界古近系的砂巖、礫巖的孔隙裂隙中。區(qū)域上大面積分布，含水巖組富水程度普遍較差，分布很不均勻，局部存在相對(duì)富集地段，地下水的相對(duì)富集與區(qū)域地貌、構(gòu)造及地表松散堆積物的存在密切相關(guān)。基巖山區(qū)地形起伏較大，溝谷切割較深，大氣降水入滲補(bǔ)給條件較差，地下水貧乏，常見泉流量多小于3.0L/s，地下水逕流模數(shù)小于3.0L/s·km2;地下水沿?cái)嗔哑扑閹鄬?duì)富集，泉流量可達(dá)11.6L/s①。在較厚黃土及砂卵石層覆蓋區(qū)，下伏碎屑巖類孔隙裂隙水的補(bǔ)給條件好，地下水相對(duì)富集，單井涌水量10～1000m3/d。

裸露區(qū)為大氣降水入滲補(bǔ)給，補(bǔ)給條件較差;地下水徑流途徑較短，一般在溝谷低凹處就地成泉排泄和向下游徑流排泄，少量通過斷裂向深部徑流排泄。黃土覆蓋區(qū)徑流補(bǔ)給和上部黃土中孔隙水的下滲補(bǔ)給，補(bǔ)給條件較好。主要向河谷階地徑流。排泄方式主要有人工開采、煤礦礦坑排水和側(cè)向徑流排泄。

2 礦區(qū)含水層、隔水層與構(gòu)造特征

2.1 礦區(qū)含水層

(1)碳酸鹽巖類裂隙巖溶水含水層

寒武系裂隙巖溶水含水巖組:主要為鮞狀灰?guī)r、致密灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖、夾泥質(zhì)條帶灰?guī)r含水層，厚270～320m，以溶槽、溶坑、溶隙、溶洞為主的地表巖溶發(fā)育，出露面積較大，有利于大氣降水的入滲補(bǔ)給，底部黃綠紫紅色頁(yè)巖、砂質(zhì)頁(yè)巖相對(duì)隔水，有利于地下水的儲(chǔ)存，富水性較好。水位標(biāo)高254～305m，單井涌水量20～130m3/h;相鄰礦區(qū)鉆孔遇見高2.30m的溶洞，漏水嚴(yán)重，連通性良好;單位涌水量1.31～6.5m3/h·m，為中等－強(qiáng)富水性，地下水化學(xué)類型為HCO3－Ca·Mg型。

奧陶系中統(tǒng)裂隙巖溶水含水巖組:廣泛分布于西郁山礦區(qū)，埋藏于鋁土礦底板之下，局部出露，為礦床充水影響最大的充水含水層(沈繼方等，1992)。主要為深灰色灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、豹皮狀白云質(zhì)灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r含水層，灰?guī)r質(zhì)地較純，風(fēng)化程度中等，裂隙、巖溶發(fā)育程度不均一，局部見有小溶孔，鉆孔中未見大的溶洞，含水層滲透系數(shù) K= 0.096m/d，富水性中等。西郁山礦區(qū)以東奧陶系中統(tǒng)埋藏淺，地下水補(bǔ)給源充足，徑流強(qiáng)度大，巖溶發(fā)育好，富水性較好，單井涌水量為120m3/h，單位涌水量1.85m3/h·m，為中等富水性。

石炭系上統(tǒng)裂隙巖溶水含水巖組:礦區(qū)內(nèi)廣泛分布，位于鋁土礦頂板之上，主要為太原組泥晶灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r及燧石團(tuán)塊灰?guī)r含水層，普遍發(fā)育1～3層，局部發(fā)育4～5層，呈薄層透鏡體，單層厚度1.20～16.53m，累計(jì)厚度1.41～26.39m。巖溶裂隙不甚發(fā)育，由于二疊系大面積覆蓋，出露面積較小，接受大氣降水入滲及上覆含水層補(bǔ)給量較小，富水性較弱。西郁山礦區(qū)東部的煤礦勘探鉆孔有漏水現(xiàn)象發(fā)生，漏失量0.15～＞60m3/h，抽水鉆孔單位涌水量0.0148L/s·m，臨區(qū)煤礦突水量7～60m3/ h，該含水巖組富水性弱－中等。

(2)碎屑巖類裂隙水含水層

石炭系砂巖裂隙水含水層組:由石炭系上統(tǒng)石英砂巖、粉砂巖組成，位于鋁土礦層頂板之上，分布較穩(wěn)定，一般發(fā)育1～2層，中等風(fēng)化，節(jié)理裂隙較發(fā)育，富水性較好。一般與石炭系上統(tǒng)裂隙巖溶水含水巖組直接接觸，組成統(tǒng)一的含水巖組。

二疊系砂巖裂隙水含水層組:由二疊系石英砂巖、長(zhǎng)石砂巖、長(zhǎng)石石英砂巖組成，一般發(fā)育6～10層，單層厚8～15m，節(jié)理裂隙及構(gòu)造裂隙發(fā)育一般，各含水層之間有厚層泥巖、泥質(zhì)砂巖相對(duì)隔水層阻隔，水力聯(lián)系不密切。多被第四系覆蓋，地表分水嶺或較高處小面積出露，地下水補(bǔ)給條件較差，出露泉流量多小于0.5L/s，為弱富水性。但在構(gòu)造有利地帶和遠(yuǎn)離背斜軸部地層傾角較小的地帶地下水相對(duì)富集，礦區(qū)勘探孔ZK31A04在鉆進(jìn)至山西組底部長(zhǎng)石石英砂巖時(shí)發(fā)生涌水，流量可達(dá)1.53L/s，為中等富水性。

(3)松散巖類孔隙水含水層

黃土丘陵地區(qū)中更新統(tǒng)風(fēng)成黃土或黃土狀土10～60m，賦存黃土孔隙孔洞裂隙水，水量貧乏，單井涌水量小于10m3/d，常見泉流量小于1.0L/s，地下水位埋深10～30m。下伏新近系賦存砂礫石層孔隙水，厚度不大，補(bǔ)給條件較差，孔隙水水量貧乏，單井涌水量小于10m3/d。

澗河兩側(cè)的河流階地和河漫灘地區(qū)，以中生界砂巖、泥頁(yè)巖為隔水底板，含水層顆粒較粗，厚度15～30m，水位埋深一般3～10m，富水性強(qiáng)。遠(yuǎn)離河道帶的二級(jí)階地單井涌水量500～1000m3/d，近河道帶的河漫灘和一級(jí)階地單井涌水量 1000～5000m3/d。

2.2 礦區(qū)隔水層

(1)鋁土礦頂板隔水層

石炭系本溪組頂部泥巖、石炭－二疊系太原組泥巖共同組成鋁土礦床的頂板隔水層。

本溪組頂部泥巖隔水層:分布于鋁土礦礦體頂部，與礦體直接接觸，為鋁土礦的頂板直接隔水層，厚度變化大，為0～3.35m，分布較為穩(wěn)定，局部缺失。巖性為灰黑色中厚層狀鋁土質(zhì)泥巖，泥晶結(jié)構(gòu)為主，塊狀構(gòu)造，上部含少量炭質(zhì)。由于其厚度不大，且局部缺失，所以其隔水能力較差。

石炭—二疊系太原組泥巖隔水層:分布于太原組的中上部，巖性以深灰色、灰黑色泥巖為主，次為泥質(zhì)粉砂巖，普遍發(fā)育1～4層，單層厚度1.02～31.36m，累計(jì)厚度6.60～31.36m，分布較穩(wěn)定，隔水性能較好。

(2)鋁土礦底板隔水層

石炭系本溪組中、下部泥巖，位于鋁土礦礦體底部，為鋁土礦床的底板直接隔水層，巖性為鋁土質(zhì)泥巖、鐵質(zhì)泥巖，厚度0～7.96m，局部缺失，分布不連續(xù)，不具備普遍的隔水層意義。

2.3 礦區(qū)構(gòu)造水文地質(zhì)特征

郁山鋁土礦主要位于土古洞背斜之南翼，為單斜構(gòu)造，巖層走向北西，傾向南西，傾角18°～28°左右。土古洞背斜軸部為礦區(qū)地下水分水嶺，控制背斜兩翼地下水徑流方向。礦區(qū)以隱伏為主發(fā)育北西西、北東和北西向三組斷層，一般為正斷層，斷裂帶具儲(chǔ)水與導(dǎo)水性質(zhì)，通常構(gòu)成聯(lián)通各含水層組的垂向通道(沈繼方等，1992)。

3 礦區(qū)地下水補(bǔ)給、逕流、排泄條件

松散巖類孔隙水的補(bǔ)給來(lái)源主要為大氣降水入滲補(bǔ)給、汛期澗河側(cè)滲補(bǔ)給、土古洞水庫(kù)滲漏補(bǔ)給和地下水側(cè)向徑流補(bǔ)給，補(bǔ)給條件較好。流向與地形傾向基本一致，河谷階地區(qū)含水層滲透性好，徑流條件較好;黃土覆蓋區(qū)徑流條件差。排泄方式有蒸發(fā)排泄、開采排泄、越流排泄、泉排泄及河流排泄。

碳酸鹽巖類裂隙巖溶水在淺埋區(qū)與出露區(qū)接受大氣降水入滲補(bǔ)給，上游邊界(東邊界)接受地下逕流補(bǔ)給。沿層面及裂隙、溶隙向東、向南逕流，徑流條件較好。主要排泄方式為徑流排泄、越流排泄和人工開采排泄，排泄條件較好。

碎屑巖類孔隙裂隙水，裸露區(qū)直接接受大氣降水入滲補(bǔ)給，補(bǔ)給條件較差;地下水徑流途徑較短，一般在溝谷低凹處就地成泉排泄和向下游徑流排泄。覆蓋區(qū)接受上游徑流補(bǔ)給和黃土中孔隙水的下滲補(bǔ)給，補(bǔ)給條件較好;向河谷階地徑流;排泄方式主要有人工開采、煤礦礦坑排水和側(cè)向徑流排泄。

4 礦床充水條件

4.1 礦床充水水源分析

地下水是礦床充水的主要水源(沈繼方等，1992)，來(lái)自于與鋁土礦床聯(lián)系密切的奧陶系中統(tǒng)裂隙巖溶水含水巖組和石炭系上統(tǒng)裂隙巖溶水含水巖組、石炭系砂巖裂隙水含水巖組，為直接充水水源;寒武系裂隙巖溶水和二疊系砂巖裂隙水為其間接充水水源。地表水(澗河河水和土古洞水庫(kù)水)及大氣降水為礦床充水的影響因素，對(duì)主要充水水源起補(bǔ)給作用(沈繼方等，1992)。分布于鋁土礦東部的郁山煤礦主采層二1煤層部分已采空，采空區(qū)積水有可能成為礦井的充水水源。

4.2 礦床充水通道分析

由于該礦床的的頂板、底板直接隔水層厚度均小，且分布不均，部分礦體頂板或底板直接與含水層接觸，其頂板、底板巖層的節(jié)理裂隙將成為滲入性通道，形成面狀滲水性涌水，滲入性通道涌水量不大，但持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。在隔水底板較薄與缺失地帶、斷裂破碎帶、大裂隙及封閉不好的鉆孔等均可成為潰入性充水通道，涌水量大，對(duì)礦床開采危害性大。

4.3 礦層頂板充水條件分析

礦層頂板充水水源主要來(lái)自于石炭系太原組(C2P1t)泥晶灰?guī)r裂隙巖溶水和長(zhǎng)石石英砂巖裂隙水。該含水層組位于礦層頂板上部，大部分地段與礦層之間有薄層灰黑色泥巖相隔，部分地段與礦層直接接觸，由于含水層厚度較小，一般為24.7～625m，預(yù)計(jì)開采過程中礦層頂板可能出現(xiàn)淋水情況。二疊系石英砂巖裂隙水含水層層數(shù)多、厚度較大，但各含水層之間有厚層泥巖相隔，各含水層之間及礦層頂板充水含水層之間水力聯(lián)系不密切。斷裂破碎帶及封閉不好的勘探鉆孔，將溝通頂板以上各含水巖組，有可能形成頂板潰入性涌水。

4.4 礦層底板充水條件分析

礦層底板充水水源主要來(lái)自于下伏奧陶系中統(tǒng)馬家溝組(O2m)細(xì)晶白云巖、泥晶灰?guī)r的裂隙巖溶水。底板含水層和礦層之間分布不連續(xù)的鋁土質(zhì)泥巖隔水層，隔水層厚度不均，部分地段礦層直接與下伏奧陶系接觸，底板隔水層分布不連續(xù)，不具有普遍隔水意義，開采過程中底板隔水層薄弱的地段可能產(chǎn)生底板透水的現(xiàn)象，在斷裂構(gòu)造發(fā)育地段，奧陶系下部含水層地下水沿?cái)嗔严蛏涎a(bǔ)給，有增大礦層底板透水的可能性。

5 地下水與鋁土礦富集

在鋁土礦的形成過程中，地下水的作用貫穿始終，主要表現(xiàn)為“脫硫去硅”作用(陳全樹等，2002;李中明等，2009)，即在飽氣帶(垂直淋濾帶)和潛水位變動(dòng)帶、斷裂破碎帶、地層傾角較大地帶、地形坡度較大地帶、巖溶發(fā)育帶等垂直、水平強(qiáng)徑流帶和地下水排泄帶處，有利于脫硫、去硅、富鋁作用的進(jìn)行，鋁土礦體進(jìn)一步富集，品位得以進(jìn)一步提高;反之，在地下水逕流滯緩地帶則不利于鋁土礦的富集。

6 結(jié)論

(1)礦床頂板直接充水水源為石炭系－二疊系太原組(C2P1t)灰?guī)r裂隙巖溶水、砂巖裂隙水;礦床底板直接充水水源為奧陶系馬家溝組(O2m)灰?guī)r裂隙巖溶水;澗河和土古洞水庫(kù)等地表水體有可能成為礦床充水的間接水源;鋁土礦層上部局部煤礦采空區(qū)和東部郁山煤礦采空區(qū)的老窿水有可能成為礦床充水的主要水源。

(2)同時(shí)具備滲入性充水通道和潰入性充水通道。

(3)新安縣郁山鋁土礦為頂、底板直接充水的水文地質(zhì)條件中等復(fù)雜的以溶蝕裂隙為主的巖溶充水礦床(第三類、第一亞類、第二型)。

(4)郁山鋁土礦附近的大中型高耗水工礦企業(yè)較多，需水量較大。礦山疏干排水的水質(zhì)較好，水量較大，可以滿足企業(yè)的生產(chǎn)、生活用水需求。因此，實(shí)施礦山排水的綜合利用對(duì)解決企業(yè)和城市供水短缺的問題意義重大。

［注釋］

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