北山地區(qū)風(fēng)化裂隙水分布特征和富集規(guī)律

郭永海，王海龍，董建楠，蘇 銳，季瑞利，劉淑芬，李亞偉，宗自華，

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，中核集團(tuán)高放廢物地質(zhì)處置評價(jià)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029）

北山地區(qū)位于甘肅省西部河西走廊以北，行政區(qū)劃隸屬于甘肅省酒泉地區(qū)和內(nèi)蒙古額濟(jì)納旗。 地理坐標(biāo)大致為： 北緯40°30′～40°40′；東經(jīng) 94°00′～100°00′， 總面積約 90 000 km2，其中基巖分布面積高達(dá)70%以上。在干旱氣候條件下，區(qū)內(nèi)物理風(fēng)化作用強(qiáng)烈，淺部巖石多呈機(jī)械破碎狀態(tài)，風(fēng)化裂隙發(fā)育，因此，風(fēng)化裂隙水分布范圍較廣，已經(jīng)成為區(qū)內(nèi)居民用水的主要水源。從供水角度出發(fā)，正確認(rèn)識北山地區(qū)風(fēng)化裂隙水富集規(guī)律十分必要；從我國目前在該區(qū)開展的高放廢物處置庫選址角度出發(fā)，查清風(fēng)化裂隙水富集和分布規(guī)律也是水文地質(zhì)研究的重要內(nèi)容之一。

依據(jù)前人在該區(qū)開展的水文地質(zhì)普查資料及我們近年來開展的調(diào)查和研究，對區(qū)內(nèi)風(fēng)化裂隙水富集和分布規(guī)律進(jìn)行了初步分析，希望能為今后在該區(qū)開展的高放廢物處置庫選址，以及地下水資源開發(fā)研究等提供借鑒。

1 自然地理及地質(zhì)背景概況

該區(qū)地勢西高東低，海拔高度1 000～2 500 m，山體呈近EW向展布，位于中部的馬鬃山主峰，海拔高度2 583 m，東部與黑河下游平原接觸，海拔高度約1 000 m左右。地貌形態(tài)特征為微切割的中低山、丘陵和洼地相間排列，中低山、丘陵多由古生代地層和巖體構(gòu)成，洼地多分布有中、新生代沉積物。區(qū)內(nèi)無常年性地表水體，但由洪水沖蝕形成的溝谷十分發(fā)育，主溝近EW向分布者居多，支溝多垂直于山體分布。

該區(qū)是我國典型的干旱地區(qū)，降水量少，蒸發(fā)量大，干燥多風(fēng)，植被稀少，冬冷夏熱，屬典型的大陸性氣候。據(jù)當(dāng)?shù)貧庀筚Y料，該區(qū)降水量表現(xiàn)出隨地勢升高而遞增的規(guī)律性。地形每升高100 m，降水量增加3.8 mm，據(jù)此推算，馬鬃山西段年平均降水量可達(dá)90 mm以上，東部低山、丘陵及盆地內(nèi)亦可達(dá)60～70 mm。從多年降水資料看，豐水年調(diào)查區(qū)西部降水量可達(dá)100～120 mm以上，東部可達(dá)80 mm；貧水年調(diào)查區(qū)西部降水量可達(dá)60 mm左右，東部約為40 mm。

調(diào)查區(qū)西部年平均氣溫約4℃，年蒸發(fā)量約3 100 mm；東部年平均氣溫約5℃，年蒸發(fā)量增高至3 500 mm左右。年內(nèi)氣溫變化較大，1月份氣溫最低，平均-11.6℃，7月份氣溫最高，平均為22℃左右。

區(qū)內(nèi)地層出露較為齊全，自震旦系至第四系均有分布。震旦系為淺海相碎屑巖、碳酸鹽巖沉積，主要巖性為變質(zhì)砂巖、片巖及大理巖、結(jié)晶灰?guī)r等；寒武系為一套海相沉積，以碳酸鹽巖為主；奧陶系和志留系主要為混合巖、變質(zhì)巖，其上部分布著大量火山巖；泥盆系為火山碎屑巖沉積，缺失下統(tǒng)；石炭系和二疊系均為海相、海陸交互相沉積，以碳酸鹽巖為主，有少量碎屑巖、泥質(zhì)巖；三疊系、侏羅系和白堊系均為陸相碎屑巖沉積，以砂礫巖、礫巖和砂巖為主；古近系、新近系主要為砂巖、粉砂巖、泥巖，有少量砂礫巖；第四系不發(fā)育，為一套松散或半膠結(jié)沉積物，以洪積相、沖洪積相為主。

區(qū)內(nèi)在大地構(gòu)造上屬天山—興安褶皺系。研究區(qū)范圍內(nèi)該褶皺系包括兩個(gè)Ⅱ級構(gòu)造單元，北天山造山帶和北山—內(nèi)蒙古造山帶（新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)局，1993；內(nèi)蒙古自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)局，1991）。褶皺、斷裂非常發(fā)育，EW向構(gòu)造為主導(dǎo)構(gòu)造，由一系列復(fù)式褶皺、斷裂及其伴生的兩組扭性斷裂組成，規(guī)模較大，此外，還存在一定規(guī)模的NE向構(gòu)造，多以斷裂形式出現(xiàn)［1］。

區(qū)內(nèi)巖漿巖發(fā)育，約占基巖出露面積的50%，尤以華力西中期巖漿巖最為發(fā)育，分布面積廣。巖性主要有斜長花崗巖、二長花崗巖、鉀長花崗巖和混合巖化巖石等，通常以大型巖基產(chǎn)出。

2 風(fēng)化裂隙水的分布特征

暴露于地表的巖石，在溫度變化，以及水和空氣、生物等營力作用下形成風(fēng)化裂隙。風(fēng)化裂隙常在成巖裂隙、構(gòu)造裂隙的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展，形成密集而均勻、無明顯方向性，連通性良好的裂隙網(wǎng)絡(luò)，其間賦存的地下水即為風(fēng)化裂隙水。風(fēng)化裂隙的發(fā)育深度一般為n×100～n×101m，其下部未風(fēng)化的母巖往往構(gòu)成相對隔水底板，因此，風(fēng)化裂隙水一般為潛水，如果風(fēng)化裂隙帶被后期沉積物覆蓋，則可形成古風(fēng)化殼承壓水［2-3］。

北山地區(qū)氣候干旱，且溫差較大，巖石的熱脹冷縮及水的凍脹等物理風(fēng)化作用強(qiáng)烈，有利于形成含水和導(dǎo)水的風(fēng)化裂隙。根據(jù)鉆孔揭露，該區(qū)基巖風(fēng)化裂隙帶深度一般為5～50 m，斷裂帶附近或與圍巖接觸帶附近風(fēng)化裂隙帶發(fā)育深度可達(dá)80 m。風(fēng)化裂隙水主要來源是當(dāng)?shù)卮髿饨邓霛B補(bǔ)給，補(bǔ)給方式是降雨沿巖石節(jié)理、裂隙垂直入滲，但補(bǔ)給量有限，只有單次降雨量達(dá)到一定規(guī)模時(shí)（大于5 mm）才能對地下水構(gòu)成明顯補(bǔ)給，因此，這種類型的地下水水量一般不大，單井涌水量多小于20 m3·d-1，但在條件良好的情況下，也可形成水量較豐富的地下水，單井涌水量達(dá)到每日數(shù)百立方米。這類地下水一般以潛水的形式存在，水位埋深差別較大，在北山地區(qū)分布較廣泛。在地勢較低的丘陵區(qū)水位埋深相對較小，一般為5～40 m；地勢較高的山區(qū)水位埋深相對較大，一般為40～100 m。

3 風(fēng)化裂隙水富集的影響因素分析

北山地區(qū)的氣候條件總體上是相似的，但風(fēng)化裂隙帶的發(fā)育深度不同，其風(fēng)化裂隙的連通性也不同，因此，風(fēng)化裂隙水的富水性也存在較大差異。經(jīng)鉆孔資料、民井資料分析，認(rèn)為影響風(fēng)化裂隙帶的發(fā)育深度、風(fēng)化裂隙的連通性，以及富水性的主要因素是巖性、地形和構(gòu)造3個(gè)方面，當(dāng)巖性、地形和構(gòu)造條件達(dá)到最佳組合時(shí)，風(fēng)化裂隙可以達(dá)到中等富水程度。

3.1 巖性的影響

資料顯示，北山地區(qū)風(fēng)化裂隙水的富水性因含水介質(zhì)巖性不同而存在明顯差異。根據(jù)甘肅省水文地質(zhì)普查資料，火成巖區(qū)基巖裂隙水單井涌水量10～200 m3·d-1，變質(zhì)巖和沉積巖單井涌水量一般小于10 m3·d-1。以馬鬃山煤礦幅資料為例，火成巖主要由花崗巖、花崗閃長巖及閃長巖組成，分布于六角井、蘆草井、同昌口和白頭山等低緩丘陵和準(zhǔn)平原區(qū)，裂隙發(fā)育，地下水主要賦存于風(fēng)化裂隙帶中，根據(jù)8個(gè)鉆孔揭露，風(fēng)化帶深度一般小于80 m，水位埋深小于40 m，單孔涌水量 102.3～270.1 m3·d-1（表 1）。 而變質(zhì)巖中的3個(gè)鉆孔，雖然風(fēng)化裂隙帶的發(fā)育深度也在15～50 m之間，但均為干孔（表1）。此外，民井抽水試驗(yàn)資料也顯示，花崗巖中的民井涌水量達(dá)到10～20 m3·d-1，而變質(zhì)巖中的民井涌水量只有0.5～10 m3·d-1。也就是說，火成巖風(fēng)化裂隙水水量明顯大于變質(zhì)巖和沉積巖風(fēng)化裂隙水水量，說明巖性是控制北山地區(qū)風(fēng)化裂隙水富集的一個(gè)重要因素。

巖性影響北山地區(qū)風(fēng)化裂隙水富集程度的主要原因是風(fēng)化裂隙帶的充填物質(zhì)和充填程度不同造成的。變質(zhì)巖、碎屑巖多為塑性巖層，風(fēng)化裂隙張開性差，且常常被泥質(zhì)物質(zhì)緊密充填，裂隙的含水性和導(dǎo)水性大大降低。而花崗巖、花崗閃長巖等火成巖屬脆性巖石，風(fēng)化裂隙張開性好，充填物少，且多為砂性物質(zhì)，因此，含水性和導(dǎo)水性都相對較好。由此可見，巖性是風(fēng)化裂隙水富集的基本條件。

3.2 地形的影響

地下水的富集需要一定的補(bǔ)給條件，也必須具備相應(yīng)的儲水空間，兩種條件的優(yōu)劣，決定著富水性的強(qiáng)、弱。地形對區(qū)內(nèi)風(fēng)化裂隙水的影響實(shí)際上就體現(xiàn)在對地下水補(bǔ)給條件，以及風(fēng)化裂隙帶發(fā)育深度的影響。

表1 北山地區(qū)巖體鉆孔涌水量Table 1 The water yields of borehole in pluton in Beishan area

根據(jù)前人研究成果和項(xiàng)目組多年來在該區(qū)開展的研究工作，北山地區(qū)地下水的主要補(bǔ)給來源為當(dāng)?shù)氐拇髿饨邓ｋm然區(qū)內(nèi)年降雨量僅為40～80 mm，但降水相對集中，且多以暴雨形式出現(xiàn)，并可形成溝谷洪流和洼地積水，這在總體上對于干旱地區(qū)地下水補(bǔ)給是有利的。而地形恰恰可以直接影響地下水接受降水補(bǔ)給的能力。

在地形起伏較大的低山區(qū)，雖然降水量相對較大，但由于地形陡峭，降水在當(dāng)?shù)赝Ａ魰r(shí)間短，很快轉(zhuǎn)化為地表徑流而流出區(qū)外，不利于對當(dāng)?shù)氐叵滤难a(bǔ)給，并且由于地形坡度大，地下水的水力坡度也相對較大，所形成的風(fēng)化裂隙水也易于流失，不利于地下水的賦存。因此，地形較高的低山、丘陵區(qū)風(fēng)化裂隙水就相對貧乏。如表1中的N14、N23和N27這3個(gè)鉆孔均位于低山區(qū)，風(fēng)化裂隙帶巖心破碎，厚度15～29 m，鉆探時(shí)沖洗液嚴(yán)重漏失，但3個(gè)鉆孔均為干孔。

地形平緩、地勢低洼的溝谷、洼地地區(qū)，雖然降水量一般相對較小，但由于地面坡度小，地形相對高差不大，降水在地表的停留時(shí)間就會較長，所以有利于降水對地下水的入滲補(bǔ)給。更為重要的是，溝谷、洼地分布區(qū)常常是地表洪水匯集區(qū)和排泄通道。一場暴雨過后，溝谷變成暫時(shí)性河流，洼地積水成為暫時(shí)性湖泊，對接近地表的風(fēng)化裂隙水的補(bǔ)給是非常有利的。降水首先形成地表徑流，沿途下滲補(bǔ)給地下水，未來得及下滲的地表徑流則匯集于溝谷，形成溝谷洪流，流向下游。根據(jù)前人研究結(jié)果，溝谷洪流持續(xù)時(shí)間一般可達(dá)2～3 h，在此期間，北山地區(qū)規(guī)模一般性的溝谷洪流漏失量都在0.432 m3·（s·km）-1左右，以位于區(qū)內(nèi)的梧桐溝為例，其長度16 km，如果每年有3次洪流發(fā)生，每次持續(xù)時(shí)間3 h，則每年的滲漏量就可達(dá)到22.4萬 m3。在溝谷中未能入滲的溝谷洪流繼續(xù)向下游流動，最終匯集于山間或丘間洼地中，形成暫時(shí)性積水，入滲補(bǔ)給洼地和盆地風(fēng)化裂隙水。這就是說，地形對區(qū)內(nèi)風(fēng)化裂隙水富集影響實(shí)際上首先在于對地下水補(bǔ)給條件的影響。

一般來說，溝谷規(guī)模越大，匯水面積越大，則風(fēng)化裂隙水富水性越好；洼地面積越大，風(fēng)化裂隙水富水性越好，尤其是源遠(yuǎn)流長的溝谷所流經(jīng)的洼地，由于補(bǔ)給條件好，風(fēng)化裂隙水富水性相對更好。山間洼地富水性一般要好于丘間洼地。

此外，根據(jù)鉆孔揭露，地形明顯影響風(fēng)化裂隙的發(fā)育程度。在地形較高的分水嶺地帶，風(fēng)化裂隙發(fā)育程度一般較差，深度也較小，通常小于30 m；而地形低洼的溝谷和洼地地區(qū)，風(fēng)化裂隙發(fā)育程度一般比較強(qiáng)烈，深度也較大，一般厚達(dá)30～50 m，少數(shù)可達(dá)70 m，這無疑有利于風(fēng)化裂隙水富集，與水的關(guān)系密切。

地形影響風(fēng)化裂隙發(fā)育程度的根本原因主要在于水的參與。前已敘及，地形低洼的溝谷和洼地是地表徑流匯集的場所，在巖性等條件相似的情況下，由于水的相對富集，水的凍脹導(dǎo)致的物理風(fēng)化作用勢必加強(qiáng)，同時(shí)，也將大幅提高化學(xué)風(fēng)化作用的強(qiáng)度，從而提高巖石的風(fēng)化程度。此外，水的溶蝕作用也會進(jìn)一步促進(jìn)風(fēng)化裂隙的發(fā)育。

3.3 構(gòu)造的影響

構(gòu)造對風(fēng)化裂隙水富集的影響一般都是很顯著的，原因也很簡單。以構(gòu)造破碎帶為例，其本身就是巖石的薄弱地帶，易于接受降水補(bǔ)給，也增大了巖石與水和空氣的接觸面積，從而促進(jìn)風(fēng)化作用的進(jìn)行，風(fēng)化裂隙不僅密集，發(fā)育深度也相對較大。實(shí)際上，位于斷裂構(gòu)造及其附近的風(fēng)化裂隙帶，其裂隙的發(fā)育程度是風(fēng)化裂隙和構(gòu)造裂隙兩者疊加的結(jié)果，因此，構(gòu)造也是風(fēng)化裂隙水富集的重要基本條件。構(gòu)造對風(fēng)化裂隙水富集的影響還體現(xiàn)在構(gòu)造破碎帶本身多形成溝谷、洼地地形。

根據(jù)前人成果和筆者多年來的調(diào)查，北山地區(qū)斷裂構(gòu)造非常發(fā)育，以EW向構(gòu)造為主導(dǎo)，還存在一定規(guī)模的NE向和NW向斷裂構(gòu)造。根據(jù)前人資料表明，在斷裂帶及其附近影響帶內(nèi)，風(fēng)化裂隙帶深度可達(dá)100余米，鉆孔抽水試驗(yàn)資料也顯示，與斷裂構(gòu)造有關(guān)的風(fēng)化裂隙帶鉆孔涌水量一般都較大，例如，位于馬鬃山鎮(zhèn)以南的野馬街氣象站的N34鉆孔，在降深14 m時(shí)，單孔涌水量達(dá)474 m3·d-1；在條件有利的情況下，單孔涌水量可達(dá) 1 500 m3·d-1。

4 結(jié) 語

北山地區(qū)物理風(fēng)化作用強(qiáng)烈，風(fēng)化裂隙帶發(fā)育深度一般為5～50 m，局部可達(dá)100 m。風(fēng)化裂隙水具有分布廣、埋深淺、易開采的特點(diǎn)，是當(dāng)?shù)啬撩?、礦山的主要供水水源。巖性、地形和構(gòu)造是風(fēng)化裂隙水富水性的主要影響因素，一般來說，火成巖較變質(zhì)巖和碎屑巖富水；地形低洼的溝谷、洼地較地形較高的低山、丘陵區(qū)富水；山間洼地富水性一般要好于丘間洼地；溝谷、洼地規(guī)模越大則富水性越好。位于斷裂構(gòu)造及其附近的風(fēng)化裂隙帶，其裂隙的發(fā)育程度是風(fēng)化裂隙和構(gòu)造裂隙兩者疊加的結(jié)果，且構(gòu)造破碎帶本身多形成溝谷、洼地，因此，與斷裂構(gòu)造有關(guān)的風(fēng)化裂隙帶尤其富水。風(fēng)化裂隙水主要補(bǔ)給來源是大氣降水的垂直入滲。

［1］郭永海，楊天笑，劉淑芬.高放廢物處置庫甘肅北山預(yù)選區(qū)水文地質(zhì)特征研究［J］.鈾礦地質(zhì)，2001， 17（3）:184-189.

［2］田開銘.開展對低滲透介質(zhì)的水文地質(zhì)學(xué)研究［J］. 水文地質(zhì)工程地質(zhì)， 2000， 27（2）:27-28.

［3］田開銘，萬 力.各向異性裂隙介質(zhì)滲透性的研究與評價(jià)［M］.北京：學(xué)苑出版社，1989.