青藏高原不凍泉地區(qū)地下水分布特征

李穎智，郭彥威，耿 昕，王秀明，李勝濤

(中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北保定 071051)

不凍泉地區(qū)位于青藏高原昆侖山南坡，屬于青藏高原永久凍土區(qū)，自然條件惡劣，水文地質(zhì)研究程度較低。研究區(qū)北起昆侖山口，南至楚瑪爾河，以青藏公路為分界線，東側(cè)為三江源自然保護(hù)區(qū)、西側(cè)為可可西里自然保護(hù)區(qū)。青藏鐵路、格拉輸油管線、110 V 輸變電線、蘭拉光纜等重要工程與青藏公路并行穿過(guò)研究區(qū)。開展研究區(qū)內(nèi)的水文地質(zhì)條件研究，可為區(qū)內(nèi)重大工程的整治維護(hù)及自然保護(hù)區(qū)的環(huán)境保護(hù)提供基礎(chǔ)資料和科學(xué)依據(jù)，具有積極的現(xiàn)實(shí)意義。

1977 年，由青海省第一水文地質(zhì)隊(duì)完成的“青藏線(格爾木—安多)水文地質(zhì)工程地質(zhì)調(diào)查”項(xiàng)目初步查明了區(qū)內(nèi)地貌、水文地質(zhì)及工程地質(zhì)條件。2008 年，由青海省地質(zhì)調(diào)查院完成的“長(zhǎng)江源區(qū)生態(tài)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查”項(xiàng)目，基本查明了區(qū)內(nèi)地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀，綜合分析了氣候、水文因素影響下地質(zhì)環(huán)境變化的地質(zhì)原因和演化特征。本次研究在“青藏鐵路沿線水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查評(píng)價(jià)”項(xiàng)目調(diào)查數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合前人的調(diào)查研究成果，對(duì)區(qū)內(nèi)地下水分布特征進(jìn)行了深入的分析和總結(jié)。

1 自然地理概況

不凍泉地區(qū)地處青藏高原長(zhǎng)江源區(qū)北端，位于楚瑪爾河盆地東部，地形呈波狀起伏，河谷寬淺，海拔在4 500 m 以上，青藏公路、青藏鐵路斜穿過(guò)該區(qū)，青藏公路以東隸屬曲麻萊縣，以西屬治多縣(圖1)。

圖1 不凍泉地區(qū)地理位置

該地區(qū)空氣稀薄，氣壓低，空氣含氧量?jī)H為標(biāo)準(zhǔn)大氣含氧量的61%左右，寒冷期漫長(zhǎng)，四季不分，多年凍土廣泛分布［1］。據(jù)五道梁氣象站歷年資料，該地區(qū)歷年平均氣溫為-6.2℃(圖2)。

圖2 五道梁氣象站年平均氣溫與10 年滑動(dòng)均值過(guò)程線

該區(qū)屬高山寒漠干旱氣候區(qū)，一般10 月份至翌年4 月份為干季，5—9 月份為濕季，歷年平均降水量約為270 mm，其中86%以上的降水集中在6—9月，年蒸發(fā)量約為1600 mm。該區(qū)平均風(fēng)速4.0 m/s，主導(dǎo)風(fēng)向以西北風(fēng)、西風(fēng)為主。

2 區(qū)域地質(zhì)條件

研究區(qū)屬巴顏喀拉—羌塘地層區(qū)，主要出露的地層有三疊紀(jì)、新近紀(jì)、第四紀(jì)地層，其他地層出露零星。受區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)的影響，區(qū)內(nèi)的主要斷層以北西走向?yàn)橹?圖3)。

2.1 區(qū)域地層

圖3 不凍泉地區(qū)地層與主要斷層示意圖

本區(qū)三疊紀(jì)地層為巴顏喀拉山群，主要分布于研究區(qū)的北部昆侖山區(qū)和西南部山區(qū)，出露巖性為深灰色板巖、砂質(zhì)板巖與灰色板巖互層夾粉砂巖、粉砂巖夾灰色板巖。

本區(qū)新近紀(jì)地層為五道梁組，主要分布于研究區(qū)的中部與南部山區(qū)，出露巖性為淺灰綠色泥灰?guī)r夾石膏及鹽巖等。

本區(qū)第四紀(jì)地層從下更新統(tǒng)到全新統(tǒng)都有出露，均為陸相沉積，在區(qū)內(nèi)廣泛分布，主要種類有冰磧、沖積、沖洪積、洪積、風(fēng)積等成因類型。

2.2 主要構(gòu)造斷裂

區(qū)內(nèi)主要斷層有5 條，其中北西向斷層4 條，北東向斷層1 條(圖3)。

F1斷層西起巴拉大才曲北側(cè)，經(jīng)昆侖山埡口至阿青崗欠日舊南，橫穿青藏公路和青藏鐵路，區(qū)內(nèi)東西向線性展布，傾向北，傾角60° ～75°，為一逆沖斷層，后期表現(xiàn)為左行走滑和正斷層性質(zhì)。F2斷層西起不凍泉西側(cè)，NWW 向展布于拉日日舊山南側(cè)，旁側(cè)巖層產(chǎn)狀紊亂，兩側(cè)巖層產(chǎn)狀相反，斷面北傾，傾角不詳，為阻水構(gòu)造。F3斷層沿不凍泉峽谷展布，為NE 向張扭性正斷層，斷層西傾，傾角不詳，為導(dǎo)水構(gòu)造。F2與F3相交于不凍泉，是不凍泉形成的地質(zhì)構(gòu)造條件［2］。F4為推測(cè)逆斷層，F(xiàn)5為隱伏正斷層。F4、F5均向北傾，這兩個(gè)斷層是清水湖周邊形成雙層含水層結(jié)構(gòu)的地質(zhì)構(gòu)造條件。

3 地下水類型劃分

有較多的學(xué)者對(duì)多年凍土區(qū)的地下水分類進(jìn)行了研究，但尚無(wú)統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，多數(shù)沿用H.N.托爾斯齊欣分類，即按照地下水埋藏條件把多年凍土區(qū)地下水分為凍結(jié)層上水、凍結(jié)層間水和凍結(jié)層下水3種類型［3］。

1982 年地質(zhì)礦產(chǎn)部出版的《區(qū)域水文地質(zhì)普查規(guī)范補(bǔ)充規(guī)定》指出在凍結(jié)層廣泛分布的地區(qū)應(yīng)把凍結(jié)層水作為一個(gè)單獨(dú)類型，并按照地下水含水層巖性把凍結(jié)層水分為松散巖類凍結(jié)層水和基巖類凍結(jié)層水2 個(gè)亞類。

1984 年郭鵬飛［3］按照地下水埋藏條件與貯存條件把多年凍土區(qū)地下水劃分成3 大類、13 種類型。1994 年王紹令等［4］按照地下水埋藏條件與多年凍土層之間的空間分布關(guān)系把多年凍土區(qū)地下水劃分成5 大類、8 種類型。

本次研究在充分利用前人成果基礎(chǔ)上，按照水文地質(zhì)調(diào)查的需要，根據(jù)不凍泉地區(qū)地下水的含水介質(zhì)與埋藏條件對(duì)地下水類型進(jìn)行劃分，見表1。融區(qū)是指在活動(dòng)層下，處于凍土層之中具有正溫、含水和不含水的，或具有負(fù)溫液態(tài)水的地質(zhì)體。融區(qū)是多年凍土區(qū)特有的一種地質(zhì)現(xiàn)象，不能離開多年凍土區(qū)而獨(dú)立存在，故本研究把融區(qū)內(nèi)賦存的融區(qū)水作為多年凍土區(qū)地下水的一種類型。

表1 不凍泉地區(qū)地下水類型劃分

4 地下水賦存條件與分布特征

4.1 基巖類凍結(jié)層水

不凍泉地區(qū)的北部、中部及西南地區(qū)均有基巖分布。區(qū)內(nèi)基巖受氣候環(huán)境與構(gòu)造活動(dòng)的影響，節(jié)理、裂隙發(fā)育，表層覆蓋的寒凍風(fēng)化巖屑坡與風(fēng)化殼為基巖類凍結(jié)層水的運(yùn)移和賦存提供了豐富的空間。區(qū)內(nèi)的多年凍土層將基巖類凍結(jié)層水劃分為基巖類凍結(jié)層上水與基巖類凍結(jié)下水，見圖4。

圖4 山區(qū)基巖類凍結(jié)層水分布特征示意圖

4.1.1 基巖類凍結(jié)層上水

基巖類凍結(jié)層上水賦存于基巖季節(jié)性融化層內(nèi)，在基巖分布區(qū)廣泛分布，厚度隨季節(jié)變化，一般不超過(guò)3 m。

在不凍泉地區(qū)東北、西南部海拔5 000 m 以上的極高山區(qū)，構(gòu)造活動(dòng)與寒冬風(fēng)化作用強(qiáng)烈，節(jié)理裂隙發(fā)育，寒凍風(fēng)化巖屑坡廣布，大氣降水豐富，常年性冰川融化補(bǔ)給穩(wěn)定，故該區(qū)的基巖類凍結(jié)層上水富水性較好，地下水徑流模數(shù)大于6 L/(s·km2)。在海拔5 000 m 以下的中低高山區(qū)與高海拔丘陵區(qū)，由于寒凍風(fēng)化程度較弱，大氣降水較少，故該區(qū)的基巖類凍結(jié)層上水富水性較差，地下水徑流模數(shù)小于1 L/(s·km2)。

4.1.2 基巖類凍結(jié)層下水

基巖類凍結(jié)層下水賦存于山區(qū)多年凍結(jié)層之下的裂隙和融隙內(nèi)，沿裂隙或融隙呈脈狀或條帶狀展布，具有承壓性。本區(qū)基巖裂隙凍結(jié)層下水主要賦存于北部山區(qū)與西南部山區(qū)的基巖裂隙和融隙內(nèi)。

北部山區(qū)砂板巖基巖的風(fēng)化帶多處在多年凍結(jié)層以內(nèi)，一定深度下的構(gòu)造裂隙不發(fā)育，屬于地下水的補(bǔ)給區(qū)，大氣降水、冰雪融水及凍結(jié)層上水通過(guò)融區(qū)滲入到一定深度，補(bǔ)給量很小，故本區(qū)基巖裂隙凍結(jié)層下水水量一般比較貧乏。據(jù)野外調(diào)查，唯獨(dú)在壓性、壓扭性斷裂上盤和張性斷裂帶內(nèi)富水性較好［5］。

西南部山區(qū)泥灰?guī)r的融隙和裂隙為基巖類凍結(jié)層下水提供了賦存空間。由于西南部山區(qū)海拔相對(duì)較低，地勢(shì)起伏，大氣降水較少，地下水以徑流排泄為主，地下水徑流過(guò)程短，速度快，故該區(qū)融隙相對(duì)發(fā)育較少，凍結(jié)層下水富水性一般，水質(zhì)較差。

4.2 松散巖類凍結(jié)層水

不凍泉地區(qū)的山間溝谷和山前傾斜平原堆積了較厚的第四紀(jì)地層，為松散巖類凍結(jié)層水的賦存和運(yùn)移提供了豐富的空間。區(qū)內(nèi)的多年凍土層將松散巖類凍結(jié)層水劃分為松散巖類凍結(jié)層上水與松散巖類凍結(jié)層下水。

4.2.1 松散巖類凍結(jié)層上水

松散巖類凍結(jié)層上水賦存于第四系季節(jié)性融化層內(nèi)，在不凍泉地區(qū)山間溝谷和山前傾斜平原廣泛分布，厚度隨季節(jié)而變化，但一般不超過(guò)3 m。由于區(qū)內(nèi)多年凍土層的影響，松散巖類凍結(jié)層上水的厚度薄，受微地貌控制，徑流過(guò)程短，多形成面狀不連續(xù)的含水體，富水性差，單井涌水量小于100 m3/d。松散巖類凍結(jié)層上水主要接受大氣降水、冰雪融水的補(bǔ)給，與地表水相互轉(zhuǎn)化后匯入河流湖泊，部分通過(guò)融區(qū)直接補(bǔ)給松散巖類凍結(jié)層下水以及被蒸發(fā)排泄。由于含水層薄，分布范圍廣，該類地下水蒸發(fā)濃縮作用強(qiáng)烈，是導(dǎo)致不凍泉地區(qū)荒漠化與土壤鹽漬化的主要因素之一。

4.2.2 松散巖類凍結(jié)層下水

松散巖類凍結(jié)層下水賦存于第四系多年凍結(jié)層之下的松散孔隙內(nèi)。該類地下水主要通過(guò)構(gòu)造融區(qū)、河湖融區(qū)獲得地表水和層上水的補(bǔ)給，徑流緩慢，交替滯緩，一般具承壓性，地下水位埋深較小，富水性差異較大。

本區(qū)從清水湖盆地至楚瑪爾河有厚度較大的更新世湖相沉積的泥巖夾泥灰?guī)r、粉砂巖地層分布。清水河沿線泥灰?guī)r分布區(qū)相對(duì)海拔較低，是平原區(qū)地下水的主要匯集區(qū)，地下水溶蝕作用強(qiáng)烈，融隙發(fā)育，為松散巖類凍結(jié)層下水的賦存提供了空間。受沿清水河流向展布隱伏正斷層F5的控制，清水河以北地區(qū)的松散巖類凍結(jié)層下水沿?cái)鄬由嫌浚乔逅有纬傻闹饕蛩亍?/p>

據(jù)資料，清水河以北6 號(hào)鉆孔處，凍結(jié)層下限14.7 m，含水層厚度23.2 ～59.7 m，靜水位+0.53 m，單井涌水量1 331 m3/d，礦化度1.89 g/L;清水河以南8 號(hào)鉆孔處，凍結(jié)層下限35.5 m，靜水位-15.6 m，單井涌水量259.2 m3/d，礦化度17.8 g/L［6］，見圖5。

圖5 清水河平原區(qū)水文地質(zhì)剖面

由此可見，松散巖類凍結(jié)層下水在清水河北區(qū)富水性較強(qiáng)，地下水徑流條件相對(duì)較高，水質(zhì)較差;清水河以南地區(qū)松散巖類凍結(jié)層下水富水性中等，地下水徑流緩慢，水質(zhì)極差。

4.3 融區(qū)水

在多種自然因素共同作用下，不凍泉地區(qū)多年凍土層內(nèi)形成了眾多融區(qū)。融區(qū)鑲嵌于多年凍土層中，破壞了凍土的連續(xù)性和凍土厚度的均勻性。根據(jù)融區(qū)的分布特征，可以把融區(qū)水劃分為河湖融區(qū)水和構(gòu)造融區(qū)水。根據(jù)融區(qū)與多年凍土層的空間關(guān)系，進(jìn)一步分為貫穿型融區(qū)與非貫穿型融區(qū)。其中貫穿型融區(qū)使凍結(jié)層上水與凍結(jié)層下水在局部產(chǎn)生了水力聯(lián)系，是多年凍土區(qū)地下水補(bǔ)給、徑流和排泄的通道。本研究主要對(duì)象為河湖融區(qū)和構(gòu)造融區(qū)中的貫穿型融區(qū)。

4.3.1 河湖融區(qū)水

河湖融區(qū)水賦存于河流、湖泊等地表水體形成的融區(qū)孔隙內(nèi)。不凍泉地區(qū)河流、湖泊眾多，本研究選擇區(qū)內(nèi)的楚瑪爾河與清水湖進(jìn)行研究。

清水湖地區(qū)地勢(shì)平緩，周邊為砂礫地，植被覆蓋度約為30%，湖面呈近圓形，寬度在2 km 以上。一般情況下，當(dāng)湖泊水面的寬度大于當(dāng)?shù)貎鐾梁穸鹊? 倍時(shí)，湖下面為貫穿融區(qū);而當(dāng)湖泊水面的寬度小于凍土厚度時(shí)，湖下面為不貫穿融區(qū)［7］，故推測(cè)清水湖底部存在貫穿型融區(qū)。據(jù)資料，清水湖入湖口的7 號(hào)鉆孔探明的凍土層厚度為1.5 ～16.8 m［5］。本次研究在清水湖岸邊40 m 內(nèi)打了4 口淺井對(duì)多年凍土上限進(jìn)行調(diào)查(圖6)，均探查到多年凍土上限，深度在1.27 ～1.45 m 之間。故推斷清水湖多年凍土上限的深度隨著水體厚度的增加而增大，貫穿型融區(qū)應(yīng)位于湖中心區(qū)域。

圖6 2009 年8 月中旬清水湖岸邊淺井剖面

區(qū)內(nèi)楚瑪爾河下游地區(qū)發(fā)育有河流融區(qū)。因河水流量大，河床及河漫灘沉積物顆粒粗，透水性好，地表水與地下水交替積極，地下水主要接受楚瑪爾河水及凍結(jié)層水補(bǔ)給，受河水熱傳導(dǎo)作用影響，沿河流存在寬度不等的條帶狀貫通融區(qū)。據(jù)楚瑪爾河河谷ZK4 號(hào)鉆孔資料，河流融區(qū)寬度1 ～1.5 km，楚瑪爾河河谷區(qū)含水層巖性為砂礫石，含水層厚度4.7 m，透水性好，滲透系數(shù)3.4 m/d，地下水位埋深0.8 m，水量較為豐富，單井計(jì)算涌水量163.1 m3/d，礦化度1.374 g/L，水質(zhì)一般，屬Cl·HCO3-Na·Ca 型水(圖7)。

4.3.2 構(gòu)造融區(qū)水

構(gòu)造融區(qū)水賦存于由于構(gòu)造活動(dòng)形成的斷裂帶內(nèi)的裂隙和孔隙內(nèi)。本區(qū)構(gòu)造融區(qū)水的分布與區(qū)內(nèi)的構(gòu)造活動(dòng)形成的斷層分布密切相關(guān)。由于多數(shù)構(gòu)造融區(qū)隱伏于地表以下一定深度，地面調(diào)查難以發(fā)現(xiàn)，故通過(guò)研究?jī)鼋Y(jié)層下水沿構(gòu)造裂隙融區(qū)上涌形成穩(wěn)定上升泉的發(fā)育條件來(lái)推斷構(gòu)造融區(qū)的分布特征。

圖7 楚瑪爾河下游河谷水文地質(zhì)剖面

野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，僅在區(qū)內(nèi)F5斷層的清水河源頭、F2和F3斷層交匯的不凍泉地區(qū)有上升泉群分布，沿這幾條斷層的展布方向沒有發(fā)現(xiàn)類似的上升泉泄出帶。由于這兩處上升泉群的流量、水溫常年較為穩(wěn)定，故推斷該兩處泉群的主要補(bǔ)給源為具有承壓性的凍結(jié)層下水含水層。由于上升泉分布的局限性與補(bǔ)給源的承壓性，故可推測(cè)構(gòu)造融區(qū)并非沿構(gòu)造活動(dòng)斷層帶大范圍展布，而是僅發(fā)育于構(gòu)造活動(dòng)斷層的局部地段。

一般情況下，構(gòu)造融區(qū)的地下水富水性較強(qiáng)，且水質(zhì)較好，具有一定的供水意義。

5 結(jié) 論

a. 基巖類凍結(jié)層水分為基巖類凍結(jié)層上水和基巖類凍結(jié)層下水。基巖類凍結(jié)層上水廣泛分布于不凍泉地區(qū)的山區(qū)內(nèi)，含水層厚度一般不超過(guò)3 m，除海拔5 000 m 以上極高山區(qū)外，其他地區(qū)富水性差。基巖類凍結(jié)層下水分布于不凍泉地區(qū)山區(qū)的局部地區(qū)，富水性一般較差，僅在壓扭性斷層、張性斷裂帶內(nèi)富水性較好。

b. 松散巖類孔隙水分為松散巖類凍結(jié)層上水和松散巖類凍結(jié)層下水。松散巖類凍結(jié)層上水廣泛分布于不凍泉地區(qū)的平原區(qū)和溝谷內(nèi)，含水層厚度一般不超過(guò)3 m，富水性較差。松散巖類凍結(jié)層下水分布于清水湖周邊地區(qū)，清水河以北地區(qū)富水性較強(qiáng)，清水河以南地區(qū)富水性中等。

c. 融區(qū)是凍結(jié)層上水與凍結(jié)層下水聯(lián)系的通道，地下水富水性一般較強(qiáng)。根據(jù)融區(qū)成因，將融區(qū)分為河湖融區(qū)和構(gòu)造融區(qū)。河湖融區(qū)主要分布于不凍泉地區(qū)較大湖泊中心區(qū)域與楚瑪爾河下游。湖泊融區(qū)呈面狀展布，河流融區(qū)呈條帶狀展布。構(gòu)造融區(qū)主要分布于構(gòu)造帶上的局部地段，多呈點(diǎn)狀分布。不凍泉地區(qū)內(nèi)，查明的構(gòu)造融區(qū)為F5斷層的清水河源頭，位于F2和F3斷層交匯處。

d. 構(gòu)造融區(qū)富水性較強(qiáng)，融區(qū)水不受季節(jié)性因素影響，流量穩(wěn)定，且水質(zhì)較好，具有較好的供水意義，是不凍泉地區(qū)地下水開發(fā)利用的主要目標(biāo)地下水類型。

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