三山島與焦家斷裂帶深部水文地質(zhì)參數(shù)特征對比研究

(山東黃金地質(zhì)礦產(chǎn)勘查有限公司，山東 萊州 261400)

三山島斷裂帶與焦家斷裂帶，是膠東西北部著名的金礦成礦帶。隨著淺部資源的日益減少，找礦工作逐漸轉(zhuǎn)向深部[1]。多年來，地質(zhì)工作者陸續(xù)在三山島斷裂帶與焦家斷裂帶的深部做了大量的地質(zhì)調(diào)查及水工環(huán)地質(zhì)工作[2]，先后施工了多個水文地質(zhì)孔，進行了鉆孔抽水試驗、注水試驗、壓水試驗。在收集整理和分析研究三山島斷裂帶與焦家斷裂帶鉆孔試驗資料的基礎(chǔ)上，重點分析典型金礦床深部的水文地質(zhì)參數(shù)特征，并進行了對比分析，以期提高對兩條斷裂帶深部水文地質(zhì)參數(shù)的認識。

1 構(gòu)造特征與水文地質(zhì)條件

1.1 構(gòu)造特征

三山島斷裂帶位于萊州市三山島—倉上—潘家屋子一帶，大部分地段被第四系覆蓋，地表出露長約12 km，寬20～400 m，平面上呈“S”形展布，總體走向40°～50°，傾向SE，傾角30°～40°，局部可達80°，屬壓扭性斷裂，主裂面發(fā)育有5～10 cm厚的灰黑色斷層泥[3]。三山島斷裂由北向南控制了三山島、新立、倉上等金礦[4]。近年來，在新立深部、三山島西嶺礦區(qū)及北部海域礦區(qū)發(fā)現(xiàn)的特大型金礦床，也受此斷裂控制。

焦家斷裂帶位于三山島斷裂之東，南起萊州市紫羅姬家一帶，北至龍口姚家，全長約60 km，寬50～500 m，斷裂在平面上呈“S”形，形態(tài)不規(guī)則，走向40°，傾向NW，傾角30°～50°，局部可達78°，主裂面發(fā)育有2～50 cm厚的灰黑色斷層泥。其下盤發(fā)育較多與其走向平行或呈“入”字形相交的分支構(gòu)造。新城、焦家、馬塘、寺莊、河?xùn)|、上莊等多個金礦受焦家斷裂或其旁側(cè)次級斷裂控制。

三山島斷裂帶與焦家斷裂帶大致平行展布，相向而傾，控制的礦體均具有“階梯式”分布規(guī)律[5]，即：金礦的控礦斷裂沿傾斜方向自淺部向較深部延展中，傾角不斷發(fā)生陡、緩交替變化，金礦體主要賦存于較平緩的臺階位置[6]。目前均已揭露了2個成礦臺階，三山島和焦家斷裂向深部延伸趨于交會，交會部位估計在地表以下4 500 m左右(圖1)。

1.2 水文地質(zhì)條件

(1)含水層：綜合考慮三山島斷裂帶與焦家斷裂帶各巖層的儲水方式、水力特征、富水性、所處位置及其對礦床開采的影響，將斷裂帶含水層劃分為第四系松散巖類孔隙含水層、基巖風化裂隙含水層、基巖構(gòu)造裂隙含水層[7]。第四系松散巖類孔隙含水層主要分布在區(qū)域的表層，巖性主要為中細砂、中粗砂、含礫亞砂土等，富水性中等-強，其中三山島斷裂帶第四系孔隙含水層水化學(xué)類型為Cl-Na型，焦家斷裂帶第四系孔隙含水層水化學(xué)類型為Cl·HCO3—Ca·Na型，前者礦化度較高，高達28 g/L?；鶐r風化裂隙含水層主要分布在第四系孔隙含水層之下，巖性主要為變輝長巖和二長花崗巖等，受構(gòu)造運動的影響程度以及裂隙、風化裂隙發(fā)育程度不同，富水性有所差異?；鶐r構(gòu)造裂隙含水層，主要分布在斷裂帶及構(gòu)造蝕變巖帶中裂隙較發(fā)育的部位，位于斷裂帶的中深部，主裂面又將其分為上盤構(gòu)造裂隙含水層與下盤構(gòu)造裂隙含水層，含水層富水性弱，常具有承壓特征。

圖1 焦家和三山島巨型金礦床礦區(qū)地質(zhì)圖(據(jù)文獻[1])

(2)隔水層：三山島斷裂帶隔水層有第四系粉質(zhì)粘土隔水層與中間隔水帶，第四系粉質(zhì)粘土隔水層位于第四系松散孔隙含水層與基巖風化裂隙含水層之間，巖性主要為黃褐色含礫石粉質(zhì)粘土。中間隔水帶位于三山島主斷裂的中間部位，呈條帶狀分布，巖性由斷層泥、糜棱巖，黃鐵絹英巖化碎裂巖等組成。焦家斷裂帶隔水層為中間隔水帶，位于焦家主干斷裂帶的中間部位，呈北北東向條帶分布，巖性由斷層泥及兩側(cè)的碎裂巖組成。

(3)含水層水力聯(lián)系：三山島斷裂帶第四系孔隙含水層與基巖風化裂隙含水層以及基巖構(gòu)造裂隙含水層之間不發(fā)生直接水力聯(lián)系。焦家斷裂帶第四系孔隙含水層與基巖風化裂隙含水層之間的水力聯(lián)系密切，第四系孔隙含水層與基巖構(gòu)造裂隙含水層通過二者之間的基巖風化裂隙含水層發(fā)生水力聯(lián)系。三山島斷裂帶與焦家斷裂帶上下盤構(gòu)造裂隙含水層之間分布著中間隔水帶，隔水帶的隔水性能良好，使二者不發(fā)生水力聯(lián)系[8]。

2 水文地質(zhì)參數(shù)求解

2.1 水文地質(zhì)參數(shù)求解方法

三山島斷裂帶與焦家斷裂帶深部水文地質(zhì)參數(shù)的求解，主要通過單孔穩(wěn)定流抽水試驗、鉆孔注水試驗以及鉆孔壓水試驗求得。單孔穩(wěn)定流抽水試驗應(yīng)用于該區(qū)大部分試驗孔，適用于地下水水位埋深不大，補給量較充足，并能夠滿足單孔穩(wěn)定流抽水試驗規(guī)范要求。根據(jù)含水層的特征，利用裘布依潛水潛水及承壓水井流公式求得含水層滲透系數(shù)K、影響半徑等[9-11]。鉆孔注水試驗適用于地下水水位埋深大，不便進行抽水試驗的鉆孔，利用注水試驗規(guī)程中的計算公式，可求得鉆孔滲透系數(shù)[12]。鉆孔壓水試驗適用于滲透性小的巖層，利用壓力與流量的關(guān)系，確定巖體滲透性。

2.2 鉆孔抽水試驗流程

(1)先進行下盤含水層抽水試驗，后進行上盤含水層抽水試驗，此流程下文簡稱“Ⅰ”。該試驗流程的工序為：鉆孔施工完畢后，進行洗孔、丈量孔深，下入止水裝置，檢查止水效果，安裝抽水設(shè)備進行下盤含水層抽水試驗，然后封閉下盤含水層，待水泥凝固后，再進行上盤含水層抽水試驗。該試驗流程的優(yōu)勢：可以分層直接求得上、下盤含水層的水文地質(zhì)參數(shù)。缺點：三山島斷裂帶與焦家斷裂帶施工的抽水試驗孔深度大，止水難度較大且效果差[13]，施工工序復(fù)雜，工期較長且成本相對高。

圖2 三山島斷裂帶與焦家斷裂帶含水層剖面示意圖

(2)先進行全孔混合抽水試驗，后進行上盤含水層抽水試驗，此流程下文簡稱“Ⅱ”。該試驗流程的工序為：鉆孔施工完畢后，進行洗孔、丈量孔深，安裝抽水設(shè)備進行全孔混合抽水，然后封閉下盤含水層，待水泥凝固后，再進行上盤含水層抽水試驗。該試驗流程的優(yōu)勢：工序簡單，無需進行上盤含水層的止水工作，工期短且成本較低。缺點：不能直接準確地獲得下盤含水層的水文地質(zhì)參數(shù)，需要進行進一步求解計算獲得下盤含水層水文地質(zhì)參數(shù)。

三山島斷裂帶與焦家斷裂帶抽水試驗孔，均選擇主裂面(中間隔水帶)深度大于600 m，可以較好地反應(yīng)深部水文地質(zhì)參數(shù)特征。深部水文地質(zhì)參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果表見表1。

3 結(jié)果與討論

3.1 水文地質(zhì)參數(shù)特征

(1)上盤含水層水文地質(zhì)參數(shù)：利用厚度加權(quán)平均法計算

(1)

式中：Kcp為平均滲透系數(shù)(m/d)；Hi為含水層各垂向分段厚度(m)；Ki為各垂向分段的滲透系數(shù)(m/d)；

三山島斷裂帶與焦家斷裂帶抽水試驗孔均對上盤含水層進行了單獨的抽水試驗。利用上述計算方法，三山島斷裂帶上盤含水層滲透系數(shù)平均值為0.000 8 m/d。焦家斷裂帶上盤含水層滲透系數(shù)平均值為0.001 5 m/d。三山島斷裂帶上盤含水層滲透系數(shù)平均值小于0.001 m/d，可視為相對隔水層，以往提交的勘查報告也說明了這一點，有的將其概化為上盤含水層，也有的將上盤完整部分視為相對隔水巖體或隔水巖體看待。

表1 水文地質(zhì)參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果表

注：A-單孔穩(wěn)定流抽水試驗；B-鉆孔注水試驗；C-鉆孔壓水試驗

(2)下盤含水層水文地質(zhì)參數(shù)：單個抽水試驗孔下盤含水層滲透系數(shù)是通過含水層厚度加權(quán)平均法計算的[14]，公式為K下盤=(K全孔·H全孔-K上盤·H上盤)/H下盤，其中H為含水層厚度；對斷裂帶上各個抽水孔下盤含水層滲透系數(shù)利用公式(1)計算，結(jié)果顯示，三山島斷裂帶下盤含水層滲透系數(shù)平均值為0.003 6 m/d。焦家斷裂帶下盤含水層滲透系數(shù)平均值為0.005 3 m/d，其中焦家斷裂帶利用流程“Ⅰ”(編號1-4)直接求得的下盤含水層滲透系數(shù)平均值為0.004 6 m/d，利用流程“Ⅱ”(編號5-8)間接求得的下盤含水層滲透系數(shù)平均值為0.005 9 m/d。

(3)注水試驗孔水文地質(zhì)參數(shù)：焦家斷裂帶對三個深部鉆孔(編號9-11)進行了分段注水試驗，深度大于600 m的試段，含水層滲透系數(shù)利用公式(1)計算值為0.007 7 m/d。

(4)壓水試驗孔水文地質(zhì)參數(shù)：三山島斷裂帶對兩個深部鉆孔(編號16-17)進行了鉆孔壓水試驗，由表1可知主斷裂深度較深，試段大部分位于主斷裂的上盤，滲透系數(shù)遠遠小于0.001 m/d，近乎于0，說明1 500 m以下的深部巖體完整性相對較好，透水性極弱。

3.2 對比分析

(1)三山島斷裂帶與焦家斷裂帶上盤含水層滲透系數(shù)均小于下盤含水層滲透系數(shù)，三山島斷裂帶上、下盤含水層滲透系數(shù)分別小于焦家斷裂帶上、下盤含水層滲透系數(shù)，對比結(jié)果見表2。對比分析表明：兩條斷裂帶上盤巖體透水性均弱于下盤巖體；三山島斷裂帶的巖體透水性整體弱于焦家斷裂帶，尤其下盤滲透系數(shù)之間的差值較大，表明焦家斷裂帶下盤構(gòu)造裂隙較發(fā)育，透水性好，這與前文敘述其下盤構(gòu)造特征相符。

表2 抽水試驗滲透系數(shù)結(jié)果對比表 m/d

(2)焦家斷裂帶鉆孔分段注水試驗滲透系數(shù)在垂向上隨深度(試驗段中間值)變化情況見圖3。以600 ms深度為界，對比分析表明：600 m以上淺部，滲透系數(shù)波動較大，沒有規(guī)律性，說明淺部裂隙發(fā)育程度不同，具有顯著的不均勻特點；600 m以下深部，滲透系數(shù)波動較小，說明深部裂隙隨深度發(fā)育較淺部均勻，透水性趨于穩(wěn)定。

圖3 注水試驗孔滲透系數(shù)與深度關(guān)系曲線圖

(3)三山島斷裂帶壓水試驗孔，對比ZK112-2與ZK96-5分析結(jié)果表明：隨著深度加深，滲透系數(shù)進一步發(fā)生顯著降低，趨于0，說明巖體隨深度加深的完整性變好，透水性減弱。

(4)三山島斷裂帶編號13-15抽水試驗孔，是結(jié)合物探測井準確判斷了上、盤含水層厚度，不同于其它抽水試驗孔將試驗段長度視為含水層厚度。由表1含水層厚度對比分析可知：物探測井孔上盤含水層厚度均小于下盤含水層厚度，與三山島斷裂帶上盤含水層特征相符，含水層實際厚度較小。

(5)下盤含水層是深部金礦床的直接充水含水層。下盤含水層滲透系數(shù)的求解，是為了通過大井法、集水廊道法等解析法，預(yù)測礦坑未來開采時的涌水量。由于構(gòu)造裂隙發(fā)育的不均勻性以及單孔抽水試驗自身的弊端(一個抽水孔而無觀測孔的抽水試驗，成果精度較低[15-16])，造成單孔抽水試驗獲取的滲透系數(shù)代表性有限，實際應(yīng)用中常取同一礦區(qū)多個抽水試驗孔下盤含水層滲透系數(shù)的平均值代入計算。這種方法對礦井涌水量預(yù)測的精度在0.3～0.5之間。由于三山島斷裂帶與焦家斷裂帶淺部金礦床已開發(fā)利用多年，積累了大量礦井涌水量實際觀測資料，利用水文地質(zhì)比擬法，對斷裂帶深部金礦床進行涌水量預(yù)測，往往準確度較高，涌水量預(yù)測的精度在0.5～0.7之間。實際工作中，解析法與比擬法常對比使用。

4 結(jié)語

(1)三山島斷裂帶與焦家斷裂帶深部滲透系數(shù)均較小，巖石透水性整體較弱。上盤含水層滲透系數(shù)較下盤含水層滲透系數(shù)小，三山島斷裂帶含水層滲透系數(shù)整體小于焦家斷裂帶。

(2)滲透系數(shù)隨深度變化在淺部波動性大，深部波動性小，滲透系數(shù)在深部趨于穩(wěn)定。淺部裂隙發(fā)育程度隨深度變化差異較大，具有顯著的不均勻性特點。

(3)1500m深度以下，巖體滲透系數(shù)進一步減小，趨近于0，在上盤的深部巖石相對完整，透水性極弱。

(4)上盤含水層實際厚度小于下盤含水層實際厚度。鉆孔抽水試驗流程“Ⅱ”在實際應(yīng)用中使用較多，結(jié)合物探測井工作對含水層厚度的準確判斷，可以較為準確的計算出下盤含水層的水文地質(zhì)參數(shù)。

(5)礦區(qū)滲透系數(shù)的厚度加權(quán)平均法可以提高涌水量預(yù)測的精度。

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