淺析破裂構(gòu)造的水文地質(zhì)特征及其影響因素

李 帥

(河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局第四地質(zhì)大隊(duì)，河南鄭州450016)

1 破裂構(gòu)造的定義、種類(lèi)

破裂構(gòu)造是地殼中的巖石體(地質(zhì)體)內(nèi)部應(yīng)力集中，使巖石體(地質(zhì)體)產(chǎn)生破裂和破裂位移的一種地質(zhì)構(gòu)造。

按巖石體(地質(zhì)體)的受力大小、破裂程度大致可分為劈理、節(jié)理、斷層、斷層裂隙帶等。

2 破裂構(gòu)造的水文地質(zhì)特征

2.1 劈理的水文地質(zhì)特征

劈理是巖石體(地質(zhì)體)原生面理和次生面理中的一種，是巖石體(地質(zhì)體)在地應(yīng)力作用下，巖石體(地質(zhì)體)開(kāi)始變形—位移—破裂過(guò)程中早期變形的產(chǎn)物，其形成不僅與地殼較深層次的變形、變質(zhì)有關(guān)，還與褶皺、斷層和區(qū)域性流變構(gòu)造在幾何上或成因上有關(guān)。

劈理面兩側(cè)的巖石沒(méi)有發(fā)生位移，所以劈理的寬度及其延展性不深、不遠(yuǎn)，本身富水性、透水性相對(duì)較弱，在沒(méi)有別的構(gòu)造影響時(shí)其作為地下水的運(yùn)移通道也不暢通。

從劈理的結(jié)構(gòu)看劈理域比劈理石富水性、透水性較好;從劈理的分類(lèi)來(lái)看，破劈理、剪劈理相對(duì)流劈理的透水性較好。

2.2 節(jié)理的水文地質(zhì)特征

節(jié)理是巖石體(地質(zhì)體)在應(yīng)力作用下巖石沒(méi)有明顯位移的一種破裂，是巖石體(地質(zhì)體)開(kāi)始變形—位移—破裂過(guò)程中的中期產(chǎn)物。一次構(gòu)造作用中形成的節(jié)理一般是有規(guī)律的，且是成群出現(xiàn)的，并構(gòu)成一定的組合模式，即節(jié)理組和節(jié)理系，這種節(jié)理組和節(jié)理系構(gòu)成了地下水的儲(chǔ)聚場(chǎng)所和運(yùn)移通道。在同等條件下，張節(jié)理要比剪節(jié)理透水性強(qiáng)，但在復(fù)雜的地質(zhì)作用下，節(jié)理的富水性、透水性與節(jié)理的密度、延展性、充填程度、膠結(jié)程度等地質(zhì)條件密切相關(guān)。

2.3 斷層的水文地質(zhì)特征

斷層是巖石體(地質(zhì)體)中順破裂面發(fā)生明顯位移的一種破裂，斷層發(fā)育廣泛，常?？刂浦鴧^(qū)域地質(zhì)格架。不僅控制區(qū)域地質(zhì)的結(jié)構(gòu)和演化、影響區(qū)域成礦作用，還控制著區(qū)域地下水的邊界和流場(chǎng)。

斷層對(duì)礦區(qū)的水文地質(zhì)條件有兩方面的影響，一方面可以溝通各含水層的水力聯(lián)系，增加水文地質(zhì)條件的復(fù)雜程度;另一方面還往往會(huì)形成隔水墻，從而更有利于礦床的開(kāi)發(fā)。這兩種截然不同的影響主要取決于導(dǎo)水?dāng)鄬雍透羲當(dāng)鄬泳哂型耆煌乃牡刭|(zhì)特征。因此從水文地質(zhì)角度來(lái)研究斷層，首先就是判斷它的透水性。

圖1 劈理中的劈理域和微霹靂石

圖2 大理巖中的流劈理

圖3 砂巖和粉砂巖中的破劈理

2.4 斷層破碎帶的水文地質(zhì)特征

斷層經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的地質(zhì)作用，形成更寬、延伸更深、更遠(yuǎn)的破碎帶，即斷層破碎帶。其水文地質(zhì)特征基本與斷層相似，但它比斷層儲(chǔ)水量更大、導(dǎo)水性更強(qiáng)，因?yàn)閿鄬觾蓚?cè)的碎裂巖裂隙更發(fā)育，儲(chǔ)水空間更大，地下水的運(yùn)移通道更暢通，所以在礦床開(kāi)采過(guò)程中必須認(rèn)真對(duì)待。

3 影響破裂構(gòu)造水文地質(zhì)特征的因素

影響破裂構(gòu)造水文地質(zhì)特征的因素很多，下面只對(duì)幾種主要的因素結(jié)合實(shí)例加以論述。

3.1 不同力學(xué)性質(zhì)對(duì)破裂構(gòu)造水文地質(zhì)特征的影響

圧、張、扭這三種基本類(lèi)型破裂的富水情況，有人認(rèn)為由于其開(kāi)張程度是張＞扭＞圧，如無(wú)后期改造(如巖脈充填等)，它們的富水性是張性＞扭性＞圧性。吉林第二水文地質(zhì)大隊(duì)據(jù)某工區(qū)的12個(gè)抽水試驗(yàn)成果，把破裂的力學(xué)性質(zhì)對(duì)破裂的透水性的影響歸納如表1:

表1 力學(xué)性質(zhì)對(duì)透水性的影響

從一般概念得出這種認(rèn)識(shí)，顯然會(huì)使人們感覺(jué)過(guò)于籠統(tǒng)，不夠科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)。因?yàn)椴煌W(xué)性質(zhì)的破裂，往往不能直接同其開(kāi)裂程度聯(lián)系在一起:即使典型的張性破裂，隨著埋深的增加、圍巖壓力的加大以及多期構(gòu)造的影響，往往也不可能存在開(kāi)敞狀態(tài)。單個(gè)正斷層或地塹式斷陷盆地，由于上盤(pán)的重力下滑，最終仍將形成閉合斷面。張性破裂相對(duì)于其它性質(zhì)的破裂，與富水程度有關(guān)的特點(diǎn)僅在于斷面的粗糙程度和碎裂充填物的粒徑不同。為此，在研究不同力學(xué)性質(zhì)破裂的水文地質(zhì)特征時(shí)，必須結(jié)合各種影響因素做全面的分析。

(1)圧性及圧扭性應(yīng)力的影響

圧性及圧扭性應(yīng)力形成的破裂往往破碎帶較寬，一般規(guī)律是斷帶寬度與純圧應(yīng)力增大，相應(yīng)剪應(yīng)力減小成正相關(guān)，主斷面若具有明顯的糜棱巖、斷層泥和擠壓鏡體時(shí)，往往具有良好的隔水性。然而斷面兩側(cè)的壓碎巖和碎裂巖帶常成為地下水通道，其中上盤(pán)比下盤(pán)的透水性更明顯;另外。圧性斷面的陡緩對(duì)破裂的透水性也有一定的影響，一般來(lái)說(shuō)，脆性巖石中的高角度沖斷層由于更易于圧應(yīng)力的集中，斷面附近巖石的碎裂程度和斷帶寬度可能相對(duì)較大，斷層往往具弱透水性。相反，柔性巖石產(chǎn)生的低角度逆掩斷層在斷層推覆過(guò)程中，由于糜棱巖和泥質(zhì)的充填往往不易透水，有時(shí)還可能形成天然隔水墻，構(gòu)成礦區(qū)不透水邊界。

(2)張性及張扭性應(yīng)力的影響

張性破裂追隨x型剪切呈鋸齒狀延伸，其特點(diǎn)是第一序次縱張多沿一組節(jié)理拉開(kāi)，第二序次橫張多沿兩組節(jié)理同時(shí)拉開(kāi)如圖4。

圖4(a)沿兩組節(jié)理裂開(kāi);(b)沿一組節(jié)理裂開(kāi)。

關(guān)于張裂的深度有人認(rèn)為要比剪性和圧性破裂的深度小，其實(shí)這是一種誤解?？偟膩?lái)說(shuō)張性破裂向下延伸的深度差別很大，一般情況是橫張的深度小于縱張。這同板塊觀點(diǎn)對(duì)大裂谷的認(rèn)識(shí)是吻合的，因此對(duì)張裂的深度問(wèn)題不能一概而論。

張性破裂面雖沒(méi)有圧性破裂面那么寬，但張性角礫巖比較粗大、發(fā)育，角礫的平均粒徑一般與純張應(yīng)力增大、相應(yīng)剪應(yīng)力減小成正相關(guān)。剪應(yīng)力愈弱糜棱巖愈不發(fā)育，斷帶相應(yīng)的孔隙度、裂隙度愈大，透水性就愈強(qiáng)。另外張性破裂還具有斷距愈小透水性愈好的特點(diǎn)，反之則弱。

(3)以剪應(yīng)力為主的影響

在脆性巖體中破裂面平直光滑，單個(gè)剪節(jié)理不具有透水性，但兩組節(jié)理交叉部位透水性可能增強(qiáng)，特別是石灰?guī)r、白云巖分布地區(qū)，剪裂面交匯處易轉(zhuǎn)變?yōu)槿芪g裂隙，透水性明顯增強(qiáng)。河南焦作煤田就存在這種情況。除了大洋中脊兩側(cè)轉(zhuǎn)換斷層之外，在大陸殼內(nèi)部，由純剪應(yīng)力造成的較大的斷層是比較少見(jiàn)的，更多的是以扭性為主兼具圧性或張性的斷裂，這種斷裂水文地質(zhì)特征一般規(guī)律是:伴隨著圧性相對(duì)愈強(qiáng)，斷裂愈不易透水，伴隨著張性相對(duì)愈強(qiáng)，斷裂透水性愈好。這是因?yàn)橐耘ば詾橹鞯臄嗔褦嗝婧苷?，兩邊幾乎不存在破碎帶，斷裂的透水性?xún)H取決于斷面本身的閉合程度和破碎巖粒的粗細(xì)以及充填情況，由于扭性兼圧性斷裂與扭性兼張性斷裂在閉合程度和泥質(zhì)充填情況均存在這種差別，顯然前者比后者不易透水。

3.2 巖性對(duì)破裂構(gòu)造水文地質(zhì)特征的影響

由于破裂的規(guī)模不同，兩側(cè)巖石可能出現(xiàn)各種組合情況，這類(lèi)問(wèn)題在地層和巖性單一的地區(qū)表現(xiàn)不明顯，但在含水層和隔水層迭次出現(xiàn)、垂向巖性變化較大的地區(qū)，破裂切過(guò)不同巖性地段時(shí)，水文地質(zhì)特征就會(huì)有很大差別。如河南北部地區(qū)的情況就是:(1)在地層的垂直厚度上泥巖和砂質(zhì)泥巖相對(duì)于砂巖和灰?guī)r較厚，也就是隔水層的相對(duì)厚度比含水層大。(2)泥巖和砂質(zhì)泥巖組成的不透水層按層序自下而上厚度不斷加大，這種現(xiàn)象導(dǎo)致當(dāng)?shù)氐拇蠖鄶?shù)高角度正斷層一般透水性較差。

圖5 焦作煤田王封礦區(qū)邊界斷裂示意圖

以焦作煤田王封礦舉例說(shuō)明巖性對(duì)破裂水文地質(zhì)的影響，該礦區(qū)位于兩條相互平行、走向近東西的張扭性斷層形成的斷陷盆地中，構(gòu)成礦區(qū)北部邊界的中站斷層F1使石炭系各含水層與礦區(qū)二疊系弱含水層接觸，成為不透水邊界。礦區(qū)南部的天宮斷層F2使煤系地層的大部分與奧陶系石灰?guī)r接觸，構(gòu)成透水邊界(因鉆孔揭露該斷層時(shí)都出現(xiàn)漏水現(xiàn)象)。

巖石性質(zhì)對(duì)破裂構(gòu)造的水文地質(zhì)特征影響還表現(xiàn)在某些基性火山巖、粘土礦物含量較高的淺變質(zhì)巖，特別是石灰?guī)r、大理巖，它們具有在地表淺部顯脆性，在深部側(cè)限圍圧較大時(shí)顯柔性的特點(diǎn)，因而在這些巖石分布地區(qū)出現(xiàn)的規(guī)模較大的斷層，水文地質(zhì)特征在垂向上的變化是越向深部透水程度越差。

總之破裂構(gòu)造兩側(cè)的巖性對(duì)破裂的透水性影響有以下幾點(diǎn):

(1)破裂在走向和傾向上由于切割的巖性不同使斷面在不同部位具有不同的水文地質(zhì)特征，因而在某些情況下不能籠統(tǒng)的把某一破裂說(shuō)成透水或不透水;

(2)兩盤(pán)有位移的斷層，若斷層兩側(cè)均為柔性巖石，而斷層的力學(xué)性質(zhì)又以圧性或扭性為主，該斷面不透水;若張性為主，該斷面弱透水。若斷層兩側(cè)均為脆性巖石，斷面的透水性要根據(jù)斷距錯(cuò)動(dòng)范圍內(nèi)的巖石組合情況、斷層的力學(xué)性質(zhì)、巖層本身的富水程度、斷面的傾角陡緩等因素具體判斷:若錯(cuò)動(dòng)范圍內(nèi)柔性巖層占比例大，斷面傾角愈小，斷層的透水性相對(duì)愈差，反之則強(qiáng)。

(3)地層沒(méi)有經(jīng)過(guò)明顯位移的擠壓破碎帶，一般僅在脆性巖層中出現(xiàn)，相鄰的柔性巖層雖然也處于同一應(yīng)力作用下，但它的變形特征往往以側(cè)向壓密或更大范圍內(nèi)揉皺的出現(xiàn)而取代了破碎帶的形式，因而與巖性直接有關(guān)的這種破碎帶愈發(fā)育，它的透水性也就愈好。

(4)斷層的透水性在某些條件下具有方向性。在緩傾斜的層狀巖層中，斷層在水平方向(走向)上的透水性比較均一;在近于垂直方向(傾向)上的透水性比較不均一。對(duì)傾角較陡的巖層，透水性較復(fù)雜，不存在上述特征。

(5)在柔性巖層地區(qū)，規(guī)模較大的斷層的透水性越向深部越弱。

3.3 構(gòu)造的多期迭加對(duì)破裂構(gòu)造水文地質(zhì)特征的影響

(1)多期迭加的影響

一條破裂形成后，后期在新的應(yīng)力作用下，破裂面會(huì)重新活動(dòng)，經(jīng)過(guò)兩次或兩次以上的活動(dòng)使老的破裂水文地質(zhì)特征更加復(fù)雜化，雖然目前研究的不夠，但從觀察斷面充填特征上足以說(shuō)明由于細(xì)粒充填物質(zhì)的增多，會(huì)大大減低破裂的透水性。破裂經(jīng)多次活動(dòng)，其中最后一次活動(dòng)的力學(xué)性質(zhì)常對(duì)破裂的透水性產(chǎn)生主要影響。

(2)交叉構(gòu)造的影響

不同方向的兩條破裂交叉，使地下水的徑流條件發(fā)生變化，總的趨勢(shì)是交叉部位的水文地質(zhì)條件比較復(fù)雜:兩條都透水的破裂交叉，其交叉部位透水性會(huì)更強(qiáng);一條透水與一條不透水的破裂交叉，就要看不透水破裂的走向與地下水流向之間的夾角的大小，總的來(lái)說(shuō)由于不透水?dāng)鄬拥淖杷饔茫蛊渥钄嗟牡叵滤诮徊娌课灰子趨R集;若兩條破裂都是不透水的，由于交叉部位的破裂寬度加大，也可能增強(qiáng)該部位的富水程度。從礦床排水角度來(lái)說(shuō)，破裂交叉總是不利的。

(3)不同類(lèi)型構(gòu)造迭加的影響

在褶皺上迭加破裂或破裂之后又經(jīng)歷褶皺，這兩種情況都會(huì)使水文地質(zhì)條件變復(fù)雜，這兩種構(gòu)造形式迭合后大致會(huì)表現(xiàn)出兩種特點(diǎn):一種是迭合后比沒(méi)迭前的單一破裂透水性更強(qiáng);另一種是迭合后的構(gòu)造透水性不均勻，不同的地段差別比較明顯，透水性強(qiáng)的地段往往有泉的出露。

河南禹州市境內(nèi)位于不同迭加構(gòu)造部位煤礦的水文地質(zhì)條件就是很好的例證:位于薈萃山—風(fēng)后嶺背斜軸部的無(wú)梁煤礦、朱閣煤礦、平禹一礦等煤礦，由于背斜軸部的張姓裂隙發(fā)育，淺部風(fēng)化裂隙密集，地下水徑流暢通，下部巖溶發(fā)育，含水層富水性強(qiáng)，巖溶涌水量大，造成多次停產(chǎn)。平禹一礦回風(fēng)巷1985年突水，水量2 400 m3/h，東大巷2005年突水，水量38 056 m3/h。

若早期褶皺弱，后期破裂的透水性也會(huì)較弱，但在破裂與褶皺軸的交叉部位，透水性相對(duì)更為明顯。又如烏魯木齊附近的水磨溝泉群正是出露在妖魔山背斜被一組扭性斷裂切割的構(gòu)造部位。

破裂之后又經(jīng)歷褶皺的迭合構(gòu)造使水文地質(zhì)條件更加復(fù)雜，后期褶皺的改造作用使圧張扭各種應(yīng)力方式同時(shí)作用在早期斷面的不同部位，致使斷帶各處透水性有較大差別。在這種情況下要特別注意不應(yīng)把破裂帶某一局部地段的水文地質(zhì)特征用來(lái)代表整個(gè)破裂構(gòu)造的透水性。

4 結(jié)語(yǔ)

論述了破裂構(gòu)造(劈理、節(jié)理、斷層、斷層帶)在一般情況下都具有富水性、透水性。只是由于地質(zhì)作用的不同，即在不同應(yīng)力、不同構(gòu)造部位、不同巖性等具體環(huán)境中水文地質(zhì)特征是千變?nèi)f化的，不能一概而論。

本文也通過(guò)實(shí)例證明了破裂構(gòu)造是決定著含水層空間展布、變化、中斷、連通的控制因素，因而在我們進(jìn)行礦床水文地質(zhì)工作時(shí)，要始終貫穿加強(qiáng)破裂構(gòu)造研究的指導(dǎo)思想，對(duì)于揭示礦床水文地質(zhì)規(guī)律具有重要意義。