臨沂北城新區(qū)礦山水文地質(zhì)特征及形成機(jī)理分析

張宗元，楊能上，王 飛

（山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 濟(jì)南 250109）

臨沂地處沂沭斷裂帶中、南段，地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境復(fù)雜，經(jīng)歷了復(fù)雜的沉積、巖漿、變質(zhì)、構(gòu)造等地質(zhì)事件，形成一套較為完整的礦石和構(gòu)造體系，為礦山地下水的形成提供了有利的地質(zhì)、構(gòu)造條件[1，2]。本文以山東臨沂北城新區(qū)礦山水文地質(zhì)勘查資料為例，對(duì)該區(qū)礦山地下水的形成機(jī)理及分布特征進(jìn)行了研究探討，以期對(duì)同類礦區(qū)水文地質(zhì)資源勘查評(píng)價(jià)和開發(fā)利用提供指導(dǎo)作用。

1 區(qū)域地質(zhì)條件

圖1 礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造略圖

在蒙山斷裂帶的南部、鄌郚—葛溝斷裂帶的西部、尼山—蒼山斷裂帶的北側(cè)均發(fā)現(xiàn)了地下水徑流，流經(jīng)方向?yàn)閺奈鞅狈较虻綎|部方向，并將礦區(qū)劃分為兩個(gè)不同級(jí)別的地質(zhì)構(gòu)造單元，即臨沂穹斷、平邑凹陷。礦區(qū)內(nèi)的各個(gè)地層在構(gòu)造控制的情況下發(fā)育良好。具有代表性的地層為二疊系、古生代寒武系、石炭系、太古界泰山巖群、奧陶系、白堊系；新生代古近系、新近系以及第四紀(jì)松散堆積物等。

2 區(qū)域水文地質(zhì)條件

山東臨沂北城新區(qū)礦山地下水類型可大致分為四種類型即基巖裂隙水、松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖類裂隙巖溶水、碎屑巖類孔隙裂隙水。而在地層特性、地貌等相關(guān)因素的影響下礦山地下水賦存形態(tài)發(fā)生變化，水文地質(zhì)分區(qū)以孟家村常家莊斷裂帶為界分屬臨沂單斜水文地質(zhì)單元、平邑—方城地塹水文地質(zhì)單元。

2.1 臨沂單斜水文地質(zhì)單元

本次研究礦區(qū)由鄌郚—葛溝斷裂帶、臨沂弧形斷裂組、孟家村常家莊斷裂帶共同組成。礦區(qū)地下水的最主要的補(bǔ)給來源為大氣降水，而少量的變質(zhì)巖裂隙水、裂隙巖溶水也會(huì)滲入到地層中，為礦區(qū)地下水提供少量的補(bǔ)給，無(wú)論哪種地下水補(bǔ)給方式，徑流方向與地層的傾斜方向，徑流方向?yàn)橛蒞N向ES，在徑流范圍內(nèi)會(huì)有降水補(bǔ)充，以至于地下水的流量不斷增大。研究礦區(qū)內(nèi)地下水有多種排泄方式，可以進(jìn)行人工開采，也可通過地質(zhì)構(gòu)造破碎帶對(duì)礦山地下水進(jìn)行開采。

2.2 平邑—方城地塹水文地質(zhì)單元

平邑—方城地塹水文地質(zhì)單元處于孟家村常家莊和蒙山斷裂帶中間地帶。礦山地下水主要依靠大氣降水來進(jìn)行補(bǔ)給，礦區(qū)南側(cè)的白堊系裂隙水和北側(cè)的蒙山斷快凸起的潛流水也為礦區(qū)地下水提供了一定數(shù)量的補(bǔ)給；礦山斷層走向、地下水的徑流方向、地形坡向大致相同，NW方向到SE方向，流經(jīng)途中有降水持續(xù)進(jìn)行補(bǔ)給，我們發(fā)現(xiàn)徑流的補(bǔ)充量有持續(xù)增加的趨勢(shì)，礦區(qū)深部地層地下水徑流到斷裂帶時(shí)會(huì)受有一定阻力，一部分地下水徑流補(bǔ)給了第四系孔隙水，另外一部分徑流量沿?cái)嗔哑扑閹懦隽搜芯繀^(qū)域。

3 礦區(qū)地下水形成機(jī)理

礦區(qū)地處沂沭斷裂帶以西，區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，具備源、通、儲(chǔ)、蓋地下水的形成機(jī)理，具有良好的水文地質(zhì)形成條件，該區(qū)地下水是經(jīng)過漫長(zhǎng)而復(fù)雜的溶濾作用和不斷的循環(huán)徑流交替形成，成因?yàn)閭鲗?dǎo)對(duì)流型，地下水溫度主要取決于地下水的循環(huán)深度及徑流排泄條件，礦區(qū)地下水的賦存及分布嚴(yán)格受構(gòu)造控制[3]。該礦田以孟家村—常家莊斷裂帶（汶泗斷裂）為界將礦田分為I和II兩個(gè)地下水的儲(chǔ)區(qū)，I區(qū)屬于平邑—方城地塹水文地質(zhì)單元，II區(qū)屬于臨沂單斜水文地質(zhì)單元。

3.1 礦區(qū)地下水的來源

礦區(qū)屬于沂沭斷裂帶大地徑流高值區(qū)，水文地質(zhì)資源主要來自地殼深處的徑流傳導(dǎo)，其次是巖漿熱液活動(dòng)及放射性元素蛻變，根據(jù)物探資料，該地區(qū)為莫霍面相對(duì)隆起區(qū)，可從地球內(nèi)部向地表傳導(dǎo)相對(duì)較高的徑流量，有利于地下水形成。根據(jù)DR1和DR2的和水質(zhì)分析資料、同位素資料分析地下水的補(bǔ)給來源為大氣降屬大氣成因，地下水的補(bǔ)給主要來源于臨沂南部灰?guī)r裸露區(qū)和西部平邑山區(qū)地下水的深部徑流補(bǔ)給，經(jīng)深循環(huán)而形成。本地區(qū)的地下水儲(chǔ)蓋層為第四系、白堊系八畝地組及石炭—二疊系，主要由粘土、玄武安山巖、泥巖及頁(yè)巖構(gòu)成，熱導(dǎo)率低，是良好的不透水蓋層。

3.2 礦區(qū)地下水含水層

礦區(qū)廣泛隱伏著寒武系、奧陶系地層，地層傾向分別從南西向礦區(qū)傾斜，南淺北深，在礦區(qū)形成深部巖溶凹地，具有較好的水文資源儲(chǔ)存空間，形成深部地下水儲(chǔ)存區(qū)域[3]，儲(chǔ)存形態(tài)嚴(yán)格受構(gòu)造控制，呈帶狀兼層狀，水文資源儲(chǔ)層為寒武系、奧陶系灰?guī)r溶蝕發(fā)育帶為主，巖性主要為灰?guī)r，該套地層巖石破碎，含水層發(fā)育，裂隙巖溶率為5%～25%，頂板埋深一般800m～1300m，底板埋深一般1300m～2200m[4]，具體見表1。

表1 各區(qū)段含水層特征一覽表

3.3 礦區(qū)地下水通道

在礦區(qū)內(nèi)各斷裂帶的影響下，為地下水的徑流提供了場(chǎng)所，特別是沂沭斷裂帶周圍，地層巖系發(fā)育良好，為地下水的運(yùn)移提供了便利條件。

4 礦區(qū)地下水的水化學(xué)特征

在礦區(qū)地下沉積環(huán)境、含水介質(zhì)化學(xué)成分、地下水循環(huán)、水化學(xué)等幾方面因素的共同作用下促使了地下水的成分形成，礦區(qū)地下含水層、地質(zhì)活動(dòng)、大氣降水成為地下水補(bǔ)給的主要來源[6]。地下水的化學(xué)因素不只是地質(zhì)環(huán)境性狀與功能的表征，而且是制約地下水中元素濃度、固—液相分配、形態(tài)和遷移轉(zhuǎn)化的直接因素[5]。從臨沂北城礦區(qū)I區(qū)段DR1和II區(qū)段DR3地下水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果可知：該礦田是地下水化學(xué)特征具有明顯的區(qū)域分區(qū)性，II區(qū)段的礦化度、總硬度和主要陰陽(yáng)離子組分含量均低于I區(qū)段[4]。I區(qū)段區(qū)下中元素的摩爾濃度比rNa/rCl=1.068，II區(qū)段地下水中的元素的摩爾濃度比rNa/rCl=1.46，其系數(shù)均高于大洋水（rNa/rCl=0.85），反映I區(qū)段、II區(qū)段地下水均具有大陸溶濾水的特征[5]，即地下水的最終來源為大氣降水。

圖2 DR1、DR3 δD、δO18值與標(biāo)準(zhǔn)雨水線對(duì)比圖

I區(qū)段DR1井δD含量為-55‰，δO18含量為-9.2‰；II區(qū)段DR3井δD含量為-54‰，δO18含量為-9.2‰，經(jīng)研究對(duì)比δD和δO18的值在克雷格標(biāo)準(zhǔn)降水直線δD=8δO18+10附近（見圖2），再次說明地下水由大氣降水補(bǔ)給形成，屬大氣成因。

放射性元素含量的多少能體現(xiàn)出地下水滯留時(shí)間即地下水年齡，從而可以定量評(píng)價(jià)礦區(qū)地下水文資源的循環(huán)速度和可更新能力，I區(qū)段放射性元素含量總體上卻較II區(qū)段低，可推斷I區(qū)段的地下水循環(huán)速度較II區(qū)段快；更新能力較II區(qū)段強(qiáng)，補(bǔ)給條件較II區(qū)段優(yōu)越。I區(qū)段地下水氚含量為27±1.8推斷I區(qū)段地下水循環(huán)時(shí)間大于40年；II區(qū)段地下水氚含量為9.2±1.4推斷II區(qū)段地下水循環(huán)時(shí)間大于60年。

5 結(jié)語(yǔ)

臨沂北城新區(qū)礦山地下水的形成主要是深循環(huán)的地下水沿裂隙對(duì)流上涌形成，地下水主要賦存于寒武系、奧陶系灰?guī)r巖溶地層中，屬巖溶型，補(bǔ)給來源為大氣降水；其次是巖漿熱液活動(dòng)及放射性元素蛻變，成因?yàn)閭鲗?dǎo)對(duì)流型，蓋層為第四系、白堊系八畝地組及石炭—二疊系的粘土、玄武安山巖、泥巖及頁(yè)巖構(gòu)成，地下水溫度主要取決于礦區(qū)地下水的循環(huán)深度及徑流排泄條件，地下水的賦存及分布嚴(yán)格受構(gòu)造控制。