山東莒縣龍王廟富水塊段陡傾灰?guī)r地層富水性研究

景曉東，冷旭勇，劉連，吳波，柳耀君，崔素

(山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局富鐵礦找礦與資源評價重點實驗室，山東 濟(jì)南 250100)

0 引言

地下水的富集指在有利于地下水匯集與儲存的水文地質(zhì)條件下，形成了具有可供開發(fā)利用的地下水資源的富水塊段[1]。富水塊段是水文地質(zhì)單元內(nèi)，含水層富水性較強、儲水構(gòu)造及地貌形態(tài)組合有利于地下水富集的局部塊段[2]。莒縣灰?guī)r地區(qū)地層產(chǎn)狀較陡，且被斷裂切割成若干個小塊段，巖溶發(fā)育具有不均一性，水資源缺乏，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，灰?guī)r地層富水性研究對當(dāng)?shù)厮垂┙o保障具有重要意義。本文依托“山東省1∶5萬東莞幅、招賢幅區(qū)域水文地質(zhì)調(diào)查”項目的大量資料，以龍王廟富水塊段所在石河地區(qū)為研究區(qū)，進(jìn)行了碳酸鹽巖類裂隙巖溶水富水性研究，總結(jié)了地下水富集規(guī)律，為在灰?guī)r缺水地區(qū)開展找水工作提供了成功經(jīng)驗。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

1.1 地層

研究區(qū)位于莒縣北部，距縣城約40km。東北以白堊紀(jì)地層為界，東、南以白芬子-浮來山斷裂為界，西以與侵入巖接觸面為界，北至圖幅邊界。區(qū)域地層屬華北地層大區(qū)之晉冀豫地層區(qū)，以安丘-莒縣斷裂為界，東部屬魯東地層分區(qū)，西部屬魯西地層分區(qū)。研究區(qū)灰?guī)r地層主要分布在白芬子-浮來山斷裂以西，棋山斷裂以東，平行不整合在新元古界土門群之上，總厚度約1800m。由老到新依次劃分為寒武紀(jì)長清群朱砂洞組、饅頭組，九龍群張夏組、崮山組、炒米店組和三山子組，奧陶紀(jì)馬家溝群東黃山組、北庵莊組、土峪組、五陽山組。巖性以灰?guī)r、白云巖為主，巖層傾角48°～60°。

1.2 構(gòu)造

研究區(qū)位于華北板塊東南隅，在沂沭斷裂帶范圍內(nèi)。區(qū)內(nèi)主要斷裂有昌邑-大店斷裂、安丘-莒縣斷裂、白芬子-浮來山斷裂、棋山斷裂、大林茂龍王廟斷裂等。白芬子-浮來山斷裂是莒縣最主要的斷裂，為正斷層，早期左行壓扭平移，晚期左行張扭，由一組平行斷面組成。帶內(nèi)發(fā)育構(gòu)造角礫巖、構(gòu)造透鏡體、糜棱巖、擠壓片理化帶及牽引褶皺等。

2 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)位于魯中南中低山丘陵碳酸鹽巖為主的水文地質(zhì)區(qū)安丘-臨沭水文地質(zhì)亞區(qū)。地層主要為奧陶系—寒武系，少量震旦系、白堊系、第四系。地下水類型主要為碳酸鹽巖類裂隙巖溶水，其他的有巖漿巖類裂隙水、碎屑巖類孔隙裂隙水、松散巖類孔隙水零星分布。

2.1 碳酸鹽巖類裂隙巖溶水

碳酸鹽巖類裂隙巖溶水賦存于奧陶紀(jì)—寒武紀(jì)灰?guī)r及灰?guī)r夾頁巖裂隙溶洞中，溶解性總固體一般小于1.0g/L，屬于重碳酸硫酸鹽型水。研究區(qū)斷裂構(gòu)造極其發(fā)育，巖層產(chǎn)狀較陡(傾角48°～60°)，由多組梯形斷裂切割成若干個小塊段，呈SN向窄條帶狀分布，往往形成面積大小不等的相對獨立的小型水文地質(zhì)單元,裂隙、巖溶發(fā)育具有不均一性和各向異性，富水性復(fù)雜，巖溶水資源總體不豐富，大部分地區(qū)涌水量小于500m3/d(以往1∶20萬區(qū)域水文地質(zhì)調(diào)查)，但在適當(dāng)?shù)孛布皹?gòu)造條件下，局部地段淺部巖溶發(fā)育較好，可增強富水性[3]，涌水量可達(dá)500～1000m3/d(圖1)。

1—馬家溝群；2—三山子組；3—張夏-炒米店組；4—朱砂洞—饅頭組；5—白堊紀(jì)紅土崖組；6—白堊紀(jì)寺前村組；7—白堊紀(jì)田家樓組；8—白堊紀(jì)馬郎溝組；9—白堊紀(jì)八畝地組；10—研究區(qū)范圍；11—AB剖面位置；12—斷裂圖1 研究區(qū)主要斷裂及灰?guī)r地層分布圖

2.2 補給、徑流和排泄條件

碳酸鹽巖類裂隙巖溶水在研究區(qū)大部分區(qū)域分布，奧陶紀(jì)馬家溝群五陽山組—寒武紀(jì)長清群朱砂洞組基本都有出露。其補給主要是大氣降水入滲補給及側(cè)向徑流補給。由于受復(fù)雜斷裂構(gòu)造影響，不構(gòu)成整體徑流系統(tǒng)，但在每個小單元內(nèi)基本都是沿地層傾向自西向東徑流。其排泄方式主要是徑流排泄，另外，當(dāng)?shù)赜行∫?guī)模分散式開采，主要供居民飲用及部分灌溉用水(圖2)。

1—太古代兔兒山單元二長花崗巖；2—中生代吳家溝中斑角閃正長斑巖；3—佟家莊組；4—石旺莊組；5—朱砂洞組；6—饅頭組；7—張夏組；8—崮山組；9—白堊紀(jì)八畝地組；10—三山子組；11—東黃山組；12—北庵莊組；13—土峪組；14—五陽山組；15—八畝地組圖2 研究區(qū)剖面示意圖

2.3 水位動態(tài)特征及變化

巖溶地下水位主要受大氣降水影響，與降水變化基本一致，滯后現(xiàn)象明顯[4]。年內(nèi)呈現(xiàn)季節(jié)性變化，1—4月受降水量較小及人工開采影響，水位緩慢下降；4月開始降水量逐漸增多，地下水位先是經(jīng)過短時間緩慢下降，然后持續(xù)回升，至10月左右達(dá)到峰值(圖3)，之后降水量明顯減少，水位經(jīng)過短暫穩(wěn)定后開始持續(xù)下降。地下水水位年變幅1.7～3.12m。年際變化主要受枯水年、豐水年影響。區(qū)內(nèi)灰?guī)r地層產(chǎn)狀復(fù)雜，大量采石場的長期開采，導(dǎo)致區(qū)內(nèi)灰?guī)r裸露情況發(fā)生較大變化，破壞了地下水的徑流條件，出現(xiàn)泉水、井孔干涸及水位下降等情況，因此各地地下水位降低程度不一、差別較大。

3 富水性研究

3.1 富水性特征

圖3 石泉官莊地下水位動態(tài)(井深60m，張夏組灰?guī)r含水層)

巖溶含水層系統(tǒng)邊界劃分主要關(guān)注巖溶含水層的分布埋藏[5-6]。龍王廟富水塊段位于東莞幅北部龍王廟-褚家坡一帶，灰?guī)r裸露，面積5.49km2，是一個南、北、東北均以壓扭性斷裂為隔水邊界，東、東南以與白堊系接觸面為隔水邊界，西側(cè)則以九龍群崮山組為透水邊界的相對獨立的小型水文地質(zhì)單元(圖4)。

含水地層為奧陶紀(jì)馬家溝群五陽山組-寒武紀(jì)九龍群炒米店組。項目施工的DGZK5鉆孔，揭露地層巖性為馬家溝群五陽山組，該孔孔深202.4m，靜水位12.47m，最大穩(wěn)定降深15.26m，出水量765.6m3/d;DSJ02孔孔深66m，水位13.11m，降深2.77m時涌水量為158m3/d(表1)。附近有3處泉眼，泉水長年流淌，其中DQ07實測流量為205m3/d。根據(jù)碳酸鹽巖類裂隙巖溶水富水性劃分等級，該塊段涌水量500～1000m3/d，富水性較好。

3.2 地下水資源量及潛力評級

以不誘發(fā)巖溶塌陷、不產(chǎn)生水位持續(xù)下降為約束條件，采用水均衡法計算，龍王廟富水塊段可開采資源量為411.4627m3/a。地下水開采潛力指數(shù)2.87，地下水開采潛力模數(shù)10.75×104m3/a.km2，屬于開采潛力較大區(qū)。

圖4 龍王廟富水塊段水文地質(zhì)略圖

表1 研究區(qū)主要井孔

4 富水機理研究

碳酸鹽巖裂隙巖溶水區(qū)地下水成井條件由地層分布情況和地勢條件等綜合原因決定[7]。主要受地形地貌、地層巖性、地下水動力條件以及地質(zhì)構(gòu)造等因素控制。

4.1 地形地貌

地形地貌是影響地下水補給及運動最主要的因素。在地勢相對較低、地形相對平緩地帶，碳酸鹽巖層裂隙、巖溶發(fā)育程度較高，深度相對較大，富水性較好[8]。而在地勢較高、坡度較大的地區(qū)，裂隙、巖溶發(fā)育主要集中于地表淺部，富水性較弱。龍王廟附近地勢西高東低，地層傾向與坡向一致，地下水在巖溶斜坡地帶快速向東徑流。富水塊段以西至侵入巖接觸面，具有較大的匯水面積，而富水塊段地形相對平緩、地勢較低，有利于地下水的補給、運移及蓄積。

4.2 地層巖性

碳酸鹽巖是巖溶作用的物質(zhì)基礎(chǔ)，是巖溶地下水的儲集巖，碳酸鹽巖的類型和分布在一定程度上控制了巖溶地下水的分布規(guī)律[9-11]。不同的地層巖性，裂隙、巖溶發(fā)育程度不同，其富水性也呈現(xiàn)出較大差異[12]。龍王廟富水塊段以五陽山組-炒米店組灰?guī)r、白云巖為主，含水層厚度大，在水化學(xué)作用下巖溶發(fā)育，易形成裂隙、溶孔，具有良好的地下水通道和儲水空間。

4.3 地下水動力條件

地下水循環(huán)條件愈好，地下徑流愈強烈，地下水的侵蝕性愈強，巖溶愈發(fā)育，同時巖溶發(fā)育又促進(jìn)了徑流條件的轉(zhuǎn)化。龍王廟附近地層與坡面傾向一致，使巖溶水在水力坡度作用下沿地形由西向東快速徑流，在東側(cè)富水塊段形成地下水匯集區(qū)，由于地下水垂直、水平交替運移頻繁，巖溶發(fā)育強烈且深度較大。

4.4 地質(zhì)構(gòu)造

地質(zhì)構(gòu)造主要取決于斷裂力學(xué)性質(zhì)、規(guī)模、補水條件等因素。地質(zhì)構(gòu)造條件是影響構(gòu)造控水最重要的因素，國內(nèi)外一些學(xué)者圍繞區(qū)域構(gòu)造控水做過一些研究[13-14]。地質(zhì)構(gòu)造控制著地下水的運動和賦存條件，斷裂附近，巖石破碎、裂隙發(fā)育、巖石結(jié)構(gòu)疏松、巖溶作用相對強烈，為地下水富集貯存和流通提供了良好的條件，往往成為地下水的相對富集帶[15-16]。巖溶地下水在運動過程中水力坡度隨地形坡度由陡漸緩，當(dāng)?shù)叵滤\動至相對平緩地帶，受到隔水邊界阻擋，產(chǎn)生“壅水”現(xiàn)象，在這些地段往往形成巖溶水的強富水塊段[17-19]。

龍王廟富水塊段灰?guī)r地層傾向東，東部為李家溝-下石城斷裂，該斷裂為壓扭性阻水?dāng)嗔?，沿斷裂東盤分布著弱透水的白堊紀(jì)青山群噴出巖及侵入巖，地下水受到隔水邊界的阻擋富集于此。龍王廟周邊斷裂構(gòu)造、裂隙巖溶發(fā)育，增大了儲水、導(dǎo)水空間，為鉆井取水的有利地段(圖5)。

1—碳酸鹽巖類裂隙巖溶水(500～1000m3/d)；2—朱砂洞組碳酸鹽巖夾碎屑巖巖溶裂隙水(<500m3/d)；3—張夏組碳酸鹽巖夾碎屑巖巖溶裂隙水(<500m3/d)；4—地下水流線；5—中生代吳家溝中斑角閃正長斑巖；6—朱砂洞組；7—崮山組；8—炒米店組；9—三山子組；10—東黃山組；11—北庵莊組；12—土峪組；13—五陽山組圖5 龍王廟富水塊段富水機理示意圖

5 結(jié)論

莒縣灰?guī)r地區(qū)地下水總體貧乏，但若具備以下主要因素，則有較大可能形成相對富水塊段。

(1)利于地下水補給、運移及蓄積的地形地貌，并具有較大的匯水面積。

(2)地層巖性是巖溶作用的物質(zhì)基礎(chǔ)，龍王廟地區(qū)的富水地層巖性以灰?guī)r、白云巖為主，含水層厚度大，巖溶發(fā)育，形成良好的地下水通道及儲水空間。

(3)良好的地下水動力條件可以加快巖溶地下水的徑流速度，促進(jìn)巖溶發(fā)育程度。龍王廟附近地層與坡面傾向一致，巖溶水在水力坡度作用下向東快速徑流，地下水垂直、水平交替運移頻繁，巖溶發(fā)育強烈。

(4)地質(zhì)構(gòu)造是地下水運動和賦存的重要控制因素，地層分布、斷裂構(gòu)造的合理組合容易形成巖溶水富集的有利地段。龍王廟地下水沿地層傾向向東徑流，受到阻水?dāng)嗔训淖钃醪⒏患跀嗔褬?gòu)造、裂隙巖溶發(fā)育形成的良好儲水空間，成為鉆井取水的有利地段。

一個地區(qū)的富水性是多種因素綜合作用的結(jié)果，對莒縣灰?guī)r地區(qū)地下水富集規(guī)律的分析總結(jié)，對于今后在其他灰?guī)r地區(qū)開展找水工程及相關(guān)研究具有一定的借鑒意義。