魯中南地區(qū)古近系朱家溝組水文地質(zhì)特征及富水模式

李 波 宋一心 高 菡 吳 璇 關(guān) 琴 劉春偉

1. 山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局八〇一水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì), 山東 濟(jì)南 250014;2. 山東省煤田地質(zhì)規(guī)劃勘察研究院, 山東 濟(jì)南 250014;3. 山東省地下水環(huán)境保護(hù)與修復(fù)工程技術(shù)研究中心, 山東 濟(jì)南 250014

0 引言

山東省是中國(guó)北方嚴(yán)重缺水省份之一, 人均占有水資源不足全國(guó)平均值的1/6。 山東省地下水開(kāi)發(fā)利用始于20 世紀(jì)70 年代, 隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展, 地下水開(kāi)采量急劇增加, 至21 世紀(jì)初期地下水開(kāi)采量達(dá)到了115×108～120×108m3/a (徐軍祥和康鳳新, 2001; 劉春華和楊麗芝, 2005; 姜福紅和劉文, 2017), 地下水資源已成為制約山東省社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重大問(wèn)題。

魯中南地區(qū)在區(qū)域構(gòu)造位置上屬于華北地臺(tái)的東南部, 總體上是一個(gè)以大型隆起為背景的地質(zhì)構(gòu)造單元(云金表等, 2002; 張錫明等, 2007)。 區(qū)內(nèi)具有實(shí)際供水意義的主要為碳酸鹽巖類(lèi)裂隙巖溶含水巖組與松散巖類(lèi)孔隙含水巖組 (康鳳新等, 2010;梁永平和王維泰, 2010; 孫遜等, 2010)。 近年來(lái)由于兩大含水巖組地下水開(kāi)采量不斷增加, 開(kāi)采區(qū)周邊出現(xiàn)了巖溶塌陷、 地下水水質(zhì)惡化等環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題(郭棟棟等, 2012; 王延嶺等, 2015), 因此尋找新的供水目標(biāo)含水層及富水塊段對(duì)于解決魯中南缺水難題具有重要意義。

2012 年山東省率先在魯中南地區(qū)開(kāi)展了1 ∶50000 水文地質(zhì)調(diào)查工作, 截止到目前已覆蓋了魯中南大部分區(qū)域。 在已有的水文地質(zhì)工作中, 對(duì)古近系朱家溝組研究甚少, 一般將其與其他碎屑巖類(lèi)一起歸為碎屑巖孔隙裂隙含水巖組, 單井涌水量小于100 m3/d, 為弱富水含水巖組, 不具有供水意義 (山東省地質(zhì)局第一水文地質(zhì)隊(duì), 1979)。此次通過(guò)實(shí)施的水文地質(zhì)鉆孔及機(jī)民井調(diào)查資料發(fā)現(xiàn), 在萊蕪盆地、 汶口盆地及新泰盆地內(nèi), 朱家溝組含水巖組淺部裂隙巖溶發(fā)育, 實(shí)施的鉆孔單井涌水量達(dá)到了1000 ～4000 m3/d, 有效解決了當(dāng)?shù)赜盟y題。 基于此, 文章在1 ∶50000 水文地質(zhì)調(diào)查工作的基礎(chǔ)上, 以汶口盆地、 新汶盆地朱家溝組含水巖組為例, 系統(tǒng)分析其水文地質(zhì)特征,研究裂隙巖溶發(fā)育規(guī)律, 總結(jié)地下水富水模式,為下一步在魯中南地區(qū)尋找新的目標(biāo)含水層、 找水定井工作提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然地理位置

研究區(qū)主要位于山東省中部山區(qū), 涉及泰安、淄博、 濟(jì)寧、 臨沂等地級(jí)市。 區(qū)內(nèi)地勢(shì)整體偏高,以低山丘陵為主。 研究區(qū)屬暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū), 四季分明, 多年 (1956 ～2019 年) 平均降水量889.7 mm。 區(qū)內(nèi)主要河流為柴汶河、 牟汶河,柴汶河由東向西穿過(guò)新汶盆地, 在大汶口鎮(zhèn)附近與牟汶河匯合, 形成大汶河; 受季節(jié)性降水及蒸發(fā)量影響, 水系流量及水位變化大。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

山東省地處華北克拉通東部 (宋明春和李洪奎, 2001), 古近紀(jì)及新近紀(jì)時(shí)期由于克拉通深部地幔大規(guī)模隆起和地殼大規(guī)模伸展而處于伸展動(dòng)力學(xué)背景下, 形成了一系列新生代裂陷構(gòu)造盆地(圖1; 翟明國(guó)等, 2004; 周新桂等, 2004; 翟明國(guó), 2019)。 在古近紀(jì)時(shí)期, 由于沂沭斷裂帶與蘭聊斷裂的右行走滑活動(dòng), 致使魯中南地區(qū)形成的盆地發(fā)生掀斜式抬升 (牛樹(shù)銀等, 2004); 其后由于盆地邊緣斷裂兩側(cè)地體差異性升降幅度增大,相繼發(fā)育了朱家溝組的山麓沖洪積相類(lèi)磨拉石建造; 朱家溝組沉積之后, 由于魯中地區(qū)整體抬升,盆地沉積時(shí)代結(jié)束, 進(jìn)入長(zhǎng)期剝蝕狀態(tài) (鄭德順等, 2013; 張琪琪和張拴宏, 2019)。

2 含水巖組水文地質(zhì)特征

2.1 分布特征

朱家溝組由遲培星等創(chuàng)名 ( 遲培星等,1997), 代表性剖面位于蒙陰縣騎路官莊剖面。 主要分布于北西向中新生代沂源盆地、 萊蕪盆地、新泰-蒙陰盆地、 汶上-泗水盆地、 平邑-方城盆地, 近東西向大汶口-汶東盆地等北側(cè)近斷裂處,呈北北西向條帶狀分布 (朱大崗等, 2008)。

2.2 巖性特征

朱家溝組主要為沖積扇-山麓洪積相沉積。 主要巖性為灰褐、 灰紅色礫巖, 下部少量紫紅色砂巖、 砂質(zhì)泥巖, 地層厚度變化大。 底界以泥巖結(jié)束, 大套礫巖出現(xiàn)劃界, 與下伏卞橋組或大汶口組整合接觸; 頂部裸露或與前寒武紀(jì)基底花崗巖類(lèi)斷層接觸。

朱家溝組地層巖性、 巖相較穩(wěn)定, 地層厚度變化較大。 在平邑-方城盆地, 中部石河村厚度652.8 m, 方城厚度87.0 m, 顯示向盆地東西兩側(cè)變薄的趨勢(shì); 在新泰-蒙陰盆地, 主要沿新泰-垛莊斷裂以南分布, 出露厚度428.0 ～1012.5 m, 向東厚度大于380 m (未見(jiàn)底), 也顯示向盆地東西兩側(cè)變薄的趨勢(shì); 在大汶口-汶東盆地、 泗水盆地地表見(jiàn)零星露頭, 厚度大于150 m; 在萊蕪盆地主要分布于王山子—鵬山一帶, 厚135.39 m, 巖性主要為灰質(zhì)礫巖, 其下與常路組整合接觸, 其上以斷層與下古生界接觸; 在韓四盆地, 主要分布于韓莊以北, 厚618.64 m, 巖性以礫巖為主, 夾少量鈣質(zhì)砂巖, 其下與常路組整合接觸, 其上以斷層與前寒武紀(jì)基底接觸 (王來(lái)明等, 2012)。

不同盆地中朱家溝組礫石成分受物源、 搬運(yùn)路徑等因素影響略有差異。 在汶口盆地礫石以泥灰?guī)r為主、 夾有少量花崗巖, 磨圓度差, 棱角明顯, 礫徑多在5 ～20 cm, 個(gè)別礫徑大于30 cm; 在新汶盆地礫石以微晶灰?guī)r為主, 磨圓度較差, 次棱角狀, 礫徑多為3 ～8 cm, 個(gè)別礫徑超過(guò)15 cm。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造位置圖Fig.1 Tectonic location of the study area

2.3 富水性特征

在以往水文地質(zhì)填圖中, 特別是1 ∶200000 區(qū)域水文地質(zhì)填圖, 朱家溝組含水巖組富水性一般劃為小于100 m3/d, 為弱含水層。 此次調(diào)查鉆探發(fā)現(xiàn), 該地層內(nèi)地下水富水性差異較為明顯, 局部地段富水性大于300 m3/d, 在最新 《水文地質(zhì)編圖規(guī)范 (1 ∶50000) 》 中屬于 “豐富—極豐富”范疇, 其富水性主要受斷裂構(gòu)造、 地形起伏、 裂隙巖溶發(fā)育程度等因素影響。 因魯中南地區(qū)各盆地具有相似地質(zhì)構(gòu)造及水文地質(zhì)條件, 文中以汶口盆地、 新汶盆地為例進(jìn)行說(shuō)明。

在汶口盆地共有8 眼機(jī)民井及鉆孔的資料(表1), 面狀分布于區(qū)內(nèi)出露的朱家溝組 (圖2)。由表1、 圖2 可以發(fā)現(xiàn), 該地區(qū)朱家溝組含水巖組單井涌水量 (Q) 多在100 m3/d＜Q＜300 m3/d 范圍內(nèi), 局部大于300 m3/d; 特別是在磁窯斷裂以西至高村斷裂一帶, 受斷裂構(gòu)造影響形成局部斷陷,裂隙巖溶較東部地區(qū)更為發(fā)育, 富水性更好。 以DWZK03 鉆孔為例, 抽水試驗(yàn)結(jié)果顯示, 單井涌水量達(dá)到1251.6 m3/d, 降深13.25 m, 其富水性遠(yuǎn)超300 m3/d。

在新汶盆地共有14 眼機(jī)民井及鉆孔的資料(表2), 條帶狀分布于新泰-垛莊斷裂西側(cè)。 由表2 可以看出, 在該盆地內(nèi)朱家溝組地下水開(kāi)采深度不一, 大致可以分為三層: 0 ～10 m, 10 ～100 m,大于100 m。 不同深度單井涌水量也不盡相同, 其中0～10 m 機(jī)民井涌水量小于100 m3/d, 10 ～100 m機(jī)民井涌水量100～300 m3/d, 大于100 m 機(jī)民井涌水量大于300 m3/d。 特別是施工的XWZK02, XTZK03鉆孔, 涌水量分別達(dá)到了927 m3/d, 4944 m3/d。

表1 汶口盆地朱家溝組調(diào)查點(diǎn)統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical table of survey spots of the Zhujiagou formation in the Wenkou basin

圖2 汶口盆地朱家溝組水文地質(zhì)及調(diào)查點(diǎn)分布圖Fig.2 Hydrogeology and survey spots of the Zhujiagou formation in the Wenkou basin

2.4 裂隙巖溶發(fā)育特征

朱家溝組巖性以鈣質(zhì)膠結(jié)礫巖為主, 礫石成分以中生界泥晶、 微晶灰?guī)r為主, 膠結(jié)物礦物組分以泥晶方解石、 粘土為主 (周樂(lè)等, 2019)。 受斷裂構(gòu)造等因素影響, 含水層發(fā)育大小不一的裂隙, 地下水沿裂隙發(fā)生溶蝕作用, 形成溶孔、 溶洞。 不同盆地內(nèi)朱家溝組裂隙、 巖溶發(fā)育程度受斷裂規(guī)模、 膠結(jié)程度等影響略有差異。

據(jù)施工鉆孔巖心及調(diào)查資料表明, 研究區(qū)朱家溝組地層裂隙巖溶發(fā)育基本在150 m 以淺。 汶口盆地巖溶形態(tài)以蜂窩狀溶孔為主, 局部發(fā)育小規(guī)模溶洞, 淺部溶洞多填充黃色粘土; 另外, 調(diào)查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)在泰安市西磁窯村東側(cè)出現(xiàn)朱家溝組巖溶塌陷, 物探剖面也顯示在該區(qū)域淺部裂隙巖溶發(fā)育 (圖3)。 新汶盆地巖溶形態(tài)以溶隙為主,個(gè)別地段發(fā)育大規(guī)模溶洞, 例如在新泰市東杏山下, 發(fā)育大規(guī)模溶洞群并形成地下河, 洞內(nèi)發(fā)育石筍、 石鐘乳等巖溶形態(tài) (圖4), 該巖溶規(guī)模在朱家溝組中實(shí)屬罕見(jiàn)。

表2 新汶盆地朱家溝組調(diào)查點(diǎn)統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistical table of survey spots of the Zhujiagou formation in the Xinwen basin

圖3 磁窯鎮(zhèn)北部地面塌陷高密度電法和CSAMT 剖面圖Fig.3 High density electrical method and CSAMT profile of the surface collapse in the north of Ciyao Town

3 水化學(xué)特征

3.1 樣品采集與測(cè)試

為分析研究區(qū)內(nèi)朱家溝組含水巖組地下水化學(xué)特征、 水化學(xué)類(lèi)型及成因, 結(jié)合此次工作條件,對(duì)汶口盆地和新汶盆地朱家溝組地下水進(jìn)行樣品采集。 樣品經(jīng)0.45 μm 濾膜過(guò)濾后置于清洗過(guò)的聚乙烯瓶, 陽(yáng)離子樣品經(jīng)HNO3酸化至pH 值小于2 后保存, 陰離子樣品原樣低溫保存。 水化學(xué)分析在山東省地礦工程勘察院實(shí)驗(yàn)測(cè)試中心完成。

圖4 朱家溝組內(nèi)發(fā)育的大規(guī)模洞穴沉積物照片 (東杏山村)Fig.4 Large scale cave sediments developed in the Zhujiagou formation (Dongxingshan Village)

3.2 水化學(xué)參數(shù)特征

表3 朱家溝組地下水化學(xué)數(shù)據(jù)Table 3 Groundwater hydrochemical data table of the Zhujiagou formation

Gibbs 通過(guò)研究世界河流、 湖泊、 主要海洋等地表水體中的TDS 值與Na+/ (Na++Ca2+) 以及與Cl-/ (Cl-+HCO-3) 的關(guān)系圖, 將天然水體的化學(xué)形成機(jī)制分為蒸發(fā)濃縮機(jī)制、 巖石風(fēng)化機(jī)制和降水作用機(jī)制三種 (LI et al, 2013; WANG et al,2018)。 Gibbs 圖也被廣泛應(yīng)用于地下水研究領(lǐng)域,以識(shí)別控制地下水化學(xué)組分的影響機(jī)制 (姜體勝等, 2017)。 在Gibbs 圖中, TDS 值較低且Na+/(Na++Ca2+), Cl-/ (Cl-+HCO-3) 值較高的水樣點(diǎn)分布于圖中右下角, 此類(lèi)水主要受到大氣降水作用控制。 TDS 值中等且Na+/ (Na++Ca2+), Cl-/(Cl-+HCO) 值小于0.5 或者在0.5 左右的水樣點(diǎn), 分布在圖的中部左側(cè), 這類(lèi)水中的離子主要來(lái)源于巖石礦物 (陸地可溶性巖石包括碳酸鹽、硅酸鹽、 蒸發(fā)鹽和硫化物礦物) 的風(fēng)化釋放。 TDS值較高且Na+/ (Na++Ca2+), Cl-/ (Cl-+HCO-3)值也較高的水樣點(diǎn)分布在圖中右上角, 反映出水體所處區(qū)域較為干旱, 蒸發(fā)濃縮作用強(qiáng)烈 (朱秉啟和楊小平, 2007; 唐璽雯等, 2014; 孫英等,2019; 馮建國(guó)等, 2020)。 從研究區(qū)內(nèi)朱家溝組地下水Gibbs 圖 (圖6) 可以看出, 區(qū)內(nèi)朱家溝組地下水樣點(diǎn)均處在巖石風(fēng)化型區(qū)域內(nèi), 說(shuō)明水-巖相互作用是形成古近系朱家溝組地下水化學(xué)的主要作用, 離子主要來(lái)源于灰質(zhì)礫巖及膠結(jié)物的風(fēng)化釋放, 具有與巖溶水相似的化學(xué)特征。

圖5 研究區(qū)地下水樣品piper 圖Fig.5 Piperdiagram of groundwater samples in the research area

圖6 研究區(qū)地下水Gibbs 曲線(xiàn)圖Fig.6 Gibbs graphs of groundwater in the research area

4 地下水富水模式分析

古近系朱家溝組主要分布在魯中南坳陷盆地邊緣地帶, 為一套具有磨拉石建造特征的陸源碎屑沉積物。 礫石成分以古生界碳酸鹽巖為主, 膠結(jié)物多為泥質(zhì)、 鈣質(zhì)膠結(jié)。 泥質(zhì)膠結(jié)物成分以粘土為主, 遇水后易軟化分解溶蝕形成裂隙, 碳酸鹽巖遇水溶蝕后形成溶孔、 溶洞。 鈣質(zhì)膠結(jié)物礦物成分多為方解石, 與礫石成分相一致, 在裂隙發(fā)育處與礫石一起溶蝕分解, 形成地下水賦存空間。

朱家溝組受控盆構(gòu)造多期作用影響, 地層巖石多裂隙發(fā)育, 為地下水賦存、 巖石溶蝕提供了可能性 (徐一平等, 2020)。 在控盆斷裂外側(cè)多出露大面積的不同期次侵入巖, 大氣降水及入滲補(bǔ)給的裂隙水沿地表起伏向斷裂低洼處徑流, 滲漏補(bǔ)給盆地內(nèi)部的朱家溝組礫巖含水層; 另外, 在河流發(fā)育處, 地表水下滲也是主要補(bǔ)給來(lái)源。 朱家溝組地下水受下部大汶口組、 常路組砂巖、 泥巖阻水后在裂隙巖溶發(fā)育段富集形成富水區(qū)域(圖7)。 在盆地內(nèi)部, 朱家溝組與奧陶系馬家溝群不整合接觸, 除接受大氣降水補(bǔ)給和地表水下滲外, 還接受巖溶水頂托補(bǔ)給。 目前朱家溝組地下水主要用于生活用水及農(nóng)業(yè)灌溉用水, 開(kāi)采方式以分散開(kāi)采為主, 開(kāi)采潛力較大。

圖7 汶口盆地DWZK03 鉆孔水文地質(zhì)剖面圖Fig.7 Hydrogeological profile of the borehore DWZK03 in the Wenkou basin

在調(diào)查研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn), 朱家溝組含水巖組富水性差異受斷裂構(gòu)造影響明顯, 特別是在盆地邊緣地帶及汶口盆地磁窯斷裂與高村斷裂之間。因此, 朱家溝組含水巖組的富水模式是以斷裂構(gòu)造為主要控制因素的斷裂型灰質(zhì)礫巖裂隙巖溶蓄水構(gòu)造模式, 根據(jù)不同盆地沉積構(gòu)造不同又可分為山前丘陵不整合接觸蓄水模式與盆地前緣超覆構(gòu)造蓄水模式。

另外, 通過(guò)鉆探施工發(fā)現(xiàn), 在主干斷裂內(nèi)裂隙多被粘土填充, 地下水富水性較差, 且成井難度大; 靠近主干斷裂30 ～50 m 的影響帶內(nèi), 150 m以淺裂隙巖溶發(fā)育, 富水性較好, 為良好的成井靶區(qū), 例如新汶盆地XTZK03 鉆孔, 距離新泰-垛莊斷裂28 m, 井深152.2 m, 最大涌水量4944 m3/d,降深13.86 m。

5 結(jié)論

文章依托1 ∶50000 水文地質(zhì)調(diào)查工作, 通過(guò)開(kāi)展水文地質(zhì)調(diào)查、 水文地質(zhì)鉆探、 水化學(xué)分析等工作手段, 探討了魯中南朱家溝組含水巖組水文地質(zhì)特征及水化學(xué)特征, 分析了其富水機(jī)理與蓄水模式, 形成結(jié)論如下。

(1) 古近系朱家溝組灰質(zhì)礫巖含水巖組集中分布在魯中南坳陷盆地邊緣, 分布面積較小, 呈條帶狀分布。 地層巖性為鈣質(zhì)、 泥質(zhì)膠結(jié)灰質(zhì)礫巖, 巖性單一; 裂隙巖溶形態(tài)以溶蝕裂隙、 溶孔、溶洞為主, 集中發(fā)育在150 m 以淺。

(2) 朱家溝組地下水化學(xué)類(lèi)型不同區(qū)域略有差異, 陽(yáng)離子以Ca2+為主, 陰離子以為主, 地下水補(bǔ)給來(lái)源較為單一, 水化學(xué)類(lèi)型受人類(lèi)活動(dòng)影響明顯; 依據(jù)Gibbs 曲線(xiàn)圖, 該類(lèi)地下水屬于巖石風(fēng)化型, 離子主要來(lái)源于灰質(zhì)礫巖及膠結(jié)物的風(fēng)化釋放, 地下水類(lèi)型兼具裂隙水與巖溶水特征。

(3) 朱家溝組含水巖組富水模式為斷裂型灰質(zhì)礫巖裂隙巖溶蓄水構(gòu)造模式, 可細(xì)分為山前丘陵不整合接觸蓄水模式與盆地前緣超覆構(gòu)造蓄水模式, 受斷裂控制明顯, 該模式在魯中南地區(qū)具有普遍性和適用性。 地下水主要補(bǔ)給來(lái)源為侵入巖區(qū)大氣降水、 裂隙水滲漏補(bǔ)給及地表水下滲補(bǔ)給, 盆地南緣不整合接觸地帶還接受巖溶水頂托補(bǔ)給。

(4) 在近幾年開(kāi)展的1 ∶50000 水文地質(zhì)調(diào)查工作基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn), 朱家溝組灰質(zhì)礫巖富水性受斷裂構(gòu)造影響差異巨大, 部分地段地下水開(kāi)采潛力巨大, 允許開(kāi)采量可達(dá)到20000 m3/d。 在巖溶水、孔隙水超采嚴(yán)重的現(xiàn)狀下, 朱家溝組已成為魯中南地區(qū)一個(gè)重要目標(biāo)含水層, 這對(duì)于魯中南缺水山區(qū)具有重要的實(shí)際供水意義和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。