魯中南新汶盆地地下水蓄水模式分析

關琴，徐聰聰，葉倩，姜曉芬，李波，馬雪瑩

(山東省地質礦產勘查開發(fā)局八〇一水文地質工程地質大隊，山東省地下水環(huán)境保護與修復工程技術研究中心，山東 濟南 250014)

0 引言

魯中南地區(qū)地形地貌復雜，分布有泰山、魯山、沂山、蒙山等中低山，山地之間發(fā)育泰萊盆地、新汶盆地、沂源盆地、肥城盆地等坳陷盆地[1-2]。魯中南地區(qū)地下水主要集中分布在各盆地內部的碳酸鹽巖分布區(qū)，以巖溶水為主；受地形地貌、地層巖性、斷裂構造等因素影響，地下水分布嚴重不均，為重要貧水山區(qū)[3-5]。盆地內城鎮(zhèn)分布較多，電力、煤炭、化工等工業(yè)較為發(fā)達，在20世紀七八十年代，陸續(xù)在魯中南地區(qū)開展了1∶20萬區(qū)域水文地質調查及供水水文地質勘察等工作，尋找了宮里、清泥溝、舊縣等大批水源地。然而隨著社會經(jīng)濟快速發(fā)展，地下水開采量日益加大，當?shù)厮牡刭|條件也已發(fā)生改變，地下水貧乏已嚴重制約當?shù)匕l(fā)展。

近年來，山東省在魯中南地區(qū)率先部署了1∶5萬水文地質調查工作，旨在查清水文地質條件，細化富水性分級，圈定富水地段，助力鄉(xiāng)村振興。筆者通過在新汶盆地開展的調查工作，運用水文地質測繪、地球物理勘探、水文地質鉆探等工作手段，總結了盆地內地下水蓄水構造模式與適宜成井深度，對于指導當?shù)氐叵滤Y源開采利用，提高成井效率具有科學指導意義。

1 研究區(qū)概況

1.1 氣象水文

研究區(qū)屬暖溫帶季風大陸性氣候，四季分明。多年平均氣溫13.6℃，多年平均降水量為744.4mm。其主要特點為：降水量年內分配不均，主要集中在6—9月份，降水量年際變化較大，降水具有連豐、連枯交替出現(xiàn)的特點。

區(qū)內發(fā)育主要河流為柴汶河，發(fā)源于沂源縣西南部牛欄峪一帶，東流至周科峪西折向西南流，經(jīng)新泰、寧陽縣境至大汶口入主流牟汶河。其支流主要有東周河、西周河、平陽河、邁萊河等，均由北向南匯入柴汶河，形成柴汶河上游流域。

1.2 地質構造

魯西地處于華北克拉通東部，古近紀及新近紀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力學背景下，在克拉通內部形成了一系列的新生代裂陷構造盆地[6-9](圖1)。

1—古近紀碎屑巖；2—寒武紀—奧陶紀碳酸鹽巖；3—太古代巖漿巖、變質巖；4—燕山期閃長巖；5—寒武系—太古宇不整合面；6—新生代沉積盆地邊界；7—實測、推測斷裂；8—研究區(qū)范圍圖1 研究區(qū)地質構造簡圖

盆地基底巖系是由太古界和下元古界所組成，經(jīng)歷了太古代及早元古代這一漫長的地質歷史階段，受加里東運動影響，上奧陶統(tǒng)至下石炭統(tǒng)地層缺失，晚石炭統(tǒng)早期華北地臺整體下降接受沉積形成當時的一個特大型陸表海，石炭系—二疊系及上覆巖層先后經(jīng)歷印支運動的強烈抬升、剝蝕，又經(jīng)歷了燕山、喜馬拉雅復雜的構造運動的改造，形成了現(xiàn)今的構造格局[10-11]。

1.3 水文地質條件

依據(jù)山東省水文地質分區(qū)，研究區(qū)劃分為新汶盆地巖溶水系統(tǒng)。西側以禹村斷裂為界，東北部及西南側為泰山巖群及古生界組成的低山丘陵，盆地腹部為中生界、新生界所覆蓋[12-14]。

新汶盆地兩側侵入巖區(qū)為地下水的間接補給區(qū)，山前一帶第四系直接覆蓋在古近紀礫巖和侵入巖之上。地下水接受大氣降水補給后，自分水嶺沿地形坡向向盆地腹地運動，多呈表流渲泄。盆地腹部及柴汶河附近為各類地下水的匯集中心，地下水富集。奧陶紀裂隙巖溶水向谷底徑流，因地層或構造因素阻水出露成泉，部分頂托補給上覆巖層地下水，形成該谷地裂隙巖溶水的承壓排泄區(qū)。

區(qū)內地下水補給來源主要為大氣降水，其次為地表水下滲補給；地下水開采方式主要為人工開采。

2 主要含水巖組水文地質特征

研究區(qū)依據(jù)地下水賦存介質、水理性質及水力特征，區(qū)內含水巖組劃分為松散巖類孔隙含水巖組、碎屑巖類孔隙裂隙含水巖組、碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水巖組和巖漿巖變質巖類裂隙含水巖組。其中區(qū)內主要含水巖組以松散巖類孔隙含水巖組和碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水巖組為主。另外，研究發(fā)現(xiàn)，區(qū)內古近紀朱家溝組亦有良好的富水性，成為區(qū)內主要富水巖組。

2.1 松散巖類孔隙含水巖組

分布于柴汶河及其支流沿岸、山前坡麓地帶第四系沖積、沖洪積及殘坡積地區(qū)。含水層巖性以細砂、中砂、粗砂、砂礫石為主，埋藏于粘質砂土或砂質黏土之下，并在河床及河漫灘處出露，含水層厚度2～6m，最厚10.2m，水位埋深1.4～3.9m。

在谷里鎮(zhèn)—果都鎮(zhèn)一帶，富水性強，單井涌水量1000～3000m3/d，局部可達3000～5000m3/d。地下水水化學類型以HCO3·SO4-Ca型為主，TDS:580～1260mg/L。

2.2 古近紀朱家溝組含水巖組

主要分布于新泰-垛莊斷裂以南，呈條帶狀NW向分布。朱家溝組地層是一套陸源碎屑沉積的厚層灰質礫巖，其下部為灰色—灰紅色礫巖、砂礫巖與磚紅色砂質泥巖、粉砂巖不等厚互層，上部為灰白-黃褐色礫巖、砂礫巖與灰黃色砂巖、細砂巖不等厚互層，以砂巖為主[15]。

含水層段發(fā)育裂隙、溶孔，局部地段可見發(fā)育溶洞(圖2)。富水性分布不均一，在裸露丘陵區(qū)，地勢起伏變化大，富水性差，單井涌水量<500m3/d；在斷裂影響帶內，裂隙巖溶較為發(fā)育，單井涌水量1000～3000m3/d，局部地段>3000m3/d。

圖2 朱家溝組發(fā)育溶孔、溶洞

2.3 碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水巖組

單斜狀分布于盆地前緣的低山丘陵地區(qū)，至盆地內部則隱伏于第四紀或石炭紀地層之下。主要富水巖組由裂隙、巖溶發(fā)育的奧陶紀馬家溝群地層，寒武紀三山子組、張夏組、朱砂洞組組成。

碳酸鹽巖受巖性、地層結構、斷裂構造、埋藏深度、水動力條件、水的侵蝕性等因素影響，不同巖性、不同地段的地層巖溶發(fā)育表現(xiàn)出明顯的差異性。因此富水性不均勻，單井涌水量從小于500m3/d至1000～5000m3/d。水化學類型以HCO3-Ca，HCO3·SO4-Ca型為主，TDS:566～643mg/L。

3 地下水蓄水模式

本文地下水蓄水模式論述為基巖區(qū)蓄水構造，松散巖類含水巖組富水性主要受補給來源、含水層厚度等影響，本次不再論述。

3.1 巖層阻水型蓄水構造

巖層阻水型蓄水構造是指地下水受阻水地層的阻擋作用，在來水方一側富集形成有價值的地下水源[16]。盆地內碳酸鹽巖地層受單斜構造影響，整體傾向NE方向。南側寒武—奧陶系出露區(qū)，構成本系統(tǒng)裂隙巖溶水的直接補給區(qū)，地下水呈潛流向下游補給奧陶紀馬家溝群含水層。馬家溝群灰?guī)r裸露區(qū)，即接受大氣降水滲入補給，又接受上游寒武系地下徑流補給，成為裂隙巖溶水的補給徑流區(qū)。奧陶系裂隙巖溶水向盆地低洼處徑流，并在隱伏區(qū)富集，因石炭紀或古近紀地層阻水，形成該谷地裂隙巖溶水的承壓排泄區(qū)(圖3)。例如本次實施的XWZK01孔，井深256.37m，涌水量1133.04m3/d，降深8.76m。其巖溶形態(tài)以溶孔、溶隙為主，發(fā)育深度在147～176m，196～209m，220～225m。

1—英云閃長巖；2—灰?guī)r；3—頁巖；4—白云巖；5—砂巖；6—鮞粒灰?guī)r；7—竹葉狀灰?guī)r；8—地層界線；9—碎屑巖類孔隙裂隙含水巖組富水性<100m3/d；10—碳酸鹽巖裂隙巖溶含水巖組富水性1000～5000m3/d；11—碳酸鹽巖裂隙巖溶含水巖組富水性500～1000m3/d；12—碳酸鹽巖裂隙巖溶含水巖組富水性<500m3/d；13—碳酸鹽巖夾碎屑巖巖溶裂隙含水巖組富水性(主要含水層為張夏組灰?guī)r)<500m3/d；14—碳酸鹽巖夾碎屑巖巖溶裂隙含水巖組富水性(主要含水層為朱砂洞組灰?guī)r)500～1000m3/d；15—碳酸鹽巖夾碎屑巖巖溶裂隙含水巖組富水性(主要含水層為朱砂洞組灰?guī)r)<500m3/d；16—巖漿巖變質巖類裂隙含水巖組富水性50～100m3/d圖3 新泰市北寺山村巖層阻水型蓄水構造

3.2 斷裂型蓄水構造

3.2.1 斷裂型灰質礫巖裂隙巖溶蓄水構造

斷裂型灰質礫巖裂隙巖溶蓄水構造是針對古近紀朱家溝組地層提出的蓄水模式[17]。盆地內朱家溝組地層分布于盆地邊緣地帶，礫石成分以古生代碳酸鹽巖為主，膠結物多為泥質、鈣質膠結。泥質膠結物成分以黏土為主，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。鈣質膠結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[18]。

朱家溝組受控盆地構造多期作用影響，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[19]。在新泰斷裂外側出露大面積不同期次侵入巖體，大氣降水及入滲補給的裂隙水沿地表起伏向斷裂低洼處徑流，滲漏補給盆地內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給來源。受斷裂活動影響，朱家溝組礫巖局部裂隙巖溶發(fā)育形成了蓄水空間，地下水在此富集形成富水區(qū)域(圖4)。例如XTZK03鉆孔，距離新泰-垛莊斷裂28m，井深152.2m，最大涌水量4944m3/d，降深13.86m。

3.2.2 斷裂破碎帶型裂隙蓄水構造

斷裂破碎帶型裂隙蓄水構造主要指在巖漿巖地區(qū)受斷裂影響，在破碎帶區(qū)域巖體裂隙發(fā)育，形成富水區(qū)域[20]。盆地外側分布大面積不同期次侵入巖體，巖性以二長花崗巖、花崗閃長巖為主。受上五井斷裂、新泰-垛莊斷裂、銅冶店-孫祖斷裂、羊流-清河莊斷裂等斷裂影響，斷層兩側影響帶附近巖體裂隙發(fā)育，形成相對富水區(qū)。例如在盆地東南部上溫村，含水巖體為二長花崗巖。受銅冶店-孫祖斷裂影響，影響帶內巖石破碎、裂隙發(fā)育，為地下水賦存提供了良好的蓄水空間與導水通道。地形上呈開口向西南的簸箕狀展布，匯水條件好、匯水面積較大；地下水向低洼處徑流在此滯留、儲存，形成相對富水區(qū)域(圖5)。區(qū)域內井深100～150m，單井涌水量在240～480m3/d；而在斷裂影響帶外側，單井涌水量<100m3/d。

3.2.3 斷裂破碎帶型裂隙巖溶蓄水構造

斷裂破碎帶型裂隙巖溶蓄水構造主要指碳酸鹽巖地層在斷層兩盤附近巖石溶隙、溶孔較為發(fā)育，形成地下水富集區(qū)[21]。盆地內寒武紀九龍群張夏組地層主要為該蓄水模式。張夏組地層巖性為鮞?；?guī)r或灰?guī)r為主，多形成中低山地形，地勢較高。一般張夏灰?guī)r巖溶裂隙只在近地表淺部發(fā)育，深部發(fā)育較弱，而在斷裂影響帶附近裂隙巖溶較發(fā)育。本次新泰市青云街道外峪村實施的XTZK05鉆孔，井深290m，單井涌水量1481.76m3/d，降深12.51m(圖6)。在86～100m斷裂附近裂隙巖溶發(fā)育，裂隙面可見方解石結晶及紅褐色水蝕面，為地下水賦存提供了良好蓄水空間。

1—常路組砂質泥巖；2—朱家溝組礫巖；3—古元古代侵入巖；4—地下水流向；5—大氣降水；6—發(fā)育裂隙圖4 新汶盆地朱家溝組地下水蓄水構造

1—第四系；2—白云巖；3—二長花崗巖；4—地層界線；5—斷層；6—發(fā)育裂隙；7—碎屑巖類孔隙裂隙含水巖組富水性<100m3/d；8—碳酸鹽巖夾碎屑巖巖溶裂隙含水巖組富水性500～1000m3/d；9—巖漿巖變質巖類裂隙含水巖組富水性200～500m3/d；10—巖漿巖變質巖類裂隙含水巖組富水性100～200m3/d；11—巖漿巖變質巖類裂隙含水巖組富水性50～100m3/d；12—巖漿巖變質巖類裂隙含水巖組富水性<50m3/d圖5 蒙陰縣上溫村斷裂破碎帶型裂隙蓄水構造

1—灰?guī)r；2—頁巖；3—二長花崗巖；4—鮞粒灰?guī)r；5—竹葉狀灰?guī)r；6—斷層；7—地質界線；8—碳酸鹽巖裂隙巖溶含水巖組富水性<500m3/d；9—碳酸鹽巖夾碎屑巖巖溶裂隙含水巖組富水性(主要含水層為張夏組灰?guī)r)1000～5000m3/d；10—碳酸鹽巖夾碎屑巖巖溶裂隙含水巖組富水性(主要含水層為張夏組灰?guī)r)200～500m3/d；11—碳酸鹽巖夾碎屑巖巖溶裂隙含水巖組富水性(主要含水層為朱砂洞組白云巖)100～200m3/d；12—巖漿巖變質巖類裂隙含水巖組富水性50～100m3/d圖6 新泰市外峪村斷裂破碎帶型裂隙巖溶蓄水構造

1—灰?guī)r；2—頁巖；3—白云巖；4—二長花崗巖；5—地層界線；6—斷層；7—碳酸鹽巖夾碎屑巖巖溶裂隙含水巖組富水性(主要含水層為張夏組灰?guī)r)<500m3/d；8—碳酸鹽巖夾碎屑巖巖溶裂隙含水巖組富水性(主要含水層為朱砂洞組灰?guī)r)500～1000m3/d；9—巖漿巖變質巖類裂隙含水巖組富水性50～100m3/d圖7 新泰市袁家莊村層間巖溶蓄水構造

3.3 層間巖溶蓄水構造

層間巖溶蓄水構造是指碳酸鹽巖地層層間巖溶發(fā)育，形成地下水蓄存與運移的空間環(huán)境，地下水在巖層傾伏端及埋藏區(qū)段匯流、富集，形成一定范圍的富水段[22]。

在新汶盆地該蓄水構造主要是寒武紀朱砂洞組地層。盆地南緣朱砂洞組埋藏于地下，與侵入巖不整合接觸。巖性以白云巖、白云質灰?guī)r為主，區(qū)域上厚約40～50m。受多期構造活動及熱液蝕變等因素影響致使接觸帶附近裂隙巖溶發(fā)育，多發(fā)育溶孔、溶洞。巖溶裂隙之間連通性較好，地下水徑流強烈，向地勢低洼處徑流(圖7)。例如新泰市袁家莊村自流井，井深156m，涌水量可達960m3/d。

4 結論

本文基于在新汶盆地開展的1∶5萬水文地質調查工作，論述了新汶盆地主要含水巖組水文地質特征，總結了盆地內地下水蓄水構造模式，形成以下結論。

(1)新汶盆地地處于魯中南低山丘陵區(qū)，盆地內基巖地層呈單斜構造產出，傾向NE。盆地內主要富水巖層為古近紀朱家溝組，奧陶紀馬家溝群，寒武紀三山子組、張夏組、朱砂洞組。

(2)新汶盆地基巖地下水蓄水構造可分為三類：巖層阻水型蓄水構造、斷裂型蓄水構造和層間巖溶蓄水構造。其中斷裂型蓄水構造根據(jù)含水層巖性不同又可劃分為斷裂型灰質礫巖裂隙巖溶蓄水構造、斷裂破碎帶型裂隙蓄水構造、斷裂破碎帶型裂隙巖溶蓄水構造。

(3)盆地內不同蓄水構造類型，含水巖組與成井深度各有差異。巖層阻水型蓄水構造主要在碳酸鹽巖排泄區(qū)，受石炭紀地層阻水后形成富水區(qū)，成井深度在200～300m；斷裂型灰質礫巖裂隙巖溶蓄水構造含水層為古近紀朱家溝組地層，受多期構造影響裂隙巖溶發(fā)育，成井深度在100～150m；斷裂破碎帶型裂隙蓄水構造針對侵入巖地區(qū)，斷裂影響帶區(qū)域巖體裂隙較為發(fā)育，可形成相對富水區(qū)，成井深度在100～150m；斷裂破碎帶型裂隙巖溶蓄水構造含水層為寒武紀張夏組，斷層附近溶隙、溶孔發(fā)育，成井深度在200～300m；層間巖溶蓄水構造含水層為寒武紀朱砂洞組，受構造、熱液溶蝕等因素影響巖溶發(fā)育，成井深度在150～200m。