山東柴汶河下游古近系朱家溝組含水巖組水文地質(zhì)特征及地下水富集模式

李 波，吳 璇，張翼飛，徐聰聰，劉春偉，關(guān) 琴，羅 斐

(1.山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局 八〇一水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊，山東 濟南 250014；2.山東省地下水環(huán)境保護與修復(fù)工程技術(shù)研究中心，山東 濟南 250014)

0 引 言

地下水資源對于山東省經(jīng)濟社會發(fā)展具有舉足輕重的作用，特別是在缺水嚴重的魯中南、魯西低山丘陵地區(qū)，地下水資源的不足嚴重影響當?shù)厣鐣?jīng)濟發(fā)展[1-4]。參考前期的山東水文地質(zhì)工作成果，根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造條件、含水巖組類型等因素，將山東劃分為魯西北平原松散巖類水文地質(zhì)區(qū)，魯中南中低山丘陵碳酸鹽巖類為主的水文地質(zhì)區(qū)和魯東低山丘陵松散巖、碎屑巖、變質(zhì)巖類水文地質(zhì)區(qū)[5-7]。梁永平等[8]將中國北方巖溶水系統(tǒng)劃分為119個系統(tǒng)單元，并歸納為5種系統(tǒng)模式，從分布與發(fā)育規(guī)模、地下水循環(huán)與富集、地下水流場等方面進行了分析總結(jié)；潘曉東等[9]依據(jù)含水巖層產(chǎn)狀、地下水流向關(guān)系等，將魯中南巖溶區(qū)地下水系統(tǒng)劃分為4個模式，并對水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征、地下水資源開發(fā)與保護進行了探討。前人對流域內(nèi)巖溶水水文地質(zhì)條件、系統(tǒng)模式、地下水環(huán)境等方面進行了詳細研究[10-14]，但是對碎屑類孔隙裂隙水的研究較為薄弱，特別是富水性、蓄水構(gòu)造模式、富水機理、地下水水化學(xué)特征等方面較為欠缺。

柴汶河作為大汶河的一條重要支流，從屬于大汶河流域，處于魯中南低山丘陵碳酸鹽巖類為主的水文地質(zhì)區(qū)。在柴汶河下游一帶，區(qū)域地表出露大面積古近系朱家溝組地層；在傳統(tǒng)水文地質(zhì)填圖成果中古近系碎屑巖含水巖組單井涌水量<100 m3/d，為弱富水含水巖組[15]，富水性劃分單一，不具有供水意義。隨著大汶河流域1∶5萬水文地質(zhì)調(diào)查工作的開展，對該區(qū)域機民井進行了調(diào)查、取樣工作，并在泰安市磁窯鎮(zhèn)國家莊村實施了一眼探采結(jié)合孔，孔深150.43 m，含水層為古近系朱家溝組與奧陶系馬家溝群八陡組，其中朱家溝組含水層涌水量達到了1 251.6 m3/d，遠超以往對該含水層富水性的認識。基于此，本文在前期調(diào)查的基礎(chǔ)之上，系統(tǒng)分析了該區(qū)域古近系朱家溝組水文地質(zhì)特征，探討其地下水富集模式，為下一步古近紀地層找水定井和碎屑巖區(qū)富水性劃分提供一定參考。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

研究區(qū)位于山東省泰安市西南部，行政區(qū)劃隸屬泰安市，范圍涉及岱岳區(qū)、肥城市和寧陽縣。該區(qū)地處魯西隆起區(qū)內(nèi)的魯中隆起內(nèi)，包含了汶東凹陷、布山凸起、汶口凹陷、蒙山凸起等V級構(gòu)造單元，其南、北分別為蒙山凸起、新甫山凸起，形成了“兩凸夾一凹”的構(gòu)造格局。新生代以來，魯西隆起區(qū)受NW向斷裂切割影響，形成了大汶口盆地、新汶盆地等拉張斷陷盆地[16-18]。南留斷裂、徂徠山斷裂分別構(gòu)成了大汶口盆地、新汶盆地北部邊界，而南部蒙山凸起則構(gòu)成了兩個盆地的南部邊界。兩個盆地具有相似的構(gòu)造格局，均沉積了一套巨厚含膏巖的山麓洪積相-河湖相碎屑巖地層；該套地層自下而上為古近系朱家溝組(E2z)、大汶口組(E2-3d)，缺失常路組[19-20]。本文研究的古近系朱家溝組地層主要出露于新汶盆地西側(cè)的汶口凹陷南緣，呈條帶狀分布(圖1)。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡圖Fig.1 Geological sketch map of the study area showing the distributions of major structures

研究區(qū)處于泰安市南部，汶口、汶東盆地交界處，地勢南高北低，屬暖溫帶半濕潤季風氣候區(qū)。四季分明，春季干旱多風，夏季炎熱多雨，秋季天高氣爽，冬季寒冷干燥。多年(1956—2017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。

2 水文地質(zhì)特征

2.1 巖性特征

古近系朱家溝組(E2z)是一套陸源碎屑沉積的厚層灰質(zhì)礫巖，其下部為灰色-灰紅色礫巖、砂礫巖與磚紅色砂質(zhì)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[21]。礫石成分以微晶灰?guī)r為主，礫徑5～20 cm，個別礫徑>25 cm，磨圓度差，次棱角狀。地層厚度變化較大，由南向北、由西向東厚度逐漸加深。

根據(jù)本次研究鉆孔及機民井調(diào)查資料，國家莊村附近朱家溝組地層厚111.33 m，南梁父村附近厚1 008.42 m(華豐煤礦99-2號孔)。區(qū)域上在90 m以淺，朱家溝組礫巖裂隙巖溶發(fā)育，巖溶形態(tài)以裂隙、蜂窩狀溶孔、溶洞為主，淺部溶洞多填充黃色黏土。在西磁窯村東側(cè)，地表可見因朱家溝組地層巖溶發(fā)育形成的塌陷坑，呈長橢圓形，長度2～6 m、寬0.5～2.0 m(圖2)。

圖2 古近紀朱家溝組巖溶裂隙發(fā)育特征Fig.2 Photos showing the characteristics of karst fissure development in Paleogene Zhujiagou Formation(a)DWZK03鉆孔巖心裂隙發(fā)育段；(b)巖心溶蝕面；(c)朱家溝組地層地面塌陷坑

2.2 富水性特征

朱家溝組含水巖組地下水類型為碎屑巖類孔隙裂隙水，含水層巖性單一，為鈣質(zhì)膠結(jié)灰質(zhì)礫巖。本次調(diào)查工作發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)內(nèi)地下水主要賦存于90 m以淺的巖溶裂隙之中，其富水性主要受斷裂構(gòu)造、裂隙巖溶發(fā)育影響。依據(jù)本次所調(diào)查的機民井資料與鉆孔資料(表1)可以發(fā)現(xiàn)，在研究區(qū)內(nèi)朱家溝組含水巖組單井涌水量為100～300 m3/d，特別是在磁窯斷裂以西至高村斷裂一帶，分析認為受斷裂構(gòu)造影響而形成局部斷陷，裂隙巖溶較東部地區(qū)更為發(fā)育。

表1 研究區(qū)古近系朱家溝組水井信息統(tǒng)計

以本次施工鉆孔DWZK03為例，處于磁窯斷裂與高村斷裂凹陷區(qū)，孔深150.43 m，含水層巖性為古近系朱家溝組灰質(zhì)礫巖與奧陶系馬家溝群八陡組微晶灰?guī)r，其中在111.33 m揭穿朱家溝組，朱家溝組含水層涌水量達到1 251.6 m3/d，降深13.25 m，其富水性遠超300 m3/d(圖3)。與以往對朱家溝組地層富水性認識[15]相比，區(qū)內(nèi)富水性相對較好，特別是磁窯斷裂以西至高村斷裂斷塊區(qū)域，可作為古近系地層應(yīng)急找水靶區(qū)。

圖3 DWZK03鉆孔水文地質(zhì)剖面圖Fig.3 Hydrogeological profile in drill-hole DWZK031.新太古代石英閃長巖；2.第四紀松散沉積物；3.奧陶紀灰?guī)r；4.奧陶紀白云巖；5.寒武紀竹葉狀灰?guī)r；6.古近紀礫巖；7.松散巖類含水巖組，富水性100～300 m3/d；8.碳酸鹽巖類含水巖組，富水性1 000～5 000 m3/d；9.巖漿巖變質(zhì)巖類含水巖組，富水性50～300 m3/d；10.碎屑巖類含水巖組，富水性>300 m3/d；11.碎屑巖類含水巖組，富水性100～300 m3/d

2.3 水化學(xué)特征

2.3.1 樣品采集與測試

為分析區(qū)內(nèi)古近系朱家溝組含水層地下水化學(xué)特征及地下水補給來源，研究孔隙裂隙水與巖溶水的水力聯(lián)系，結(jié)合區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)條件、地下水補徑排特征，對區(qū)內(nèi)古近系朱家溝組及南部奧陶系馬家溝群地下水進行取樣分析，其中朱家溝組4件、馬家溝群2件。樣品經(jīng)0.45 μm濾膜過濾后置于清洗過的聚乙烯瓶，陽離子樣品經(jīng)HNO3酸化至pH值<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驗室完成。

2.3.2 水化學(xué)參數(shù)特征

依據(jù)水化學(xué)分析結(jié)果可以看出(表2)，研究區(qū)地下水pH值在7.5～7.9之間，為中性或偏堿性；陽離子以Ca2+為主，陰離子以SO42-為主；TDS為1 110～2 100 mg/L；孔隙裂隙水與巖溶水水化學(xué)特征基本一致。從水化學(xué)參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果(表3)看出，地下水中陽離子Ca2+、Na+、Mg2+含量平均值依次為327.49 mg/L 、66.4 mg/L、37.87mg/L，其中Mg2+含量變化范圍為21.75～54.93 mg/L，變異系數(shù)為33%，為陽離子中最大者。陰離子SO42-、 HCO3-、Cl-含量平均值依次為396.63 mg/L、232.21 mg/L、223.21 mg/L，其中NO3-含量變化范圍為136.75～498.07 mg/L，變異系數(shù)為52%，為陰離子中最大者。HCO3-變化范圍為177.77～315.12 mg/L，變異系數(shù)為20%，為眾離子中最小者。Na+和Ca2+在空間分布上的變異性較大，其受水文氣象、地形地貌、水文地質(zhì)條件及人類活動等因素的影響較大；HCO3-的變異系數(shù)相對較小，說明其在研究區(qū)地下水中的含量比較穩(wěn)定，受其他因素的影響較小。

表2 研究區(qū)地下水水化學(xué)分析結(jié)果

表3 水化學(xué)參數(shù)特征值統(tǒng)計

2.3.3 水化學(xué)成因分析

水化學(xué)三線圖(圖4)顯示，朱家溝組與南部馬家溝群碳酸鹽巖地下水離子分布集中，結(jié)合上文水化學(xué)特征分析結(jié)果，兩者水化學(xué)特征基本相一致，表明二者具有密切的水力聯(lián)系。

圖4 研究區(qū)地下水樣品Piper圖(單位：%)Fig.4 Piper diagram of groundwater samples from the study area (unit: %)

Gibbs圖將天然水體的化學(xué)形成機制分為蒸發(fā)濃縮機制、巖石風化機制和降水作用機制三種，運用Gibbs圖可以分析區(qū)內(nèi)地下水化學(xué)組分影響機制[22-23]。由研究區(qū)地下水的Gibbs圖(圖5)可以看出，孔隙裂隙水及南部馬家溝群巖溶水取樣點集中分布于巖石風化型附近，并趨向于蒸發(fā)濃縮型。

圖5 研究區(qū)地下水Gibbs圖Fig.5 Gibbs maps of groundwater in the study area

利用離子關(guān)系曲線圖分析地下水各離子濃度比例關(guān)系特征是研究地下水物質(zhì)來源及演化趨勢的有效手段[24]。Na+與Cl-的比值被稱為地下水的成因系數(shù)，可以用來表征Na的富集程度，標志地下水中的鹽分溶濾和積累強度[25]。由研究區(qū)地下水離子關(guān)系曲線圖(圖6(a))可以看出，區(qū)內(nèi)地下水Na+/Cl-比值位于1∶1等量溶解線以下，說明地下水徑流過程中除了巖鹽溶解和蒸發(fā)濃縮作用之外，還存在其他因素影響，例如人類活動影響及其他離子交換作用。地下水中Ca2++Mg2+與HCO3-+SO42-毫克當量比接近1∶1，反映地下水中相關(guān)離子主要源于方解石、白云石和石膏的溶解[26]。由圖6(b)可以看出，樣點位于1∶1等量溶解線以上，可見Ca+、Mg2+離子主要來自方解石、石膏的溶解；而受工業(yè)園區(qū)污水排放影響，氯化物含量增多導(dǎo)致硫酸鹽與碳酸鹽巖含量相對偏小。

圖6 研究區(qū)不同類型地下水離子關(guān)系Fig.6 Groundwater ionic ratios of different groundwater types in the study area

3 地下水富集模式分析

如上文所述，區(qū)內(nèi)朱家溝組地層是一套具有“磨拉石建造”沉積特征的灰質(zhì)礫巖，具有礫石顆粒大、磨圓度差、棱角明顯等特征，鈣質(zhì)、泥質(zhì)膠結(jié)；礫石主要源于汶東構(gòu)造盆地南緣古生代碳酸鹽巖地層，以微晶灰?guī)r為主。該地層裂隙巖溶發(fā)育，與碳酸鹽巖地層類似，具有相同的巖溶形態(tài)。

研究區(qū)域周邊發(fā)育兩條北東向斷裂(磁窯斷裂、高村斷裂)，內(nèi)部由東向西小規(guī)模斷裂發(fā)育逐漸增多；多期構(gòu)造活動造成灰質(zhì)礫巖層裂隙發(fā)育，沿裂隙發(fā)育帶更易受地下水溶蝕。斷裂構(gòu)造為地下水提供了導(dǎo)水通道，而在裂隙巖溶發(fā)育處則形成了良好的儲水空間。

地下水主要補給來源為大氣降水與河流側(cè)滲補給；另外，據(jù)水化學(xué)特征可以看出，研究區(qū)域南側(cè)巖溶水與孔隙裂隙水具有相似的水化學(xué)特征，表明南側(cè)巖溶水頂托滲透補給也是該區(qū)域地下水的主要補給來源。受地勢、構(gòu)造發(fā)育等條件影響，區(qū)內(nèi)地下水整體由東南向西北方向徑流。人工開采、礦坑排水則是孔隙裂隙水的主要排泄方式。

依據(jù)上述分析，研究區(qū)古近系朱家溝組富水性主要受斷裂構(gòu)造影響，富水模式可以歸為斷裂型灰質(zhì)礫巖巖溶裂隙蓄水構(gòu)造模式，其地下水具有孔隙裂隙水與巖溶水混合的特性。

4 結(jié) 論

本文針對柴汶河上游附近朱家溝組地層，從富水性、地下水補徑排條件、水化學(xué)特征與富水機理等方面進行分析，得到以下認識：

(1)區(qū)內(nèi)古近系朱家溝組灰質(zhì)礫巖層是一套近距離搬運的陸源沉積地層，含水層特征為鈣質(zhì)膠結(jié)灰質(zhì)礫巖。地層沉積由南向北逐漸加深，區(qū)域上在90 m以淺裂隙巖溶發(fā)育，可見溶隙、溶孔、溶洞等形態(tài)。區(qū)內(nèi)單井涌水量為100～300 m3/d，特別是在磁窯斷裂以西、高村斷裂以東凹陷區(qū)，單井涌水量>300 m3/d，水量豐富。

(2)依據(jù)地下水水化學(xué)特征分析可以看出，古近系朱家溝組孔隙裂隙水與南部碳酸鹽巖類巖溶水具有相似的水化學(xué)特征，表明兩者水力聯(lián)系密切。水化學(xué)類型主要為SO4·Cl-Ca型與SO4-Ca型；地下水主要為巖石風化型，并趨于蒸發(fā)濃縮型；地下水中離子成分主要源于巖鹽溶解，Ca+、Mg2+離子主要來自方解石、石膏溶解，并且人類污染活動提供了地下水中Cl-等外源補給。

(3)灰質(zhì)礫巖區(qū)兼具地下水富集的三大要素，即補給來源、導(dǎo)水通道與儲水空間；富水模式為斷裂型灰質(zhì)礫巖巖溶裂隙蓄水構(gòu)造模式，其地下水類型兼具裂隙水與巖溶水特征。磁窯斷裂與高村斷裂之間凹陷區(qū)可作為本區(qū)域碎屑巖區(qū)應(yīng)急找水靶區(qū)。