嘉祥縣紅運水源地巖溶發(fā)育特征及富水規(guī)律研究

肖華，張傳英，王彥明，袁成軍*

(1.山東省魯南地質(zhì)工程勘察院(山東省地勘局第二地質(zhì)大隊)，山東 濟寧 272100；2.濟寧市巖溶地質(zhì)重點實驗室，山東 濟寧 272100；3.嘉祥縣自然資源和規(guī)劃局，山東 嘉祥 272400)

0 引言

紅運水源地位于山東省濟寧市嘉祥縣大張樓鎮(zhèn)紅運村東，地處嘉祥單斜斷塊水文地質(zhì)單元的北部。嘉祥斷塊由東南向北西傾伏，呈單斜狀，為一獨立的水文地質(zhì)單元，東邊界以嘉祥斷裂、劉莊-廟西斷裂和唐陽斷裂為界，西邊界以馬村-大山頭斷裂和巨野斷裂為界，南邊界以菏澤斷裂為界，北邊界以鄆城斷裂為界。南部太古界、古生界地層翹起并剝蝕為殘丘丘陵，北部奧陶、寒武系隱伏于新近系及第四系松散堆積物之下，松散堆積物厚度自東南部向西北部由50m漸變?yōu)?00m左右。上部松散巖類孔隙含水巖組和下部巖溶含水巖組形成單斜雙層含水結(jié)構(gòu)。下部巖溶含水巖組由斷塊周邊斷裂圍成隔水邊界；南部基巖裸露區(qū)裂隙巖溶發(fā)育，是巖溶水的降水入滲補給區(qū)。紅運水源地經(jīng)勘探證實的允許開采量為9萬m3/d，為中國北方典型的大型巖溶水水源地(1)山東省魯南地質(zhì)工程勘察院，山東省嘉祥縣紅運水源地供水水文地質(zhì)詳查報告，2005年。。本文針對水源地主要供水井及周邊勘探井巖溶發(fā)育特征，對水源地巖溶空間分布特征和發(fā)育規(guī)律進行總結(jié)，對富水規(guī)律進行研究，以期為覆蓋型巖溶區(qū)供水水文地質(zhì)勘探提供參考。

1 巖溶發(fā)育特征

1.1 碳酸鹽巖地層巖性

紅運水源地共有供水井8眼，根據(jù)鉆孔揭露，其地層自上而下依次發(fā)育第四系、奧陶系和寒武系，其中碳酸鹽巖地層包括奧陶紀馬家溝群北庵莊組和東黃山組和寒武-奧陶紀三山子組，各段揭露地層巖性見表1。

表1 紅運水源地碳酸鹽巖地層巖性表

1.2 巖溶發(fā)育與地層巖性的關(guān)系

嘉祥單斜斷塊碳酸鹽巖分布面積1476km2，其中以寒武-奧陶紀三山子組和馬家溝群為主(圖1)。研究區(qū)巖溶總體可分為裸露型和覆蓋型兩種。裸露型分布面積相對較小，主要分布在南部灰?guī)r裸露區(qū)。覆蓋型巖溶分布較廣，以奧陶紀馬家溝群碳酸鹽巖為主，占總巖溶分布面積的90%以上。

1—第三系；2—石炭-二疊系；3—奧陶系；4—寒武系；5—灰?guī)r邊界；6—隱伏煤系地層；7—變質(zhì)巖；8—嘉祥斷塊邊界線；9—基巖裸露區(qū)界線；10—紅運水源地位置

巖溶是水對可溶性巖石進行化學(xué)溶蝕為主的地質(zhì)作用的過程[1]，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[2-4]。

根據(jù)水源地8眼供水井揭露地層情況，巖溶發(fā)育深度143～330m，主要發(fā)育地層以三山子組為主，單孔巖溶發(fā)育占全孔的58%～100%，其次為奧陶紀馬家溝群北痷莊組和東黃山組(表2)。巖性差異影響著巖溶發(fā)育程度，不同成分和結(jié)構(gòu)的碳酸鹽巖溶解的難易程度不同，其與巖石中氧化鈣與氧化鎂的比值有關(guān)[5-6]。

表2 紅運水源地供水井巖溶發(fā)育情況表

三山子組a段和b段灰白色中細晶白云巖巖溶發(fā)育最強，是構(gòu)成區(qū)內(nèi)巖溶水儲存空間和運移通道的主要地層巖性。馬家溝群土峪組泥灰?guī)r和北庵莊組灰?guī)r、豹皮灰?guī)r等以裂隙為主，巖溶發(fā)育微弱，巖溶形態(tài)以溶孔為主，溶洞少見。如LK4孔，第四系松散層厚110m，其下(自上而下)為奧陶紀馬家溝群北庵莊組、東黃山組灰?guī)r、豹皮灰?guī)r、泥灰?guī)r和三山子組a段細晶白云巖、b段中細晶白云巖?；?guī)r、豹皮灰?guī)r和泥灰?guī)r只是裂隙發(fā)育，局部可見溶隙、溶孔，而中細晶白云巖不僅裂隙、溶隙發(fā)育，而且溶洞發(fā)育，溶洞直徑一般3～5cm，大者20～50cm(照片1)。橫向上奧陶紀馬家溝群巖溶發(fā)育明顯弱于三山子組，其灰?guī)r巖溶發(fā)育弱于白云巖，在巖性上反映為中細晶白云巖>細晶白云巖>泥灰?guī)r>灰?guī)r和豹皮灰?guī)r>微晶白云巖。

照片1 LK4三山子組巖溶發(fā)育照片

紅運水源地含水層位以三山子組a段和b段白云巖為主，是本區(qū)與鄰區(qū)巖溶水富集規(guī)律最大的差別[7-10]。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

1.4 巖溶分布與地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系

巖溶發(fā)育主要受地層巖性、斷裂構(gòu)造、節(jié)理裂隙、斷塊運動等控制[13]，區(qū)域構(gòu)造是影響巖溶發(fā)育與空間分布關(guān)系的重要因素[14]，斷層、裂隙及構(gòu)造破碎帶改變了地下水的徑流條件，使巖溶水流形成后，就受到一定邊界條件的約束，水動力作用加強[15]。斷裂交會部位裂隙巖溶較發(fā)育，同時受局部斷裂構(gòu)造的控制，巖溶也相對較集中發(fā)育在斷層面附近或斷裂帶上[16-17]。在橫向上或平面上，巖溶發(fā)育明顯受控于地質(zhì)構(gòu)造。巖溶發(fā)育一般呈帶狀，走向一般與斷裂的走向一致，寬度一般與斷裂影響帶寬度相吻合。研究區(qū)內(nèi)的紅運富水地段，其巖溶發(fā)育與區(qū)域斷裂的走向基本一致，這也說明了巖溶發(fā)育受控于主要斷裂的規(guī)律。野外觀察在基巖裸露區(qū)可清楚地看到沿NE 60°方向發(fā)育的斷裂，其兩側(cè)溶洞、溶隙十分發(fā)育，遠離斷裂面(約15m)只發(fā)育一些溶孔及小裂隙。

1.5 巖溶發(fā)育與地下水動力條件的關(guān)系

地下水動力條件，是巖溶發(fā)育的又一重要因素。特別是地下水徑流條件是控制巖溶發(fā)育的主要因素[18]，地下水徑流強弱與地形條件有關(guān)，一般情況下，地形高差大，地下水徑流強，巖溶發(fā)育深度大，而且強烈[19]。紅運水源地一帶隱伏于第四系之下的灰?guī)r頂板埋藏起伏較大，如LK4孔與LK9孔相比，僅相距1200m，其灰?guī)r頂板高差48m，這種高低起伏的古地形條件，影響區(qū)內(nèi)巖溶地下水徑流強弱，同時促進了巖溶的發(fā)育。

1.6 巖溶發(fā)育與埋藏深度的關(guān)系

在縱向上或剖面上，研究區(qū)由南至北巖溶發(fā)育由淺變深。南部如嘉祥城北富水地段，巖溶發(fā)育最強深度段埋深在60～100m，巖溶形態(tài)以溶洞、溶隙為主，溶洞一般呈不規(guī)則核桃狀，局部溶洞直徑10～25cm；埋深100m以下巖溶發(fā)育隨深度的增加逐漸減弱，巖溶形態(tài)則以溶孔為主，裂隙發(fā)育，溶洞少見。紅運富水地段，巖溶發(fā)育最強深度段埋深160～280m，巖溶形態(tài)以溶洞為主。溶洞直徑一般4～8cm，局部15～40cm，鉆進過程中孔內(nèi)突然出現(xiàn)全泵量漏水和掉鉆現(xiàn)象。埋深280m以下巖溶形態(tài)以溶孔為主，溶洞少見。

2 富水性規(guī)律

天然狀態(tài)下，研究區(qū)內(nèi)巖溶水只在南部裸露山區(qū)接受降雨入滲補給。近年來，由于巖溶水的人工開采，區(qū)域巖溶水位普遍低于孔隙水位，因此，又增加了孔隙水的越流補給。

區(qū)內(nèi)巖溶含水巖組絕大部分隱伏于第四系之下?；?guī)r頂板高低起伏，凹凸不平，裂隙巖溶發(fā)育。因此，在灰?guī)r頂板埋深較淺范圍內(nèi)，無論是孔隙含水巖組中隔水層薄，還是含水層直接與巖溶含水層接觸，均會造成孔隙水向巖溶含水層越流的有利條件。

因巖溶導(dǎo)水儲水空間的發(fā)育受地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌等因素的控制和影響，巖溶含水層的富水性極不均勻[20]。LK1孔單位涌水量26m3/d·m，LK2孔為30m3/d·m，LK3孔為964m3/d·m，LK6孔為557m3/d·m，而紅運水源地開采區(qū)最大單位涌水量達33333.3m3/d·m，是罕見的富水性極強的巖溶水水源地。

紅運富水地段是由勘探孔LK4發(fā)現(xiàn)的。在施工LK4孔之前，已經(jīng)相繼完成了LK1孔、LK2孔、LK3孔、LK6孔，富水情況均不理想。LK1，LK2富水性均一般。從地層巖性上看，雖然巖溶發(fā)育段在東黃山組、北痷莊組、三山子組均有發(fā)育，但含水層段明顯較薄，以本區(qū)主要含水層段三山子組為例，LK1三山子組頂板埋深205.1m，巖溶發(fā)育段厚度為2.3m，深度為213.1～244.8m；LK2三山子組頂板埋深200.5m，巖溶發(fā)育段厚度為3.3m，深度為212.0～258.05m。與富水地段埋藏深度一般在250～300m相比，埋藏相對淺、巖溶發(fā)育段薄。LK1孔由于附近沒有構(gòu)造，地層巖性和主要含水層埋深較適宜，但裂隙巖溶相對發(fā)育弱，單位涌水量26m3/d·m。LK2孔地層巖性和地質(zhì)構(gòu)造條件均較有利，但因其處在兩條平行斷層形成的封閉地塹降落帶內(nèi)，有巨厚層新近系黏土巖隔水層，導(dǎo)致水動力條件極差，巖溶發(fā)育弱，單位涌水量30m3/d·m，說明構(gòu)造發(fā)育是控制巖溶發(fā)育的主要因素之一(圖2)。

1—單位涌水量大于10000m3/d·m；2—單位涌水量5000～10000m3/d·m；3—單位涌水量1000～5000m3/d·m；4—單位涌水量500～1000m3/d·m；5—單位涌水量小于500m3/d·m；6—巖溶水邊界范圍線；7—斷裂；8—巖溶水富水性分區(qū)界線；9—鉆孔位置及編號；10—紅運水源地位置；11—剖面線位置

LK3孔、LK6孔富水性好，LK6孔單位涌水量達557m3/d·m，LK3孔單位涌水量達964m3/d·m(圖3)。兩孔相距4200m，地層不連續(xù)，推測之間有斷裂存在，而在這條斷層及其影響帶附近，主要巖溶含水層(三山子組a，b段)埋藏較淺，巖溶水與孔隙水水力聯(lián)系密切，水動力條件加強，水循環(huán)強烈，使巖溶特別發(fā)育，從而形成巖溶水富集地段。分析認為灰?guī)r埋藏深度與巖溶發(fā)育有一定關(guān)系，但不是決定因素，而斷裂是控制性因素，是加強水動力條件、促進巖溶發(fā)育的主要因素。

1—松散巖類孔隙含水巖組；2—碳酸鹽類裂隙巖溶含水巖組；3—碎屑巖類裂隙含水巖組；4—粉質(zhì)黏土；5—黏土；6—中粗砂；7—灰?guī)r；8—白云巖；9—砂巖；10—泥灰?guī)r；11—巖溶發(fā)育段；12—斷裂；13—地層界線

綜上所述，紅運水源地地層巖性是巖溶發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ)，地質(zhì)構(gòu)造是巖溶發(fā)育的控制性因素，水動力條件循環(huán)強烈是巖溶發(fā)育的外在因素。

3 結(jié)論

(1)紅運水源地巖溶發(fā)育層位為寒武-奧陶紀三山子組，巖性以白云巖為主，巖溶發(fā)育深度143～330m，以溶孔、溶蝕、溶洞為主，巖溶發(fā)育受制于地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地下水動力條件和埋藏深度。

(2)紅運水源地的強富水性是在巖溶發(fā)育地層、地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育、水動力條件循環(huán)強烈等內(nèi)外條件下而形成的。