山東省莒縣白堊系地下水富集規(guī)律研究

冷旭勇，柳耀君，崔 素，劉 連，王艷婷

(山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院/山東省地礦局富鐵礦找礦與資源評價重點實驗室，山東 濟南 250014)

地下水的富集意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]。隨著水資源供需矛盾加劇，人們逐漸重視對裂隙水的研究[3]。白堊系地層內(nèi)含泥質(zhì)成分較多，造成地下水資源相對貧乏。但在局部水文地質(zhì)條件有利的地段，仍存在富水塊段[4]。

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40 km，主要以斷裂構(gòu)造為邊界，西以安丘-莒縣斷裂為界，北至于里鎮(zhèn)北側(cè)走向北西的斷裂，東至小仕陽水庫，南邊界為茅埠—陳家土嶺斷裂。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)。中生界白堊系地層在白芬子—浮來山斷裂至昌邑—大店斷裂間分布廣泛，由老至新依次劃分為萊陽群、青山群、大盛群和王氏群(圖1)，巖性主要為復(fù)成份礫巖、砂巖、角礫巖、凝灰?guī)r、安山巖等。

1.2 構(gòu)造

研究區(qū)位于華北板塊東南隅，在昌邑—大店斷裂以西，在沂沭斷裂帶范圍內(nèi)。區(qū)域內(nèi)主要有兩條主干斷裂：昌邑—大店斷裂和安丘—莒縣斷裂，形成一塹一壘；另外還有白芬子—浮來山斷裂、茅埠—陳家土嶺斷裂、三莊—法莊斷裂(圖1)。其中安丘—莒縣斷裂總體走向30°，屬壓扭性阻水斷裂，是莒縣地塹盆地演化過程中，盆地邊界斷裂白芬子—浮來山斷裂向內(nèi)部遷移所致。其兩側(cè)地層中礫石成分明顯不同，東側(cè)以安山質(zhì)為主，西側(cè)灰?guī)r和礫巖較發(fā)育。

2 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)地下水主要有松散巖類孔隙水、碎屑巖類孔隙裂隙水兩種類型。松散巖類孔隙水僅在研究區(qū)西南部袁公河河流兩側(cè)有少量分布，富水性總體一般，對于當?shù)鼐用裆a(chǎn)生活供水意義不大。因此，研究區(qū)地下水資源以白堊系碎屑巖類孔隙裂隙水為主。

圖1 主要斷裂及白堊系分布圖

2.1 碎屑巖類孔隙裂隙水

2.2 補給、徑流和排泄條件

碎屑巖類孔隙裂隙水主要是大氣降水入滲補給,大氣降水沿風(fēng)化、斷裂裂隙滲入補給,當斷裂溝通了含水層與第四系孔隙含水層或地表水體時，則還可以獲得第四系潛水或地表水的補給。研究區(qū)地下水以向南徑流為主，局部沿地層傾向向西徑流。其排泄方式主要是徑流排泄及人工開采，在相對富水地段或斷裂構(gòu)造發(fā)育地段，地下水徑流較快，以徑流排泄為主；在構(gòu)造裂隙不發(fā)育地段，富水性較差，地下水徑流弱，其排泄則以人工開采為主。

2.3 水位動態(tài)特征及變化

碎屑巖類孔隙裂隙水地下水位受季節(jié)降水控制明顯[5]，年內(nèi)呈現(xiàn)季節(jié)性變化，一般1-4月，降水量較小，水位緩慢下降；5月開始，受降水量增多影響，水位開始持續(xù)上升，至8月升至最高，之后受補給強度減弱影響，水位呈緩慢下降態(tài)勢,見圖2。地下水位年變幅3～4 m。年際變化主要受枯水、豐水年以及所處地段富水性影響，西蓮池寺-天井汪富水塊段的化龍汪村監(jiān)測孔年均降幅2.98 cm，而塊段以外的龍家官莊監(jiān)測孔年均降幅7.75 cm。

圖2 馬疃地下水位動態(tài) (井深30m，田家樓組含水層)

3 地下水富集規(guī)律

3.1 富水性特征

西蓮池寺-天井汪富水塊段面積為54.04 km2，是一個西、南、東南均以阻水斷裂為隔水邊界，北、東以斷裂、水庫為透水邊界的相對獨立的水文地質(zhì)單元。本項目施工的ZXZK3鉆孔，孔深158.5 m，水位埋深6.6 m，含水巖組為白堊系大盛群田家樓組，主要巖性為粉細砂巖、泥灰?guī)r、礫巖及泥巖，含水層總厚為62.88 m，降深42.7 m時涌水量571.2 m3/d；本次施工的ZXZK5孔，孔深241.89 m，水位埋深25.9 m，含水巖組為白堊系大盛群馬朗溝組，地層巖性主要為復(fù)成份礫巖夾砂巖，全孔發(fā)育含水層12層，單層厚度1.00～22.30 m，含水層總厚109.69 m，降深22.92 m時涌水量為586.8 m3/d；在該區(qū)內(nèi)本次還實施簡易抽水試驗5組，涌水量均較大。另外，收集的抗旱打井資料及現(xiàn)場調(diào)查井點情況也證明該塊段富水性較好(圖3、表1)，采用水均衡法計算，該區(qū)可開采資源量為929.07×104m3/a(2.55×104m3/d)。地下水開采潛力指數(shù)2.56，地下水開采潛力模數(shù)10.48×104m3/a·km2，屬于開采潛力較大區(qū)。

影響地下水富集的主要因素有地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、植被狀況等,富水塊段的形成在巖性、構(gòu)造和地形地貌組合上具有明顯的規(guī)律，即具有地下水富集的水文地質(zhì)因素組合形式[6]。西蓮池寺-天井汪地區(qū)含水層富水性主要受地形地貌、地層巖性以及地質(zhì)構(gòu)造(斷裂、褶皺等)控制。

3.2 地形地貌

地形地貌是地層巖性、構(gòu)造變化及地表水文網(wǎng)演變，特別是新構(gòu)造運動特征的綜合反映。受匯水地貌形態(tài)、匯水范圍等地貌條件控制，地下水的補給、徑流、排泄及富集特征也不同。地下水的分布與富集明顯受到微地貌的影響，即使是同一條溝谷，也常表現(xiàn)為谷坡貧水、谷邊少水、溝心富水、上源少水、中下段富水等特征[7]。安丘—莒縣斷裂是莒縣地塹盆地演化過程中隨盆地擴展，盆地邊界斷裂白芬子—浮來山斷裂向內(nèi)部遷移所致。該斷裂帶西北側(cè)是青峰嶺，地形總體由西向東變低，而昌邑—大店斷裂附近有北大嶺、四寶山等，總體地形由東南向西北變低，使西蓮池寺-天井汪地區(qū)地勢中間低兩側(cè)高，而地層傾向與地形變化基本一致，匯水條件好，匯水面較大，為地下水的補給提供了保障。

從本次施工的ZXZK3孔分析，該孔靠近安丘—莒縣斷裂，局部地形斷裂兩側(cè)較高，鉆孔處較低，利于地下水向此處匯集；而本次施工的ZXZK05孔，抽水試驗停泵后，水位恢復(fù)慢，停泵39 h剩余降深仍達5.05 m，可能是由于其處于丘陵頂部，地勢較高所導(dǎo)致。

3.3 地層巖性

巖性是決定地下水形成的物質(zhì)基礎(chǔ)，是白堊系地下水賦存的基礎(chǔ)條件，是影響地下水形成與富集的內(nèi)因,砂巖的含水性較強，而泥巖則具有相對的隔水作用，究其原因，主要與裂隙發(fā)育程度有關(guān)[8～9]。含水層顆粒粗細及顆粒膠接強弱的不同，使富水性也存在空間上的差異。一般來說，在較大范圍內(nèi)分布相對穩(wěn)定的砂巖層富水性較強[10]。含水層厚度也往往影響含水層富水性，厚度大，富水性也隨之增強[11]。西蓮池寺-天井汪地區(qū)含水層主要為白堊系大盛群田家樓組、馬朗溝組，水平分布范圍大，含水巖層厚度200 m以上，其中馬朗溝組巖性主要為礫巖夾砂巖，ZXZK5孔含水層總厚109.69 m，占孔深度為45.35%；田家樓組巖性主要為粉細砂巖,其中含有泥質(zhì)灰?guī)r，有溶蝕現(xiàn)象，ZXZK3孔含水層總厚為62.88 m，占孔深度為39.67%(表2)。因此，該區(qū)適宜的地層巖性具有良好的蓄水性，并有利于地下水徑流。

表1 西蓮池寺-天井汪地區(qū)主要井孔一覽表

圖4 西蓮池寺-天井汪地區(qū)富水機理示意圖

3.4 地質(zhì)構(gòu)造

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[12-13]。研究區(qū)白堊系地下水普遍貧乏，其富水性受地質(zhì)構(gòu)造控制明顯，在地質(zhì)構(gòu)造相對復(fù)雜的地段，富水性好[14]。地質(zhì)構(gòu)造控水理論認為，地質(zhì)構(gòu)造是控制裂隙發(fā)育、地下水埋藏、分布和運移的主導(dǎo)因素，在一定有利的地質(zhì)構(gòu)造組合形式下，就會形成有利于地下水形成、運動和蓄存的蓄水構(gòu)造。在干旱地區(qū)尋找地下水，就是要尋找有利的蓄水構(gòu)造，作為地下水形成、運動和儲存的場所，其特征和性質(zhì)控制著地下水水量的多少[15-18]。

西蓮池寺-天井汪地區(qū)導(dǎo)水斷裂和褶皺構(gòu)造的共同作用就像高速公路和普通道路的融合互補，為地下水創(chuàng)造了良好的徑流條件。區(qū)內(nèi)地下水總體沿安丘-莒縣斷裂帶由北向南徑流，區(qū)內(nèi)發(fā)育的多組北西向張性斷裂，也為地下水的運移提供了良好的通道；同時區(qū)內(nèi)地層傾向變化多，褶皺發(fā)育，向斜背斜交替出現(xiàn)，為地下水的局部運移提供了動力基礎(chǔ),使地下水在水力坡度作用下加速徑流；研究區(qū)西、南及東南的壓扭性阻水斷裂和局部褶皺構(gòu)造為地下水的富集提供了良好的條件。斷裂、褶皺、地層分布等地質(zhì)構(gòu)造的有利組合，形成了有利的蓄水構(gòu)造，成為鉆井取水的富水塊段。

比如ZXZK3孔(圖4)位于安丘—莒縣斷裂帶東側(cè)，屬阻水及層狀復(fù)合型蓄水構(gòu)造。地下水總體自北向南徑流，同時在土樓子?xùn)|有一小型背斜構(gòu)造，地下水沿巖層傾向向西徑流，在斷裂處被阻擋富集，該井匯水條件好，匯水面較大，涌水量達到571.2 m3/d(降深42.7 m)。ZXZK5孔屬于典型的斷裂型蓄水構(gòu)造。該井東為昌邑—大店斷裂帶，該斷裂帶傾向西，其西側(cè)又有走向325°左右的茅埠—陳家土嶺斷裂，此斷裂傾向東，為阻水斷裂，受斷裂影響，此處構(gòu)造裂隙發(fā)育，增加了地下水的儲水、導(dǎo)水空間，使此處富水性較好。

表2 ZXZK3、ZXZK5鉆孔含水層一覽表

4 結(jié)語

綜合分析認為，莒縣白堊系地區(qū)地下水總體貧乏，但貧中有富，若具備以下四個主要因素，則有較大可能形成富水塊段。

(1)合適的地形地貌，有較大的匯水面積，能提供充足的地下水補給來源。

(2)適宜的地層巖性，地層巖性是地下水賦存的物質(zhì)基礎(chǔ)，西蓮池寺-天井汪地區(qū)含水層巖性為礫巖夾砂巖、粉細砂巖，含水層厚度大，有利于形成良好的地下水儲水空間。

(3)良好的地下水動力條件可以加快地下水的徑流速度。西蓮池寺-天井汪地區(qū)導(dǎo)水斷裂和褶皺構(gòu)造的共同作用使地下水在水力坡度作用下快速徑流，為地下水的運移與匯集創(chuàng)造了良好的條件。

(4)有利的蓄水構(gòu)造，斷裂、褶皺、地層分布的有利組合容易形成白堊系地下水富集的有利地段。西蓮池寺-天井汪地區(qū)地下水總體沿斷裂由北向南徑流，同時褶皺構(gòu)造加劇了地下水的局部運移，受到阻水斷裂的阻擋并富集形成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[19]，對于不同缺水地區(qū)的地下水尋找方向和開發(fā)模式應(yīng)根據(jù)其所含蓄水構(gòu)造地下水的分布規(guī)律，因地制宜地確定[20]。對莒縣白堊系地區(qū)地下水富集規(guī)律的分析總結(jié)，對于今后在其它地區(qū)開展找水工程及相關(guān)研究具有一定的借鑒意義。