寧夏中衛(wèi)市香山冶金用石英巖礦水文與工程地質(zhì)條件分析

曾亞新

（中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心寧夏總隊(duì)，寧夏 銀川 750021）

1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造背景

依據(jù)《中國區(qū)域地質(zhì)志·寧夏志》（2017），綜合地層區(qū)：柴達(dá)木-華北地層大區(qū)（Ⅲ），阿拉善地層區(qū)（Ⅲ3），阿拉善南緣地層分區(qū)（Ⅲ31），景泰-中寧地層小區(qū)（Ⅲ31-1）。區(qū)域大地構(gòu)造單元屬柴達(dá)木-華北板塊（Ⅲ），阿拉善微陸塊（Ⅲ4）、騰格里早古生代增生楔（Ⅲ41）、衛(wèi)寧北山-香山晚古生代前陸-上疊盆地（Ⅲ41-1）、香山褶斷帶（Ⅲ41-1-5）[3]。該區(qū)域經(jīng)歷了長期的構(gòu)造活動(dòng)，形成了一系列近東西向擠壓褶皺帶。構(gòu)造形態(tài)復(fù)雜，褶皺、斷裂較發(fā)育[4]。

2 區(qū)域水文地質(zhì)概括

勘查區(qū)位于香山腹地，屬基巖裂隙水，地下水屬徑流小的水文地質(zhì)區(qū)。主要受地質(zhì)構(gòu)造、巖性特征、地形地貌及氣候變化等多種因素綜合影響和控制的水文地質(zhì)條件。地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌、礦床成因及不同巖性特征等主要因素，主要影響地下水的埋藏、分布、水質(zhì)及水量的變化。大氣降水是地下水補(bǔ)給的主要來源。

含水層按照水力性質(zhì)、賦存條件及巖性特征，將區(qū)域含水層類型劃分為松散巖類孔隙水和基巖裂隙水，含水層形成條件、規(guī)模、水質(zhì)水量特征如下：

2.1 松散巖類孔隙水

該類型地下水分布于較大的“U”形溝谷內(nèi)。香山地區(qū)受衛(wèi)寧區(qū)域性東西向構(gòu)造帶的控制，發(fā)育有“U”型溝谷，基底為古生界奧陶系淺變質(zhì)巖類和石炭系、二疊系碎屑巖類。其內(nèi)沉積有厚度不等的砂礫石，大氣降水為主要補(bǔ)給來源，少量溝壁基巖裂隙水滲透補(bǔ)給，以此形成了孔隙水，呈帶狀分布，受地形影響，溝谷潛水由暗流轉(zhuǎn)為明流，明暗互補(bǔ)。由于含水介質(zhì)是高含鹽份的碎屑巖類和淺變質(zhì)巖類的風(fēng)化產(chǎn)物，地下水力坡度平緩，經(jīng)流緩慢，地下水質(zhì)受其影響，水質(zhì)較差，礦化度＞2 g/L,屬氯化物硫酸鹽-鈉型水和硫酸鹽氯化物-鈉鈣型水。

2.2 基巖裂隙水

基巖裂隙水主要風(fēng)化裂隙水，層狀和帶狀裂隙水三種類型。

以奧陶系變質(zhì)巖類、石炭系煤系地層及二疊系碎屑巖，三者所組成的向斜構(gòu)造盆地，局部零星分布有泥盆系地層。盆地中部為碎屑巖類砂礫巖、砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖互層夾煤層組成，盆地周邊為淺變質(zhì)砂巖、板巖、硅質(zhì)灰?guī)r組成，碎屑巖類和淺變質(zhì)巖類成巖程度較高，致密堅(jiān)硬，層理尚發(fā)育，透水性富水性差，泥巖和炭質(zhì)泥巖具隔水性。受多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和長久的外動(dòng)力地質(zhì)作用，風(fēng)化裂隙發(fā)育，呈不規(guī)則分布，深部發(fā)育層間裂隙，局部構(gòu)造破碎帶較發(fā)育。層間裂隙充填方解石脈，主斷層中斷層破碎帶導(dǎo)水性號(hào)、富水性強(qiáng)，使隔水層之間的層間裂隙水構(gòu)成水力鏈接。

大氣降水入滲補(bǔ)給風(fēng)化裂隙水，在裂隙中賦存和運(yùn)移，面積小，徑流短，泉水流量較小。排泄方式主要以蒸發(fā)和滲透補(bǔ)給層狀裂隙水。

風(fēng)化裂隙水滲透補(bǔ)給層狀裂隙水，主要沿帶狀裂隙滲流，少量層間橫向補(bǔ)給。排泄方式主要沿?cái)嗔褞搅餮a(bǔ)給臨區(qū)含水層。

總體基巖裂隙水水質(zhì)普遍較差，礦化度＞3 g/L，屬硫酸鹽氯化物-鈉型水。

勘查區(qū)水文地質(zhì)條件與區(qū)域水文地質(zhì)條件相似，勘查區(qū)位于區(qū)域向斜構(gòu)造盆地北東側(cè)，區(qū)域構(gòu)造破碎帶勾通了區(qū)域內(nèi)和勘查區(qū)的水力聯(lián)系，其水量、水質(zhì)、水溫等水文地質(zhì)條件基本相同。

3 勘查區(qū)水文地質(zhì)條件

3.1 地下水賦存條件與分布規(guī)律

由石炭系煤系地層及二疊系碎屑巖所組成的向斜構(gòu)造組成，形狀近似橢圓，向斜軸自北西向南東向分布。勘查區(qū)屬中低山丘陵，發(fā)育“U”型谷及“V”型沖溝，地形利于自然排水。地形切割強(qiáng)烈，基巖裂隙發(fā)育，大氣降水滲透補(bǔ)給風(fēng)化裂隙中，地下水賦存于此。

石炭-二疊系砂礫巖，致密堅(jiān)硬，透水性差，富水性弱。長期受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，構(gòu)造破碎帶較發(fā)育，局部層間裂隙發(fā)育，形成了良好的儲(chǔ)存含水層條件。風(fēng)化裂隙水滲透補(bǔ)給，以層狀和帶狀裂隙方式儲(chǔ)存。

勘查區(qū)北部以及西部均發(fā)育“U”型谷，溝床寬60 m～150 m，主要堆積第四系沖洪積砂礫石，沉積厚度＞2 m，透水性好且具有較好的富水性，使沖洪積砂礫石賦存有孔隙潛水，受溝床制約，呈帶狀分布。

3.2 地下水類型及含水巖組劃分

3.2.1 松散巖類孔隙水 主要賦存于勘查區(qū)“U”型溝谷內(nèi)第四系沖洪積砂礫石，含水層厚度＞1.0 m，水位埋深隨地形起伏變化，最大埋深溝床上游水位＞3 m，最小埋深中下游＜0.5 m。下游逐漸由暗轉(zhuǎn)明，流量約為10～200 m3/d?？辈閰^(qū)西部溝谷出露下降泉，見圖1。

圖1 松散巖類孔隙潛水示意圖

3.2.2 二疊-石炭系基巖裂隙孔隙水 主要賦存于風(fēng)化裂隙，層狀裂隙以及構(gòu)造破碎帶。補(bǔ)給方式：大氣降水補(bǔ)給風(fēng)化裂隙水，風(fēng)化裂隙水滲透補(bǔ)給層狀裂隙及構(gòu)造破碎帶。風(fēng)化裂隙含水層較薄，面積小，徑流短，水質(zhì)差，見圖2。二疊-石炭系含水巖組，成巖度高，致密堅(jiān)硬，層理尚發(fā)育，透水性富水性差，泥巖和炭質(zhì)泥巖具隔水性,受構(gòu)造影響,形成帶狀裂隙水和層狀裂隙水，二者水位埋深52 m～61 m。

圖2 基巖裂隙水示意圖

3.3 地下水補(bǔ)給、徑流與排泄條件

3.3.1 松散巖類含水層 主要依靠大氣降水和溝谷上游潛水徑流補(bǔ)給，水位埋藏較淺。蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于降雨量，因此排泄方式以蒸發(fā)為主。

3.3.2 基巖裂隙孔隙含水層 主要依靠大氣降水滲透補(bǔ)給，受地形地貌影響，地下水的徑流條件制約，地表水與地下水分水嶺基本相同，地下水沿地形自上而下運(yùn)移。風(fēng)化裂隙水徑流較短短，蒸發(fā)及補(bǔ)給層狀裂隙水的方式排泄，以此補(bǔ)給層狀和帶狀裂隙水，最終沿?cái)嗔褞搅餮a(bǔ)給下部或臨區(qū)含水組。

3.4 地下水水化學(xué)特征

3.4.1 松散巖類地下水水化學(xué)特征 溝谷中水力坡度較平緩，砂礫石鹽份含量較高，導(dǎo)致地下水徑流緩慢，易溶含水介質(zhì)中得鹽份，使其松散巖類地下水水質(zhì)逐漸變差，本次在該類地下水含水層泉眼中取水樣1 件，礦化度2.30 g/L,PH=7.60，屬硫酸鹽氯化物-鈉型水。

3.4.2 基巖裂隙孔隙水水化學(xué)特征 基巖裂隙水的含水介質(zhì)自身含鹽份高，降水入滲后沿風(fēng)化裂隙、層狀裂隙和帶狀裂隙滲流緩慢，使地下水充分溶濾基巖中的鹽份，因此水質(zhì)差。本次在該類地下水含水層泉眼及民井中取水樣3 件，地下水礦化度1.30～3.50 g/L，屬硫酸鹽重碳酸鹽氯化物-鈉鈣型水和硫酸鹽氯化物-鈉型水。

4 充水因素分析

4.1 大氣降水

勘查區(qū)屬干旱-半干旱的大陸性氣候，具有氣候干燥、雨量少而集中，蒸發(fā)強(qiáng)烈，冬寒長，夏熱短，溫差大，日照長，冬春季多風(fēng)，無霜期短等典型的大陸性氣候特征，因此大氣降水是勘查區(qū)地下水的唯一補(bǔ)給來源。

4.2 地形

勘查區(qū)屬中低山丘陵地形，地勢總體起伏不大，構(gòu)造和地層巖性直接影響地形地貌的變化。隨著時(shí)代變化，地殼緩慢上升，使地形切割強(qiáng)烈，發(fā)育“V”型及“U”型谷，利于自然排水，雨停即失，不易形成洪積區(qū)。

4.3 構(gòu)造

勘查區(qū)屬向斜盆地，因此匯水量較大，由于斷層發(fā)育，導(dǎo)致斷裂帶巖石破碎，導(dǎo)水性強(qiáng)，但區(qū)內(nèi)補(bǔ)給條件較差，降雨量遠(yuǎn)小于蒸發(fā)量，導(dǎo)致富水性弱。

4.4 人為因素

勘查區(qū)內(nèi)多處存有老窖及采坑，采空區(qū)易形成匯水區(qū)域，由于規(guī)模較小，豐雨期時(shí)積水多以蒸發(fā)，不會(huì)對采礦造成威脅。下：

5.2.1 第四系松散沉積物巖組（DL1） 風(fēng)成黃土主要分布于勘查區(qū)北部和局部溝谷內(nèi)，厚度1.0 m～13.6 m，垂直節(jié)理裂隙和孔隙度較發(fā)育，干燥疏松，遇水濕陷性強(qiáng)，易塌方流失。沖洪積砂礫卵石分布于溝谷內(nèi)，松散，第四系風(fēng)成黃土和沖洪積砂礫卵石工程地質(zhì)條件極差。但其位于溝谷內(nèi)，不影響礦床開采。

5.2.2 石炭-二疊系太原組上段炭質(zhì)頁巖、泥巖組（DL2）該巖組為礦石頂板，RQD 值為5.7%～84.0%，未采集巖石物理力學(xué)性質(zhì)樣巖石質(zhì)量等級(jí)為Ⅱ-Ⅴ級(jí)，巖石質(zhì)量屬好的-極劣的，巖體完整性屬破碎-較完整（表1）。其工程條件極差，極易剝離，不影響礦床開采。

表1 DL2 巖組工程地質(zhì)特征一覽表

5 勘查區(qū)工程地質(zhì)條件

工程地質(zhì)巖組劃分：

5.1 巖石物理力學(xué)性質(zhì)

勘查區(qū)在地表具有代表性的位置，共采集15 組力學(xué)樣，分別測試了天然狀態(tài)下的抗壓、抗拉及抗剪強(qiáng)度。礦石（石英砂巖）天然抗壓強(qiáng)度一般在58.48～120.65 Mpa、抗剪強(qiáng)度一般在4.09～8.35 Mpa、抗拉強(qiáng)度一般在1.75～4.01 Mpa，屬較高強(qiáng)度硬質(zhì)巖石；底板（鈣質(zhì)砂巖）天然抗壓強(qiáng)度一般在37.61～102.85 Mpa、抗剪強(qiáng)度一般在2.41～6.99 Mpa、抗拉強(qiáng)度一般在1.13～3.15 Mpa，屬較高強(qiáng)度硬質(zhì)巖石。礦石及底板巖石力學(xué)強(qiáng)度較高，巖石穩(wěn)固性較好。

5.2 工程地質(zhì)巖組

根據(jù)勘查區(qū)內(nèi)巖體地質(zhì)特征、力學(xué)性質(zhì)、完整程度及結(jié)構(gòu)面特征，共劃分了4 個(gè)工程地質(zhì)巖組[5]，分別第四系松散沉積物巖組（DL1）、石炭-二疊系太原組上段炭質(zhì)頁巖、泥巖組（DL2）、石炭-二疊系太原組下段中細(xì)粒石英砂巖組（DL3）及石炭系上統(tǒng)羊虎溝組上段第二層鈣質(zhì)砂巖組（DL4），各巖組特征如

5.2.3 石炭- 二疊系太原組下段中細(xì)粒石英砂巖組（DL3） 該巖組為礦石目標(biāo)層，中厚層狀構(gòu)造，RQD 值為9.0～81.0%，天然抗壓強(qiáng)度58.48～120.65 MPa，天然抗剪強(qiáng)度4.09～8.35 MPa，天然抗拉強(qiáng)度1.75～4.01 MPa，屬較高強(qiáng)度硬質(zhì)巖石，巖石穩(wěn)固性好；巖石質(zhì)量等級(jí)為Ⅱ-Ⅴ級(jí)，巖石質(zhì)量屬極劣的-好的，巖體完整性屬破碎-較完整（表2）。

表2 DL3 巖組工程地質(zhì)特征一覽表

5.2.4 石炭系上統(tǒng)羊虎溝組上段第二層鈣質(zhì)砂巖組（DL4） 該巖組為礦石底板，中-厚層狀構(gòu)造，天然抗壓強(qiáng)度37.61～102.85 MPa，天然抗剪強(qiáng)度2.41～6.99 MPa，天然抗拉強(qiáng)度1.13～3.15 MPa，屬較高強(qiáng)度硬質(zhì)巖石，巖石穩(wěn)固性好；巖石質(zhì)量等級(jí)為Ⅰ-Ⅴ級(jí)，巖石質(zhì)量屬極劣的-好的，巖體完整性屬破碎-完整（表3）。

表3 DL4 巖組工程地質(zhì)特征一覽表

6 水文與工程地質(zhì)條件評述

勘查區(qū)未見有地表水系，“U”型溝谷內(nèi)可見地下水露頭，但水量較小，水質(zhì)差，不可作為生活用水。根據(jù)所施工鉆孔均為揭露含水層，且最低開采標(biāo)高位于最低侵蝕基準(zhǔn)面以上。礦床充水因素主要為大氣降水補(bǔ)給，由于蒸發(fā)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于降水量，僅有少部分降水滲入地下補(bǔ)給地下水。將勘查區(qū)的水文地質(zhì)勘查類型劃分為第二類裂隙充水礦床,屬第一型水文地質(zhì)條件簡單的礦床，即第二類第一型[1]。依據(jù)勘查區(qū)工程地質(zhì)巖組的劃分，礦石及底板巖石物理力學(xué)性質(zhì)較好，穩(wěn)固性強(qiáng)；礦石其圍巖節(jié)理均不發(fā)育，局部裂隙較發(fā)育；根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求[2]，將勘查區(qū)的工程地質(zhì)勘查類型劃分為第三類層狀巖類，屬工程地質(zhì)條件簡單的礦床，即第四類簡單型。由此證明，地下水對礦山開采不造成影響。