某水泥用石灰石礦水文地質(zhì)條件與巖溶發(fā)育特征分析

許金良,孔 輝,譚 穩(wěn),王紹求

(湖南省國(guó)土空間調(diào)查監(jiān)測(cè),長(zhǎng)沙 410000)

1 礦區(qū)含(隔)水層特征

某水泥用石灰石礦區(qū)內(nèi)出露地層由老至新為冷家溪群、震旦系、寒武系、奧陶系、志留系,含(隔)水層特征如下：

1.1 含水層特征

根據(jù)區(qū)內(nèi)地層巖性及水文地質(zhì)特征,地下水可分為松散巖類孔隙水與碳酸巖鹽巖溶裂隙水兩類。

1.1.1 松散巖類孔隙水

第四系松散巖層孔隙水富含水層分布于礦區(qū)南北兩側(cè)溝谷內(nèi)及山體緩坡、坡腳等低洼地段,上部為粉砂質(zhì)黏土夾巖石碎塊,下部為粉砂質(zhì)黏土,局部夾有薄層砂礫層?？倢雍?～19.30 m,含弱孔隙潛水。地表調(diào)查表明,該層水位埋深0.00～11.00 m,水位標(biāo)高45.80～85.30 m。據(jù)以往工作資料顯示,礦區(qū)附近民井涌水量為0.50～0.90 m3/d,滲透系數(shù)2.224～23.01 m/d,直接接受大氣降水補(bǔ)給。水化學(xué)類型為HCO3-Ca.Mg型及HCO3-Ca型,礦化度0.335～0.916 g/L,pH值6.0～8.0。

1.1.2 碳酸鹽巖巖溶裂隙水

奧陶系中統(tǒng)寶塔組上段弱～中等巖溶裂隙含水層(O2b2)分布于礦區(qū)西部,覆蓋于向斜核部之上,主要巖性為灰?guī)r夾鈣質(zhì)泥巖、薄層瘤狀灰?guī)r,層厚48.10 m。地表巖溶及風(fēng)化裂隙較為發(fā)育,巖石出露形態(tài)呈厚層狀、石牙狀,裂隙發(fā)育程度受地質(zhì)構(gòu)造(F1、F3、F10)控制。根據(jù)地表調(diào)查及以往工作資料顯示,溝谷地段可見泉水出露,一般流量為0.039～1.0 L/s。該層為弱～中等巖溶裂隙含水層。

奧陶系下統(tǒng)大灣組弱巖溶裂隙含水層(O1d),呈條帶狀分布于礦區(qū)以西,上部為灰色中-厚層狀灰?guī)r、含泥質(zhì)瘤狀灰?guī)r,地表多為陡坡地形,接受大氣降水補(bǔ)給條件較差。巖石出露形態(tài)以厚層狀為主,少量呈石牙狀,巖溶發(fā)育較弱。風(fēng)化裂隙較為發(fā)育,地表未見出露泉井。經(jīng)已完工的鉆孔抽水試驗(yàn)得知,單位涌水量0.003～0.348 L/s·m,滲透系數(shù)為0.007～0.333 m/d。富水性較弱-中等,屬以溶蝕裂隙為主的弱-中等含水層。下部為泥質(zhì)瘤狀灰?guī)r夾黃綠色板巖,巖層泥質(zhì)成分高,含(透)水性弱,可視為相對(duì)隔水層。該組地層富水性較弱,為弱-中等巖溶裂隙含水層。

奧陶系下統(tǒng)紅花園組巖中等巖溶裂隙含水層(O1h)分布于礦物西北部,主要巖性為灰色中-厚層狀灰?guī)r,層厚251.70 m。地表巖溶及裂隙發(fā)育,巖石出露形態(tài)多呈石筍狀、石牙狀及箱狀,出露泉水流量為0.45～1.58 L/s。據(jù)礦區(qū)鉆孔資料顯示,單位涌水量0.003～0.014 L/s·m,滲透系數(shù)為0.008～0.170 m/d。該層在垂深約150 m以上巖溶發(fā)育,以下巖溶發(fā)育程度逐漸減弱,為富水性、導(dǎo)水性均為中等的巖溶裂隙含水層。

奧陶系下統(tǒng)桐梓組弱巖溶裂隙含水層(O1t)分布于礦區(qū)中部,主要巖性為灰色中-厚層狀白云質(zhì)灰?guī)r夾灰?guī)r,層厚234.30 m。近地表節(jié)理裂隙發(fā)育,隨深度增加而逐漸減弱,偶見少量裂隙有滲水現(xiàn)象,巖溶不發(fā)育。經(jīng)已完工的鉆孔抽水試驗(yàn)得知,單位涌水量0.004 L/s·m,滲透系數(shù)為0.01 m/d。為富水性弱的巖溶裂隙含水層。

寒武系上統(tǒng)婁山關(guān)組中等巖溶裂隙含水層(∈3l)分布于礦區(qū)中東部,主要巖性為灰色塊狀灰質(zhì)白云巖、白云巖,夾角礫狀白云巖,層厚640.40 m。地表巖溶發(fā)育,出露形態(tài)多呈石筍狀、漏斗狀裸露,出露泉水流量為0.1～1.24 L/s。目前在該層中已完工了11個(gè)鉆孔,據(jù)鉆孔揭露情況,除GCK03孔巖溶不發(fā)育外,其他10個(gè)鉆孔均有不同程度溶蝕現(xiàn)象,單孔統(tǒng)計(jì),最小線巖溶率為5.91%,最大線巖溶率為89.29%,平均線巖溶率為29%。此外,GCK01、GCK02、SGK04三個(gè)鉆孔均揭露有溶洞,均為小型多層溶洞,一般洞高2.00～5.00 m,最大溶洞高7.40 m(GCK01孔),一般為無(wú)～半充填型,少量為全充填型,充填物為泥、砂。經(jīng)已完工的鉆孔抽水試驗(yàn)得知,鉆孔涌水量0.153～1.091 L/s,單位涌水量0.011～0.150 L/s·m,滲透系數(shù)0.028～2.151 m/d。該組地層富水性較強(qiáng),為富水性、導(dǎo)水性均為中等的巖溶裂隙含水層[1]。

1.2 隔水層特征

奧陶系中統(tǒng)寶塔組下段(O2b1)分布于礦區(qū)西部,主要巖性為頁(yè)巖,層厚9 m,屬不透水巖層,隔水性能好。

奧陶系中統(tǒng)牯牛潭組(O2g)呈條帶狀分布于西南部,出露巖性為紫紅色泥質(zhì)瘤狀灰?guī)r,層厚15.50 m。巖石泥質(zhì)成分高,結(jié)構(gòu)致密,空隙小,連通性差,透水性弱,為相對(duì)隔水層。

寒武系下統(tǒng)石牌組(∈1s)分布于礦區(qū)東北角,上部為灰色中層狀泥質(zhì)條帶灰?guī)r夾鈣質(zhì)板巖,中部為粉砂巖,粉砂質(zhì)板巖與板巖,下部為鈣質(zhì)板巖夾泥晶白云巖與灰?guī)r,層厚71.10 m。巖層泥質(zhì)成分高,結(jié)構(gòu)致密,含(透)水性弱,可視為相對(duì)隔水層。

隔水巖脈(δ)分布于礦區(qū)西部,主要巖性為閃長(zhǎng)巖,巖石裂隙不發(fā)育,結(jié)構(gòu)致密,空隙小,含(透)水性弱,為隔水層。

1.3 各含水層之間的水力聯(lián)系

覆蓋層與基巖之間的水力聯(lián)系。礦區(qū)范圍內(nèi)地表覆蓋層主要由第四系坡殘積、沖洪積成因的粉砂質(zhì)黏土、砂礫層組成,厚度為0.5～19.30 m,屬可塑-硬塑的中等壓縮性土。滲透系數(shù)2.224～23.01 m/d,屬于中等含(透)水性地層。礦區(qū)接受大氣降雨補(bǔ)給,直接與下部基巖含水層接觸,中間無(wú)隔水巖層存在,地表水通過(guò)節(jié)理裂隙及溶洞、溶蝕裂隙垂直下滲補(bǔ)給基巖含水層,水力聯(lián)系密切。

基巖之間的水力聯(lián)系。礦區(qū)內(nèi)基巖地下水主要為碳酸鹽巖溶洞水、巖溶裂隙水,為礦坑充水重要來(lái)源之一。各含水巖層之間無(wú)連續(xù)隔水巖層,節(jié)理裂隙發(fā)育,巖溶中等發(fā)育,水力聯(lián)系密切。F7斷裂位于礦區(qū)中部,橫切礦區(qū),斷面平滑,泥質(zhì)充填。采坑內(nèi)沿?cái)鄬用嫖匆姖B水現(xiàn)象,地球物理勘探顯示為連續(xù)高阻體,為相對(duì)隔水?dāng)嗔?。受F7斷裂阻水影響,礦區(qū)分為東西兩個(gè)獨(dú)立含水體,相互水力聯(lián)系不密切。

2 地下水補(bǔ)、徑、排條件及地態(tài)特征

2.1 水文地質(zhì)單元?jiǎng)澐?/h3>

依據(jù)區(qū)域地層巖性及地形地貌條件分析,礦區(qū)南北兩側(cè)以寒武系石牌組砂頁(yè)巖相對(duì)隔水層為界,東面以志留系新灘組板巖為界,西面以白泥湖為界,所形成封閉狹長(zhǎng)型水文地質(zhì)單元為中部。

根據(jù)工作區(qū)地形地貌可分為東西兩個(gè)地表水徑流帶,以此采場(chǎng)地表分水嶺為界。地表水一部分通過(guò)土壤孔隙或基巖的節(jié)理裂隙下滲補(bǔ)給地下水;一部分順坡徑流,向南北兩側(cè)溶蝕沖溝匯集,通過(guò)溝渠、沖溝等向東西兩側(cè)徑流。西徑流帶分散排泄于低洼溝谷,向白泥湖方向徑流。最低侵蝕基準(zhǔn)面位于礦區(qū)西南側(cè)兩溪溝匯集處,海拔標(biāo)高50.44 m。東徑流帶分散排泄于礦區(qū)北東部一帶,向某河方向徑流。最低侵蝕基準(zhǔn)面海拔標(biāo)高56.20 m[2]。

2.2 地下水補(bǔ)給、徑流、排泄條件及動(dòng)態(tài)特征

根據(jù)水工環(huán)地質(zhì)調(diào)查,區(qū)內(nèi)地下水補(bǔ)給來(lái)源為以下兩個(gè)方面：①大氣降水。地下水的直接補(bǔ)給源,大氣降雨后通過(guò)土壤孔隙或基巖的節(jié)理裂隙下滲補(bǔ)給地下水,為區(qū)內(nèi)地下水的主要補(bǔ)給來(lái)源。②老采坑積水及水塘等地表水體。通過(guò)基巖節(jié)理裂隙滲漏補(bǔ)給地下水,是礦區(qū)地下水的補(bǔ)給源之一。

根據(jù)工作區(qū)地層巖性及斷裂構(gòu)造富水性特征可分為東西兩個(gè)地下水徑流帶,以阻水?dāng)嗔袴7為界。

天然狀態(tài)下,地下水通過(guò)基巖節(jié)理裂隙及溶洞、溶隙向東西兩側(cè)徑流。西徑流帶在徑流過(guò)程中以泉水的形式分散排泄于地表,流量約9.0 L/s。東徑流帶在徑流過(guò)程中集中排泄于爛泥畈15、35、105號(hào)泉水,流量約15.0 L/s。

目前礦山正在進(jìn)行凹陷式開采,對(duì)地下水補(bǔ)給礦坑水。受礦坑排水疏干影響,地下運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生變化,地下水向礦坑運(yùn)動(dòng)。目前礦區(qū)東西兩端大部分泉水均已被疏干,形成了3個(gè)降落漏斗。

礦山最低開采標(biāo)高-20 m,隨著開采深度加大,降落漏斗將會(huì)繼續(xù)向四周推移。受長(zhǎng)時(shí)間疏干排水影響,由于采場(chǎng)之間保留礦柱及地下水位下降,導(dǎo)致采場(chǎng)降落漏斗消失,最終形成兩個(gè)降落漏斗[3]。

3 區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育特征

3.1 巖溶發(fā)育地球物理特征

采用瞬變電磁法測(cè)量、高密度電阻率法測(cè)量、天然電場(chǎng)選頻法進(jìn)行地球物理勘探。三種方法異?？傮w規(guī)律一致,從淺到深,淺部低阻特征明顯,深部高阻特征明顯,中部異常雜亂;由南往北,南部異常低阻居多,北部高阻居多,反映了南部地層破碎,巖溶相對(duì)發(fā)育。細(xì)節(jié)方面每種異常特征各不同,天然電場(chǎng)選頻法反映低阻可能與地層含水性有關(guān),但選頻法受礦區(qū)施工影響,部分異常形態(tài)存在突變,在成果分析中僅作為參考,對(duì)于局部無(wú)干擾區(qū)巖溶探測(cè)具有重要意義。高密度電法與瞬變電磁法兩種方法在異常重現(xiàn)性方面較好,但高密度受點(diǎn)距過(guò)稀影響,難以反映局部巖溶,在巖溶發(fā)育規(guī)律總體分析上具有較好效果。瞬變電磁法揭示低阻受影響較小,能夠反映觀測(cè)點(diǎn)下方的局部巖溶,故瞬變電磁法成果在巖溶分布及層位劃分方面能夠發(fā)揮重要作用(見圖1)。

依據(jù)物探異常反映結(jié)合鉆探揭露情況分析,巖溶以充水、充泥為主,大部分位于潛水面以下,巖溶異常特征表現(xiàn)為低阻特征,斷面圖上400 Ω以下的封閉或半封閉低阻異常、同向扭曲及發(fā)育在高阻體內(nèi)的低阻體為解譯巖溶發(fā)育的標(biāo)志。共解譯巖溶發(fā)育點(diǎn)197處,圈定巖溶發(fā)育集中區(qū)5處(見圖2)。

依據(jù)巖溶發(fā)育集中區(qū)平面展布特征將巖溶整體劃分為3個(gè)區(qū)：

1)在礦區(qū)西南部,圈定巖溶集中發(fā)育區(qū)2處,編號(hào)為Y1、Y2,總體長(zhǎng)250 m,寬145 m,規(guī)模較小,區(qū)內(nèi)共解譯巖溶發(fā)育點(diǎn)23處;依據(jù)巖溶分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)將評(píng)定為巖溶中等發(fā)育區(qū)。

2)在礦區(qū)中部,F7以西,圈定巖溶集中發(fā)育區(qū)1處,編號(hào)為Y3,總體長(zhǎng)160 m,寬80 m,區(qū)內(nèi)共解譯巖溶發(fā)育點(diǎn)10處;依據(jù)巖溶分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)將該區(qū)評(píng)定為巖溶中等發(fā)育區(qū)。

3)F7以東,礦山南部至鐵路干線間,圈定巖溶集中發(fā)育區(qū)2處,編號(hào)為Y4、Y5,總體長(zhǎng)度1500 m,寬度400 m,規(guī)模較大,區(qū)內(nèi)共解譯巖溶發(fā)育點(diǎn)158處。高密度電法低阻更為突出,瞬變電磁法低阻尤為復(fù)雜,地表局部見巖溶塌陷,多個(gè)鉆孔均見多層巖溶,最多達(dá)5層,單層溶洞最高達(dá)6.7 m,是潛在巖溶地面塌陷風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。

依據(jù)巖溶垂向分布特征分析,視電阻率斷面顯示淺部低阻體較為穩(wěn)定,推斷為第四系,淺部局部存在同向扭曲分析為塌陷及潛在塌陷,斷面標(biāo)高60 m～-20 m低阻體出現(xiàn)頻率明顯增多,推斷該層為巖溶相對(duì)發(fā)育層,視電阻率由-20 m往深部逐漸增大,巖溶發(fā)育變?nèi)酢＝Y(jié)合全區(qū)巖溶發(fā)育數(shù)據(jù)分析,巖溶發(fā)育最大標(biāo)高69.345 m,最低標(biāo)高-43.436 m,平均發(fā)育標(biāo)高36.49 m,標(biāo)高20～60 m占全區(qū)65%以上,表明標(biāo)高20～60 m是全區(qū)巖溶發(fā)育的主要深度[4]。

3.2 巖溶發(fā)育空間分布特征

礦區(qū)內(nèi)主要巖性以碳酸鹽巖為主,僅局部巖層出露有頁(yè)巖夾層且不連續(xù)。具有碳酸鹽巖厚度大、質(zhì)純,多為鈣鎂質(zhì),性狀堅(jiān)硬而脆等特征。在地應(yīng)力的作用下極易產(chǎn)生變形及破碎,給地下水的侵蝕及溶解創(chuàng)造了有利條件。根據(jù)礦區(qū)69個(gè)鉆孔揭露情況分析,寒武系婁山關(guān)組(∈3l)灰色塊狀灰質(zhì)白云巖、白云巖,夾角礫狀白云巖巖溶發(fā)育。統(tǒng)計(jì)該區(qū)域38個(gè)鉆孔揭露情況,其中17個(gè)鉆孔揭露溶洞,鉆孔見洞率45%;溶洞大小多為1～3 m,最大7.40 m,單孔線巖溶率6.35～89.29%。奧陶系下統(tǒng)紅花園組(O1h)灰色中-厚層狀灰?guī)r巖溶發(fā)育。統(tǒng)計(jì)該區(qū)域23個(gè)鉆孔揭露情況,其中9個(gè)鉆孔揭露溶洞,鉆孔見洞率39%;溶洞大小多為1～3 m。

從垂向分布來(lái)看,多分布于0 m標(biāo)高以上。根據(jù)區(qū)域資料可知,區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育下限-100 m。

3.3 溶洞充填特征

工作區(qū)溶蝕孔洞充填情況大致可分為全充填型、半充填型、空洞三種類型。溶孔多被黏土充填,膠結(jié)致密;部分未充填,呈蜂窩狀。本次施工23個(gè)鉆孔共揭露溶洞22個(gè),其中全充填型溶洞1個(gè),占比4.5%,充填物為粉砂質(zhì)黏土;半充填型溶洞12個(gè),占比54.5%,充填物為粉砂質(zhì)黏土或細(xì)砂;空洞9個(gè),占比40.9%。

4 結(jié)論

綜合分析某水泥用石灰石礦水文地質(zhì)條件及巖溶發(fā)育特征,得出結(jié)論如下：此水泥用石灰石礦為巖溶裂隙型直接充水礦山,水文地質(zhì)條件為中等類型。礦山巖層富水性較弱,淺部巖溶發(fā)育,與地表水聯(lián)系密切,巖溶發(fā)育下限(-100 m)以下近似為隔水層。巖溶發(fā)育區(qū)域分區(qū)分帶明顯,與巖性、向斜軸部關(guān)系密切。