甘肅隴南姚寨溝地區(qū)淺循環(huán)地下水水文地質(zhì)特征研究

槐永波,葉勝華,賀模紅,趙其蘇,熊俊松

(四川省地質(zhì)環(huán)境調(diào)查研究中心,四川 成都 610081)

0 前言

姚寨溝位于甘肅省隴南市武都區(qū)以南姚寨溝流域,氣候上屬北亞熱濕潤向暖溫半濕潤的過渡帶,多年平均降水量487.2 mm,區(qū)內(nèi)淺循環(huán)地下水受地形地貌、地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造與地下水賦存空間嚴格控制,主要以碳酸鹽巖溶裂隙水和斷層脈狀水為主。本文通過前人研究成果[1-2],結(jié)合實際野外調(diào)查和水質(zhì)測試分析,對區(qū)內(nèi)典型泉點水文地質(zhì)特征進行了調(diào)查研究,區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造對水文地質(zhì)特征的控制比較明顯,對地下水的空間分布、形成和運移起著關(guān)鍵性的作用,特別是斷層在區(qū)內(nèi)形成含水層和隔水層分界,其下盤中厚層灰?guī)r溶蝕裂隙發(fā)育,在構(gòu)造控制下,為地下水補給、運移、儲存提供了較好的條件。通過對區(qū)內(nèi)典型碳酸鹽巖溶裂隙水和斷層帶脈狀水水文地質(zhì)特征的研究,為該地區(qū)地下水的合理開發(fā)利用和相關(guān)研究提供重要理論依據(jù)。

1 研究區(qū)區(qū)域地質(zhì)特征

1.1 地形地貌

地形地貌是地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造及地表水文網(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)等條件控制,地下水的補給、徑流、排泄及富集特征也不同[3-4]。研究區(qū)在地貌單元上處于西秦嶺西段侵蝕—剝蝕構(gòu)造山地,受區(qū)域構(gòu)造控制的山體總走向是東西向,總地勢為西北高,東南低,主要地貌類型為侵蝕、剝蝕構(gòu)造中高山地貌。受西秦嶺構(gòu)造影響,山勢陡峭,山體走向NE-SW,高差一般500～1 500 m,坡度在30°～50°。北側(cè)山體主要由志留系千枚巖及中上更新統(tǒng)黃土構(gòu)成,海拔1 000～2 500 m;南側(cè)山體巖性主要為石炭系灰?guī)r,海拔2 000～3 000 m,山頂呈錐狀或脊狀,地勢陡峻。地下水分布與富集受微地貌影響較大,沿溝谷出露泉點較多。

1.2 地層巖性

研究區(qū)出露地層主要為二迭系、石炭系和志留系。其中,石炭系分布于武都千壩牧場一帶,巖性為灰白色中厚層灰?guī)r、礫狀灰?guī)r夾泥板巖,含水性較強。石炭系分布于白龍江西南部山區(qū),地層較發(fā)育,下、中、上三統(tǒng)俱全,巖性主要為中厚層塊狀灰?guī)r夾板巖等,灰?guī)r節(jié)理裂隙發(fā)育,巖層面有不規(guī)則溶洞,如漢王萬象洞等[5]。志留系為區(qū)內(nèi)最老地層,分布于白龍江兩岸一帶,巖性主要為千枚巖、板巖、砂巖夾薄、中厚層灰?guī)r等,在研究區(qū)與中上石炭統(tǒng)、下石炭統(tǒng)呈斷層接觸,下伏于黃土之下,被切割出露于溝谷兩側(cè),巖層褶皺較多,小斷層發(fā)育,巖石堅硬地段形成跌水陡坎。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

研究區(qū)在大地構(gòu)造上屬于處于西秦嶺緯向構(gòu)造帶和武都“山”字型構(gòu)造體系的復合部位,次級構(gòu)造復雜多變,由一系列向南突出的弧形斷裂和復合式背斜組成。主要斷裂帶為武都斷裂帶(F1)、白龍江斷裂帶(F5)、牛舍山北斷裂帶F2(三條平行斷裂組成,F2-1、F2-2、F2-3)、牛舍山—華里山北斷裂帶(F3)、黃鹿壩—青巖山斷裂帶(F4)、馬槽灣—殿溝里斷裂帶(F6)組成(圖1)。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造圖示意圖[1]

F1斷層長數(shù)十公里,西接白龍江斷裂帶(F5),在武都南形成南凸弧形,并受一系列與其垂直的張性或張扭性斷裂的往返錯移。斷層面北傾,斷層面傾角為50°～60°左右,為一逆斷層,擠壓現(xiàn)象極其強烈,其東端被東西向斷裂所切截。沿斷裂帶有許多大泉出露,流量普遍較大,構(gòu)造運動對區(qū)內(nèi)地下水起到控制性作用[6]。

1.4 構(gòu)造裂隙發(fā)育狀況

研究區(qū)裂隙構(gòu)造比較發(fā)育,但是缺乏系統(tǒng)的測量和研究,因而對區(qū)域性裂隙構(gòu)造規(guī)律未全部搞清楚。本次研究工作對區(qū)內(nèi)裂隙構(gòu)造進行了野外實測,裂隙按走向大致分為二組,第一組裂隙主要走向為北西—東南向(近北西向),第二組裂隙發(fā)育方向為北東—南西向(近北東向)(見圖2)。

圖2 節(jié)理裂隙走向-傾向玫瑰圖

根據(jù)區(qū)內(nèi)實際調(diào)查分析結(jié)果,區(qū)域構(gòu)造裂隙發(fā)育的方向性控制了區(qū)內(nèi)溝谷發(fā)育的方向,同時為地下水形成提供了補給通道和儲存空間。

2 淺循環(huán)地下水水文地質(zhì)特征

研究區(qū)淺循環(huán)地下水以碳酸鹽巖溶裂隙水和斷層脈狀水為主,沿不同地貌類型和構(gòu)造帶發(fā)育不同類型的泉點,泉流量普遍較大。

2.1 碳酸鹽巖巖溶裂隙水水文地質(zhì)特征

碳酸鹽巖溶裂隙水呈北西條帶狀分布在西南部。含水巖層主要為二迭系(P1)、石炭系中上統(tǒng)(C2+3)、石炭系下統(tǒng)(C1)中厚層灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r。在地貌上除武都千壩牧場位于巖溶夷平面上,其余皆為峰叢高山地形,構(gòu)造上位于武都山字型構(gòu)造前弧及前弧兩翼。

該類型地下水主要通過巖溶洼地、漏斗、落水洞、溶洞及溶蝕裂隙等接受降雨補給,在河(溝)谷地段還接受地表水及河(溝)谷潛水的補給,在夷平面和峰叢山地中徑流,通過溶洞、溶蝕裂隙在河(溝)谷、山坡、懸崖、斷裂帶、地層接觸帶以泉、局部以地下河的形式排泄。

當?shù)匦蜗嚓P(guān)函數(shù)f(x)在區(qū)間[-b,b]內(nèi)具有偶對稱性質(zhì)時,古特曼(1976)已給出上述方程組解析解的一般表達式,我們將在第2節(jié)給出兩個具體的例子?？紤]到真實的地形是復雜多樣的,將其結(jié)果推廣到更一般的情況。

2.1.1 漢王萬象神泉

萬象神泉位于漢王鎮(zhèn),該泉所在區(qū)域處于構(gòu)造上升區(qū),在侵蝕基準面以上,溶洞發(fā)育在不同高度上,具有多層性,區(qū)內(nèi)萬象洞發(fā)育于下石炭統(tǒng)(C1)灰?guī)r中,洞口標高1 100 m,高出白龍江120余m。

該泉通過千壩牧場巖溶洼地、漏斗及溶蝕裂隙接受降雨補給,泉流量較大,受F1壓性阻水斷裂和地貌控制,斷裂上盤為志留系中上統(tǒng)白龍江群(S2+3bl1)千枚巖夾板巖,為隔水層,下盤為下石炭統(tǒng)(C1)灰?guī)r,為含水層,較富水,該泉受F1壓性斷裂所阻,巖溶裂隙水沿斷裂帶南側(cè)富集,在斷裂帶處涌出(圖3)。

圖3 漢王萬象神泉地質(zhì)示意圖

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查,泉水流量112 L/s,水溫9.5℃,泉水較清澈,受降雨補給影響較小,徑流途徑較長,流量穩(wěn)定,水質(zhì)較好,該泉點為自來水廠引用水源。

2.1.2 柳溝壩神水泉

柳溝壩神水泉位于姚寨溝風景區(qū)柳溝壩,該泉通過溶蝕裂隙接受降雨補給,發(fā)育于東西張性裂隙中,在下石炭統(tǒng)(C1)灰?guī)r中涌出(圖4)。

圖4 柳溝壩神水泉地質(zhì)示意圖

2.2 斷裂帶脈狀水水文地質(zhì)特征

研究區(qū)經(jīng)歷多次構(gòu)造運動,是多個構(gòu)造體系的復合部位,斷裂平行排列、縱橫交接、形式繁多,頗為發(fā)育。其中部分斷裂對地下水的賦存、富集創(chuàng)造了條件,地質(zhì)構(gòu)造與區(qū)內(nèi)地下水分布有著密切聯(lián)系[7]。

根據(jù)區(qū)內(nèi)斷裂性質(zhì)和調(diào)查情況,上黃里下降泉處于F2-2斷裂和F3斷裂交匯處,F2-2斷裂為張性斷裂,F2-2上盤為中上石炭統(tǒng)(C2+3)中厚層灰?guī)r,下盤為下石炭統(tǒng)(C1)中厚層灰?guī)r,有利于地下水富集。F3斷裂為壓性斷裂,上盤為下石炭統(tǒng)(C1)中厚層灰?guī)r,下盤為二迭系下統(tǒng)(P1)中厚層灰?guī)r,兩盤均有利用地下水富集。

調(diào)查分析認為,上黃里下降泉位于武都山字型前弧入字型構(gòu)造的主、支斷裂的交叉點,由于張、剪應力較集中,有利于巖溶裂隙水的富集,泉流量較大(圖5)?，F(xiàn)場調(diào)查,泉水流量13 L/s,水溫9.5℃,泉水較清澈,該泉點于半山腰裂隙中涌出,水質(zhì)較好。

圖5 上黃里下降泉地質(zhì)示意圖

3 淺循環(huán)地下水水化學特征

為了解區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖溶裂隙水和斷層脈狀水地下水水質(zhì)特征,分別在上黃里下降泉(Q01)、柳溝壩神水泉(Q02)、萬象神泉(Q03)和姚寨溝溝道地表水(B01)取水樣4組進行水質(zhì)分析(表1)。

表1 地下水和地表水水樣水化學指標統(tǒng)計

根據(jù)4組水樣簡分析,鈣離子和重碳酸根離子含量偏高,相對其余五大離子含量普遍偏低。Piper三線圖能直觀地反映出地下水中主要陰陽離子及其水化學特征和地下化學類型[8-12],通過水樣的Piper圖可以看出(圖6),地下水和地表水有相似的分布特征,水中陰離子和陽離子分布較為集中,各水樣的化學類型差異不大,其主要的陽離子是Ca2+,主要陰離子是HCO3-,主要來源于碳酸鹽巖等可溶巖的礦物溶解,溶解含量與溶蝕作用強度密切相關(guān)。通過毫克當量百分比計算,4組水樣地下水水化學類型均為HCO3-Ca型水,表明水化學類型較為一致。

圖6 淺循環(huán)地下水水樣水化學類型Piper三線圖

應用Schoeller圖[13]可以研究處于不同地點的水樣的水化學變化,許多水樣的組分濃度可以連成一條曲線,同稀釋水混合的效果具有垂向移動曲線而不會改變其形狀的特點,本次4組水水樣點在Schoeller圖中,交錯連成線,從這些點可以看出,各曲線形狀變化趨勢大致不變,說明區(qū)內(nèi)調(diào)查的地下水和溝道地表水具有同一補給來源,與Piper圖的結(jié)果一致,總體上反應了調(diào)查區(qū)內(nèi)地下水就近補給,徑流途徑較短,循環(huán)深度較淺的特征(圖7)。

圖7 淺循環(huán)地下水水樣水化學類型Schoeller圖

4 結(jié)語

通過野外調(diào)查和室內(nèi)綜合分析,研究區(qū)地下水類型主要為碳酸鹽巖溶裂隙水和斷層帶脈狀水,受地形地貌、地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造與地下水賦存空間嚴格控制,地質(zhì)構(gòu)造對水文地質(zhì)特征的控制比較明顯,對地下水的空間分布、形成和運移起著關(guān)鍵性的作用,特別是區(qū)內(nèi)斷層形成含水層和隔水層分界,其下盤中厚層灰?guī)r溶蝕裂隙發(fā)育,在構(gòu)造控制下,為地下水補給、運移、儲存提供了較好的條件,同時受到上盤巖層阻水作用,地下水被擋在透水層一側(cè)富集形成斷層阻水式儲水構(gòu)造,形成多處泉點。區(qū)內(nèi)地下水水化學類型為HCO3-Ca型水,補給來源主要為大氣降水,徑流途徑較短,循環(huán)深度較淺的特征,通過查明區(qū)內(nèi)典型碳酸鹽巖溶裂隙水和斷層帶脈狀水水文地質(zhì)特征,為該地區(qū)地下水的合理開發(fā)利用和相關(guān)研究提供重要理論依據(jù)。