北方岩溶地下水系统模式及特征

2011-03-15方向清傅耀军华解明吴铁卫

合肥工业大学学报（自然科学版） 2011年2期

方向清，傅耀军，华解明，吴铁卫

(中国煤炭地质总局水文地质局，河北邯郸 056004)

我国受水害威胁的煤炭资源约占探明储量的27%，据不完全统计，仅北方受底板岩溶水威胁的煤炭资源约200×108t。水文地质问题制约着北方煤炭资源可持续发展，其中最为突出的就是煤系地层下伏的寒武-奥陶系岩溶地下水。

岩溶地下水系统模式正确划分对于煤矿床水文地质勘查思路和类型的确定、勘探方法与手段的合理选择，以及评价方法的正确选择都具有重要指导作用。文献[1]根据环境因素和结构条件将北方主要岩溶系统归纳为11个岩溶系统模式;文献[2]在文献[3]的基础上，将北方119个岩溶水系统的模式类型归为“单斜顺置型”、“单斜逆置型”、“走向型”、“向斜-盆地型”和“断块及其它型”5种。但文献[1]和文献[2]的研究主要是着眼于水资源或岩溶水系统本身进行的，不能满足煤矿防治水和水资源利用的多重需求。前者考虑因素较多，重点不突出;后者考虑因素过少，尽管于2010年的成果中增加了构造内容，但仍显不足。此外，两者划分依据缺乏系统性，不易把握，而且两者划分依据与岩溶地下水系统基本特征(补径排特征和基岩裂隙含水介质特征)联系不密切。本文基于华北型煤田防治水及岩溶水水资源综合利用的宗旨，开展北方岩溶地下水系统的研究，提出了较为科学、系统的岩溶地下水系统模式划分方案。

1 北方岩溶地下水系统特征

中国北方存在多个可溶性岩岩系和多期岩溶作用[4]，其中，寒武-奥陶系可溶性岩岩系分布面积最广，且与华北型煤田关系最为密切，因而，本文所指的北方岩溶地下水系统是以寒武-奥陶系可溶性岩为赋存介质，具有相对独立补给、径流、排泄条件的地下水系统。

1.1 系统结构

1.1.1 构造特征

自晚三叠世的印支运动开始，本区(除鄂尔多斯盆地外)进入活化阶段，先后经历了燕山运动和喜山运动，根据构造的差异性，本区分为10个二级构造区[5]:内蒙地轴(Ⅰ)、燕山台褶带(Ⅱ)、辽东台隆(Ⅲ)、鲁东台隆(Ⅳ)、鲁西断隆(Ⅴ)、华北断拗(Ⅵ)、山西断隆(Ⅶ)、鄂尔多斯台拗(Ⅷ)、贺兰-六盘台褶带(Ⅸ)、豫淮台褶带(Ⅹ)。

岩溶地下水系统受三级、四级构造控制，如山西断隆的次级构造[5]。山西断隆构造如图 1所示。

(1)单斜构造。一般分布在二级向斜盆地(鄂尔多斯盆地[6])或三级向斜盆地(沁水盆地)边缘，可溶性岩在断裂构造和次级褶曲作用下，形成相对独立的岩溶地下水系统，单斜构造控制着岩溶水径流。如辛安泉岩溶地下水系统，位于沁水向斜西翼(图1)，古生界地层总体上为一向西倾斜的单斜，在东部接受补给向西汇流，于奥陶系地层浅埋带附近形成南北2个强径流带。

(2)断块构造。一般分布在二级构造区边缘，构造活动相对强烈，断裂构造将可溶性岩分割成相对独立的岩溶地下水系统，断裂构造控制着岩溶水径流。如山西断隆南缘的焦作岩溶地下水系统，沿凤凰岭断层、朱村断层、九里山断层形成强径流带。焦作矿区断裂分布如图2所示[7]。

(3)向斜构造。四级向斜盆地控制着岩溶地下水系统，以可溶性岩底部隔水岩组或地下分水岭为边界，形成相对独立的岩溶地下水系统，如晋祠泉岩溶地下水系统。

若将视野扩大到二、三级向斜盆地，这些向斜盆地应作为区域岩溶地下水系统，如鄂尔多斯盆地岩溶地下水系统、沁水盆地岩溶地下水系统等。

图1 山西断隆构造图

图2 焦作矿区主要断裂分布

1.1.2 与上覆煤系地层的关系

中国北方区一般寒武-奥陶系可溶性岩上覆有石炭-二叠系煤系地层，因此，本文所指与煤系地层的关系是指与石炭-二叠系煤系(特别是指下组煤)的关系。根据构造类型，岩溶地下水系统补径排条件可分为3类。

(1)单斜构造型。一般分布于二级(或三级)向斜盆地的一翼，煤系地层在岩溶地下水系统一侧。根据煤系地层和排泄区的位置关系，可进一步分为单斜构造上游亚型(煤系地层位于排泄区上游)和单斜构造下游亚型(煤系地层位于排泄区下游)，如辛安泉岩溶地下水系统[8]等为单斜构造上游亚型，黑龙洞泉岩溶地下水系统等为单斜构造下游亚型。

(2)向斜构造型。一般为四级向斜构造，煤系地层在向斜盆地内部。

(3)断块构造型。一般分布于台褶带;地垒型无煤系地层;地堑型，煤系地层未遭剥蚀，岩溶地下水是煤矿主要充水水源，断层是主要充水通道。

1.2 补给特征

补给要素主要是补给源和补给方式。补给源(大气降水、地表水、地下水等)比较复杂，故不作为分类依据。按补给方式分2种类型:①直接补给，在可溶性岩裸露区接受大气降水(或地表水)补给;②间接补给，大气降水主要通过上覆含水岩组垂直入渗补给或侧向径流补给隐伏岩溶地下水系统。

1.3 强径流带特征

岩溶地下水系统不论是地下水赋存空间，还是径流空间，主要受构造裂隙(岩溶裂隙)控制，主干裂隙是径流通道(强径流带)，次级裂隙为赋存空间。强径流带根据成因分为接触带型、构造带型、河谷型、向斜谷地型、复合型5种类型[9]，根据强径流带与主构造(或地层)走向的关系分为3种类型。

(1)平行径流。强径流带与主构造(地层)走向平行，属单一构造因素所致，一般系统只有单一型强径流带的属此类。如天桥泉岩溶地下水系统强径流带为接触带型，在系统西部的陈家门-龙口-旧县-天桥，乔家沟-魏家滩-窑洼-铁匠铺的2个岩溶水强径流带与地层走向平行。

(2)横向径流。强径流带与主构造(地层)走向垂直，属非构造因素所致，如平凉-彭阳岩溶地下水系统[10]，位于贺兰-六盘台褶带东部，主要构造方向为南北向，但由于东西高程反差大(东西高差超过1 000 m)，地下水径流受高程控制程度远大于构造。

(3)分散径流。当系统有多个(一般大于2个)或多种(一般大于等于2种)强径流带时都为此类型。如黑龙洞泉岩溶地下水系统，尽管系统总体上为一向东倾斜的单斜构造，由于中部鼓山背斜影响，形成了4个强径流带:西部的大沟港-王凤-黑龙洞泉及观台-都党-黑龙洞泉径流带;东部的五矿-黑龙洞泉及三矿-黑龙洞泉径流带。

1.4 排泄特征

(1)集中排泄。岩溶地下水系统以泉群相对集中排泄，如辛安泉岩溶地下水系统、黑龙洞泉岩溶地下水系统等，北方岩溶地下水系统大部分是这一类型。结合结构特征分为向斜构造集中型和断块构造集中型;对于向斜构造集中型，可根据排泄区位置分为内部和边缘2个亚型，如神头泉岩溶地下水系统为内部亚型，娘子关泉岩溶地下水系统为边缘亚型。

(2)分散排泄。以多泉相对分散排泄。结合系统构造特征可分为单斜构造分散型和向斜构造分散型，如雷鸣寺泉岩溶地下水系统为单斜构造分散型，沁水盆地岩溶地下水系统和鄂尔多斯盆地岩溶地下水系统为向斜构造分散型。

2 模式划分

依据前面北方岩溶地下水系统主要特征，确定构造特征、补给特征、强径流带与主构造(或地层)走向关系、排泄特征为北方岩溶地下水系统模式划分依据。依此北方岩溶地下水系统模式分类方案见表1所列。其主要特征如下:

模式1与模式2，系统间接接受大气降水或地表水补给，控水构造为断块构造，强径流带为构造带型。模式1具有统一的地下水流场，以泉群集中排泄。模式2强径流带相对独立，多点分散排泄。

模式4～模式11，系统以直接受大气降水或地表水补给为主。

模式4与模式5，控水构造为断块构造，强径流带以构造带型为主。模式4，其强径流带与主构造走向相近，具有统一的地下水流场，以泉群集中排泄。模式5，其强径流带与主构造走向垂直并相对独立，多点分散排泄。

模式6～模式8，控水构造为单斜构造，强径流带以接触带为主。模式6，其强径流带与主构造走向相近，具有统一的地下水流场，以泉群集中排泄。模式7有多种(或多个)强径流带，与主构造走向相近，具有统一的地下水流场，以泉群集中排泄。模式8有多种(或多个)强径流带，与主构造走向相近，但相对独立，多点分散排泄。

模式9～模式11，控水构造为向斜构造，强径流带以接触带和构造带型为主。模式9，其强径流带以接触带型为主，与主构造走向相近，具有统一的地下水流场，以泉群集中排泄。模式10有多种(或多个)强径流带，与主构造走向相近，具有统一的地下水流场，以泉群集中排泄。模式11为以二级(三级)向斜盆地为单元的区域岩溶地下水系统，包括若干个相对岩溶地下水系统。

表1 北方岩溶地下水系统模式分类方案

3 含煤模式的矿床水文地质特征

华北型煤田主要成煤时期为石炭-二叠纪，通常将石炭系煤层称为下组煤，二叠系煤层称为上组煤，直接与寒武-奥陶岩溶地下水系统有关系的主要是下组煤。在石炭-二叠系也发育了数层可溶性岩，但因成岩以后未经过大规模地表岩溶作用，其岩溶主要是中新生代构造活动在继承其成岩期岩溶基础上形成的，其规模较小，水文地质条件较简单，在此暂不讨论。前述11个模式中隐伏断块构造横向径流岩溶地下水系统、断块构造平行径流岩溶地下水系统、断块构造横向径流岩溶地下水系统3种模式与煤田关系不密切，向斜构造分散径流岩溶地下水系统是区域系统，其特征在此也不讨论。

3.1 隐伏断块构造平行径流岩溶地下水系统

此类系统一般分布于台褶带，中新代当断块以下降为主时(如以上升为主时，缺失晚古生界和中生界地层)，寒武-奥陶系之上的煤系地层得以保留;多级断裂发育，形成以主干断层为强径流带，沟通多层可溶性岩系(寒武-奥陶系、石炭系碳酸盐岩)，次级断裂(裂隙)为赋存空间的立体的岩溶裂隙网络地下水系统。其富水性和导水性俱强，因而，上组煤尽管与奥陶系间有厚度超过100m的地层，但奥灰水仍然对其开采有重要影响;充水方式以底板为主，充水通道主要为断层，水文地质勘查类型按文献[11]为三类第二亚类三型。如焦作矿区发生过的数百次突水都是底板岩溶水，其中突水量大于10 m3/m in的突水数十次，最大突水量320 m3/min，且75%的突水是以断层为导水通道。

3.2 隐伏不明构造岩溶地下水系统

资料有限，未进行细分。如淮北-宿州岩溶地下水系统[[12-14]的构造、径流、排泄等特征掌握不准，暂放此类。基岩主要分布在东北部的低山残丘，寒武-奥陶系碳酸盐岩是区内的主要可溶性岩，中上石炭统主要为碳酸盐岩及碎屑岩，下二叠统为碎屑岩，广大平原基本为第四系地层所覆盖。区内褶皱、断裂十分发育，对裂隙岩溶水的赋存、富集和运移起到了决定性的作用，岩溶地下水通过断层对上覆煤组构成威胁。

3.3 单斜构造平行径流岩溶地下水系统

主要分布在二、三级向斜盆地侧翼，一般强径流带以接触带型为主。沿断层可形成次级径流带，如辛安泉岩溶地下水系统沿近东西向的文王山地垒发育次级径流带。根据煤系地层与岩溶地下水系统的关系可分为下游亚型和上游亚型。

下游亚型的特征是相对高程较低的排泄区位于煤系地层附近，煤系的岩溶水承压水头较大，下组煤为带压区，对煤矿安全开采威胁大;由于断裂构造相对不发育，寒武-奥陶灰岩岩溶地下水不是影响上组煤开采的主要问题，同时上组煤的开采对寒武-奥陶灰岩岩溶地下水系统的影响较上游亚型小，如天桥泉岩溶地下水系统。其结构概化模型如图3a所示。

上游亚型的特征是相对高程较低的排泄区在系统边缘，煤系地层高程较排泄区高，煤系承压区范围较下游型稍小，分布于相对滞流区。由于断裂构造相对不发育，寒武-奥陶灰岩岩溶地下水也不是影响上组煤开采的主要问题，但矿井排水对寒武-奥陶灰岩岩溶地下水系统的水质影响较大，应注意防治，如辛安泉岩溶地下水系统等。其结构概化模型如图3b所示。