褶皱富水构造的成生机制与地下水赋集的内在联系

2012-08-15王学栋

地下水 2012年4期

关键词：麻子富水褶皱

王学栋，栾诚，刘冰

(1.辽宁省北票市凌河保护区管理局，辽宁北票122100;2.辽宁省北票市水资源办公室，辽宁北票122100)

褶皱富水构造的成生机制与地下水赋集的内在联系

王学栋1，栾诚2，刘冰2

(1.辽宁省北票市凌河保护区管理局，辽宁北票122100;2.辽宁省北票市水资源办公室，辽宁北票122100)

褶皱构造是砂页岩，砂砾岩地层中广泛发育的一种构造形态。向斜、背斜裂隙展布的方向，裂隙性质受构造应力及构造强度的控制。裂隙的共生组合有其规律性。褶皱构造裂隙水的补给、运移、汇流、富集与褶皱构造的成生机制有内在联系，从而形成褶皱构造裂隙水的富集规律。

力学成因;构造裂隙;运移通道;富水空间;富水规律

褶皱构造是成层岩层在构造运动作用下，岩层地质面所形成的弯曲现象，它是岩层在地壳运动中所产生的地应力作用下塑性变形的结果，是地壳中广泛发育的地质构造的基本形态之一。

褶皱构造在成生过程中，岩层各部位在地应力作用下，会有规律的出现不同力学性质的裂隙。在大气降雨、河流、地下越流补给的条件下，形成褶皱构造裂隙水。分析褶皱构造裂隙水的形成条件和富集规律对指导开采低山丘陵区基岩裂隙水，具有现实意义。

以北票地区兴隆洼向斜，矫麻子沟背斜实际勘测资料为基础，对褶皱构造裂隙水的形成条件，赋水状态和分布规律进行分析、探讨，以揭示地下水在褶皱构造中的分布范围和运动规律。

1 褶皱构造的力学成因

北票褶皱构造主要分布于北票—哈尔脑构造盆地中。由兴隆洼向斜，矫麻子沟背斜，大馒头沟沟门向斜构成复褶曲。褶皱轴向主要受印支期构造控制，构造线方向为NE60°。

由构造纲要图和构造剖面图看出兴隆洼向斜，矫麻子沟背斜是由北西—南东向挤压应力作用的结果。

依据地质力学原理可知，作用在岩层上的任何动力，无论是挤压，引张、扭动，整个应力场中各点均可诱导出一定方位的压、张、扭三种应力状态，产生四种褶皱构造裂隙。

1.1 隐闭裂隙

隐闭裂隙是一种塑性破裂。特点是岩石裂隙隐闭，不显破裂面，但经风化后，显示出平直和延伸较远的裂隙面，并呈一对共轭裂隙，其交角近90°，裂隙面与岩层层面近垂直。

1.2 闭合裂隙

闭合裂隙是一种高压条件下产生的塑性破裂。其特点是，岩石的裂隙闭合严密，经风化或机械破碎后，可见发育的裂隙面。裂隙常把岩石分成大小不等的菱形碎块，裂隙面不平，但光滑。

1.3 压性裂隙

为压性压扭性破裂面，其发育状况既受褶皱控制，又与岩石层面构造(交错层理等)有关。裂隙面与水平层理斜交，与交错层理吻合，裂隙面较光滑，有擦痕，裂隙密度较大，闭合程度较高。

1.4 张性裂隙

为张性张扭性破裂面，包括纵张裂隙，横张裂隙和层间虚脱裂隙，这些裂隙的裂隙面通常粗糙不平，张开程度较大。

兴隆洼向斜，矫麻子沟背斜在地应力的长期作用下，四种裂隙有规律的存在向斜、背斜的不同部位。

兴隆洼向斜，矫麻子沟背斜的形成是由NW—SE向挤压应力造成的。轴面多为闭合裂隙。翼部裂隙受其构造应力和岩性的控制。其岩性为侏罗系土城子组二段三段砂页岩互层，泥岩多为隐闭裂隙和闭合裂隙。

兴隆洼向斜，矫麻子沟背斜核部岩层受拉。张裂隙、张扭性裂隙发育。矫麻子沟核部有SW130°～140°方向上张性断裂或张裂隙。土城子向斜有垂直于轴向的张裂隙。向斜背斜转折端处有一组NW33°张扭性裂隙。

兴隆洼向斜近于东西和南北方向受剪切应力作用，出现压性裂隙和X型节理。

完成前四步工作之后，需开始进行临时排水系统的建设，选择强夯技术的施工点。强夯技术是整个工程建设的重中之重，强夯技术运用是否成功，将直接影响该工程的建设质量。在强夯技术应用的过程中，需要注意强夯点的选择，强夯的应用次数以及强夯整体效果。

褶皱构造是在地应力长期作用下形成的，在同一应力场中，在一定区域内，褶皱构造的轴向呈一定的方向性，节理裂隙有一定的组合规律。

2 褶皱构造裂隙水形成的条件

褶皱构造裂隙水的形成一般包括补给来源，运移通道、富水空间，通过补排运移，在裂隙含水层中富集形成构造裂隙水。

2.1 大气降雨入渗补给

兴隆洼向斜，矫麻子沟背斜呈北东向展布，长约12 km，宽约3 km，出露岩层:两翼边部为侏罗系土城子一段紫红色凝灰质页岩夹砂岩或紫红色凝灰质砂岩与粉砂岩互层;二段为向斜两翼，其岩性为灰紫色泥砂质胶结砾岩夹砂岩;三段为向斜核部，岩性为紫红色凝灰质砂岩，页岩夹砾岩。兴隆洼向斜，矫麻子沟背斜在地表出露的地层，其岩性为软硬互层。既有硬质砾岩、砂岩，又有软质塑性泥岩，页岩。既有风化裂隙，又有构造裂隙;既有闭合裂隙，又有张开裂隙。形成密集均匀，互相连通，或独立存在的裂隙网。在年降水量大，降水强度适度。褶皱构造接受大气降雨的补给，通过补排运移使大气降雨富存于裂隙含水层中形成裂隙水。

2.2 河流地表水的补给

兴隆洼向斜，矫麻子沟背斜在走向上横跨两条北西—南东向山间河流。西为西官河，东为东官河，两条河流为季节性潜入潜出的河谷。褶皱构造为河间地块之中。由于构造运动，兴隆洼向斜，矫麻子沟背斜南东150°、北西330°方向张裂隙和张扭性裂隙发育。裂隙切割深，延伸远，穿越两条河谷。另外两条河流都穿越向斜和背斜。在地表向斜两翼岩层接受地表河水的补给，在深部构造裂隙接受河水的补给。形成构造裂隙水。

2.3 地下水越流补给

兴隆洼向斜是一不对称平缓褶皱。西北翼岩层较陡，东南翼岩层较缓。总厚度800～1 200 m。垂直剖面岩性变化比较大。即有紫色凝灰质页岩夹中粒凝灰质砂岩。又有紫红色砂岩夹砾岩，还有紫红色泥岩夹粉砂岩，岩性变化大，厚薄不均。由其在200 m以下，由于深度增加，页岩泥岩密度增大，透水性减弱，隔水性增强。使地下水头压力增大，当钻孔揭露隔水层时，地下水位由60 m上升到27 m，充分证明向斜内部地下水有越流补给。

补给水源通过补给通道渗入含水层，是补给区向富集区流动的主要路径，褶皱构造的运移通道是影响地下水的重要因素。

兴隆洼向斜，矫麻子沟背斜运移通道受构造与岩性的控制，通过水文地质勘察钻探划分两种地下水运移通道。

a网状裂隙通道:发育在地层表面，暴露于地表的岩石，经风化作用，形成风化裂隙。其特点裂隙密集，相互联通构成裂隙网。形成网状裂隙通道，一般空隙细小，易接受降水补给。

补给来源，运移通道是褶皱构造裂隙水形成的基本条件，富水空间是褶皱构造裂隙水赋存在的决定因素。

兴隆洼向斜，矫麻子沟背斜富水空间受构造、岩性控制，有规律的分布。首先是应力集中纵张裂隙富水空间，发育在褶皱构造轴部，背斜转折端处，使裂隙水富集形成含水系统。其次;褶皱两翼在剪力作用下，使层面产生滑动，岩石不发生破碎。在同一构造应力场作用下，岩层平面产生平面扭节理和横向张裂隙。此处即是裂隙水的通道也是富水空间。再次翼部软硬岩石夹层处。兴隆洼向斜翼部岩石有砂岩、砾岩与紫红色页岩、泥岩互层。砂砾岩在构造运动下发育张裂隙，富存地下水。页岩、泥岩隔水形成层间富水空间，赋存裂隙水。

兴隆洼向斜，矫麻子沟背斜裂隙展布的方向，裂隙发育的性质受构造应力及构造强度的控制。裂隙的共生组合有其规律性。褶皱构造裂隙水的补给运移、汇流、富集与褶皱构造的成生机制有内在的联系，从而形成褶皱构造裂隙水的富集规律。

3 褶皱构造裂隙水富水部位的确定及勘探

运用地质力学原理对兴隆洼向斜，矫麻子沟背斜进行了力学分析，从而确定了褶皱构造的富水部位。

3.1 兴隆洼向斜轴部富水带

兴隆洼向斜轴向为北东60°，轴部出露在低丘中部。与当地水位侵蚀基准面高差相差约60余米。轴部岩性为侏罗系土城子组三段灰紫色砂岩，砾岩组成。西北翼产状较陡，东南翼较缓，且开阔，轴面倾向北西。2004年在轴部走向东面施工一个钻孔，孔深 381.5 m，静水位 26.7 m，降深 14.3 m，涌水量50 m3/h。2009年在轴部走向西面又施工一个钻孔，孔深528 m，静水位30 m，降深15 m，涌水量45 m3/h。

3.2 兴隆洼向斜缓翼富水带

兴隆洼向斜两翼不对称，西北翼岩层较陡，倾角45°，东南翼岩层较缓，倾角13°。地面标高西北翼高，东南翼低。地下水从向斜西北翼补给东南翼。2003年在向斜缓翼施工两个钻孔，岩性为紫红色页岩、砂岩、砾岩互层。3号孔深501.66 m，水位埋深 15.06 m，降深 6.2 m，涌水量 44 m3/h。4号孔孔深118 m水位埋深36.9 m，涌水量25 m3/h。

3.3 兴降洼向斜陡翼贫水带

兴隆洼向斜西北翼岩层倾角45°，应用力学观点分析，高角度岩层的层面和压性结构面接近，因而层面裂隙较闭合，含水性较差。通过实际钻探充分证明，在兴隆向斜北翼施工的两个钻孔，出水量很小。5号钻孔布在扣卜营，孔深400 m，抽水实验涌水量1 m3/h。6号孔布在土城子北山，孔深347.7 m，水位埋深 16.8 m，降深 113 m，涌水量 1.2 m3/h。

3.4 矫麻子沟背斜轴部富水带

矫麻子沟背斜与兴隆洼向斜为一连续的复褶曲，是在同一应力作用下形成的。其岩性为土城子组一段灰紫色页岩夹凝灰质砂岩。当岩层受到强烈挤压。背斜轴部表层岩石受拉力最大，在轴部产生张裂隙或张扭性裂隙，在地形低洼处地下水富集。1995年在唐坊南洼施工一钻孔，孔深110 m，静水位 11.8 m，降深 11.4 m，涌水量 25 m3/h。2009年在玉代沟背斜轴部又施工了一眼钻孔，孔深110 m，降深5 m，涌水量50 m3/h。