张家口市坝下山区岩溶水的富集规律研究

2014-09-18郝文霞

地下水 2014年4期

郝文霞

(河北省地矿局第三地质大队，河北张家口075000)

张家口市位于河北省西北部，全市分为北部蒙古高原(俗称坝上)和南部山区(俗称坝下)两个自然地理区，坝下山区地处华北平原与蒙古高原过渡地带，面积24 467 km2。由于受地质构造的作用，形成山间断陷盆地和构造剥蚀山区相间分布的格局。盆地海拔高度500～1 000 m，山区海拔高度在1 000～2 882 m。区内多年平均降水量430 mm，多年平均蒸发量1 400 mm，年内降水多集中于6－8月份，且多为暴雨，因山区地形变化大植被少，常形成地表径流而流失，地下水垂直补给量约占降水量的10%～20%。区内碳酸盐岩裂隙－岩溶水较丰富，其富集规律受地层厚度、岩性及岩性组合、分布面积、地质构造及地形条件的严格控制。因此，充分认识区内岩溶水的富集、分布、埋藏特点，对城乡居民及工矿供水有极其重要的意义。

1 控水因素分析

1.1 岩层空间分布及岩性组合对岩溶水富集的控制作用

1.1.1 岩层厚度及分布面积对岩溶水富集的控制作用

本区下古生界寒武统(∈)和奥陶统(O)灰岩、白云质灰岩比上元古界长城系(Ch)和蓟县系(Jx)白云岩燧石条带白云岩岩溶发育程度高，富水性强，但从区域碳酸盐岩地层的岩溶发育情况分析(表1)，对区域岩溶水富集其控制作用的影响因素是碳酸盐岩岩层的厚度及分布面积，而岩性处于次要地位。因此，在本区大面积分布的上元古界白云岩和燧石条带白云岩地下水排泄区，岩溶水丰富。当下古生界地层有一定的面积分布时，岩溶水也比较丰富。

1.1.2 岩层岩性组合对岩溶水富集的控制作用

在碳酸盐岩地层的岩性变化带，特别是可溶岩与非可溶岩地层的接触带岩溶相对较发育，由于非可溶岩的的相对隔水或阻水作用，为岩溶水的富集提供了蓄水空间。

1)可溶岩和非可溶岩接触带岩溶水富集规律

当碳酸盐岩和岩体接触时，因其界面上裂隙发育，岩溶水径流带下游有岩体或非可溶岩层的阻挡，岩溶水水位升高，在迎水的一侧地下水沿接触带与可溶岩相互作用，促使了岩溶的发育。可溶岩与非可溶岩接触关系有不整合型、侵入型、断层型，其交接部位，非可溶岩相对于可溶岩来说构成相对隔水边界，在岩溶水的径流排泄区只要地形条件有利，大部分可形成岩溶接触泉。

2)寒武系(∈)灰岩与碎屑岩互层地带岩溶水富集规律

就整个寒武系和奥陶系含水岩组地层而言，寒武系下统(∈1)的页岩、泥岩构成了区域隔水底板，由于岩溶多沿可溶岩与非可溶岩地层的接触面发育，在寒武系和奥陶系含水岩组地层分布区域，只要有一定的汇水面积、有利的地质构造和地形条件，均有岩溶水出露。

1.2 断裂构造破碎带对岩溶水富集的控制作用

区内地质构造以断裂构造为主，碳酸盐岩分布区地下水的富水性与断裂构造的具体部位密切相关，在断裂破碎带、多组断裂交会部位、断裂两端对岩溶水的富集有显著的控制作用。

表1 主要岩溶发育统计表

1.2.1 发育于可溶岩层中的断层破碎带的富水性

可溶岩地层中的张性断层破碎带，裂隙发育，岩溶发育程度比两侧一般可溶岩地层发育高，当断裂破碎带位于岩溶水的径流区时，起汇水、充水作用，形成岩溶强径流带。如:蔚县－涿鹿－怀来山前大断裂蓟县系(Jx)白云岩，沙岭子－外井沟大断裂官厅水库南岸段长城系(Ch)燧石条带白云岩，断裂破碎带上地表溶洞多沿断层带状发育分布，地下岩溶水强径流带埋藏深度大。

在排泄区形成流量大的岩溶水富集带。如涿鹿县保岱西部山区地层岩性为蓟县系(Jx)白云岩，NW和NE向断层为岩溶强径流带，泉水呈线状出露分布，沿山前形成地下水溢出带，泉流量4.6～8.1 L/s;NW向断层破碎带将岩溶水汇集由SE向NW方向径流，遇 NE向断裂，破碎带宽度约1.0 km，地下溶洞发育，使部分岩溶水沿该断裂岩溶裂隙带径流，在山前地带由于第四系洪积物粘性土的阻挡，使地下水位抬高形成岩溶水浅埋区。单井出水量大于2 000 m3/d。

1.2.2 在地形有利部位与非可溶岩隔水地层组合作用下的富水性

由于地下水径流排泄区岩溶发育带与隔水地层的联合汇水作用，一般可形成岩溶水富集带，出露泉水或单井流量较大。如赤城县上斗营村南附近，近SN向和EW向断裂发育，长城系(Ch)燧石条带白云岩构成主要含水层，一种是与中侏罗统(J2)安山岩呈正断层接触，岩溶水向断层破碎带汇集，在地形有利部位出露成泉，泉流量5.0～7.0 L/s;另一种逆断层接触，太古界(Ar)变质岩或中侏罗统(J2)安山岩阻挡地下水，是水位抬高在地形低洼处出露，泉流量2.0～3.0 L/s。

每学年选择一个月专门进行科技创新活动。学生根据自己的兴趣爱好参加兴趣小组，由专业教师对其创新项目进行相关专业知识的辅导，最终将其创意转化为产品，为此学校应该对兴趣小组配备专业教师，支撑兴趣小组长足的发展。通过学生兴趣小组创新产品展示，再通过选拔，决出科技创新优胜者，予以表扬，为参加省级及国家级科技创新大赛选出竞赛作品。另外，学校可围绕兴趣小组的创新研究，专门开设和开发校本课程，这样也为培养学生的创新意识和创新思维奠定基础。

1.2.3 在地形不利部位可溶岩地层的富水性

在地表分水岭附近的碳酸盐岩地层，一般无泉水出露，富水性差，地下岩溶水补给径流带埋藏深度大，在断层破碎带和多组断裂交汇部位，附近碳酸盐岩地层地下岩溶裂隙分布、岩层组合相对于构造破碎带有一定的汇水面积，就会使岩溶水富集。如:赤城县上斗营村位于地表分水岭北侧，井孔位于近SN向和NW向断裂交会部位，井深200 m，地下水位埋深75 m，抽水水位降深8 m，单井出水量900 m3/d;怀来县南部山区分水岭部位的外井沟村井孔位于NW向断裂南端，井深240 m，地下水位埋深170 m，抽水水位降深10 m，单井出水量600 m3/d。

2 岩溶水水平分带富水规律

2.1 垂直补给区

在分水岭及山区地带，大气降水沿裂隙垂直下渗速度快，水与可溶岩接触时间短，岩溶作用微弱，如:怀安东部至深井盆地、蔚县盆地与阳原盆地之间、龙关盆地东部山区，上元古界碳酸盐岩地层地表未见强烈的岩溶发育现象，由于地表切割强烈，地形坡度大，地表径流流失快，地下径流以垂向入渗为主并很快向下游排泄，地表无泉水出露，岩溶水埋藏深度一般大于200 m，且富水性差。

2.2 水平径流区

地下水一方面接受大气降水的垂直渗入补给，一方面接受上游补给区的侧向径流补给，地下水与可溶岩的接触时间较长，岩溶发育程度也相对较高，地下水沿岩层走向的层间裂隙以水平运移为主，由于地形地貌的影响，岩溶水埋藏深度变化大，一般埋深在30～250 m，富水性较好，单井出水量一般在240～500 m3/d。

2.3 排泄区

岩溶水循环交替强烈，岩溶发育程度较强烈，在地形地貌及地质构造的有利部位，岩溶水的补给储存条件好，可形成水位埋藏浅、水量丰富的岩溶水排泄区，富集性好，可归纳为三种类型:

2.3.1 断陷盆地边缘型排泄区

岩溶水自山区向盆地径流过程中，受到山前第四系粘性土的相对阻挡，使岩溶水水位抬高，岩溶沿山前断裂带发育，地下水富集。如蔚县北口岩溶大泉流量达100 L/s。

由于碳酸盐岩地层分布广、汇水面积大，岩溶水的径流途径长，形成高水头承压自流排泄区，富水性好，在人工揭露、断裂构造及第四系“天窗”揭露，以泉或井的形式集中排泄。如蔚县地毯厂水井井深622.8 m，560 m以下为奥陶系(O)灰岩，560 m以上为第四系粘性土，水头高出地面约25 m，自流量达2 000 m3/d;蔚县暖泉镇泉群由于断层的阻水和第四系天窗的组合作用上升出露地表，泉流量60 L/s;涿鹿县矾山镇黄帝泉泉流量30～50 L/s。

2.3.3 山区河谷切割型岩溶排泄区

由于地形的强烈切割作用，在山区河谷地带形成线状或带状岩溶水排泄区，距离河谷越近富水性越好。如赤城县龙潭泉位于白河河谷西侧，地形相对高差500～600 m，泉流量550 L/s。如阳原三义庄铁矿区，距桑干河床210 m处的3号孔孔深237 m，水位埋深48 m，单位涌水量8.3 m3/h·m;距桑干河45 m处的主孔孔深285 m，水位埋深7.3 m，单位涌水量 78.0 m3/h·m。

3 岩溶发育的垂直分带及岩溶水的垂向富集规律

3.1 岩溶发育的垂直分带

岩溶在垂向上的发育程度，受地下水交替作用的影响，而地下水的交替条件受区域地下水基准面的控制。

阳原盆地东端山区的桑干河谷北坡的三义庄铁矿区，位于岩溶水径流排泄区，附近最高处标高1 344 m，河床底部标高770 m，比高540 m，地层为长城系(Ch)燧石条带白云岩，岩溶发育规律在天然条件下，随着深度的增加，地下水交替作用减弱，岩溶发育程度逐渐减弱，其岩溶发育带由高至低可分为三个带:

上部风化壳古岩溶较发育带:位于矿区侵蚀基准面770 m标高以上，以顺层发育的溶洞和沿垂直节理发育溶洞溶隙为主，矿区内分布普遍，800 m标高岩溶发育率为3.5%;中部强径流岩溶中等发育带:位于矿区770～450 m标高区间，与桑干河口堆积面标高560 m相对应，以溶洞和溶隙为主，标高630～670 m岩溶发育率3.6%;下部弱径流岩溶弱发育带:位于矿区450～300 m标高区间，以溶隙溶孔为主，岩溶发育率小于1%。

3.2 岩溶水的垂向富集规律

由于岩溶水具有速补速排的特点，水力坡度一般较小，如三义庄6.0 km2矿区范围内岩溶水的水力坡度为0.24%～0.41%，所以在当地侵蚀基准面775 m标高以上的碳酸盐岩地层基本上可视为岩溶水的包气带，岩溶裂隙发育，为透水不含水段;在当地侵蚀基准面775 m以下至450 m标高的地层，一般为岩溶水的强径流段，尤其在岩溶水的径流排泄区，单井涌水量360～1 100 m3/d，为岩溶水富含水段;在450 m标高以下(当地侵蚀基准面以下320 m深度以下)，岩溶发育率低，富水性逐渐变弱，为岩溶水弱径流弱含水段。

4 隐伏岩溶水的富集规律

受NW向 F4、F5、F6断裂的控制，在蔚县、阳原、涿鹿矾山盆地范围内有溶岩水富集的五个浅埋区。如断裂以北的蔚县煤田、蔚县暖泉镇附近、阳原西城和三马坊附近、涿鹿县矾山镇附近，其地层结构上部为第四系粘性土，下部为碳酸盐岩地层，碳酸盐岩地层的埋深在100～250 m，均为岩溶水的富水区，其富水规律为隐伏岩溶水的富水性与含水层岩性有关，而富水地段受隐伏断层的控制。如蔚县煤田含水层为中奥陶灰岩厚250 m，岩溶发育，钻孔单井涌水量一般在800～2 600 m3/d，而强径流带或断裂附近单井涌水量2 000～5 600 m3/d;而下部寒武系的泥质灰岩岩溶不发育，富水性差，单井涌水量0.62～8.29 m3/d;阳原三马坊含水层为长城系燧石条带白云岩厚度大于300 m，位于NE和NW向两条断裂交会处西北侧，钻孔单井自流量最高达9 900 m3/d;涿鹿县矾山镇含水层为长城系－蓟县系燧石条带白云岩，泉流量35～50 L/s。深埋区一是F4和F5断裂之间的蔚县南部山前倾斜平原，如蔚县地毯厂供水井深623 m，562 m以下为奥陶系灰岩，上覆第四系粘性土层，成井时自流量80 m3/h，水头高出地面31 m;二是宣化东部F2、F6、F10之间的三角区约640 m以下为蓟县系白云岩，上覆侏罗系煤系地层及第四系地层，宣东煤田2号竖井突水事故就是下部蓟县系白云岩构造部位岩溶水引起的。