韩城矿区岩溶形成机理及其水文地质特征

2015-12-02郭平战

地下水 2015年5期

郭平战

(陕西省地下水管理监测局，陕西西安710003)

韩城矿区是陕西省重要煤炭生产基地，该区地形起伏大，形态复杂，总趋势西北高、东南低，地面标高一般600～800 m，最高(禹山)1227.9m，最低处为黄河禹门口380 m左右，是区内侵蚀基准面。由于该区域奥陶系岩溶极其发育，岩溶含水岩组富水性极其丰富，近几十年来，多矿发生过多起大规模的透水事件，给矿区生产、经济及人民生命安全造成极大危害。本文通过对该区域岩溶形成、发育及发展规律和水文地质特征的揭示，为该区的煤炭开采及工农业生产开发利用岩溶水提供科学依据。

1 区域地质构造

1.1 区域构造

韩城矿区位于鄂尔多斯台向斜东南缘，处于祁吕贺山字型构造前孤东翼内侧，东为吕梁山系西翼，紧邻汾河地堑;南接渭河地堑，与秦岭纬向构造带相望。呈现多期不同序次构造活动相互复合、牵制、改造，构成了该区域现今的构造轮廓。但是，中、新生代以来，该区主要构造形迹受祁吕贺山字型构造的控制，构造特征主要表现为:以北东—北东东向为主的一系列相互平行的褶皱和断裂组成;但平面上构造的发育程度和形成机制各不相同，总体来看，该区为一倾向西北的单斜构造。

1.2 地层

以韩城大断裂F1为界，将本区分为两个地貌类型，东南侧为平原区，由山前洪积扇、黄土一级台塬和河流阶地组成;西北侧为构造剥蚀低中山区以及二级黄土台塬，低山多被黄土覆盖，地层主要由寒武系、奥陶系灰岩和石炭、二叠、三叠系砂岩、泥质砂岩组成。

1.3 奥陶系灰岩

该区奥陶系为一套碳酸盐岩建造，北至桑树坪以北的船窝，南至英山一线，裸露面积15 km2，平均厚度373 m，沿地层走向由北东向南西逐渐变薄，沿倾向由南东向北西变厚，按其岩性和沉积韵律可将奥陶系中统划分三组，见表1。

表1 奥陶系中统岩溶裂隙含水层段(组)划分表

1.3.1 奥陶系中统马家沟组(Q2m)

1)奥陶系中统下马家沟组(Q2m1)

平行不整合于下统之上，按其岩性可分为两段，第一段(Q2m1

1)以泥灰岩、泥质白云岩、角砾状白云岩为主，呈灰褐—深灰色，厚度20～25 m;第二段(Q2m12)为浅棕色—灰黑色中厚层状白云质灰岩、角砾结晶灰岩、细晶白云岩岩溶裂隙及溶洞发育，厚度65～78 m。

2)奥陶系中统上马家沟组(Q2m2)

主要以厚层豹斑灰岩、角砾状泥灰岩及白云岩为主，按其岩性可分为三段。第一段(Q2m12)以褐—深灰色白云质泥灰岩为主，厚度55～60 m;第二段(Q2m22)以深灰色—棕灰色白云岩为主，岩溶裂隙发育，厚度110 m左右;第三段(Q2m2

3)以浅灰色中厚层状石灰岩为主夹薄层白云岩，厚度20～40 m。

1.3.2 奥陶系中统峰峰组(Q2f)

直接接触石炭系煤系地层接触，仅在北部黄河沿岸凿开河一带出露，岩性多为厚层状豹斑灰岩及白云质灰岩，厚度40～128 m。

2 水文地质条件

该区地貌类型为:黄河漫滩、黄河二级阶地及三、四级阶地和一级黄土台塬及基岩低中山。由于所处的地貌单元不同，其地层岩性差异较大。根据该区地层岩性及水文地质特征，区内地下水可分为:第四系松散岩类孔隙裂隙水;石炭二叠系基岩裂隙水;奥陶系碳酸盐岩岩溶水。由于本文重点分析奥陶系岩溶水，故第四系松散岩类孔隙裂隙水及石炭二叠系基岩裂隙水在此不再赘述。

2.1 奥陶系碳酸盐岩岩溶裂隙水

奥陶系灰岩是由较纯的碳酸盐岩与不纯碳酸盐岩互层，从而形成了复杂的含水系统。前者在诸多因素的作用下形成强岩溶裂隙含水层段，后者则形成相对隔水层段。奥灰岩沿韩城大断裂(F1)以西500～800 m深度内溶洞、溶孔、溶隙普遍发育，裸露面积15 km2，浅埋面积16 km2，直接和间接接受大气降水、地表河流的渗漏补给，并在丰水期接受黄河水集中补给，形成了奥灰岩溶水的强径流带，为一非均质奥灰岩溶复合含水体，并具有+380 m高程的区域水位。其富水性主要取决于构造岩性及水动力条件。

2.2 岩溶水的补给、径流、排泄条件

2.2.1 岩溶水补给条件

区内岩溶水主要为大气降水入渗补给，灰岩裸露区15 km2，为降水补给提供了较大的空间。另外，区内流经奥灰岩地段共有9条河流，河流渗漏补给是岩溶水补给的又一主要来源。在桑树坪一带，黄河流经灰岩段约7 km，岩溶水与黄河水有着密切的水力联系。此外，黄河东岸吕梁山系有800 km2(+816.24～628.79 m)的奥陶系灰岩裸露区，降雨入渗补给黄河西岸岩溶水(+380 m)。

2.2.2 岩溶水的径流排泄条件

矿区东南边部，由于继承性的多期构造活动，在F2、F5和F1之间，奥灰岩岩层陡倾，褶皱断裂集中发育，成为奥灰岩溶发育的有利地带，也是奥灰水储存、运移的主要通道，构成了该区域的主要径流带和补给区。另外，该区地下水受黄河侵蚀基准面(+380 m)控制，不仅是该区域地表水的排泄通道，也为奥灰水的补、排及运移创造了条件。在天然状态下，奥灰水沿北东向主要径流带向黄河排泄。

3 岩溶形成机理

区内中奥陶系峰峰组(Q2f)、马家沟组(Q2m)为巨厚碳酸盐岩，厚度120～200 m，发育岩溶形态有溶蚀裂隙、溶洞、蜂窝状溶孔等，而以溶蚀裂隙最为发育，溶洞次之。

3.1 溶蚀裂隙发育机理

溶蚀裂隙按其与岩层层面方向的相互关系，可分为斜交、垂直和平行三种，其发育强度与构造关系极为密切。在断裂带、褶皱转折倾伏端、断裂尖灭端、两断裂交汇处及断裂复合部及背、向斜轴部等，其溶蚀裂隙发育程度均较远离这些构造部位大若干倍。

在该区奥陶系地层中，主要分布是角砾状结晶灰岩、白云质灰岩、细晶白云岩和白云岩。此类岩石中存在微小、均布的原始孔隙(粒间、粒内、晶间等)。在一定地下水压作用下，能均匀、缓慢地渗入岩石内部，进行均匀的渗滤和扩散溶蚀，致使岩石普遍发育蜂窝状溶孔。

3.2 结晶、重结晶碳酸盐岩岩溶形成

角砾状结晶灰岩，其晶粒大，晶间孔隙大且解理发育，易于地下水的渗滤溶蚀。区内奥淘系发育厚层结晶灰岩，其特点均含有少量粘土杂质，并多见原始泥晶残留痕迹。同时，在结晶方解石中有少量的白云岩残核。此种情况为泥晶灰岩经白云岩化后又受去白云岩化作用所形成的。白云岩化、去白云岩化和重结晶使岩石晶粒增大，解理发育、结构疏松。在重结晶时使含粘土杂质被排除到晶粒间，从而降低粒间联结强度。这些都是角砾状结晶灰岩和重结晶灰岩形成均布溶孔溶隙的内因。区内这两种岩石露头和钻孔岩芯均可见密集溶孔和溶隙。在其溶蚀强烈的部位常常形成网格状或蜂窝状溶隙。

3.3 白云岩岩溶形成

区内发育巨厚的白云岩地层，厚度170～220 m，白云岩有强烈的形成菱面体的结晶习性。白云岩的糖粒结构是由菱面体松散地组合而成，晶间孔隙较多。在白云岩化时，由于固体白云石的克分子体积比方解石小12～13%，因此，方解石白云岩化后其体积将减少12～13%。其所形成白云石菱面体的周围存在小的孔隙，使石灰岩原来的孔隙在白云岩中都被保留下来，这就使得白云岩具有较多的孔隙。由于白云岩溶解度比石灰岩高，且在深部高矿化水中亦可溶解。据中科院岩溶研究所研究结论，纯水中白云岩溶解度较灰岩高50%，在饱和CO2的碳酸水中高1～2倍，天然硫酸盐水中依然可以溶解白云岩。因此，中粗粒白云岩最易发育溶隙含水层。白云岩是组成区内奥陶系的主要岩层，其岩溶裂隙、小型溶洞发育，构成区内主要含水岩组。

4 构造对岩溶水控制

韩城矿区发育不同时期和不同性质的构造共9条。构造对岩溶水的控制作用是及其明显的。它不仅控制岩溶水的储存空间，而且控制区域含水构造的形成和水文地质单元的划分，从而控制区内岩溶水的富水性及其补给、径流和排泄条件。构造的控水作用，按其构造性质、规模、裂隙的发育程度及构造体系的不同而异。

根据区内地质构造特征，以韩城爱帖沟逆断层(F14)为界，将韩城矿区划分为一个独立的水文地质单元，按构造分割情况划分，该区水文地质边界为:

(1)黄河为东部定水头边界:该区黄河切割了全部新老地层，多年平均水位标高380.46 m，由于与韩城北部矿区岩溶水有密切的水力联系，因此，黄河水控制着该区奥灰岩溶水的区域水位。

(2)东南隔水边界:由韩城大断裂与上覆第三系、第四系黄土、亚粘土、亚砂土组成，据同位素C14测定，区域松散层孔隙潜水与岩溶水水位截然不同，地下水成分亦有较大差异。

(3)南西隔水边界:以韩城爱帖沟逆断层(F14)为界划分岩溶水系统。

(4)北西隔水边界:沿岩层倾向，奥陶系灰岩埋深逐渐加大，虽然有次一级小型断裂发育，但切割较浅，不能作为矿区深部的连续边界。据勘探资料，标高在100 m以下，岩溶发育很弱，流量测井显示奥陶系灰岩埋深在0.00 m标高时，已测不出含水层。故矿区北西方向以奥陶系灰岩顶面0.00 m等高线为隔水边界。

5 岩溶水水文地质特征及其富水性

区内岩溶水富水性主要受构造控制，其次为岩性，而以构造控水最为明显，它对奥陶系岩溶水的形成、储存、运移有着及其重要的意义。其特征表现为:

韩城矿区具有“华北岩溶”的全部特征，是全国典型的岩溶水大水矿床之一，具有大致统一的+380 m高程区域水位，是一个非均质、巨大的统一含水体，含水层相互连通，为一庞大的地下水库。

同整个“华北岩溶”一样，奥陶系灰岩是煤系地层的基底，总厚1 900 m，主要含水层为中奥陶统马家沟组(Q2m)和峰峰组(Q2f)，区内分布广，连通性好，富水性强。

5.1 地质构造决定韩城矿区是岩溶水极强富水区

韩城矿区位于大地构造祁吕贺山字型构造前弧东翼内侧转折部位，边部翘起，褶皱丛生，岩石破碎，构造裂隙发育，高角度网状裂隙和断裂、褶皱发育以及北东向F1大断裂为地下水的运移、储存、富集创造了良好的条件。

黄河东岸乡宁吕梁山系西南翼，约800 km2奥灰岩出露，根据山西毛则渠井田测量，奥灰水位标高为816.24～842.75 m，黄河西岸桑树坪奥灰岩岩溶水位380 m左右。由于黄河两岸岩性基本一致，其奥灰岩分布范围大，厚度大，两岸为统一含水体。黄河东岸奥灰水通过深部循环带越过黄河补给西岸桑树坪井田。

河流渗漏补给量亦为区内重要补给源。据流经该区河流多年监测，凿开河流经奥灰岩裸露段3.5 km，渗漏量0.156 m3/s，黄河在桑树坪东流经奥灰岩地层区约7 km，流向大致与灰岩走向夹角30°。此段黄河侵蚀面与上马家沟组二、三段强岩溶裂隙层直接接触。据上下段面水文测算，黄河补给奥灰水量约0.5 m3/s。

由于受构造条件和裂隙网络型含水介质控制，含水层的透水性具宏观渗透性质。虽然该区含水层具有多层性特征，但同一系统内的不同层组间有密切的水力联系，多通过断裂构造和众多密集的裂隙带沟通，从而构成相对统一的地下水流系统及其统一的+380 m区域水位，并形成了该区域统一的地下水动力场和水化学场。

由于区内裂隙网络发育良好，强岩溶径流带地下水径流强烈，在溶隙网络型渗透场的作用下，形成庞大的天然岩溶地下水库。岩溶水动态稳定，多年变幅为1.2 m左右。

5.2 岩溶水具有庞大储存空间和较强调蓄能力

巨厚的白云岩和石灰岩建造和多序次的构造形迹以及强烈的地下水动力场，使该区域溶洞、溶隙普遍发育。在构造应力作用下，裂隙发育良好，延伸性强。以东南边部F1断裂带最为显著，发育有近东西与近南北两组裂隙带，宽度1～15 cm，其层面裂隙最宽约30 cm。平均溶裂率:上马家沟组第三段(Q2m23)9.67%;上马家沟组第二段(Q2m22)10.23%。裂隙密度分别为4.52条/m和3.77条/m。岩溶裂隙沿高角度裂隙发育，平均岩溶率12.9～17.7%。巨厚奥陶系碳酸盐岩建造，广泛分布的岩溶裂隙和溶洞、溶孔，形成了以溶蚀裂隙为主的溶蚀网络型岩溶通道和含水系统，构成了规模庞大的具有良好储存空间和调蓄功能的地下水库。如此巨大的岩溶含水系统和储存空间，使该区岩溶水储存量极为可观。据多种方法计算结果，韩城矿区岩溶水系统地下水的储存量达20×108m3。