山东莒县龙王庙富水块段陡倾灰岩地层富水性研究

2020-10-22景晓东冷旭勇刘连吴波柳耀君崔素

山东国土资源 2020年10期

景晓东，冷旭勇，刘连，吴波，柳耀君，崔素

(山东省第一地质矿产勘查院，山东省地质矿产勘查开发局富铁矿找矿与资源评价重点实验室，山东济南 250100)

0 引言

地下水的富集指在有利于地下水汇集与储存的水文地质条件下，形成了具有可供开发利用的地下水资源的富水块段[1]。富水块段是水文地质单元内，含水层富水性较强、储水构造及地貌形态组合有利于地下水富集的局部块段[2]。莒县灰岩地区地层产状较陡，且被断裂切割成若干个小块段，岩溶发育具有不均一性，水资源缺乏，水文地质条件复杂，灰岩地层富水性研究对当地水源供给保障具有重要意义。本文依托“山东省1∶5万东莞幅、招贤幅区域水文地质调查”项目的大量资料，以龙王庙富水块段所在石河地区为研究区，进行了碳酸盐岩类裂隙岩溶水富水性研究，总结了地下水富集规律，为在灰岩缺水地区开展找水工作提供了成功经验。

1 研究区地质概况

1.1 地层

研究区位于莒县北部，距县城约40km。东北以白垩纪地层为界，东、南以白芬子-浮来山断裂为界，西以与侵入岩接触面为界，北至图幅边界。区域地层属华北地层大区之晋冀豫地层区，以安丘-莒县断裂为界，东部属鲁东地层分区，西部属鲁西地层分区。研究区灰岩地层主要分布在白芬子-浮来山断裂以西，棋山断裂以东，平行不整合在新元古界土门群之上，总厚度约1800m。由老到新依次划分为寒武纪长清群朱砂洞组、馒头组，九龙群张夏组、崮山组、炒米店组和三山子组，奥陶纪马家沟群东黄山组、北庵庄组、土峪组、五阳山组。岩性以灰岩、白云岩为主，岩层倾角48°～60°。

1.2 构造

研究区位于华北板块东南隅，在沂沭断裂带范围内。区内主要断裂有昌邑-大店断裂、安丘-莒县断裂、白芬子-浮来山断裂、棋山断裂、大林茂龙王庙断裂等。白芬子-浮来山断裂是莒县最主要的断裂，为正断层，早期左行压扭平移，晚期左行张扭，由一组平行断面组成。带内发育构造角砾岩、构造透镜体、糜棱岩、挤压片理化带及牵引褶皱等。

2 水文地质条件

研究区位于鲁中南中低山丘陵碳酸盐岩为主的水文地质区安丘-临沭水文地质亚区。地层主要为奥陶系—寒武系，少量震旦系、白垩系、第四系。地下水类型主要为碳酸盐岩类裂隙岩溶水，其他的有岩浆岩类裂隙水、碎屑岩类孔隙裂隙水、松散岩类孔隙水零星分布。

2.1 碳酸盐岩类裂隙岩溶水

碳酸盐岩类裂隙岩溶水赋存于奥陶纪—寒武纪灰岩及灰岩夹页岩裂隙溶洞中，溶解性总固体一般小于1.0g/L，属于重碳酸硫酸盐型水。研究区断裂构造极其发育，岩层产状较陡(倾角48°～60°)，由多组梯形断裂切割成若干个小块段，呈SN向窄条带状分布，往往形成面积大小不等的相对独立的小型水文地质单元,裂隙、岩溶发育具有不均一性和各向异性，富水性复杂，岩溶水资源总体不丰富，大部分地区涌水量小于500m3/d(以往1∶20万区域水文地质调查)，但在适当地貌及构造条件下，局部地段浅部岩溶发育较好，可增强富水性[3]，涌水量可达500～1000m3/d(图1)。

1—马家沟群；2—三山子组；3—张夏-炒米店组；4—朱砂洞—馒头组；5—白垩纪红土崖组；6—白垩纪寺前村组；7—白垩纪田家楼组；8—白垩纪马郎沟组；9—白垩纪八亩地组；10—研究区范围；11—AB剖面位置；12—断裂图1 研究区主要断裂及灰岩地层分布图

2.2 补给、径流和排泄条件

碳酸盐岩类裂隙岩溶水在研究区大部分区域分布，奥陶纪马家沟群五阳山组—寒武纪长清群朱砂洞组基本都有出露。其补给主要是大气降水入渗补给及侧向径流补给。由于受复杂断裂构造影响，不构成整体径流系统，但在每个小单元内基本都是沿地层倾向自西向东径流。其排泄方式主要是径流排泄，另外，当地有小规模分散式开采，主要供居民饮用及部分灌溉用水(图2)。

1—太古代兔儿山单元二长花岗岩；2—中生代吴家沟中斑角闪正长斑岩；3—佟家庄组；4—石旺庄组；5—朱砂洞组；6—馒头组；7—张夏组；8—崮山组；9—白垩纪八亩地组；10—三山子组；11—东黄山组；12—北庵庄组；13—土峪组；14—五阳山组；15—八亩地组图2 研究区剖面示意图

2.3 水位动态特征及变化

岩溶地下水位主要受大气降水影响，与降水变化基本一致，滞后现象明显[4]。年内呈现季节性变化，1—4月受降水量较小及人工开采影响，水位缓慢下降；4月开始降水量逐渐增多，地下水位先是经过短时间缓慢下降，然后持续回升，至10月左右达到峰值(图3)，之后降水量明显减少，水位经过短暂稳定后开始持续下降。地下水水位年变幅1.7～3.12m。年际变化主要受枯水年、丰水年影响。区内灰岩地层产状复杂，大量采石场的长期开采，导致区内灰岩裸露情况发生较大变化，破坏了地下水的径流条件，出现泉水、井孔干涸及水位下降等情况，因此各地地下水位降低程度不一、差别较大。

3 富水性研究

3.1 富水性特征

图3 石泉官庄地下水位动态(井深60m，张夏组灰岩含水层)

岩溶含水层系统边界划分主要关注岩溶含水层的分布埋藏[5-6]。龙王庙富水块段位于东莞幅北部龙王庙-褚家坡一带，灰岩裸露，面积5.49km2，是一个南、北、东北均以压扭性断裂为隔水边界，东、东南以与白垩系接触面为隔水边界，西侧则以九龙群崮山组为透水边界的相对独立的小型水文地质单元(图4)。

含水地层为奥陶纪马家沟群五阳山组-寒武纪九龙群炒米店组。项目施工的DGZK5钻孔，揭露地层岩性为马家沟群五阳山组，该孔孔深202.4m，静水位12.47m，最大稳定降深15.26m，出水量765.6m3/d;DSJ02孔孔深66m，水位13.11m，降深2.77m时涌水量为158m3/d(表1)。附近有3处泉眼，泉水长年流淌，其中DQ07实测流量为205m3/d。根据碳酸盐岩类裂隙岩溶水富水性划分等级，该块段涌水量500～1000m3/d，富水性较好。

3.2 地下水资源量及潜力评级

以不诱发岩溶塌陷、不产生水位持续下降为约束条件，采用水均衡法计算，龙王庙富水块段可开采资源量为411.4627m3/a。地下水开采潜力指数2.87，地下水开采潜力模数10.75×104m3/a.km2，属于开采潜力较大区。

图4 龙王庙富水块段水文地质略图

表1 研究区主要井孔

4 富水机理研究

碳酸盐岩裂隙岩溶水区地下水成井条件由地层分布情况和地势条件等综合原因决定[7]。主要受地形地貌、地层岩性、地下水动力条件以及地质构造等因素控制。

4.1 地形地貌

地形地貌是影响地下水补给及运动最主要的因素。在地势相对较低、地形相对平缓地带，碳酸盐岩层裂隙、岩溶发育程度较高，深度相对较大，富水性较好[8]。而在地势较高、坡度较大的地区，裂隙、岩溶发育主要集中于地表浅部，富水性较弱。龙王庙附近地势西高东低，地层倾向与坡向一致，地下水在岩溶斜坡地带快速向东径流。富水块段以西至侵入岩接触面，具有较大的汇水面积，而富水块段地形相对平缓、地势较低，有利于地下水的补给、运移及蓄积。

4.2 地层岩性

碳酸盐岩是岩溶作用的物质基础，是岩溶地下水的储集岩，碳酸盐岩的类型和分布在一定程度上控制了岩溶地下水的分布规律[9-11]。不同的地层岩性，裂隙、岩溶发育程度不同，其富水性也呈现出较大差异[12]。龙王庙富水块段以五阳山组-炒米店组灰岩、白云岩为主，含水层厚度大，在水化学作用下岩溶发育，易形成裂隙、溶孔，具有良好的地下水通道和储水空间。

4.3 地下水动力条件

地下水循环条件愈好，地下径流愈强烈，地下水的侵蚀性愈强，岩溶愈发育，同时岩溶发育又促进了径流条件的转化。龙王庙附近地层与坡面倾向一致，使岩溶水在水力坡度作用下沿地形由西向东快速径流，在东侧富水块段形成地下水汇集区，由于地下水垂直、水平交替运移频繁，岩溶发育强烈且深度较大。

4.4 地质构造

地质构造主要取决于断裂力学性质、规模、补水条件等因素。地质构造条件是影响构造控水最重要的因素，国内外一些学者围绕区域构造控水做过一些研究[13-14]。地质构造控制着地下水的运动和赋存条件，断裂附近，岩石破碎、裂隙发育、岩石结构疏松、岩溶作用相对强烈，为地下水富集贮存和流通提供了良好的条件，往往成为地下水的相对富集带[15-16]。岩溶地下水在运动过程中水力坡度随地形坡度由陡渐缓，当地下水运动至相对平缓地带，受到隔水边界阻挡，产生“壅水”现象，在这些地段往往形成岩溶水的强富水块段[17-19]。

龙王庙富水块段灰岩地层倾向东，东部为李家沟-下石城断裂，该断裂为压扭性阻水断裂，沿断裂东盘分布着弱透水的白垩纪青山群喷出岩及侵入岩，地下水受到隔水边界的阻挡富集于此。龙王庙周边断裂构造、裂隙岩溶发育，增大了储水、导水空间，为钻井取水的有利地段(图5)。

1—碳酸盐岩类裂隙岩溶水(500～1000m3/d)；2—朱砂洞组碳酸盐岩夹碎屑岩岩溶裂隙水(<500m3/d)；3—张夏组碳酸盐岩夹碎屑岩岩溶裂隙水(<500m3/d)；4—地下水流线；5—中生代吴家沟中斑角闪正长斑岩；6—朱砂洞组；7—崮山组；8—炒米店组；9—三山子组；10—东黄山组；11—北庵庄组；12—土峪组；13—五阳山组图5 龙王庙富水块段富水机理示意图