嘉祥县红运水源地岩溶发育特征及富水规律研究

2021-07-27肖华张传英王彦明袁成军

山东国土资源 2021年7期

肖华，张传英，王彦明，袁成军*

(1.山东省鲁南地质工程勘察院(山东省地勘局第二地质大队)，山东济宁 272100；2.济宁市岩溶地质重点实验室，山东济宁 272100；3.嘉祥县自然资源和规划局，山东嘉祥 272400)

0 引言

红运水源地位于山东省济宁市嘉祥县大张楼镇红运村东，地处嘉祥单斜断块水文地质单元的北部。嘉祥断块由东南向北西倾伏，呈单斜状，为一独立的水文地质单元，东边界以嘉祥断裂、刘庄-庙西断裂和唐阳断裂为界，西边界以马村-大山头断裂和巨野断裂为界，南边界以菏泽断裂为界，北边界以郓城断裂为界。南部太古界、古生界地层翘起并剥蚀为残丘丘陵，北部奥陶、寒武系隐伏于新近系及第四系松散堆积物之下，松散堆积物厚度自东南部向西北部由50m渐变为200m左右。上部松散岩类孔隙含水岩组和下部岩溶含水岩组形成单斜双层含水结构。下部岩溶含水岩组由断块周边断裂围成隔水边界；南部基岩裸露区裂隙岩溶发育，是岩溶水的降水入渗补给区。红运水源地经勘探证实的允许开采量为9万m3/d，为中国北方典型的大型岩溶水水源地(1)山东省鲁南地质工程勘察院，山东省嘉祥县红运水源地供水水文地质详查报告，2005年。。本文针对水源地主要供水井及周边勘探井岩溶发育特征，对水源地岩溶空间分布特征和发育规律进行总结，对富水规律进行研究，以期为覆盖型岩溶区供水水文地质勘探提供参考。

1 岩溶发育特征

1.1 碳酸盐岩地层岩性

红运水源地共有供水井8眼，根据钻孔揭露，其地层自上而下依次发育第四系、奥陶系和寒武系，其中碳酸盐岩地层包括奥陶纪马家沟群北庵庄组和东黄山组和寒武-奥陶纪三山子组，各段揭露地层岩性见表1。

表1 红运水源地碳酸盐岩地层岩性表

1.2 岩溶发育与地层岩性的关系

嘉祥单斜断块碳酸盐岩分布面积1476km2，其中以寒武-奥陶纪三山子组和马家沟群为主(图1)。研究区岩溶总体可分为裸露型和覆盖型两种。裸露型分布面积相对较小，主要分布在南部灰岩裸露区。覆盖型岩溶分布较广，以奥陶纪马家沟群碳酸盐岩为主，占总岩溶分布面积的90%以上。

1—第三系；2—石炭-二叠系；3—奥陶系；4—寒武系；5—灰岩边界；6—隐伏煤系地层；7—变质岩；8—嘉祥断块边界线；9—基岩裸露区界线；10—红运水源地位置

岩溶是水对可溶性岩石进行化学溶蚀为主的地质作用的过程[1]，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[2-4]。

根据水源地8眼供水井揭露地层情况，岩溶发育深度143～330m，主要发育地层以三山子组为主，单孔岩溶发育占全孔的58%～100%，其次为奥陶纪马家沟群北痷庄组和东黄山组(表2)。岩性差异影响着岩溶发育程度，不同成分和结构的碳酸盐岩溶解的难易程度不同，其与岩石中氧化钙与氧化镁的比值有关[5-6]。

表2 红运水源地供水井岩溶发育情况表

三山子组a段和b段灰白色中细晶白云岩岩溶发育最强，是构成区内岩溶水储存空间和运移通道的主要地层岩性。马家沟群土峪组泥灰岩和北庵庄组灰岩、豹皮灰岩等以裂隙为主，岩溶发育微弱，岩溶形态以溶孔为主，溶洞少见。如LK4孔，第四系松散层厚110m，其下(自上而下)为奥陶纪马家沟群北庵庄组、东黄山组灰岩、豹皮灰岩、泥灰岩和三山子组a段细晶白云岩、b段中细晶白云岩。灰岩、豹皮灰岩和泥灰岩只是裂隙发育，局部可见溶隙、溶孔，而中细晶白云岩不仅裂隙、溶隙发育，而且溶洞发育，溶洞直径一般3～5cm，大者20～50cm(照片1)。横向上奥陶纪马家沟群岩溶发育明显弱于三山子组，其灰岩岩溶发育弱于白云岩，在岩性上反映为中细晶白云岩>细晶白云岩>泥灰岩>灰岩和豹皮灰岩>微晶白云岩。

照片1 LK4三山子组岩溶发育照片

红运水源地含水层位以三山子组a段和b段白云岩为主，是本区与邻区岩溶水富集规律最大的差别[7-10]。

1.3 地质构造

1.4 岩溶分布与地质构造的关系

岩溶发育主要受地层岩性、断裂构造、节理裂隙、断块运动等控制[13]，区域构造是影响岩溶发育与空间分布关系的重要因素[14]，断层、裂隙及构造破碎带改变了地下水的径流条件，使岩溶水流形成后，就受到一定边界条件的约束，水动力作用加强[15]。断裂交会部位裂隙岩溶较发育，同时受局部断裂构造的控制，岩溶也相对较集中发育在断层面附近或断裂带上[16-17]。在横向上或平面上，岩溶发育明显受控于地质构造。岩溶发育一般呈带状，走向一般与断裂的走向一致，宽度一般与断裂影响带宽度相吻合。研究区内的红运富水地段，其岩溶发育与区域断裂的走向基本一致，这也说明了岩溶发育受控于主要断裂的规律。野外观察在基岩裸露区可清楚地看到沿NE 60°方向发育的断裂，其两侧溶洞、溶隙十分发育，远离断裂面(约15m)只发育一些溶孔及小裂隙。

1.5 岩溶发育与地下水动力条件的关系

地下水动力条件，是岩溶发育的又一重要因素。特别是地下水径流条件是控制岩溶发育的主要因素[18]，地下水径流强弱与地形条件有关，一般情况下，地形高差大，地下水径流强，岩溶发育深度大，而且强烈[19]。红运水源地一带隐伏于第四系之下的灰岩顶板埋藏起伏较大，如LK4孔与LK9孔相比，仅相距1200m，其灰岩顶板高差48m，这种高低起伏的古地形条件，影响区内岩溶地下水径流强弱，同时促进了岩溶的发育。

1.6 岩溶发育与埋藏深度的关系

在纵向上或剖面上，研究区由南至北岩溶发育由浅变深。南部如嘉祥城北富水地段，岩溶发育最强深度段埋深在60～100m，岩溶形态以溶洞、溶隙为主，溶洞一般呈不规则核桃状，局部溶洞直径10～25cm；埋深100m以下岩溶发育随深度的增加逐渐减弱，岩溶形态则以溶孔为主，裂隙发育，溶洞少见。红运富水地段，岩溶发育最强深度段埋深160～280m，岩溶形态以溶洞为主。溶洞直径一般4～8cm，局部15～40cm，钻进过程中孔内突然出现全泵量漏水和掉钻现象。埋深280m以下岩溶形态以溶孔为主，溶洞少见。

2 富水性规律

天然状态下，研究区内岩溶水只在南部裸露山区接受降雨入渗补给。近年来，由于岩溶水的人工开采，区域岩溶水位普遍低于孔隙水位，因此，又增加了孔隙水的越流补给。

区内岩溶含水岩组绝大部分隐伏于第四系之下。灰岩顶板高低起伏，凹凸不平，裂隙岩溶发育。因此，在灰岩顶板埋深较浅范围内，无论是孔隙含水岩组中隔水层薄，还是含水层直接与岩溶含水层接触，均会造成孔隙水向岩溶含水层越流的有利条件。

因岩溶导水储水空间的发育受地层岩性、地质构造、地形地貌等因素的控制和影响，岩溶含水层的富水性极不均匀[20]。LK1孔单位涌水量26m3/d·m，LK2孔为30m3/d·m，LK3孔为964m3/d·m，LK6孔为557m3/d·m，而红运水源地开采区最大单位涌水量达33333.3m3/d·m，是罕见的富水性极强的岩溶水水源地。

红运富水地段是由勘探孔LK4发现的。在施工LK4孔之前，已经相继完成了LK1孔、LK2孔、LK3孔、LK6孔，富水情况均不理想。LK1，LK2富水性均一般。从地层岩性上看，虽然岩溶发育段在东黄山组、北痷庄组、三山子组均有发育，但含水层段明显较薄，以本区主要含水层段三山子组为例，LK1三山子组顶板埋深205.1m，岩溶发育段厚度为2.3m，深度为213.1～244.8m；LK2三山子组顶板埋深200.5m，岩溶发育段厚度为3.3m，深度为212.0～258.05m。与富水地段埋藏深度一般在250～300m相比，埋藏相对浅、岩溶发育段薄。LK1孔由于附近没有构造，地层岩性和主要含水层埋深较适宜，但裂隙岩溶相对发育弱，单位涌水量26m3/d·m。LK2孔地层岩性和地质构造条件均较有利，但因其处在两条平行断层形成的封闭地堑降落带内，有巨厚层新近系黏土岩隔水层，导致水动力条件极差，岩溶发育弱，单位涌水量30m3/d·m，说明构造发育是控制岩溶发育的主要因素之一(图2)。

1—单位涌水量大于10000m3/d·m；2—单位涌水量5000～10000m3/d·m；3—单位涌水量1000～5000m3/d·m；4—单位涌水量500～1000m3/d·m；5—单位涌水量小于500m3/d·m；6—岩溶水边界范围线；7—断裂；8—岩溶水富水性分区界线；9—钻孔位置及编号；10—红运水源地位置；11—剖面线位置

LK3孔、LK6孔富水性好，LK6孔单位涌水量达557m3/d·m，LK3孔单位涌水量达964m3/d·m(图3)。两孔相距4200m，地层不连续，推测之间有断裂存在，而在这条断层及其影响带附近，主要岩溶含水层(三山子组a，b段)埋藏较浅，岩溶水与孔隙水水力联系密切，水动力条件加强，水循环强烈，使岩溶特别发育，从而形成岩溶水富集地段。分析认为灰岩埋藏深度与岩溶发育有一定关系，但不是决定因素，而断裂是控制性因素，是加强水动力条件、促进岩溶发育的主要因素。