沂蒙山区中北部侵入岩蓄水构造的富水特征及供水意义

纪汶龙，刘中业，朱恒华，王玮，刘治政，焦永鑫

(1.山东省地质调查院，山东 济南 250014；2.山东省第七地质矿产勘查院，山东 临沂 276006)

0 引言

沂蒙山区是山东省重点贫困缺水地区，大面积侵入岩出露，由于侵入岩裂隙不甚发育，赋水性较弱，寻找地下水难度较大，属于相对贫水区，农村生产、生活用水困难，区内个别地方居民依然靠接引山间沟谷内溪水或修建水窖蓄水维持生活，类似供水方式不仅在干旱季节无法保证水量供应，而且水质也容易遭受污染，严重影响人民群众的生活与生产[1-2]。

自2011年以来，原国土资源部、中国地质调查局、原山东省国土资源厅等单位和部门在沂蒙山地区先后组织开展抗旱打井、抗旱定井、1∶5万水文地质调查等工作，山东省地质调查院全程参与相关工作，先后完成1∶5万标准图幅水文地质调查工作14幅。本文在沂水县幅等水文地质调查成果的基础上，总结侵入岩地区各类型蓄水构造典型特征，为解决侵入岩缺水地区用水现状提供参考。

1 地质背景

研究区地处沂蒙山区中北部，含盖沂水县幅、高桥幅、韩旺幅3个1∶5万标准图幅，横跨沂沭断裂带和鲁中隆起2个Ⅲ级构造单元，沂水-汤头断裂、鄌郚-葛沟断裂从其中穿过；区内岩浆活动频繁，自太古代至中生代均有侵入岩发育，地表约27.44%面积侵入岩直接出露(图1)，整体上以新太古代侵入岩为主，中生代侵入岩以规模较小的中酸性岩株、岩床及岩脉等为主，主要岩性包括花岗岩、闪长岩、辉绿岩等[3]。侵入岩地层具有岩体完整，块状结构，节理裂隙不发育等特征，地表风化裂隙发育深度一般小于20m，裂隙细小，富水性差，单井涌水量一般小于100m3/d。通过断裂构造或侵入岩接触带等构造形迹确定侵入岩地区蓄水构造，对侵入岩缺水地区找水定井工作具有重要指导意义。

1—侵入岩出露范围；2—断层及编号；3—沂水-汤头断裂；4—鄌郚-葛沟断裂；5—严家官庄断裂；6—兵房岭-大山断裂；7—李家营-坡庄四村断裂；8—北小尧-唐家河断裂；9—红花峪-王家牛旺断裂；10—韩旺断裂；11—张耿-柴山-东草沟断裂；12—锄印鼻子山-东良庄断裂；13—尹家峪-西郭庄断裂；14—南垛庄-阳早断裂；15—松泉官庄-圣水坊断裂

2 蓄水构造类型

蓄水构造是一个由地质体构成的、具有供排水意义的、蓄积地下水的空隙系统，是地下水形成、运动、蓄存的场所[4]。基岩蓄水构造的基本类型主要包括阻水型蓄水构造、滞水型蓄水构造、褶皱型蓄水构造、断裂型蓄水构造、接触型蓄水构造及风化型蓄水构造等[5-6]。通过本次研究，确定侵入岩区三类典型蓄水构造类型，分别为断裂型蓄水构造、韧性剪切带型蓄水构造、侵入体接触带型蓄水构造等[7]。

2.1 断裂型蓄水构造

断裂型蓄水构造是侵入岩分布区的主要蓄水构造类型，也是最常见蓄水构造类型，其富水性的强弱，主要取决于断层的力学性质、发育规模及汇水条件等因素[8-10]；在断裂型蓄水构造中，地下水一般赋存于张性断层的断裂破碎带或者压性、压扭性断层的影响带内[4]，不同规模断层，其富水性差异明显；断裂之间的复合关系对地下水的富集影响也较大，不同走向断裂交接部位，经常形成较好的地下水富集区[11-12]。

2.2 韧性剪切带型蓄水构造

韧性剪切带是地壳深部普遍存在的具有强的塑性流变及旋转应变特征的面状高应变带，其原本不存在破裂面[13]，但由于后期地壳升降运动使其抬升至地表或近地表，遭受风化和卸荷作用，导致剪切带内岩体裂隙发育，特别是强卸荷带内岩体糜棱面理裂隙较为发育，张开较明显，岩体较为破碎[14-15]。在一定汇水条件情况下，韧性剪切带面状高应变带内的卸荷裂隙及风化裂隙成为地下水的运移通道和储存空间。

2.3 侵入体接触带型蓄水构造

地壳活动时期，岩浆上升侵入到碎屑岩、变质岩和早期的岩浆岩之中，形成了各种各样的侵入体[16]。在侵入体的挤压和冷凝作用下，接触带附近的围岩和侵入体内形成了一些压性、张性裂隙，这些裂隙大大增加了岩层的渗透性和蓄水能力，这种由侵入体接触带及其附近裂隙形成的蓄水构造称为侵入体接触带型蓄水构造。

3 典型蓄水构造实例分析

利用野外实例，对不同类型蓄水构造地下水富集规律进行研究，分析各类型蓄水构造地下水的补、径、排特征及其赋存情况，研究其在侵入岩贫水地区的供水意义。

3.1 断裂型蓄水构造

韩旺幅HK02孔为一典型的脆性断裂型蓄水构造钻孔，该孔位于泉庄村东、柳条峪村南一条近EW向的断层上盘(图2)。

1—松散岩类孔隙水分布区；2—碎屑岩类孔隙裂隙水分布区；3—碳酸盐岩类裂隙岩溶水分布区；4—块状岩类裂隙水分布区；5—断裂构造；6—汇水范围及边界；7—地下水流向；8—

3.1.1 地质条件分析

HK02孔位于韩旺幅的东北部，附近出露古元古代傲徕山超单元松山单元的二长花岗岩。受区域构造控制，钻孔附近断裂活动频繁，发育多组断层，包括NW向、NE向、近EW向、近SN向及NNW向断层等，各组断裂具有多期活动性，不同组断裂及不同期次断裂相互交错，大大增加了地下水的水力联系。

断裂蓄水主要是由于断裂作用所产生的断裂破碎带或次生裂隙提供了地下水的富集场所，其次因某些断裂的阻水作用，致使断裂两侧裂隙地下水相对富集，特别是阻水断裂的迎水面比较容易形成相对富水地段[17-19]。HK02钻孔处的细粒二长花岗岩为脆性岩石，受断裂构造的影响，构造带及其影响带内岩体比较破碎，裂隙连通性良好，为地下水的运移和富集提供了良好的径流通道和储存空间[20]。

钻孔位于一个小型山谷的出口处附近，微地势大致呈“喇叭口”状，三面高，开口向南西，大气降水从三面汇流，沿山间沟谷向马莲河排泄，地表基岩裸露，风化裂隙比较发育，局部第四系松散层覆盖，厚度0～1m，整体上比较有利于大气降水入渗补给地下水。从地形地貌上分析钻孔处汇水条件较为理想，在有构造汇水的条件下具备形成小型蓄水构造的条件。

3.1.2 物探解译

HK02钻孔附近共布设3条视电阻率联合剖面，并在电阻率联合剖面解译成果的基础上布置了5个视电阻率测深点，视电阻率联合剖面沿NE20°走向，近垂直穿过推测断层。根据联合剖面的解译成果，在孔位处不同极距的联合剖面均出现了低阻“正交点”，为断裂破碎带富水反应；视电阻率测深断面图显示低阻正交点处出现较明显的低阻U型异常(图3)，为断裂破碎带富水反应，进一步证实了HK02钻孔处于一条典型的断裂型蓄水构造之上。

图3 泉庄村HK02钻孔物探视电阻率测深推断图

3.1.3 水文地质钻探及抽水试验

根据物探解译结果，在断层上盘施工HK02钻孔，井深126.50m，钻遇地层依次为二长花岗岩、斜长黑云变粒岩，静水位埋深12.07m；根据抽水试验数据，抽水稳定降深39.41m时，涌水量186.00m3/d，稳定降深17.36m时，涌水量99.84m3/d，溶解性总固体为261.00mg/L，水质优良。根据野外水文地质调查结果，附近断裂破碎带影响范围之外二长花岗岩风化带单井涌水量普遍小于50 m3/d，远小于HK02钻孔的涌水量，证明脆性断裂型蓄水构造在本区域供水意义明显。

3.2 韧性剪切带型蓄水构造

研究区内发育于太古代岩群中的韧性-韧脆性剪切带较多，包括马牧池穹断区韧性剪切带及汞丹山凸起区韧性剪切带等，沂水县四十里铺镇附近发育有较大规模的韧性剪切带型蓄水构造[21]，北张官庄村YK05孔为一典型的韧性剪切带型蓄水构造钻孔。

3.2.1 地质条件分析

YK05钻孔位于沂水县幅东南，属于汞丹山凸起区韧性剪切带发育区，地表侵入岩、变质岩出露，岩性包括闪长岩、花岗岩、斜长角闪岩等。区内发育多条韧性剪切带，按走向分为NEE向和NNE向两组，NEE向包括常家沟、景家庄、北小尧、大尧、晏家铺、林家官庄、兵房岭、刘家沟等韧性剪切带，NNE向包括大梨行西岭顶、大梨行西南、柏家坪东、地质八队门前、地质八队东北角、王家庄子、后坡村等韧性剪切带(图4)。

1—侵入岩出露范围；2—韧性剪切带及编号；3—大尧韧性剪切带；4—刘家沟韧性剪切带；5—后坡村韧性剪切带；

太古代侵入岩、变质岩为脆性岩石，受韧性剪切作用控制，在出露地表后，受风化和卸荷作用影响，构造裂隙发育。在钻孔附近发育有北小尧、大尧、刘家沟、后坡村等韧性剪切带，受各韧性剪切带影响，附近岩体风化程度与风化深度明显优于非韧性剪切带发育区，节理裂隙发育，且多以张性裂隙为主，比较有利于地下水的富集。

YK05钻孔位于沂水县东南四十里铺镇北张官庄村附近，地貌类型为微切割—强剥蚀丘陵地貌，地势起伏不大，受韧性剪切作用影响，剪切带影响范围内节理裂隙发育，地表第四系厚度一般小于1 m，且为花岗岩等风化产物，渗透性较好，水位埋深不大，一般小于10m，便于大气降水的入渗补给，整体上为大气降水入渗补给地下水提供了良好的入渗条件。

3.2.2 物探解译

为确定韧性剪切带区地下水的赋存情况，在韧性剪切带比较发育的区域布置了多组视电阻率测深工作，根据北张官庄村、石山子村、宅科村等视电阻率测深断面数据，在韧性剪切带影响范围内普遍存在约65m深的视电阻率低阻区(图5)，为含水层反映，推测由于受韧性剪切带构造应力影响，应力影响区构造裂隙发育，65m以浅岩体风化裂隙强烈发育。

图5 北张官庄村、石山子村、宅科村物探视电阻率测深推断图

3.2.3 水文地质钻探及抽水试验

本次调查研究工作在韧性剪切带分布区共施工水文地质勘探孔2眼，分别为沂水县四十里铺镇北张官庄村YK05钻孔以及沂水县许家湖镇水汪村YK02钻孔，井深分别为106.8m和133m，单井涌水量分别为279.12m3/d和135.84m3/d。为进一步验证韧性剪切带型蓄水构造的富水性，在韧性剪切带比较发育的区域布置了7组抽水试验，绝大多数井的涌水量大于100m3/d(表1)；区内非韧性剪切带影响区的太古代变质岩、侵入岩的风化裂隙发育深度一般不超过30m，单井涌水量一般小于100m3/d。通过对比韧性剪切带发育区和非韧性剪切带发育区的裂隙发育深度及单井涌水量情况，发现韧性剪切带发育区无论风化裂隙发育深度还是单井涌水量都较非韧性剪切带发育区要大，证明韧性剪切带型蓄水构造在本区域具有非常明显的供水意义。

表1 韧性剪切带型蓄水构造分布区井孔涌水量一览表

3.3 侵入体接触带型蓄水构造

沂水县崔家峪镇下泉村东南天润农业生态园内HK06钻孔，为一典型侵入体接触带型蓄水构造钻孔。

3.3.1 地质条件分析

HK06钻孔位于韩旺幅的东南部，附近出露太古代片麻岩，可见二长花岗岩岩脉和辉绿岩岩脉，片麻岩片麻理发育，脉岩多呈北西向穿插于片麻岩中，规模大小不一，宽度从几厘米至数米不等，延伸距离一般从几十米到数百米不等，研究区内无明显断裂破碎带或构造裂隙发育。寻找蓄水构造的重点为规模较大的岩脉接触带处，勘探目标为一条宽约2m，延伸长度大于100m的二长花岗岩岩脉与片麻岩接触带(图6、图7)。

1—松散岩类孔隙水分布区；2—碎屑岩类孔隙裂隙水分布区；3—碳酸盐岩类裂隙岩溶水分布区；4—块状岩类裂隙水分布区；5—断裂构造；6—侵入岩岩脉；7—汇水范围及边界；8—地下水流向；

1—第四系；2—片麻岩；3—二长花岗岩；4—地下水流向；5—钻孔编号

钻孔的目标含水层为二长花岗岩与片麻岩接触带的裂隙集中区。由于岩浆侵入过程中的烘烤、挤压、冷凝等作用，使围岩发生不同程度的变质，发育大量微裂隙，并且这些裂隙多与接触带结构面相互连通，为地下水的运移和储存提供了良好的通道和空间，有利于地下水的富集[22]。

钻孔处地势总体上向南西方向倾斜，微地势呈“喇叭口”状，三面高，开口向南西，钻孔位于小型山谷的中部，大气降水从三面汇流，沿山间冲沟向下游排泄，孔位处汇水条件较为理想；另外，由于地表基岩裸露，片麻岩、二长花岗岩风化裂隙发育，有利于大气降水入渗补给地下水，在裂隙结构面集中区域具备形成小型蓄水构造的条件。

3.3.2 物探解译

在HK06号孔附近布设3条视电阻率联合剖面，剖面横跨推测的目标岩脉沿NNE方向布置，测线沿NE20°走向穿过岩脉。根据联合剖面结果，在HK06孔附近视电阻率联合剖面的不同极距条件下均出现低阻“正交点”，进一步确定了侵入岩接触带走向NW，倾向NE；同时，测深断面图显示低阻正交点处出现较明显的低阻“U”型异常(图8)。

图8 天润农业生态园物探视电阻率测深推断图

3.3.3 水文地质钻探及抽水试验

根据物探解译结果，在岩脉的迎水侧施工HK06水文地质勘探孔，井深177.80m，钻遇地层岩性依次为片麻岩、二长花岗岩、斜长角闪岩，静水位埋深10.74m，抽水稳定降深15.65m时，涌水量199.68m3/d，水质优良，满足了附近居民的生活用水需求。抽水试验过程中，当抽水量为313.44 m3/d时，井内水位持续下降有疏干趋势，推测与岩脉发育规模有关，涌水量受汇水区域规模限制。根据水文地质调查结果，附近片麻岩风化带内机民井单井涌水量一般小于50 m3/d，远小于HK06钻孔涌水量。证明具有足够汇水规模的侵入体接触带型蓄水构造也是研究区具有供水意义的一种蓄水构造类型。

4 结论建议

侵入岩地区是沂蒙山区主要的贫水地区之一，解决该区群众生活用水问题具有重要的社会与经济意义，通过总结不同类型侵入岩蓄水构造地下水的赋存特征，可以给侵入岩贫水区群众找水打井起到一定的指导作用。

(1)断裂带型蓄水构造的富水性取决于断层的力学性质、规模、汇水范围以及与其他构造裂隙交接关系等，一般在张性断层的断裂破碎带或压性、压扭性断层的影响带内富水性相对较好，多组导水断层相互交错部位富水性明显优于单一断层，断层整体蓄水能力明显受其规模及其汇水范围大小控制。另外，压性阻水断层的迎水面，在有次生构造裂隙发育的情况下，也有形成相对富水地段的可能。

(2)韧性剪切带型蓄水构造是构造裂隙与风化裂隙的结合，既有卸荷作用产生的构造裂隙，又有风化作用产生的风化裂隙，在分类上可归为风化型蓄水构造。在韧性剪切带影响区内，受卸荷作用影响构造裂隙发育，导致岩体风化影响带加深、风化程度加重，岩石富水性明显强于非韧性剪切带影响的侵入岩区。

(3)侵入体接触带型蓄水构造的富水性受接触带规模、岩性、张开程度、胶结程度及汇水范围等因素控制，一般情况下规模越大、张开程度越好、胶结越差的接触带富水性越强，接触带两侧岩性以脆性岩石为优，汇水范围则决定了接触带蓄水构造实际可开采地下水资源量的大小。

(4)侵入岩缺水地区居民生活用水的开采，具有埋藏浅、易污染、分散开采不利于水质监测等特点，建议在不引起环境地质问题的情况下，尽量选择优势富水地段，采用集中开采方式，以便于地下水污染防治与水质监测。