山东省莒县白垩系地下水富集规律研究

2022-03-29冷旭勇柳耀君王艳婷

地下水 2022年1期

冷旭勇，柳耀君，崔素，刘连，王艳婷

(山东省第一地质矿产勘查院/山东省地矿局富铁矿找矿与资源评价重点实验室，山东济南 250014)

地下水的富集意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]。随着水资源供需矛盾加剧，人们逐渐重视对裂隙水的研究[3]。白垩系地层内含泥质成分较多，造成地下水资源相对贫乏。但在局部水文地质条件有利的地段，仍存在富水块段[4]。

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40 km，主要以断裂构造为边界，西以安丘-莒县断裂为界，北至于里镇北侧走向北西的断裂，东至小仕阳水库，南边界为茅埠—陈家土岭断裂。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。中生界白垩系地层在白芬子—浮来山断裂至昌邑—大店断裂间分布广泛，由老至新依次划分为莱阳群、青山群、大盛群和王氏群(图1)，岩性主要为复成份砾岩、砂岩、角砾岩、凝灰岩、安山岩等。

1.2 构造

研究区位于华北板块东南隅，在昌邑—大店断裂以西，在沂沭断裂带范围内。区域内主要有两条主干断裂：昌邑—大店断裂和安丘—莒县断裂，形成一堑一垒；另外还有白芬子—浮来山断裂、茅埠—陈家土岭断裂、三庄—法庄断裂(图1)。其中安丘—莒县断裂总体走向30°，属压扭性阻水断裂，是莒县地堑盆地演化过程中，盆地边界断裂白芬子—浮来山断裂向内部迁移所致。其两侧地层中砾石成分明显不同，东侧以安山质为主，西侧灰岩和砾岩较发育。

2 水文地质条件

研究区地下水主要有松散岩类孔隙水、碎屑岩类孔隙裂隙水两种类型。松散岩类孔隙水仅在研究区西南部袁公河河流两侧有少量分布，富水性总体一般，对于当地居民生产生活供水意义不大。因此，研究区地下水资源以白垩系碎屑岩类孔隙裂隙水为主。

图1 主要断裂及白垩系分布图

2.1 碎屑岩类孔隙裂隙水

2.2 补给、径流和排泄条件

碎屑岩类孔隙裂隙水主要是大气降水入渗补给,大气降水沿风化、断裂裂隙渗入补给,当断裂沟通了含水层与第四系孔隙含水层或地表水体时，则还可以获得第四系潜水或地表水的补给。研究区地下水以向南径流为主，局部沿地层倾向向西径流。其排泄方式主要是径流排泄及人工开采，在相对富水地段或断裂构造发育地段，地下水径流较快，以径流排泄为主；在构造裂隙不发育地段，富水性较差，地下水径流弱，其排泄则以人工开采为主。

2.3 水位动态特征及变化

碎屑岩类孔隙裂隙水地下水位受季节降水控制明显[5]，年内呈现季节性变化，一般1-4月，降水量较小，水位缓慢下降；5月开始，受降水量增多影响，水位开始持续上升，至8月升至最高，之后受补给强度减弱影响，水位呈缓慢下降态势,见图2。地下水位年变幅3～4 m。年际变化主要受枯水、丰水年以及所处地段富水性影响，西莲池寺-天井汪富水块段的化龙汪村监测孔年均降幅2.98 cm，而块段以外的龙家官庄监测孔年均降幅7.75 cm。

图2 马疃地下水位动态 (井深30m，田家楼组含水层)

3 地下水富集规律

3.1 富水性特征

西莲池寺-天井汪富水块段面积为54.04 km2，是一个西、南、东南均以阻水断裂为隔水边界，北、东以断裂、水库为透水边界的相对独立的水文地质单元。本项目施工的ZXZK3钻孔，孔深158.5 m，水位埋深6.6 m，含水岩组为白垩系大盛群田家楼组，主要岩性为粉细砂岩、泥灰岩、砾岩及泥岩，含水层总厚为62.88 m，降深42.7 m时涌水量571.2 m3/d；本次施工的ZXZK5孔，孔深241.89 m，水位埋深25.9 m，含水岩组为白垩系大盛群马朗沟组，地层岩性主要为复成份砾岩夹砂岩，全孔发育含水层12层，单层厚度1.00～22.30 m，含水层总厚109.69 m，降深22.92 m时涌水量为586.8 m3/d；在该区内本次还实施简易抽水试验5组，涌水量均较大。另外，收集的抗旱打井资料及现场调查井点情况也证明该块段富水性较好(图3、表1)，采用水均衡法计算，该区可开采资源量为929.07×104m3/a(2.55×104m3/d)。地下水开采潜力指数2.56，地下水开采潜力模数10.48×104m3/a·km2，属于开采潜力较大区。

影响地下水富集的主要因素有地形地貌、地层岩性、地质构造、植被状况等,富水块段的形成在岩性、构造和地形地貌组合上具有明显的规律，即具有地下水富集的水文地质因素组合形式[6]。西莲池寺-天井汪地区含水层富水性主要受地形地貌、地层岩性以及地质构造(断裂、褶皱等)控制。

3.2 地形地貌

地形地貌是地层岩性、构造变化及地表水文网演变，特别是新构造运动特征的综合反映。受汇水地貌形态、汇水范围等地貌条件控制，地下水的补给、径流、排泄及富集特征也不同。地下水的分布与富集明显受到微地貌的影响，即使是同一条沟谷，也常表现为谷坡贫水、谷边少水、沟心富水、上源少水、中下段富水等特征[7]。安丘—莒县断裂是莒县地堑盆地演化过程中随盆地扩展，盆地边界断裂白芬子—浮来山断裂向内部迁移所致。该断裂带西北侧是青峰岭，地形总体由西向东变低，而昌邑—大店断裂附近有北大岭、四宝山等，总体地形由东南向西北变低，使西莲池寺-天井汪地区地势中间低两侧高，而地层倾向与地形变化基本一致，汇水条件好，汇水面较大，为地下水的补给提供了保障。

从本次施工的ZXZK3孔分析，该孔靠近安丘—莒县断裂，局部地形断裂两侧较高，钻孔处较低，利于地下水向此处汇集；而本次施工的ZXZK05孔，抽水试验停泵后，水位恢复慢，停泵39 h剩余降深仍达5.05 m，可能是由于其处于丘陵顶部，地势较高所导致。

3.3 地层岩性

岩性是决定地下水形成的物质基础，是白垩系地下水赋存的基础条件，是影响地下水形成与富集的内因,砂岩的含水性较强，而泥岩则具有相对的隔水作用，究其原因，主要与裂隙发育程度有关[8～9]。含水层颗粒粗细及颗粒胶接强弱的不同，使富水性也存在空间上的差异。一般来说，在较大范围内分布相对稳定的砂岩层富水性较强[10]。含水层厚度也往往影响含水层富水性，厚度大，富水性也随之增强[11]。西莲池寺-天井汪地区含水层主要为白垩系大盛群田家楼组、马朗沟组，水平分布范围大，含水岩层厚度200 m以上，其中马朗沟组岩性主要为砾岩夹砂岩，ZXZK5孔含水层总厚109.69 m，占孔深度为45.35%；田家楼组岩性主要为粉细砂岩,其中含有泥质灰岩，有溶蚀现象，ZXZK3孔含水层总厚为62.88 m，占孔深度为39.67%(表2)。因此，该区适宜的地层岩性具有良好的蓄水性，并有利于地下水径流。

表1 西莲池寺-天井汪地区主要井孔一览表

图4 西莲池寺-天井汪地区富水机理示意图

3.4 地质构造

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[12-13]。研究区白垩系地下水普遍贫乏，其富水性受地质构造控制明显，在地质构造相对复杂的地段，富水性好[14]。地质构造控水理论认为，地质构造是控制裂隙发育、地下水埋藏、分布和运移的主导因素，在一定有利的地质构造组合形式下，就会形成有利于地下水形成、运动和蓄存的蓄水构造。在干旱地区寻找地下水，就是要寻找有利的蓄水构造，作为地下水形成、运动和储存的场所，其特征和性质控制着地下水水量的多少[15-18]。

西莲池寺-天井汪地区导水断裂和褶皱构造的共同作用就像高速公路和普通道路的融合互补，为地下水创造了良好的径流条件。区内地下水总体沿安丘-莒县断裂带由北向南径流，区内发育的多组北西向张性断裂，也为地下水的运移提供了良好的通道；同时区内地层倾向变化多，褶皱发育，向斜背斜交替出现，为地下水的局部运移提供了动力基础,使地下水在水力坡度作用下加速径流；研究区西、南及东南的压扭性阻水断裂和局部褶皱构造为地下水的富集提供了良好的条件。断裂、褶皱、地层分布等地质构造的有利组合，形成了有利的蓄水构造，成为钻井取水的富水块段。

比如ZXZK3孔(图4)位于安丘—莒县断裂带东侧，属阻水及层状复合型蓄水构造。地下水总体自北向南径流，同时在土楼子东有一小型背斜构造，地下水沿岩层倾向向西径流，在断裂处被阻挡富集，该井汇水条件好，汇水面较大，涌水量达到571.2 m3/d(降深42.7 m)。ZXZK5孔属于典型的断裂型蓄水构造。该井东为昌邑—大店断裂带，该断裂带倾向西，其西侧又有走向325°左右的茅埠—陈家土岭断裂，此断裂倾向东，为阻水断裂，受断裂影响，此处构造裂隙发育，增加了地下水的储水、导水空间，使此处富水性较好。