山东省峄城断块岩溶发育特征及富水规律研究

杨传伟，王琳琳，王新新，石凤凤，高源，王宁

(1.山东省鲁南地质工程勘察院(山东省地质矿产勘查开发局第二地质大队)，山东 济宁 272100；2.安徽理工大学地球与环境学院，安徽 淮南 232001)

0 引言

峄城断块是山东省53个二级岩溶水系统之一，属枣庄单斜一级岩溶水系统，地处鲁中南岩溶山区南部，是典型的断块型构造模式[1-2]。已有学者针对系统内地下水水质、地下水动态、岩溶发育规律等水文地质特征做过考察研究[3-6]，并取得了一定成果，但对整个系统内岩溶水富集规律总结较少。本文在以往研究的基础上，结合已开展的“山东省1∶5万区域水文地质调查(沙沟幅、峄城幅)”项目，该项目工作区范围基本涵盖了整个峄城断块岩溶水系统，通过对收集到的各类岩溶钻探资料统计与分析，进一步查明了区内碳酸盐岩的岩溶发育特征，总结了岩溶水富集规律及构造控水特征，为区内地下水资源合理开发利用与保护提供技术支撑。

1 研究区概况

1.1 气象水文

研究区属暖温带半湿润大陆性季风气候，具有雨热同季、四季分明的特点。根据枣庄市峄城区气象局资料，多年(1980—2019年)平均温度14.5℃，平均降水量805.09mm，平均蒸发量1820mm，最大冻土深度38cm。区内地表水体属于淮河流域运河水系，主要发育峄城大沙河，是韩庄运河的一条最大支流，发育齐村、郭里集和税郭三条支流，分别在苗庄南和西大楼注入峄城大沙河，向南排入韩庄运河，流域面积629.3km2，全长57km[7]，区内长14.21km，流域面积约160km2。

1.2 地形地貌

研究区位于鲁中南中低山丘陵区南部，主要发育丘陵和山间平原两种地貌类型，总体地势西高东低、北高南低，整体往台儿庄方向倾伏。北部断续分布EW向展布的条带状丘陵，基本越穿全区，地形起伏较大，山体标高170～370m；东南部分布山间平原，地形相对平缓，吴林-泥沟-红瓦屋一带地面标高30～50m。

1.3 地质条件

研究区属柴达木-华北地层大区(Ⅰ)、华北地层区(Ⅱ)、鲁西地层分区(Ⅲ)、潍坊-临沂地层和济南-滕州地层小区(Ⅳ)[8]。总体来说，区内地层出露较为齐全，沉积地层以古生代奥陶系和寒武系的碳酸盐岩为主，分布面积占全区总面积的90%左右，厚度大于1000m，并在低山丘陵区裸露；新生界第四系黏土、粉质黏土、砂广泛分布在平原区，但厚度一般小于30m。

本区在大地构造单元上处于华北板块(Ⅰ)鲁西隆起区(Ⅱ)鲁中隆起(Ⅲ)枣庄断隆(Ⅳ)峄城凸起(Ⅴ)的单元内[8]，构造较为复杂，以断裂为主，褶皱次之。断裂构造极其发育，按其发育方向大致可分为NE向、NNE、近EW向、近SN向及NW向5类(图1)。区内褶皱构造均为盖层褶皱，广泛分布于土门群-古生界中，白山褶皱构造、峨山褶皱构造、望仙山褶皱构造为区内主要褶皱构造。

1—第四系；2—白垩系；3—石炭系；4—奥陶系；5—寒武系-奥陶系；6—寒武系；7—南华系；8—新太古代基底岩石；9—地质界线；10—实测及推测断层；11—研究区范围图1 研究区地质构造简图

1.4 水文地质条件

峄城断块岩溶水系统是一个完整的水文地质单元，东北部、北部、西部和南部山区，地表水与地下水分水岭一致，由分水岭组成隔水边界。以峨山断裂、峄城断裂、苏埠-阁庄断裂、红瓦屋断裂作为东部隔水边界，峨山断裂、峄城断裂、苏埠-阁庄断裂以东主要分布新元古代土门群佟家庄组、二青山组页岩、砂岩及新太古代花岗闪长岩，有阻水作用。红瓦屋断裂以东分布巨厚的第三纪官庄组泥岩及砂页岩，具有很好的隔水性。东南部的下部奥陶系和外侧寒武系及震旦纪土门群接触，有阻水作用，但上部第四系含水层和盆地下游连通，形成一段排水边界(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)，山东省岩溶发育区地质环境调查(济宁-枣庄段，续作)报告，2020年。。地下水类型主要为碳酸盐岩类裂隙岩溶水，含水层主要发育在马家沟群、三山子组、张夏组、朱砂洞组灰岩中。马家沟群灰岩、三山子组白云岩富水性最好，主要位于峄城断块中部，地下岩溶发育强烈，加之地形较低，有利于地下水的汇集，一般单井涌水量大于3000m3/d，局部单井涌水量可大于5000m3/d。系统具有相对独立的补给、径流、排泄条件，主要补给来源为大气降水入渗、河水渗漏及少量北部地下水径流，地下水流向大体自西向东，自北向南，以人工开采和向南东径流排泄为主。

2 岩溶发育特征

2.1 地表岩溶特征

地表岩溶主要为溶蚀裂隙、溶沟、溶槽、石芽、干谷、溶洞等，岩溶形态类型及特征详见表1。

表1 地表岩溶形态类型及特征

2.2 地下岩溶特征

地下岩溶形态主要依靠钻孔所揭露地层，主要有溶蚀裂隙、溶孔和溶洞等。溶蚀裂隙广泛分布，宽一般小于20cm，多以脉状、连环状、树枝状展布，在地下水位以上大部分充填有红色黏土或黏土夹砾石，含水层中多具方解石结晶体，溶蚀裂隙是构成溶孔、溶洞的最基本单元(照片1)。溶孔多呈蜂窝状、网格状，在地下水进一步溶蚀作用下形成溶洞，溶洞直径大小不一，一般洞径1～3cm，大者可超过0.5m。溶蚀裂隙、溶孔、溶洞互相连通，构成裂隙溶洞管道系统，成为良好的储水空间。

a—三山子组发育的溶蚀孔洞(ZK9)；b—朱砂洞组发育的蜂窝状溶孔(ZK8)照片1 地下岩溶形态典型照片

通过野外调查、分析以往钻孔岩心及本次钻孔资料(表2)，区内岩溶发育特征如下：

(1)从地层岩性来看，区内可溶性岩石主要有奥陶纪马家沟群灰岩、白云岩、寒武-奥陶纪九龙群三山子组白云岩、寒武纪炒米店组、张夏组、朱砂洞组灰岩和青白口系二青山组灰岩，均是海相碳酸盐岩类岩石，不同时代的碳酸盐岩沉积环境不同，其化学成分和矿物成分均有一定差异，因而岩溶发育具有不一致性。整体上，奥陶纪马家沟群、寒武-奥陶纪九龙群三山子组地层岩性以中层—厚层灰岩、白云岩为主，矿物成分以方解石为主，白云石次之，泥质成分极少，化学成分中CaO约占50%左右，地下岩溶非常发育，常可形成较大规模的岩溶含水层段，局部地段可形成水源地。寒武纪炒米店组、张夏组和朱砂洞组地层岩性以灰岩、泥质条带灰岩、鲕粒灰岩为主，岩溶发育程度比奥陶系灰岩相对较差。土门群二青山组地层则小面积分布于系统东部(峄城断裂以北)和南部(金陵寺断裂以南)。主要含水层位为二青山组灰岩段，因该层位顶部页岩段和底部砂岩段均为隔水层，由于受泥质含量的影响，一般情况下岩溶不甚发育，只有在水动力条件好的地段才有岩溶裂隙、溶孔。当地形、地貌和补给条件有利时，可形成局部的富水区。本次调查发现，位于南杨庄村北1km底阁镇的集中供水井，开采含水层为二青山组灰岩，抽水降深3.8m，单井涌水量大于1000m3/d。

表2 钻孔揭露地下岩溶情况一览表

(2)从地质构造来看，地质构造与岩溶的发育强度及发育方向有着十分密切的关系，可以使岩层发生形变、破裂与位移，从而控制了地下水的运动方向，进而决定了岩溶发育的特征[9-10]。区内溶洞的发育与构造节理有关，节理发育的主方向为NNE和NWW，如青檀寺“藏王宫”溶洞，洞口标高约为160m，溶洞长97m，延伸方向NNE，长轴发育方向与节理方向一致，这也说明，从构造角度而言，本区岩溶发育方向主要沿这两组节理走向。从空间分布来看，区内以NE、NNE向张性或张扭性断裂最为发育，对地层的切割破坏强烈，地下水有的沿着断裂破碎带或裂隙密集带呈带状分布，有的沿着断裂或岩脉呈脉状分布，局部由于受隔水岩层或构造的控制而形成小范围的储水空间。如区内的壕沟断裂、马山套断裂以及肖桥断裂，均主要发育在寒武-奥陶纪石灰岩地层中，由于断裂构造的作用，断裂带及附近两侧岩溶较其他部位发育。

(3)在水平方向上，从区域岩溶地下水流场图可以看出(图2)，在裸露、半裸露—浅埋的补给区和近补给区，岩性多为寒武-奥陶系灰岩、白云岩，浅部地下水作用强烈，岩石易于溶蚀，岩溶较为发育，以溶蚀裂隙及溶孔为主。如ZK3、ZK9号钻孔，均处于山前一带的补给区，第四系厚度在5m左右，井深都大于250m，其中ZK3号钻孔仅在张夏组地层(45.1～46.80m段)中见有溶蚀裂隙；ZK9号钻孔虽在三山子组地层(36.50～40.70m段、55.80～56.20m段)、张夏组地层(233.60～234.22m段)见有溶蚀现象，但浅部岩溶明显好于深部。而在排泄区或近排泄区，由于其垂直、水平交替频繁，特别是受到断裂构造的影响，岩溶发育强烈且深度大，有较大的溶蚀裂隙、蜂窝状溶孔及溶洞。如K4、K8、K10号探采结合孔，受断裂影响，在150～180m范围内，可见较多溶孔、溶洞，岩溶发育较其他深度强烈。总之，从补给区到排泄区，岩溶发育整体由弱到强，由浅到深，补给区岩溶以溶蚀裂隙为主，排泄区则多为溶蚀裂隙加溶孔、溶洞。

1—岩溶水等水位线及水位标高/m；2—地下水流向；3—收集及本次施工钻孔；4—研究区范围图2 区域岩溶地下水流场图

(4)在垂直方向上，裂隙岩溶发育程度随着埋深的增加逐渐变弱，在钻探深度内裂隙岩溶发育的最大深度为285m，区内岩溶发育主要集中在200m以浅，一般在20～180m可见连通性较好的溶隙、蜂窝状溶孔及岩溶发育强烈的溶洞(图3)。如ZK8号孔，第四系覆盖层厚度18.60m，在19.90～23.40m段钻进时冲洗液全漏，见有溶蚀孔洞，未被充填，下至125m左右蜂窝状岩溶较发育，125m以下裂隙仍有发育，但多被方解石脉充填，这说明越向下水动力条件越滞缓。

1—溶洞；2—蜂窝状溶孔；3—溶蚀裂隙；4—土峪组；5—三山子组；6—炒米店组；7—崮山组；8—张夏组；9—馒头组；10—朱砂洞组图3 研究区岩溶发育深度统计图

3 岩溶富水规律

研究区岩溶水的富集与岩溶发育特征是基本一致的，受地形地貌、可溶岩的岩性、地质构造等因素影响，总体呈现出了地貌汇水、岩层含水、构造控水的基本规律[11-14]。

3.1 地貌汇水规律

研究区地下水以渗入型补给型为主，在隐伏岩溶地区多属间接补给，地形地貌控制着地下水的补给和汇水条件，降水补给面积的大小、汇水条件的好坏、地形坡度的陡缓、地形形态及所处地势高低便成为地下水富集的关键因素。

从区域地下水富水性特征来看，地下水富集区地貌以山间谷地、洼地及山前平原区为主。地势较低，汇水面积相对较大，特别是在山间谷地一带，大气降水入渗补给后自高处向低处径流，在低洼处能够最大程度地截取上游地下水径流量，易于地下水蓄积，出露有众多的岩溶泉，流量由每秒几升至几十升。据调查统计，区内发育有14个岩溶泉，如峄城城区的白马泉，位于山间谷地，北、西、南三面环山，形成了近1km2的汇水面积，为泉水提供了充足的水源。地下水主要汇集于张夏组下灰岩岩溶裂隙中，山坡出露灰岩地表溶沟较发育，汇集区灰岩溶孔溶洞为提供了储水空间和运移通道。大气降水沿地表溶沟入渗，沿灰岩溶蚀孔洞径流，受馒头组洪河段砂岩阻挡于地势低洼处出露成下降泉，全年流量50～600m3/d不等，水质优良，已成为附近社区村民的饮用水源之一(图4)。

1—崮山组；2—张夏组上灰岩段；3—张夏组下灰岩段；4—馒头组洪河段；5—馒头组下页岩段；6—灰岩；7—云斑灰岩；8—鲕粒灰岩；9—泥灰岩；10—砂岩；11—页岩；12—泥岩；13—地下水流向；14—下降泉图4 白马泉成因剖面示意图

3.2 岩层含水规律

地层岩性是地下水存在的物质基础，在可溶性地层分布区，岩石的易溶性及所处部位对地下水富集有一定的影响。从区内富水性特征来看，富水地层一般为奥陶纪马家沟群、寒武-奥陶纪三山子组灰岩、白云岩。因脆性岩石受力作用后易产生张开程度好的裂隙，加之岩石化学成分的不均匀性，岩石矿物成分中的CaO含量较高，地下水易于通过并溶蚀成裂隙、溶孔乃至溶洞，形成地下水良好的通道及储水空间，进而形成具有一定供水意义的富水地段[15]。如峄城断块径流区分布多个以开采三山子组白云岩为主的水源地，其中十里泉第三水源地勘探项目在贾庄村北施工K4、K5、K6三眼钻孔，含水地层主要为三山子组白云岩，岩溶集中发育在80～110m，其中K4号孔岩溶发育深度主要集中在90～93m，溶孔孔径2～5cm；K5号孔岩溶发育深度主要集中在79～101m，溶孔孔径0.5～3cm；K6号孔岩溶发育深度78～108m，其中93～108m有溶洞。

3.3 构造控水规律

断裂的力学性质影响岩溶发育情况，亦是控制富水性的主要因素，地下水多富集于张性断裂附近，与此同时，构造的不同部位也是地下水的富集过程中一个重要因素。

3.3.1 断裂与岩脉交叉侵入部位富水性好

在断裂与岩脉交叉侵入地段，其复合部位岩石比较破碎，裂隙发育，造成了较好的储水条件，利于地下水的富集。如峄城区榴园镇大明官庄一带，处于近EW向山间谷地，该处第四系厚度5m左右，两侧出露寒武系朱砂洞、馒头组地层，谷地内发育一条近EW向断裂，峄山超单元闪长岩沿断层北侧侵入。受断裂构造影响，断裂及影响带岩石破碎，裂隙、岩溶较发育，为地下水的储存提供了良好的场所，地下水自西南向东北径流，受到北部侵入岩阻挡于断层附近富集(图5)。

1—第四系；2—馒头组；3—朱砂洞组；4—峄山单元；5—地下水富集区；6—砂质黏土；7—页岩；8—灰岩；9—侵入岩体10—地下水流线图5 大明官庄富水机理示意图

3.3.2 在断裂强烈发育或互相穿插复合的灰岩地段富水性好

由于高级别断裂强烈发育或互相穿插，附近岩石受到严重破坏，裂隙岩溶十分发育，一般而言，在断裂带或靠近断裂带的地方，由于岩石受强烈破坏十分破碎，往往有大量黏土充填，富水性相对差些，在主要断裂的影响带上，富水性为最佳。

峄城断裂是区内规模最大，形成最老的断裂。呈近EW向横跨于系统之中，断裂主要切割前寒武纪结晶基底及古生代盖层，断裂面倾向S，倾角65°左右，为正断层[16]。两盘地层岩性差异较大，南盘以奥陶系、寒武系灰岩为主，在中部八里屯一带有石炭系分布；北盘以土门群、寒武纪长清群、九龙群灰岩、砂岩为主。受后期构造运动的影响，该断裂被泥沟断裂、肖桥断裂等断裂切割，局部地段两侧地下水连通而形成透水段。

3.3.3 开阔平缓的褶曲轴部富水性好

在可溶岩大面积出露区，宽缓的背斜及向斜轴部，常为岩溶水富集的有利部位，经常形成“X”型裂隙及纵向裂隙，有利于地下水活动，加速局部岩石岩溶化，形成沿轴向发育的主径流带。背斜往往是浅部较深部富水，向斜常常深部较浅部富水。如勘探孔K20，处于背斜构造轴部，揭露地层为炒米店组灰岩，在49.8～67.5m段岩溶发育，单井涌水量可达603m3/d；而勘探孔K24，处于背斜构造轴部南侧，揭露地层为炒米店组、崮山组，仅在50.2～52.2m段有溶蚀裂隙，岩溶不甚发育，单井涌水量313m3/d，相对于轴部地带富水性较差。

3.3.4 断裂密集带富水性好

区内断裂构造发育，尤其在峄城断块中部一带，分布有多条NE向、NNE向张性或张扭性断裂。一般情况下，若存在两条平行的张性断裂，则在与两条断裂皆有联系的影响带内富水性较好；若存在由多条正断层组成的地堑，则也是有利于蓄水的富水构造；或者是两组扭性断裂组成的棋盘格式构造亦是强富水构造[17]。

如十里泉电厂第三水源地，区内断裂构造发育，北部发育峄城断裂，断裂以北为长清群馒头组页岩，地势较高，相对不富水；东南部以金陵寺断裂为界，以东为馒头组地层，相对阻水；中部发育NE向壕沟断裂和近SN向肖桥断裂，均属张性、张扭性断裂(图6)，发育地层以奥陶纪马家沟群及三山子组为主，岩性为灰岩、白云岩等，受断裂构造影响，岩心比较破碎、裂隙岩溶发育，主要岩溶形态有溶隙、溶孔、溶洞及层间溶隙，发育深度多在250m以内。

据水源地勘探施工的K6、K4、K7号钻孔资料显示，揭露地层均为马家沟群及三山子组灰岩、白云岩等，前者在埋深93～108m段，三山子组白云岩中发育两处直径分别在0.5～10cm的溶洞，后两者单井涌水量分别为9587m3/d、6517m3/d(2)山东省地矿工程勘察院，山东省枣庄市峄城水源地(山东十里泉发电厂第三水源地)勘探报告，1997年。。另外，本次在壕沟村供水井开展了抽水试验，单井涌水量为7791m3/d。而远离断裂密集带的K14、K16、K29、K30钻孔，揭露地层也均为马家沟群及三山子组灰岩、白云岩，但单井涌水量均小于1000m3/d，说明在断裂密集带附近整体富水性较好。

4 结论

(1) 峄城断块岩溶水系统地处暖温带丘陵区，降雨较为丰富，地表水、地下水循环交替强烈，加之可溶性岩石广布，地质构造复杂，为本区岩溶发育、岩溶水的富集提供了良好的条件。区内地表岩溶主要以溶蚀裂隙、溶沟、溶槽、石芽、干谷、溶洞等为其特征；地下岩溶形态主要有溶蚀裂隙、溶孔、溶洞等，发育主要特征：水平方向上，从补给区到排泄区，岩溶发育由弱到强，由浅到深；垂直方向上，区内裂隙岩溶发育程度随着埋深的增加逐渐变弱，岩溶发育主要集中在20～180m。

(2) 区内地下水富集区地貌以山间谷地、洼地及山前平原区为主，富水地层主要为奥陶纪马家沟群、寒武-奥陶纪三山子组灰岩、白云岩，复杂的地质构造加强了岩溶水的富集，在断裂与岩脉交叉侵入部位、断裂强烈发育或互相穿插复合部位、开阔平缓的褶曲轴部以及断裂密集带等地段均是系统内岩溶水的富集区。