广西盘龙铅锌矿区F2断层透水性及控水作用分析

覃佳肖，黄泽霖，蒋亚萍* ，陈余道，夏 源，3，郑 杲，闫嘉宁

(1.桂林理工大学岩溶地区水污染控制与用水安全保障协同创新中心，广西 桂林 541004；2.广西壮族自治区水文地质工程地质队，广西 柳州 545006；3.自然资源部南方石山地区矿山地质环境修复工程技术创新中心，广西 南宁 530031)

断层的发育能够影响地下水系统岩层的非均质性和各向异性，影响断层两侧的水力联系，或连通或阻隔，从而一定程度影响着地下水系统的补径排特征[1-4]。在岩溶矿区，断层及其附近裂隙、管道可形成地下水良好的径流通道[5-6]。据突水资料显示，我国矿山80%以上的突水与断层有关[7-8]。因此，分析并查明断层透水性对矿区水害防控和安全生产尤为重要。

盘龙铅锌矿是位于广西大瑶山西侧的大型沉积岩型铅锌矿床，属于桂中凹陷带与大瑶山隆起的结合部位(见图1)，经历了多期构造地质作用[9-10]。该矿区规模化开采始于本世纪初，有崩山矿段和大岭矿段之分，它们分属于不同的水文地质单元，并以一个南北向平移断层(F2)相接。其中，矿区崩山矿段在2006年闭坑停采;而矿区大岭矿段在2009年开始开采，现状开采中段为-70 ～-380 m标高段，根据矿山规划，将向深部开采。由于F2断层延伸距离长，穿越了多组岩层，连接多个水文地质单元，F2断层带水文地质性质复杂，透水性能不明确。因此，深入了解F2断层的透水性及控水作用对广西盘龙铅锌矿区大岭矿段的水害防控至关重要。

图1 广西盘龙铅锌矿地质-水文地质简图

本文通过整理广西盘龙铅锌矿区地下水水位监测数据、抽水试验、声纳渗流测井试验以及可控源音频大地电磁法(Controlled Source Audio-frequency Magnetotellurics，CSAMT)等勘查成果，拟针对盘龙铅锌矿区西部边界F2断层的透水性及控水作用进行分析，以为矿区深部开采所面临的水害防控提供科学依据。

1 研究区地质概况

在区域上，广西盘龙铅锌矿位于华南板块南华活动带大瑶山隆起与桂中凹陷的复合部位，出露地层有寒武系、泥盆系、石炭系和第四系[11]，如图1所示。其中，第四系(Q4)主要分布于黔江两岸的岩溶残丘谷地，由黏土组成，弱透水；石炭系出露于矿区外的西部和西北部，富水性强，其下统为岩关组(C1y)灰岩夹白云岩，中统为大埔组(C2d)白云岩；泥盆系为矿区出露最广泛的地层，其上统为融县组(D3r)灰岩夹白云岩，富水性中等，中统为巴漆组(D2b)硅质岩、灰岩和东岗岭组(D2d)白云岩、灰岩，富水性由弱至中等，下统岩层由新到老依次为大乐组(D1d)泥灰岩、官桥组(D1g)白云岩、二塘组(D1e)泥灰岩夹泥岩、上伦组下段(D1sl1)白云岩、上伦组下段(D1sl1)泥灰岩与灰岩互层、郁江组(D1y)页岩及泥岩夹泥灰岩、那高岭组(D1n)细砂岩夹泥岩、莲花山组(D1l)粉砂岩夹细砂岩及页岩，泥盆系下统地层除了D1g富水性中等和D1sl2富水性强以外，均为富水性弱；寒武系黄洞口组下段(∈h1)泥岩、砂岩出露于矿区南部，富水性弱。

区内构造活动频繁，经历了从加里东旋回至喜马拉雅旋回的各个构造旋回，形成了以寒武系基底构造和近东西及北东轴向的紧密线状复式褶皱，其上沉积盖层总体为大致西倾的单斜构造[12-13]，倾向为310°～340°，倾角为70°～85°，且倾角从浅部至深部逐渐减小，区内主要构造多为平移-逆断层。

广西盘龙铅锌矿区内断层有F1、F2、F3和F4，次一级小断层有F6、F7、F8。其中，F1断层位于矿区北西部连安谷地，呈北东走向，倾向为NW；F2断层为矿区西部边界的平移断层，呈北东向延伸，似缓“S”形状，倾向为NW，宽约20～25 m，倾角约为75°～80°，在区内切割泥盆系上伦组、官桥组、大乐组、二塘组、融县组等一系列地层，断层破碎带主要由断层角砾岩及泥质、钙质胶结物组成，形成了透水性很差的构造透镜体，且断层破碎带裂隙发育，但基本上被方解石细脉充填，使得断层破碎带孔隙减少、透水条件变差[14]；F3断层为矿区南部边界的逆断层，在区内长度约为51 km，倾向为SE，倾角为57°～67°；F4断层为矿区北部边界的逆断层，在区内长度约为2.5 km，倾向为NW，倾角为70°。F1、F3、F4等断层靠近盘龙铅锌矿区边缘，距矿区中部采区较远，根据以往矿区勘探分析可知，其对研究区的影响较小；F6、F7、F8断层均为平移断层，是F3断层北侧伴生的次一级小断层，对整个研究区作用微弱。总体上，F2平移断层作为矿区大岭矿段西部边界，其透水性能可能为盘龙铅锌矿区涌水提供了通道条件。

在广西盘龙铅锌矿区，主要分布的地层有泥盆系和第四系，从上到下主要发育新生界松散孔隙含水层、下泥盆统上伦组碳酸盐岩岩溶含水层。矿体顺层产出于下泥盆统上伦组白云岩中，一般呈带状或透镜体状，矿层顶、底板白云岩富水性强，是矿坑直接的充水含水层。盘龙铅锌矿区大岭矿段水文地质边界呈近似梯形，北部由矿区下泥盆统二塘组(D1e)泥灰岩夹钙质泥岩、页岩互层构成相对隔水边界；南部由下泥盆统上伦组下段(D1sl1)、郁江组(D1y)、那高岭组(D1n)、莲花山组(D1l)的泥灰岩、砂岩、浅变质砂岩、泥页岩等构成隔水边界；东侧以黔江河为补给边界；西侧边界为F2断层[15]。

2 研究方法与技术

2.1 抽水试验

矿区内F2断层带在地表出露不明显，很难根据地面数据来确定其水力特性的空间分布，通常采用抽水或注水试验来获得F2断层带的渗透系数[16-17]。本次抽水试验共设计了3个抽水孔(SK4、SK5、DK5)，分别位于F2断层带、F2断层西盘和东盘，孔深分别为186.00 m、350.16 m、50.25 m，采用单孔稳定流抽水试验，按照稳定流Dupuit公式，计算F2断层带的渗透系数K[18]。

2.2 声纳渗流测井试验

采用南京帝坝工程科技有限公司三维流速矢量测量仪对SK3、SK4、SK5孔进行现场数字化声纳渗流测井试验。具体试验方法是将声纳探头放入测孔中，从地下水水位开始向下测量，每进尺1 m测量1次，每个测点的测量时间为1 min，直到探头测至孔底[19-20]。

2.3 可控源音频大地电磁(CSAMT)法

可控源音频大地电磁(CSAMT)法可以根据视电阻率的空间变化来有效反映断层的空间分布特征，定性判断断层带的相对富水性[21-22]。

针对F2断层共设计了3条CSAMT测线(WT8、WT9、WT10)，测线WT8、WT9、WT10的长度分别为2 160 m、1 440 m、1 440 m，点距为40 m。探测频率为1～10 000 Hz，供电电流为18 A，排列观测时间为32 min。CSAMT法数据的处理包括野外数据预处理(干扰校正、近场校正、静态校正)和资料后期处理(多次的反演拟合)两个部分[23]。

3 矿区F2断层透水性分析

3.1 矿区疏干和岩溶地面塌陷分析

天然条件下，广西盘龙铅锌矿区岩溶水在西部碳酸盐岩裸露区接受降雨补给后，主要沿地形及岩溶含水层倾向向东径流排泄到黔江。据广西盘龙铅锌矿山开采前探矿孔地下水水位观测资料(见表1)，矿区崩山矿段地下水水位标高约为60 m，大岭矿段中部地下水水位标高约为50 m，矿区东部黔江水位标高为33 m。

表1 广西盘龙铅锌矿山开采前地下水水位观测资料

2006年前，矿区崩山矿段开采期间地下水疏干，引起F2断层西盘发生串珠状岩溶地面塌陷，岩溶地面塌陷密度达44个/km2，而F2断层东盘岩溶地面塌陷密度为2～4个/km2，这个结果不仅与F2断层东西两盘岩溶发育程度差异有关(西盘为岩溶强烈发育区，钻孔遇洞隙率为60%；东盘为岩溶中等发育区，钻孔遇洞隙率为32.30%)，而且可能与F2断层的弱透水性能有关。

2006年矿区崩山矿段闭坑，F2断层西盘地下水水位逐步恢复至60 m高程。2009年后，矿区大岭矿段开采引起区域地下水水位大幅度下降，地下水流场发生了明显改变(见图2)，F2断层西盘地下水水位由约60 m左右降至约50 m，原有的S009、S010井泉(原流量为1～2 L/s)出现断流情况，但未发现岩溶地面塌陷加剧或诱发新的岩溶地面塌陷；F2断层东盘多处出现岩溶地面塌陷，疏干区中心地下水水位下降至-110 m。此外，在F2断层上出现了地下水“低凹带”，表现为地下水等水位线出现“陡坎”，说明F2断层破碎带对地下水流场具有控制性作用，该断层破碎带发育导致岩体渗透性具有明显的各向异性，使得地下水在F2断层两侧形成“低凹带”[24]。由此可以推测，在矿区大岭矿段疏干条件下，F2断层东、西两盘存在水力联系，F2断层透水，但透水性较弱。

图2 广西盘龙铅锌矿区地下水流场及岩溶发育分区图

3.2 地下水水位监测数据分析

为了探究矿区F2断层的透水性，在F2断层沿线布设了3个地下水水位监测孔G31(F2断层东盘)、G32(F2断层带)和G33(F2断层西盘)，如图1所示。根据广西盘龙铅锌矿区2020—2021年一个水文年的地下水水位动态观测(见图3)，F2断层两盘地下水水位相差较大，由F2断层西盘(G33孔)向东盘(G31孔)，地下水水位呈下降状态，且3个监测孔地下水水位涨落趋势相似：4～5月份是矿区地下水水位最低时期，6～7月份地下水水位逐渐回升，至7月份地下水水位达到最高值，随后恢复至低水位，矿区地下水水位年变幅为10～20 m。

图3 广西盘龙铅锌矿区G31、G32、G33监测孔地下水水位与排水量的关系曲线

当降雨发生时(6～7月)，在F2断层沿线布设的3个监测孔的地下水水位均会迅速上升，矿区排水量随着地下水水位的升高而增大、随着地下水水位的下降而下降。其中，F2断层西盘的G33监测孔地下水水位在常态下均高于F2断层东盘的G31监测孔地下水水位，高差达23～33 m，水力梯度为0.100 4，与矿区大岭矿段水力梯度0.007 1相比，前者是后者的14.14倍，这说明在F2断层东盘大岭矿段疏干条件下，F2断层的东、西两盘存在水力联系，两盘的水力坡度呈跌坎，也表明中间的F2断层带可能具有相对阻水(即弱透水)的特征[25]。

3.3 抽水试验分析

根据矿区F2断层上3个钻孔SK4、SK5和DK5(位置见图1)的抽水试验结果(见表2)显示：F2断层西盘下泥盆统上伦组上段(D1sl2)钻孔SK5的单位涌水量平均值为0.632 L/(s·m)，F2断层东盘下泥盆统上伦组上段(D1sl2)钻孔DK5的单位涌水量为0.184 L/(s·m)，F2断层东、西两盘含水岩组属于中等富水；而F2断层带下泥盆统上伦组上段(D1sl2)钻孔SK4的单位涌水量为0.040 L/(s·m)，其富水性弱，其与下泥盆统下段(D2d)进行混合段抽水，单位涌水量增加了0.220 L/(s·m)。

表2 广西盘龙铅锌矿区F2断层两盘及断层带抽水试验资料

上述抽水试验结果表明，矿区F2断层东、西两盘为中等富水，而F2断层带上部富水性弱、下部富水性增强。

3.4 声纳渗流测井试验分析

通过对矿区F2断层钻孔SK5(西盘)、SK4(断层带)、SK3(东盘)进行声纳渗流测井试验(钻孔位置见图1)，并利用测得的钻孔地下水渗透流速、流向，判断F2断层的透水性质。矿区F2断层声纳渗流测井试验结果，见图4和表3。

表3 广西盘龙铅锌矿区F2断层声纳渗流测井试验结果

图4 广西盘龙铅锌矿区F2断层钻孔地下水渗透流速沿高程的分布图

由图4可以看出：①位于F2断层西盘的深孔SK5，在浅层17 m地下水水位标高段处出现了0.393 m/d的地下水渗透流速，其渗流方向为NE25°，而在-88 m和-96 m地下水水位标高段分别出现了0.842 m/d和0.586 m/d的地下水渗透流速，其渗流方向分别为NE11°、NE4°;②位于F2断层带的深孔SK4，地下水渗透流速在-3 m地下水水位标高段出现小的升高，其渗流方向为NE25°，在-50 m地下水水位标高段附近呈现带状地下水渗透流速增大的特点，其渗流方向指向ES，在-78 m地下水水位标高段地下水渗透流速出现瞬时异常，达0.560 m/d，渗流方向为SE20°,而在-90 m地下水水位标高段以下地下水渗透流速出现连续上升的态势;③位于F2断层东盘的SK3为浅层孔，平均地下水渗透流速为0.074 m/d，其渗流方向为NE65°～80°。

上述试验结果表明，矿区浅层与深层地下水流向不一致，其中浅层地下水流向主要为NE向，与F2断层走向、大岭矿段开采前的天然地下水流向相近；深层地下水流向主要为SE方向，F2断层西盘地下水受矿坑疏干的影响可能会透过F2断层流向疏干区。

3.5 可控源音频大地电磁(CSAMT)分析

本次研究在矿区共布置了WT8、WT9和WT10三条CSAMT测线(见图1)，以深入认识F2断层的空间分布特征。矿区F2断层CSAMT分析结果，见图5。

由图5可以看出：

(1) 在WT8线断面[见图5(a)]，反演断面视电阻率等值线呈现F2断层东西两盘低阻、错落和中间高阻的特征。F2断层东、西盘的低阻带(视电阻率小于790 Ω·m)高程分别约为-300～-400 m和-100～-200 m，推断为岩溶发育引起的溶蚀裂隙、溶洞；在中间F2断层带上，显示中-低阻异常带(视电阻率为790～1 600 Ω·m)，表明岩溶发育强度较弱，透水性较弱。

(2) 与WT8测线比较，WT9测线和WT10测线的CSAMT法反演断面视电阻率等值线同样呈现F2断层东西盘低阻、中间高阻的特征，但视电阻率测量值较高[见图5(b)、(c)]。WT9测线在F2断层两侧呈现中-低阻异常带(视电阻率为790～1 600 Ω·m)，但F2断层东、西盘视电阻率小于790 Ω·m的范围缩小；对于WT10测线，中间F2断层带呈现明显的高阻带，视电阻率达3 200 Ω·m，岩溶发育程度低，阻隔了F2断层东、西两盘的水力联系。此外，抽水试验结果亦表明F2断层带富水性弱，这与WT10测线的CSAMT分析结果相吻合。

图5 广西盘龙铅锌矿区F2断层WT8～WT10测线视电阻率等值线CSAM法反演剖面图与推测地质剖面图

综合3条物探剖面测线，可以说明矿区F2断层透水性存在南北差异，北段弱透水、南段相对隔水，且南、北两段的分界约在WT9测线附近。

4 矿区F2断层控水作用分析

F2断层的走向及其弱透水作用将广西盘龙铅锌矿区西部的上伦组含水层分割成F2断层东、西盘相对独立的崩山矿段地下水子系统和大岭矿段地下水子系统，具有各自的水文地质边界。其中，F2断层西盘的崩山矿段地下水子系统，其北西部为泥盆系下统二塘组(D1e)泥灰岩夹钙质泥岩、页岩互层构成的相对隔水边界，南部由泥盆系下统上伦组下段(D1sl1)泥质灰岩及区域F3断层构成的相对隔水边界，东部为F2断层弱透水边界，且在天然条件下，矿区崩山矿段地下水子系统中的地下水沿溶洞裂隙径流，穿过F2断层浅部岩体向东和北东方向运移，最终排泄于黔江，部分以泉形式在低洼地段排泄于地表；F2断层东盘的大岭矿段地下水子系统，在自然条件下，大岭矿段地下水子系统中的地下水由西、北西向东径流排泄于黔江，水力坡度较缓，约为1%，且在大岭矿段疏干排水情形下，地下水流场明显受边界条件的控制(见图2)，其南部上伦组下段(D1sl1)泥灰岩和北部二塘组(D1e)均构成相对隔水边界，东部黔江构成水头边界，而西部F2断层的弱透水作用使F2断层西盘地下水向东运移受到不同程度的阻隔，造成崩山矿段地下水子系统中地下水对大岭矿床形成补给。经初步估测，在矿坑水位降深370 m时，大岭矿坑涌水量为761 m3/h，此时崩山矿段地下水补给大岭矿坑的断面长度为4.8 km，补给量为171.36 m3/h，约占矿坑涌水量的比例为22.52%。

但在该矿区东侧的黔江上存在大藤峡水利枢纽，水利枢纽在2019年工程蓄水，设计蓄水标高为61.5 m[26]，而在大藤峡水利枢纽蓄水条件下，势必会改变矿区原有的水文地质条件，此时矿区大岭矿段东侧和崩山矿段沿六沙沟的低洼地带沟谷将被淹没[14]，地表水从六沙沟一带直接灌入补给地下水使其连成一体，尤其在61.50 m高水位与大岭矿段持续疏干的状态下，F2断层西盘的地下水水位将会升高，水压力增加，并可能增加裂隙岩体的渗透性[27]。在此种情况下，F2断层对矿区大岭矿段的安全开采将会产生一定的影响，有待进一步研究。

5 结 语

(1) 在广西盘龙铅锌矿区大岭矿段疏干开采情形下，对F2断层进行了地下水水位动态监测、抽水试验、声纳渗流测井试验和CSAMT法探测等系列调查与分析，结果表明：F2断层北段(WT9测线以北)透水性弱，构成弱透水边界，F2断层南段(WT9测线以南)透水性极差，构成了相对隔水边界，总体上F2断层显示出弱透水。

(2) F2断层是盘龙铅锌矿区最主要的控水断层，分割了矿区地下水系统，并形成大岭矿段地下水子系统的西部边界；其南段相对隔水导致盘古村一带的地下水向北东径流至WT9测线附近再转向南东向穿越F2断层，成为大岭矿段疏干区的涌水水源。

(3) 在F2断层的弱透水作用下，F2断层西盘的崩山矿段地下水子系统向大岭矿段的充水量约为矿坑排水量的22.5%，但在大藤峡水利枢纽蓄水条件下，F2断层对大岭矿段的影响有待进一步研究。

(4) 将地下水水位监测、抽水试验和声纳渗流测井试验以及物探CSAMT方法联合应用于矿区断层透水性调查，将有助于岩溶矿山的水害防控。