張家口市壩下山區(qū)巖溶水的富集規(guī)律研究

郝文霞

(河北省地礦局第三地質(zhì)大隊(duì)，河北張家口075000)

張家口市位于河北省西北部，全市分為北部蒙古高原(俗稱壩上)和南部山區(qū)(俗稱壩下)兩個(gè)自然地理區(qū)，壩下山區(qū)地處華北平原與蒙古高原過渡地帶，面積24 467 km2。由于受地質(zhì)構(gòu)造的作用，形成山間斷陷盆地和構(gòu)造剝蝕山區(qū)相間分布的格局。盆地海拔高度500～1 000 m，山區(qū)海拔高度在1 000～2 882 m。區(qū)內(nèi)多年平均降水量430 mm，多年平均蒸發(fā)量1 400 mm，年內(nèi)降水多集中于6－8月份，且多為暴雨，因山區(qū)地形變化大植被少，常形成地表徑流而流失，地下水垂直補(bǔ)給量約占降水量的10%～20%。區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖裂隙－巖溶水較豐富，其富集規(guī)律受地層厚度、巖性及巖性組合、分布面積、地質(zhì)構(gòu)造及地形條件的嚴(yán)格控制。因此，充分認(rèn)識(shí)區(qū)內(nèi)巖溶水的富集、分布、埋藏特點(diǎn)，對(duì)城鄉(xiāng)居民及工礦供水有極其重要的意義。

1 控水因素分析

1.1 巖層空間分布及巖性組合對(duì)巖溶水富集的控制作用

1.1.1 巖層厚度及分布面積對(duì)巖溶水富集的控制作用

本區(qū)下古生界寒武統(tǒng)(∈)和奧陶統(tǒng)(O)灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r比上元古界長(zhǎng)城系(Ch)和薊縣系(Jx)白云巖燧石條帶白云巖巖溶發(fā)育程度高，富水性強(qiáng)，但從區(qū)域碳酸鹽巖地層的巖溶發(fā)育情況分析(表1)，對(duì)區(qū)域巖溶水富集其控制作用的影響因素是碳酸鹽巖巖層的厚度及分布面積，而巖性處于次要地位。因此，在本區(qū)大面積分布的上元古界白云巖和燧石條帶白云巖地下水排泄區(qū)，巖溶水豐富。當(dāng)下古生界地層有一定的面積分布時(shí)，巖溶水也比較豐富。

1.1.2 巖層巖性組合對(duì)巖溶水富集的控制作用

在碳酸鹽巖地層的巖性變化帶，特別是可溶巖與非可溶巖地層的接觸帶巖溶相對(duì)較發(fā)育，由于非可溶巖的的相對(duì)隔水或阻水作用，為巖溶水的富集提供了蓄水空間。

1)可溶巖和非可溶巖接觸帶巖溶水富集規(guī)律

當(dāng)碳酸鹽巖和巖體接觸時(shí)，因其界面上裂隙發(fā)育，巖溶水徑流帶下游有巖體或非可溶巖層的阻擋，巖溶水水位升高，在迎水的一側(cè)地下水沿接觸帶與可溶巖相互作用，促使了巖溶的發(fā)育?？扇軒r與非可溶巖接觸關(guān)系有不整合型、侵入型、斷層型，其交接部位，非可溶巖相對(duì)于可溶巖來說構(gòu)成相對(duì)隔水邊界，在巖溶水的徑流排泄區(qū)只要地形條件有利，大部分可形成巖溶接觸泉。

2)寒武系(∈)灰?guī)r與碎屑巖互層地帶巖溶水富集規(guī)律

就整個(gè)寒武系和奧陶系含水巖組地層而言，寒武系下統(tǒng)(∈1)的頁巖、泥巖構(gòu)成了區(qū)域隔水底板，由于巖溶多沿可溶巖與非可溶巖地層的接觸面發(fā)育，在寒武系和奧陶系含水巖組地層分布區(qū)域，只要有一定的匯水面積、有利的地質(zhì)構(gòu)造和地形條件，均有巖溶水出露。

1.2 斷裂構(gòu)造破碎帶對(duì)巖溶水富集的控制作用

區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造以斷裂構(gòu)造為主，碳酸鹽巖分布區(qū)地下水的富水性與斷裂構(gòu)造的具體部位密切相關(guān)，在斷裂破碎帶、多組斷裂交會(huì)部位、斷裂兩端對(duì)巖溶水的富集有顯著的控制作用。

表1 主要巖溶發(fā)育統(tǒng)計(jì)表

1.2.1 發(fā)育于可溶巖層中的斷層破碎帶的富水性

可溶巖地層中的張性斷層破碎帶，裂隙發(fā)育，巖溶發(fā)育程度比兩側(cè)一般可溶巖地層發(fā)育高，當(dāng)斷裂破碎帶位于巖溶水的徑流區(qū)時(shí)，起匯水、充水作用，形成巖溶強(qiáng)徑流帶。如:蔚縣－涿鹿－懷來山前大斷裂薊縣系(Jx)白云巖，沙嶺子－外井溝大斷裂官?gòu)d水庫(kù)南岸段長(zhǎng)城系(Ch)燧石條帶白云巖，斷裂破碎帶上地表溶洞多沿?cái)鄬訋畎l(fā)育分布，地下巖溶水強(qiáng)徑流帶埋藏深度大。

在排泄區(qū)形成流量大的巖溶水富集帶。如涿鹿縣保岱西部山區(qū)地層巖性為薊縣系(Jx)白云巖，NW和NE向斷層為巖溶強(qiáng)徑流帶，泉水呈線狀出露分布，沿山前形成地下水溢出帶，泉流量4.6～8.1 L/s;NW向斷層破碎帶將巖溶水匯集由SE向NW方向徑流，遇 NE向斷裂，破碎帶寬度約1.0 km，地下溶洞發(fā)育，使部分巖溶水沿該斷裂巖溶裂隙帶徑流，在山前地帶由于第四系洪積物粘性土的阻擋，使地下水位抬高形成巖溶水淺埋區(qū)。單井出水量大于2 000 m3/d。

1.2.2 在地形有利部位與非可溶巖隔水地層組合作用下的富水性

由于地下水徑流排泄區(qū)巖溶發(fā)育帶與隔水地層的聯(lián)合匯水作用，一般可形成巖溶水富集帶，出露泉水或單井流量較大。如赤城縣上斗營(yíng)村南附近，近SN向和EW向斷裂發(fā)育，長(zhǎng)城系(Ch)燧石條帶白云巖構(gòu)成主要含水層，一種是與中侏羅統(tǒng)(J2)安山巖呈正斷層接觸，巖溶水向斷層破碎帶匯集，在地形有利部位出露成泉，泉流量5.0～7.0 L/s;另一種逆斷層接觸，太古界(Ar)變質(zhì)巖或中侏羅統(tǒng)(J2)安山巖阻擋地下水，是水位抬高在地形低洼處出露，泉流量2.0～3.0 L/s。

每學(xué)年選擇一個(gè)月專門進(jìn)行科技創(chuàng)新活動(dòng)。學(xué)生根據(jù)自己的興趣愛好參加興趣小組，由專業(yè)教師對(duì)其創(chuàng)新項(xiàng)目進(jìn)行相關(guān)專業(yè)知識(shí)的輔導(dǎo)，最終將其創(chuàng)意轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，為此學(xué)校應(yīng)該對(duì)興趣小組配備專業(yè)教師，支撐興趣小組長(zhǎng)足的發(fā)展。通過學(xué)生興趣小組創(chuàng)新產(chǎn)品展示，再通過選拔，決出科技創(chuàng)新優(yōu)勝者，予以表揚(yáng)，為參加省級(jí)及國(guó)家級(jí)科技創(chuàng)新大賽選出競(jìng)賽作品。另外，學(xué)校可圍繞興趣小組的創(chuàng)新研究，專門開設(shè)和開發(fā)校本課程，這樣也為培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新思維奠定基礎(chǔ)。

1.2.3 在地形不利部位可溶巖地層的富水性

在地表分水嶺附近的碳酸鹽巖地層，一般無泉水出露，富水性差，地下巖溶水補(bǔ)給徑流帶埋藏深度大，在斷層破碎帶和多組斷裂交匯部位，附近碳酸鹽巖地層地下巖溶裂隙分布、巖層組合相對(duì)于構(gòu)造破碎帶有一定的匯水面積，就會(huì)使巖溶水富集。如:赤城縣上斗營(yíng)村位于地表分水嶺北側(cè)，井孔位于近SN向和NW向斷裂交會(huì)部位，井深200 m，地下水位埋深75 m，抽水水位降深8 m，單井出水量900 m3/d;懷來縣南部山區(qū)分水嶺部位的外井溝村井孔位于NW向斷裂南端，井深240 m，地下水位埋深170 m，抽水水位降深10 m，單井出水量600 m3/d。

2 巖溶水水平分帶富水規(guī)律

2.1 垂直補(bǔ)給區(qū)

在分水嶺及山區(qū)地帶，大氣降水沿裂隙垂直下滲速度快，水與可溶巖接觸時(shí)間短，巖溶作用微弱，如:懷安東部至深井盆地、蔚縣盆地與陽原盆地之間、龍關(guān)盆地東部山區(qū)，上元古界碳酸鹽巖地層地表未見強(qiáng)烈的巖溶發(fā)育現(xiàn)象，由于地表切割強(qiáng)烈，地形坡度大，地表徑流流失快，地下徑流以垂向入滲為主并很快向下游排泄，地表無泉水出露，巖溶水埋藏深度一般大于200 m，且富水性差。

2.2 水平徑流區(qū)

地下水一方面接受大氣降水的垂直滲入補(bǔ)給，一方面接受上游補(bǔ)給區(qū)的側(cè)向徑流補(bǔ)給，地下水與可溶巖的接觸時(shí)間較長(zhǎng)，巖溶發(fā)育程度也相對(duì)較高，地下水沿巖層走向的層間裂隙以水平運(yùn)移為主，由于地形地貌的影響，巖溶水埋藏深度變化大，一般埋深在30～250 m，富水性較好，單井出水量一般在240～500 m3/d。

2.3 排泄區(qū)

巖溶水循環(huán)交替強(qiáng)烈，巖溶發(fā)育程度較強(qiáng)烈，在地形地貌及地質(zhì)構(gòu)造的有利部位，巖溶水的補(bǔ)給儲(chǔ)存條件好，可形成水位埋藏淺、水量豐富的巖溶水排泄區(qū)，富集性好，可歸納為三種類型:

2.3.1 斷陷盆地邊緣型排泄區(qū)

巖溶水自山區(qū)向盆地徑流過程中，受到山前第四系粘性土的相對(duì)阻擋，使巖溶水水位抬高，巖溶沿山前斷裂帶發(fā)育，地下水富集。如蔚縣北口巖溶大泉流量達(dá)100 L/s。

由于碳酸鹽巖地層分布廣、匯水面積大，巖溶水的徑流途徑長(zhǎng)，形成高水頭承壓自流排泄區(qū)，富水性好，在人工揭露、斷裂構(gòu)造及第四系“天窗”揭露，以泉或井的形式集中排泄。如蔚縣地毯廠水井井深622.8 m，560 m以下為奧陶系(O)灰?guī)r，560 m以上為第四系粘性土，水頭高出地面約25 m，自流量達(dá)2 000 m3/d;蔚縣暖泉鎮(zhèn)泉群由于斷層的阻水和第四系天窗的組合作用上升出露地表，泉流量60 L/s;涿鹿縣礬山鎮(zhèn)黃帝泉泉流量30～50 L/s。

2.3.3 山區(qū)河谷切割型巖溶排泄區(qū)

由于地形的強(qiáng)烈切割作用，在山區(qū)河谷地帶形成線狀或帶狀巖溶水排泄區(qū)，距離河谷越近富水性越好。如赤城縣龍?zhí)度挥诎缀雍庸任鱾?cè)，地形相對(duì)高差500～600 m，泉流量550 L/s。如陽原三義莊鐵礦區(qū)，距桑干河床210 m處的3號(hào)孔孔深237 m，水位埋深48 m，單位涌水量8.3 m3/h·m;距桑干河45 m處的主孔孔深285 m，水位埋深7.3 m，單位涌水量 78.0 m3/h·m。

3 巖溶發(fā)育的垂直分帶及巖溶水的垂向富集規(guī)律

3.1 巖溶發(fā)育的垂直分帶

巖溶在垂向上的發(fā)育程度，受地下水交替作用的影響，而地下水的交替條件受區(qū)域地下水基準(zhǔn)面的控制。

陽原盆地東端山區(qū)的桑干河谷北坡的三義莊鐵礦區(qū)，位于巖溶水徑流排泄區(qū)，附近最高處標(biāo)高1 344 m，河床底部標(biāo)高770 m，比高540 m，地層為長(zhǎng)城系(Ch)燧石條帶白云巖，巖溶發(fā)育規(guī)律在天然條件下，隨著深度的增加，地下水交替作用減弱，巖溶發(fā)育程度逐漸減弱，其巖溶發(fā)育帶由高至低可分為三個(gè)帶:

上部風(fēng)化殼古巖溶較發(fā)育帶:位于礦區(qū)侵蝕基準(zhǔn)面770 m標(biāo)高以上，以順層發(fā)育的溶洞和沿垂直節(jié)理發(fā)育溶洞溶隙為主，礦區(qū)內(nèi)分布普遍，800 m標(biāo)高巖溶發(fā)育率為3.5%;中部強(qiáng)徑流巖溶中等發(fā)育帶:位于礦區(qū)770～450 m標(biāo)高區(qū)間，與桑干河口堆積面標(biāo)高560 m相對(duì)應(yīng)，以溶洞和溶隙為主，標(biāo)高630～670 m巖溶發(fā)育率3.6%;下部弱徑流巖溶弱發(fā)育帶:位于礦區(qū)450～300 m標(biāo)高區(qū)間，以溶隙溶孔為主，巖溶發(fā)育率小于1%。

3.2 巖溶水的垂向富集規(guī)律

由于巖溶水具有速補(bǔ)速排的特點(diǎn)，水力坡度一般較小，如三義莊6.0 km2礦區(qū)范圍內(nèi)巖溶水的水力坡度為0.24%～0.41%，所以在當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面775 m標(biāo)高以上的碳酸鹽巖地層基本上可視為巖溶水的包氣帶，巖溶裂隙發(fā)育，為透水不含水段;在當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面775 m以下至450 m標(biāo)高的地層，一般為巖溶水的強(qiáng)徑流段，尤其在巖溶水的徑流排泄區(qū)，單井涌水量360～1 100 m3/d，為巖溶水富含水段;在450 m標(biāo)高以下(當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面以下320 m深度以下)，巖溶發(fā)育率低，富水性逐漸變?nèi)?，為巖溶水弱徑流弱含水段。

4 隱伏巖溶水的富集規(guī)律

受NW向 F4、F5、F6斷裂的控制，在蔚縣、陽原、涿鹿礬山盆地范圍內(nèi)有溶巖水富集的五個(gè)淺埋區(qū)。如斷裂以北的蔚縣煤田、蔚縣暖泉鎮(zhèn)附近、陽原西城和三馬坊附近、涿鹿縣礬山鎮(zhèn)附近，其地層結(jié)構(gòu)上部為第四系粘性土，下部為碳酸鹽巖地層，碳酸鹽巖地層的埋深在100～250 m，均為巖溶水的富水區(qū)，其富水規(guī)律為隱伏巖溶水的富水性與含水層巖性有關(guān)，而富水地段受隱伏斷層的控制。如蔚縣煤田含水層為中奧陶灰?guī)r厚250 m，巖溶發(fā)育，鉆孔單井涌水量一般在800～2 600 m3/d，而強(qiáng)徑流帶或斷裂附近單井涌水量2 000～5 600 m3/d;而下部寒武系的泥質(zhì)灰?guī)r巖溶不發(fā)育，富水性差，單井涌水量0.62～8.29 m3/d;陽原三馬坊含水層為長(zhǎng)城系燧石條帶白云巖厚度大于300 m，位于NE和NW向兩條斷裂交會(huì)處西北側(cè)，鉆孔單井自流量最高達(dá)9 900 m3/d;涿鹿縣礬山鎮(zhèn)含水層為長(zhǎng)城系－薊縣系燧石條帶白云巖，泉流量35～50 L/s。深埋區(qū)一是F4和F5斷裂之間的蔚縣南部山前傾斜平原，如蔚縣地毯廠供水井深623 m，562 m以下為奧陶系灰?guī)r，上覆第四系粘性土層，成井時(shí)自流量80 m3/h，水頭高出地面31 m;二是宣化東部F2、F6、F10之間的三角區(qū)約640 m以下為薊縣系白云巖，上覆侏羅系煤系地層及第四系地層，宣東煤田2號(hào)豎井突水事故就是下部薊縣系白云巖構(gòu)造部位巖溶水引起的。

5 結(jié)語

區(qū)內(nèi)巖溶水的富水性分布有規(guī)律可尋，其富集規(guī)律:

(1)構(gòu)造、地層結(jié)構(gòu)、巖性控制著巖溶水的富水性。

(2)斷層破碎帶控制著巖溶水的富集地段。

(3)在巖溶水的排泄區(qū)，在當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面以下一定深度內(nèi)，一般富含巖溶水，為良好的成井地段。

(4)元古界碳酸鹽巖地層以其厚度大、分布范圍廣，有完整的補(bǔ)、徑、排巖溶水系統(tǒng)，在巖溶水排泄區(qū)地下水富集，具有一定的供水意義。

(5)斷陷盆地內(nèi)隱伏巖溶水淺埋區(qū)，一般富含巖溶水，以其水量大、水質(zhì)好、水頭高易開采等優(yōu)點(diǎn)，具有重要的供水意義。

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