河南省主要煤礦區(qū)巖溶地下水系統(tǒng)劃分

譚菊萍，楊松林

(1.河南省地質(zhì)調(diào)查院，河南 鄭州 450001;2.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第一地質(zhì)環(huán)境調(diào)查院，河南 鄭州450045)

河南省煤礦處于華北石炭、二疊紀煤田，均屬巖溶水文地質(zhì)型煤田，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，在煤田開采中受到底板巖溶水的嚴重危害，僅北方受底板巖溶水威脅的煤炭資源就約200×108t[1]。巖溶水是北方30多個地市級以上城市和100多個縣級城市飲用水、數(shù)十個大中型火電廠冷卻用水、70%以上大型煤礦生活、生產(chǎn)用水和上千萬畝農(nóng)田灌溉用水水源[2]。運用系統(tǒng)論的原理與方法研究地下水問題，是當代水文地質(zhì)學(xué)的一個重要發(fā)展趨勢[3]，地下水的賦存、運動和演化具有系統(tǒng)性[4]，合理的巖溶地下水系統(tǒng)劃分是巖溶地下水資源評價、開發(fā)利用與保護的基礎(chǔ)，對有效提高巖溶水開發(fā)利用和煤礦水害防治具有重要的現(xiàn)實意義。

本文基于煤田防治水及巖溶水水資源綜合利用的指導(dǎo)思想，綜合考慮地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌、地層結(jié)構(gòu)與埋藏特征及補徑排條件等因素，試圖對河南省巖溶地下水系統(tǒng)進行初步劃分，并總結(jié)不同系統(tǒng)類型的主要特點，以期為該省巖溶地下水的合理開發(fā)利用和保護，特別是煤礦的水害防治提供依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

1.1 地層概況

河南省主要煤礦區(qū)屬華北地層區(qū)[5]，所屬范圍為欒川—確山—固始深斷裂以北的廣大地區(qū)(圖1)。地層發(fā)育比較齊全，從太古界至新生界，僅缺失奧陶系上統(tǒng)、志留系、泥盆系和石炭系下統(tǒng)。巖溶地下含水層為寒武—奧陶紀大厚度的碳酸鹽巖，地層厚度630～830 m，其中，中統(tǒng)張夏組主要為厚層、巨厚層狀鮞狀灰?guī)r，巖溶裂隙發(fā)育，常見有大型溶洞，上統(tǒng)以白云巖為主，溶孔、溶蝕裂隙較發(fā)育;奧陶系主要為一套淺海相碳酸鹽巖沉積，下統(tǒng)巖性以中、厚層白云巖為主，厚度60～150 m，溶孔、溶蝕裂隙較發(fā)育，中統(tǒng)巖性以中厚層、厚層灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r和薄層、中厚層泥灰?guī)r、灰質(zhì)白云巖為主，厚度一般50～380 m，由北向南變薄，三門峽—禹州市一線以南缺失，中統(tǒng)灰?guī)r是溶洞、巖溶裂隙的主要發(fā)育層位;中、上石炭統(tǒng)為海陸交替相鐵鋁質(zhì)巖、碳酸鹽巖及含煤碎屑巖組合。

1.2 構(gòu)造分區(qū)

河南省主要煤礦區(qū)處于華北陸塊南緣，根據(jù)主要構(gòu)造形態(tài)與特征，可分為三個構(gòu)造區(qū)，即太行構(gòu)造區(qū)、嵩箕構(gòu)造區(qū)、崤熊構(gòu)造區(qū)(見圖1)，各構(gòu)造區(qū)特征見表1。

Ⅰ太行構(gòu)造區(qū):Ⅰ1狂口斷隆;Ⅰ2太行斷隆;Ⅰ3湯陰斷陷;Ⅰ4內(nèi)黃隆起;Ⅰ5東濮斷陷;Ⅰ6菏澤斷陷。

Ⅱ嵩箕構(gòu)造區(qū):Ⅱ1開封坳陷;Ⅱ2洛陽凹陷;Ⅱ3嵩箕斷隆;Ⅱ4太康隆起;Ⅱ5顏集斷陷;Ⅱ6永城斷隆;Ⅱ7周口坳陷。

Ⅲ崤熊構(gòu)造區(qū):Ⅲ1崤熊斷隆;Ⅲ2平頂山斷陷;Ⅲ3舞陽斷陷;Ⅲ4平輿隆起;Ⅲ5汝南斷陷。

表1 構(gòu)造分區(qū)特征表

圖1 構(gòu)造分區(qū)圖

2 巖溶地下水系統(tǒng)劃分

2.1 劃分依據(jù)

(1)地下水系統(tǒng)必須具有獨立而相對完整的補給、徑流、排泄條件，且系統(tǒng)邊界條件清楚，內(nèi)部水力聯(lián)系密切。

(2)巖溶含水層系統(tǒng)的埋藏、分布主要受區(qū)域性地質(zhì)構(gòu)造的控制，地下水運移主要受地形地貌、含水層結(jié)構(gòu)及其系統(tǒng)之間的接觸關(guān)系、人為開采等因素的控制，且水化學(xué)組份、同位素含量可判斷巖溶水的補給、循環(huán)交替及排泄條件[6]。所以，在地下水系統(tǒng)的劃分時，重點依據(jù)地下分水嶺、區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造線展布與含水層的埋藏條件、地下水補徑排特征、水化學(xué)特征等因素進行劃分。

(3)巖溶地下水系統(tǒng)的范圍主要依據(jù)巖溶地下水循環(huán)所控制的范圍圈定。

2.2 系統(tǒng)劃分結(jié)果

區(qū)內(nèi)巖溶地下水系統(tǒng)邊界條件主要有4種類型:斷層隔水邊界、地層隔水邊界、地下分水嶺邊界和深埋弱透水邊界。斷層隔水邊界多由高角度正斷層組成;地層隔水邊界主要為透水性差的前寒武紀變質(zhì)巖和碎屑巖或侵入巖;地下分水嶺邊界多與地表分水嶺位置一致，有的則分布于徑流排泄區(qū)相鄰巖溶水系統(tǒng)之間;深埋弱透水邊界為巖溶地下水積極循環(huán)帶下限，梁永平等[7]對鄂爾多斯盆地周邊巖溶地下水研究認為，現(xiàn)代巖溶地下水主要在碳酸鹽巖埋深1 000 m以上進行循環(huán)，深部處于滯流狀態(tài)?？紤]到河南省部分煤田開采深度達1 000 m以下，故以1 500 m埋深界線劃定巖溶地下水系統(tǒng)深埋弱透水邊界。研究區(qū)各巖溶水系統(tǒng)邊界組成特征見表2，按照上述劃分方法，將河南省巖溶充水礦區(qū)巖溶地下水劃分為22個系統(tǒng)(見圖2)。

圖2 巖溶地下水系統(tǒng)劃分與邊界條件圖

3 巖溶地下水系統(tǒng)特征

3.1 補給特征

研究區(qū)各巖溶水系統(tǒng)均有碳酸鹽巖出露，而且除宜陽、幸福泉、平頂山、確山、芒碭山和?？h—濮陽6個巖溶水系統(tǒng)外，其余的巖溶水系統(tǒng)其碳酸鹽巖出露面積和系統(tǒng)面積比均在20%以上，特別是沁河、廟口、漳河、九里山、小南海泉和克井盆地巖溶水系統(tǒng)，其出露的碳酸鹽巖面積占系統(tǒng)面積都在50%以上。在碳酸鹽巖裸露區(qū)，表現(xiàn)為大氣降水面狀入滲和沿溝谷線狀滲漏，尤其是在斷裂構(gòu)造發(fā)育地段，補給強度大，高強度大氣降水時巖溶水位快速升高(見圖3)。

表2 巖溶地下水系統(tǒng)邊界條件一覽表

澠池巖溶水系統(tǒng)(X12)宜陽巖溶水系統(tǒng)(X13)偃龍巖溶水系統(tǒng)(X14)滎鞏巖溶水系統(tǒng)(X15)石羊關(guān)泉巖溶水系統(tǒng)(X16)超化泉巖溶水系統(tǒng)(X17)幸福泉巖溶水系統(tǒng)(X18)西北界為黃河，東北界為地層隔水邊界;東南為深埋弱透水邊界;西南為斷層或地層隔水邊界。西界為地層隔水邊界;北界西段為宜陽—龍門斷裂隔水邊界，北界東段和東界、南界均為分水嶺邊界。西南與宜陽巖溶水系統(tǒng)相鄰，東南與石羊關(guān)泉巖溶水系統(tǒng)相鄰，東與滎鞏巖溶水系統(tǒng)相鄰。南界為分水嶺邊界;西北、東北屬斷裂隔水邊界。西南為斷裂隔水邊界;北界和東界為深埋弱透水邊界;南界為分水嶺邊界。除東南為石羊關(guān)斷裂隔水邊界外，均為分水嶺邊界。西界、北界、南界均為分水嶺邊界;東界為深埋弱透水邊界。北與石羊關(guān)泉巖溶水系統(tǒng)和超化泉巖溶水系統(tǒng)相鄰;東界和西南界為深埋弱透水邊界。平頂山巖溶水系統(tǒng)(X19)西北與宜陽巖溶水系統(tǒng)相鄰，為分水嶺邊界;北與幸福泉巖溶水系統(tǒng)相鄰，屬深埋弱透水邊界;東界為深埋弱透水邊界;西南為地層隔水邊界。確山巖溶水系統(tǒng)(X20)西界為地層隔水邊界;西北、東南界為深埋弱透水邊界;東北為斷層隔水邊界。芒碭山巖溶水系統(tǒng)(X21)西界為于賢集—桑固斷裂隔水邊界;其他邊界屬深埋弱透水邊界?？？h—濮陽巖溶水系統(tǒng)(X22)西界屬湯東斷裂束構(gòu)成的隔水邊界;西北邊界呈圓弧型，屬地層隔水邊界;東南為深埋弱透水邊界。

圖3 許家溝泉系統(tǒng)巖溶水動態(tài)曲線

3.2 徑流特征

巖溶水分布極不均勻，但受構(gòu)造、地形地貌、侵入巖體等因素的影響，可形成富水性、滲透性強的蓄水構(gòu)造或強徑流帶。研究區(qū)主要有斷裂、褶曲、侵入一接觸、巖溶干谷等4種巖溶蓄水構(gòu)造，其中斷裂型蓄水構(gòu)造或強徑流帶分布廣、規(guī)模大。如位于九里山巖溶水系統(tǒng)的演馬礦1979年3月9日二一軌道遇斷層突水，突水量4 m3/s，其影響范圍迅速波及整個焦作礦區(qū)，并沿鳳凰嶺斷層形成一個下降幅度 ＞1 m的低水位槽(見圖4)。

3.3 排泄特征

研究區(qū)巖溶水系統(tǒng)主要以巖溶大泉、泉群或在山前平原的碳酸鹽巖“天窗”區(qū)潛流進入孔隙水等形式相對集中排泄，如小南海泉二十世紀70年代平均流量6.42 m3/s，百泉歷史最大觀測流量8.163 m3/s，九里山泉群出露于第四系砂卵石孔隙含水層中，為巖溶水在九里山一帶灰?guī)r“天窗”排泄形成，最大流量 9.2 m3/s。

圖4 演馬礦突水影響范圍圖

3.4 系統(tǒng)水化學(xué)特征

總體表現(xiàn)為:補給區(qū)水化學(xué)類型較簡單，各種水化學(xué)因子含量較低，隨著向排泄區(qū)的徑流，水化學(xué)類型趨于復(fù)雜，各種化學(xué)因子含量增高。補給區(qū)(裸露區(qū))巖溶水中陽離子中以 Ca2+、Mg2+為主，Na+、K+含量較低;陰離子中以 HCO-3為主，礦化度小于0.4 g/L，水化學(xué)類型為 HCO3-Ca·Mg和HCO3-Ca型;排泄區(qū)(埋藏區(qū))與補給區(qū)巖溶水相比，SO42-、Mg2+含量增加明顯，礦化度 0.4 ～0.56 g/L，水化學(xué)類型為 HCO3·SO4-Ca·Mg和 HCO3-Ca·Mg型。

4 結(jié)語

基于地下水系統(tǒng)理論，將河南省巖溶地下水進劃分為22個地下水系統(tǒng)，并分別針對不同系統(tǒng)的邊界、補徑排、水化學(xué)特征進行了全面分析，取得成果對進一步開展地下水資源評價，煤礦水害防治具有重要科學(xué)意義。

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