韓城礦區(qū)巖溶形成機(jī)理及其水文地質(zhì)特征

郭平戰(zhàn)

(陜西省地下水管理監(jiān)測局，陜西 西安710003)

韓城礦區(qū)是陜西省重要煤炭生產(chǎn)基地，該區(qū)地形起伏大，形態(tài)復(fù)雜，總趨勢西北高、東南低，地面標(biāo)高一般600～800 m，最高(禹山)1227.9m，最低處為黃河禹門口380 m左右，是區(qū)內(nèi)侵蝕基準(zhǔn)面。由于該區(qū)域奧陶系巖溶極其發(fā)育，巖溶含水巖組富水性極其豐富，近幾十年來，多礦發(fā)生過多起大規(guī)模的透水事件，給礦區(qū)生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)及人民生命安全造成極大危害。本文通過對該區(qū)域巖溶形成、發(fā)育及發(fā)展規(guī)律和水文地質(zhì)特征的揭示，為該區(qū)的煤炭開采及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)開發(fā)利用巖溶水提供科學(xué)依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造

1.1 區(qū)域構(gòu)造

韓城礦區(qū)位于鄂爾多斯臺向斜東南緣，處于祁呂賀山字型構(gòu)造前孤東翼內(nèi)側(cè)，東為呂梁山系西翼，緊鄰汾河地塹;南接渭河地塹，與秦嶺緯向構(gòu)造帶相望。呈現(xiàn)多期不同序次構(gòu)造活動相互復(fù)合、牽制、改造，構(gòu)成了該區(qū)域現(xiàn)今的構(gòu)造輪廓。但是，中、新生代以來，該區(qū)主要構(gòu)造形跡受祁呂賀山字型構(gòu)造的控制，構(gòu)造特征主要表現(xiàn)為:以北東—北東東向?yàn)橹鞯囊幌盗邢嗷テ叫械鸟薨櫤蛿嗔呀M成;但平面上構(gòu)造的發(fā)育程度和形成機(jī)制各不相同，總體來看，該區(qū)為一傾向西北的單斜構(gòu)造。

1.2 地層

以韓城大斷裂F1為界，將本區(qū)分為兩個地貌類型，東南側(cè)為平原區(qū)，由山前洪積扇、黃土一級臺塬和河流階地組成;西北側(cè)為構(gòu)造剝蝕低中山區(qū)以及二級黃土臺塬，低山多被黃土覆蓋，地層主要由寒武系、奧陶系灰?guī)r和石炭、二疊、三疊系砂巖、泥質(zhì)砂巖組成。

1.3 奧陶系灰?guī)r

該區(qū)奧陶系為一套碳酸鹽巖建造，北至桑樹坪以北的船窩，南至英山一線，裸露面積15 km2，平均厚度373 m，沿地層走向由北東向南西逐漸變薄，沿傾向由南東向北西變厚，按其巖性和沉積韻律可將奧陶系中統(tǒng)劃分三組，見表1。

表1 奧陶系中統(tǒng)巖溶裂隙含水層段(組)劃分表

1.3.1 奧陶系中統(tǒng)馬家溝組(Q2m)

1)奧陶系中統(tǒng)下馬家溝組(Q2m1)

平行不整合于下統(tǒng)之上，按其巖性可分為兩段，第一段(Q2m1

1)以泥灰?guī)r、泥質(zhì)白云巖、角礫狀白云巖為主，呈灰褐—深灰色，厚度20～25 m;第二段(Q2m12)為淺棕色—灰黑色中厚層狀白云質(zhì)灰?guī)r、角礫結(jié)晶灰?guī)r、細(xì)晶白云巖巖溶裂隙及溶洞發(fā)育，厚度65～78 m。

2)奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組(Q2m2)

主要以厚層豹斑灰?guī)r、角礫狀泥灰?guī)r及白云巖為主，按其巖性可分為三段。第一段(Q2m12)以褐—深灰色白云質(zhì)泥灰?guī)r為主，厚度55～60 m;第二段(Q2m22)以深灰色—棕灰色白云巖為主，巖溶裂隙發(fā)育，厚度110 m左右;第三段(Q2m2

3)以淺灰色中厚層狀石灰?guī)r為主夾薄層白云巖，厚度20～40 m。

1.3.2 奧陶系中統(tǒng)峰峰組(Q2f)

直接接觸石炭系煤系地層接觸，僅在北部黃河沿岸鑿開河一帶出露，巖性多為厚層狀豹斑灰?guī)r及白云質(zhì)灰?guī)r，厚度40～128 m。

2 水文地質(zhì)條件

該區(qū)地貌類型為:黃河漫灘、黃河二級階地及三、四級階地和一級黃土臺塬及基巖低中山。由于所處的地貌單元不同，其地層巖性差異較大。根據(jù)該區(qū)地層巖性及水文地質(zhì)特征，區(qū)內(nèi)地下水可分為:第四系松散巖類孔隙裂隙水;石炭二疊系基巖裂隙水;奧陶系碳酸鹽巖巖溶水。由于本文重點(diǎn)分析奧陶系巖溶水，故第四系松散巖類孔隙裂隙水及石炭二疊系基巖裂隙水在此不再贅述。

2.1 奧陶系碳酸鹽巖巖溶裂隙水

奧陶系灰?guī)r是由較純的碳酸鹽巖與不純碳酸鹽巖互層，從而形成了復(fù)雜的含水系統(tǒng)。前者在諸多因素的作用下形成強(qiáng)巖溶裂隙含水層段，后者則形成相對隔水層段。奧灰?guī)r沿韓城大斷裂(F1)以西500～800 m深度內(nèi)溶洞、溶孔、溶隙普遍發(fā)育，裸露面積15 km2，淺埋面積16 km2，直接和間接接受大氣降水、地表河流的滲漏補(bǔ)給，并在豐水期接受黃河水集中補(bǔ)給，形成了奧灰?guī)r溶水的強(qiáng)徑流帶，為一非均質(zhì)奧灰?guī)r溶復(fù)合含水體，并具有+380 m高程的區(qū)域水位。其富水性主要取決于構(gòu)造巖性及水動力條件。

2.2 巖溶水的補(bǔ)給、徑流、排泄條件

2.2.1 巖溶水補(bǔ)給條件

區(qū)內(nèi)巖溶水主要為大氣降水入滲補(bǔ)給，灰?guī)r裸露區(qū)15 km2，為降水補(bǔ)給提供了較大的空間。另外，區(qū)內(nèi)流經(jīng)奧灰?guī)r地段共有9條河流，河流滲漏補(bǔ)給是巖溶水補(bǔ)給的又一主要來源。在桑樹坪一帶，黃河流經(jīng)灰?guī)r段約7 km，巖溶水與黃河水有著密切的水力聯(lián)系。此外，黃河?xùn)|岸呂梁山系有800 km2(+816.24～628.79 m)的奧陶系灰?guī)r裸露區(qū)，降雨入滲補(bǔ)給黃河西岸巖溶水(+380 m)。

2.2.2 巖溶水的徑流排泄條件

礦區(qū)東南邊部，由于繼承性的多期構(gòu)造活動，在F2、F5和F1之間，奧灰?guī)r巖層陡傾，褶皺斷裂集中發(fā)育，成為奧灰?guī)r溶發(fā)育的有利地帶，也是奧灰水儲存、運(yùn)移的主要通道，構(gòu)成了該區(qū)域的主要徑流帶和補(bǔ)給區(qū)。另外，該區(qū)地下水受黃河侵蝕基準(zhǔn)面(+380 m)控制，不僅是該區(qū)域地表水的排泄通道，也為奧灰水的補(bǔ)、排及運(yùn)移創(chuàng)造了條件。在天然狀態(tài)下，奧灰水沿北東向主要徑流帶向黃河排泄。

3 巖溶形成機(jī)理

區(qū)內(nèi)中奧陶系峰峰組(Q2f)、馬家溝組(Q2m)為巨厚碳酸鹽巖，厚度120～200 m，發(fā)育巖溶形態(tài)有溶蝕裂隙、溶洞、蜂窩狀溶孔等，而以溶蝕裂隙最為發(fā)育，溶洞次之。

3.1 溶蝕裂隙發(fā)育機(jī)理

溶蝕裂隙按其與巖層層面方向的相互關(guān)系，可分為斜交、垂直和平行三種，其發(fā)育強(qiáng)度與構(gòu)造關(guān)系極為密切。在斷裂帶、褶皺轉(zhuǎn)折傾伏端、斷裂尖滅端、兩斷裂交匯處及斷裂復(fù)合部及背、向斜軸部等，其溶蝕裂隙發(fā)育程度均較遠(yuǎn)離這些構(gòu)造部位大若干倍。

在該區(qū)奧陶系地層中，主要分布是角礫狀結(jié)晶灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、細(xì)晶白云巖和白云巖。此類巖石中存在微小、均布的原始孔隙(粒間、粒內(nèi)、晶間等)。在一定地下水壓作用下，能均勻、緩慢地滲入巖石內(nèi)部，進(jìn)行均勻的滲濾和擴(kuò)散溶蝕，致使巖石普遍發(fā)育蜂窩狀溶孔。

3.2 結(jié)晶、重結(jié)晶碳酸鹽巖巖溶形成

角礫狀結(jié)晶灰?guī)r，其晶粒大，晶間孔隙大且解理發(fā)育，易于地下水的滲濾溶蝕。區(qū)內(nèi)奧淘系發(fā)育厚層結(jié)晶灰?guī)r，其特點(diǎn)均含有少量粘土雜質(zhì)，并多見原始泥晶殘留痕跡。同時，在結(jié)晶方解石中有少量的白云巖殘核。此種情況為泥晶灰?guī)r經(jīng)白云巖化后又受去白云巖化作用所形成的。白云巖化、去白云巖化和重結(jié)晶使巖石晶粒增大，解理發(fā)育、結(jié)構(gòu)疏松。在重結(jié)晶時使含粘土雜質(zhì)被排除到晶粒間，從而降低粒間聯(lián)結(jié)強(qiáng)度。這些都是角礫狀結(jié)晶灰?guī)r和重結(jié)晶灰?guī)r形成均布溶孔溶隙的內(nèi)因。區(qū)內(nèi)這兩種巖石露頭和鉆孔巖芯均可見密集溶孔和溶隙。在其溶蝕強(qiáng)烈的部位常常形成網(wǎng)格狀或蜂窩狀溶隙。

3.3 白云巖巖溶形成

區(qū)內(nèi)發(fā)育巨厚的白云巖地層，厚度170～220 m，白云巖有強(qiáng)烈的形成菱面體的結(jié)晶習(xí)性。白云巖的糖粒結(jié)構(gòu)是由菱面體松散地組合而成，晶間孔隙較多。在白云巖化時，由于固體白云石的克分子體積比方解石小12～13%，因此，方解石白云巖化后其體積將減少12～13%。其所形成白云石菱面體的周圍存在小的孔隙，使石灰?guī)r原來的孔隙在白云巖中都被保留下來，這就使得白云巖具有較多的孔隙。由于白云巖溶解度比石灰?guī)r高，且在深部高礦化水中亦可溶解。據(jù)中科院巖溶研究所研究結(jié)論，純水中白云巖溶解度較灰?guī)r高50%，在飽和CO2的碳酸水中高1～2倍，天然硫酸鹽水中依然可以溶解白云巖。因此，中粗粒白云巖最易發(fā)育溶隙含水層。白云巖是組成區(qū)內(nèi)奧陶系的主要巖層，其巖溶裂隙、小型溶洞發(fā)育，構(gòu)成區(qū)內(nèi)主要含水巖組。

4 構(gòu)造對巖溶水控制

韓城礦區(qū)發(fā)育不同時期和不同性質(zhì)的構(gòu)造共9條。構(gòu)造對巖溶水的控制作用是及其明顯的。它不僅控制巖溶水的儲存空間，而且控制區(qū)域含水構(gòu)造的形成和水文地質(zhì)單元的劃分，從而控制區(qū)內(nèi)巖溶水的富水性及其補(bǔ)給、徑流和排泄條件。構(gòu)造的控水作用，按其構(gòu)造性質(zhì)、規(guī)模、裂隙的發(fā)育程度及構(gòu)造體系的不同而異。

根據(jù)區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造特征，以韓城愛帖溝逆斷層(F14)為界，將韓城礦區(qū)劃分為一個獨(dú)立的水文地質(zhì)單元，按構(gòu)造分割情況劃分，該區(qū)水文地質(zhì)邊界為:

(1)黃河為東部定水頭邊界:該區(qū)黃河切割了全部新老地層，多年平均水位標(biāo)高380.46 m，由于與韓城北部礦區(qū)巖溶水有密切的水力聯(lián)系，因此，黃河水控制著該區(qū)奧灰?guī)r溶水的區(qū)域水位。

(2)東南隔水邊界:由韓城大斷裂與上覆第三系、第四系黃土、亞粘土、亞砂土組成，據(jù)同位素C14測定，區(qū)域松散層孔隙潛水與巖溶水水位截然不同，地下水成分亦有較大差異。

(3)南西隔水邊界:以韓城愛帖溝逆斷層(F14)為界劃分巖溶水系統(tǒng)。

(4)北西隔水邊界:沿巖層傾向，奧陶系灰?guī)r埋深逐漸加大，雖然有次一級小型斷裂發(fā)育，但切割較淺，不能作為礦區(qū)深部的連續(xù)邊界。據(jù)勘探資料，標(biāo)高在100 m以下，巖溶發(fā)育很弱，流量測井顯示奧陶系灰?guī)r埋深在0.00 m標(biāo)高時，已測不出含水層。故礦區(qū)北西方向以奧陶系灰?guī)r頂面0.00 m等高線為隔水邊界。

5 巖溶水水文地質(zhì)特征及其富水性

區(qū)內(nèi)巖溶水富水性主要受構(gòu)造控制，其次為巖性，而以構(gòu)造控水最為明顯，它對奧陶系巖溶水的形成、儲存、運(yùn)移有著及其重要的意義。其特征表現(xiàn)為:

韓城礦區(qū)具有“華北巖溶”的全部特征，是全國典型的巖溶水大水礦床之一，具有大致統(tǒng)一的+380 m高程區(qū)域水位，是一個非均質(zhì)、巨大的統(tǒng)一含水體，含水層相互連通，為一龐大的地下水庫。

同整個“華北巖溶”一樣，奧陶系灰?guī)r是煤系地層的基底，總厚1 900 m，主要含水層為中奧陶統(tǒng)馬家溝組(Q2m)和峰峰組(Q2f)，區(qū)內(nèi)分布廣，連通性好，富水性強(qiáng)。

5.1 地質(zhì)構(gòu)造決定韓城礦區(qū)是巖溶水極強(qiáng)富水區(qū)

韓城礦區(qū)位于大地構(gòu)造祁呂賀山字型構(gòu)造前弧東翼內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)折部位，邊部翹起，褶皺叢生，巖石破碎，構(gòu)造裂隙發(fā)育，高角度網(wǎng)狀裂隙和斷裂、褶皺發(fā)育以及北東向F1大斷裂為地下水的運(yùn)移、儲存、富集創(chuàng)造了良好的條件。

黃河?xùn)|岸鄉(xiāng)寧呂梁山系西南翼，約800 km2奧灰?guī)r出露，根據(jù)山西毛則渠井田測量，奧灰水位標(biāo)高為816.24～842.75 m，黃河西岸桑樹坪奧灰?guī)r巖溶水位380 m左右。由于黃河兩岸巖性基本一致，其奧灰?guī)r分布范圍大，厚度大，兩岸為統(tǒng)一含水體。黃河?xùn)|岸奧灰水通過深部循環(huán)帶越過黃河補(bǔ)給西岸桑樹坪井田。

河流滲漏補(bǔ)給量亦為區(qū)內(nèi)重要補(bǔ)給源。據(jù)流經(jīng)該區(qū)河流多年監(jiān)測，鑿開河流經(jīng)奧灰?guī)r裸露段3.5 km，滲漏量0.156 m3/s，黃河在桑樹坪東流經(jīng)奧灰?guī)r地層區(qū)約7 km，流向大致與灰?guī)r走向夾角30°。此段黃河侵蝕面與上馬家溝組二、三段強(qiáng)巖溶裂隙層直接接觸。據(jù)上下段面水文測算，黃河補(bǔ)給奧灰水量約0.5 m3/s。

由于受構(gòu)造條件和裂隙網(wǎng)絡(luò)型含水介質(zhì)控制，含水層的透水性具宏觀滲透性質(zhì)。雖然該區(qū)含水層具有多層性特征，但同一系統(tǒng)內(nèi)的不同層組間有密切的水力聯(lián)系，多通過斷裂構(gòu)造和眾多密集的裂隙帶溝通，從而構(gòu)成相對統(tǒng)一的地下水流系統(tǒng)及其統(tǒng)一的+380 m區(qū)域水位，并形成了該區(qū)域統(tǒng)一的地下水動力場和水化學(xué)場。

由于區(qū)內(nèi)裂隙網(wǎng)絡(luò)發(fā)育良好，強(qiáng)巖溶徑流帶地下水徑流強(qiáng)烈，在溶隙網(wǎng)絡(luò)型滲透場的作用下，形成龐大的天然巖溶地下水庫。巖溶水動態(tài)穩(wěn)定，多年變幅為1.2 m左右。

5.2 巖溶水具有龐大儲存空間和較強(qiáng)調(diào)蓄能力

巨厚的白云巖和石灰?guī)r建造和多序次的構(gòu)造形跡以及強(qiáng)烈的地下水動力場，使該區(qū)域溶洞、溶隙普遍發(fā)育。在構(gòu)造應(yīng)力作用下，裂隙發(fā)育良好，延伸性強(qiáng)。以東南邊部F1斷裂帶最為顯著，發(fā)育有近東西與近南北兩組裂隙帶，寬度1～15 cm，其層面裂隙最寬約30 cm。平均溶裂率:上馬家溝組第三段(Q2m23)9.67%;上馬家溝組第二段(Q2m22)10.23%。裂隙密度分別為4.52條/m和3.77條/m。巖溶裂隙沿高角度裂隙發(fā)育，平均巖溶率12.9～17.7%。巨厚奧陶系碳酸鹽巖建造，廣泛分布的巖溶裂隙和溶洞、溶孔，形成了以溶蝕裂隙為主的溶蝕網(wǎng)絡(luò)型巖溶通道和含水系統(tǒng)，構(gòu)成了規(guī)模龐大的具有良好儲存空間和調(diào)蓄功能的地下水庫。如此巨大的巖溶含水系統(tǒng)和儲存空間，使該區(qū)巖溶水儲存量極為可觀。據(jù)多種方法計算結(jié)果，韓城礦區(qū)巖溶水系統(tǒng)地下水的儲存量達(dá)20×108m3。

6 結(jié)論

(1)構(gòu)造發(fā)育為該區(qū)碳酸鹽巖巖溶發(fā)育及其地下水的運(yùn)移、儲存、富集創(chuàng)造了良好的條件;多序次構(gòu)造運(yùn)動使地層陡傾，形成高角度網(wǎng)狀裂隙。構(gòu)造促進(jìn)了巖溶發(fā)生、發(fā)展及其裂隙網(wǎng)絡(luò)的形成，從而為該區(qū)巖溶水的徑流帶和地下水庫的形成創(chuàng)造了條件。

(2)韓城礦區(qū)為一套碳酸鹽巖建造，為該區(qū)巖溶發(fā)育提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。不同發(fā)育程度巖溶的含水多層體，構(gòu)成區(qū)內(nèi)巖溶水的主要儲水空間。受碳酸鹽巖巖相組構(gòu)控制，區(qū)內(nèi)巖溶的溶蝕類型為滲濾—片狀徑流混合溶蝕。可見，巖性及其結(jié)構(gòu)對于溶蝕作用起著至關(guān)重要的作用。

(3)水動力條件對巖溶的形成作用也是極其重要的。區(qū)內(nèi)發(fā)育9條斷裂，這些斷裂形成的斷裂帶為地下水徑流提供了通道，為區(qū)內(nèi)奧陶系碳酸鹽巖巖溶的發(fā)育提供了動力條件。當(dāng)?shù)叵滤畡恿l件強(qiáng)時，巖溶作用強(qiáng)，反之則弱。

〔1〕陜西省煤炭地質(zhì)局一三一隊.韓城礦區(qū)奧灰?guī)r專門水文地質(zhì)勘察報告.1985:35-52.

〔2〕中國地質(zhì)學(xué)會巖溶地質(zhì)專業(yè)委員會.中國北方巖溶和巖溶水.1981(12):45-75..

〔3〕郭平戰(zhàn)、劉娟等.韓城第二發(fā)電有限責(zé)任公司二期(2×600MW)水資源論證報告.2004:13—42.