玉溪市安化向斜地下水徑流模式剖析

朱海明許模黃勛王玉蕊宋海波汪亞莉肖斌

摘要：安化向斜由于褶皺及斷層構(gòu)造作用，地下水徑流和出露特征具有一定規(guī)律，且出露泉點(diǎn)多作為附近村莊的生活水源。通過對研究區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)條件、地下水水化學(xué)組分、氫氧同位素組成等進(jìn)行分析，采用水均衡法、水文地球化學(xué)反向模擬技術(shù)等手段，最終確定研究區(qū)內(nèi)共存在3種不同的地下水徑流模式：沿可溶巖條帶地下水徑流模式、斷層導(dǎo)通的地下水繞軸徑流模式及沿?cái)鄬悠扑閹У牡叵滤畯搅髂Ｊ?，研究成果探明了該地區(qū)地下水的徑流和排泄規(guī)律，對該地區(qū)地下水資源的開發(fā)利用和保護(hù)具有重要的參考意義。

關(guān)鍵詞：安化向斜；徑流模式；水化學(xué)組分；氫氧同位素；反向模擬；Phreeqc；水均衡

中圖分類號：P641 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：16721683（2016）05017806

Groundwater runoff mode of Anhua syncline in Yuxi

ZHU Haiming1，XU Mo2，HUANG Xun1，WANG Yurui2，SONG Haibo2，WANG Yali2，XIAO Bin2

（1.Chongqing Survey Institute，Chongqing 401121，China；2.State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China）

Abstract：Due to fold and fault structures of Anhua syncline，groundwater runoff and outcrop characteristics have certain rules，and most of the dew point springs are used as living water in nearby villages.In this paper，hydrogeological conditions，chemical composition of groundwater，and hydrogen and oxygen isotopic data in the study area were analyzed，and the water balance method，hydrogeochemical reverse simulation and other means were adopted.It was found that there were three kinds of groundwater runoff modes coexisting in this area：groundwater runoff patterns along the strip of karst，fault conducting groundwater runoff patterns around the syncline axis and groundwater runoff patterns along the fault fracture zone.The results revealed the rules of runoff and discharge of groundwater in the area，therefore providing significant reference for the development，utilization and protection of groundwater resources there.

Key words：Anhua syncline；runoff mode；water chemical composition；hydrogen and oxygen isotopes；reverse simulation；Phreeqc；water equilibrium

褶皺發(fā)育地區(qū)，地下水徑流往往會受到構(gòu)造的控制作用，構(gòu)造在很大程度上決定了地下水補(bǔ)給、徑流、排泄條件等[12]。蔡祖煌提出地質(zhì)構(gòu)造通過直接和間接兩個途徑控制著地下水的運(yùn)移[3]；肖維通過對典型向斜型巖溶蓄水構(gòu)造的水文地質(zhì)條件進(jìn)行研究，總結(jié)出四種向斜型巖溶蓄水構(gòu)造的地下水徑流模式[4]；楊會峰等依據(jù)構(gòu)造控水理論對寧南地區(qū)地下水賦存規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)研究，從而指導(dǎo)寧南找水工作[5]。玉溪市安化向斜位于江城盆地與玉溪盆地之間，向斜面積不大，但是，地下水出露豐富、類型多樣，向斜北翼完整，主要以冷水的形式出露，南翼被斷層切割缺失，在斷層帶上以熱水的形式出露，向斜區(qū)出露泉點(diǎn)大多作為附近村莊的生活水源，且在龍馬山一帶正在規(guī)劃龍馬山旅游區(qū)。目前，研究區(qū)內(nèi)地下水徑流方面的研究極其缺乏，為了更加有效的利用和保護(hù)該地區(qū)的地下水資源，本文專門對安化向斜區(qū)褶皺及斷層控制影響作用下的地下水徑流模式的進(jìn)行剖析，進(jìn)而查明該地區(qū)地下水的徑流排泄特征，以期為該地區(qū)地下水資源的開發(fā)利用和保護(hù)提供理論指導(dǎo)。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景條件

1.1 研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境背景

安化向斜位于云南省玉溪市境內(nèi)，區(qū)域上處于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺，地貌上屬于滇中區(qū)的昆明、通海高原湖盆小區(qū)。區(qū)域內(nèi)向斜軸部西端的地下水最終匯入玉溪大河，向斜軸部東端的地下水最終匯入星云湖。

安化向斜軸向與區(qū)域內(nèi)南北向古構(gòu)造線垂直，以近東西向延伸，軸長30 km。向斜北翼較為完整，向北強(qiáng)烈突出，南翼因石洞河長嶺崗斷層的切割影響而缺失，在地貌上形成一個等腰三角形形狀。向斜區(qū)南北端高程分別為2 391 m和2 045 m左右，東西端高程分別為2 136 m和2 391 m左右，中部高程在1 900 m左右，因四周地形較高，中部地形低緩，在軸部區(qū)形成安化構(gòu)造盆地，研究區(qū)地理地形圖見圖1。

區(qū)內(nèi)地層從震旦系至侏羅系均有出露，地層較完整，北翼可溶巖地層包括震旦系陡山沱組（Zbd）及燈影組（Zbdn）灰質(zhì)白云巖；泥盆系上統(tǒng)（D3）、石炭系巖關(guān)階及大壙階（C1）、威寧組（C2w）及二疊系陽新組（P1y）灰?guī)r夾白云巖；可溶巖條帶中穿插寒武系筇竹寺組（∈1q）、泥盆系?？诮M（D2h）粉砂巖夾頁巖及二疊系倒石頭組（P1d）的鋁土巖、頁巖隔水地層；向斜軸部以中生界三疊系及侏羅系的粉砂巖、泥巖、頁巖等非可溶巖為主。

1.2 研究區(qū)水文地質(zhì)條件

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，區(qū)內(nèi)泥盆系、石炭系、二疊系碳酸鹽巖巖溶較發(fā)育且均為較質(zhì)純的灰?guī)r。其中，以陽新組（P1y）巖溶發(fā)育最為強(qiáng)烈，在響水村、下麥沖、玉苗村等附近陽新組灰?guī)r地層中均發(fā)現(xiàn)規(guī)模較大的巖溶洼地和落水洞，在白龍?zhí)豆珗@、莊科村還發(fā)現(xiàn)兩處地下暗河出口。

研究區(qū)內(nèi)地下水主要賦存于可溶巖地層中，富水性中等強(qiáng)，地下水徑流模數(shù)大于5 L/s·m2。非可溶巖地層的地下水類型以基巖裂隙水為主，富水性中等弱，地下水徑流模數(shù)低于2 L/s·m2。

向斜北翼最北端氈帽山、響水村一帶存在一個區(qū)域內(nèi)的地下水分水嶺，將大部分地下水分為南東、南西向徑流。研究區(qū)內(nèi)出露泉點(diǎn)共10個，主要分布在向斜軸部東西兩端碳酸鹽巖與第四系松散堆積層的接觸帶及南翼石洞河長嶺崗斷裂帶上，研究區(qū)地層及泉點(diǎn)出露分布見圖2。

地下水在軸部兩端的平均出露高程基本一致，分別為1 756 m和1 711 m左右，各泉點(diǎn)溫度介于15 ℃～18 ℃之間。向斜軸部西端出露東營村龍?zhí)?、雙林寺龍?zhí)丁⑿↓執(zhí)?、白龍?zhí)兜热c(diǎn)，這些泉點(diǎn)為玉溪市北城鎮(zhèn)東營村、古城村、山頭村等多個村莊的生活水源。向斜軸部東端出露黑龍?zhí)逗颓f科村龍?zhí)兜热c(diǎn)，為江城鎮(zhèn)黃營村、莊科村等多個村莊的生活水源。

石洞河長嶺崗斷裂帶上地下水出露以溫泉為主，出露高程主要集中在兩個高程區(qū)間上，斷層?xùn)|端地下水出露高程在1 570 m左右，斷層中東部地下水出露高程介于1 850～1 860 m之間，溫泉溫度介于30 ℃～32 ℃之間，主要作為早谷田村、大龍?zhí)洞?、溫泉村的生產(chǎn)、生活水源。研究區(qū)各泉點(diǎn)豐、枯季出露特征表見表1。

1.3 研究區(qū)水化學(xué)特征

豐水期，區(qū)域內(nèi)各泉點(diǎn)地下水類型以HCO3Ca·[HJ2.25mm]Mg型和HCO3Mg·Ca型為主?？菟?，地下水類型大部分轉(zhuǎn)變變?yōu)镠CO3SO4CaMg型。各泉點(diǎn)豐枯季礦化度均較為集中，豐水期礦化度介于215.5～3786 mg/L，枯水期礦化度介于3654～4024 mg/L[6]，各泉點(diǎn)水化學(xué)組分見表2。

2 研究區(qū)地下水徑流模式分析

2.1 北翼沿可溶巖條帶地下水徑流模式

此種類型的地下水徑流模式在研究區(qū)內(nèi)最好識別。由于安化向斜的褶皺構(gòu)造作用，北翼地層以向北凸起的條帶狀展布，加上可溶巖頂?shù)装甯羲畬拥淖杷饔?，?dǎo)致地下水只能由氈帽山響水村分水嶺一帶沿可溶巖條帶分別向南東、南西方向徑流。軸部東端主要在S5、S6泉點(diǎn)排泄，軸部西端主要在S1、S2、S3、S4四處泉點(diǎn)排泄。對軸部西端出露的地下水化學(xué)組分分析發(fā)現(xiàn)，S1、S2、S3豐水期和枯水期流量基本相同，S4豐水期比枯水期流量增加了48%，由區(qū)域內(nèi)巖溶洼地及落水洞調(diào)查結(jié)果（見圖2），可以推測S1、S2、S3主要由R1處補(bǔ)給，S4主要由R2處補(bǔ)給，前者地下水徑流路徑長、補(bǔ)給面積大，導(dǎo)致前者地下水流量動態(tài)比后者穩(wěn)定[78]，研究區(qū)此種模式地下水徑流模式示意圖見圖3。

2.2 核部東端沿?cái)鄬悠扑閹У牡叵滤畯搅髂Ｊ?/p>

2013年8月對研究區(qū)的泉點(diǎn)出露情況調(diào)查時發(fā)現(xiàn)一個奇怪的現(xiàn)象，莊科村北面的黃營村出露一處大型巖溶泉點(diǎn)（黃營村黑龍?zhí)禨6），流量為132 L/s，該泉點(diǎn)比莊科村泉點(diǎn)（S5）流量大27 L/s。但是，據(jù)現(xiàn)場野外調(diào)查，出露S5的二疊系陽新組灰?guī)r比出露S6的泥盆系灰?guī)r巖溶更為發(fā)育，地下水的補(bǔ)給區(qū)前者也比后者更大，S5和S6[HJ2.2mm]出露地層的巖溶發(fā)育情況與泉點(diǎn)流量相矛盾。對比S5與S6的水化學(xué)分析結(jié)果，兩者的水化學(xué)組分含量基本相同，由于S5比S6的出露高程更高且在兩個泉點(diǎn)之間發(fā)育一個斷層，推測S5與S6之間由于斷層的導(dǎo)通作用存在一個沿?cái)鄬悠扑閹У牡叵掳岛?，莊科村處匯[CM（22]集的地下水在S5排泄一部分后，其余部分由于斷為了驗(yàn)證S5→S6地下水徑流路徑的存在，本次研究使用美國地質(zhì)調(diào)查局開放式軟件Phreeqc對S5→S6路徑進(jìn)行水文地球化學(xué)反向模擬。

根據(jù)研究區(qū)實(shí)際的地層巖性和對模型參數(shù)的調(diào)試，最終選取可能發(fā)生的礦物相有：石鹽、石膏、白云石、方解石，由于徑流路徑所穿越的可溶巖層組均裸露地表，為半開放體系，因此CO2（g）也應(yīng)作為一個可用的相態(tài)[910]。

模擬的初始水溫、終止水溫、pH值均以實(shí)測值為準(zhǔn)，S6、S5的不確定度分別設(shè)為0.08和0.07[11]。需要指出的是由于枯水期水樣檢測結(jié)果受附近其它水體的影響較小，更能反映真實(shí)的地下水徑流路徑，因此，模擬的地下水化學(xué)組分以2014年4月的檢測結(jié)果為準(zhǔn)。由表3對模擬計(jì)算礦物飽和指數(shù)的計(jì)算結(jié)果可知，石鹽、石膏、白云石的礦物飽和指數(shù)均<0，方解石的礦物飽和指數(shù)>0，表明地下水還可以繼續(xù)溶解石鹽、石膏和白云石，但水中方解石處于過飽和狀態(tài)。

將S5與S6泉點(diǎn)的礦化度對比發(fā)現(xiàn)，雖然模擬結(jié)果證明S5→S6徑流路徑成立，但是因?yàn)镾5泉點(diǎn)的礦化度比S6泉點(diǎn)的稍大，說明S6泉點(diǎn)出露的地下水雖然大部分來自S5，但是同時也存在較短路徑的地下水補(bǔ)給且補(bǔ)給量處于模型設(shè)定的不確定度之內(nèi)。

2.3 斷層導(dǎo)通的地下水繞軸徑流模式

研究區(qū)向斜南翼軸部附近發(fā)育貫穿安化向斜東西兩端的石洞河長嶺崗斷層，斷層在區(qū)域內(nèi)以近東西向展布。由于斷層的逆錯影響，斷層南面的向斜部分已經(jīng)缺失，出露向斜底部的大片Zac砂巖地層。斷裂帶上發(fā)現(xiàn)兩處斷層導(dǎo)通的上升泉（S7、S8）和一處溫泉群（S9），本次研究選取了S7和S9中的泉點(diǎn)做了水化學(xué)簡分析（分析結(jié)果列于表2）。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和分析結(jié)果可知，S7、S9泉點(diǎn)的水化學(xué)組分、泉水溫度、出露形態(tài)都極其相似，推斷石洞河長嶺崗斷層帶上出露的溫泉均為同一成因[13]?，F(xiàn)以S7泉點(diǎn)為例，研究向斜和斷層兩種構(gòu)造的共同影響作用下，溫泉的地下水徑流模式。

根據(jù)研究區(qū)的構(gòu)造及可溶巖分布情況（見圖2），S7泉水的來源可能有3種情況：（1）斷層?xùn)|西兩端可溶巖地層中的地下水沿?cái)嗔褞蛑虚g匯集而來；（2）S7西面出露的小面積可溶巖在S7處排泄；（3）向斜北翼的巖溶地下水通過繞軸徑流及斷層的導(dǎo)通作用在此處出露地表。現(xiàn)在，對S7泉點(diǎn)的三種可能成因模式詳細(xì)分析如下。

（1）假設(shè)S7東西兩端可溶巖中的地下水沿?cái)嗔褞騍7處匯流，因?yàn)閿嗔训膶?dǎo)通作用，地下水由東西兩端向S7處匯流時不具備承壓性，因此，不會形成上升性質(zhì)的溫泉。據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，S4和S8泉點(diǎn)的出露高程均比S7低，可以斷定S7東西兩端可溶巖地層中的地下水已經(jīng)通過S4和S8排泄至地表。因此，S7泉點(diǎn)的地下水不可能來自東西端的可溶巖[HJ2.2mm]地層[13]。

（2）S7泉點(diǎn)西面出露一小面積威寧組灰?guī)r區(qū)域（見圖2），現(xiàn)通過水均衡法對此可溶巖區(qū)和S7泉點(diǎn)流量進(jìn)行水均衡匹配。通過計(jì)算和調(diào)查資料，均衡區(qū)面積為219 852 m2，均衡期設(shè)為1年，研究區(qū)江川縣的年降水量為850 mm，假設(shè)全年降水全部補(bǔ)給地下水，降水入滲系數(shù)取1，且沒有蒸發(fā)，S7泉點(diǎn)流量取枯季流量59.5 L/s。降水入滲的補(bǔ)給量由下式計(jì)算[14]：

通過計(jì)算，全年的降水入滲量為186 874 m3，泉點(diǎn)流量為18 763 920 m3，由計(jì)算結(jié)果可以看到，即使全年的降雨全部補(bǔ)給地下水，總補(bǔ)給量也只達(dá)到S7泉點(diǎn)枯季全年流量的十分之一，因此，S7泉水的第二種來源的可能性也被排除。

（3）將S7和S5簡分析結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，兩個泉點(diǎn)的水化學(xué)組分幾乎一致，S7總礦化度僅比S5低37 mg/L，推測兩者應(yīng)該具有相似的補(bǔ)給源和徑流路徑。利用大氣降水氫氧穩(wěn)定同位素的高程效應(yīng)（高程越高，δD、δ18O值越低，高程與δD和δ18O之間存在的線性關(guān)系）。

根據(jù)表5，S7、S5的δD、δ18O監(jiān)測結(jié)果和推測的補(bǔ)給高程很接近，S7的推測補(bǔ)給高程僅比S5低34 m，進(jìn)一步佐證了S7與S5的補(bǔ)給區(qū)相似。造成S7比S5礦化度和推測補(bǔ)給高程稍低的原因可能是：雖然泉點(diǎn)西面出露的小面積灰?guī)r不是S7泉點(diǎn)的主要補(bǔ)給區(qū)，但是仍有小部分的巖溶地下水對S7就近補(bǔ)給[1617]。

通過以上分析，可以確定S7泉水的來源基本為向斜北翼的巖溶地下水，只有極小部分來源于西面小面積威寧組灰?guī)r中巖溶水的就近補(bǔ)給。因?yàn)榘不蛐钡鸟薨櫂?gòu)造作用，可溶巖層面在南北向被擠壓成一個“U”型面，由于向斜北翼的可溶巖出露高程比南翼高，加上石洞河長嶺崗斷裂將下覆可溶巖地層與地表溝通，可溶巖地層中的承壓巖溶水就會順斷層破碎帶向上出露地表，在斷層帶上形成上升的溫泉，S7泉點(diǎn)地下水徑流排泄示意剖面見圖4，剖面線方向?yàn)閳D2中AB方向。

3 結(jié)論

（1）通過研究發(fā)現(xiàn)，安化向斜區(qū)由于褶皺和斷層的影響，區(qū)域內(nèi)共存在3種地下水徑流模式：沿可溶巖條帶地下水徑流模式；核部東端沿?cái)鄬悠扑閹У牡叵滤畯搅髂Ｊ?；斷層?dǎo)通的地下水繞軸徑流模式。

（2）通過采用Phreeqc對S5→S6徑流路徑的反向模擬，證明了S5、S6之間斷層對地下水的導(dǎo)通作用，使莊科村處匯集的地下水在S5排泄一部分后，其余部分沿?cái)鄬悠扑閹мD(zhuǎn)而向北徑流，最終在黃營村S6泉點(diǎn)出露地表。

（3）通過水化學(xué)簡分析結(jié)果、水均衡法及依據(jù)同位素推測補(bǔ)給高程最終證明：處于石洞河長嶺崗斷層帶上的S7、S8、S9三處溫泉地下水徑流模式均為斷層導(dǎo)通的地下水繞軸徑流模式，出露地下水大部分來自于向斜北翼可溶巖地層中的巖溶水，S7泉點(diǎn)出露的地下水有小部分為西面威寧組灰?guī)r中巖溶水的就近補(bǔ)給。

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