湖南省礦山地質構造特征及水文地質資源的形成機理

楊建新，郭克林，吳俊剛

（湖南省核工業(yè)地質局三0二大隊，湖南 郴州 423000）

1 地層特征

區(qū)域內主要出露地層為泥盆系（D）、石炭系（C）及第四系（Qh）。

1.1 泥盆系上統(tǒng)錫礦山組下段（D3x1）

主要分布于勘查區(qū)中部，巖性為灰?guī)r、白云質灰?guī)r夾少量白云巖及泥質灰?guī)r，厚度72m～436m。走向南北向，傾向東，傾角45°～50°，含水豐富，是區(qū)域內主要水文地質資源的儲層。

1.2 泥盆系上統(tǒng)錫礦山組上段（D3x2）

主要分布于勘查區(qū)中部，巖性為灰?guī)r、泥質灰?guī)r、砂質灰?guī)r、泥灰?guī)r變?yōu)榉凵皫r、細粒石英砂巖及砂質頁巖，厚度77m～236m。走向南北向，傾向東，傾角45°～50°，主要為裂隙水，含水性中等，是區(qū)域內主要水文資源儲層的蓋層。

1.3 石炭系下統(tǒng)巖關階下段（C1y1）

主要分布于勘查區(qū)東部，巖性主要為灰?guī)r及白云質灰?guī)r，局部夾泥質灰?guī)r，厚度110m～259m。走向南北向，傾向東，傾角約46°～50°，受F7影響，走向上有所錯動，含水貧乏。

1.4 石炭系下統(tǒng)巖關階上段（C1y2）

主要分布于勘查區(qū)東部，巖性為鈣質頁巖為主，部分地段為泥灰?guī)r、薄層質灰?guī)r及粉砂質灰?guī)r，厚度4m～20m。走向南北向，傾向東，傾角約46°～50°，該層主要為裂隙水，含水貧乏。

1.5 石炭系下統(tǒng)大塘階石磴子段（C1d1）

主要分布于勘查區(qū)西部，巖性以厚層灰?guī)r為主，下中部夾白云質灰?guī)r或白云巖，灰?guī)r常含燧石條帶，厚度368m～594m。走向南北向，傾向東，傾角約25°～45°，該層含水豐富。

1.6 第四系沖洪積層（Qh）

主要分布于中部鐘水河兩岸河漫灘地段，巖性上部為粘土，下部為砂、砂礫石，含量孔隙水。

2 構造特征

通過資料分析，區(qū)域構造酃縣-郴州-藍山北東向斷裂帶和永興-藍山北東向斷裂帶規(guī)模大，延深大，起到與深部進行溝通的作用。

通過資料分析，與水文地質資源有關的斷層主要為近南北向斷層（F3）和北西向斷層（F7、F8）。

2.1 心安渡—下清水斷層（F3）

該斷層走向近南北、傾向東、傾角60°～73°。斷層長約40km，斷層帶寬30m～60m。斷層錯動上盤上升，造成泥盆系上統(tǒng)錫礦山組下段（D3x1）地層超覆在石炭系下統(tǒng)大塘階石磴子段（C1d1）地層之上，為逆斷層，斷層延深深度大，屬壓扭性構造，為區(qū)內主要導熱、導水構造。

2.2 北西向斷層

該組斷層由2條斷層（F7、F8）組成，大致呈平行排列，F(xiàn)7斷層大體走向北西、傾向北東、傾角80°左右，寬度20m～30m；F8斷層大體走向北西、傾向北東、傾角75°～80°。

3 水文地質特征

3.1 地下水類型

根據勘查區(qū)地層組合、巖性特征、地下水賦存條件和水動力特征，將區(qū)內地下水劃分為松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖類裂隙溶洞水和基巖裂隙水三個大類。

3.1.1 含水貧乏的松散巖類孔隙水

主要分布在嘉禾縣東邊的鐘水河（舂陵江上游）兩岸。由全新統(tǒng)形成的河流漫灘相砂礫石層組成的孔隙潛水含水層，厚度變化較大，寬度一般200m～300m左右。含水層主要靠大氣降水補給，且與地表水有密切的水力聯(lián)系，一般情況下地下水呈分散狀滲出補給河水，洪水期形成反向補給。前期調查未見泉水出露。

3.1.2 含水豐富的碳酸鹽巖裂隙溶洞水

主要分布于勘查區(qū)西邊，呈大面積分布，含水層（組）由錫礦山組（D3x1）、下石炭系大塘階石磴子段（C1d1），主要巖性為灰?guī)r、白云巖、白云質灰?guī)r。地表與地下水力聯(lián)系比較密切，地下水出露比較多，地下水運動以管流—裂隙流形式為主，地下河較發(fā)育。根據前人1:5萬水文地質調查成果可知，野外調查共調查水點81個，合計流量181.6456L/s，平均流量2.2425L/s，最大流量16.9874L/s，一般流量0.8133L/s～2.3984 L/s，調查2條暗河和1條伏流，暗河流量8.4912L/s～13.6925 L/s（雨季流量增大幾十倍-百倍）。

3.1.3 含水中等的碳酸鹽巖裂隙溶洞水

主要分布于勘查區(qū)東邊，呈近南北或北北東向條帶狀展布，含水層（組）主要有石炭系下統(tǒng)巖關階下段（C1y1），主要巖性為灰?guī)r、白云質灰?guī)r、泥灰?guī)r。根據前人1:5萬水文地質調查成果可知，野外調查共調查水點35個，合計流量13.8755 L/s，平均流量0.396L/s，最大流量2.31L/s，一般流量0.221L/s～0.803 L/s。

3.1.4 含水中等的基巖裂隙水

呈近南北或北北東向窄條帶狀展布，分布面積小，含水層（組）主要有泥盆系上統(tǒng)錫礦山組上段（D3x2）、石炭系下統(tǒng)大塘階測水段（C1d2）等組成，巖性為砂巖、粉砂巖夾頁巖。

3.1.5 含水貧乏的基巖裂隙水

呈北北東向窄條帶狀展布，分布面積小，含水層(組)主要有石炭系下統(tǒng)巖關階上段（C1y2）、地層，主要巖性為砂巖、砂頁巖。

3.2 斷裂構造的導水性

勘查區(qū)內規(guī)模較大的斷層為心安渡—下清水斷層（F3）和嘉禾斷層（F2），經過水文地質調查發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)2斷裂兩側出露多處富水量大的區(qū)域，該斷層局部地段導水性較好；F3斷裂淺部溶洞高0.1m～4.7m，說明F3斷層局部地段導水性較好。F7斷裂附近出露含水層，前期鉆探揭露該斷層淺層發(fā)育良好，說明F7斷層導水性較好。

3.3 地下水補給、逕流、排泄條件及動態(tài)特征

3.3.1 松散巖類孔隙水

松散巖類孔隙水主要分布在鐘水河（春陵水上游）兩岸及分布于丘陵地帶的殘坡積層中，以大氣降水的滲入補給為主。

松散巖類孔隙水在枯水、平水期多以分散狀滲流的形式排泄于河流中。

大氣降水是松散巖類孔隙水的主要補給來源，松散巖類孔隙水的水位、流量隨季節(jié)性變化，明顯由降雨所支配，隨降雨時間和降雨大小而變化，動態(tài)上反映極其明顯，如094號井，調查時水位埋深8.0m，降雨后水位升高，干旱時水位下降，水位波動2.0m～3.0m。

3.3.2 基巖裂隙水

基巖裂隙水以大氣降水補給為主，補給強度取決于巖石的裂隙發(fā)育程度、地面坡度陡緩和地表植被發(fā)育情況。

基巖裂隙水以風化裂隙、構造裂隙含水為主，地下水水面坡度與地形坡度基本一致，地下水循環(huán)深度不大，逕流途徑短，風化層產狀及地下水流向均隨地形變化，地下水分水嶺與地表分水嶺基本一致，地下水流向為垂直或斜交附近沖溝，以泉的形式排泄。

基巖裂隙水的動態(tài)隨季節(jié)性變化大，降雨后流量急劇增大，增大1～2倍，干旱時流量減少，甚至干枯，屬動態(tài)不穩(wěn)定型。

3.3.3 碳酸鹽巖裂隙溶洞水

碳酸鹽巖裂隙溶洞水以大氣降水補給為主，補給方式為注入式和滲入式。碳酸鹽巖裂隙溶洞水分布面積廣，成為大氣降水補給地下水的良好通道。

碳酸鹽巖裂隙溶洞水多呈紊流、管道流及層流交替的逕流形式，逕流途徑變化多樣，流態(tài)復雜多樣，逕流途徑較短-較遠，逕流速度相對較快-較慢，鐘水河是本地地下水的排泄基準面，地下水流向總體是向鐘水河方向逕流。

碳酸鹽巖裂隙溶洞水在向鐘水河逕流途徑中，于有利部位（如河谷地帶、可溶巖與非可溶巖接觸地帶、斷裂帶及低洼地帶）以暗河、泉水的形式排泄地表。

圖1 地下水的穩(wěn)定滲流情況

碳酸鹽巖裂隙溶洞水的流量、水位隨季節(jié)和降水量的大小而變化，其變化幅度有小有大。既有動態(tài)穩(wěn)定型，常年流量變化不太，又有動態(tài)極不穩(wěn)定型，雨季流量增大10～20倍以上，常年不干。

3.4 地下水水化學特征

根據對當地的碳酸鹽巖裂隙水進行取樣分析，區(qū)內水化學類型以HCO3-Ca.Mg、HCO3-Ca型水為主，總硬度161mg/L～329.6mg/L，礦化度173mg/L～351.6mg/L，PH值6.58～7.67，屬低礦化中性微硬水。

4 湖南省礦山水文資源形成機理及特征研究

4.1 水文地質資源的類型劃分

礦山地下水文地質資源的形成受斷裂構造及地層巖性的控制。其主要賦存于泥盆系上統(tǒng)錫礦山組下段(D3x1)、石炭系下統(tǒng)巖關階下段（C1y1）、石炭系下統(tǒng)大塘階石磴子段（C1d1）中的灰?guī)r、白云質灰?guī)r、白云巖中，其次賦存在泥盆系上統(tǒng)錫礦山組上段(D3x2)、石炭系下統(tǒng)巖關階上段（C1y2）的砂巖、粉砂巖中。白云質灰?guī)r受地質構造的影響，淺部裂隙發(fā)育為地下水的儲存提供了有利的空間。

規(guī)模較大的斷裂帶（F3）及其上盤的張性、張扭性裂隙系統(tǒng)和次一級張扭性斷裂帶（F7、F8）在淺部起著導水作用。勘查區(qū)斷裂規(guī)模較大，延伸大，破壞巖石的完整性而產生大量的節(jié)理裂隙。

根據前期在勘查區(qū)所作的地下水可行性勘查成果顯示，淺部礦層水溫在18℃～29℃，同時根據勘查區(qū)地下水形成條件受地層、構造控制來看，該勘查區(qū)水文資源屬低溫資源。

4.2 水文地質資源的具體特征

4.2.1 在平面上的特征

根據區(qū)內地表水出露點調查結合施工的鉆孔可知出露混合水溫為18℃～29℃。本次共調查出水點6個，施工了9個測量點淺孔及2個地層鉆孔，其中QK1擴孔加深變成了ZK1。鉆孔終孔后均進行孔內測溫，地下水水溫高于25.0℃的鉆孔有6個，其中YZ4孔的水溫最高，最高水溫達27.6℃。由于測溫孔測溫時沒有做好含水層分層止漏，導致地表水隨意流動。

根據鉆孔測溫、物探資料，并結合地質水文地質條件，采用內插法作地下水水溫等值線圖，圈定了爻山地段水文地質異常區(qū)，該異常區(qū)平面上呈近圓形，直徑約160.0m，面積0.019km2。

4.2.2 在垂直方向上的特征

前期勘查區(qū)內共施工了9個測量點和2個地質鉆孔，各孔在終孔后用測溫儀對其進行系統(tǒng)測溫，由淺到深每隔1m測一次水溫，水文地質條件良好。ZK1、ZK2孔測得最高溫度為26.4℃～27.7℃，水溫隨鉆孔深度加深，緩慢升高，鉆孔地溫增熱率為4℃/100m，大于正常地溫增熱率3℃/100m；YZ4鉆孔30m～40m處存在水文地質資源異常情況，但水溫較低，最高溫度27.6℃，水量不大。

4.3 區(qū)域地質條件分析

4.3.1 水文資源的來源

根據調查和查閱1:20萬桂陽幅《區(qū)域水文地質普查報告》資料，在嘉禾縣爻山西約10km處發(fā)育近東西向的巖脈（燕山早期γπ52-b），嘉禾縣爻山東邊約40km出露騎田嶺花崗巖巖體（印支期γπ51），且勘查區(qū)南部新麻地采礦權范圍內施工的1號井（TC1）鉆探過程中，孔深800m～2532m為乳白色、灰白色大理巖，大理巖的形成是在高溫、高壓的情況下礦物蝕變形成，該勘查區(qū)附近的騎田嶺巖體在印支期、燕山期都有活動的復式巖體，且以燕山期為主體，該勘查區(qū)可能存在隱伏礦床。

4.3.2 導水作用

規(guī)模較大的F2、F3斷裂帶及其上盤的張性、張扭性裂隙系統(tǒng)和次一級斷裂帶F7、F8、F9在淺部起著導水作用?？辈閰^(qū)斷裂規(guī)模較大，延伸大，破壞巖石的完整性而產生大量的節(jié)理裂隙，在局部地段的深部起到了導水作用。

4.3.3 儲水條件

礦山地下水主要賦存于泥盆系上統(tǒng)和石炭系下統(tǒng)的白云質灰?guī)r、砂巖和白云巖中。白云質灰?guī)r受地質構造的影響，管道及裂隙系統(tǒng)為地下水的儲存提供了有利的空間。

礦山的東邊為泥盆系上統(tǒng)錫礦山組上段（D3x2）粉砂巖、細粒石英砂巖及砂質頁巖，礦田的西邊為石炭系下統(tǒng)巖關階上段（C1y2）鈣質頁巖，其透水性與含水性較差、完整性較好。上部為第四系沖洪積層，巖性為含砂粘土、砂礫石，泥質含量高，密實及石炭系下統(tǒng)巖關階上段地層起到導水作用。

4.3.4 礦山地下水中化學組分及其來源

從礦山水文資源的化學成分來看，水化學類型為HCO3-Ca、HCO3-Ca.Mg型，屬低礦化中性微硬水，陽離子Ca+2、Mg+2含量占總數的90.62%～92.06%，陰離子HCO3-含量占總數的84.39%～91.89%，其產生的原因是地下水在長期徑流流過程中溶解圍巖（碳酸鹽巖）而增高。

4.3.5 礦山地下水補給、徑流流和排泄條件

地下水的補給來源以大氣降水為主，補給區(qū)為鐘水河兩側、西部、南部山區(qū)巖體裸露區(qū)域，大氣降水后，地表水通過松散巖類的孔隙和碳酸鹽巖的各種裂隙向下滲入，一部分由淺部向東方向徑流，另一部分向深部運移，由潛水逐漸轉為承壓水，由西向東徑流（鐘水河），循環(huán)深度達2.0km以上，排泄于地表。

4.3.6 地下水的成因分析

泥盆系上統(tǒng)錫礦山組下段（D3x1）白云質灰?guī)r受構造影響，巖石節(jié)理裂隙較發(fā)育，各種裂隙為地下水的賦存提供了儲存的空間，發(fā)育程度隨深度加大而減弱。

心安渡—下清水斷層（F3）規(guī)模較大，斷層長約40km，斷層帶寬30m～60m，向下延伸較大，構造破壞了巖石的完整性，巖石中節(jié)理裂隙發(fā)育，為地下水的運移提供了有利條件。

綜合上述，認為地下水是地下水由西向東徑流流（鐘水河），在深循環(huán)過程中吸收沿心安渡—下清水斷層（F3）上升后水文資源發(fā)生變化。

圖2 礦山水文資源形成示意圖

5 結論

通過對研究區(qū)的水文地質資源形成條件分析，在研究區(qū)圈定了一個尋找水文資源遠景區(qū)。研究區(qū)地下水的形成主要受F3斷裂構造控制，賦存于碳酸鹽巖裂隙溶洞中，主要含水層為泥盆系上統(tǒng)錫礦山組地層中。