萊西市基巖裂隙水賦存規(guī)律及開發(fā)利用淺析

劉偉，蔣書杰，陳京鵬，李東亮，高云雷，邢繼飛

(1.山東省魯北地質(zhì)工程勘察院(山東省地勘局第二水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì))，山東 德州 253000；2.山東地礦新能源有限公司，山東 濟(jì)南 250000)

0 引言

基巖裂隙水是我國分布最為普遍的地下水類型之一[1-3]，其分布特點(diǎn)具有明顯的方向性、不均勻性和連通程度不一致性，而且地下水補(bǔ)給條件多變，徑流條件復(fù)雜[4]。受降水偏少影響，山東省萊西市近年來缺水問題突出，當(dāng)?shù)匕傩兆园l(fā)實(shí)施的鑿井工程，由于沒有充分考慮地質(zhì)構(gòu)造因素，很多水井水量偏小、甚至干眼，多屬盲目投資，缺水問題已嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)匕傩盏纳a(chǎn)生活。因此，查明研究區(qū)內(nèi)地下水的主要蓄水構(gòu)造類型及賦存規(guī)律，助力脫貧攻堅(jiān)與鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略，顯得愈發(fā)重要。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然地理概況

山東省萊西市位于膠東半島中部，屬魯東低山丘陵區(qū)，地面標(biāo)高多在40～300m，地勢總體北高南低、西高東低。根據(jù)地貌成因，研究區(qū)可分為構(gòu)造剝蝕、剝蝕堆積、堆積地貌等3種類型。

研究區(qū)屬華北暖溫帶季風(fēng)型大陸氣候，具有春遲、夏涼、秋爽、冬長的特征，多年平均降水678.8mm，年平均蒸發(fā)量為1423.5mm，屬于嚴(yán)重缺水區(qū)[5]，降水具有時(shí)空分配不均、年內(nèi)分配不均特點(diǎn)，降水的分布特征與地形相一致。研究區(qū)內(nèi)的河流共有61條，主要屬于大沽河水系，有產(chǎn)芝水庫、北墅水庫、高格莊水庫等，對地表水的依賴性較重，缺少地下水應(yīng)急備用水源地，自2014年以來，受連續(xù)三年干旱影響，該市地表水曾幾乎枯竭，地下水水位下降明顯，嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)匕傩盏纳a(chǎn)生活水平。

1.2 地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

研究區(qū)屬華北地層大區(qū)之晉冀魯豫地層區(qū)、魯東地層分區(qū)，主要出露太古代、古元古代變質(zhì)巖系、中生代白堊系和新生代第四系(圖1)。侵入巖包括中元古代四堡期、新元古代晉寧期、震旦期和中生代印支期、燕山晚期的7個(gè)超單元，零星分布。

1—沂河組；2—臨沂組；3—山前組；4—荊山群；5—玲瓏花崗巖；6—萊陽群；7—雙頂片麻巖；8—八畝地組；9—萊州組合；10—唐家莊巖群；11—棲霞片麻巖；12—王氏群；13—石前莊組；14—馬連莊組合；15—官地洼組合；16—西朱崔片麻巖體；17—石前莊期潛英安斑巖；18—斷層；19—地層界線圖1 區(qū)域地質(zhì)圖

研究區(qū)地處華北板塊東南緣膠北隆起及拗陷區(qū)，跨膠北隆起、膠萊拗陷兩個(gè)Ⅳ級構(gòu)造單元，區(qū)內(nèi)主要構(gòu)造形跡為褶皺構(gòu)造、韌性剪切帶及脆性斷裂構(gòu)造，以NE向和EW向2組最為突出，其地質(zhì)意義重要，或?yàn)椴煌刭|(zhì)體的界線，或?yàn)閹r漿上升的通道。

研究區(qū)屬魯東低山丘陵水文地質(zhì)大區(qū)，跨膠北低山丘陵水文地質(zhì)亞區(qū)和膠萊盆地水文地質(zhì)亞區(qū)，地下水的賦存條件與分布主要與地層巖性、地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造等因素密切相關(guān)，地下水類型可劃分為松散巖類孔隙水、碎屑巖類孔隙裂隙水、碳酸鹽巖類裂隙水和基巖類裂隙水，地下水儲存類型除局部脈狀構(gòu)造裂隙水外，以淺層地下水為主。大氣降水為主要補(bǔ)給來源，地下水的運(yùn)動方向與地形坡降、地表水系相一致，形成大氣降水—地表水—地下水的轉(zhuǎn)換關(guān)系。地下水排泄以人工開采及滲流排泄為主。

1.3 貧水原因

根據(jù)1∶5萬專項(xiàng)水文地質(zhì)調(diào)查，研究區(qū)地下水貧水原因主要有以下幾點(diǎn)：萊西市大部分地區(qū)，第四紀(jì)松散碎屑巖厚度薄，地表廣泛出露不同時(shí)代的巖漿巖、變質(zhì)巖與中生代砂頁巖，含水層不發(fā)育，地下水資源較稀缺，即資源型缺水；受農(nóng)業(yè)種植養(yǎng)殖及生活污染，蘊(yùn)藏在淺部第四系孔隙及基巖風(fēng)化裂隙中的地下水遭受到不同程度的污染，已不能作為生活飲用水源，即水質(zhì)性缺水。

2 蓄水構(gòu)造類型

在基巖地區(qū)尋找地下水，主要就是尋找蓄水構(gòu)造[6]。地下水在基巖山區(qū)蓄積需要具備以下3個(gè)要素：一是透水的巖層或巖體，構(gòu)成蓄水構(gòu)造的儲水介質(zhì)；二是相對隔水的巖層與巖體，構(gòu)成隔水邊界，形成儲水空間；三是地下水的補(bǔ)給和排泄條件[7]。

依托山東省1∶5萬區(qū)域水文地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目(夏甸、日莊幅)實(shí)施的探采結(jié)合孔實(shí)例，總結(jié)出研究區(qū)內(nèi)基巖裂隙水主要蓄水構(gòu)造類型分為4大類：風(fēng)化殼型蓄水構(gòu)造、斷層破碎帶型蓄水構(gòu)造、巖溶裂隙型蓄水構(gòu)造、接觸帶型蓄水構(gòu)造。

2.1 風(fēng)化殼型蓄水構(gòu)造

風(fēng)化殼裂隙水在研究區(qū)內(nèi)廣泛分布，具有埋藏淺、水量小等特點(diǎn)，萊西市多為碎屑巖類、火山巖類風(fēng)化殼蓄水構(gòu)造。該類型地下水以基巖風(fēng)化殼為含水層，以下伏完整基巖為隔水底板，風(fēng)化殼厚度一般5～20m不等，單井涌水量多小于100m3/d，往往以大口徑成井、泉、分散式開發(fā)為利用方向。

巖石顆粒粗細(xì)程度、風(fēng)化裂隙發(fā)育程度，以及較好的匯水地形，都是構(gòu)成風(fēng)化殼蓄水構(gòu)造的重要條件，該類型地下水以大氣降水為主要補(bǔ)給來源，以地下側(cè)向徑流和人工開采為排泄方式[8]，水化學(xué)類型多為HCO3·Cl-Ca型，礦化度一般小于1g/L，如位于萊西市牛溪埠鎮(zhèn)毛家埠村的大口井，井深5m，靜水位2.88m，地下水以潛水的形式賦存于風(fēng)化裂隙中，涌水量76m3/d，水質(zhì)相對較差。

2.2 斷層破碎帶型蓄水構(gòu)造

斷層蓄水構(gòu)造是由斷層破碎帶及其節(jié)理、裂隙、孔隙、溶隙等構(gòu)成了蓄水空間，具有蓄水空間相對大、富水較為不均勻、水動力條件相對較好等特點(diǎn)，其形成條件及其巖性等都影響著其蓄水能力和地下水流場[9]，該類型地下水以大氣降水、地下徑流為補(bǔ)給來源，以人工開采為主要排泄方式。

2.2.1 斷層構(gòu)造巖帶富水

張性、張扭性斷裂的構(gòu)造巖帶疏松多隙，透水性強(qiáng)，斷裂影響帶范圍較小，其富水帶主要在構(gòu)造巖帶[10]，如位于萊西市后莊扶村的ZK15鉆孔，大氣降水入滲后，沿地勢從高向低處徑流，形成淺部富水區(qū)，由于張性斷裂導(dǎo)通了不同含水系統(tǒng)，加上斷裂孔隙率高，充填物少，使得大氣降水沿著斷裂這一“天然導(dǎo)水通道”迅速入滲補(bǔ)給地下水，在39.1～46.3m處構(gòu)造破碎帶富集，形成斷層構(gòu)造巖帶蓄水構(gòu)造。根據(jù)鉆探驗(yàn)證，該孔降深15m時(shí)，涌水量1431.3m3/d，水化學(xué)類型為HCO3·Cl-Na型，礦化度738.16mg/L，總硬度115.09mg/L，水質(zhì)較好(圖2)。

2.2.2 斷層交會處富水

不同走向斷裂交接部位，經(jīng)常形成較好的地下水富集區(qū)[11]。位于萊西市梅花山街道北莊扶村的ZK10鉆孔，位于NNE、近NS向斷裂的交會處，該孔成井深度100m，破碎帶在25～33m，90.1～96.8m，降深15.3m時(shí)，涌水量211.2m3/d。

1—第四紀(jì)臨沂組粉質(zhì)粘土；2—第四紀(jì)沂河組砂、礫；3—白堊紀(jì)礫巖夾薄層粉砂巖；4—地下水流向圖2 ZK15鉆孔蓄水構(gòu)造模型

2.3 巖溶裂隙型蓄水構(gòu)造

碳酸鹽巖類巖溶裂隙水主要分布在北墅水庫以東，以及小沽河兩側(cè)區(qū)域，主要含水層為荊山群野頭組定國寺段大理巖，地下水承受靜水壓力，水位埋深一般小于9.0m，屬于淺埋藏承壓水，含水層富水性主要與巖溶裂隙發(fā)育程度有密切關(guān)系。該類型地下水以大氣降水為補(bǔ)給來源，以人工開采、地下徑流為排泄方式。

2.3.1 巖溶裂隙發(fā)育與斷裂構(gòu)造有密切關(guān)系

不同性質(zhì)的斷層對巖溶發(fā)育的控制作用是大不相同的[12]。一般而言，張性斷裂帶受張拉應(yīng)力作用，張裂程度較大，斷裂面粗糙不平，結(jié)構(gòu)松散，裂隙率高，常為巖溶水的有利通道，有利于巖溶發(fā)育[13]，如位于大東館村的ZK04鉆孔(圖3)，大氣降水入滲后，沿地勢從高向低處徑流，由于大量網(wǎng)脈狀的溶蝕裂隙和部分小型溶洞相互交接，使得大氣降水入滲補(bǔ)給地下水，受深層張性斷裂影響，使得地下水富集。根據(jù)鉆探驗(yàn)證，該孔降深3.75m時(shí)，涌水量482.88m3/d，水化學(xué)類型為HCO3-Ca·Mg型，礦化度668.14mg/L，總硬度385.31mg/L，水質(zhì)較好。

1—第四紀(jì)粉質(zhì)粘土；2—荊山群大理巖；3—呂梁期變基性巖；4—地下水流向圖3 ZK04鉆孔蓄水構(gòu)造模型

2.3.2 巖溶裂隙發(fā)育與深度呈負(fù)相關(guān)

區(qū)內(nèi)巖溶裂隙發(fā)育多在10～60m，為中等富水帶，在深部140～180m之間也有巖溶裂隙發(fā)育，但富水性較弱，如位于萊西市牛溪埠鎮(zhèn)西道格莊村水井，深度191m，降深53.5m時(shí)，涌水量485.42m3/d。

2.3.3 可溶巖與非可溶巖的接觸部位易富水

可溶巖與非可溶巖接觸帶為地下水的富水靶區(qū)[14]，這是由于非溶巖對巖溶裂隙水起阻礙作用，使接觸部位巖溶裂隙水水平運(yùn)動加強(qiáng)，水循環(huán)交替作用加劇，以及巖層受力后，可溶鹽巖與非可溶鹽巖變形的差異導(dǎo)致節(jié)理裂隙或巖層蝕變重結(jié)晶現(xiàn)象的發(fā)育常在這些接觸帶附近，而使巖溶裂隙較其他部位發(fā)育，富水性相對較好。大理巖與粉砂質(zhì)泥巖接觸部位，受泥巖的阻擋，溢出易形成下降泉。

2.4 接觸帶型蓄水構(gòu)造

不同巖層的接觸帶，它們具有儲蓄地下水的空間，經(jīng)常成為地下水的良好通道[15]，形成接觸帶型蓄水構(gòu)造。該類型地下水集中分布在不同巖性的接觸狹長地帶，主要指不整合接觸蓄水構(gòu)造、侵入巖體接觸蓄水構(gòu)造和巖脈接觸蓄水構(gòu)造[16]，該類型地下水以大氣降水為補(bǔ)給來源，以人工開采、地下徑流為排泄方式。

位于丁家莊的ZK12鉆孔，大氣降水入滲后，沿地勢從高向低徑流，在接觸帶附近，順著接觸帶裂隙向下部徑流，在接觸帶附近的節(jié)理裂隙中賦存，在遇到礦脈阻隔后，在接觸帶附近破碎巖石中富集地下水，形成接觸帶型蓄水構(gòu)造(圖4)。根據(jù)鉆探驗(yàn)證，該孔降深26.86m，涌水量159.6m3/d，水化學(xué)類型為Cl-Ca型，礦化度1158.74mg/L，總硬度605.48mg/L，水質(zhì)一般。

位于萊西市馬連莊鎮(zhèn)崔格莊村西北200m處，有一泉眼名為“藥王泉”，泉點(diǎn)上部覆蓋有殘堆積相含礫亞粘土，厚度1.5～3.5m，下部為晚太古代阜平期棲霞超單元牟家單元片麻狀細(xì)粒奧長花崗巖，經(jīng)風(fēng)化剝蝕，風(fēng)化層厚度可達(dá)20～35m，裂隙密集呈網(wǎng)狀，地下水以潛水的形式賦存于風(fēng)化裂隙和淺部構(gòu)造裂隙中，并隨地形坡降自東北向西南河流排泄，水位埋深大于6m，谷底處因斷裂切割且受英云閃長巖阻隔，出露成泉(圖5)。

1—第四紀(jì)粉質(zhì)粘土；2—白堊紀(jì)安山角礫巖、集塊巖；3—白堊紀(jì)流紋巖、流紋英安巖；4—地下水流向圖4 ZK12鉆孔蓄水構(gòu)造模型

1—英云閃長巖；2—奧長花崗巖；3—斷裂；4—地下水流向；5—泉圖5 藥王泉蓄水構(gòu)造模型

3 惠民效益分析

3.1 精準(zhǔn)找水及開發(fā)利用方向

基于蓄水構(gòu)造三要素，在水文地質(zhì)調(diào)查和物探測量的基礎(chǔ)上，定孔10眼，成井9眼，基本實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)找水，基本掌握了研究區(qū)的基巖富水性及成井規(guī)律，對以后的找水工作提供較大的指導(dǎo)意義。以ZK16鉆孔為例，該孔位于萊西市武備鎮(zhèn)仇家莊，經(jīng)水文地質(zhì)調(diào)查，該村南部深井極少，下部基巖完整，破碎不發(fā)育，富水性差，為十分缺水地區(qū)，村南毛家埠工業(yè)園內(nèi)工廠用水、果蔬大棚用水等，往往穿過高速公路，去村西北水井處人力拉水，給村民生產(chǎn)生活用水造成極大不便。ZK16鉆孔的成功實(shí)施，極大的解決了村南生產(chǎn)生活用水需求，取得了良好的社會經(jīng)濟(jì)效益。

研究區(qū)內(nèi)找水第一方向，應(yīng)為斷裂型與巖溶裂隙型蓄水構(gòu)造。生產(chǎn)實(shí)踐中，應(yīng)結(jié)合水文地質(zhì)調(diào)查、物探測量等多種工作手段，重點(diǎn)在脆性巖石中的張性斷裂帶、不同方向的斷層交會處以及巖溶地區(qū)尋找地下水，該類型地下水水量往往相對豐富、且水質(zhì)相對較好，適合小口徑集中式生產(chǎn)開采，開采成本相對較高；風(fēng)化殼裂隙水普遍存在，水量較小、分布不均、開采成本較低，便于分散式供水開采[17]，生產(chǎn)實(shí)踐中，以尋找匯水洼地為第一考慮因素；接觸帶型蓄水構(gòu)造，涌水量往往不大，其供水意義略強(qiáng)于風(fēng)化殼裂隙水。

3.2 圈定富水地段及找水成果驗(yàn)證

3.2.1 圈定富水地段

在南墅鎮(zhèn)的大東館--盛家村附近圈定一碳酸鹽巖(大理巖)富水地段，邊界范圍西起石廟村西，東至盛家村--東石格莊村東，面積3.46km2(圖6)，含水層巖性主要為荊山群大理巖，枯、豐水期統(tǒng)測水位埋設(shè)在6.92～7.14m之間，水化學(xué)類型為HCO3-Ca·Mg型，水質(zhì)較好。該富水地段采用平均布井法，平均布設(shè)5～6口供水井，可開采量達(dá)1.2萬m3/d，可解決區(qū)內(nèi)4萬人日常用水問題。綜上所述，該富水地段可以作為中小型水源地，為城市應(yīng)急供水。

在仇家莊--徐家屯附近，圈定一安山巖富水地段，面積0.53km2(圖7)，含水層巖性為青山群八畝地組安山巖，在其破碎、裂隙發(fā)育地段(80～90m)，水量較好，枯、豐水期統(tǒng)測水位埋設(shè)在17.27～19.2m之間，已形成小范圍降落漏斗，水化學(xué)類型為HCO3·Cl-Na·Ca型，水質(zhì)較好。采用平均布井法，平均布設(shè)5～6眼、深度100～120m水井，預(yù)計(jì)涌水量可達(dá)8000m3/d，可解決區(qū)內(nèi)1～2萬人日常用水問題。

1—富水性>500m3/d；2—富水性<500m3/d；3—富水地段分區(qū)界線；4—實(shí)測及推測斷裂圖6 碳酸鹽巖富水地段

1—富水性>500m3/d；2—富水性<500m3/d；3—富水地段分區(qū)界線圖7 安山巖富水地段

3.2.2 找水成果驗(yàn)證

本項(xiàng)目施工10眼基巖類探采結(jié)合孔，總涌水量2009.04m3/d，換算涌水量可達(dá)7438.68m3/d(表1)，可及時(shí)解決7個(gè)村莊約4500人的吃水問題，還能滿足740hm2農(nóng)田、果林的灌溉用水需求。

表1 萊西市水文地質(zhì)探采結(jié)合孔一覽表

微量元素鍶(Sr)具有改善骨代謝、增強(qiáng)骨質(zhì)強(qiáng)度，以及預(yù)防心血管疾病的作用，對人及其他動物生理機(jī)能具有重要的生物學(xué)意義及毒理學(xué)意義[18-20]，在施工的10眼探采結(jié)合孔中，發(fā)現(xiàn)有4眼富鍶地下水點(diǎn)，水質(zhì)已達(dá)到含鍶型飲用天然礦泉水命名標(biāo)準(zhǔn)(表2)，具有一定的商業(yè)開發(fā)利用價(jià)值。

表2 含鍶型飲用天然礦泉水點(diǎn)一覽表

4 結(jié)論

萊西市在復(fù)雜的地質(zhì)背景下，形成了賦水機(jī)理不同的基巖裂隙水蓄水構(gòu)造。本文總結(jié)出研究區(qū)內(nèi)基巖裂隙水主要蓄水構(gòu)造類型分為4大類，即風(fēng)化殼型蓄水構(gòu)造、斷層破碎帶型蓄水構(gòu)造、巖溶裂隙型蓄水構(gòu)造、接觸帶型蓄水構(gòu)造。不同類型的蓄水構(gòu)造，水量水質(zhì)差異明顯。

在水文地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，結(jié)合探采結(jié)合井實(shí)例，圈定了碳酸鹽巖、安山巖2處富水地段，并尋找到了4處富鍶地下水點(diǎn)，惠民效益顯著。

針對萊西市各種類型的蓄水構(gòu)造特征，研究區(qū)內(nèi)應(yīng)以斷裂型與巖溶裂隙型蓄水構(gòu)造為第一找水方向，孔深100～150m為宜。