河南省新安縣郁山鋁土礦床水文地質特征

羅文金，劉百順，孫亞偉，尚瑞鑫，劉家橘

(1.河南省地質調查院，河南鄭州 450001; 2.河南省地質礦產勘查開發局第一地質工程院，河南駐馬店 463000; 3.河南省地質礦產勘查開發局區域地質調查隊，河南鄭州 450001)

郁山鋁土礦床是河南省近幾年新探獲的大型隱伏鋁土礦床，位于河南省新安縣城西南約5km處，地處河南省最主要的鋁土礦資源產地－洛陽－三門峽地區的東段(陳全樹等，2002)，其礦床水文地質條件是河南省鋁土礦床的典型代表。

郁山鋁土礦區位于澗河南岸，地形南高北低，地面標高282～640m，相對高差為320m;區內地貌類型有低山丘陵、黃土丘陵和河谷帶狀平原。礦區屬北溫帶大陸性季風氣候，多年平均氣溫13.84℃，多年平均降水量630.47mm，降水年際變化較大，多年平均蒸發量為1595.15mm;礦區屬黃河水系，主要河流澗河多年平均流量2.758m3/s，最大年平均流量為9.27m3/s(1964年)，最小年平均流量0.72m3/ s(1981年)，多年平均水位242.84m①。礦區東部土古洞水庫最大庫容約為45萬m3。

1 區域水文地質特征

礦區位于華北地層大區晉冀魯豫地層區豫陜地層分區澠池－確山地層小區。區域地層發育較全(圖1)，主要地層有中元古界洛峪群三教堂組石英砂巖、下古生界寒武－奧陶系碎屑巖和碳酸鹽巖、上古生界石炭－二疊系碎屑巖夾碳酸鹽巖、中生界三疊系碎屑巖、新生界新近系洛陽組碎屑巖和第四系松散堆積物。根據地下水賦存的巖類、賦存條件及水理性質，礦區所在區域地下水劃分為三大類型:松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖類裂隙巖溶水及碎屑巖類孔隙裂隙水。

1.1 松散巖類孔隙水

區域上松散巖類地層厚度小、埋深淺，賦存其中的地下水與大氣降水關系密切，屬淺層地下水。分布于黃土丘陵地區，中更新統黃土含水層，單井涌水量小于10m3/d，常見泉流量小于1.0L/s，地下水位埋深10～30m;下伏新近系賦存砂礫石層孔隙水，補給條件較差，水量貧乏，單井涌水量小于10m3/d;澗河兩側的河流階地和河漫灘上更新統和全新統賦存沖積層孔隙水，水位埋深一般3～10m，富水性強，二級階地單井涌水量500～1000m3/d，河漫灘和一級階地單井涌水量1000～5000m3/d。

圖1 西郁山礦段水文地質剖面圖Fig.1 Hydrogeological profile of the western Yushan mine section1－第四系;2－石盒子組三段;3－石盒子組二段;4－石盒子組一段;5－山西組;6－太原組;7－本溪組;8－奧陶系馬家溝組; 9－礦層;10－鉆孔編號;11－壓力水頭線;12－碳酸鹽巖裂隙巖溶水含水層;13－碎屑巖類裂隙水含水層;14－隔水層1－Quaternary;2－third member of Shihezi Fm.;3－second member of Shihezi Fm.;4－first member of Shihezi Fm.;5－Shanxi Fm.; 6－Taiyuan Fm.;7－Benxi Fm.;8－Ordovician Majiagou Fm.;9－Orebody;10－Drillhole Number;11－Line pressure head;12－carbonate karst fissure water aquifers;13－clastic rocks of fracture water aquifers;14－water－resisting layer

主要為大氣降水入滲補給、澗河側滲補給、水庫滲漏補給、地下水側向徑流補給等。流向與地形傾向基本一致，水力坡度與地形坡度相近，河谷階地地下水徑流條件較好，黃土丘陵區徑流條件差。排泄方式為蒸發排泄、開采排泄、越流排泄、泉排泄及河流排泄。

1.2 碳酸鹽巖類裂隙巖溶水

賦存于寒武系、奧陶系及石炭系碳酸鹽巖裂隙溶洞之中，分布廣泛，大面積出露于礦區北部的低山丘陵地區，零星出露于礦區東部的澗河南側，埋藏于第四系及二疊系之下。含水巖組以下寒武系饅頭組頁巖為隔水底板，以二疊系砂頁巖為隔水頂板。出露區被溝谷切割，溶溝、溶槽、半干谷發育，裂隙、溶洞沿溝谷滋生，構成區域上裂隙巖溶水補給區。出露區多處于非飽和狀態，潛水位埋深很大，出露的泉流量一般較小;覆蓋區為飽和帶，地下水相對富集，但水量差別較大，單井涌水量10～1500m3/d;緊鄰礦區北部的廟頭上升泉流量為68.9L/s①，富水性極強。

大氣降水入滲是區域碳酸鹽巖類裂隙巖溶水的主要補給來源。地下水沿層面及裂隙、溶隙向東逕流，徑流條件較好。在補給區沿溝谷就地以泉排泄、澗河階地成泉排泄;通過斷裂向東、向北徑流排泄及向上覆含水層排泄;通過中深井人工開采排泄;排泄條件較好。

1.3 碎屑巖類孔隙裂隙水

賦存在中元古界、古生界石炭系、二疊系、中生界三疊系及新生界古近系的砂巖、礫巖的孔隙裂隙中。區域上大面積分布，含水巖組富水程度普遍較差，分布很不均勻，局部存在相對富集地段，地下水的相對富集與區域地貌、構造及地表松散堆積物的存在密切相關。基巖山區地形起伏較大，溝谷切割較深，大氣降水入滲補給條件較差，地下水貧乏，常見泉流量多小于3.0L/s，地下水逕流模數小于3.0L/s·km2;地下水沿斷裂破碎帶相對富集，泉流量可達11.6L/s①。在較厚黃土及砂卵石層覆蓋區，下伏碎屑巖類孔隙裂隙水的補給條件好，地下水相對富集，單井涌水量10～1000m3/d。

裸露區為大氣降水入滲補給，補給條件較差;地下水徑流途徑較短，一般在溝谷低凹處就地成泉排泄和向下游徑流排泄，少量通過斷裂向深部徑流排泄。黃土覆蓋區徑流補給和上部黃土中孔隙水的下滲補給，補給條件較好。主要向河谷階地徑流。排泄方式主要有人工開采、煤礦礦坑排水和側向徑流排泄。

2 礦區含水層、隔水層與構造特征

2.1 礦區含水層

(1)碳酸鹽巖類裂隙巖溶水含水層

寒武系裂隙巖溶水含水巖組:主要為鮞狀灰巖、致密灰巖、白云質灰巖、白云巖、夾泥質條帶灰巖含水層，厚270～320m，以溶槽、溶坑、溶隙、溶洞為主的地表巖溶發育，出露面積較大，有利于大氣降水的入滲補給，底部黃綠紫紅色頁巖、砂質頁巖相對隔水，有利于地下水的儲存，富水性較好。水位標高254～305m，單井涌水量20～130m3/h;相鄰礦區鉆孔遇見高2.30m的溶洞，漏水嚴重，連通性良好;單位涌水量1.31～6.5m3/h·m，為中等－強富水性，地下水化學類型為HCO3－Ca·Mg型。

奧陶系中統裂隙巖溶水含水巖組:廣泛分布于西郁山礦區，埋藏于鋁土礦底板之下，局部出露，為礦床充水影響最大的充水含水層(沈繼方等，1992)。主要為深灰色灰巖、泥質灰巖、豹皮狀白云質灰巖、白云質灰巖含水層，灰巖質地較純，風化程度中等，裂隙、巖溶發育程度不均一，局部見有小溶孔，鉆孔中未見大的溶洞，含水層滲透系數 K= 0.096m/d，富水性中等。西郁山礦區以東奧陶系中統埋藏淺，地下水補給源充足，徑流強度大，巖溶發育好，富水性較好，單井涌水量為120m3/h，單位涌水量1.85m3/h·m，為中等富水性。

石炭系上統裂隙巖溶水含水巖組:礦區內廣泛分布，位于鋁土礦頂板之上，主要為太原組泥晶灰巖、生物碎屑灰巖及燧石團塊灰巖含水層，普遍發育1～3層，局部發育4～5層，呈薄層透鏡體，單層厚度1.20～16.53m，累計厚度1.41～26.39m。巖溶裂隙不甚發育，由于二疊系大面積覆蓋，出露面積較小，接受大氣降水入滲及上覆含水層補給量較小，富水性較弱。西郁山礦區東部的煤礦勘探鉆孔有漏水現象發生，漏失量0.15～＞60m3/h，抽水鉆孔單位涌水量0.0148L/s·m，臨區煤礦突水量7～60m3/ h，該含水巖組富水性弱－中等。

(2)碎屑巖類裂隙水含水層

石炭系砂巖裂隙水含水層組:由石炭系上統石英砂巖、粉砂巖組成，位于鋁土礦層頂板之上，分布較穩定，一般發育1～2層，中等風化，節理裂隙較發育，富水性較好。一般與石炭系上統裂隙巖溶水含水巖組直接接觸，組成統一的含水巖組。

二疊系砂巖裂隙水含水層組:由二疊系石英砂巖、長石砂巖、長石石英砂巖組成，一般發育6～10層，單層厚8～15m，節理裂隙及構造裂隙發育一般，各含水層之間有厚層泥巖、泥質砂巖相對隔水層阻隔，水力聯系不密切。多被第四系覆蓋，地表分水嶺或較高處小面積出露，地下水補給條件較差，出露泉流量多小于0.5L/s，為弱富水性。但在構造有利地帶和遠離背斜軸部地層傾角較小的地帶地下水相對富集，礦區勘探孔ZK31A04在鉆進至山西組底部長石石英砂巖時發生涌水，流量可達1.53L/s，為中等富水性。

(3)松散巖類孔隙水含水層

黃土丘陵地區中更新統風成黃土或黃土狀土10～60m，賦存黃土孔隙孔洞裂隙水，水量貧乏，單井涌水量小于10m3/d，常見泉流量小于1.0L/s，地下水位埋深10～30m。下伏新近系賦存砂礫石層孔隙水，厚度不大，補給條件較差，孔隙水水量貧乏，單井涌水量小于10m3/d。

澗河兩側的河流階地和河漫灘地區，以中生界砂巖、泥頁巖為隔水底板，含水層顆粒較粗，厚度15～30m，水位埋深一般3～10m，富水性強。遠離河道帶的二級階地單井涌水量500～1000m3/d，近河道帶的河漫灘和一級階地單井涌水量 1000～5000m3/d。

2.2 礦區隔水層

(1)鋁土礦頂板隔水層

石炭系本溪組頂部泥巖、石炭－二疊系太原組泥巖共同組成鋁土礦床的頂板隔水層。

本溪組頂部泥巖隔水層:分布于鋁土礦礦體頂部，與礦體直接接觸，為鋁土礦的頂板直接隔水層，厚度變化大，為0～3.35m，分布較為穩定，局部缺失。巖性為灰黑色中厚層狀鋁土質泥巖，泥晶結構為主，塊狀構造，上部含少量炭質。由于其厚度不大，且局部缺失，所以其隔水能力較差。

石炭—二疊系太原組泥巖隔水層:分布于太原組的中上部，巖性以深灰色、灰黑色泥巖為主，次為泥質粉砂巖，普遍發育1～4層，單層厚度1.02～31.36m，累計厚度6.60～31.36m，分布較穩定，隔水性能較好。

(2)鋁土礦底板隔水層

石炭系本溪組中、下部泥巖，位于鋁土礦礦體底部，為鋁土礦床的底板直接隔水層，巖性為鋁土質泥巖、鐵質泥巖，厚度0～7.96m，局部缺失，分布不連續，不具備普遍的隔水層意義。

2.3 礦區構造水文地質特征

郁山鋁土礦主要位于土古洞背斜之南翼，為單斜構造，巖層走向北西，傾向南西，傾角18°～28°左右。土古洞背斜軸部為礦區地下水分水嶺，控制背斜兩翼地下水徑流方向。礦區以隱伏為主發育北西西、北東和北西向三組斷層，一般為正斷層，斷裂帶具儲水與導水性質，通常構成聯通各含水層組的垂向通道(沈繼方等，1992)。

3 礦區地下水補給、逕流、排泄條件

松散巖類孔隙水的補給來源主要為大氣降水入滲補給、汛期澗河側滲補給、土古洞水庫滲漏補給和地下水側向徑流補給，補給條件較好。流向與地形傾向基本一致，河谷階地區含水層滲透性好，徑流條件較好;黃土覆蓋區徑流條件差。排泄方式有蒸發排泄、開采排泄、越流排泄、泉排泄及河流排泄。

碳酸鹽巖類裂隙巖溶水在淺埋區與出露區接受大氣降水入滲補給，上游邊界(東邊界)接受地下逕流補給。沿層面及裂隙、溶隙向東、向南逕流，徑流條件較好。主要排泄方式為徑流排泄、越流排泄和人工開采排泄，排泄條件較好。

碎屑巖類孔隙裂隙水，裸露區直接接受大氣降水入滲補給，補給條件較差;地下水徑流途徑較短，一般在溝谷低凹處就地成泉排泄和向下游徑流排泄。覆蓋區接受上游徑流補給和黃土中孔隙水的下滲補給，補給條件較好;向河谷階地徑流;排泄方式主要有人工開采、煤礦礦坑排水和側向徑流排泄。

4 礦床充水條件

4.1 礦床充水水源分析

地下水是礦床充水的主要水源(沈繼方等，1992)，來自于與鋁土礦床聯系密切的奧陶系中統裂隙巖溶水含水巖組和石炭系上統裂隙巖溶水含水巖組、石炭系砂巖裂隙水含水巖組，為直接充水水源;寒武系裂隙巖溶水和二疊系砂巖裂隙水為其間接充水水源。地表水(澗河河水和土古洞水庫水)及大氣降水為礦床充水的影響因素，對主要充水水源起補給作用(沈繼方等，1992)。分布于鋁土礦東部的郁山煤礦主采層二1煤層部分已采空，采空區積水有可能成為礦井的充水水源。

4.2 礦床充水通道分析

由于該礦床的的頂板、底板直接隔水層厚度均小，且分布不均，部分礦體頂板或底板直接與含水層接觸，其頂板、底板巖層的節理裂隙將成為滲入性通道，形成面狀滲水性涌水，滲入性通道涌水量不大，但持續時間較長。在隔水底板較薄與缺失地帶、斷裂破碎帶、大裂隙及封閉不好的鉆孔等均可成為潰入性充水通道，涌水量大，對礦床開采危害性大。

4.3 礦層頂板充水條件分析

礦層頂板充水水源主要來自于石炭系太原組(C2P1t)泥晶灰巖裂隙巖溶水和長石石英砂巖裂隙水。該含水層組位于礦層頂板上部，大部分地段與礦層之間有薄層灰黑色泥巖相隔，部分地段與礦層直接接觸，由于含水層厚度較小，一般為24.7～625m，預計開采過程中礦層頂板可能出現淋水情況。二疊系石英砂巖裂隙水含水層層數多、厚度較大，但各含水層之間有厚層泥巖相隔，各含水層之間及礦層頂板充水含水層之間水力聯系不密切。斷裂破碎帶及封閉不好的勘探鉆孔，將溝通頂板以上各含水巖組，有可能形成頂板潰入性涌水。

4.4 礦層底板充水條件分析

礦層底板充水水源主要來自于下伏奧陶系中統馬家溝組(O2m)細晶白云巖、泥晶灰巖的裂隙巖溶水。底板含水層和礦層之間分布不連續的鋁土質泥巖隔水層，隔水層厚度不均，部分地段礦層直接與下伏奧陶系接觸，底板隔水層分布不連續，不具有普遍隔水意義，開采過程中底板隔水層薄弱的地段可能產生底板透水的現象，在斷裂構造發育地段，奧陶系下部含水層地下水沿斷裂向上補給，有增大礦層底板透水的可能性。

5 地下水與鋁土礦富集

在鋁土礦的形成過程中，地下水的作用貫穿始終，主要表現為“脫硫去硅”作用(陳全樹等，2002;李中明等，2009)，即在飽氣帶(垂直淋濾帶)和潛水位變動帶、斷裂破碎帶、地層傾角較大地帶、地形坡度較大地帶、巖溶發育帶等垂直、水平強徑流帶和地下水排泄帶處，有利于脫硫、去硅、富鋁作用的進行，鋁土礦體進一步富集，品位得以進一步提高;反之，在地下水逕流滯緩地帶則不利于鋁土礦的富集。

6 結論

(1)礦床頂板直接充水水源為石炭系－二疊系太原組(C2P1t)灰巖裂隙巖溶水、砂巖裂隙水;礦床底板直接充水水源為奧陶系馬家溝組(O2m)灰巖裂隙巖溶水;澗河和土古洞水庫等地表水體有可能成為礦床充水的間接水源;鋁土礦層上部局部煤礦采空區和東部郁山煤礦采空區的老窿水有可能成為礦床充水的主要水源。

(2)同時具備滲入性充水通道和潰入性充水通道。

(3)新安縣郁山鋁土礦為頂、底板直接充水的水文地質條件中等復雜的以溶蝕裂隙為主的巖溶充水礦床(第三類、第一亞類、第二型)。

(4)郁山鋁土礦附近的大中型高耗水工礦企業較多，需水量較大。礦山疏干排水的水質較好，水量較大，可以滿足企業的生產、生活用水需求。因此，實施礦山排水的綜合利用對解決企業和城市供水短缺的問題意義重大。

［注釋］

河南省地礦局水文地質二隊.1985.中華人民共和國區域水文地質普查報告(1:200000洛陽幅，臨汝幅)［R］

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［附中文參考文獻］

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沈繼方，于青春，胡章喜.1992.礦床水文地質學［M］.武漢:中國地質大學出版社:1－56