北山地區風化裂隙水分布特征和富集規律

郭永海，王海龍，董建楠，蘇 銳，季瑞利，劉淑芬，李亞偉，宗自華，

（核工業北京地質研究院，中核集團高放廢物地質處置評價技術重點實驗室，北京 100029）

北山地區位于甘肅省西部河西走廊以北，行政區劃隸屬于甘肅省酒泉地區和內蒙古額濟納旗。 地理坐標大致為： 北緯40°30′～40°40′；東經 94°00′～100°00′， 總面積約 90 000 km2，其中基巖分布面積高達70%以上。在干旱氣候條件下，區內物理風化作用強烈，淺部巖石多呈機械破碎狀態，風化裂隙發育，因此，風化裂隙水分布范圍較廣，已經成為區內居民用水的主要水源。從供水角度出發，正確認識北山地區風化裂隙水富集規律十分必要；從我國目前在該區開展的高放廢物處置庫選址角度出發，查清風化裂隙水富集和分布規律也是水文地質研究的重要內容之一。

依據前人在該區開展的水文地質普查資料及我們近年來開展的調查和研究，對區內風化裂隙水富集和分布規律進行了初步分析，希望能為今后在該區開展的高放廢物處置庫選址，以及地下水資源開發研究等提供借鑒。

1 自然地理及地質背景概況

該區地勢西高東低，海拔高度1 000～2 500 m，山體呈近EW向展布，位于中部的馬鬃山主峰，海拔高度2 583 m，東部與黑河下游平原接觸，海拔高度約1 000 m左右。地貌形態特征為微切割的中低山、丘陵和洼地相間排列，中低山、丘陵多由古生代地層和巖體構成，洼地多分布有中、新生代沉積物。區內無常年性地表水體，但由洪水沖蝕形成的溝谷十分發育，主溝近EW向分布者居多，支溝多垂直于山體分布。

該區是我國典型的干旱地區，降水量少，蒸發量大，干燥多風，植被稀少，冬冷夏熱，屬典型的大陸性氣候。據當地氣象資料，該區降水量表現出隨地勢升高而遞增的規律性。地形每升高100 m，降水量增加3.8 mm，據此推算，馬鬃山西段年平均降水量可達90 mm以上，東部低山、丘陵及盆地內亦可達60～70 mm。從多年降水資料看，豐水年調查區西部降水量可達100～120 mm以上，東部可達80 mm；貧水年調查區西部降水量可達60 mm左右，東部約為40 mm。

調查區西部年平均氣溫約4℃，年蒸發量約3 100 mm；東部年平均氣溫約5℃，年蒸發量增高至3 500 mm左右。年內氣溫變化較大，1月份氣溫最低，平均-11.6℃，7月份氣溫最高，平均為22℃左右。

區內地層出露較為齊全，自震旦系至第四系均有分布。震旦系為淺海相碎屑巖、碳酸鹽巖沉積，主要巖性為變質砂巖、片巖及大理巖、結晶灰巖等；寒武系為一套海相沉積，以碳酸鹽巖為主；奧陶系和志留系主要為混合巖、變質巖，其上部分布著大量火山巖；泥盆系為火山碎屑巖沉積，缺失下統；石炭系和二疊系均為海相、海陸交互相沉積，以碳酸鹽巖為主，有少量碎屑巖、泥質巖；三疊系、侏羅系和白堊系均為陸相碎屑巖沉積，以砂礫巖、礫巖和砂巖為主；古近系、新近系主要為砂巖、粉砂巖、泥巖，有少量砂礫巖；第四系不發育，為一套松散或半膠結沉積物，以洪積相、沖洪積相為主。

區內在大地構造上屬天山—興安褶皺系。研究區范圍內該褶皺系包括兩個Ⅱ級構造單元，北天山造山帶和北山—內蒙古造山帶（新疆維吾爾自治區地質礦產局，1993；內蒙古自治區地質礦產局，1991）。褶皺、斷裂非常發育，EW向構造為主導構造，由一系列復式褶皺、斷裂及其伴生的兩組扭性斷裂組成，規模較大，此外，還存在一定規模的NE向構造，多以斷裂形式出現［1］。

區內巖漿巖發育，約占基巖出露面積的50%，尤以華力西中期巖漿巖最為發育，分布面積廣。巖性主要有斜長花崗巖、二長花崗巖、鉀長花崗巖和混合巖化巖石等，通常以大型巖基產出。

2 風化裂隙水的分布特征

暴露于地表的巖石，在溫度變化，以及水和空氣、生物等營力作用下形成風化裂隙。風化裂隙常在成巖裂隙、構造裂隙的基礎上進一步發展，形成密集而均勻、無明顯方向性，連通性良好的裂隙網絡，其間賦存的地下水即為風化裂隙水。風化裂隙的發育深度一般為n×100～n×101m，其下部未風化的母巖往往構成相對隔水底板，因此，風化裂隙水一般為潛水，如果風化裂隙帶被后期沉積物覆蓋，則可形成古風化殼承壓水［2-3］。

北山地區氣候干旱，且溫差較大，巖石的熱脹冷縮及水的凍脹等物理風化作用強烈，有利于形成含水和導水的風化裂隙。根據鉆孔揭露，該區基巖風化裂隙帶深度一般為5～50 m，斷裂帶附近或與圍巖接觸帶附近風化裂隙帶發育深度可達80 m。風化裂隙水主要來源是當地大氣降水入滲補給，補給方式是降雨沿巖石節理、裂隙垂直入滲，但補給量有限，只有單次降雨量達到一定規模時（大于5 mm）才能對地下水構成明顯補給，因此，這種類型的地下水水量一般不大，單井涌水量多小于20 m3·d-1，但在條件良好的情況下，也可形成水量較豐富的地下水，單井涌水量達到每日數百立方米。這類地下水一般以潛水的形式存在，水位埋深差別較大，在北山地區分布較廣泛。在地勢較低的丘陵區水位埋深相對較小，一般為5～40 m；地勢較高的山區水位埋深相對較大，一般為40～100 m。

3 風化裂隙水富集的影響因素分析

北山地區的氣候條件總體上是相似的，但風化裂隙帶的發育深度不同，其風化裂隙的連通性也不同，因此，風化裂隙水的富水性也存在較大差異。經鉆孔資料、民井資料分析，認為影響風化裂隙帶的發育深度、風化裂隙的連通性，以及富水性的主要因素是巖性、地形和構造3個方面，當巖性、地形和構造條件達到最佳組合時，風化裂隙可以達到中等富水程度。

3.1 巖性的影響

資料顯示，北山地區風化裂隙水的富水性因含水介質巖性不同而存在明顯差異。根據甘肅省水文地質普查資料，火成巖區基巖裂隙水單井涌水量10～200 m3·d-1，變質巖和沉積巖單井涌水量一般小于10 m3·d-1。以馬鬃山煤礦幅資料為例，火成巖主要由花崗巖、花崗閃長巖及閃長巖組成，分布于六角井、蘆草井、同昌口和白頭山等低緩丘陵和準平原區，裂隙發育，地下水主要賦存于風化裂隙帶中，根據8個鉆孔揭露，風化帶深度一般小于80 m，水位埋深小于40 m，單孔涌水量 102.3～270.1 m3·d-1（表 1）。 而變質巖中的3個鉆孔，雖然風化裂隙帶的發育深度也在15～50 m之間，但均為干孔（表1）。此外，民井抽水試驗資料也顯示，花崗巖中的民井涌水量達到10～20 m3·d-1，而變質巖中的民井涌水量只有0.5～10 m3·d-1。也就是說，火成巖風化裂隙水水量明顯大于變質巖和沉積巖風化裂隙水水量，說明巖性是控制北山地區風化裂隙水富集的一個重要因素。

巖性影響北山地區風化裂隙水富集程度的主要原因是風化裂隙帶的充填物質和充填程度不同造成的。變質巖、碎屑巖多為塑性巖層，風化裂隙張開性差，且常常被泥質物質緊密充填，裂隙的含水性和導水性大大降低。而花崗巖、花崗閃長巖等火成巖屬脆性巖石，風化裂隙張開性好，充填物少，且多為砂性物質，因此，含水性和導水性都相對較好。由此可見，巖性是風化裂隙水富集的基本條件。

3.2 地形的影響

地下水的富集需要一定的補給條件，也必須具備相應的儲水空間，兩種條件的優劣，決定著富水性的強、弱。地形對區內風化裂隙水的影響實際上就體現在對地下水補給條件，以及風化裂隙帶發育深度的影響。

表1 北山地區巖體鉆孔涌水量Table 1 The water yields of borehole in pluton in Beishan area

根據前人研究成果和項目組多年來在該區開展的研究工作，北山地區地下水的主要補給來源為當地的大氣降水。雖然區內年降雨量僅為40～80 mm，但降水相對集中，且多以暴雨形式出現，并可形成溝谷洪流和洼地積水，這在總體上對于干旱地區地下水補給是有利的。而地形恰恰可以直接影響地下水接受降水補給的能力。

在地形起伏較大的低山區，雖然降水量相對較大，但由于地形陡峭，降水在當地停留時間短，很快轉化為地表徑流而流出區外，不利于對當地地下水的補給，并且由于地形坡度大，地下水的水力坡度也相對較大，所形成的風化裂隙水也易于流失，不利于地下水的賦存。因此，地形較高的低山、丘陵區風化裂隙水就相對貧乏。如表1中的N14、N23和N27這3個鉆孔均位于低山區，風化裂隙帶巖心破碎，厚度15～29 m，鉆探時沖洗液嚴重漏失，但3個鉆孔均為干孔。

地形平緩、地勢低洼的溝谷、洼地地區，雖然降水量一般相對較小，但由于地面坡度小，地形相對高差不大，降水在地表的停留時間就會較長，所以有利于降水對地下水的入滲補給。更為重要的是，溝谷、洼地分布區常常是地表洪水匯集區和排泄通道。一場暴雨過后，溝谷變成暫時性河流，洼地積水成為暫時性湖泊，對接近地表的風化裂隙水的補給是非常有利的。降水首先形成地表徑流，沿途下滲補給地下水，未來得及下滲的地表徑流則匯集于溝谷，形成溝谷洪流，流向下游。根據前人研究結果，溝谷洪流持續時間一般可達2～3 h，在此期間，北山地區規模一般性的溝谷洪流漏失量都在0.432 m3·（s·km）-1左右，以位于區內的梧桐溝為例，其長度16 km，如果每年有3次洪流發生，每次持續時間3 h，則每年的滲漏量就可達到22.4萬 m3。在溝谷中未能入滲的溝谷洪流繼續向下游流動，最終匯集于山間或丘間洼地中，形成暫時性積水，入滲補給洼地和盆地風化裂隙水。這就是說，地形對區內風化裂隙水富集影響實際上首先在于對地下水補給條件的影響。

一般來說，溝谷規模越大，匯水面積越大，則風化裂隙水富水性越好；洼地面積越大，風化裂隙水富水性越好，尤其是源遠流長的溝谷所流經的洼地，由于補給條件好，風化裂隙水富水性相對更好。山間洼地富水性一般要好于丘間洼地。

此外，根據鉆孔揭露，地形明顯影響風化裂隙的發育程度。在地形較高的分水嶺地帶，風化裂隙發育程度一般較差，深度也較小，通常小于30 m；而地形低洼的溝谷和洼地地區，風化裂隙發育程度一般比較強烈，深度也較大，一般厚達30～50 m，少數可達70 m，這無疑有利于風化裂隙水富集，與水的關系密切。

地形影響風化裂隙發育程度的根本原因主要在于水的參與。前已敘及，地形低洼的溝谷和洼地是地表徑流匯集的場所，在巖性等條件相似的情況下，由于水的相對富集，水的凍脹導致的物理風化作用勢必加強，同時，也將大幅提高化學風化作用的強度，從而提高巖石的風化程度。此外，水的溶蝕作用也會進一步促進風化裂隙的發育。

3.3 構造的影響

構造對風化裂隙水富集的影響一般都是很顯著的，原因也很簡單。以構造破碎帶為例，其本身就是巖石的薄弱地帶，易于接受降水補給，也增大了巖石與水和空氣的接觸面積，從而促進風化作用的進行，風化裂隙不僅密集，發育深度也相對較大。實際上，位于斷裂構造及其附近的風化裂隙帶，其裂隙的發育程度是風化裂隙和構造裂隙兩者疊加的結果，因此，構造也是風化裂隙水富集的重要基本條件。構造對風化裂隙水富集的影響還體現在構造破碎帶本身多形成溝谷、洼地地形。

根據前人成果和筆者多年來的調查，北山地區斷裂構造非常發育，以EW向構造為主導，還存在一定規模的NE向和NW向斷裂構造。根據前人資料表明，在斷裂帶及其附近影響帶內，風化裂隙帶深度可達100余米，鉆孔抽水試驗資料也顯示，與斷裂構造有關的風化裂隙帶鉆孔涌水量一般都較大，例如，位于馬鬃山鎮以南的野馬街氣象站的N34鉆孔，在降深14 m時，單孔涌水量達474 m3·d-1；在條件有利的情況下，單孔涌水量可達 1 500 m3·d-1。

4 結 語

北山地區物理風化作用強烈，風化裂隙帶發育深度一般為5～50 m，局部可達100 m。風化裂隙水具有分布廣、埋深淺、易開采的特點，是當地牧民、礦山的主要供水水源。巖性、地形和構造是風化裂隙水富水性的主要影響因素，一般來說，火成巖較變質巖和碎屑巖富水；地形低洼的溝谷、洼地較地形較高的低山、丘陵區富水；山間洼地富水性一般要好于丘間洼地；溝谷、洼地規模越大則富水性越好。位于斷裂構造及其附近的風化裂隙帶，其裂隙的發育程度是風化裂隙和構造裂隙兩者疊加的結果，且構造破碎帶本身多形成溝谷、洼地，因此，與斷裂構造有關的風化裂隙帶尤其富水。風化裂隙水主要補給來源是大氣降水的垂直入滲。

［1］郭永海，楊天笑，劉淑芬.高放廢物處置庫甘肅北山預選區水文地質特征研究［J］.鈾礦地質，2001， 17（3）:184-189.

［2］田開銘.開展對低滲透介質的水文地質學研究［J］. 水文地質工程地質， 2000， 27（2）:27-28.

［3］田開銘，萬 力.各向異性裂隙介質滲透性的研究與評價［M］.北京：學苑出版社，1989.