千佛山與趵突泉泉水形成關系研究

韓連山,汪玉靜,韓昱

(1.山東地礦新能源有限公司，山東 濟南　250014；2.濟南市林場，山東 濟南　250014;3.山東省地礦工程勘察院，山東 濟南　250014)

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千佛山與趵突泉泉水形成關系研究

韓連山1,汪玉靜2,韓昱3

(1.山東地礦新能源有限公司，山東 濟南250014；2.濟南市林場，山東 濟南250014;3.山東省地礦工程勘察院，山東 濟南250014)

從沉積蓋層的形成、巖漿的侵入、碳酸鹽巖巖溶發育過程及演化、構造運動對蓋層的切割與破壞及對地形地貌的塑造等方面，分析了濟南千佛山、佛慧山和以趵突泉為代表的濟南四大泉群的內在聯系。研究表明，燕山運動末期奠定了濟南構造全貌，新近紀末期，千佛山、佛慧山一帶基本形成了與現在相近的地貌特征，市區一帶，在趵突泉、黑虎泉泉群附近形成了“天窗”。千佛山、佛慧山一帶是趵突泉泉水的重要補給區，碳酸鹽巖在市區隱伏于地下，是三水轉化系統的重要介質，在地形低洼、構造有利的部位趵突泉騰空而出，其出流時間大約在距今1萬至6000a之間。

千佛山;趵突泉;碳酸鹽巖;燕山運動;天窗;三水轉化

引文格式：韓連山,汪玉靜,韓昱.千佛山與趵突泉泉水形成關系研究[J].山東國土資源，2015,31(12)：27-32.HAN Lianshan , WANG Yujing, HAN Yu. Research on Relationship between the Formation of the Baotu Spring and Qianfo Mountain[J].Shandong Land and Resources, 2015,31(12)：27-32.

濟南是集山、泉、河、湖于一體的園林化城市，古今中外名人志士賦詩作詞贊美濟南的景色，既有“濟南山水甲齊魯，泉甲天下”，“四面荷花三面柳，一城山色半城湖”等諸多溢美之詞，又有“岱陰諸谷之水經渴馬漏，伏流北出成泉”的科學考究。但鮮有人提及城區正南的千佛山、佛慧山與市區泉水的內在聯系。該文通過對濟南城區附近地形地貌、地質及水文地質條件的分析，從濟南地區碳酸鹽巖沉積，構造運動、巖漿活動對蓋層的切割與破壞及對地形地貌的塑造，碳酸鹽巖巖溶發育過程及演化，巖溶水的水動力特征等方面，揭示千佛山、佛慧山與市區泉水的密切關系。

1　自然地理

研究區位于濟南泉域的中北部，地處魯中山地北緣，地形東南高西北低，變化顯著。東南部的千佛山、佛慧山等，山勢陡峻，溝深谷峽，廣泛分布著碳酸鹽巖，形成一系列巖溶地貌，灰巖順層緩坡可見溶溝、溶槽，灰巖陡坡不同高程分布有溶洞，巖溶最發育的地層為三山子組白云巖及馬家溝群灰巖、豹皮灰巖。該區大致以經十路為界，南部地面絕對標高50～460 m，屬丘陵地貌(圖1)；北部地面絕對標高26～50 m，為沖洪積成因的山前傾斜平原；地勢為南東高北西低，坡度一般5°～10°，東西差異明顯。在地勢最低洼的中心城區出露趵突泉、黑虎泉、珍珠泉及五龍潭四大泉群。

1—第四系；2—北庵莊組；3—東黃山組；4—三山子組；5—炒米店組；6—斷層及隱伏斷層；7—碳酸巖與輝長巖接觸界線及傾向；8—碳酸巖地層中輝長巖侵入范圍； 9—泉群；10—剖面線圖1　地理位置及地質構造圖

2　地質構造演化

2.1地層沉積

從距今5.7億年的寒武紀開始，海水侵入濟南，與華北海連為一體，濟南地區開始了以海相碳酸鹽巖為主的沉積階段[1]。

早寒武世至中寒武世早期，屬于第一海侵旋回前期。早寒武世早期濟南地區整體下沉海侵擴大，在尚未準平原化的基底上，因古地形的起伏和分割作用造成水流不暢的海灣和瀉湖，沉積了以白云巖及含燧石條帶泥晶灰巖為主的朱砂洞組；隨著地殼繼續下沉，海侵范圍擴大，古地形的分割作用僅限于水下，沉積了以粉砂巖、粉砂質頁巖、紫色頁巖夾石灰巖為特征的饅頭組。

中寒武世晚期至早奧陶世晚期，屬第一海侵旋回后期。自中寒武世晚期開始，地殼持續下沉，到早奧陶世海侵繼續發展，水下古地形與前期海侵時具有一定的續承性，陸源區已進入準平原化階段，母巖風化的碎屑巖階段已告結束，沉積區已接近清水沉積。在該階段有兩次海侵高潮控制著九龍群張夏組石灰巖和三山子組白云巖的沉積。

中奧陶世早期(距今4.78億a左右)，濟南地區地殼整體上升，海水退出濟南，三山子組遭受風化剝蝕，俗稱“懷遠間斷”[2]。隨后地殼開始緩慢下沉，開始了早古生代奧陶紀第二海侵旋回。中奧陶世第一次海侵高潮的前期，地殼下沉幅度較小，沉積了以角礫巖、泥灰巖、白云巖為特征的馬家溝群東黃山組。在海侵高潮后期，地殼下沉幅度增大，發育了以隱晶灰巖和云斑灰巖為特征的北庵莊組。中奧陶世中期和晚期，即第二次和第三次海侵高潮期，其沉積環境的演化與早期高潮期有一定的相近性，使馬家溝群沉積發育構成3個沉積旋回，6個階段，即東黃山組、北庵莊組，土峪組、五陽山組，閣莊組、八陡組。

至此，經歷了1.32億a的海侵之后，以海相碳酸鹽巖為主的沉積期結束。在距今約4.53億a的中奧陶世末期，海水退出濟南，開始了漫長的風化剝蝕和海陸交互相轉陸相動蕩沉積過程。

2.2構造演化

2.2.1構造運動

早古生代碳酸鹽巖沉積后，濟南地區經歷了多期次構造運動，其中燕山期地殼差異運動使統一的基底發生破裂，伴隨巖漿侵入，斷裂構造切割了古生代地層，使其發生落差較大的位移。

濟南地區的斷裂構造走向主要有NW和NNE 2組，呈“X”型斷裂組合[1]。研究區發育2條近于平行的NW向斷裂----千佛山斷裂和文化橋斷裂。

千佛山斷裂呈NW向斜切研究區中部，斷裂從佛慧山及千佛山西側經南郊賓館東北角進入濟南市區被第四系覆蓋。千佛山斷裂主體傾向SW，僅個別分支E傾，W盤地層年代較新，斷距中間大兩端小，最大斷距可達450 m。斷層面傾角陡,一般為70°～80°，兩盤地層呈EW向條帶展布，是一條折線形高角度大型正斷層。斷層附近地層有明顯的NW傾向，斷層帶及附近地層中具有清晰的NW系配套形象節理組，說明斷裂具NW系壓性斷層性質。因此，千佛山斷裂是在早期EW向構造的張面和扭裂面基礎上發展的NW系壓性斷層。

文化橋斷裂位于千佛山斷裂東約3.5 km處，南起羊頭峪莊，經體工大隊西側至中心醫院文化橋附近向北西延伸。已知長約3 km，走向340°～350°，傾向SE，傾角大于60°。據鉆探資料，西盤三山子組地層抬升，東盤下落；東盤為侵入巖體，在平面上E盤又向南推移。由于千佛山斷裂與文化橋斷裂的存在，使濟南老城區內三山子組地層相對抬高，形成地壘，平面位置上兩斷層間灰巖向北突出。“四大泉群”就在灰巖突出部的北緣出露，趵突泉泉群出露在靠近千佛山斷裂一側。

2.2.2巖漿侵入

中生代早白堊世早期(距今約1.30億a)，濟南市發生了大范圍中基性巖漿侵入[3]，在市區附近形成的侵入巖巖性主要為輝長巖和少量輝石二長巖。由于第四系覆蓋，地表直接出露面積不大，但在較薄的第四系之下輝長巖體是大范圍連片分布。輝長巖侵入體南部的邊界不受兩條斷層影響，其波狀邊界是北側巖漿基本順層楔入，厚度愈往北愈大(圖2)，其波狀邊緣是巖漿舌狀楔入距離的不同而形成。佛慧山--羊頭峪一帶，在奧陶紀東黃山組中的輝長巖巖床，是巖體頂部的順層侵入，只是在泉群出露區一帶部分被剝蝕，故僅見于山區高層位，千佛山向北至經十路一帶，侵入巖應被剝蝕殆盡。

圖2　輝長巖體分布及厚度等值線圖

3　成生關系及巖溶發育

3.1燕山期構造格局形成

早白堊世早期的巖漿侵入使濟南市區一帶的古地形隆起，馬家溝群及石炭二疊紀沉積巖層產生大量裂隙，局部碎裂，形成了易于遭受風化剝蝕和流水沖蝕的薄弱地帶。巖漿侵入后，地殼受到強有力的擠壓，褶皺隆起，泰山山脈崛起，使本來夷平原化的地形呈現出總體南高北低的特征，沉積巖層向N及NW方向傾斜。同時，由于地殼的差異性升降，斷裂構造發育，千佛山斷裂和文化橋斷裂就在這一時期形成，切割了早期侵入的輝長巖體。燕山運動，奠定了濟南地區構造格局和地貌特征，南依泰山隆起，北臨濟陽斷陷，城區一帶的輝長巖體分布區處于南升北降的過渡地帶，兩條斷裂之間形成的地壘區地形高聳，成為喜馬拉雅運動時期的風化剝蝕區。

3.2喜馬拉雅期地貌塑造與巖溶發育

古近紀至新近紀，濟南地區地殼整體相對穩定，地壘區及千佛山、佛慧山一帶遭受風化剝蝕，大量碎屑向北運移成為濟陽盆地沉積物質的來源，齊河-廣饒斷裂數次活動，盆地持續下沉。這一時期濟南地區寒武系蓋層，在區域空間分布上處于較高部位，碎屑巖類和粘土巖類居多，抗風化弱易被風化成土壤，而成層厚度較大的碳酸鹽類巖石，抗風化強(如張夏組)，多形成孤峰和陡崖地貌。奧陶紀石灰巖(白云巖)，具有質純、堅韌、厚度大、抗風化能力強的特點，在空間上處于隆起構造邊緣的較低部位。在漫長風化剝蝕期間，承接地表水流動的時間長，構造裂隙更有利于地表水向深部流動而發生水化學溶蝕作用，使裸露地表的石灰巖形成特有的羊背石、溶溝、溶槽、石芽等巖溶地貌；而地下形成千姿百態的溶蝕洞穴和地下暗洞。經過6200多萬年的風化剝蝕及流水沖蝕，千佛山、佛慧山一帶基本形成了與現在相近的地貌特征，而市區一帶，輝長巖體之上的石灰巖蓋層被剝蝕殆盡，地壘區的輝長巖體也被大量剝蝕，在趵突泉、黑虎泉泉群附近輝長巖巖體之下的三山子組白云巖部分出露，形成了“天窗”。

第四紀早更新世，濟南地區地殼上升，古近紀和新近紀形成的溶洞逐漸高出侵蝕基準面，上升至區域地下水位以上，此間，隨著侵蝕基準面的不斷抬升，山區進一步遭受風化剝蝕和水流沖蝕，溝谷加寬、加深，甚至切割了古近紀和新近紀形成的溶洞，巖溶發育的深度加大。中更新世時期，山區邊緣下沉，趵突泉、黑虎泉一帶沉積了坡積、沖積的棕紅色含粘土礫石層，厚度8～10 m；而巖溶作用在早更新世溶蝕基礎上不斷擴展加大，巖溶發育達到鼎盛時期[4]。晚更新世，受全區氣候由濕熱轉向干旱的影響，地下水補給減少，區域地下水位下降，地下水位經常在“天窗”之上的礫石層內波動，造成鈣質富集，含粘性土的礫石層膠結成巖。通過對黑虎泉附近礫巖膠結物的化驗分析和年齡測定，泉水出露區礫巖膠結年代為距今(40 450±1 710)～(28 520±490)a。這個時期深部巖溶只是繼承性發展，但淺部溶隙及洞穴受水動力條件減弱的影響，充填了以粘性土為主的洞穴堆積物。全新世，濟南地區轉為半干旱氣候，夏季炎熱多雨，其他季節降水較少，但由于地殼下沉，區域地下水位比晚更新世有一定幅度抬升，部分充填粘性土的空隙重新沉沒于地下水位以下。

4　三水轉化

濟南趵突泉是濟南泉域碳酸鹽巖裂隙巖溶含水系統接受大氣降水入滲補給、地表水滲漏補給后，向北運移，并匯集于城區一帶，受濟南輝長巖體的阻擋水位抬升，在千佛山斷裂與文化橋斷裂之間的地壘區，地形低洼的部位出露形成，是在特定的地質歷史長河中，地形地貌、氣象水文、地質構造等多種自然因素巧妙地結合下形成的[5]。

4.1千佛山是趵突泉的直接補給區

千佛山、佛慧山一帶的早古生代碳酸鹽巖沉積后，經過近4億a的地質構造演化和新生代6000余萬年的風化剝蝕，自上而下依次遺留了早古生代馬家溝群北庵莊組石灰巖、東黃山組泥質白云巖、三山子組細晶白云巖及其以下巖層，三山子組及其以上巖層出露地表，形成山體。向趵突泉方向延伸，則僅存了三山子組及以下巖層。千佛山一帶炒米店組、三山子組和馬家溝群碳酸鹽巖分布連續，厚度較大，巖溶裂隙發育，接受大氣降水補給能力強，是趵突泉泉水得到源源不斷補給的重要介質，其間無良好的隔水層，相互水力聯系密切，具有基本統一的水動力場，水化學場。但由于出露位置高，含水層連通性好，地下水徑流速度快，不利于地下水的儲存，因此，富水性一般。該區域無泉水出露，僅在局部相對隔水層分布的區域，滯留上層滯水，如千佛山龍泉洞中的井水即為此類型。

千佛山、佛慧山一帶開發為濟南千佛山公園，歷代文人墨客依山崖所作之石刻、石塔，傍山而建的古剎幽寺，成為當今寶貴的地質旅游資源。目前，千佛山、佛慧山一帶由過去的荒山禿嶺，變為片片綠洲，森林密集、樹種繁多，一年四季，青山碧水，樹木枝繁葉茂，郁郁蔥蔥，風景秀麗宜人，游人絡繹不絕，容山、水、色于一體，秀麗之風光令游人流連忘返，是休閑度假的良好去處。森林土壤又是天然的配水站，它可將豐水期的部分降雨蓄存起來，于枯水期再釋放出來，起到“以豐補歉”的年際調節作用，并能控制迅期地表水洪峰流量，增加枯水期的地下徑流，對大氣降水起到“零存整取”的儲蓄作用[6]。不僅有利于市區減洪防災和使地表水的利用效益增加，而且增強對地下水的入滲補給。因此，千佛山、佛慧山一帶是大氣降水滲入裂隙巖溶含水層轉化為巖溶地下水的主要場所，是趵突泉泉水的直接補給區。

4.2千佛山斷裂對地下徑流的控制

補給趵突泉泉水的巖溶水其徑流方向和徑流強度受地形、地貌、巖性和地質構造等因素控制。千佛山、佛慧山一帶巖溶水的運動方向與地形及巖層的傾斜方向大體一致，在接受大氣降水的補給后總體方向由南向北運動。但千佛山斷裂南部阻水北部透水的性質，對巖溶地下水的徑流起到控制作用。平面上，千佛山斷裂以東，山區總體流向為北北西，水力坡度為2.5×10-3，巖溶水水位標高最高達140 m(圖3)。千佛山斷裂以西，山區巖溶水總體流向北北西，水力坡度為2.0×10-3，巖溶水水位標高最高60余米；進入山前區，水力坡度變緩，斷裂兩側水位差減小，并由于斷裂的導水最終趨同[7]，巖溶水徑流方向總體向趵突泉方向匯集。

圖3　千佛山斷裂附近巖溶水等水位線圖

4.3趵突騰空——巖溶水向泉水轉化

濟南市區一帶是巖溶地下水匯集、儲存、排泄的區域，是巖溶水系統循環的末端，每年的更新交替該區域承擔排泄功能(圖4)。巖溶含水層包括寒武紀和奧陶紀炒米店組、三山子組的碳酸鹽巖，皆隱伏于第四系之下。第四系覆蓋層厚度8.85m(趵突泉附近),巖性以弱膠結的礫巖為主。北部第四系之下埋藏侵入巖體，巖性以輝長巖為主，總體上自南向北厚度逐漸增大，巖溶水在千佛山、佛慧山一帶接受大氣降水補給后向北徑流，受巖體阻隔，承壓性增強，在其前沿富集。由于區域斷裂構造發育，巖石破碎，巖溶地下水的富集，加劇了石灰巖含水層的巖溶化程度，經過長期溶蝕逐漸形成了以裂隙、溶隙、溶孔、溶洞及少量管道狀空隙組成的脈狀地下網絡通道，形成了巨大的蓄水空間，儲存了豐富的巖溶地下水，在巨大的靜水壓力下，在地形低洼、千佛山斷裂與文化橋斷裂形成地壘，輝長巖體被風化剝蝕殆盡，上覆石灰質礫巖厚度不大并發育構造裂隙和溶蝕孔隙的區域，趵突泉騰空出露。據研究，以趵突泉為代表的市區四大泉群在距今1萬a之后6000a之前具備了出流條件。泉水出露后轉化為地表水，流入東西護城河，補給大明湖，并最終匯集于小清河，成為濟南市區水生態循環系統的主要補給源。

圖4　千佛山-趵突泉三水轉化系統水文地質剖面圖

5　結語

(1)濟南市千佛山、佛慧山一帶及市區地下埋藏的碳酸鹽巖是早古生代寒武紀、奧陶紀海相沉積物，在漫長的地質歷史時期，受各種復雜的地質作用，形成了現今起伏的山巒、山間洼地、溝谷、河流并存的地貌景觀。

(2)中生代早白堊世，濟南市發生了大范圍巖漿侵入，巖性主要為輝長巖和少量輝石二長巖，侏羅紀末至白堊紀地殼差異性升降產生大規模斷裂，導致沉積巖層破裂，燕山運動末期奠定了濟南構造全貌。

(3)新近紀末期，千佛山、佛慧山一帶基本形成了與現在相近的地貌特征，市區一帶，在趵突泉、黑虎泉泉群附近輝長巖巖體之下的三山子組白云巖部分出露，形成了“天窗”。

(4)千佛山、佛慧山一帶是趵突泉泉水的重要補給區，碳酸鹽巖在市區隱伏于地下，是三水轉化系統的重要介質，在地形低洼、構造有利的部位趵突泉騰空而出，其出流時間大約在距今1萬a至6000a之間。

[1]宋明春，徐軍祥，王沛成，等.山東省大地構造格局和地質構造演化[M].北京：地質出版社，2009.

[2]宋明春，王沛成.山東省區域地質志[M].濟南：山東省地圖出版社，2003.

[3]楊承海，許文良，楊德彬，等.魯西濟南輝長巖的形成時代：鋯石LA-ICP-MS U-Pb定年證據[J].地球學報,2005,26(4):321-325.

[4]中國地質學會巖溶地質委員會.中國北方巖溶和巖溶水[M].北京：地質出版社.1982.

[5]孫曉剛，韓連山.大美泉城[M].濟南：濟南出版社，2013.

[6]徐軍祥,邢立亭.濟南泉域地下水環境演化與保護[J].水文地質工程地質,2004,(6):69-71.

[7]鄒連文,商廣宇,張明泉,等.濟南泉水來源區域探討[J].中國水利,2009，(S1):77-79.

Research on Relationship between the Formation of the Baotu Spring and Qianfo Mountain

HAN Lianshan1, WANG Yujing2, HAN Yu3

(1.Shandong New Energy Limited Company of Geology and Mienral Resources, Shandong Jinan 250014, China；2.Jinan Forestry Station, Shandong Jinan 250014, China; 3.Shandong Geo-engineering Exploration Institute, Shandong Jinan 250014, China)

In this paper, through analysis on the formation of sedimentary covers，magmatic intrusion， development process and evolution of carbonate rocks, cutting and destroying to the cover layers and the formation of landscapes caused by tectonic movement, internal connection of four springs represented by Qianfo Moutain, Fohui Moutain and Baotu Spring has been analyzed. It is showed that late Yanshan movement has established the structures of Jinan city, and geomorphic characteristics are similar to now in Qianfo Moutain, Fohui Moutain area were formed in late Neogene, and in the urban areas, roof window came into being around Baotu Springs and Heihu springs. Qianfo Moutain and Fohui Moutain area are important recharge area of Baotu Spring. Carbonate rocks are hidden in the urban underground, which are important mediators of three types of water transformation system. In low-lying terrain and favorable position of tectonics, Baotu spring start gushing out at about ten thousand years to six thousand years ago.

Qianfo moutain; Baotu spring; carbonate rocks; Yanshan movement; roof window; three type water transformation

2015-05-04；

2015-07-02；編輯：王敏

山東地礦重大科技攻關項目( 2012-045)

韓連山(1964--)，男，山東壽光人，研究員，主要從事水文地質研究工作，E-mail:hanlianshan-1@163.com

P962

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