玉溪市安化向斜地下水徑流模式剖析

朱海明許模黃勛王玉蕊宋海波汪亞莉肖斌

摘要：安化向斜由于褶皺及斷層構造作用，地下水徑流和出露特征具有一定規律，且出露泉點多作為附近村莊的生活水源。通過對研究區內水文地質條件、地下水水化學組分、氫氧同位素組成等進行分析，采用水均衡法、水文地球化學反向模擬技術等手段，最終確定研究區內共存在3種不同的地下水徑流模式：沿可溶巖條帶地下水徑流模式、斷層導通的地下水繞軸徑流模式及沿斷層破碎帶的地下水徑流模式，研究成果探明了該地區地下水的徑流和排泄規律，對該地區地下水資源的開發利用和保護具有重要的參考意義。

關鍵詞：安化向斜；徑流模式；水化學組分；氫氧同位素；反向模擬；Phreeqc；水均衡

中圖分類號：P641 文獻標志碼：A 文章編號：16721683（2016）05017806

Groundwater runoff mode of Anhua syncline in Yuxi

ZHU Haiming1，XU Mo2，HUANG Xun1，WANG Yurui2，SONG Haibo2，WANG Yali2，XIAO Bin2

（1.Chongqing Survey Institute，Chongqing 401121，China；2.State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China）

Abstract：Due to fold and fault structures of Anhua syncline，groundwater runoff and outcrop characteristics have certain rules，and most of the dew point springs are used as living water in nearby villages.In this paper，hydrogeological conditions，chemical composition of groundwater，and hydrogen and oxygen isotopic data in the study area were analyzed，and the water balance method，hydrogeochemical reverse simulation and other means were adopted.It was found that there were three kinds of groundwater runoff modes coexisting in this area：groundwater runoff patterns along the strip of karst，fault conducting groundwater runoff patterns around the syncline axis and groundwater runoff patterns along the fault fracture zone.The results revealed the rules of runoff and discharge of groundwater in the area，therefore providing significant reference for the development，utilization and protection of groundwater resources there.

Key words：Anhua syncline；runoff mode；water chemical composition；hydrogen and oxygen isotopes；reverse simulation；Phreeqc；water equilibrium

褶皺發育地區，地下水徑流往往會受到構造的控制作用，構造在很大程度上決定了地下水補給、徑流、排泄條件等[12]。蔡祖煌提出地質構造通過直接和間接兩個途徑控制著地下水的運移[3]；肖維通過對典型向斜型巖溶蓄水構造的水文地質條件進行研究，總結出四種向斜型巖溶蓄水構造的地下水徑流模式[4]；楊會峰等依據構造控水理論對寧南地區地下水賦存規律進行了系統研究，從而指導寧南找水工作[5]。玉溪市安化向斜位于江城盆地與玉溪盆地之間，向斜面積不大，但是，地下水出露豐富、類型多樣，向斜北翼完整，主要以冷水的形式出露，南翼被斷層切割缺失，在斷層帶上以熱水的形式出露，向斜區出露泉點大多作為附近村莊的生活水源，且在龍馬山一帶正在規劃龍馬山旅游區。目前，研究區內地下水徑流方面的研究極其缺乏，為了更加有效的利用和保護該地區的地下水資源，本文專門對安化向斜區褶皺及斷層控制影響作用下的地下水徑流模式的進行剖析，進而查明該地區地下水的徑流排泄特征，以期為該地區地下水資源的開發利用和保護提供理論指導。

1 研究區地質背景條件

1.1 研究區地質環境背景

安化向斜位于云南省玉溪市境內，區域上處于揚子準地臺，地貌上屬于滇中區的昆明、通海高原湖盆小區。區域內向斜軸部西端的地下水最終匯入玉溪大河，向斜軸部東端的地下水最終匯入星云湖。

安化向斜軸向與區域內南北向古構造線垂直，以近東西向延伸，軸長30 km。向斜北翼較為完整，向北強烈突出，南翼因石洞河長嶺崗斷層的切割影響而缺失，在地貌上形成一個等腰三角形形狀。向斜區南北端高程分別為2 391 m和2 045 m左右，東西端高程分別為2 136 m和2 391 m左右，中部高程在1 900 m左右，因四周地形較高，中部地形低緩，在軸部區形成安化構造盆地，研究區地理地形圖見圖1。

區內地層從震旦系至侏羅系均有出露，地層較完整，北翼可溶巖地層包括震旦系陡山沱組（Zbd）及燈影組（Zbdn）灰質白云巖；泥盆系上統（D3）、石炭系巖關階及大壙階（C1）、威寧組（C2w）及二疊系陽新組（P1y）灰巖夾白云巖；可溶巖條帶中穿插寒武系筇竹寺組（∈1q）、泥盆系?？诮M（D2h）粉砂巖夾頁巖及二疊系倒石頭組（P1d）的鋁土巖、頁巖隔水地層；向斜軸部以中生界三疊系及侏羅系的粉砂巖、泥巖、頁巖等非可溶巖為主。

1.2 研究區水文地質條件

經現場調查發現，區內泥盆系、石炭系、二疊系碳酸鹽巖巖溶較發育且均為較質純的灰巖。其中，以陽新組（P1y）巖溶發育最為強烈，在響水村、下麥沖、玉苗村等附近陽新組灰巖地層中均發現規模較大的巖溶洼地和落水洞，在白龍潭公園、莊科村還發現兩處地下暗河出口。

研究區內地下水主要賦存于可溶巖地層中，富水性中等強，地下水徑流模數大于5 L/s·m2。非可溶巖地層的地下水類型以基巖裂隙水為主，富水性中等弱，地下水徑流模數低于2 L/s·m2。

向斜北翼最北端氈帽山、響水村一帶存在一個區域內的地下水分水嶺，將大部分地下水分為南東、南西向徑流。研究區內出露泉點共10個，主要分布在向斜軸部東西兩端碳酸鹽巖與第四系松散堆積層的接觸帶及南翼石洞河長嶺崗斷裂帶上，研究區地層及泉點出露分布見圖2。

地下水在軸部兩端的平均出露高程基本一致，分別為1 756 m和1 711 m左右，各泉點溫度介于15 ℃～18 ℃之間。向斜軸部西端出露東營村龍潭、雙林寺龍潭、小龍潭、白龍潭等泉點，這些泉點為玉溪市北城鎮東營村、古城村、山頭村等多個村莊的生活水源。向斜軸部東端出露黑龍潭和莊科村龍潭等泉點，為江城鎮黃營村、莊科村等多個村莊的生活水源。

石洞河長嶺崗斷裂帶上地下水出露以溫泉為主，出露高程主要集中在兩個高程區間上，斷層東端地下水出露高程在1 570 m左右，斷層中東部地下水出露高程介于1 850～1 860 m之間，溫泉溫度介于30 ℃～32 ℃之間，主要作為早谷田村、大龍潭村、溫泉村的生產、生活水源。研究區各泉點豐、枯季出露特征表見表1。

1.3 研究區水化學特征

豐水期，區域內各泉點地下水類型以HCO3Ca·[HJ2.25mm]Mg型和HCO3Mg·Ca型為主?？菟?，地下水類型大部分轉變變為HCO3SO4CaMg型。各泉點豐枯季礦化度均較為集中，豐水期礦化度介于215.5～3786 mg/L，枯水期礦化度介于3654～4024 mg/L[6]，各泉點水化學組分見表2。

2 研究區地下水徑流模式分析

2.1 北翼沿可溶巖條帶地下水徑流模式

此種類型的地下水徑流模式在研究區內最好識別。由于安化向斜的褶皺構造作用，北翼地層以向北凸起的條帶狀展布，加上可溶巖頂底板隔水層的阻水作用，導致地下水只能由氈帽山響水村分水嶺一帶沿可溶巖條帶分別向南東、南西方向徑流。軸部東端主要在S5、S6泉點排泄，軸部西端主要在S1、S2、S3、S4四處泉點排泄。對軸部西端出露的地下水化學組分分析發現，S1、S2、S3豐水期和枯水期流量基本相同，S4豐水期比枯水期流量增加了48%，由區域內巖溶洼地及落水洞調查結果（見圖2），可以推測S1、S2、S3主要由R1處補給，S4主要由R2處補給，前者地下水徑流路徑長、補給面積大，導致前者地下水流量動態比后者穩定[78]，研究區此種模式地下水徑流模式示意圖見圖3。

2.2 核部東端沿斷層破碎帶的地下水徑流模式

2013年8月對研究區的泉點出露情況調查時發現一個奇怪的現象，莊科村北面的黃營村出露一處大型巖溶泉點（黃營村黑龍潭S6），流量為132 L/s，該泉點比莊科村泉點（S5）流量大27 L/s。但是，據現場野外調查，出露S5的二疊系陽新組灰巖比出露S6的泥盆系灰巖巖溶更為發育，地下水的補給區前者也比后者更大，S5和S6[HJ2.2mm]出露地層的巖溶發育情況與泉點流量相矛盾。對比S5與S6的水化學分析結果，兩者的水化學組分含量基本相同，由于S5比S6的出露高程更高且在兩個泉點之間發育一個斷層，推測S5與S6之間由于斷層的導通作用存在一個沿斷層破碎帶的地下暗河，莊科村處匯[CM（22]集的地下水在S5排泄一部分后，其余部分由于斷為了驗證S5→S6地下水徑流路徑的存在，本次研究使用美國地質調查局開放式軟件Phreeqc對S5→S6路徑進行水文地球化學反向模擬。

根據研究區實際的地層巖性和對模型參數的調試，最終選取可能發生的礦物相有：石鹽、石膏、白云石、方解石，由于徑流路徑所穿越的可溶巖層組均裸露地表，為半開放體系，因此CO2（g）也應作為一個可用的相態[910]。

模擬的初始水溫、終止水溫、pH值均以實測值為準，S6、S5的不確定度分別設為0.08和0.07[11]。需要指出的是由于枯水期水樣檢測結果受附近其它水體的影響較小，更能反映真實的地下水徑流路徑，因此，模擬的地下水化學組分以2014年4月的檢測結果為準。由表3對模擬計算礦物飽和指數的計算結果可知，石鹽、石膏、白云石的礦物飽和指數均<0，方解石的礦物飽和指數>0，表明地下水還可以繼續溶解石鹽、石膏和白云石，但水中方解石處于過飽和狀態。

將S5與S6泉點的礦化度對比發現，雖然模擬結果證明S5→S6徑流路徑成立，但是因為S5泉點的礦化度比S6泉點的稍大，說明S6泉點出露的地下水雖然大部分來自S5，但是同時也存在較短路徑的地下水補給且補給量處于模型設定的不確定度之內。

2.3 斷層導通的地下水繞軸徑流模式

研究區向斜南翼軸部附近發育貫穿安化向斜東西兩端的石洞河長嶺崗斷層，斷層在區域內以近東西向展布。由于斷層的逆錯影響，斷層南面的向斜部分已經缺失，出露向斜底部的大片Zac砂巖地層。斷裂帶上發現兩處斷層導通的上升泉（S7、S8）和一處溫泉群（S9），本次研究選取了S7和S9中的泉點做了水化學簡分析（分析結果列于表2）。根據現場調查和分析結果可知，S7、S9泉點的水化學組分、泉水溫度、出露形態都極其相似，推斷石洞河長嶺崗斷層帶上出露的溫泉均為同一成因[13]?，F以S7泉點為例，研究向斜和斷層兩種構造的共同影響作用下，溫泉的地下水徑流模式。

根據研究區的構造及可溶巖分布情況（見圖2），S7泉水的來源可能有3種情況：（1）斷層東西兩端可溶巖地層中的地下水沿斷裂帶向中間匯集而來；（2）S7西面出露的小面積可溶巖在S7處排泄；（3）向斜北翼的巖溶地下水通過繞軸徑流及斷層的導通作用在此處出露地表?，F在，對S7泉點的三種可能成因模式詳細分析如下。

（1）假設S7東西兩端可溶巖中的地下水沿斷裂帶向S7處匯流，因為斷裂的導通作用，地下水由東西兩端向S7處匯流時不具備承壓性，因此，不會形成上升性質的溫泉。據現場調查，S4和S8泉點的出露高程均比S7低，可以斷定S7東西兩端可溶巖地層中的地下水已經通過S4和S8排泄至地表。因此，S7泉點的地下水不可能來自東西端的可溶巖[HJ2.2mm]地層[13]。

（2）S7泉點西面出露一小面積威寧組灰巖區域（見圖2），現通過水均衡法對此可溶巖區和S7泉點流量進行水均衡匹配。通過計算和調查資料，均衡區面積為219 852 m2，均衡期設為1年，研究區江川縣的年降水量為850 mm，假設全年降水全部補給地下水，降水入滲系數取1，且沒有蒸發，S7泉點流量取枯季流量59.5 L/s。降水入滲的補給量由下式計算[14]：

通過計算，全年的降水入滲量為186 874 m3，泉點流量為18 763 920 m3，由計算結果可以看到，即使全年的降雨全部補給地下水，總補給量也只達到S7泉點枯季全年流量的十分之一，因此，S7泉水的第二種來源的可能性也被排除。

（3）將S7和S5簡分析結果對比發現，兩個泉點的水化學組分幾乎一致，S7總礦化度僅比S5低37 mg/L，推測兩者應該具有相似的補給源和徑流路徑。利用大氣降水氫氧穩定同位素的高程效應（高程越高，δD、δ18O值越低，高程與δD和δ18O之間存在的線性關系）。

根據表5，S7、S5的δD、δ18O監測結果和推測的補給高程很接近，S7的推測補給高程僅比S5低34 m，進一步佐證了S7與S5的補給區相似。造成S7比S5礦化度和推測補給高程稍低的原因可能是：雖然泉點西面出露的小面積灰巖不是S7泉點的主要補給區，但是仍有小部分的巖溶地下水對S7就近補給[1617]。

通過以上分析，可以確定S7泉水的來源基本為向斜北翼的巖溶地下水，只有極小部分來源于西面小面積威寧組灰巖中巖溶水的就近補給。因為安化向斜的褶皺構造作用，可溶巖層面在南北向被擠壓成一個“U”型面，由于向斜北翼的可溶巖出露高程比南翼高，加上石洞河長嶺崗斷裂將下覆可溶巖地層與地表溝通，可溶巖地層中的承壓巖溶水就會順斷層破碎帶向上出露地表，在斷層帶上形成上升的溫泉，S7泉點地下水徑流排泄示意剖面見圖4，剖面線方向為圖2中AB方向。

3 結論

（1）通過研究發現，安化向斜區由于褶皺和斷層的影響，區域內共存在3種地下水徑流模式：沿可溶巖條帶地下水徑流模式；核部東端沿斷層破碎帶的地下水徑流模式；斷層導通的地下水繞軸徑流模式。

（2）通過采用Phreeqc對S5→S6徑流路徑的反向模擬，證明了S5、S6之間斷層對地下水的導通作用，使莊科村處匯集的地下水在S5排泄一部分后，其余部分沿斷層破碎帶轉而向北徑流，最終在黃營村S6泉點出露地表。

（3）通過水化學簡分析結果、水均衡法及依據同位素推測補給高程最終證明：處于石洞河長嶺崗斷層帶上的S7、S8、S9三處溫泉地下水徑流模式均為斷層導通的地下水繞軸徑流模式，出露地下水大部分來自于向斜北翼可溶巖地層中的巖溶水，S7泉點出露的地下水有小部分為西面威寧組灰巖中巖溶水的就近補給。

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