濟南千佛山斷裂與文化橋斷裂導(dǎo)水透水性研究

王鑫，武朝軍，謝松彬，李巖，鄭燦政，周雨陽

(1.濟南軌道交通集團(tuán)有限公司，山東 濟南 250100；2.山東省地礦工程勘察院，山東 濟南 250014)

0 引言

濟南是一座因泉而聞名于世的城市，由于其獨特的區(qū)域地理條件、地質(zhì)構(gòu)造和水文地質(zhì)環(huán)境條件，形成了復(fù)雜的地下水系統(tǒng)，發(fā)育了獨特的群泉奇觀，馳名中外。為了探明泉水的成因，前人從不同方面展開了調(diào)查研究[1-5]，鄒連文等[6]借助泉水涌水量與降水回歸分析，認(rèn)為濟南泉水與東南部山區(qū)的降水密切相關(guān)；趙延鑄[7]分別從地理因素與地質(zhì)條件，詳細(xì)探討了泉水的生成原因；韓連山[8]認(rèn)為，大氣降水主要在千佛山、佛慧山一帶轉(zhuǎn)化為巖溶地下水，該區(qū)域是趵突泉泉水的直接補給區(qū)。孫斌等[9]研究了典型泉域之間的水力聯(lián)系及補排關(guān)系。大量研究表明，目前濟南泉水的成因大致為：南部涵養(yǎng)、地勢高差、斷裂分區(qū)、通道暢流、北部阻隔、天窗出露(圖1)。

從泉水成因可知，斷裂分區(qū)是其中重要的一環(huán)，劉國愛[10]通過研究斷裂兩側(cè)水位推斷出千佛山斷裂在市區(qū)段具透水性；陳鴻漢[11]認(rèn)為由于千佛山斷裂北段局部透水，西郊水源地與市區(qū)泉水有密切的水力聯(lián)系；而劉莉莉[12]研究表明，千佛山地壘處是構(gòu)成四大泉群的構(gòu)造基礎(chǔ)，地壘以西有千佛山斷裂，東有文化橋斷裂，北有閃長巖侵入體，構(gòu)成了東西北三面封閉的阻水巖體。斷裂構(gòu)造既可成為流體的運移通道，也可成為阻礙的屏障，千佛山斷裂與文化橋斷裂在市區(qū)四大泉群區(qū)域?qū)⑼杆裕孕柽M(jìn)一步討論查明。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

研究區(qū)地處魯中山地的北緣，地形南高北低，東高西低，變化顯著，廣泛分布著碳酸鹽巖，上部覆蓋第四系沉積層，在構(gòu)造運動和長期溶蝕作用下，巖溶發(fā)育比較均勻，形成網(wǎng)絡(luò)孔洞系統(tǒng)，尤其在火成巖接觸帶及泉水排泄區(qū)附近更為發(fā)育。研究區(qū)以南為地勢陡峻的山區(qū)和深溝峽谷，是以古生代地層為主體的北傾單斜構(gòu)造。研究區(qū)以北為有燕山期侵入輝長巖體的山前平原。在地勢最低的城區(qū)北部出露四大泉群：趵突泉、黑虎泉、珍珠泉和五龍?zhí)叮渲絮劳蝗秃诨⑷雎队诨規(guī)r天窗，珍珠泉和五龍?zhí)冻雎队谳x長巖體內(nèi)，沿裂隙上升成泉。

1—新太古界泰山巖群變質(zhì)巖；2—寒武紀(jì)長清群饅頭組灰?guī)r+寒武紀(jì)長清群張夏組灰?guī)r；3—寒武紀(jì)九龍群張夏組灰?guī)r；4—寒武紀(jì)九龍群崮山組灰?guī)r；5—寒武紀(jì)九龍群炒米店組灰?guī)r；6—奧陶紀(jì)九龍群三山子組灰?guī)r；7—奧陶紀(jì)馬家溝群灰?guī)r圖1 濟南泉水成因示意圖(據(jù)山東省地礦工程勘察院內(nèi)部交流資料)

千佛山斷裂呈NNW向斜穿研究區(qū)中部，主體傾向SW，傾角為70°～80°，是一條大型正斷裂，西盤下落，東盤抬升。該段為千佛山西埡口以北至黃河標(biāo)段，被第四系覆蓋，總體走向10°～30°，傾向NW，運動性質(zhì)以張性正斷為主，兼左旋走滑運動。文化橋斷裂位于千佛山斷裂東約3.5km處，與其近于平行但規(guī)模較小。文化橋斷裂南起羊頭峪，經(jīng)中心醫(yī)院西文化橋附近向北延伸，長約3km，走向10°～20°，傾向SE，傾角大于60°。據(jù)鉆探資料，西盤抬升，為寒武-奧陶系馬家溝群三山子組，東盤下落，為燕山期侵入巖體，在平面上東盤又向南推移。

因為千佛山斷裂與文化橋斷裂的存在，濟南市區(qū)寒武-奧陶系馬家溝群三山子組相對抬高，形成地壘，其區(qū)域范圍如圖2所示。地壘屬于控水構(gòu)造，對地下巖溶水的運移具有顯著影響[13-14]。

1—寒武-奧陶紀(jì)三山子組灰?guī)r；2—奧陶紀(jì)馬家溝群灰?guī)r；3—奧陶紀(jì)北庵莊組灰?guī)r；4—白堊紀(jì)細(xì)粒輝長巖圖2 研究區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造圖

2 區(qū)域斷裂發(fā)展過程

研究區(qū)域為華北型地層，地層由老到新依次有太古界，古生界寒武系、奧陶系、石炭系及二疊系，中生界侏羅系及白堊系，新生界古近系、新近系及第四系。濟南巖體根據(jù)巖相的分析，具有明顯的多期侵入性，根據(jù)已有的勘察與研究[7-8,15-16]，千佛山斷裂與文化橋斷裂構(gòu)造的形成推斷如下：

(1)距今5億年為止，歷時7000萬年的濱海沉積為“寒武系”，較深海域溶解在水中的碳酸鹽沉淀析出，形成石灰?guī)r，寒武系地層在濟南地區(qū)厚度約500m；之后歷時6000萬年，形成了一套以碳酸巖(石灰?guī)r)為主的沉積建造——“奧陶系”，在濟南地區(qū)其總厚為800m左右；距今3.5億～2.85億年期間，構(gòu)成了約200m厚的“石炭系”砂頁巖夾煤層，上古生代沉積巖示意圖如圖3(a)所示。

O—奧陶系石灰?guī)r；∈—寒武系石灰?guī)r；δ—輝長巖圖3 斷層演變示意圖

(2)白堊紀(jì)初期，距今約1.3億年，地殼發(fā)生大規(guī)模的造山運動(燕山運動)，我國北方燕山山脈隆起，使各年代沉積的水平巖層隆起并向北傾斜，產(chǎn)生了一系列NW向的斷裂，其中就包括了千佛山斷裂和文化橋斷裂。此時，兩斷裂之間的地壘區(qū)隨著燕山運動逐漸上升成型。最開始千佛山斷裂為張性正斷裂，伴隨著燕山運動，地殼深處的巖漿沿著斷裂縫大量上涌(圖3b所示)，未噴出地表的巖漿侵入到上部的各系地層中。燕山運動一直持續(xù)到距今6500萬年的古近紀(jì)初期，期間千佛山斷裂與文化橋斷裂持續(xù)受到擠壓與搓動，將白堊紀(jì)初期侵入的輝長巖體進(jìn)行切割(圖3c所示)，斷層兩側(cè)的巖體受到擠壓摩擦，產(chǎn)生大量裂隙，局部碎裂形成破碎帶，碎石墜落填補進(jìn)張裂縫內(nèi)，形成了日后的地下水主要通道。

(3)新生代沉積層發(fā)育期間，距今2600萬年的中新世，地殼又發(fā)生了一次大規(guī)模的造山運動——喜馬拉雅運動。此次強烈的地震將侏羅-白堊紀(jì)燕山運動形成的斷裂體系再次“震醒”，千佛山斷裂進(jìn)一步受到構(gòu)造應(yīng)力擠壓搓動發(fā)展為壓性斷層，同時千佛山斷裂附近產(chǎn)生了新的次生斷裂和裂隙，增強了斷裂帶及巖層裂隙的導(dǎo)水性，這對濟南各大泉群的形成具有重要作用。千佛山與文化橋兩條斷裂帶之間地壘區(qū)的輝長巖體，在喜馬拉雅運動時期成為風(fēng)化剝蝕區(qū)，被大量剝蝕，如圖3(d)所示，趵突泉、黑虎泉泉群附近的輝長巖巖體風(fēng)化剝蝕之后，下部石灰?guī)r部分出露形成了“天窗”，成為泉水噴涌出口。

3 壓性斷裂導(dǎo)水、透水性分析

地層巖性和地質(zhì)構(gòu)造決定了巖溶水系統(tǒng)的外部邊界和內(nèi)部結(jié)構(gòu)[17]，其中壓性斷裂的導(dǎo)水、透水性一直是眾多學(xué)者研究的重點，由于壓性斷裂周邊多伴隨有巖石破碎帶，因此眾多地區(qū)的壓性斷裂都具有導(dǎo)水、透水性。陳喜昌[15]通過將壓性斷裂劃分成三帶，研究其帶內(nèi)應(yīng)力場及巖石的物理、水理性質(zhì)，重點分析四川多地斷裂案例，認(rèn)為壓性斷裂具有縱向?qū)蜋M向隔水的雙重性，且常見為一側(cè)導(dǎo)水性強。壓性斷裂導(dǎo)水性較強、補給和儲水條件較好的地段，便是富水部位之所在。

通過整理近幾十年千佛山斷裂及文化橋斷裂附近鉆孔資料，認(rèn)為周圍分布有約260個鉆孔，其主要工程項目平面分布如圖4所示。

圖4 斷裂附近鉆孔分布平面圖

斷裂導(dǎo)水性常見為一側(cè)較強，千佛山斷裂與文化橋斷裂的東西兩側(cè)沿斷裂走向地面高程均表示在圖5中，由圖5可見，兩條斷裂地勢都是由南向北逐漸降低，有利于巖溶水向北源源不斷地徑流與匯集。千佛山斷裂與文化橋斷裂具有40m以內(nèi)的高度差，反映了該部分地壘東南高，西北低的地勢特點；而明湖北路以北則地勢趨于平坦，兩條斷裂也沒有高差存在。明湖北路以北，地下以白堊紀(jì)輝長巖為主，地上少有泉水出露，推斷地壘處特殊的地質(zhì)與地貌，對泉水形成具有重要作用。為從地下巖層構(gòu)造特點來解釋斷裂的導(dǎo)水、透水性，選擇8組典型斷面進(jìn)行地下35m以內(nèi)地層對比分析，如圖6所示。經(jīng)十路、明湖北路、四大泉群處地壘典型斷面的地質(zhì)剖面如圖7所示，結(jié)合鉆孔柱狀圖(圖8)，分析斷裂東西兩側(cè)的巖性特點。

圖5 斷裂沿線東西兩側(cè)高程圖

②，⑥—地壘區(qū)的北邊界(明湖北路)；④，⑧—南邊界(經(jīng)十路)；①，⑤—北部閃長、輝長巖段；③，⑦—地壘中部(四大泉群)；1，2—①斷面東西兩側(cè)的鉆孔圖6 斷裂沿線鉆井取點斷面

(a)—經(jīng)十路地質(zhì)剖面圖；(b)—明湖北路地質(zhì)剖面圖；(c)—四大泉群地質(zhì)剖面圖Q—第四系；K1J—白堊紀(jì)膠州組侵入巖；O2d—奧陶紀(jì)東黃山段灰?guī)r；O1S—奧陶紀(jì)三山子組白云巖；∈4O1s—寒武-奧陶紀(jì)三山子組灰?guī)r；∈4O1c—寒武-奧陶紀(jì)炒米店組灰?guī)r圖7 地壘典型斷面地質(zhì)剖面圖

由圖8中千佛山斷裂第①組可以看出，該段地層主要由第四系和閃長巖組成，全風(fēng)化和強風(fēng)化閃長巖體破碎嚴(yán)重，裂隙發(fā)育，風(fēng)化程度較高且變化較大，為地下水儲存和滲流提供了條件，該層基巖裂隙水含水層厚度較大，富水性相對較強；中等風(fēng)化閃長巖巖體較完整，裂隙不發(fā)育，可視為不含水且不透水的相對隔水層。而鉆孔1和鉆孔2閃長巖段，東西兩側(cè)的中等風(fēng)化與全風(fēng)化、強風(fēng)化巖層基本錯開出現(xiàn)，因此可視為該段千佛山斷裂東西向隔水不連通；由于最下層都是中等風(fēng)化閃長巖作為隔水底板，因此上部的基巖裂隙水主要受域外徑流補給或上部潛水越流補給等。文化橋斷裂北部的第⑤組，東西

1—雜填土；2—素填土；3—粉質(zhì)粘土；4—卵石；5—粘土；6—圓礫；7—碎石；8—粉土；9—粉質(zhì)粘土混姜石；10—殘積土；11—全風(fēng)化閃長巖；12—強風(fēng)化閃長巖；13—中風(fēng)化閃長巖；14—微風(fēng)化閃長巖；15—石灰?guī)r碎石；16—中風(fēng)化石灰?guī)r圖8 典型斷面巖層對比圖(圖中空白區(qū)域，淺部為斷面兩側(cè)有明顯高差而做的修正，深部為鉆孔未探測到的地層)

兩側(cè)地層分布情況與①組相似，因此文化橋北段可視為不透水?dāng)嗔选?/p>

第②組顯示了地壘北邊界處，千佛山斷裂東側(cè)強風(fēng)化閃長巖層比西側(cè)厚，說明東側(cè)地下裂隙發(fā)育程度比西側(cè)強，地下水儲存運移量比西側(cè)大，14～22m淺層范圍內(nèi)含水層滲透系數(shù)高，東西向透水，而22m以下斷裂兩側(cè)基本阻水。⑥組的鉆孔深度雖然較淺，但也能揭示10m以下文化橋斷裂兩側(cè)均處于閃長巖強風(fēng)化帶，因此斷裂在該處為透水?dāng)嗔选?/p>

第③組斷面位于四大泉群的正西方向，東西兩側(cè)地下35m范圍內(nèi)的閃長巖風(fēng)化程度都很高，巖體破碎，裂隙極其發(fā)育，富水性較強烈，水量極大，不僅東西兩側(cè)透水性好，垂直方向上水流也暢通，此處上覆較厚粘土隔水層，不會形成泉水出露，而東面的五龍?zhí)逗驼渲槿虻谒南递^薄，巖溶水沿閃長巖體內(nèi)部裂隙直接上升成泉。文化橋斷裂第⑦組與第③組類似，因此該段也具有透水性。

第④組地層以厚層石灰?guī)r為主，上部覆蓋了5m左右的第四系，石灰?guī)r淺部破碎程度較高，從水文地質(zhì)及工程地質(zhì)角度出發(fā)，可劃分到壓碎巖帶一類，該巖帶連續(xù)性最差，但含水層連通性、導(dǎo)水性則非常好。由于淺部石灰?guī)r破碎，孔隙和裂隙發(fā)育，更有利于巖溶水的溶蝕，因此該典型斷面處溶隙、溶孔、溶洞及少量管道狀空隙組成的脈狀地下網(wǎng)絡(luò)通道十分發(fā)育，有助于千佛山斷裂南北向?qū)瑬|西向透水性。同樣位于地壘南邊界的第⑧組斷面顯示，文化橋斷裂深部石灰?guī)r與閃長巖接觸部分，閃長巖為強風(fēng)化特性，中粗粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，雖節(jié)理裂隙發(fā)育，卻有方解石脈填充，說明文化橋斷裂在形成后，由于斷裂隙的突然張開，西側(cè)石灰?guī)r中的巖溶水流經(jīng)斷裂帶，CO2很快釋放，CaCO3沉淀發(fā)生鈣華沉積，并充填裂隙形成方解石脈，使此處閃長巖成為不透水的堅硬整體。

4 結(jié)論

(1)千佛山斷裂在市區(qū)內(nèi)從南郊賓館至明湖北路4km范圍內(nèi)具有透水性，明湖北路以北斷裂東西向隔水不連通。千佛山斷裂市區(qū)段的東側(cè)地下水導(dǎo)水性比西側(cè)強。

(2)文化橋斷裂在市區(qū)內(nèi)經(jīng)十路至明湖北路之間3.7km范圍內(nèi)為透水?dāng)嗔选＝?jīng)十路以南部分，淺層強風(fēng)化閃長巖由于鈣華沉積，導(dǎo)致南北向?qū)茏琛?/p>

(3)千佛山斷裂位于四大泉群正西方向的部分，裂隙極其發(fā)育，富水性較強烈，不僅東西兩側(cè)透水性好，垂直方向上導(dǎo)水也暢通，但由于上覆較厚粘土隔水層，因此沒有形成泉水出露。

致謝：在寫作過程中，山東省地礦工程勘察院和北京城建勘測設(shè)計研究院提供了大量的鉆孔資料與水文、工程地質(zhì)圖，并給予了許多專業(yè)解釋及工程建設(shè)意見，特此致謝！

[1] 商廣宇,王建軍,鄒連文,等.濟南市保泉供水對策研究[J].中國水利,2007(8):34-35，38.

[2] 黃春海.濟南泉群成因及保泉措施.地下水開發(fā)研究[M].濟南：山東大學(xué)出版社,1988：1-20.

[3] 張?zhí)m新,徐揚,張慧.濟南白泉泉群形成機理研究[J].山東國土資源,2017,33(8):58-62.

[4] 崔愛萍,于翠翠.百脈泉泉群流量動態(tài)特征及影響因素分析[J].山東國土資源,2016,32(9):32-37.

[5] 胡丙忠.明水泉群成因機理及泉域巖溶地下水?dāng)?shù)值模擬[D].青島：山東科技大學(xué),2012：41-45.

[6] 鄒連文,商廣宇,張明泉,等.濟南泉水來源區(qū)域探討[J].中國水利,2008(7):22-24.

[7] 趙延鑄.濟南泉水地理[M].濟南:濟南出版社,2015:73-85.

[8] 韓連山,汪玉靜,韓昱.千佛山與趵突泉泉水形成關(guān)系研究[J].山東國土資源,2015,31(12)：27-32.

[9] 孫斌,彭玉明,李常鎖,等．濟南巖溶水系統(tǒng)劃分及典型泉域水力聯(lián)系[J]．山東國土資源,2016,32(10):32-36.

[10] 劉國愛,趙新華.濟南泉域巖溶水動態(tài)特征及有關(guān)問題討論[J].山東地質(zhì),1997,13(2):67-73.

[11] 陳鴻漢,張永祥.中國北方巖溶區(qū)地下巖溶水庫-地表水庫聯(lián)合調(diào)蓄[J].地學(xué)前緣,2001,8(1):185-190.

[12] 劉莉莉,宋蘇林,崔春梅.濟南泉水的成因及保泉對策研究[J].山東水利,2013(5):17-18.

[13] 郝永艷.三給地壘巖溶地下水系統(tǒng)及水源地保護(hù)區(qū)劃分研究[D].太原：太原理工大學(xué),2011：29-36.

[14] 陶曉風(fēng),劉登忠,朱利東,等.西藏措勤地區(qū)夏康堅地壘的形成及隆升特征[J].地質(zhì)通報,2003,22(11～12):941-943.

[15] 陳喜昌.壓性斷裂的導(dǎo)水性研究[J].山地研究,1985,3(1):60-65.

[16] QIAN J, ZHAN H B, WU Y F, et al. Fractured-karst spring-flow protections: a case study in Jinan, China[J]. Hydrogeology Journal, 2006, 14 (7): 1192-1205.

[17] 陳宏峰,張發(fā)旺,何愿,等. 地質(zhì)與地貌條件對巖溶系統(tǒng)的控制與指示[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì),2016,43(5):42-47.