魯中南地區古近系朱家溝組水文地質特征及富水模式

李 波 宋一心 高 菡 吳 璇 關 琴 劉春偉

1. 山東省地質礦產勘查開發局八〇一水文地質工程地質大隊, 山東 濟南 250014;2. 山東省煤田地質規劃勘察研究院, 山東 濟南 250014;3. 山東省地下水環境保護與修復工程技術研究中心, 山東 濟南 250014

0 引言

山東省是中國北方嚴重缺水省份之一, 人均占有水資源不足全國平均值的1/6。 山東省地下水開發利用始于20 世紀70 年代, 隨著經濟社會快速發展, 地下水開采量急劇增加, 至21 世紀初期地下水開采量達到了115×108～120×108m3/a (徐軍祥和康鳳新, 2001; 劉春華和楊麗芝, 2005; 姜福紅和劉文, 2017), 地下水資源已成為制約山東省社會經濟發展的重大問題。

魯中南地區在區域構造位置上屬于華北地臺的東南部, 總體上是一個以大型隆起為背景的地質構造單元(云金表等, 2002; 張錫明等, 2007)。 區內具有實際供水意義的主要為碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水巖組與松散巖類孔隙含水巖組 (康鳳新等, 2010;梁永平和王維泰, 2010; 孫遜等, 2010)。 近年來由于兩大含水巖組地下水開采量不斷增加, 開采區周邊出現了巖溶塌陷、 地下水水質惡化等環境地質問題(郭棟棟等, 2012; 王延嶺等, 2015), 因此尋找新的供水目標含水層及富水塊段對于解決魯中南缺水難題具有重要意義。

2012 年山東省率先在魯中南地區開展了1 ∶50000 水文地質調查工作, 截止到目前已覆蓋了魯中南大部分區域。 在已有的水文地質工作中, 對古近系朱家溝組研究甚少, 一般將其與其他碎屑巖類一起歸為碎屑巖孔隙裂隙含水巖組, 單井涌水量小于100 m3/d, 為弱富水含水巖組, 不具有供水意義 (山東省地質局第一水文地質隊, 1979)。此次通過實施的水文地質鉆孔及機民井調查資料發現, 在萊蕪盆地、 汶口盆地及新泰盆地內, 朱家溝組含水巖組淺部裂隙巖溶發育, 實施的鉆孔單井涌水量達到了1000 ～4000 m3/d, 有效解決了當地用水難題。 基于此, 文章在1 ∶50000 水文地質調查工作的基礎上, 以汶口盆地、 新汶盆地朱家溝組含水巖組為例, 系統分析其水文地質特征,研究裂隙巖溶發育規律, 總結地下水富水模式,為下一步在魯中南地區尋找新的目標含水層、 找水定井工作提供技術指導。

1 研究區概況

1.1 自然地理位置

研究區主要位于山東省中部山區, 涉及泰安、淄博、 濟寧、 臨沂等地級市。 區內地勢整體偏高,以低山丘陵為主。 研究區屬暖溫帶半濕潤季風氣候區, 四季分明, 多年 (1956 ～2019 年) 平均降水量889.7 mm。 區內主要河流為柴汶河、 牟汶河,柴汶河由東向西穿過新汶盆地, 在大汶口鎮附近與牟汶河匯合, 形成大汶河; 受季節性降水及蒸發量影響, 水系流量及水位變化大。

1.2 地質構造

山東省地處華北克拉通東部 (宋明春和李洪奎, 2001), 古近紀及新近紀時期由于克拉通深部地幔大規模隆起和地殼大規模伸展而處于伸展動力學背景下, 形成了一系列新生代裂陷構造盆地(圖1; 翟明國等, 2004; 周新桂等, 2004; 翟明國, 2019)。 在古近紀時期, 由于沂沭斷裂帶與蘭聊斷裂的右行走滑活動, 致使魯中南地區形成的盆地發生掀斜式抬升 (牛樹銀等, 2004); 其后由于盆地邊緣斷裂兩側地體差異性升降幅度增大,相繼發育了朱家溝組的山麓沖洪積相類磨拉石建造; 朱家溝組沉積之后, 由于魯中地區整體抬升,盆地沉積時代結束, 進入長期剝蝕狀態 (鄭德順等, 2013; 張琪琪和張拴宏, 2019)。

2 含水巖組水文地質特征

2.1 分布特征

朱家溝組由遲培星等創名 ( 遲培星等,1997), 代表性剖面位于蒙陰縣騎路官莊剖面。 主要分布于北西向中新生代沂源盆地、 萊蕪盆地、新泰-蒙陰盆地、 汶上-泗水盆地、 平邑-方城盆地, 近東西向大汶口-汶東盆地等北側近斷裂處,呈北北西向條帶狀分布 (朱大崗等, 2008)。

2.2 巖性特征

朱家溝組主要為沖積扇-山麓洪積相沉積。 主要巖性為灰褐、 灰紅色礫巖, 下部少量紫紅色砂巖、 砂質泥巖, 地層厚度變化大。 底界以泥巖結束, 大套礫巖出現劃界, 與下伏卞橋組或大汶口組整合接觸; 頂部裸露或與前寒武紀基底花崗巖類斷層接觸。

朱家溝組地層巖性、 巖相較穩定, 地層厚度變化較大。 在平邑-方城盆地, 中部石河村厚度652.8 m, 方城厚度87.0 m, 顯示向盆地東西兩側變薄的趨勢; 在新泰-蒙陰盆地, 主要沿新泰-垛莊斷裂以南分布, 出露厚度428.0 ～1012.5 m, 向東厚度大于380 m (未見底), 也顯示向盆地東西兩側變薄的趨勢; 在大汶口-汶東盆地、 泗水盆地地表見零星露頭, 厚度大于150 m; 在萊蕪盆地主要分布于王山子—鵬山一帶, 厚135.39 m, 巖性主要為灰質礫巖, 其下與常路組整合接觸, 其上以斷層與下古生界接觸; 在韓四盆地, 主要分布于韓莊以北, 厚618.64 m, 巖性以礫巖為主, 夾少量鈣質砂巖, 其下與常路組整合接觸, 其上以斷層與前寒武紀基底接觸 (王來明等, 2012)。

不同盆地中朱家溝組礫石成分受物源、 搬運路徑等因素影響略有差異。 在汶口盆地礫石以泥灰巖為主、 夾有少量花崗巖, 磨圓度差, 棱角明顯, 礫徑多在5 ～20 cm, 個別礫徑大于30 cm; 在新汶盆地礫石以微晶灰巖為主, 磨圓度較差, 次棱角狀, 礫徑多為3 ～8 cm, 個別礫徑超過15 cm。

圖1 研究區構造位置圖Fig.1 Tectonic location of the study area

2.3 富水性特征

在以往水文地質填圖中, 特別是1 ∶200000 區域水文地質填圖, 朱家溝組含水巖組富水性一般劃為小于100 m3/d, 為弱含水層。 此次調查鉆探發現, 該地層內地下水富水性差異較為明顯, 局部地段富水性大于300 m3/d, 在最新 《水文地質編圖規范 (1 ∶50000) 》 中屬于 “豐富—極豐富”范疇, 其富水性主要受斷裂構造、 地形起伏、 裂隙巖溶發育程度等因素影響。 因魯中南地區各盆地具有相似地質構造及水文地質條件, 文中以汶口盆地、 新汶盆地為例進行說明。

在汶口盆地共有8 眼機民井及鉆孔的資料(表1), 面狀分布于區內出露的朱家溝組 (圖2)。由表1、 圖2 可以發現, 該地區朱家溝組含水巖組單井涌水量 (Q) 多在100 m3/d＜Q＜300 m3/d 范圍內, 局部大于300 m3/d; 特別是在磁窯斷裂以西至高村斷裂一帶, 受斷裂構造影響形成局部斷陷,裂隙巖溶較東部地區更為發育, 富水性更好。 以DWZK03 鉆孔為例, 抽水試驗結果顯示, 單井涌水量達到1251.6 m3/d, 降深13.25 m, 其富水性遠超300 m3/d。

在新汶盆地共有14 眼機民井及鉆孔的資料(表2), 條帶狀分布于新泰-垛莊斷裂西側。 由表2 可以看出, 在該盆地內朱家溝組地下水開采深度不一, 大致可以分為三層: 0 ～10 m, 10 ～100 m,大于100 m。 不同深度單井涌水量也不盡相同, 其中0～10 m 機民井涌水量小于100 m3/d, 10 ～100 m機民井涌水量100～300 m3/d, 大于100 m 機民井涌水量大于300 m3/d。 特別是施工的XWZK02, XTZK03鉆孔, 涌水量分別達到了927 m3/d, 4944 m3/d。

表1 汶口盆地朱家溝組調查點統計表Table 1 Statistical table of survey spots of the Zhujiagou formation in the Wenkou basin

圖2 汶口盆地朱家溝組水文地質及調查點分布圖Fig.2 Hydrogeology and survey spots of the Zhujiagou formation in the Wenkou basin

2.4 裂隙巖溶發育特征

朱家溝組巖性以鈣質膠結礫巖為主, 礫石成分以中生界泥晶、 微晶灰巖為主, 膠結物礦物組分以泥晶方解石、 粘土為主 (周樂等, 2019)。 受斷裂構造等因素影響, 含水層發育大小不一的裂隙, 地下水沿裂隙發生溶蝕作用, 形成溶孔、 溶洞。 不同盆地內朱家溝組裂隙、 巖溶發育程度受斷裂規模、 膠結程度等影響略有差異。

據施工鉆孔巖心及調查資料表明, 研究區朱家溝組地層裂隙巖溶發育基本在150 m 以淺。 汶口盆地巖溶形態以蜂窩狀溶孔為主, 局部發育小規模溶洞, 淺部溶洞多填充黃色粘土; 另外, 調查過程中發現在泰安市西磁窯村東側出現朱家溝組巖溶塌陷, 物探剖面也顯示在該區域淺部裂隙巖溶發育 (圖3)。 新汶盆地巖溶形態以溶隙為主,個別地段發育大規模溶洞, 例如在新泰市東杏山下, 發育大規模溶洞群并形成地下河, 洞內發育石筍、 石鐘乳等巖溶形態 (圖4), 該巖溶規模在朱家溝組中實屬罕見。

表2 新汶盆地朱家溝組調查點統計表Table 2 Statistical table of survey spots of the Zhujiagou formation in the Xinwen basin

圖3 磁窯鎮北部地面塌陷高密度電法和CSAMT 剖面圖Fig.3 High density electrical method and CSAMT profile of the surface collapse in the north of Ciyao Town

3 水化學特征

3.1 樣品采集與測試

為分析研究區內朱家溝組含水巖組地下水化學特征、 水化學類型及成因, 結合此次工作條件,對汶口盆地和新汶盆地朱家溝組地下水進行樣品采集。 樣品經0.45 μm 濾膜過濾后置于清洗過的聚乙烯瓶, 陽離子樣品經HNO3酸化至pH 值小于2 后保存, 陰離子樣品原樣低溫保存。 水化學分析在山東省地礦工程勘察院實驗測試中心完成。

圖4 朱家溝組內發育的大規模洞穴沉積物照片 (東杏山村)Fig.4 Large scale cave sediments developed in the Zhujiagou formation (Dongxingshan Village)

3.2 水化學參數特征

表3 朱家溝組地下水化學數據Table 3 Groundwater hydrochemical data table of the Zhujiagou formation

Gibbs 通過研究世界河流、 湖泊、 主要海洋等地表水體中的TDS 值與Na+/ (Na++Ca2+) 以及與Cl-/ (Cl-+HCO-3) 的關系圖, 將天然水體的化學形成機制分為蒸發濃縮機制、 巖石風化機制和降水作用機制三種 (LI et al, 2013; WANG et al,2018)。 Gibbs 圖也被廣泛應用于地下水研究領域,以識別控制地下水化學組分的影響機制 (姜體勝等, 2017)。 在Gibbs 圖中, TDS 值較低且Na+/(Na++Ca2+), Cl-/ (Cl-+HCO-3) 值較高的水樣點分布于圖中右下角, 此類水主要受到大氣降水作用控制。 TDS 值中等且Na+/ (Na++Ca2+), Cl-/(Cl-+HCO) 值小于0.5 或者在0.5 左右的水樣點, 分布在圖的中部左側, 這類水中的離子主要來源于巖石礦物 (陸地可溶性巖石包括碳酸鹽、硅酸鹽、 蒸發鹽和硫化物礦物) 的風化釋放。 TDS值較高且Na+/ (Na++Ca2+), Cl-/ (Cl-+HCO-3)值也較高的水樣點分布在圖中右上角, 反映出水體所處區域較為干旱, 蒸發濃縮作用強烈 (朱秉啟和楊小平, 2007; 唐璽雯等, 2014; 孫英等,2019; 馮建國等, 2020)。 從研究區內朱家溝組地下水Gibbs 圖 (圖6) 可以看出, 區內朱家溝組地下水樣點均處在巖石風化型區域內, 說明水-巖相互作用是形成古近系朱家溝組地下水化學的主要作用, 離子主要來源于灰質礫巖及膠結物的風化釋放, 具有與巖溶水相似的化學特征。

圖5 研究區地下水樣品piper 圖Fig.5 Piperdiagram of groundwater samples in the research area

圖6 研究區地下水Gibbs 曲線圖Fig.6 Gibbs graphs of groundwater in the research area

4 地下水富水模式分析

古近系朱家溝組主要分布在魯中南坳陷盆地邊緣地帶, 為一套具有磨拉石建造特征的陸源碎屑沉積物。 礫石成分以古生界碳酸鹽巖為主, 膠結物多為泥質、 鈣質膠結。 泥質膠結物成分以粘土為主, 遇水后易軟化分解溶蝕形成裂隙, 碳酸鹽巖遇水溶蝕后形成溶孔、 溶洞。 鈣質膠結物礦物成分多為方解石, 與礫石成分相一致, 在裂隙發育處與礫石一起溶蝕分解, 形成地下水賦存空間。

朱家溝組受控盆構造多期作用影響, 地層巖石多裂隙發育, 為地下水賦存、 巖石溶蝕提供了可能性 (徐一平等, 2020)。 在控盆斷裂外側多出露大面積的不同期次侵入巖, 大氣降水及入滲補給的裂隙水沿地表起伏向斷裂低洼處徑流, 滲漏補給盆地內部的朱家溝組礫巖含水層; 另外, 在河流發育處, 地表水下滲也是主要補給來源。 朱家溝組地下水受下部大汶口組、 常路組砂巖、 泥巖阻水后在裂隙巖溶發育段富集形成富水區域(圖7)。 在盆地內部, 朱家溝組與奧陶系馬家溝群不整合接觸, 除接受大氣降水補給和地表水下滲外, 還接受巖溶水頂托補給。 目前朱家溝組地下水主要用于生活用水及農業灌溉用水, 開采方式以分散開采為主, 開采潛力較大。

圖7 汶口盆地DWZK03 鉆孔水文地質剖面圖Fig.7 Hydrogeological profile of the borehore DWZK03 in the Wenkou basin

在調查研究過程中發現, 朱家溝組含水巖組富水性差異受斷裂構造影響明顯, 特別是在盆地邊緣地帶及汶口盆地磁窯斷裂與高村斷裂之間。因此, 朱家溝組含水巖組的富水模式是以斷裂構造為主要控制因素的斷裂型灰質礫巖裂隙巖溶蓄水構造模式, 根據不同盆地沉積構造不同又可分為山前丘陵不整合接觸蓄水模式與盆地前緣超覆構造蓄水模式。

另外, 通過鉆探施工發現, 在主干斷裂內裂隙多被粘土填充, 地下水富水性較差, 且成井難度大; 靠近主干斷裂30 ～50 m 的影響帶內, 150 m以淺裂隙巖溶發育, 富水性較好, 為良好的成井靶區, 例如新汶盆地XTZK03 鉆孔, 距離新泰-垛莊斷裂28 m, 井深152.2 m, 最大涌水量4944 m3/d,降深13.86 m。

5 結論

文章依托1 ∶50000 水文地質調查工作, 通過開展水文地質調查、 水文地質鉆探、 水化學分析等工作手段, 探討了魯中南朱家溝組含水巖組水文地質特征及水化學特征, 分析了其富水機理與蓄水模式, 形成結論如下。

(1) 古近系朱家溝組灰質礫巖含水巖組集中分布在魯中南坳陷盆地邊緣, 分布面積較小, 呈條帶狀分布。 地層巖性為鈣質、 泥質膠結灰質礫巖, 巖性單一; 裂隙巖溶形態以溶蝕裂隙、 溶孔、溶洞為主, 集中發育在150 m 以淺。

(2) 朱家溝組地下水化學類型不同區域略有差異, 陽離子以Ca2+為主, 陰離子以為主, 地下水補給來源較為單一, 水化學類型受人類活動影響明顯; 依據Gibbs 曲線圖, 該類地下水屬于巖石風化型, 離子主要來源于灰質礫巖及膠結物的風化釋放, 地下水類型兼具裂隙水與巖溶水特征。

(3) 朱家溝組含水巖組富水模式為斷裂型灰質礫巖裂隙巖溶蓄水構造模式, 可細分為山前丘陵不整合接觸蓄水模式與盆地前緣超覆構造蓄水模式, 受斷裂控制明顯, 該模式在魯中南地區具有普遍性和適用性。 地下水主要補給來源為侵入巖區大氣降水、 裂隙水滲漏補給及地表水下滲補給, 盆地南緣不整合接觸地帶還接受巖溶水頂托補給。

(4) 在近幾年開展的1 ∶50000 水文地質調查工作基礎上發現, 朱家溝組灰質礫巖富水性受斷裂構造影響差異巨大, 部分地段地下水開采潛力巨大, 允許開采量可達到20000 m3/d。 在巖溶水、孔隙水超采嚴重的現狀下, 朱家溝組已成為魯中南地區一個重要目標含水層, 這對于魯中南缺水山區具有重要的實際供水意義和社會經濟效益。