臨沂北城新區礦山水文地質特征及形成機理分析

張宗元，楊能上，王 飛

（山東省第一地質礦產勘查院，山東 濟南 250109）

臨沂地處沂沭斷裂帶中、南段，地質構造環境復雜，經歷了復雜的沉積、巖漿、變質、構造等地質事件，形成一套較為完整的礦石和構造體系，為礦山地下水的形成提供了有利的地質、構造條件[1，2]。本文以山東臨沂北城新區礦山水文地質勘查資料為例，對該區礦山地下水的形成機理及分布特征進行了研究探討，以期對同類礦區水文地質資源勘查評價和開發利用提供指導作用。

1 區域地質條件

圖1 礦區地質構造略圖

在蒙山斷裂帶的南部、鄌郚—葛溝斷裂帶的西部、尼山—蒼山斷裂帶的北側均發現了地下水徑流，流經方向為從西北方向到東部方向，并將礦區劃分為兩個不同級別的地質構造單元，即臨沂穹斷、平邑凹陷。礦區內的各個地層在構造控制的情況下發育良好。具有代表性的地層為二疊系、古生代寒武系、石炭系、太古界泰山巖群、奧陶系、白堊系；新生代古近系、新近系以及第四紀松散堆積物等。

2 區域水文地質條件

山東臨沂北城新區礦山地下水類型可大致分為四種類型即基巖裂隙水、松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖類裂隙巖溶水、碎屑巖類孔隙裂隙水。而在地層特性、地貌等相關因素的影響下礦山地下水賦存形態發生變化，水文地質分區以孟家村常家莊斷裂帶為界分屬臨沂單斜水文地質單元、平邑—方城地塹水文地質單元。

2.1 臨沂單斜水文地質單元

本次研究礦區由鄌郚—葛溝斷裂帶、臨沂弧形斷裂組、孟家村常家莊斷裂帶共同組成。礦區地下水的最主要的補給來源為大氣降水，而少量的變質巖裂隙水、裂隙巖溶水也會滲入到地層中，為礦區地下水提供少量的補給，無論哪種地下水補給方式，徑流方向與地層的傾斜方向，徑流方向為由WN向ES，在徑流范圍內會有降水補充，以至于地下水的流量不斷增大。研究礦區內地下水有多種排泄方式，可以進行人工開采，也可通過地質構造破碎帶對礦山地下水進行開采。

2.2 平邑—方城地塹水文地質單元

平邑—方城地塹水文地質單元處于孟家村常家莊和蒙山斷裂帶中間地帶。礦山地下水主要依靠大氣降水來進行補給，礦區南側的白堊系裂隙水和北側的蒙山斷快凸起的潛流水也為礦區地下水提供了一定數量的補給；礦山斷層走向、地下水的徑流方向、地形坡向大致相同，NW方向到SE方向，流經途中有降水持續進行補給，我們發現徑流的補充量有持續增加的趨勢，礦區深部地層地下水徑流到斷裂帶時會受有一定阻力，一部分地下水徑流補給了第四系孔隙水，另外一部分徑流量沿斷裂破碎帶排出了研究區域。

3 礦區地下水形成機理

礦區地處沂沭斷裂帶以西，區內地質構造復雜，具備源、通、儲、蓋地下水的形成機理，具有良好的水文地質形成條件，該區地下水是經過漫長而復雜的溶濾作用和不斷的循環徑流交替形成，成因為傳導對流型，地下水溫度主要取決于地下水的循環深度及徑流排泄條件，礦區地下水的賦存及分布嚴格受構造控制[3]。該礦田以孟家村—常家莊斷裂帶（汶泗斷裂）為界將礦田分為I和II兩個地下水的儲區，I區屬于平邑—方城地塹水文地質單元，II區屬于臨沂單斜水文地質單元。

3.1 礦區地下水的來源

礦區屬于沂沭斷裂帶大地徑流高值區，水文地質資源主要來自地殼深處的徑流傳導，其次是巖漿熱液活動及放射性元素蛻變，根據物探資料，該地區為莫霍面相對隆起區，可從地球內部向地表傳導相對較高的徑流量，有利于地下水形成。根據DR1和DR2的和水質分析資料、同位素資料分析地下水的補給來源為大氣降屬大氣成因，地下水的補給主要來源于臨沂南部灰巖裸露區和西部平邑山區地下水的深部徑流補給，經深循環而形成。本地區的地下水儲蓋層為第四系、白堊系八畝地組及石炭—二疊系，主要由粘土、玄武安山巖、泥巖及頁巖構成，熱導率低，是良好的不透水蓋層。

3.2 礦區地下水含水層

礦區廣泛隱伏著寒武系、奧陶系地層，地層傾向分別從南西向礦區傾斜，南淺北深，在礦區形成深部巖溶凹地，具有較好的水文資源儲存空間，形成深部地下水儲存區域[3]，儲存形態嚴格受構造控制，呈帶狀兼層狀，水文資源儲層為寒武系、奧陶系灰巖溶蝕發育帶為主，巖性主要為灰巖，該套地層巖石破碎，含水層發育，裂隙巖溶率為5%～25%，頂板埋深一般800m～1300m，底板埋深一般1300m～2200m[4]，具體見表1。

表1 各區段含水層特征一覽表

3.3 礦區地下水通道

在礦區內各斷裂帶的影響下，為地下水的徑流提供了場所，特別是沂沭斷裂帶周圍，地層巖系發育良好，為地下水的運移提供了便利條件。

4 礦區地下水的水化學特征

在礦區地下沉積環境、含水介質化學成分、地下水循環、水化學等幾方面因素的共同作用下促使了地下水的成分形成，礦區地下含水層、地質活動、大氣降水成為地下水補給的主要來源[6]。地下水的化學因素不只是地質環境性狀與功能的表征，而且是制約地下水中元素濃度、固—液相分配、形態和遷移轉化的直接因素[5]。從臨沂北城礦區I區段DR1和II區段DR3地下水質檢測結果可知：該礦田是地下水化學特征具有明顯的區域分區性，II區段的礦化度、總硬度和主要陰陽離子組分含量均低于I區段[4]。I區段區下中元素的摩爾濃度比rNa/rCl=1.068，II區段地下水中的元素的摩爾濃度比rNa/rCl=1.46，其系數均高于大洋水（rNa/rCl=0.85），反映I區段、II區段地下水均具有大陸溶濾水的特征[5]，即地下水的最終來源為大氣降水。

圖2 DR1、DR3 δD、δO18值與標準雨水線對比圖

I區段DR1井δD含量為-55‰，δO18含量為-9.2‰；II區段DR3井δD含量為-54‰，δO18含量為-9.2‰，經研究對比δD和δO18的值在克雷格標準降水直線δD=8δO18+10附近（見圖2），再次說明地下水由大氣降水補給形成，屬大氣成因。

放射性元素含量的多少能體現出地下水滯留時間即地下水年齡，從而可以定量評價礦區地下水文資源的循環速度和可更新能力，I區段放射性元素含量總體上卻較II區段低，可推斷I區段的地下水循環速度較II區段快；更新能力較II區段強，補給條件較II區段優越。I區段地下水氚含量為27±1.8推斷I區段地下水循環時間大于40年；II區段地下水氚含量為9.2±1.4推斷II區段地下水循環時間大于60年。

5 結語

臨沂北城新區礦山地下水的形成主要是深循環的地下水沿裂隙對流上涌形成，地下水主要賦存于寒武系、奧陶系灰巖巖溶地層中，屬巖溶型，補給來源為大氣降水；其次是巖漿熱液活動及放射性元素蛻變，成因為傳導對流型，蓋層為第四系、白堊系八畝地組及石炭—二疊系的粘土、玄武安山巖、泥巖及頁巖構成，地下水溫度主要取決于礦區地下水的循環深度及徑流排泄條件，地下水的賦存及分布嚴格受構造控制。