山東省嶧城斷塊巖溶發育特征及富水規律研究

楊傳偉，王琳琳，王新新，石鳳鳳，高源，王寧

(1.山東省魯南地質工程勘察院(山東省地質礦產勘查開發局第二地質大隊)，山東 濟寧 272100；2.安徽理工大學地球與環境學院，安徽 淮南 232001)

0 引言

嶧城斷塊是山東省53個二級巖溶水系統之一，屬棗莊單斜一級巖溶水系統，地處魯中南巖溶山區南部，是典型的斷塊型構造模式[1-2]。已有學者針對系統內地下水水質、地下水動態、巖溶發育規律等水文地質特征做過考察研究[3-6]，并取得了一定成果，但對整個系統內巖溶水富集規律總結較少。本文在以往研究的基礎上，結合已開展的“山東省1∶5萬區域水文地質調查(沙溝幅、嶧城幅)”項目，該項目工作區范圍基本涵蓋了整個嶧城斷塊巖溶水系統，通過對收集到的各類巖溶鉆探資料統計與分析，進一步查明了區內碳酸鹽巖的巖溶發育特征，總結了巖溶水富集規律及構造控水特征，為區內地下水資源合理開發利用與保護提供技術支撐。

1 研究區概況

1.1 氣象水文

研究區屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，具有雨熱同季、四季分明的特點。根據棗莊市嶧城區氣象局資料，多年(1980—2019年)平均溫度14.5℃，平均降水量805.09mm，平均蒸發量1820mm，最大凍土深度38cm。區內地表水體屬于淮河流域運河水系，主要發育嶧城大沙河，是韓莊運河的一條最大支流，發育齊村、郭里集和稅郭三條支流，分別在苗莊南和西大樓注入嶧城大沙河，向南排入韓莊運河，流域面積629.3km2，全長57km[7]，區內長14.21km，流域面積約160km2。

1.2 地形地貌

研究區位于魯中南中低山丘陵區南部，主要發育丘陵和山間平原兩種地貌類型，總體地勢西高東低、北高南低，整體往臺兒莊方向傾伏。北部斷續分布EW向展布的條帶狀丘陵，基本越穿全區，地形起伏較大，山體標高170～370m；東南部分布山間平原，地形相對平緩，吳林-泥溝-紅瓦屋一帶地面標高30～50m。

1.3 地質條件

研究區屬柴達木-華北地層大區(Ⅰ)、華北地層區(Ⅱ)、魯西地層分區(Ⅲ)、濰坊-臨沂地層和濟南-滕州地層小區(Ⅳ)[8]?？傮w來說，區內地層出露較為齊全，沉積地層以古生代奧陶系和寒武系的碳酸鹽巖為主，分布面積占全區總面積的90%左右，厚度大于1000m，并在低山丘陵區裸露；新生界第四系黏土、粉質黏土、砂廣泛分布在平原區，但厚度一般小于30m。

本區在大地構造單元上處于華北板塊(Ⅰ)魯西隆起區(Ⅱ)魯中隆起(Ⅲ)棗莊斷隆(Ⅳ)嶧城凸起(Ⅴ)的單元內[8]，構造較為復雜，以斷裂為主，褶皺次之。斷裂構造極其發育，按其發育方向大致可分為NE向、NNE、近EW向、近SN向及NW向5類(圖1)。區內褶皺構造均為蓋層褶皺，廣泛分布于土門群-古生界中，白山褶皺構造、峨山褶皺構造、望仙山褶皺構造為區內主要褶皺構造。

1—第四系；2—白堊系；3—石炭系；4—奧陶系；5—寒武系-奧陶系；6—寒武系；7—南華系；8—新太古代基底巖石；9—地質界線；10—實測及推測斷層；11—研究區范圍圖1 研究區地質構造簡圖

1.4 水文地質條件

嶧城斷塊巖溶水系統是一個完整的水文地質單元，東北部、北部、西部和南部山區，地表水與地下水分水嶺一致，由分水嶺組成隔水邊界。以峨山斷裂、嶧城斷裂、蘇埠-閣莊斷裂、紅瓦屋斷裂作為東部隔水邊界，峨山斷裂、嶧城斷裂、蘇埠-閣莊斷裂以東主要分布新元古代土門群佟家莊組、二青山組頁巖、砂巖及新太古代花崗閃長巖，有阻水作用。紅瓦屋斷裂以東分布巨厚的第三紀官莊組泥巖及砂頁巖，具有很好的隔水性。東南部的下部奧陶系和外側寒武系及震旦紀土門群接觸，有阻水作用，但上部第四系含水層和盆地下游連通，形成一段排水邊界(1)山東省魯南地質工程勘察院(山東省地勘局第二地質大隊)，山東省巖溶發育區地質環境調查(濟寧-棗莊段，續作)報告，2020年。。地下水類型主要為碳酸鹽巖類裂隙巖溶水，含水層主要發育在馬家溝群、三山子組、張夏組、朱砂洞組灰巖中。馬家溝群灰巖、三山子組白云巖富水性最好，主要位于嶧城斷塊中部，地下巖溶發育強烈，加之地形較低，有利于地下水的匯集，一般單井涌水量大于3000m3/d，局部單井涌水量可大于5000m3/d。系統具有相對獨立的補給、徑流、排泄條件，主要補給來源為大氣降水入滲、河水滲漏及少量北部地下水徑流，地下水流向大體自西向東，自北向南，以人工開采和向南東徑流排泄為主。

2 巖溶發育特征

2.1 地表巖溶特征

地表巖溶主要為溶蝕裂隙、溶溝、溶槽、石芽、干谷、溶洞等，巖溶形態類型及特征詳見表1。

表1 地表巖溶形態類型及特征

2.2 地下巖溶特征

地下巖溶形態主要依靠鉆孔所揭露地層，主要有溶蝕裂隙、溶孔和溶洞等。溶蝕裂隙廣泛分布，寬一般小于20cm，多以脈狀、連環狀、樹枝狀展布，在地下水位以上大部分充填有紅色黏土或黏土夾礫石，含水層中多具方解石結晶體，溶蝕裂隙是構成溶孔、溶洞的最基本單元(照片1)。溶孔多呈蜂窩狀、網格狀，在地下水進一步溶蝕作用下形成溶洞，溶洞直徑大小不一，一般洞徑1～3cm，大者可超過0.5m。溶蝕裂隙、溶孔、溶洞互相連通，構成裂隙溶洞管道系統，成為良好的儲水空間。

a—三山子組發育的溶蝕孔洞(ZK9)；b—朱砂洞組發育的蜂窩狀溶孔(ZK8)照片1 地下巖溶形態典型照片

通過野外調查、分析以往鉆孔巖心及本次鉆孔資料(表2)，區內巖溶發育特征如下：

(1)從地層巖性來看，區內可溶性巖石主要有奧陶紀馬家溝群灰巖、白云巖、寒武-奧陶紀九龍群三山子組白云巖、寒武紀炒米店組、張夏組、朱砂洞組灰巖和青白口系二青山組灰巖，均是海相碳酸鹽巖類巖石，不同時代的碳酸鹽巖沉積環境不同，其化學成分和礦物成分均有一定差異，因而巖溶發育具有不一致性。整體上，奧陶紀馬家溝群、寒武-奧陶紀九龍群三山子組地層巖性以中層—厚層灰巖、白云巖為主，礦物成分以方解石為主，白云石次之，泥質成分極少，化學成分中CaO約占50%左右，地下巖溶非常發育，常可形成較大規模的巖溶含水層段，局部地段可形成水源地。寒武紀炒米店組、張夏組和朱砂洞組地層巖性以灰巖、泥質條帶灰巖、鮞?；規r為主，巖溶發育程度比奧陶系灰巖相對較差。土門群二青山組地層則小面積分布于系統東部(嶧城斷裂以北)和南部(金陵寺斷裂以南)。主要含水層位為二青山組灰巖段，因該層位頂部頁巖段和底部砂巖段均為隔水層，由于受泥質含量的影響，一般情況下巖溶不甚發育，只有在水動力條件好的地段才有巖溶裂隙、溶孔。當地形、地貌和補給條件有利時，可形成局部的富水區。本次調查發現，位于南楊莊村北1km底閣鎮的集中供水井，開采含水層為二青山組灰巖，抽水降深3.8m，單井涌水量大于1000m3/d。

表2 鉆孔揭露地下巖溶情況一覽表

(2)從地質構造來看，地質構造與巖溶的發育強度及發育方向有著十分密切的關系，可以使巖層發生形變、破裂與位移，從而控制了地下水的運動方向，進而決定了巖溶發育的特征[9-10]。區內溶洞的發育與構造節理有關，節理發育的主方向為NNE和NWW，如青檀寺“藏王宮”溶洞，洞口標高約為160m，溶洞長97m，延伸方向NNE，長軸發育方向與節理方向一致，這也說明，從構造角度而言，本區巖溶發育方向主要沿這兩組節理走向。從空間分布來看，區內以NE、NNE向張性或張扭性斷裂最為發育，對地層的切割破壞強烈，地下水有的沿著斷裂破碎帶或裂隙密集帶呈帶狀分布，有的沿著斷裂或巖脈呈脈狀分布，局部由于受隔水巖層或構造的控制而形成小范圍的儲水空間。如區內的壕溝斷裂、馬山套斷裂以及肖橋斷裂，均主要發育在寒武-奧陶紀石灰巖地層中，由于斷裂構造的作用，斷裂帶及附近兩側巖溶較其他部位發育。

(3)在水平方向上，從區域巖溶地下水流場圖可以看出(圖2)，在裸露、半裸露—淺埋的補給區和近補給區，巖性多為寒武-奧陶系灰巖、白云巖，淺部地下水作用強烈，巖石易于溶蝕，巖溶較為發育，以溶蝕裂隙及溶孔為主。如ZK3、ZK9號鉆孔，均處于山前一帶的補給區，第四系厚度在5m左右，井深都大于250m，其中ZK3號鉆孔僅在張夏組地層(45.1～46.80m段)中見有溶蝕裂隙；ZK9號鉆孔雖在三山子組地層(36.50～40.70m段、55.80～56.20m段)、張夏組地層(233.60～234.22m段)見有溶蝕現象，但淺部巖溶明顯好于深部。而在排泄區或近排泄區，由于其垂直、水平交替頻繁，特別是受到斷裂構造的影響，巖溶發育強烈且深度大，有較大的溶蝕裂隙、蜂窩狀溶孔及溶洞。如K4、K8、K10號探采結合孔，受斷裂影響，在150～180m范圍內，可見較多溶孔、溶洞，巖溶發育較其他深度強烈?？傊?，從補給區到排泄區，巖溶發育整體由弱到強，由淺到深，補給區巖溶以溶蝕裂隙為主，排泄區則多為溶蝕裂隙加溶孔、溶洞。

1—巖溶水等水位線及水位標高/m；2—地下水流向；3—收集及本次施工鉆孔；4—研究區范圍圖2 區域巖溶地下水流場圖

(4)在垂直方向上，裂隙巖溶發育程度隨著埋深的增加逐漸變弱，在鉆探深度內裂隙巖溶發育的最大深度為285m，區內巖溶發育主要集中在200m以淺，一般在20～180m可見連通性較好的溶隙、蜂窩狀溶孔及巖溶發育強烈的溶洞(圖3)。如ZK8號孔，第四系覆蓋層厚度18.60m，在19.90～23.40m段鉆進時沖洗液全漏，見有溶蝕孔洞，未被充填，下至125m左右蜂窩狀巖溶較發育，125m以下裂隙仍有發育，但多被方解石脈充填，這說明越向下水動力條件越滯緩。

1—溶洞；2—蜂窩狀溶孔；3—溶蝕裂隙；4—土峪組；5—三山子組；6—炒米店組；7—崮山組；8—張夏組；9—饅頭組；10—朱砂洞組圖3 研究區巖溶發育深度統計圖

3 巖溶富水規律

研究區巖溶水的富集與巖溶發育特征是基本一致的，受地形地貌、可溶巖的巖性、地質構造等因素影響，總體呈現出了地貌匯水、巖層含水、構造控水的基本規律[11-14]。

3.1 地貌匯水規律

研究區地下水以滲入型補給型為主，在隱伏巖溶地區多屬間接補給，地形地貌控制著地下水的補給和匯水條件，降水補給面積的大小、匯水條件的好壞、地形坡度的陡緩、地形形態及所處地勢高低便成為地下水富集的關鍵因素。

從區域地下水富水性特征來看，地下水富集區地貌以山間谷地、洼地及山前平原區為主。地勢較低，匯水面積相對較大，特別是在山間谷地一帶，大氣降水入滲補給后自高處向低處徑流，在低洼處能夠最大程度地截取上游地下水徑流量，易于地下水蓄積，出露有眾多的巖溶泉，流量由每秒幾升至幾十升。據調查統計，區內發育有14個巖溶泉，如嶧城城區的白馬泉，位于山間谷地，北、西、南三面環山，形成了近1km2的匯水面積，為泉水提供了充足的水源。地下水主要匯集于張夏組下灰巖巖溶裂隙中，山坡出露灰巖地表溶溝較發育，匯集區灰巖溶孔溶洞為提供了儲水空間和運移通道。大氣降水沿地表溶溝入滲，沿灰巖溶蝕孔洞徑流，受饅頭組洪河段砂巖阻擋于地勢低洼處出露成下降泉，全年流量50～600m3/d不等，水質優良，已成為附近社區村民的飲用水源之一(圖4)。

1—崮山組；2—張夏組上灰巖段；3—張夏組下灰巖段；4—饅頭組洪河段；5—饅頭組下頁巖段；6—灰巖；7—云斑灰巖；8—鮞?；規r；9—泥灰巖；10—砂巖；11—頁巖；12—泥巖；13—地下水流向；14—下降泉圖4 白馬泉成因剖面示意圖

3.2 巖層含水規律

地層巖性是地下水存在的物質基礎，在可溶性地層分布區，巖石的易溶性及所處部位對地下水富集有一定的影響。從區內富水性特征來看，富水地層一般為奧陶紀馬家溝群、寒武-奧陶紀三山子組灰巖、白云巖。因脆性巖石受力作用后易產生張開程度好的裂隙，加之巖石化學成分的不均勻性，巖石礦物成分中的CaO含量較高，地下水易于通過并溶蝕成裂隙、溶孔乃至溶洞，形成地下水良好的通道及儲水空間，進而形成具有一定供水意義的富水地段[15]。如嶧城斷塊徑流區分布多個以開采三山子組白云巖為主的水源地，其中十里泉第三水源地勘探項目在賈莊村北施工K4、K5、K6三眼鉆孔，含水地層主要為三山子組白云巖，巖溶集中發育在80～110m，其中K4號孔巖溶發育深度主要集中在90～93m，溶孔孔徑2～5cm；K5號孔巖溶發育深度主要集中在79～101m，溶孔孔徑0.5～3cm；K6號孔巖溶發育深度78～108m，其中93～108m有溶洞。

3.3 構造控水規律

斷裂的力學性質影響巖溶發育情況，亦是控制富水性的主要因素，地下水多富集于張性斷裂附近，與此同時，構造的不同部位也是地下水的富集過程中一個重要因素。

3.3.1 斷裂與巖脈交叉侵入部位富水性好

在斷裂與巖脈交叉侵入地段，其復合部位巖石比較破碎，裂隙發育，造成了較好的儲水條件，利于地下水的富集。如嶧城區榴園鎮大明官莊一帶，處于近EW向山間谷地，該處第四系厚度5m左右，兩側出露寒武系朱砂洞、饅頭組地層，谷地內發育一條近EW向斷裂，嶧山超單元閃長巖沿斷層北側侵入。受斷裂構造影響，斷裂及影響帶巖石破碎，裂隙、巖溶較發育，為地下水的儲存提供了良好的場所，地下水自西南向東北徑流，受到北部侵入巖阻擋于斷層附近富集(圖5)。

1—第四系；2—饅頭組；3—朱砂洞組；4—嶧山單元；5—地下水富集區；6—砂質黏土；7—頁巖；8—灰巖；9—侵入巖體10—地下水流線圖5 大明官莊富水機理示意圖

3.3.2 在斷裂強烈發育或互相穿插復合的灰巖地段富水性好

由于高級別斷裂強烈發育或互相穿插，附近巖石受到嚴重破壞，裂隙巖溶十分發育，一般而言，在斷裂帶或靠近斷裂帶的地方，由于巖石受強烈破壞十分破碎，往往有大量黏土充填，富水性相對差些，在主要斷裂的影響帶上，富水性為最佳。

嶧城斷裂是區內規模最大，形成最老的斷裂。呈近EW向橫跨于系統之中，斷裂主要切割前寒武紀結晶基底及古生代蓋層，斷裂面傾向S，傾角65°左右，為正斷層[16]。兩盤地層巖性差異較大，南盤以奧陶系、寒武系灰巖為主，在中部八里屯一帶有石炭系分布；北盤以土門群、寒武紀長清群、九龍群灰巖、砂巖為主。受后期構造運動的影響，該斷裂被泥溝斷裂、肖橋斷裂等斷裂切割，局部地段兩側地下水連通而形成透水段。

3.3.3 開闊平緩的褶曲軸部富水性好

在可溶巖大面積出露區，寬緩的背斜及向斜軸部，常為巖溶水富集的有利部位，經常形成“X”型裂隙及縱向裂隙，有利于地下水活動，加速局部巖石巖溶化，形成沿軸向發育的主徑流帶。背斜往往是淺部較深部富水，向斜常常深部較淺部富水。如勘探孔K20，處于背斜構造軸部，揭露地層為炒米店組灰巖，在49.8～67.5m段巖溶發育，單井涌水量可達603m3/d；而勘探孔K24，處于背斜構造軸部南側，揭露地層為炒米店組、崮山組，僅在50.2～52.2m段有溶蝕裂隙，巖溶不甚發育，單井涌水量313m3/d，相對于軸部地帶富水性較差。

3.3.4 斷裂密集帶富水性好

區內斷裂構造發育，尤其在嶧城斷塊中部一帶，分布有多條NE向、NNE向張性或張扭性斷裂。一般情況下，若存在兩條平行的張性斷裂，則在與兩條斷裂皆有聯系的影響帶內富水性較好；若存在由多條正斷層組成的地塹，則也是有利于蓄水的富水構造；或者是兩組扭性斷裂組成的棋盤格式構造亦是強富水構造[17]。

如十里泉電廠第三水源地，區內斷裂構造發育，北部發育嶧城斷裂，斷裂以北為長清群饅頭組頁巖，地勢較高，相對不富水；東南部以金陵寺斷裂為界，以東為饅頭組地層，相對阻水；中部發育NE向壕溝斷裂和近SN向肖橋斷裂，均屬張性、張扭性斷裂(圖6)，發育地層以奧陶紀馬家溝群及三山子組為主，巖性為灰巖、白云巖等，受斷裂構造影響，巖心比較破碎、裂隙巖溶發育，主要巖溶形態有溶隙、溶孔、溶洞及層間溶隙，發育深度多在250m以內。

據水源地勘探施工的K6、K4、K7號鉆孔資料顯示，揭露地層均為馬家溝群及三山子組灰巖、白云巖等，前者在埋深93～108m段，三山子組白云巖中發育兩處直徑分別在0.5～10cm的溶洞，后兩者單井涌水量分別為9587m3/d、6517m3/d(2)山東省地礦工程勘察院，山東省棗莊市嶧城水源地(山東十里泉發電廠第三水源地)勘探報告，1997年。。另外，本次在壕溝村供水井開展了抽水試驗，單井涌水量為7791m3/d。而遠離斷裂密集帶的K14、K16、K29、K30鉆孔，揭露地層也均為馬家溝群及三山子組灰巖、白云巖，但單井涌水量均小于1000m3/d，說明在斷裂密集帶附近整體富水性較好。

4 結論

(1) 嶧城斷塊巖溶水系統地處暖溫帶丘陵區，降雨較為豐富，地表水、地下水循環交替強烈，加之可溶性巖石廣布，地質構造復雜，為本區巖溶發育、巖溶水的富集提供了良好的條件。區內地表巖溶主要以溶蝕裂隙、溶溝、溶槽、石芽、干谷、溶洞等為其特征；地下巖溶形態主要有溶蝕裂隙、溶孔、溶洞等，發育主要特征：水平方向上，從補給區到排泄區，巖溶發育由弱到強，由淺到深；垂直方向上，區內裂隙巖溶發育程度隨著埋深的增加逐漸變弱，巖溶發育主要集中在20～180m。

(2) 區內地下水富集區地貌以山間谷地、洼地及山前平原區為主，富水地層主要為奧陶紀馬家溝群、寒武-奧陶紀三山子組灰巖、白云巖，復雜的地質構造加強了巖溶水的富集，在斷裂與巖脈交叉侵入部位、斷裂強烈發育或互相穿插復合部位、開闊平緩的褶曲軸部以及斷裂密集帶等地段均是系統內巖溶水的富集區。