廣西盤龍鉛鋅礦區F2斷層透水性及控水作用分析

覃佳肖，黃澤霖，蔣亞萍* ，陳余道，夏 源，3，鄭 杲，閆嘉寧

(1.桂林理工大學巖溶地區水污染控制與用水安全保障協同創新中心，廣西 桂林 541004；2.廣西壯族自治區水文地質工程地質隊，廣西 柳州 545006；3.自然資源部南方石山地區礦山地質環境修復工程技術創新中心，廣西 南寧 530031)

斷層的發育能夠影響地下水系統巖層的非均質性和各向異性，影響斷層兩側的水力聯系，或連通或阻隔，從而一定程度影響著地下水系統的補徑排特征[1-4]。在巖溶礦區，斷層及其附近裂隙、管道可形成地下水良好的徑流通道[5-6]。據突水資料顯示，我國礦山80%以上的突水與斷層有關[7-8]。因此，分析并查明斷層透水性對礦區水害防控和安全生產尤為重要。

盤龍鉛鋅礦是位于廣西大瑤山西側的大型沉積巖型鉛鋅礦床，屬于桂中凹陷帶與大瑤山隆起的結合部位(見圖1)，經歷了多期構造地質作用[9-10]。該礦區規模化開采始于本世紀初，有崩山礦段和大嶺礦段之分，它們分屬于不同的水文地質單元，并以一個南北向平移斷層(F2)相接。其中，礦區崩山礦段在2006年閉坑停采;而礦區大嶺礦段在2009年開始開采，現狀開采中段為-70 ～-380 m標高段，根據礦山規劃，將向深部開采。由于F2斷層延伸距離長，穿越了多組巖層，連接多個水文地質單元，F2斷層帶水文地質性質復雜，透水性能不明確。因此，深入了解F2斷層的透水性及控水作用對廣西盤龍鉛鋅礦區大嶺礦段的水害防控至關重要。

圖1 廣西盤龍鉛鋅礦地質-水文地質簡圖

本文通過整理廣西盤龍鉛鋅礦區地下水水位監測數據、抽水試驗、聲納滲流測井試驗以及可控源音頻大地電磁法(Controlled Source Audio-frequency Magnetotellurics，CSAMT)等勘查成果，擬針對盤龍鉛鋅礦區西部邊界F2斷層的透水性及控水作用進行分析，以為礦區深部開采所面臨的水害防控提供科學依據。

1 研究區地質概況

在區域上，廣西盤龍鉛鋅礦位于華南板塊南華活動帶大瑤山隆起與桂中凹陷的復合部位，出露地層有寒武系、泥盆系、石炭系和第四系[11]，如圖1所示。其中，第四系(Q4)主要分布于黔江兩岸的巖溶殘丘谷地，由黏土組成，弱透水；石炭系出露于礦區外的西部和西北部，富水性強，其下統為巖關組(C1y)灰巖夾白云巖，中統為大埔組(C2d)白云巖；泥盆系為礦區出露最廣泛的地層，其上統為融縣組(D3r)灰巖夾白云巖，富水性中等，中統為巴漆組(D2b)硅質巖、灰巖和東崗嶺組(D2d)白云巖、灰巖，富水性由弱至中等，下統巖層由新到老依次為大樂組(D1d)泥灰巖、官橋組(D1g)白云巖、二塘組(D1e)泥灰巖夾泥巖、上倫組下段(D1sl1)白云巖、上倫組下段(D1sl1)泥灰巖與灰巖互層、郁江組(D1y)頁巖及泥巖夾泥灰巖、那高嶺組(D1n)細砂巖夾泥巖、蓮花山組(D1l)粉砂巖夾細砂巖及頁巖，泥盆系下統地層除了D1g富水性中等和D1sl2富水性強以外，均為富水性弱；寒武系黃洞口組下段(∈h1)泥巖、砂巖出露于礦區南部，富水性弱。

區內構造活動頻繁，經歷了從加里東旋回至喜馬拉雅旋回的各個構造旋回，形成了以寒武系基底構造和近東西及北東軸向的緊密線狀復式褶皺，其上沉積蓋層總體為大致西傾的單斜構造[12-13]，傾向為310°～340°，傾角為70°～85°，且傾角從淺部至深部逐漸減小，區內主要構造多為平移-逆斷層。

廣西盤龍鉛鋅礦區內斷層有F1、F2、F3和F4，次一級小斷層有F6、F7、F8。其中，F1斷層位于礦區北西部連安谷地，呈北東走向，傾向為NW；F2斷層為礦區西部邊界的平移斷層，呈北東向延伸，似緩“S”形狀，傾向為NW，寬約20～25 m，傾角約為75°～80°，在區內切割泥盆系上倫組、官橋組、大樂組、二塘組、融縣組等一系列地層，斷層破碎帶主要由斷層角礫巖及泥質、鈣質膠結物組成，形成了透水性很差的構造透鏡體，且斷層破碎帶裂隙發育，但基本上被方解石細脈充填，使得斷層破碎帶孔隙減少、透水條件變差[14]；F3斷層為礦區南部邊界的逆斷層，在區內長度約為51 km，傾向為SE，傾角為57°～67°；F4斷層為礦區北部邊界的逆斷層，在區內長度約為2.5 km，傾向為NW，傾角為70°。F1、F3、F4等斷層靠近盤龍鉛鋅礦區邊緣，距礦區中部采區較遠，根據以往礦區勘探分析可知，其對研究區的影響較小；F6、F7、F8斷層均為平移斷層，是F3斷層北側伴生的次一級小斷層，對整個研究區作用微弱。總體上，F2平移斷層作為礦區大嶺礦段西部邊界，其透水性能可能為盤龍鉛鋅礦區涌水提供了通道條件。

在廣西盤龍鉛鋅礦區，主要分布的地層有泥盆系和第四系，從上到下主要發育新生界松散孔隙含水層、下泥盆統上倫組碳酸鹽巖巖溶含水層。礦體順層產出于下泥盆統上倫組白云巖中，一般呈帶狀或透鏡體狀，礦層頂、底板白云巖富水性強，是礦坑直接的充水含水層。盤龍鉛鋅礦區大嶺礦段水文地質邊界呈近似梯形，北部由礦區下泥盆統二塘組(D1e)泥灰巖夾鈣質泥巖、頁巖互層構成相對隔水邊界；南部由下泥盆統上倫組下段(D1sl1)、郁江組(D1y)、那高嶺組(D1n)、蓮花山組(D1l)的泥灰巖、砂巖、淺變質砂巖、泥頁巖等構成隔水邊界；東側以黔江河為補給邊界；西側邊界為F2斷層[15]。

2 研究方法與技術

2.1 抽水試驗

礦區內F2斷層帶在地表出露不明顯，很難根據地面數據來確定其水力特性的空間分布，通常采用抽水或注水試驗來獲得F2斷層帶的滲透系數[16-17]。本次抽水試驗共設計了3個抽水孔(SK4、SK5、DK5)，分別位于F2斷層帶、F2斷層西盤和東盤，孔深分別為186.00 m、350.16 m、50.25 m，采用單孔穩定流抽水試驗，按照穩定流Dupuit公式，計算F2斷層帶的滲透系數K[18]。

2.2 聲納滲流測井試驗

采用南京帝壩工程科技有限公司三維流速矢量測量儀對SK3、SK4、SK5孔進行現場數字化聲納滲流測井試驗。具體試驗方法是將聲納探頭放入測孔中，從地下水水位開始向下測量，每進尺1 m測量1次，每個測點的測量時間為1 min，直到探頭測至孔底[19-20]。

2.3 可控源音頻大地電磁(CSAMT)法

可控源音頻大地電磁(CSAMT)法可以根據視電阻率的空間變化來有效反映斷層的空間分布特征，定性判斷斷層帶的相對富水性[21-22]。

針對F2斷層共設計了3條CSAMT測線(WT8、WT9、WT10)，測線WT8、WT9、WT10的長度分別為2 160 m、1 440 m、1 440 m，點距為40 m。探測頻率為1～10 000 Hz，供電電流為18 A，排列觀測時間為32 min。CSAMT法數據的處理包括野外數據預處理(干擾校正、近場校正、靜態校正)和資料后期處理(多次的反演擬合)兩個部分[23]。

3 礦區F2斷層透水性分析

3.1 礦區疏干和巖溶地面塌陷分析

天然條件下，廣西盤龍鉛鋅礦區巖溶水在西部碳酸鹽巖裸露區接受降雨補給后，主要沿地形及巖溶含水層傾向向東徑流排泄到黔江。據廣西盤龍鉛鋅礦山開采前探礦孔地下水水位觀測資料(見表1)，礦區崩山礦段地下水水位標高約為60 m，大嶺礦段中部地下水水位標高約為50 m，礦區東部黔江水位標高為33 m。

表1 廣西盤龍鉛鋅礦山開采前地下水水位觀測資料

2006年前，礦區崩山礦段開采期間地下水疏干，引起F2斷層西盤發生串珠狀巖溶地面塌陷，巖溶地面塌陷密度達44個/km2，而F2斷層東盤巖溶地面塌陷密度為2～4個/km2，這個結果不僅與F2斷層東西兩盤巖溶發育程度差異有關(西盤為巖溶強烈發育區，鉆孔遇洞隙率為60%；東盤為巖溶中等發育區，鉆孔遇洞隙率為32.30%)，而且可能與F2斷層的弱透水性能有關。

2006年礦區崩山礦段閉坑，F2斷層西盤地下水水位逐步恢復至60 m高程。2009年后，礦區大嶺礦段開采引起區域地下水水位大幅度下降，地下水流場發生了明顯改變(見圖2)，F2斷層西盤地下水水位由約60 m左右降至約50 m，原有的S009、S010井泉(原流量為1～2 L/s)出現斷流情況，但未發現巖溶地面塌陷加劇或誘發新的巖溶地面塌陷；F2斷層東盤多處出現巖溶地面塌陷，疏干區中心地下水水位下降至-110 m。此外，在F2斷層上出現了地下水“低凹帶”，表現為地下水等水位線出現“陡坎”，說明F2斷層破碎帶對地下水流場具有控制性作用，該斷層破碎帶發育導致巖體滲透性具有明顯的各向異性，使得地下水在F2斷層兩側形成“低凹帶”[24]。由此可以推測，在礦區大嶺礦段疏干條件下，F2斷層東、西兩盤存在水力聯系，F2斷層透水，但透水性較弱。

圖2 廣西盤龍鉛鋅礦區地下水流場及巖溶發育分區圖

3.2 地下水水位監測數據分析

為了探究礦區F2斷層的透水性，在F2斷層沿線布設了3個地下水水位監測孔G31(F2斷層東盤)、G32(F2斷層帶)和G33(F2斷層西盤)，如圖1所示。根據廣西盤龍鉛鋅礦區2020—2021年一個水文年的地下水水位動態觀測(見圖3)，F2斷層兩盤地下水水位相差較大，由F2斷層西盤(G33孔)向東盤(G31孔)，地下水水位呈下降狀態，且3個監測孔地下水水位漲落趨勢相似：4～5月份是礦區地下水水位最低時期，6～7月份地下水水位逐漸回升，至7月份地下水水位達到最高值，隨后恢復至低水位，礦區地下水水位年變幅為10～20 m。

圖3 廣西盤龍鉛鋅礦區G31、G32、G33監測孔地下水水位與排水量的關系曲線

當降雨發生時(6～7月)，在F2斷層沿線布設的3個監測孔的地下水水位均會迅速上升，礦區排水量隨著地下水水位的升高而增大、隨著地下水水位的下降而下降。其中，F2斷層西盤的G33監測孔地下水水位在常態下均高于F2斷層東盤的G31監測孔地下水水位，高差達23～33 m，水力梯度為0.100 4，與礦區大嶺礦段水力梯度0.007 1相比，前者是后者的14.14倍，這說明在F2斷層東盤大嶺礦段疏干條件下，F2斷層的東、西兩盤存在水力聯系，兩盤的水力坡度呈跌坎，也表明中間的F2斷層帶可能具有相對阻水(即弱透水)的特征[25]。

3.3 抽水試驗分析

根據礦區F2斷層上3個鉆孔SK4、SK5和DK5(位置見圖1)的抽水試驗結果(見表2)顯示：F2斷層西盤下泥盆統上倫組上段(D1sl2)鉆孔SK5的單位涌水量平均值為0.632 L/(s·m)，F2斷層東盤下泥盆統上倫組上段(D1sl2)鉆孔DK5的單位涌水量為0.184 L/(s·m)，F2斷層東、西兩盤含水巖組屬于中等富水；而F2斷層帶下泥盆統上倫組上段(D1sl2)鉆孔SK4的單位涌水量為0.040 L/(s·m)，其富水性弱，其與下泥盆統下段(D2d)進行混合段抽水，單位涌水量增加了0.220 L/(s·m)。

表2 廣西盤龍鉛鋅礦區F2斷層兩盤及斷層帶抽水試驗資料

上述抽水試驗結果表明，礦區F2斷層東、西兩盤為中等富水，而F2斷層帶上部富水性弱、下部富水性增強。

3.4 聲納滲流測井試驗分析

通過對礦區F2斷層鉆孔SK5(西盤)、SK4(斷層帶)、SK3(東盤)進行聲納滲流測井試驗(鉆孔位置見圖1)，并利用測得的鉆孔地下水滲透流速、流向，判斷F2斷層的透水性質。礦區F2斷層聲納滲流測井試驗結果，見圖4和表3。

表3 廣西盤龍鉛鋅礦區F2斷層聲納滲流測井試驗結果

圖4 廣西盤龍鉛鋅礦區F2斷層鉆孔地下水滲透流速沿高程的分布圖

由圖4可以看出：①位于F2斷層西盤的深孔SK5，在淺層17 m地下水水位標高段處出現了0.393 m/d的地下水滲透流速，其滲流方向為NE25°，而在-88 m和-96 m地下水水位標高段分別出現了0.842 m/d和0.586 m/d的地下水滲透流速，其滲流方向分別為NE11°、NE4°;②位于F2斷層帶的深孔SK4，地下水滲透流速在-3 m地下水水位標高段出現小的升高，其滲流方向為NE25°，在-50 m地下水水位標高段附近呈現帶狀地下水滲透流速增大的特點，其滲流方向指向ES，在-78 m地下水水位標高段地下水滲透流速出現瞬時異常，達0.560 m/d，滲流方向為SE20°,而在-90 m地下水水位標高段以下地下水滲透流速出現連續上升的態勢;③位于F2斷層東盤的SK3為淺層孔，平均地下水滲透流速為0.074 m/d，其滲流方向為NE65°～80°。

上述試驗結果表明，礦區淺層與深層地下水流向不一致，其中淺層地下水流向主要為NE向，與F2斷層走向、大嶺礦段開采前的天然地下水流向相近；深層地下水流向主要為SE方向，F2斷層西盤地下水受礦坑疏干的影響可能會透過F2斷層流向疏干區。

3.5 可控源音頻大地電磁(CSAMT)分析

本次研究在礦區共布置了WT8、WT9和WT10三條CSAMT測線(見圖1)，以深入認識F2斷層的空間分布特征。礦區F2斷層CSAMT分析結果，見圖5。

由圖5可以看出：

(1) 在WT8線斷面[見圖5(a)]，反演斷面視電阻率等值線呈現F2斷層東西兩盤低阻、錯落和中間高阻的特征。F2斷層東、西盤的低阻帶(視電阻率小于790 Ω·m)高程分別約為-300～-400 m和-100～-200 m，推斷為巖溶發育引起的溶蝕裂隙、溶洞；在中間F2斷層帶上，顯示中-低阻異常帶(視電阻率為790～1 600 Ω·m)，表明巖溶發育強度較弱，透水性較弱。

(2) 與WT8測線比較，WT9測線和WT10測線的CSAMT法反演斷面視電阻率等值線同樣呈現F2斷層東西盤低阻、中間高阻的特征，但視電阻率測量值較高[見圖5(b)、(c)]。WT9測線在F2斷層兩側呈現中-低阻異常帶(視電阻率為790～1 600 Ω·m)，但F2斷層東、西盤視電阻率小于790 Ω·m的范圍縮小；對于WT10測線，中間F2斷層帶呈現明顯的高阻帶，視電阻率達3 200 Ω·m，巖溶發育程度低，阻隔了F2斷層東、西兩盤的水力聯系。此外，抽水試驗結果亦表明F2斷層帶富水性弱，這與WT10測線的CSAMT分析結果相吻合。

圖5 廣西盤龍鉛鋅礦區F2斷層WT8～WT10測線視電阻率等值線CSAM法反演剖面圖與推測地質剖面圖

綜合3條物探剖面測線，可以說明礦區F2斷層透水性存在南北差異，北段弱透水、南段相對隔水，且南、北兩段的分界約在WT9測線附近。

4 礦區F2斷層控水作用分析

F2斷層的走向及其弱透水作用將廣西盤龍鉛鋅礦區西部的上倫組含水層分割成F2斷層東、西盤相對獨立的崩山礦段地下水子系統和大嶺礦段地下水子系統，具有各自的水文地質邊界。其中，F2斷層西盤的崩山礦段地下水子系統，其北西部為泥盆系下統二塘組(D1e)泥灰巖夾鈣質泥巖、頁巖互層構成的相對隔水邊界，南部由泥盆系下統上倫組下段(D1sl1)泥質灰巖及區域F3斷層構成的相對隔水邊界，東部為F2斷層弱透水邊界，且在天然條件下，礦區崩山礦段地下水子系統中的地下水沿溶洞裂隙徑流，穿過F2斷層淺部巖體向東和北東方向運移，最終排泄于黔江，部分以泉形式在低洼地段排泄于地表；F2斷層東盤的大嶺礦段地下水子系統，在自然條件下，大嶺礦段地下水子系統中的地下水由西、北西向東徑流排泄于黔江，水力坡度較緩，約為1%，且在大嶺礦段疏干排水情形下，地下水流場明顯受邊界條件的控制(見圖2)，其南部上倫組下段(D1sl1)泥灰巖和北部二塘組(D1e)均構成相對隔水邊界，東部黔江構成水頭邊界，而西部F2斷層的弱透水作用使F2斷層西盤地下水向東運移受到不同程度的阻隔，造成崩山礦段地下水子系統中地下水對大嶺礦床形成補給。經初步估測，在礦坑水位降深370 m時，大嶺礦坑涌水量為761 m3/h，此時崩山礦段地下水補給大嶺礦坑的斷面長度為4.8 km，補給量為171.36 m3/h，約占礦坑涌水量的比例為22.52%。

但在該礦區東側的黔江上存在大藤峽水利樞紐，水利樞紐在2019年工程蓄水，設計蓄水標高為61.5 m[26]，而在大藤峽水利樞紐蓄水條件下，勢必會改變礦區原有的水文地質條件，此時礦區大嶺礦段東側和崩山礦段沿六沙溝的低洼地帶溝谷將被淹沒[14]，地表水從六沙溝一帶直接灌入補給地下水使其連成一體，尤其在61.50 m高水位與大嶺礦段持續疏干的狀態下，F2斷層西盤的地下水水位將會升高，水壓力增加，并可能增加裂隙巖體的滲透性[27]。在此種情況下，F2斷層對礦區大嶺礦段的安全開采將會產生一定的影響，有待進一步研究。

5 結 語

(1) 在廣西盤龍鉛鋅礦區大嶺礦段疏干開采情形下，對F2斷層進行了地下水水位動態監測、抽水試驗、聲納滲流測井試驗和CSAMT法探測等系列調查與分析，結果表明：F2斷層北段(WT9測線以北)透水性弱，構成弱透水邊界，F2斷層南段(WT9測線以南)透水性極差，構成了相對隔水邊界，總體上F2斷層顯示出弱透水。

(2) F2斷層是盤龍鉛鋅礦區最主要的控水斷層，分割了礦區地下水系統，并形成大嶺礦段地下水子系統的西部邊界；其南段相對隔水導致盤古村一帶的地下水向北東徑流至WT9測線附近再轉向南東向穿越F2斷層，成為大嶺礦段疏干區的涌水水源。

(3) 在F2斷層的弱透水作用下，F2斷層西盤的崩山礦段地下水子系統向大嶺礦段的充水量約為礦坑排水量的22.5%，但在大藤峽水利樞紐蓄水條件下，F2斷層對大嶺礦段的影響有待進一步研究。

(4) 將地下水水位監測、抽水試驗和聲納滲流測井試驗以及物探CSAMT方法聯合應用于礦區斷層透水性調查，將有助于巖溶礦山的水害防控。