魯中南山區南部巖漿巖低山丘陵區地下水賦存特征

卜鴻志,秦紅梅

(山東省地礦建設有限公司,山東 兗州 272100)

0 引言

魯中南南部的低山丘陵區,山體、谷地相間排列,地形劇烈起伏變化,巖漿巖大面積集中連片分布,地表水、地下水資源貧乏[1],農村生產、生活用水十分困難,是山東省典型的嚴重缺水地區之一。以往主要開展過1∶20萬區域水文地質調查,研究程度低,找水技術難度大。為進一步解決當地村莊吃水、用水困難,助力鄉村振興,2019—2021年在山東省鄒城市東部田黃、嶧山、城前等6個鄉鎮大于1000km2,采用多種技術方法開展了系統性水文地質調查和找水打井示范,基本查明了地下水賦存條件,深化了對區域水文地質條件的認識,明確了找水方向和目標。為指導找水工作科學布置提供了重要依據,較好地解決了嚴重缺水山區80多個村莊的吃水、用水問題。

1 研究區地形地貌

研究區位于魯中南中低山丘陵區南部的濟寧、棗莊、臨沂3市交界地帶,具體范圍：西自鄒城市區,東到平邑縣豐陽鎮—臨澗鎮西部,南起滕州市界河鎮—棗莊市山亭區店子鎮一線,北至泗水縣泗張鎮以南?？傮w地勢東北高西南低;中東部群山起伏,低山與山間谷地相間排列,地面標高350～650m;西部地區丘陵連綿,山前地帶開闊、地勢緩傾,谷地曲折、低緩,地面標高100～350m(圖1)。

圖1 研究區地貌圖

2 地質環境背景

該區處在魯中隆起尼山凸起的北部,經歷了多期構造運動和巖漿活動[2]。新太古代巖漿巖大面積分布,面積占全區的95%以上;喜山期地殼大幅抬升,古生代地層遭受強烈風化剝蝕,僅在部分斷陷和低山頂部遺留少量殘存。

2.1 地質條件

2.1.1 侵入巖

據侵入巖礦物成分、結構、構造及時空分布特征,劃分為新太古代嶧山、四海山、傲來山、紅門超單元和中元古代牛嵐單元、中生代沂南超單元[3](圖2)。嶧山超單元為區內巖性的主體,NW向條帶狀分布,主要為片麻狀中細粒黑云英云閃長巖、黑云花崗閃長巖等中性巖類;四海山-傲來山超單元主要分布在東北部和東南部,面積小于150km2,以NW向展布的二長花崗巖和正長花崗巖等酸性巖類為主;紅門超單元僅分布在城前北部、鳳凰山西部及田黃西部的部分地段,沿尼山、深溝斷裂穿插于嶧山超單元中,巖性為花崗閃長巖、石英閃長巖及含角閃黑云閃長巖等。元古代和中生代巖漿活動較弱,牛嵐單元和沂南超單元僅發育少量輝綠巖、閃長玢巖及煌斑巖等中基性巖類。

1—第四系;2—炒米店組;3—崮山組;4—寒武紀張夏組;5—饅頭組;6—朱沙洞組;7—紅門超單元;8—四海山-傲來山超單元;9—嶧山超單元;10—地質界線;11—斷裂;12—研究區范圍;13—剖面線圖2 研究區區域地質圖

1—第四系;2—寒武紀饅頭組;3—四海山超單元花崗巖;4—嶧山超單元閃長巖;5—花崗巖類巖脈;6—斷裂圖3 研究區地質剖面圖

區內巖脈較為發育,主要分布元古代細晶花崗巖及二長花崗巖巖脈,石英巖脈較少,走向NW,多呈板狀、脈狀或帶狀穿插于新太古代嶧山超單元閃長巖中,基巖裸露區和松散層覆蓋區均有分布(圖3);厚度從小于1m至大于50m、長度從小于20m至大于1000m均有出露。中生代巖脈數量較少,巖性以中基性為主,走向SN向、NE向,一般厚度大于30m、長度大于5km。

基巖裸露區風化帶較淺,表層剝落巖屑被雨水沖刷帶走,呈現裂隙、溝槽交錯及V型沖溝遍布的微地貌特征;山前地區及山間谷地,風化帶發育深度一般在30m以淺,上部覆蓋坡洪積、沖洪積松散巖層;松散層巖性以閃長巖、花崗巖碎屑和長石、石英粗砂及礫砂顆粒為主,夾雜粉土、粉砂,結構松散,河谷下游區域具有較好分選性。

2.1.2 地質構造

地質構造以斷裂為主,主要發育NW向、NWW向和近EW向3組。

NW向斷裂：分布在中東部,走向310°～325°,傾角70°～85°、部分區段近直立,規模和長度較大,一般經歷了伸展張裂和左行壓扭應力作用,呈現多期活動[4],斷裂帶多被后期巖漿巖侵入充填。主要分布尼山斷裂、民安-青邑斷裂、深溝-黃土斷裂和義母山-孤山斷裂;尼山斷裂為區域性骨干斷裂,從SE—NW貫穿全區,由4條分支組成,斷裂帶總體寬度4.8～7.4km,東南部城前一帶收斂,往西北方向散開,中間兩支相向而傾,形成城前-田黃斷陷谷地。

NWW向斷裂：分布在田黃東北部和張莊一帶,兩端終止于規模較大的NW向斷裂,走向280°～300°,傾向SW,傾角70°～80°;斷裂帶發育碎裂巖—碎斑巖及斷層泥,具張性活動特征,部分區段被煌斑巖、閃長玢巖充填。主要有申家溝-樓山溝斷裂和康王-臨澗斷裂。

近EW向斷裂：分布于鄒城市區東部、義母山斷裂的SW側,總體走向260°～280°、中段往北凸出,斷面傾向N,傾角大于60°;泉山-煙莊、洪山-高家莊及白石山等10條斷裂由南至北以600～800m間距近似平行排列,力學性質呈現張扭。

2.2 水文地質條件

區內地下水主要賦存于山前地區、山間谷地沖洪積層和基巖淺、深部張性裂隙中,賦水空間總體呈現以帶狀為主兼具低洼區域面狀展布特征。帶狀賦水部位主要位于斷裂、花崗質巖脈及中、酸性巖體接觸裂隙帶中,富水性受裂隙發育程度及補給條件制約、差異變化大;大中型張性、張扭性斷裂帶與壓扭性斷裂影響帶在巖性及補給條件有利地段,單井出水量多在15～60m3/h之間,局部地段大于100m3/h,如千泉街道小屈莊在九里澗斷裂帶上施工的鉆孔出水量達到101.5m3/h;利用巖脈找水的鉆孔出水量多在20～50m3/h之間,局部地段大于100m3/h,地勢較高部位一般小于10m3/h;巖性接觸帶富水性與前兩者相比差一些,鉆孔出水量一般5～20m3/h。此外,在山前及山間谷地沖洪積層中施工的鉆孔或農灌井,單井出水量多在10～30m3/h之間,靠近河流或砂層較厚地段達到50m3/h,而近山前地帶出水量一般小于10m3/h。

大氣降水面狀入滲是地下水的主要來源。山前地區及山間谷地分布松散的坡洪積、沖洪積物,極利于降水入滲對地下水的補給,入滲補給系數0.2～0.4[5];中部和東部低山丘陵區,巖漿巖裸露、半裸露區面積約占全區65%,地表風化裂隙網狀交織、面狀分布,開放性好,為降水入滲創造了有利條件,一般降水條件下約有7.5%降水量轉化為地下水滲流[6],山區地下水順地勢往山前地區及山間谷地徑流,進入下游含水層中蓄存運移。區內分布100多座小型水庫,山間谷地發育20多條季節性河流,每年7～9月,降水頻繁,水庫蓄水量快速增加,河流水位上漲、流量猛增,這期間地下水不僅獲得區域性面狀補給,還獲得水庫、河流滲漏集中補給,地下水位快速升高,山體下部大量季節性泉點出流。2020年豐水期過后,鄒城東部、香城一帶地下水位升高3～5m、部分區段升幅達5～8m,洪山溝村東部谷地中有近20處季節性泉出流,最大的泉點流量大于500m3/d。

地下水循環運動顯著受地形地貌條件制約,呈現以鳳凰山為中心往四周分散徑流格局,以地表分水嶺為界形成鄒城市東部、大束、田黃、城前、尚河及香城6個補徑排條件類似、相對獨立的地下水循環單元。低山丘陵區,流場沿沂河、城河、大沙河、東大河等較大山間河流谷地呈帶狀展布,枯水期水頭線往上游凸出,顯示地下水向谷地河流排泄特征;大束、香城等多處地勢寬緩山前地區,水頭線連續分布,具有統一地下水面(圖4);地下水順地勢從山區往山前、谷地區域運移,通過補給河流、水庫及往下游平原區側向徑流排泄[7]。

1—地下水等水位線及水位標高(m);2—地下水流向;3—地表分水嶺;4—研究區界線圖4 地下水流場圖(2020年枯水期)

3 地下水賦存特征

巖石中的風化裂隙和構造裂隙是巖漿巖低山丘陵區地下水賦存的主要空間[8]。風化裂隙分布于地表淺部,發育程度受控于巖石性質和埋藏條件;構造裂隙發育源自地殼應力作用,沿斷裂及脆性巖脈呈帶狀集中分布。區域上受不同時期、不同成分巖漿侵入及穿插切割影響,空間巖性多變,巖石中構造裂隙的發育,取決于礦物成分組成及其物理力學性質;一般情況下,由石英、長石等淺色礦物組成的酸性巖石,具剛性或脆性特征[9],而由角閃石、輝石、黑云母等暗色礦物組成的中基性巖石,則具柔性或塑性特征;在受到區域擠壓或剪切應力作用下,剛性或脆性巖石主要通過產生節理裂隙、結構破裂方式釋放應力,而柔性或塑性巖石則主要通過內部結構壓密或發生形變方式釋放應力[10],剛性或脆性巖石中產生的張性裂隙,為地下水賦存創造了有利條件?？傮w來說,巖漿巖低山丘陵區地下水賦存空間的發育總體呈現“兩層三帶”基本特征(圖5),即垂向上大致劃分為淺部風化裂隙帶和中深部巖脈裂隙網絡2個基本層次,平面上劃分為斷裂構造裂隙帶、巖脈裂隙帶和巖性接觸裂隙帶三類帶狀裂隙集中發育部位[11]。

1—淺部風化裂隙帶;2—中深部巖脈裂隙網絡;3—斷裂構造裂隙帶;4—巖脈裂隙帶;5—巖性接觸裂隙帶圖5 地下水賦存“兩層三帶”地質模型圖

3.1 垂向似層狀賦存空間發育及賦水性

3.1.1 淺部風化裂隙帶

風化裂隙帶在區域上總體呈面狀分布?；鶐r裸露區長期遭受沖刷和風化剝蝕,張性裂隙發育、開放性好,但裂隙較淺,滲流順坡快速排泄[12],難以形成地下水的有效賦存空間;山前緩坡區域和寬緩山間谷地,風化裂隙淺埋于殘坡積層及松散沖洪積層之下,網狀發育、相互連通,并與上覆砂層連為一體,組合形成淺部層狀地下水賦存空間。地下水接受降水、河流及山體側向徑流補給,賦水性和成井條件較好,是山區農業用水的主要開采層位。據調查及鉆探驗證,山前地區及山間谷地風化裂隙帶發育深度基本至中風化帶底部,下部弱風化帶構成含水層底板,埋藏深度一般在30m以淺[13],多數區段深度15～20m,花崗巖或閃長巖分布區均基本如此。在張莊、城前、香城、嶧山等鄉鎮的山前及山間谷地區域,分布大面積農田,建有許多農灌井,井深一般8～15m,出水量大多10～30m3/h,部分地段可達50m3/h。

3.1.2 中深部巖脈裂隙網絡

早期形成的巖漿巖體受到構造應力作用,產生共軛節理裂隙,相互交叉切割,形成地下裂隙網絡,部分張性、張剪性裂隙被長英質酸性巖漿侵入充填,形成不同長度、厚度及陡傾、緩傾、近水平等產狀多變、穿插分布的脆性巖脈體系;后期經歷多次構造運動應力擠壓剪切,巖脈破裂產生系列相互連通的張性裂隙,部分區段與不同級次斷裂構造裂隙、柔脆性巖體接觸帶裂隙互連,形成利于地下水賦存、運移的中深部巖脈裂隙網絡系統[14](圖6)。找水打井過程中,在地下水位之下鉆遇石英巖、細晶花崗巖、二長花崗巖等脆性巖脈,基本都能出水,水量大小主要受巖脈裂隙空間發育程度和補給條件影響。田黃鎮鹿山后村鉆孔,在深度65～80m分別鉆遇一層厚度小于2m的二長花崗巖脈和細晶花崗巖脈,巖石破碎,裂隙發育,裂隙面附著水銹,出水量20m3/h;嶧山鎮西后圪村鉆孔,在30～80m深度鉆遇多層厚度大于3m細晶花崗巖脈,出水量180m3/h;田黃鎮顏莊村鉆孔位于山腳地帶,深度98m以上無水,98～99m鉆遇一層厚度0.6m左右石英巖脈出水,地下水常年自流,豐水期流量8～10m3/h,枯水期流量2～3m3/h。

1—第四系沖洪積層;2—風化裂隙帶;3—閃長巖;4—花崗巖;5—斷裂;6—巖脈;7—巖性接觸裂隙帶;8—鉆孔及編號、孔深(m)、涌水量(m3/h)圖6 地下水賦存條件剖面圖

3.2 水平帶狀賦存空間發育及賦水性

3.2.1 斷裂構造裂隙帶

張扭性斷裂帶和壓扭性斷裂旁側裂隙帶以及主、次斷裂交會部位,巖石破碎程度高,裂隙發育深度大,形成巖漿巖地區地下水賦存、運移和富集的最有利部位[15]。區內斷裂以NW向為主,早期張裂,后期受到NE向應力擠壓,發生左行扭動;應力分布差異性導致在不同區段分別呈現張扭、壓扭、走向偏轉曲折及傾向反轉等復雜多變的力學性質與形態特征,對地下水賦存造成非常不利的影響。斷裂構造賦存空間發育,不僅與遭受的應力性質有關,還受經過區域巖性分布及后期巖漿侵入活動影響;花崗質脆性巖石,受到應力擠壓剪切,巖石破碎,產生大量張性裂隙,形成地下水賦存空間[16],而閃長巖類柔性巖石則以形成閉合剪切裂隙為主[17];所以,無論是何種力學性質斷裂,其主要賦水區段大都集中在花崗質脆性巖石分布區域,經過閃長巖分布區的斷裂賦水性較差[18],一般不作為重點找水范圍。

高角度張扭性斷裂,賦水部位主要集中在斷裂帶,兩盤巖石裂隙發育較差、賦水性較弱[19]。田黃鎮高橋村位于尼山斷裂北二支張扭段,斷裂帶寬度大于30m,中部的巖石露頭張性裂隙發育,靠近兩側巖石片理化特征明顯,而在斷裂帶外部巖石裂隙不甚發育,僅見少量傾斜閉合裂隙;在斷裂帶中部施工一眼鉆孔,深度80m,中上部為閃長花崗巖,下部鉆遇細晶花崗巖,出水量大于50m3/h。大劉莊村鉆孔與高橋村鉆孔處于同一區段,打在斷裂帶外側上盤,巖性為閃長花崗巖,水量僅6～7m3/h。

壓扭性斷裂的構造巖一般具明顯巖性分帶特征[20]。中部發育糜棱巖,具阻水性;從中部往外側,擠壓應力減弱,張性應力增大,影響帶最外側則是應力釋放部位,產生張性裂隙、發育碎裂巖,成為地下水賦存空間[21]。田黃鎮東羅頭村處于深溝斷裂傾向反轉地段,在村東殘丘斷裂露頭處,可大致劃分構造巖從糜棱巖—碎裂巖的5種巖性分帶;根據斷裂走向參照碎裂巖帶到斷裂距離,結合物探在村子附近布設一處井位,鉆遇巖性以二長花崗巖為主,出水量15m3/h。

斷裂帶被后期巖漿巖侵入充填,當巖性為花崗質巖石時,受到構造應力作用破裂生成張性裂隙,有利于地下水賦存,斷裂帶具較好賦水性;而當被閃長巖類充填時,賦水性則較差。尼山斷裂帶田黃-城前段,多處被細晶花崗巖和閃長巖等不同巖性侵入充填,在下大古村南采用物探找到充填細晶花崗巖地段布設一眼鉆孔,出水量25m3/h;而在西側相距約300m處斷裂帶中施工一眼鉆孔,巖性為閃長巖,出水量僅3m3/h,且僅宜間歇性開采。

綜上所述,高角度張扭性斷裂帶、壓扭性斷裂旁側裂隙帶(碎裂巖帶)和斷裂帶被后期花崗質巖石充填地段,是張性構造裂隙發育好、地下水易于富集部位,也是找水打井的理想位置(表1)。

表1 利用斷裂構造找水部分鉆孔情況統計表

3.2.2 巖脈裂隙帶

細晶花崗巖、二長花崗巖巖脈,遭受燕山期和喜山期構造應力作用,巖石結構破裂,產生多組不同方向節理裂隙,形成沿走向分布的條帶狀裂隙網絡,成為地下水的賦存、運移空間[22]。一般來說,處于柔性圍巖區的脆性巖脈,裂隙均較發育,發育程度與厚度呈反相關;當厚度較大時,抗剪能力增強,裂隙發育程度變差,大厚度巖脈均具阻水作用;而厚度較小時,又容易被應力錯斷,導致沿走向上的不連續。據物探結合打井情況分析,區內NW向和近SN向、厚度小于20～30m的板狀陡立、傾斜石英質、花崗質巖脈,在埋深150m或200m以淺整個脈體當中裂隙均較發育,絕大多數具有較好含水、透水性;而厚度大于30m的巖脈,裂隙多發育在地表淺部或脈體邊緣,整體透水性變差、賦水性減弱;而厚度小于0.5m巖脈一般連續性、穩定性差[23],利用價值不大。田黃鎮大峪口村西北角,有一條走向NW、厚度16～18m的細晶花崗巖脈,與山谷方向斜交,補給條件較好,沿走向在巖脈中布設一眼鉆孔,出水量36m3/h。田黃鎮涼水泉村東部發育一條長度大于100m、厚40～50m的NW向二長花崗巖脈,在巖脈西南部邊緣地帶施工一眼鉆孔,深度110m,出水量13m3/h;而在該孔東南、巖脈中部施工一眼鉆孔,基本無水。

巖脈長度對賦水性或井孔出水量的影響顯著大于厚度影響,因為長度大的巖脈穿越多處地貌部位或不同地貌單元,地下水可獲得更廣泛補給,一般情況下,具有找水利用價值的巖脈長度應在150m以上[24]?？辞f鎮龍山西側花崗巖采石場,在一條長度約80m、厚度13～15m的二長花崗巖脈上施工一眼水井,深度100m,開始出水量15m3/h,經過一段時間開采水量減小至5m3/h左右。田黃鎮羅頭村東南的山坡中下部,發育一條長度大于200m、厚度10～12m的二長花崗巖脈,走向與山體坡向基本垂直,并且穿越多條大的沖溝,有利于地下水補給,在巖脈上施工一眼農灌井,出水量30m3/h,枯水期可滿足6.67余公頃果園灌溉用水需求。

調查發現,巖脈形成擠壓圍巖產生的裂隙不甚發育或著很窄,且在圍巖表層多發育片理化帶,不利于地下水賦存,一般不在巖脈圍巖當中找水,而是直接將井位定在巖脈之中(表2)。田黃鎮白龍池村施工一眼鉆孔,開始井位定在NW向巖脈迎水側圍巖中,深度至50m一直噴出花崗閃長巖碎屑、無水,后將孔位東移2m,進入巖脈當中,深度28m出水,隨著孔深增加水量進一步增大,終孔深度100m,出水量35m3/h;在律莊村施工的鉆孔也出現同樣的情況。

3.2.3 巖性接觸裂隙帶

巖漿巖地區巖性變化具有顯著突變特征,尤其在不同時期、不同性質巖體之間普遍存在,即使斷裂帶中侵入的不同性質巖體,空間上巖性變化也存在類似現象。不同性質巖體的接觸帶,在遭受區域應力擠壓時,往往會成為應力集中分布部位,并通過兩側巖石的形變加以釋放;中基性柔性巖體表層被壓密或發生塑性變形,有時變質生成糜棱巖或產生片理化;酸性脆性巖體則在表層一定厚度范圍內發生破裂、產生節理裂隙。接觸裂隙帶分布受巖體邊界形狀及范圍影響,一般呈帶狀,賦水性受裂隙帶連通性、圍巖巖性及補給條件等多種因素控制[25]。經多處露頭測量和鉆孔驗證,一般在距巖性界面10m范圍內,脆性巖體中裂隙相對密集、張裂空間發育較好,往巖體內部抗剪能力增強,裂隙發育變差;所以,不同巖性的接觸帶,往往會在脆性巖體邊部形成地下水賦存空間[26]。城前鎮黑石片村位于低山的中下部,長期缺水,通過調查結合物探在村北找到一處延伸較遠、走向與坡向基本垂直的閃長巖、花崗巖接觸帶,在界面下游6m處的花崗巖體中布設鉆孔,深度120m,出水量8m3/h;城前鎮東南河村處在丘陵緩坡地帶,利用物探找到一處同種類型的巖性接觸帶定井,孔深114m,出水量16.5m3/h。據打井情況統計,巖性接觸帶脆性巖體中的含水空間大多發育在深度20～80m之間,淺部裂隙多處于地下水位以上,深部裂隙張性空間變差,賦水性減弱。

表2 利用巖脈找水部分鉆孔情況統計表

對于找水來說,位于山坡中上部的巖性接觸帶,利用價值不大,因為其分布位置高,地下水入滲和滯留環境差,難以獲得有效補給;山坡下部、山前緩坡地區和寬闊谷地,分布一定厚度的殘坡積、沖洪積層,有利于降水入滲和滯存,松散層中地下水順勢徑流對下伏裂隙帶地下水產生補給,打井出水量較大,且宜于長期開采。

4 結論

(1)巖漿巖低山丘陵區地下水主要賦存于淺部風化裂隙帶及斷裂、巖脈、巖性接觸裂隙帶中,總體呈現“兩層三帶”基本特征;結合補給條件查明地下裂隙發育分布特征確定井位,可以取得較為理想找水效果。

(2)地下水補給主要存在降水面狀分散補給和地表水體滲漏集中補給2種方式;低山丘陵區局域性的地表水分水嶺較為發育,地下水循環呈現以分水嶺為界的放射狀運移特征,山區與平原交接地帶的大中型河流、地表水庫為地下水的集中排泄場所。

(3)建議今后加強區域性地下水賦存和循環運移規律研究,進一步提高對巖漿巖貧水山區水文地質條件的認識。

致謝：本文在編寫過程中得到卜華研究員的指導和幫助,在此表示衷心感謝。