三山岛与焦家断裂带深部水文地质参数特征对比研究

(山东黄金地质矿产勘查有限公司，山东 莱州 261400)

三山岛断裂带与焦家断裂带，是胶东西北部著名的金矿成矿带。随着浅部资源的日益减少，找矿工作逐渐转向深部[1]。多年来，地质工作者陆续在三山岛断裂带与焦家断裂带的深部做了大量的地质调查及水工环地质工作[2]，先后施工了多个水文地质孔，进行了钻孔抽水试验、注水试验、压水试验。在收集整理和分析研究三山岛断裂带与焦家断裂带钻孔试验资料的基础上，重点分析典型金矿床深部的水文地质参数特征，并进行了对比分析，以期提高对两条断裂带深部水文地质参数的认识。

1 构造特征与水文地质条件

1.1 构造特征

三山岛断裂带位于莱州市三山岛—仓上—潘家屋子一带，大部分地段被第四系覆盖，地表出露长约12 km，宽20～400 m，平面上呈“S”形展布，总体走向40°～50°，倾向SE，倾角30°～40°，局部可达80°，属压扭性断裂，主裂面发育有5～10 cm厚的灰黑色断层泥[3]。三山岛断裂由北向南控制了三山岛、新立、仓上等金矿[4]。近年来，在新立深部、三山岛西岭矿区及北部海域矿区发现的特大型金矿床，也受此断裂控制。

焦家断裂带位于三山岛断裂之东，南起莱州市紫罗姬家一带，北至龙口姚家，全长约60 km，宽50～500 m，断裂在平面上呈“S”形，形态不规则，走向40°，倾向NW，倾角30°～50°，局部可达78°，主裂面发育有2～50 cm厚的灰黑色断层泥。其下盘发育较多与其走向平行或呈“入”字形相交的分支构造。新城、焦家、马塘、寺庄、河东、上庄等多个金矿受焦家断裂或其旁侧次级断裂控制。

三山岛断裂带与焦家断裂带大致平行展布，相向而倾，控制的矿体均具有“阶梯式”分布规律[5]，即：金矿的控矿断裂沿倾斜方向自浅部向较深部延展中，倾角不断发生陡、缓交替变化，金矿体主要赋存于较平缓的台阶位置[6]。目前均已揭露了2个成矿台阶，三山岛和焦家断裂向深部延伸趋于交会，交会部位估计在地表以下4 500 m左右(图1)。

1.2 水文地质条件

(1)含水层：综合考虑三山岛断裂带与焦家断裂带各岩层的储水方式、水力特征、富水性、所处位置及其对矿床开采的影响，将断裂带含水层划分为第四系松散岩类孔隙含水层、基岩风化裂隙含水层、基岩构造裂隙含水层[7]。第四系松散岩类孔隙含水层主要分布在区域的表层，岩性主要为中细砂、中粗砂、含砾亚砂土等，富水性中等-强，其中三山岛断裂带第四系孔隙含水层水化学类型为Cl-Na型，焦家断裂带第四系孔隙含水层水化学类型为Cl·HCO3—Ca·Na型，前者矿化度较高，高达28 g/L。基岩风化裂隙含水层主要分布在第四系孔隙含水层之下，岩性主要为变辉长岩和二长花岗岩等，受构造运动的影响程度以及裂隙、风化裂隙发育程度不同，富水性有所差异。基岩构造裂隙含水层，主要分布在断裂带及构造蚀变岩带中裂隙较发育的部位，位于断裂带的中深部，主裂面又将其分为上盘构造裂隙含水层与下盘构造裂隙含水层，含水层富水性弱，常具有承压特征。

图1 焦家和三山岛巨型金矿床矿区地质图(据文献[1])

(2)隔水层：三山岛断裂带隔水层有第四系粉质粘土隔水层与中间隔水带，第四系粉质粘土隔水层位于第四系松散孔隙含水层与基岩风化裂隙含水层之间，岩性主要为黄褐色含砾石粉质粘土。中间隔水带位于三山岛主断裂的中间部位，呈条带状分布，岩性由断层泥、糜棱岩，黄铁绢英岩化碎裂岩等组成。焦家断裂带隔水层为中间隔水带，位于焦家主干断裂带的中间部位，呈北北东向条带分布，岩性由断层泥及两侧的碎裂岩组成。

(3)含水层水力联系：三山岛断裂带第四系孔隙含水层与基岩风化裂隙含水层以及基岩构造裂隙含水层之间不发生直接水力联系。焦家断裂带第四系孔隙含水层与基岩风化裂隙含水层之间的水力联系密切，第四系孔隙含水层与基岩构造裂隙含水层通过二者之间的基岩风化裂隙含水层发生水力联系。三山岛断裂带与焦家断裂带上下盘构造裂隙含水层之间分布着中间隔水带，隔水带的隔水性能良好，使二者不发生水力联系[8]。

2 水文地质参数求解

2.1 水文地质参数求解方法

三山岛断裂带与焦家断裂带深部水文地质参数的求解，主要通过单孔稳定流抽水试验、钻孔注水试验以及钻孔压水试验求得。单孔稳定流抽水试验应用于该区大部分试验孔，适用于地下水水位埋深不大，补给量较充足，并能够满足单孔稳定流抽水试验规范要求。根据含水层的特征，利用裘布依潜水潜水及承压水井流公式求得含水层渗透系数K、影响半径等[9-11]。钻孔注水试验适用于地下水水位埋深大，不便进行抽水试验的钻孔，利用注水试验规程中的计算公式，可求得钻孔渗透系数[12]。钻孔压水试验适用于渗透性小的岩层，利用压力与流量的关系，确定岩体渗透性。

2.2 钻孔抽水试验流程

(1)先进行下盘含水层抽水试验，后进行上盘含水层抽水试验，此流程下文简称“Ⅰ”。该试验流程的工序为：钻孔施工完毕后，进行洗孔、丈量孔深，下入止水装置，检查止水效果，安装抽水设备进行下盘含水层抽水试验，然后封闭下盘含水层，待水泥凝固后，再进行上盘含水层抽水试验。该试验流程的优势：可以分层直接求得上、下盘含水层的水文地质参数。缺点：三山岛断裂带与焦家断裂带施工的抽水试验孔深度大，止水难度较大且效果差[13]，施工工序复杂，工期较长且成本相对高。

图2 三山岛断裂带与焦家断裂带含水层剖面示意图

(2)先进行全孔混合抽水试验，后进行上盘含水层抽水试验，此流程下文简称“Ⅱ”。该试验流程的工序为：钻孔施工完毕后，进行洗孔、丈量孔深，安装抽水设备进行全孔混合抽水，然后封闭下盘含水层，待水泥凝固后，再进行上盘含水层抽水试验。该试验流程的优势：工序简单，无需进行上盘含水层的止水工作，工期短且成本较低。缺点：不能直接准确地获得下盘含水层的水文地质参数，需要进行进一步求解计算获得下盘含水层水文地质参数。

三山岛断裂带与焦家断裂带抽水试验孔，均选择主裂面(中间隔水带)深度大于600 m，可以较好地反应深部水文地质参数特征。深部水文地质参数统计结果表见表1。

3 结果与讨论

3.1 水文地质参数特征

(1)上盘含水层水文地质参数：利用厚度加权平均法计算

(1)

式中：Kcp为平均渗透系数(m/d)；Hi为含水层各垂向分段厚度(m)；Ki为各垂向分段的渗透系数(m/d)；

三山岛断裂带与焦家断裂带抽水试验孔均对上盘含水层进行了单独的抽水试验。利用上述计算方法，三山岛断裂带上盘含水层渗透系数平均值为0.000 8 m/d。焦家断裂带上盘含水层渗透系数平均值为0.001 5 m/d。三山岛断裂带上盘含水层渗透系数平均值小于0.001 m/d，可视为相对隔水层，以往提交的勘查报告也说明了这一点，有的将其概化为上盘含水层，也有的将上盘完整部分视为相对隔水岩体或隔水岩体看待。

表1 水文地质参数统计结果表

注：A-单孔稳定流抽水试验；B-钻孔注水试验；C-钻孔压水试验

(2)下盘含水层水文地质参数：单个抽水试验孔下盘含水层渗透系数是通过含水层厚度加权平均法计算的[14]，公式为K下盘=(K全孔·H全孔-K上盘·H上盘)/H下盘，其中H为含水层厚度；对断裂带上各个抽水孔下盘含水层渗透系数利用公式(1)计算，结果显示，三山岛断裂带下盘含水层渗透系数平均值为0.003 6 m/d。焦家断裂带下盘含水层渗透系数平均值为0.005 3 m/d，其中焦家断裂带利用流程“Ⅰ”(编号1-4)直接求得的下盘含水层渗透系数平均值为0.004 6 m/d，利用流程“Ⅱ”(编号5-8)间接求得的下盘含水层渗透系数平均值为0.005 9 m/d。

(3)注水试验孔水文地质参数：焦家断裂带对三个深部钻孔(编号9-11)进行了分段注水试验，深度大于600 m的试段，含水层渗透系数利用公式(1)计算值为0.007 7 m/d。

(4)压水试验孔水文地质参数：三山岛断裂带对两个深部钻孔(编号16-17)进行了钻孔压水试验，由表1可知主断裂深度较深，试段大部分位于主断裂的上盘，渗透系数远远小于0.001 m/d，近乎于0，说明1 500 m以下的深部岩体完整性相对较好，透水性极弱。

3.2 对比分析

(1)三山岛断裂带与焦家断裂带上盘含水层渗透系数均小于下盘含水层渗透系数，三山岛断裂带上、下盘含水层渗透系数分别小于焦家断裂带上、下盘含水层渗透系数，对比结果见表2。对比分析表明：两条断裂带上盘岩体透水性均弱于下盘岩体；三山岛断裂带的岩体透水性整体弱于焦家断裂带，尤其下盘渗透系数之间的差值较大，表明焦家断裂带下盘构造裂隙较发育，透水性好，这与前文叙述其下盘构造特征相符。

表2 抽水试验渗透系数结果对比表 m/d

(2)焦家断裂带钻孔分段注水试验渗透系数在垂向上随深度(试验段中间值)变化情况见图3。以600 ms深度为界，对比分析表明：600 m以上浅部，渗透系数波动较大，没有规律性，说明浅部裂隙发育程度不同，具有显著的不均匀特点；600 m以下深部，渗透系数波动较小，说明深部裂隙随深度发育较浅部均匀，透水性趋于稳定。

图3 注水试验孔渗透系数与深度关系曲线图

(3)三山岛断裂带压水试验孔，对比ZK112-2与ZK96-5分析结果表明：随着深度加深，渗透系数进一步发生显著降低，趋于0，说明岩体随深度加深的完整性变好，透水性减弱。

(4)三山岛断裂带编号13-15抽水试验孔，是结合物探测井准确判断了上、盘含水层厚度，不同于其它抽水试验孔将试验段长度视为含水层厚度。由表1含水层厚度对比分析可知：物探测井孔上盘含水层厚度均小于下盘含水层厚度，与三山岛断裂带上盘含水层特征相符，含水层实际厚度较小。

(5)下盘含水层是深部金矿床的直接充水含水层。下盘含水层渗透系数的求解，是为了通过大井法、集水廊道法等解析法，预测矿坑未来开采时的涌水量。由于构造裂隙发育的不均匀性以及单孔抽水试验自身的弊端(一个抽水孔而无观测孔的抽水试验，成果精度较低[15-16])，造成单孔抽水试验获取的渗透系数代表性有限，实际应用中常取同一矿区多个抽水试验孔下盘含水层渗透系数的平均值代入计算。这种方法对矿井涌水量预测的精度在0.3～0.5之间。由于三山岛断裂带与焦家断裂带浅部金矿床已开发利用多年，积累了大量矿井涌水量实际观测资料，利用水文地质比拟法，对断裂带深部金矿床进行涌水量预测，往往准确度较高，涌水量预测的精度在0.5～0.7之间。实际工作中，解析法与比拟法常对比使用。

4 结语

(1)三山岛断裂带与焦家断裂带深部渗透系数均较小，岩石透水性整体较弱。上盘含水层渗透系数较下盘含水层渗透系数小，三山岛断裂带含水层渗透系数整体小于焦家断裂带。

(2)渗透系数随深度变化在浅部波动性大，深部波动性小，渗透系数在深部趋于稳定。浅部裂隙发育程度随深度变化差异较大，具有显著的不均匀性特点。

(3)1500m深度以下，岩体渗透系数进一步减小，趋近于0，在上盘的深部岩石相对完整，透水性极弱。

(4)上盘含水层实际厚度小于下盘含水层实际厚度。钻孔抽水试验流程“Ⅱ”在实际应用中使用较多，结合物探测井工作对含水层厚度的准确判断，可以较为准确的计算出下盘含水层的水文地质参数。

(5)矿区渗透系数的厚度加权平均法可以提高涌水量预测的精度。

[1]宋英昕，宋明春，丁正江，等.胶东金矿集区深部找矿重要进展及成矿特征[J].黄金科学技术.2017.25(3)：4-18.

[2]刘乐军，颜景生.焦家断裂带深部抽水试验成井止水方法探索[J].山东国土资源.2013.29：88-90.

[3]赵海军，马凤山，李国庆，等.新立海底金矿水文地质特征及水文地质结构分析[J].水文地质工程地质.2009.4：41-45.

[4]曹春国，于义文，郭国强，等.综合物探技术在三山岛断裂带与焦家断裂带深部成矿模式中的应用[J].山东国土资源.2012.28(4)：19-24.

[5]宋明春，伊丕厚，徐军祥，等.胶西北金矿阶梯式成矿模式[J].中国科学.2012.42(7)：992-1000.

[6]宋明春.对我国深部金矿资源勘查有关问题的认识与思考[J].黄金科学技术.2017.25(3)：1-2.

[7]孙瑞刚，解英芳，杨志杰. 焦家断裂带深部水文地质特征探讨[J].科技传播.2010.(13)：60-61.

[8]高松，张军进，孙珊珊，等.三山岛北部海域金矿区水文地质特征分析[J].黄金科学技术.2016.24(1)：11-16.

[9]王继芳,韩廷宝,杜显彪,等.滕县煤田滨湖煤矿16煤层开采充水条件浅析[J].山东国土资源.2016.32(1):42-47.

[10]韩玉英.山东半岛海岸带南段主要富水地段地下水资源开发利用潜力分析[J].山东国土资源.2016.32(6):47-51.

[11]王有智,高松,王伟.海阳市丁字湾新城区地下水资源量及增源增采浅析[J].山东国土资源.2016.32(10):41-45.

[12]张贻火.钻孔注水试验方法浅析[J].资源环境与工程.2008.22:203-206.

[13]赵宗昌，邹海江，李鹏飞.一孔多层抽水试验分层止水技术及应用[J].地下水.2016.38(3)：128-130.

[14]高敬亮.混合抽水试验理论与实践问题的讨论[J].水文地质工程地质.1958.5:24-28.

[15]蒋辉，郭训武.专门水文地质学[M].北京：地质出版社.2007.45-64.

[16]王辛，张硕，叶疆，等.基于抽水试验的水文地质参数计算方法[J].资源环境与工程.2015.29(12)：836-838.

[17]段乃金,陈刚,候海巅,等.基于Neuman井流理论确定玄武岩潜水含水层渗透系数的应用——以吉林靖宇煤矿为例[J].山东国土资源.2016.32(10):57-60.

[18]李军.山东省东平县大高庄铁矿矿床充水因素分析及涌水量预测[J].山东国土资源.2016.32(3):48-52.