鲁中南地区古近系朱家沟组水文地质特征及富水模式

李 波 宋一心 高 菡 吴 璇 关 琴 刘春伟

1. 山东省地质矿产勘查开发局八〇一水文地质工程地质大队, 山东 济南 250014;2. 山东省煤田地质规划勘察研究院, 山东 济南 250014;3. 山东省地下水环境保护与修复工程技术研究中心, 山东 济南 250014

0 引言

山东省是中国北方严重缺水省份之一, 人均占有水资源不足全国平均值的1/6。 山东省地下水开发利用始于20 世纪70 年代, 随着经济社会快速发展, 地下水开采量急剧增加, 至21 世纪初期地下水开采量达到了115×108～120×108m3/a (徐军祥和康凤新, 2001; 刘春华和杨丽芝, 2005; 姜福红和刘文, 2017), 地下水资源已成为制约山东省社会经济发展的重大问题。

鲁中南地区在区域构造位置上属于华北地台的东南部, 总体上是一个以大型隆起为背景的地质构造单元(云金表等, 2002; 张锡明等, 2007)。 区内具有实际供水意义的主要为碳酸盐岩类裂隙岩溶含水岩组与松散岩类孔隙含水岩组 (康凤新等, 2010;梁永平和王维泰, 2010; 孙逊等, 2010)。 近年来由于两大含水岩组地下水开采量不断增加, 开采区周边出现了岩溶塌陷、 地下水水质恶化等环境地质问题(郭栋栋等, 2012; 王延岭等, 2015), 因此寻找新的供水目标含水层及富水块段对于解决鲁中南缺水难题具有重要意义。

2012 年山东省率先在鲁中南地区开展了1 ∶50000 水文地质调查工作, 截止到目前已覆盖了鲁中南大部分区域。 在已有的水文地质工作中, 对古近系朱家沟组研究甚少, 一般将其与其他碎屑岩类一起归为碎屑岩孔隙裂隙含水岩组, 单井涌水量小于100 m3/d, 为弱富水含水岩组, 不具有供水意义 (山东省地质局第一水文地质队, 1979)。此次通过实施的水文地质钻孔及机民井调查资料发现, 在莱芜盆地、 汶口盆地及新泰盆地内, 朱家沟组含水岩组浅部裂隙岩溶发育, 实施的钻孔单井涌水量达到了1000 ～4000 m3/d, 有效解决了当地用水难题。 基于此, 文章在1 ∶50000 水文地质调查工作的基础上, 以汶口盆地、 新汶盆地朱家沟组含水岩组为例, 系统分析其水文地质特征,研究裂隙岩溶发育规律, 总结地下水富水模式,为下一步在鲁中南地区寻找新的目标含水层、 找水定井工作提供技术指导。

1 研究区概况

1.1 自然地理位置

研究区主要位于山东省中部山区, 涉及泰安、淄博、 济宁、 临沂等地级市。 区内地势整体偏高,以低山丘陵为主。 研究区属暖温带半湿润季风气候区, 四季分明, 多年 (1956 ～2019 年) 平均降水量889.7 mm。 区内主要河流为柴汶河、 牟汶河,柴汶河由东向西穿过新汶盆地, 在大汶口镇附近与牟汶河汇合, 形成大汶河; 受季节性降水及蒸发量影响, 水系流量及水位变化大。

1.2 地质构造

山东省地处华北克拉通东部 (宋明春和李洪奎, 2001), 古近纪及新近纪时期由于克拉通深部地幔大规模隆起和地壳大规模伸展而处于伸展动力学背景下, 形成了一系列新生代裂陷构造盆地(图1; 翟明国等, 2004; 周新桂等, 2004; 翟明国, 2019)。 在古近纪时期, 由于沂沭断裂带与兰聊断裂的右行走滑活动, 致使鲁中南地区形成的盆地发生掀斜式抬升 (牛树银等, 2004); 其后由于盆地边缘断裂两侧地体差异性升降幅度增大,相继发育了朱家沟组的山麓冲洪积相类磨拉石建造; 朱家沟组沉积之后, 由于鲁中地区整体抬升,盆地沉积时代结束, 进入长期剥蚀状态 (郑德顺等, 2013; 张琪琪和张拴宏, 2019)。

2 含水岩组水文地质特征

2.1 分布特征

朱家沟组由迟培星等创名 ( 迟培星等,1997), 代表性剖面位于蒙阴县骑路官庄剖面。 主要分布于北西向中新生代沂源盆地、 莱芜盆地、新泰-蒙阴盆地、 汶上-泗水盆地、 平邑-方城盆地, 近东西向大汶口-汶东盆地等北侧近断裂处,呈北北西向条带状分布 (朱大岗等, 2008)。

2.2 岩性特征

朱家沟组主要为冲积扇-山麓洪积相沉积。 主要岩性为灰褐、 灰红色砾岩, 下部少量紫红色砂岩、 砂质泥岩, 地层厚度变化大。 底界以泥岩结束, 大套砾岩出现划界, 与下伏卞桥组或大汶口组整合接触; 顶部裸露或与前寒武纪基底花岗岩类断层接触。

朱家沟组地层岩性、 岩相较稳定, 地层厚度变化较大。 在平邑-方城盆地, 中部石河村厚度652.8 m, 方城厚度87.0 m, 显示向盆地东西两侧变薄的趋势; 在新泰-蒙阴盆地, 主要沿新泰-垛庄断裂以南分布, 出露厚度428.0 ～1012.5 m, 向东厚度大于380 m (未见底), 也显示向盆地东西两侧变薄的趋势; 在大汶口-汶东盆地、 泗水盆地地表见零星露头, 厚度大于150 m; 在莱芜盆地主要分布于王山子—鹏山一带, 厚135.39 m, 岩性主要为灰质砾岩, 其下与常路组整合接触, 其上以断层与下古生界接触; 在韩四盆地, 主要分布于韩庄以北, 厚618.64 m, 岩性以砾岩为主, 夹少量钙质砂岩, 其下与常路组整合接触, 其上以断层与前寒武纪基底接触 (王来明等, 2012)。

不同盆地中朱家沟组砾石成分受物源、 搬运路径等因素影响略有差异。 在汶口盆地砾石以泥灰岩为主、 夹有少量花岗岩, 磨圆度差, 棱角明显, 砾径多在5 ～20 cm, 个别砾径大于30 cm; 在新汶盆地砾石以微晶灰岩为主, 磨圆度较差, 次棱角状, 砾径多为3 ～8 cm, 个别砾径超过15 cm。

图1 研究区构造位置图Fig.1 Tectonic location of the study area

2.3 富水性特征

在以往水文地质填图中, 特别是1 ∶200000 区域水文地质填图, 朱家沟组含水岩组富水性一般划为小于100 m3/d, 为弱含水层。 此次调查钻探发现, 该地层内地下水富水性差异较为明显, 局部地段富水性大于300 m3/d, 在最新 《水文地质编图规范 (1 ∶50000) 》 中属于 “丰富—极丰富”范畴, 其富水性主要受断裂构造、 地形起伏、 裂隙岩溶发育程度等因素影响。 因鲁中南地区各盆地具有相似地质构造及水文地质条件, 文中以汶口盆地、 新汶盆地为例进行说明。

在汶口盆地共有8 眼机民井及钻孔的资料(表1), 面状分布于区内出露的朱家沟组 (图2)。由表1、 图2 可以发现, 该地区朱家沟组含水岩组单井涌水量 (Q) 多在100 m3/d＜Q＜300 m3/d 范围内, 局部大于300 m3/d; 特别是在磁窑断裂以西至高村断裂一带, 受断裂构造影响形成局部断陷,裂隙岩溶较东部地区更为发育, 富水性更好。 以DWZK03 钻孔为例, 抽水试验结果显示, 单井涌水量达到1251.6 m3/d, 降深13.25 m, 其富水性远超300 m3/d。

在新汶盆地共有14 眼机民井及钻孔的资料(表2), 条带状分布于新泰-垛庄断裂西侧。 由表2 可以看出, 在该盆地内朱家沟组地下水开采深度不一, 大致可以分为三层: 0 ～10 m, 10 ～100 m,大于100 m。 不同深度单井涌水量也不尽相同, 其中0～10 m 机民井涌水量小于100 m3/d, 10 ～100 m机民井涌水量100～300 m3/d, 大于100 m 机民井涌水量大于300 m3/d。 特别是施工的XWZK02, XTZK03钻孔, 涌水量分别达到了927 m3/d, 4944 m3/d。

表1 汶口盆地朱家沟组调查点统计表Table 1 Statistical table of survey spots of the Zhujiagou formation in the Wenkou basin

图2 汶口盆地朱家沟组水文地质及调查点分布图Fig.2 Hydrogeology and survey spots of the Zhujiagou formation in the Wenkou basin

2.4 裂隙岩溶发育特征

朱家沟组岩性以钙质胶结砾岩为主, 砾石成分以中生界泥晶、 微晶灰岩为主, 胶结物矿物组分以泥晶方解石、 粘土为主 (周乐等, 2019)。 受断裂构造等因素影响, 含水层发育大小不一的裂隙, 地下水沿裂隙发生溶蚀作用, 形成溶孔、 溶洞。 不同盆地内朱家沟组裂隙、 岩溶发育程度受断裂规模、 胶结程度等影响略有差异。

据施工钻孔岩心及调查资料表明, 研究区朱家沟组地层裂隙岩溶发育基本在150 m 以浅。 汶口盆地岩溶形态以蜂窝状溶孔为主, 局部发育小规模溶洞, 浅部溶洞多填充黄色粘土; 另外, 调查过程中发现在泰安市西磁窑村东侧出现朱家沟组岩溶塌陷, 物探剖面也显示在该区域浅部裂隙岩溶发育 (图3)。 新汶盆地岩溶形态以溶隙为主,个别地段发育大规模溶洞, 例如在新泰市东杏山下, 发育大规模溶洞群并形成地下河, 洞内发育石笋、 石钟乳等岩溶形态 (图4), 该岩溶规模在朱家沟组中实属罕见。

表2 新汶盆地朱家沟组调查点统计表Table 2 Statistical table of survey spots of the Zhujiagou formation in the Xinwen basin

图3 磁窑镇北部地面塌陷高密度电法和CSAMT 剖面图Fig.3 High density electrical method and CSAMT profile of the surface collapse in the north of Ciyao Town

3 水化学特征

3.1 样品采集与测试

为分析研究区内朱家沟组含水岩组地下水化学特征、 水化学类型及成因, 结合此次工作条件,对汶口盆地和新汶盆地朱家沟组地下水进行样品采集。 样品经0.45 μm 滤膜过滤后置于清洗过的聚乙烯瓶, 阳离子样品经HNO3酸化至pH 值小于2 后保存, 阴离子样品原样低温保存。 水化学分析在山东省地矿工程勘察院实验测试中心完成。

图4 朱家沟组内发育的大规模洞穴沉积物照片 (东杏山村)Fig.4 Large scale cave sediments developed in the Zhujiagou formation (Dongxingshan Village)

3.2 水化学参数特征

表3 朱家沟组地下水化学数据Table 3 Groundwater hydrochemical data table of the Zhujiagou formation

Gibbs 通过研究世界河流、 湖泊、 主要海洋等地表水体中的TDS 值与Na+/ (Na++Ca2+) 以及与Cl-/ (Cl-+HCO-3) 的关系图, 将天然水体的化学形成机制分为蒸发浓缩机制、 岩石风化机制和降水作用机制三种 (LI et al, 2013; WANG et al,2018)。 Gibbs 图也被广泛应用于地下水研究领域,以识别控制地下水化学组分的影响机制 (姜体胜等, 2017)。 在Gibbs 图中, TDS 值较低且Na+/(Na++Ca2+), Cl-/ (Cl-+HCO-3) 值较高的水样点分布于图中右下角, 此类水主要受到大气降水作用控制。 TDS 值中等且Na+/ (Na++Ca2+), Cl-/(Cl-+HCO) 值小于0.5 或者在0.5 左右的水样点, 分布在图的中部左侧, 这类水中的离子主要来源于岩石矿物 (陆地可溶性岩石包括碳酸盐、硅酸盐、 蒸发盐和硫化物矿物) 的风化释放。 TDS值较高且Na+/ (Na++Ca2+), Cl-/ (Cl-+HCO-3)值也较高的水样点分布在图中右上角, 反映出水体所处区域较为干旱, 蒸发浓缩作用强烈 (朱秉启和杨小平, 2007; 唐玺雯等, 2014; 孙英等,2019; 冯建国等, 2020)。 从研究区内朱家沟组地下水Gibbs 图 (图6) 可以看出, 区内朱家沟组地下水样点均处在岩石风化型区域内, 说明水-岩相互作用是形成古近系朱家沟组地下水化学的主要作用, 离子主要来源于灰质砾岩及胶结物的风化释放, 具有与岩溶水相似的化学特征。

图5 研究区地下水样品piper 图Fig.5 Piperdiagram of groundwater samples in the research area

图6 研究区地下水Gibbs 曲线图Fig.6 Gibbs graphs of groundwater in the research area

4 地下水富水模式分析

古近系朱家沟组主要分布在鲁中南坳陷盆地边缘地带, 为一套具有磨拉石建造特征的陆源碎屑沉积物。 砾石成分以古生界碳酸盐岩为主, 胶结物多为泥质、 钙质胶结。 泥质胶结物成分以粘土为主, 遇水后易软化分解溶蚀形成裂隙, 碳酸盐岩遇水溶蚀后形成溶孔、 溶洞。 钙质胶结物矿物成分多为方解石, 与砾石成分相一致, 在裂隙发育处与砾石一起溶蚀分解, 形成地下水赋存空间。

朱家沟组受控盆构造多期作用影响, 地层岩石多裂隙发育, 为地下水赋存、 岩石溶蚀提供了可能性 (徐一平等, 2020)。 在控盆断裂外侧多出露大面积的不同期次侵入岩, 大气降水及入渗补给的裂隙水沿地表起伏向断裂低洼处径流, 渗漏补给盆地内部的朱家沟组砾岩含水层; 另外, 在河流发育处, 地表水下渗也是主要补给来源。 朱家沟组地下水受下部大汶口组、 常路组砂岩、 泥岩阻水后在裂隙岩溶发育段富集形成富水区域(图7)。 在盆地内部, 朱家沟组与奥陶系马家沟群不整合接触, 除接受大气降水补给和地表水下渗外, 还接受岩溶水顶托补给。 目前朱家沟组地下水主要用于生活用水及农业灌溉用水, 开采方式以分散开采为主, 开采潜力较大。

图7 汶口盆地DWZK03 钻孔水文地质剖面图Fig.7 Hydrogeological profile of the borehore DWZK03 in the Wenkou basin

在调查研究过程中发现, 朱家沟组含水岩组富水性差异受断裂构造影响明显, 特别是在盆地边缘地带及汶口盆地磁窑断裂与高村断裂之间。因此, 朱家沟组含水岩组的富水模式是以断裂构造为主要控制因素的断裂型灰质砾岩裂隙岩溶蓄水构造模式, 根据不同盆地沉积构造不同又可分为山前丘陵不整合接触蓄水模式与盆地前缘超覆构造蓄水模式。

另外, 通过钻探施工发现, 在主干断裂内裂隙多被粘土填充, 地下水富水性较差, 且成井难度大; 靠近主干断裂30 ～50 m 的影响带内, 150 m以浅裂隙岩溶发育, 富水性较好, 为良好的成井靶区, 例如新汶盆地XTZK03 钻孔, 距离新泰-垛庄断裂28 m, 井深152.2 m, 最大涌水量4944 m3/d,降深13.86 m。

5 结论

文章依托1 ∶50000 水文地质调查工作, 通过开展水文地质调查、 水文地质钻探、 水化学分析等工作手段, 探讨了鲁中南朱家沟组含水岩组水文地质特征及水化学特征, 分析了其富水机理与蓄水模式, 形成结论如下。

(1) 古近系朱家沟组灰质砾岩含水岩组集中分布在鲁中南坳陷盆地边缘, 分布面积较小, 呈条带状分布。 地层岩性为钙质、 泥质胶结灰质砾岩, 岩性单一; 裂隙岩溶形态以溶蚀裂隙、 溶孔、溶洞为主, 集中发育在150 m 以浅。

(2) 朱家沟组地下水化学类型不同区域略有差异, 阳离子以Ca2+为主, 阴离子以为主, 地下水补给来源较为单一, 水化学类型受人类活动影响明显; 依据Gibbs 曲线图, 该类地下水属于岩石风化型, 离子主要来源于灰质砾岩及胶结物的风化释放, 地下水类型兼具裂隙水与岩溶水特征。

(3) 朱家沟组含水岩组富水模式为断裂型灰质砾岩裂隙岩溶蓄水构造模式, 可细分为山前丘陵不整合接触蓄水模式与盆地前缘超覆构造蓄水模式, 受断裂控制明显, 该模式在鲁中南地区具有普遍性和适用性。 地下水主要补给来源为侵入岩区大气降水、 裂隙水渗漏补给及地表水下渗补给, 盆地南缘不整合接触地带还接受岩溶水顶托补给。

(4) 在近几年开展的1 ∶50000 水文地质调查工作基础上发现, 朱家沟组灰质砾岩富水性受断裂构造影响差异巨大, 部分地段地下水开采潜力巨大, 允许开采量可达到20000 m3/d。 在岩溶水、孔隙水超采严重的现状下, 朱家沟组已成为鲁中南地区一个重要目标含水层, 这对于鲁中南缺水山区具有重要的实际供水意义和社会经济效益。