临沂北城新区矿山水文地质特征及形成机理分析

张宗元，杨能上，王 飞

（山东省第一地质矿产勘查院，山东 济南 250109）

临沂地处沂沭断裂带中、南段，地质构造环境复杂，经历了复杂的沉积、岩浆、变质、构造等地质事件，形成一套较为完整的矿石和构造体系，为矿山地下水的形成提供了有利的地质、构造条件[1，2]。本文以山东临沂北城新区矿山水文地质勘查资料为例，对该区矿山地下水的形成机理及分布特征进行了研究探讨，以期对同类矿区水文地质资源勘查评价和开发利用提供指导作用。

1 区域地质条件

图1 矿区地质构造略图

在蒙山断裂带的南部、鄌郚—葛沟断裂带的西部、尼山—苍山断裂带的北侧均发现了地下水径流，流经方向为从西北方向到东部方向，并将矿区划分为两个不同级别的地质构造单元，即临沂穹断、平邑凹陷。矿区内的各个地层在构造控制的情况下发育良好。具有代表性的地层为二叠系、古生代寒武系、石炭系、太古界泰山岩群、奥陶系、白垩系；新生代古近系、新近系以及第四纪松散堆积物等。

2 区域水文地质条件

山东临沂北城新区矿山地下水类型可大致分为四种类型即基岩裂隙水、松散岩类孔隙水、碳酸盐岩类裂隙岩溶水、碎屑岩类孔隙裂隙水。而在地层特性、地貌等相关因素的影响下矿山地下水赋存形态发生变化，水文地质分区以孟家村常家庄断裂带为界分属临沂单斜水文地质单元、平邑—方城地堑水文地质单元。

2.1 临沂单斜水文地质单元

本次研究矿区由鄌郚—葛沟断裂带、临沂弧形断裂组、孟家村常家庄断裂带共同组成。矿区地下水的最主要的补给来源为大气降水，而少量的变质岩裂隙水、裂隙岩溶水也会渗入到地层中，为矿区地下水提供少量的补给，无论哪种地下水补给方式，径流方向与地层的倾斜方向，径流方向为由WN向ES，在径流范围内会有降水补充，以至于地下水的流量不断增大。研究矿区内地下水有多种排泄方式，可以进行人工开采，也可通过地质构造破碎带对矿山地下水进行开采。

2.2 平邑—方城地堑水文地质单元

平邑—方城地堑水文地质单元处于孟家村常家庄和蒙山断裂带中间地带。矿山地下水主要依靠大气降水来进行补给，矿区南侧的白垩系裂隙水和北侧的蒙山断快凸起的潜流水也为矿区地下水提供了一定数量的补给；矿山断层走向、地下水的径流方向、地形坡向大致相同，NW方向到SE方向，流经途中有降水持续进行补给，我们发现径流的补充量有持续增加的趋势，矿区深部地层地下水径流到断裂带时会受有一定阻力，一部分地下水径流补给了第四系孔隙水，另外一部分径流量沿断裂破碎带排出了研究区域。

3 矿区地下水形成机理

矿区地处沂沭断裂带以西，区内地质构造复杂，具备源、通、储、盖地下水的形成机理，具有良好的水文地质形成条件，该区地下水是经过漫长而复杂的溶滤作用和不断的循环径流交替形成，成因为传导对流型，地下水温度主要取决于地下水的循环深度及径流排泄条件，矿区地下水的赋存及分布严格受构造控制[3]。该矿田以孟家村—常家庄断裂带（汶泗断裂）为界将矿田分为I和II两个地下水的储区，I区属于平邑—方城地堑水文地质单元，II区属于临沂单斜水文地质单元。

3.1 矿区地下水的来源

矿区属于沂沭断裂带大地径流高值区，水文地质资源主要来自地壳深处的径流传导，其次是岩浆热液活动及放射性元素蜕变，根据物探资料，该地区为莫霍面相对隆起区，可从地球内部向地表传导相对较高的径流量，有利于地下水形成。根据DR1和DR2的和水质分析资料、同位素资料分析地下水的补给来源为大气降属大气成因，地下水的补给主要来源于临沂南部灰岩裸露区和西部平邑山区地下水的深部径流补给，经深循环而形成。本地区的地下水储盖层为第四系、白垩系八亩地组及石炭—二叠系，主要由粘土、玄武安山岩、泥岩及页岩构成，热导率低，是良好的不透水盖层。

3.2 矿区地下水含水层

矿区广泛隐伏着寒武系、奥陶系地层，地层倾向分别从南西向矿区倾斜，南浅北深，在矿区形成深部岩溶凹地，具有较好的水文资源储存空间，形成深部地下水储存区域[3]，储存形态严格受构造控制，呈带状兼层状，水文资源储层为寒武系、奥陶系灰岩溶蚀发育带为主，岩性主要为灰岩，该套地层岩石破碎，含水层发育，裂隙岩溶率为5%～25%，顶板埋深一般800m～1300m，底板埋深一般1300m～2200m[4]，具体见表1。

表1 各区段含水层特征一览表

3.3 矿区地下水通道

在矿区内各断裂带的影响下，为地下水的径流提供了场所，特别是沂沭断裂带周围，地层岩系发育良好，为地下水的运移提供了便利条件。

4 矿区地下水的水化学特征

在矿区地下沉积环境、含水介质化学成分、地下水循环、水化学等几方面因素的共同作用下促使了地下水的成分形成，矿区地下含水层、地质活动、大气降水成为地下水补给的主要来源[6]。地下水的化学因素不只是地质环境性状与功能的表征，而且是制约地下水中元素浓度、固—液相分配、形态和迁移转化的直接因素[5]。从临沂北城矿区I区段DR1和II区段DR3地下水质检测结果可知：该矿田是地下水化学特征具有明显的区域分区性，II区段的矿化度、总硬度和主要阴阳离子组分含量均低于I区段[4]。I区段区下中元素的摩尔浓度比rNa/rCl=1.068，II区段地下水中的元素的摩尔浓度比rNa/rCl=1.46，其系数均高于大洋水（rNa/rCl=0.85），反映I区段、II区段地下水均具有大陆溶滤水的特征[5]，即地下水的最终来源为大气降水。

图2 DR1、DR3 δD、δO18值与标准雨水线对比图

I区段DR1井δD含量为-55‰，δO18含量为-9.2‰；II区段DR3井δD含量为-54‰，δO18含量为-9.2‰，经研究对比δD和δO18的值在克雷格标准降水直线δD=8δO18+10附近（见图2），再次说明地下水由大气降水补给形成，属大气成因。

放射性元素含量的多少能体现出地下水滞留时间即地下水年龄，从而可以定量评价矿区地下水文资源的循环速度和可更新能力，I区段放射性元素含量总体上却较II区段低，可推断I区段的地下水循环速度较II区段快；更新能力较II区段强，补给条件较II区段优越。I区段地下水氚含量为27±1.8推断I区段地下水循环时间大于40年；II区段地下水氚含量为9.2±1.4推断II区段地下水循环时间大于60年。

5 结语

临沂北城新区矿山地下水的形成主要是深循环的地下水沿裂隙对流上涌形成，地下水主要赋存于寒武系、奥陶系灰岩岩溶地层中，属岩溶型，补给来源为大气降水；其次是岩浆热液活动及放射性元素蜕变，成因为传导对流型，盖层为第四系、白垩系八亩地组及石炭—二叠系的粘土、玄武安山岩、泥岩及页岩构成，地下水温度主要取决于矿区地下水的循环深度及径流排泄条件，地下水的赋存及分布严格受构造控制。