湘东北虎形山钨多金属矿断层导水性初探*

刘程慧,唐朝永,谭 稳,许金良

（1.湖南省国土空间调查监测所，湖南长沙 410129;2.桂林理工大学资源与环境工程学院，广西桂林 541004）

1 前言

虎形山矿区是一个大型钨多金属矿床[1]，地处湘东北地区临湘市境内，大地构造位置位于扬子地块与华南地块的结合部位，属于长江中下游铁铜多金属成矿带临湘矿集区[2]，成矿活动受EW向褶皱断裂构造带控制，矿带（体）呈EW向分布，控矿断层F1呈东西向横跨矿区中部，贯穿冶湖直达长江（图1）。矿区处于湘东北幕阜山余脉北端，西临长江。地势上南高北低、东高西低，地貌类型属于高差起伏不大的丘岗地貌。区内最高点仰山海拔标高92.50 m，最低处冶湖海拔标高23.40 m[3]。

图1 虎形山矿区区域地质简图Fig.1 Regional geological sketch of Huxingshan mining area

F1 断层导水性问题，特别是F1 断层是否沟通冶湖水体是虎形山矿区水文地质工作的重要内容之一，认为F1 断层导水性差，未沟通地表水体及断层穿过的各含水层[3]。本文在前人工作的基础上，从断层力学性质及围岩条件等方面对矿区断层的导水性影响因素进行理论探讨，利用钻孔抽水试验成果资料，对矿区F1断层的导水性进行分析和研究。本文是对矿区水文地质工作的进一步深化认识，对矿区后续专项水文地质工作具有指导作用，对其他地区同类型断层的导水性研究具有一定的参考价值。

2 矿区水文地质概况

2.1 地层构造

矿区出露地层有新生界第四系（Q）粘土（包括冲积层和坡积层），早古生界寒武系下统牛蹄塘组（∈1n）灰岩及白云质灰岩，新元古界青白口系冷家溪群雷神庙组（Qbl）和易家桥组（Qby）千枚岩、板岩[4]。钨多金属矿体赋存在F1 下盘寒武系下统牛蹄塘组（∈1n）灰岩及白云质灰岩中，矿体顶底板岩性为灰岩或白云质灰岩。

矿区褶皱构造不发育，总体表现为往南倾斜的单斜岩层。矿区断裂构造有东西向（走向）断层F1 与南北向（横向）断层F2、F3、F4、F5。其中F1属于压扭性断层，是矿区导矿与容矿构造[5]，对矿体无破坏作用；F2、F3、F4、F5 为张扭性断层，局部切割F1断层（图2）。

2.2 地表水系

矿区地表水系发育，冶湖是矿区内最大地表水体，分布面积约30 km2，旱季水位标高23.40 m，蓄水量1.41×109m3。矿区地表水分布特点是以矿区中部近南北向分布的地表分水岭（仰山—大庄岅）为边界将矿区分为东西两个径流区（图2）。东径流区地表水由南往北径流，沿溪沟排出区外。西径流区地表水由东往西径流，沿沟溪汇集于冶湖后再流入长江排出区外。

图2 虎形山矿区水文地质简图Fig.2 Hydrogeological diagram of Huxingshan mining area

2.3 地下水类型

虎形山矿床产于寒武系碳酸盐地层中，岩溶不发育，地下水类型有构造裂隙水和岩溶水。地下水静水位标高在23.40～55.78 m 之间，主要补给来源为大气降水及地表水的下渗。矿区地下水通常以泉（井）形式排泄，泉（井）多沿F2、F3、F4等南北向断层呈带状分布，泉（井）涌水量有随季节性变化的特点。在自然条件（矿床未开采的情况）下，矿区地下水排泄于冶湖。矿床开采后，当地下水位低于冶湖水位23.40 m 以下时，则冶湖水可通过第四系孔隙及寒武系牛塘组碳酸盐岩岩溶-裂隙等构造通道补给地下水。

2.4 含、隔水层

2.4.1含水层

矿区含水层按照含水岩(土)层空隙类型可分为第四系松散岩类孔隙含水岩组、浅部变质岩类风化裂隙含水岩组和碳酸盐岩类岩溶—裂隙含水岩组[3]，特征如下：

（1）松散岩类孔隙含水岩组：岩组由第四系冲、坡积成因的粘土、亚粘土组成，间夹少量石英、板岩风化碎块。厚度一般为0~10 m，局部可达30 m。含孔隙潜水，泉水出露数量少，其单个流量最大为0.10 L/s，民用水井较多，井深大多在10m以内，水位标高一般在25~35 m之间，根据民井提水试验及渗水试验，渗透系数为2.02~19.29 m/d，单位涌水量在0.02~0.10 L/m.s 之间，属于弱富水性含水岩组[6]。该含水层主要接受大气降水补给，也是矿床开采后深部含水层的重要补给来源之一。

（2）浅部变质岩类风化裂隙含水岩组：岩组由青白口系冷家溪群雷神庙组（Qbl）和易家桥组（Qby）千枚岩、板岩组成，分布于F1 断层上盘，呈近东西向展布，发育深度0~90 m 不等，岩石风化节理裂隙发育，多被钙质、泥质物充填，透水性弱。民用水井井深在8~15m 左右，民用水井水位标高一般在25~38 m 之间，根据民井提水试验及渗水试验，渗透系数为1.49~18.26 m/d，单位涌水量在0.01~0.10 L/m.s 之间，属于弱富水性含水岩组。该含水层补给来源主要为大气降水。

（3）碳酸盐岩类岩溶-裂隙含水岩组：岩组由寒武系牛蹄塘组（∈n）灰岩、白云质灰岩组成，中厚层状，分布于F1断层下盘，地表出露面积小，大部分被第四系粘土覆盖，浅部原岩裂隙较发育，裂隙多被方解石脉及碳泥质物充填胶结，岩溶不发育，据钻孔资料显示，仅有2 个钻孔见到溶洞（溶洞顶、底板深分别为68.83~71.02 m 、246.90~247.70 m）。在天然条件下，主要接受第四系松散岩类孔隙含水层的垂直或侧向补给。该含水岩组是矿区主要赋矿层位，也是主要含水层，据ZK5003 孔抽水试验资料，单位涌水量（q）为0.23 L/m.s，渗透系数（K）为0.31 m/d，属于中等富水性含水层。

2.4.2 隔水层

矿区隔水层主要为变质岩类隔水岩层，由青白口系冷家溪群雷神庙组和易家桥组板岩、千枚岩组成，分布于矿区F1 断层上盘，呈近东西向展布。据钻孔揭露，岩心完整，多为长柱状或短柱状，局部呈块状。岩石裂隙多数被硅质、泥质及钙质物充填胶结，致密而坚硬，渗透性很弱，单位涌水量（q）一般小于0.01 L/m.s，渗透系数（K）为0.01 m/d[3]。

2.5 水力联系

覆盖层与基岩之间的水力联系为覆盖层接受大气降水补给，直接与下部基岩含水层接触，中间无隔水岩层存在，二者水力联系密切。

基岩之间的水力联系为矿区内基岩地下水类型主要为浅部变质岩风化裂隙水及碳酸盐岩岩溶-裂隙水。矿区F1以南浅部风化裂隙水其埋深0~90 m，其下为中风化至微风化板岩、千枚岩，岩体完整，是矿区内较好的隔水岩层，碳酸盐岩岩溶-裂隙含水层位于该隔水岩层以下，不与上部浅部变质岩风化裂隙含水层直接接触，水力联系较差。F1 以北碳酸盐岩岩溶裂隙含水层埋藏较浅，局部出露地表，与浅部变质砂质板岩风化裂隙水在自然状态下存在一定水力联系。

3 断层导水性影响因素分析

影响断层导水性的主要因素之一是断层的力学性质，张性和张扭性断层的构造岩带疏松多隙，透水性强，压性及压扭性断层带紧闭，透水性弱[7]。当断层因受力条件改变致使断层性质变化，则其导水性也会发生变化，如断层先张后压，其导水性则由强变弱[8]。其次，断层两盘岩性条件也是影响断层导水性的另一重要因素，断层两盘若为可溶性岩石（如石灰岩）其导水性与富水性较强，若断层两盘为塑性岩层（如泥岩、页岩、凝灰岩），其破碎带裂隙率低，断裂面闭合，导水性和富水性弱[7]。

3.1 断层力学性质

矿区东西向断层F1，沿走向长度大于7 km，断层倾向南，倾角65°~80°[5]，上陡下缓，断层面沿走向呈舒缓波状发育（图3）。F1 属于压扭性断层，破碎宽度1.0~30 m 不等，岩石受挤压而破碎，局部见有糜棱岩，大多被后期硅质、方解石、铁质及泥质物胶结，普遍硅化而致密，含水性与导水性较差，属于隔水性质断层。

图3 虎形山矿区纵向水文地质剖面示意图Fig.3 Schematic diagram of longitudinal hydrogeological profile of Huxingshan mining area

矿区南北向断层有F2、F3、F4、F5 等，属于横向断层，走向近南北，走向长度一般在1 km以内，倾向东，倾角较陡，一般大于50°。该组断层属于张扭性断裂，与F1近于垂直，切错F1断层及矿区含水层，错距10~60 m 不等。据ZK5002 钻孔所揭露的F2 断层，破碎带宽度1~3 m，岩石破碎，胶结性较差，见有溶蚀小孔及地下水活动迹象。此外，地表沿F4 断层有多个泉水点出露，单个泉水流量约0.10 L/s。该组断层导水性较好，且穿切了矿区主要含水层，将成为矿床开采后矿井充水的重要通道。

3.2 断层两盘岩性条件

断层两盘岩性条件对断层导水性的影响主要表现为：当断层两侧都是坚硬脆性岩层时，断层带的破碎程度和导水性就会相对大些；当断层一侧为坚硬岩层，另一侧为较软弱岩层时，则断层带的充填程度比较好，导水性相对较弱；当断层带两侧均为较软的岩层，则断层带的充填程度更好，其导水性更弱，甚至不导水[9]。矿区F1 断层上盘为千枚岩、板岩，下盘为灰岩、白云质灰岩（图4），断层充填程度较好，导水性较差。F2、F3、F4、F5 等横向断层，当断层穿越寒武系牛蹄塘组（∈n）地层时，断层两盘均为灰岩及白云质灰岩，既是脆性岩层又是可溶性岩石，破碎带充填松散，导水性较好；当断层发育在青白口系冷家溪群雷神庙组（Qbl）和易家桥组（Qby）千枚岩、板岩地层时，断层破碎带充填相对较为密实，导水性变弱。

图4 虎形山矿区纵向水文地质剖面示意图Fig.4 Schematic diagram of longitudinal hydrogeological profile of Huxingshan mining area

baikou belongs to the Lei Temple Group of Lengjiaxi Group; 4-Qingbaikou is the Yijiaqiao Formation of Lengjiaxi Group; 5-clay; 6-slate; 7-limestone; 8-The geological boundary; 9-Tensional normal fault; 10-Compressional thrust fault; 11-Such as water level; 12-Medium water-rich aquifer; 13-Weak water-rich aquifer; 14-Water-resisting layer; 15-Pumping drilling; 16-Water injection hole or observation hole; 17-Geological drilling; 18-Profile end number;19-Section bearing;20-Elevation height

4 断层导水性试验

为了解F1 断层构造的导水性以及与冶湖水的沟通情况，选择矿区ZK5002、ZK5003、ZK301三个抽水孔实验（表1）资料进行分析研究，其中ZK5002号孔布设在距离冶湖较近处的F1上盘且与F2 的交会部位，ZK5003 号孔布设在距离冶湖较近处的F1 下盘，ZK301 布设在矿区中部的F1上盘（图2）。

从表1可知，ZK5002、ZK5003、ZK30三个钻孔均揭穿了寒武系牛蹄塘组（∈n）碳酸盐岩类岩溶-裂隙含水岩组，其中ZK5002和ZK301揭穿了断层F1，但ZK5002、ZK301的单位涌水量均小于ZK5003，说明F1不是导水断层，未沟通其他含水层，也未沟通冶湖水体。从图4可知，F1断层导水性较差。

表1 虎形山矿区钻孔抽水试验成果资料统计Table 1 Statistics of borehole pumping test results in Huxingshan mining area

5 结论

虎形山矿床赋存于寒武系灰岩地层中，矿区岩溶不发育，浅表岩层风化裂隙较发育，地下水类型以构造裂隙水为主，其次是岩溶水。

矿区发育有走向和横向两组断层。走向断层F1，属于压扭性断裂，富水性与导水性较差，为隔水性质断层，F1断层未沟通冶湖水及其他含水层。横向断层F2、F3、F4、F5 等属于张性断裂，含水性较好，该组断层切穿了F1断层及断层上下盘的含水层，使得矿区含水层局部范围有了一定的水力联系，横向断层将成为未来开采矿井的重要充水通道。

矿床开采后，当采坑在地下水位以上时，大气降雨通过第四系孔隙及导水断裂直接进入矿坑；当采坑在地下水位以下时，冶湖水体将成为矿床的重要冲水因素之一，虽然矿区断层未直接沟通西侧冶湖水体，但冶湖水可以通过矿层顶板、横向断层构造、赋矿层北侧岩层裂隙等多种导水通道间接地渗漏补给进入矿坑。