某水泥用石灰石矿水文地质条件与岩溶发育特征分析

许金良,孔 辉,谭 稳,王绍求

(湖南省国土空间调查监测,长沙 410000)

1 矿区含(隔)水层特征

某水泥用石灰石矿区内出露地层由老至新为冷家溪群、震旦系、寒武系、奥陶系、志留系,含(隔)水层特征如下：

1.1 含水层特征

根据区内地层岩性及水文地质特征,地下水可分为松散岩类孔隙水与碳酸岩盐岩溶裂隙水两类。

1.1.1 松散岩类孔隙水

第四系松散岩层孔隙水富含水层分布于矿区南北两侧沟谷内及山体缓坡、坡脚等低洼地段,上部为粉砂质黏土夹岩石碎块,下部为粉砂质黏土,局部夹有薄层砂砾层。总层厚0～19.30 m,含弱孔隙潜水。地表调查表明,该层水位埋深0.00～11.00 m,水位标高45.80～85.30 m。据以往工作资料显示,矿区附近民井涌水量为0.50～0.90 m3/d,渗透系数2.224～23.01 m/d,直接接受大气降水补给。水化学类型为HCO3-Ca.Mg型及HCO3-Ca型,矿化度0.335～0.916 g/L,pH值6.0～8.0。

1.1.2 碳酸盐岩岩溶裂隙水

奥陶系中统宝塔组上段弱～中等岩溶裂隙含水层(O2b2)分布于矿区西部,覆盖于向斜核部之上,主要岩性为灰岩夹钙质泥岩、薄层瘤状灰岩,层厚48.10 m。地表岩溶及风化裂隙较为发育,岩石出露形态呈厚层状、石牙状,裂隙发育程度受地质构造(F1、F3、F10)控制。根据地表调查及以往工作资料显示,沟谷地段可见泉水出露,一般流量为0.039～1.0 L/s。该层为弱～中等岩溶裂隙含水层。

奥陶系下统大湾组弱岩溶裂隙含水层(O1d),呈条带状分布于矿区以西,上部为灰色中-厚层状灰岩、含泥质瘤状灰岩,地表多为陡坡地形,接受大气降水补给条件较差。岩石出露形态以厚层状为主,少量呈石牙状,岩溶发育较弱。风化裂隙较为发育,地表未见出露泉井。经已完工的钻孔抽水试验得知,单位涌水量0.003～0.348 L/s·m,渗透系数为0.007～0.333 m/d。富水性较弱-中等,属以溶蚀裂隙为主的弱-中等含水层。下部为泥质瘤状灰岩夹黄绿色板岩,岩层泥质成分高,含(透)水性弱,可视为相对隔水层。该组地层富水性较弱,为弱-中等岩溶裂隙含水层。

奥陶系下统红花园组岩中等岩溶裂隙含水层(O1h)分布于矿物西北部,主要岩性为灰色中-厚层状灰岩,层厚251.70 m。地表岩溶及裂隙发育,岩石出露形态多呈石笋状、石牙状及箱状,出露泉水流量为0.45～1.58 L/s。据矿区钻孔资料显示,单位涌水量0.003～0.014 L/s·m,渗透系数为0.008～0.170 m/d。该层在垂深约150 m以上岩溶发育,以下岩溶发育程度逐渐减弱,为富水性、导水性均为中等的岩溶裂隙含水层。

奥陶系下统桐梓组弱岩溶裂隙含水层(O1t)分布于矿区中部,主要岩性为灰色中-厚层状白云质灰岩夹灰岩,层厚234.30 m。近地表节理裂隙发育,随深度增加而逐渐减弱,偶见少量裂隙有渗水现象,岩溶不发育。经已完工的钻孔抽水试验得知,单位涌水量0.004 L/s·m,渗透系数为0.01 m/d。为富水性弱的岩溶裂隙含水层。

寒武系上统娄山关组中等岩溶裂隙含水层(∈3l)分布于矿区中东部,主要岩性为灰色块状灰质白云岩、白云岩,夹角砾状白云岩,层厚640.40 m。地表岩溶发育,出露形态多呈石笋状、漏斗状裸露,出露泉水流量为0.1～1.24 L/s。目前在该层中已完工了11个钻孔,据钻孔揭露情况,除GCK03孔岩溶不发育外,其他10个钻孔均有不同程度溶蚀现象,单孔统计,最小线岩溶率为5.91%,最大线岩溶率为89.29%,平均线岩溶率为29%。此外,GCK01、GCK02、SGK04三个钻孔均揭露有溶洞,均为小型多层溶洞,一般洞高2.00～5.00 m,最大溶洞高7.40 m(GCK01孔),一般为无～半充填型,少量为全充填型,充填物为泥、砂。经已完工的钻孔抽水试验得知,钻孔涌水量0.153～1.091 L/s,单位涌水量0.011～0.150 L/s·m,渗透系数0.028～2.151 m/d。该组地层富水性较强,为富水性、导水性均为中等的岩溶裂隙含水层[1]。

1.2 隔水层特征

奥陶系中统宝塔组下段(O2b1)分布于矿区西部,主要岩性为页岩,层厚9 m,属不透水岩层,隔水性能好。

奥陶系中统牯牛潭组(O2g)呈条带状分布于西南部,出露岩性为紫红色泥质瘤状灰岩,层厚15.50 m。岩石泥质成分高,结构致密,空隙小,连通性差,透水性弱,为相对隔水层。

寒武系下统石牌组(∈1s)分布于矿区东北角,上部为灰色中层状泥质条带灰岩夹钙质板岩,中部为粉砂岩,粉砂质板岩与板岩,下部为钙质板岩夹泥晶白云岩与灰岩,层厚71.10 m。岩层泥质成分高,结构致密,含(透)水性弱,可视为相对隔水层。

隔水岩脉(δ)分布于矿区西部,主要岩性为闪长岩,岩石裂隙不发育,结构致密,空隙小,含(透)水性弱,为隔水层。

1.3 各含水层之间的水力联系

覆盖层与基岩之间的水力联系。矿区范围内地表覆盖层主要由第四系坡残积、冲洪积成因的粉砂质黏土、砂砾层组成,厚度为0.5～19.30 m,属可塑-硬塑的中等压缩性土。渗透系数2.224～23.01 m/d,属于中等含(透)水性地层。矿区接受大气降雨补给,直接与下部基岩含水层接触,中间无隔水岩层存在,地表水通过节理裂隙及溶洞、溶蚀裂隙垂直下渗补给基岩含水层,水力联系密切。

基岩之间的水力联系。矿区内基岩地下水主要为碳酸盐岩溶洞水、岩溶裂隙水,为矿坑充水重要来源之一。各含水岩层之间无连续隔水岩层,节理裂隙发育,岩溶中等发育,水力联系密切。F7断裂位于矿区中部,横切矿区,断面平滑,泥质充填。采坑内沿断层面未见渗水现象,地球物理勘探显示为连续高阻体,为相对隔水断裂。受F7断裂阻水影响,矿区分为东西两个独立含水体,相互水力联系不密切。

2 地下水补、径、排条件及地态特征

2.1 水文地质单元划分

依据区域地层岩性及地形地貌条件分析,矿区南北两侧以寒武系石牌组砂页岩相对隔水层为界,东面以志留系新滩组板岩为界,西面以白泥湖为界,所形成封闭狭长型水文地质单元为中部。

根据工作区地形地貌可分为东西两个地表水径流带,以此采场地表分水岭为界。地表水一部分通过土壤孔隙或基岩的节理裂隙下渗补给地下水;一部分顺坡径流,向南北两侧溶蚀冲沟汇集,通过沟渠、冲沟等向东西两侧径流。西径流带分散排泄于低洼沟谷,向白泥湖方向径流。最低侵蚀基准面位于矿区西南侧两溪沟汇集处,海拔标高50.44 m。东径流带分散排泄于矿区北东部一带,向某河方向径流。最低侵蚀基准面海拔标高56.20 m[2]。

2.2 地下水补给、径流、排泄条件及动态特征

根据水工环地质调查,区内地下水补给来源为以下两个方面：①大气降水。地下水的直接补给源,大气降雨后通过土壤孔隙或基岩的节理裂隙下渗补给地下水,为区内地下水的主要补给来源。②老采坑积水及水塘等地表水体。通过基岩节理裂隙渗漏补给地下水,是矿区地下水的补给源之一。

根据工作区地层岩性及断裂构造富水性特征可分为东西两个地下水径流带,以阻水断裂F7为界。

天然状态下,地下水通过基岩节理裂隙及溶洞、溶隙向东西两侧径流。西径流带在径流过程中以泉水的形式分散排泄于地表,流量约9.0 L/s。东径流带在径流过程中集中排泄于烂泥畈15、35、105号泉水,流量约15.0 L/s。

目前矿山正在进行凹陷式开采,对地下水补给矿坑水。受矿坑排水疏干影响,地下运动方向发生变化,地下水向矿坑运动。目前矿区东西两端大部分泉水均已被疏干,形成了3个降落漏斗。

矿山最低开采标高-20 m,随着开采深度加大,降落漏斗将会继续向四周推移。受长时间疏干排水影响,由于采场之间保留矿柱及地下水位下降,导致采场降落漏斗消失,最终形成两个降落漏斗[3]。

3 区内岩溶发育特征

3.1 岩溶发育地球物理特征

采用瞬变电磁法测量、高密度电阻率法测量、天然电场选频法进行地球物理勘探。三种方法异常总体规律一致,从浅到深,浅部低阻特征明显,深部高阻特征明显,中部异常杂乱;由南往北,南部异常低阻居多,北部高阻居多,反映了南部地层破碎,岩溶相对发育。细节方面每种异常特征各不同,天然电场选频法反映低阻可能与地层含水性有关,但选频法受矿区施工影响,部分异常形态存在突变,在成果分析中仅作为参考,对于局部无干扰区岩溶探测具有重要意义。高密度电法与瞬变电磁法两种方法在异常重现性方面较好,但高密度受点距过稀影响,难以反映局部岩溶,在岩溶发育规律总体分析上具有较好效果。瞬变电磁法揭示低阻受影响较小,能够反映观测点下方的局部岩溶,故瞬变电磁法成果在岩溶分布及层位划分方面能够发挥重要作用(见图1)。

依据物探异常反映结合钻探揭露情况分析,岩溶以充水、充泥为主,大部分位于潜水面以下,岩溶异常特征表现为低阻特征,断面图上400 Ω以下的封闭或半封闭低阻异常、同向扭曲及发育在高阻体内的低阻体为解译岩溶发育的标志。共解译岩溶发育点197处,圈定岩溶发育集中区5处(见图2)。

依据岩溶发育集中区平面展布特征将岩溶整体划分为3个区：

1)在矿区西南部,圈定岩溶集中发育区2处,编号为Y1、Y2,总体长250 m,宽145 m,规模较小,区内共解译岩溶发育点23处;依据岩溶分级标准将评定为岩溶中等发育区。

2)在矿区中部,F7以西,圈定岩溶集中发育区1处,编号为Y3,总体长160 m,宽80 m,区内共解译岩溶发育点10处;依据岩溶分级标准将该区评定为岩溶中等发育区。

3)F7以东,矿山南部至铁路干线间,圈定岩溶集中发育区2处,编号为Y4、Y5,总体长度1500 m,宽度400 m,规模较大,区内共解译岩溶发育点158处。高密度电法低阻更为突出,瞬变电磁法低阻尤为复杂,地表局部见岩溶塌陷,多个钻孔均见多层岩溶,最多达5层,单层溶洞最高达6.7 m,是潜在岩溶地面塌陷风险区。

依据岩溶垂向分布特征分析,视电阻率断面显示浅部低阻体较为稳定,推断为第四系,浅部局部存在同向扭曲分析为塌陷及潜在塌陷,断面标高60 m～-20 m低阻体出现频率明显增多,推断该层为岩溶相对发育层,视电阻率由-20 m往深部逐渐增大,岩溶发育变弱。结合全区岩溶发育数据分析,岩溶发育最大标高69.345 m,最低标高-43.436 m,平均发育标高36.49 m,标高20～60 m占全区65%以上,表明标高20～60 m是全区岩溶发育的主要深度[4]。

3.2 岩溶发育空间分布特征

矿区内主要岩性以碳酸盐岩为主,仅局部岩层出露有页岩夹层且不连续。具有碳酸盐岩厚度大、质纯,多为钙镁质,性状坚硬而脆等特征。在地应力的作用下极易产生变形及破碎,给地下水的侵蚀及溶解创造了有利条件。根据矿区69个钻孔揭露情况分析,寒武系娄山关组(∈3l)灰色块状灰质白云岩、白云岩,夹角砾状白云岩岩溶发育。统计该区域38个钻孔揭露情况,其中17个钻孔揭露溶洞,钻孔见洞率45%;溶洞大小多为1～3 m,最大7.40 m,单孔线岩溶率6.35～89.29%。奥陶系下统红花园组(O1h)灰色中-厚层状灰岩岩溶发育。统计该区域23个钻孔揭露情况,其中9个钻孔揭露溶洞,钻孔见洞率39%;溶洞大小多为1～3 m。

从垂向分布来看,多分布于0 m标高以上。根据区域资料可知,区内岩溶发育下限-100 m。

3.3 溶洞充填特征

工作区溶蚀孔洞充填情况大致可分为全充填型、半充填型、空洞三种类型。溶孔多被黏土充填,胶结致密;部分未充填,呈蜂窝状。本次施工23个钻孔共揭露溶洞22个,其中全充填型溶洞1个,占比4.5%,充填物为粉砂质黏土;半充填型溶洞12个,占比54.5%,充填物为粉砂质黏土或细砂;空洞9个,占比40.9%。

4 结论

综合分析某水泥用石灰石矿水文地质条件及岩溶发育特征,得出结论如下：此水泥用石灰石矿为岩溶裂隙型直接充水矿山,水文地质条件为中等类型。矿山岩层富水性较弱,浅部岩溶发育,与地表水联系密切,岩溶发育下限(-100 m)以下近似为隔水层。岩溶发育区域分区分带明显,与岩性、向斜轴部关系密切。