甘肃陇南姚寨沟地区浅循环地下水水文地质特征研究

槐永波,叶胜华,贺模红,赵其苏,熊俊松

(四川省地质环境调查研究中心,四川 成都 610081)

0 前言

姚寨沟位于甘肃省陇南市武都区以南姚寨沟流域,气候上属北亚热湿润向暖温半湿润的过渡带,多年平均降水量487.2 mm,区内浅循环地下水受地形地貌、地层岩性及地质构造与地下水赋存空间严格控制,主要以碳酸盐岩溶裂隙水和断层脉状水为主。本文通过前人研究成果[1-2],结合实际野外调查和水质测试分析,对区内典型泉点水文地质特征进行了调查研究,区内地质构造对水文地质特征的控制比较明显,对地下水的空间分布、形成和运移起着关键性的作用,特别是断层在区内形成含水层和隔水层分界,其下盘中厚层灰岩溶蚀裂隙发育,在构造控制下,为地下水补给、运移、储存提供了较好的条件。通过对区内典型碳酸盐岩溶裂隙水和断层带脉状水水文地质特征的研究,为该地区地下水的合理开发利用和相关研究提供重要理论依据。

1 研究区区域地质特征

1.1 地形地貌

地形地貌是地层岩性、地质构造及地表水文网演变,特别是新构造运动特征的综合反映,受汇水地貌形态等条件控制,地下水的补给、径流、排泄及富集特征也不同[3-4]。研究区在地貌单元上处于西秦岭西段侵蚀—剥蚀构造山地,受区域构造控制的山体总走向是东西向,总地势为西北高,东南低,主要地貌类型为侵蚀、剥蚀构造中高山地貌。受西秦岭构造影响,山势陡峭,山体走向NE-SW,高差一般500～1 500 m,坡度在30°～50°。北侧山体主要由志留系千枚岩及中上更新统黄土构成,海拔1 000～2 500 m;南侧山体岩性主要为石炭系灰岩,海拔2 000～3 000 m,山顶呈锥状或脊状,地势陡峻。地下水分布与富集受微地貌影响较大,沿沟谷出露泉点较多。

1.2 地层岩性

研究区出露地层主要为二迭系、石炭系和志留系。其中,石炭系分布于武都千坝牧场一带,岩性为灰白色中厚层灰岩、砾状灰岩夹泥板岩,含水性较强。石炭系分布于白龙江西南部山区,地层较发育,下、中、上三统俱全,岩性主要为中厚层块状灰岩夹板岩等,灰岩节理裂隙发育,岩层面有不规则溶洞,如汉王万象洞等[5]。志留系为区内最老地层,分布于白龙江两岸一带,岩性主要为千枚岩、板岩、砂岩夹薄、中厚层灰岩等,在研究区与中上石炭统、下石炭统呈断层接触,下伏于黄土之下,被切割出露于沟谷两侧,岩层褶皱较多,小断层发育,岩石坚硬地段形成跌水陡坎。

1.3 地质构造

研究区在大地构造上属于处于西秦岭纬向构造带和武都“山”字型构造体系的复合部位,次级构造复杂多变,由一系列向南突出的弧形断裂和复合式背斜组成。主要断裂带为武都断裂带(F1)、白龙江断裂带(F5)、牛舍山北断裂带F2(三条平行断裂组成,F2-1、F2-2、F2-3)、牛舍山—华里山北断裂带(F3)、黄鹿坝—青岩山断裂带(F4)、马槽湾—殿沟里断裂带(F6)组成(图1)。

图1 研究区地质构造图示意图[1]

F1断层长数十公里,西接白龙江断裂带(F5),在武都南形成南凸弧形,并受一系列与其垂直的张性或张扭性断裂的往返错移。断层面北倾,断层面倾角为50°～60°左右,为一逆断层,挤压现象极其强烈,其东端被东西向断裂所切截。沿断裂带有许多大泉出露,流量普遍较大,构造运动对区内地下水起到控制性作用[6]。

1.4 构造裂隙发育状况

研究区裂隙构造比较发育,但是缺乏系统的测量和研究,因而对区域性裂隙构造规律未全部搞清楚。本次研究工作对区内裂隙构造进行了野外实测,裂隙按走向大致分为二组,第一组裂隙主要走向为北西—东南向(近北西向),第二组裂隙发育方向为北东—南西向(近北东向)(见图2)。

图2 节理裂隙走向-倾向玫瑰图

根据区内实际调查分析结果,区域构造裂隙发育的方向性控制了区内沟谷发育的方向,同时为地下水形成提供了补给通道和储存空间。

2 浅循环地下水水文地质特征

研究区浅循环地下水以碳酸盐岩溶裂隙水和断层脉状水为主,沿不同地貌类型和构造带发育不同类型的泉点,泉流量普遍较大。

2.1 碳酸盐岩岩溶裂隙水水文地质特征

碳酸盐岩溶裂隙水呈北西条带状分布在西南部。含水岩层主要为二迭系(P1)、石炭系中上统(C2+3)、石炭系下统(C1)中厚层灰岩、白云质灰岩。在地貌上除武都千坝牧场位于岩溶夷平面上,其余皆为峰丛高山地形,构造上位于武都山字型构造前弧及前弧两翼。

该类型地下水主要通过岩溶洼地、漏斗、落水洞、溶洞及溶蚀裂隙等接受降雨补给,在河(沟)谷地段还接受地表水及河(沟)谷潜水的补给,在夷平面和峰丛山地中径流,通过溶洞、溶蚀裂隙在河(沟)谷、山坡、悬崖、断裂带、地层接触带以泉、局部以地下河的形式排泄。

当地形相关函数f(x)在区间[-b,b]内具有偶对称性质时,古特曼(1976)已给出上述方程组解析解的一般表达式,我们将在第2节给出两个具体的例子。考虑到真实的地形是复杂多样的,将其结果推广到更一般的情况。

2.1.1 汉王万象神泉

万象神泉位于汉王镇,该泉所在区域处于构造上升区,在侵蚀基准面以上,溶洞发育在不同高度上,具有多层性,区内万象洞发育于下石炭统(C1)灰岩中,洞口标高1 100 m,高出白龙江120余m。

该泉通过千坝牧场岩溶洼地、漏斗及溶蚀裂隙接受降雨补给,泉流量较大,受F1压性阻水断裂和地貌控制,断裂上盘为志留系中上统白龙江群(S2+3bl1)千枚岩夹板岩,为隔水层,下盘为下石炭统(C1)灰岩,为含水层,较富水,该泉受F1压性断裂所阻,岩溶裂隙水沿断裂带南侧富集,在断裂带处涌出(图3)。

图3 汉王万象神泉地质示意图

根据现场调查,泉水流量112 L/s,水温9.5℃,泉水较清澈,受降雨补给影响较小,径流途径较长,流量稳定,水质较好,该泉点为自来水厂引用水源。

2.1.2 柳沟坝神水泉

柳沟坝神水泉位于姚寨沟风景区柳沟坝,该泉通过溶蚀裂隙接受降雨补给,发育于东西张性裂隙中,在下石炭统(C1)灰岩中涌出(图4)。

图4 柳沟坝神水泉地质示意图

2.2 断裂带脉状水水文地质特征

研究区经历多次构造运动,是多个构造体系的复合部位,断裂平行排列、纵横交接、形式繁多,颇为发育。其中部分断裂对地下水的赋存、富集创造了条件,地质构造与区内地下水分布有着密切联系[7]。

根据区内断裂性质和调查情况,上黄里下降泉处于F2-2断裂和F3断裂交汇处,F2-2断裂为张性断裂,F2-2上盘为中上石炭统(C2+3)中厚层灰岩,下盘为下石炭统(C1)中厚层灰岩,有利于地下水富集。F3断裂为压性断裂,上盘为下石炭统(C1)中厚层灰岩,下盘为二迭系下统(P1)中厚层灰岩,两盘均有利用地下水富集。

调查分析认为,上黄里下降泉位于武都山字型前弧入字型构造的主、支断裂的交叉点,由于张、剪应力较集中,有利于岩溶裂隙水的富集,泉流量较大(图5)。现场调查,泉水流量13 L/s,水温9.5℃,泉水较清澈,该泉点于半山腰裂隙中涌出,水质较好。

图5 上黄里下降泉地质示意图

3 浅循环地下水水化学特征

为了解区内碳酸盐岩溶裂隙水和断层脉状水地下水水质特征,分别在上黄里下降泉(Q01)、柳沟坝神水泉(Q02)、万象神泉(Q03)和姚寨沟沟道地表水(B01)取水样4组进行水质分析(表1)。

表1 地下水和地表水水样水化学指标统计

根据4组水样简分析,钙离子和重碳酸根离子含量偏高,相对其余五大离子含量普遍偏低。Piper三线图能直观地反映出地下水中主要阴阳离子及其水化学特征和地下化学类型[8-12],通过水样的Piper图可以看出(图6),地下水和地表水有相似的分布特征,水中阴离子和阳离子分布较为集中,各水样的化学类型差异不大,其主要的阳离子是Ca2+,主要阴离子是HCO3-,主要来源于碳酸盐岩等可溶岩的矿物溶解,溶解含量与溶蚀作用强度密切相关。通过毫克当量百分比计算,4组水样地下水水化学类型均为HCO3-Ca型水,表明水化学类型较为一致。

图6 浅循环地下水水样水化学类型Piper三线图

应用Schoeller图[13]可以研究处于不同地点的水样的水化学变化,许多水样的组分浓度可以连成一条曲线,同稀释水混合的效果具有垂向移动曲线而不会改变其形状的特点,本次4组水水样点在Schoeller图中,交错连成线,从这些点可以看出,各曲线形状变化趋势大致不变,说明区内调查的地下水和沟道地表水具有同一补给来源,与Piper图的结果一致,总体上反应了调查区内地下水就近补给,径流途径较短,循环深度较浅的特征(图7)。

图7 浅循环地下水水样水化学类型Schoeller图

4 结语

通过野外调查和室内综合分析,研究区地下水类型主要为碳酸盐岩溶裂隙水和断层带脉状水,受地形地貌、地层岩性及地质构造与地下水赋存空间严格控制,地质构造对水文地质特征的控制比较明显,对地下水的空间分布、形成和运移起着关键性的作用,特别是区内断层形成含水层和隔水层分界,其下盘中厚层灰岩溶蚀裂隙发育,在构造控制下,为地下水补给、运移、储存提供了较好的条件,同时受到上盘岩层阻水作用,地下水被挡在透水层一侧富集形成断层阻水式储水构造,形成多处泉点。区内地下水水化学类型为HCO3-Ca型水,补给来源主要为大气降水,径流途径较短,循环深度较浅的特征,通过查明区内典型碳酸盐岩溶裂隙水和断层带脉状水水文地质特征,为该地区地下水的合理开发利用和相关研究提供重要理论依据。