周 樂, 劉元晴, 李 偉, 朱慶俊, 王新峰

(中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，保定 071051)

萊蕪盆地構(gòu)造位置位于魯西隆起之新甫山—萊蕪單斜斷拱北部，盆地的周邊及基底為太古代形成的變質(zhì)的花崗巖類,盆地呈南升北陷格局,形成寒武系奧陶系灰?guī)r組成的單斜構(gòu)造，盆地中心沉積了巨厚的古近系湖相砂頁巖、礫巖及泥灰?guī)r地層[1-2]。前人從盆地沉積和古構(gòu)造方面，利用平衡剖面技術(shù)、應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬和物理模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)魯西地區(qū)中新生代構(gòu)造演化進(jìn)行了研究[3-4],而涉及到萊蕪盆地構(gòu)造演化特征方面研究工作較少，尚未有該地區(qū)構(gòu)造演化與水文地質(zhì)特征關(guān)系的論述?，F(xiàn)在中國地質(zhì)調(diào)查局開展的萊蕪市幅、范鎮(zhèn)幅1∶5萬水文地質(zhì)調(diào)查工作基礎(chǔ)上結(jié)合前人區(qū)域地質(zhì)調(diào)查工作，通過野外實(shí)地勘測(cè)、資料分析，對(duì)盆地構(gòu)造演化、含水巖組分布成因、盆地巖溶水系統(tǒng)發(fā)育特征進(jìn)行研究。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

1.1 主要構(gòu)造形跡

山東省中新生代盆地的發(fā)育，具有長期性和多旋回性[5]。萊蕪盆地成生于早侏羅世，為中生代和新生代兩期沉積盆地的疊合。主要構(gòu)造形跡有控制著盆地內(nèi)部地層發(fā)育和沉積的北部邊界斷裂泰安-口鎮(zhèn)斷裂(內(nèi)弧)；構(gòu)成盆地東部邊界的大王莊-銅冶店斷裂(外弧)；控制盆地內(nèi)部古近系地層沉積的近東西向石門官莊-沙王莊斷層；核部為燕山期閃長巖體、兩翼分布有馬家溝群厚層灰?guī)r的礦山背斜以及近東西向展布的八里溝向斜(圖1)。

圖1 萊蕪盆地構(gòu)造綱要圖[1]

1.2 含水巖組類型

野外調(diào)查結(jié)果顯示，區(qū)內(nèi)含水巖組類型包括超覆在盆地邊緣太古界變質(zhì)巖體之上的寒武系碳酸鹽巖夾碎屑巖裂隙溶洞含水亞組；近東西向主要分布在盆地南端的奧陶系碳酸鹽巖裂隙溶洞含水亞組；盆地內(nèi)部廣泛分布的中新生代碎屑巖孔隙裂隙含水巖組及第四系松散巖類含水巖組四大類。

2 構(gòu)造演化

2.1 平衡剖面原理

最早由Dahlstrom[6]詳細(xì)論述的平衡剖面的概念，已被中外地質(zhì)學(xué)家和勘探學(xué)家廣泛應(yīng)用于構(gòu)造地質(zhì)、石油地質(zhì)與勘探、煤田地質(zhì)與勘探以及盆地模擬應(yīng)用方面。早期大多被應(yīng)用于擠壓構(gòu)造變形定量研究及在此基礎(chǔ)上進(jìn)行的構(gòu)造復(fù)原實(shí)踐中，如阿巴拉契亞山脈，安第斯山脈、阿爾卑斯山脈等造山帶構(gòu)造研究中[7]。近年來，隨著技術(shù)的不斷完善，平衡剖面也開始廣泛應(yīng)用于伸展區(qū)域的構(gòu)造分析中和盆地模擬上。平衡剖面是指可以把剖面上的變形構(gòu)造通過幾何學(xué)原則全部復(fù)原成合理的未變形狀態(tài)的剖面[8]。根據(jù)地殼變形規(guī)律和物質(zhì)守恒定律，可以推導(dǎo)出體積守恒、面積守恒和層長守恒等一系列平衡剖面恢復(fù)的幾何法則，其具體基本原理認(rèn)為：如果變形前后物質(zhì)的體積保持不變，則在垂直構(gòu)造走向剖面上體現(xiàn)為“面積不變”；如果變形前后巖層厚度保持不變，則轉(zhuǎn)化為“層長不變[3]。因此，平衡剖面方法可以認(rèn)定為遵循地層層長或面積在幾何學(xué)上守恒的原則，將已變形的剖面恢復(fù)到未變形前的狀態(tài)；或根據(jù)變形原理，從未變形的地層剖面得到變形剖面的方法。目前平衡剖面技術(shù)已成熟應(yīng)用在濟(jì)陽坳陷莊海地區(qū)、臨清坳陷東部盆地區(qū)[9-10]。魯西地區(qū)(尤其是魯西南盆地群)與濟(jì)陽、臨清坳陷古近紀(jì)時(shí)處于相同的大陸動(dòng)力學(xué)環(huán)境。由于它們之間在原型盆地類型、展布規(guī)律、構(gòu)造形態(tài)、沉積充填以及發(fā)育過程等存在著一定的相似性和密切聯(lián)系[11]。因此，平衡剖面技術(shù)可為魯西地區(qū)萊蕪盆地構(gòu)造演化恢復(fù)及盆地分析提供應(yīng)用可行。

在平衡剖面恢復(fù)的過程中，剖面的選取是關(guān)鍵因素，應(yīng)遵循如下原則：①剖面線盡量垂直于構(gòu)造帶走向；②能夠較好地反映盆地中、新生代演化；③剖面盡可能穿過研究區(qū)各主要構(gòu)造單元，便于整體、系統(tǒng)的研究各構(gòu)造單元演化分析[10]?；谝陨显瓌t，對(duì)于萊蕪盆地，選擇切過泰安-口鎮(zhèn)斷裂、大王莊-銅冶店斷裂、石門官莊-沙王莊斷裂、礦山背斜及八里溝向斜，走向10°Ⅰ-Ⅰ’剖面(具體位置見圖1)進(jìn)行回剝。

2.2 斷層活動(dòng)特征

構(gòu)造表明，魯西地區(qū)北西向斷裂雖然短暫具有壓扭性活動(dòng)的標(biāo)志，如萊蕪盆地大王莊-銅冶店斷裂破碎帶內(nèi)斷層泥的存在[12]，但后期構(gòu)造反轉(zhuǎn)而表現(xiàn)為張性特征。結(jié)合魯西地區(qū)晚中生代以來伸展構(gòu)造背景[4]，在考慮到晚白堊世應(yīng)力反轉(zhuǎn)情況下，據(jù)伸展率計(jì)算公式：e=(l2-l1)/l1,(l1,l2分別為Ⅰ時(shí)期沉積前、Ⅱ時(shí)期沉積前兩個(gè)平衡剖面的長度，e為Ⅱ時(shí)期的伸展率)，分別計(jì)算了C～P、J3～K1、K2和E-現(xiàn)今各地質(zhì)時(shí)期的伸展率，見表1。

圖2 萊蕪盆地構(gòu)造演化剖面圖

由表1可知，除晚白堊世，研究區(qū)經(jīng)歷短暫的側(cè)向壓縮外，均處在伸展應(yīng)力背景下，且古近系伸展量最大，晚中生代次之。反映了研究區(qū)于晚中生代開始伸展，且逐漸增強(qiáng)，至古近系，魯西隆起遭受強(qiáng)烈伸展，構(gòu)造活動(dòng)最強(qiáng)；結(jié)合萊蕪盆地內(nèi)部新近系山旺組黏土巖、泥灰?guī)r零星分布，說明新近紀(jì)以來魯西隆起構(gòu)造活動(dòng)減弱。

對(duì)于研究區(qū)主要斷裂活動(dòng)特征研究，筆者根據(jù)活動(dòng)速率計(jì)算加以分析。在沉積補(bǔ)償前提下，不考慮沉積壓實(shí)作用，斷層兩盤同一巖層厚度落差Δh可以用來表征斷裂活動(dòng)造成的構(gòu)造沉降。落差與地層沉積年代跨度比值，即為斷層活動(dòng)速率Vf(理想狀態(tài)下，斷裂勻速活動(dòng))。利用構(gòu)造演化剖面，計(jì)算出大王莊-銅冶店斷裂、泰安-口鎮(zhèn)斷裂和石門官莊-沙王莊斷裂各時(shí)期活動(dòng)速率(表2)。由表2可知，晚中生代以來斷裂活動(dòng)逐漸增強(qiáng)；大王莊-銅冶店斷裂與泰安-口鎮(zhèn)斷裂、石門官莊-沙王莊斷裂一并于古近紀(jì)出現(xiàn)活動(dòng)速率峰值。各時(shí)代斷裂活動(dòng)速率與剖面伸展量呈現(xiàn)出較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

表1 萊蕪盆地晚中生代以來伸展速率

2.3 構(gòu)造演化分析

萊蕪盆地構(gòu)造演化如圖2、圖3所示。

2.3.1 古生代坳陷前階段

早古生代，魯西地區(qū)整體成為陸表海，形成了淺海陸棚沉積組合(長青群、九龍群、馬家溝組)[10]。這一時(shí)期，魯西地區(qū)缺少巖漿活動(dòng)，褶皺斷裂不發(fā)育，表現(xiàn)為穩(wěn)定陸塊的演化特點(diǎn)。晚奧陶世中期，加里東運(yùn)動(dòng)使得魯西地區(qū)上升為陸，長期遭受風(fēng)化剝蝕，因此缺失奧陶統(tǒng)上部、泥盆系、志留系及下石炭統(tǒng)地層[圖2(a)、圖3(a)]。海西期華北陸塊整體下沉，研究區(qū)為沉積了一套海陸交互相的粉砂巖、泥巖及煤線組合。

2.3.2 晚侏羅-早白堊世斷坳陷階段

萊蕪盆地的演化始于三疊紀(jì)時(shí)期，由印支運(yùn)動(dòng)引起的擠壓構(gòu)造作用，導(dǎo)致古生代沉積地層逆沖抬升剝蝕，并持續(xù)至中侏羅世[13]。晚侏羅至早白堊世，魯西地區(qū)受北北東-南南西向拉伸作用，處于強(qiáng)烈的伸展變形背景中[14]，由區(qū)域性隆起轉(zhuǎn)入坳陷階段，萊蕪盆地作為魯西地區(qū)的一個(gè)局部凹陷，沉積了三臺(tái)組、水南組等一套以碎屑巖為主的湖泊相建造。萊蕪盆地北緣，泰安-口鎮(zhèn)斷裂及大王莊-銅冶店斷裂下盤相對(duì)隆升，晚古生代沉積地層剝蝕殆盡，奧陶系裸露剝蝕溶蝕。由區(qū)調(diào)資料顯示，石門官莊-沙王莊斷裂下盤未出現(xiàn)侏羅系砂巖，可推測(cè)該斷裂開始活動(dòng)于晚侏羅世時(shí)期，為同沉積斷裂，控制萊蕪盆地南邊界，故該時(shí)期萊蕪盆地兼具坳陷和斷陷特征，以坳陷為主[圖2(b)、圖3(b)]。早白堊世晚期，魯西地區(qū)持續(xù)伸展，張性深大斷裂活動(dòng)加劇，導(dǎo)致大規(guī)模的火山活動(dòng)[8]。地殼深部中性閃長巖體沿脆性斷裂及構(gòu)造薄弱部位“底劈”侵入；至晚白堊世，由于短暫應(yīng)力反轉(zhuǎn)側(cè)向擠壓作用，形成礦山背斜及八里溝向斜，后期背斜頂部中生代地層剝蝕殆盡，形成核部為早白堊世閃長巖體，兩翼為古生代地層的礦山背斜[圖2(c)、圖3(c)]。

表2 萊蕪盆地主要斷裂活動(dòng)速率Vf與落差Δh

圖3 萊蕪盆地構(gòu)造演化平面示意圖

2.3.3 古近系斷陷階段

魯西地區(qū)古近系伸展呈現(xiàn)向北凸出的弧形構(gòu)造格局[15]。萊蕪盆地受控于弧形泰安-口鎮(zhèn)斷裂，表現(xiàn)為邊斷陷邊沉積的特征。前文所述，古近系伸展及斷裂活動(dòng)表現(xiàn)最強(qiáng)，萊蕪盆地內(nèi)部沉積了厚度較大的大汶口組湖相泥頁巖；直接角度不整合于古生界和中生界地層之上；受同沉積控盆斷裂影響，沉積厚度向北逐漸增厚[圖2(d)、圖3(d)]。

2.3.4 晚漸新世擠壓階段

受喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)的影響，區(qū)域強(qiáng)烈的NE向擠壓構(gòu)造運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致魯西地區(qū)再次發(fā)生構(gòu)造反轉(zhuǎn)，漸新世沉積的大汶口組普遍遭受明顯的褶皺變形和剝蝕作用[13]。萊蕪盆地內(nèi)口鎮(zhèn)-方下鎮(zhèn)方向分布的一系列近東西向展布的古近系“低凸起”(當(dāng)?shù)厮追Q長埠嶺地區(qū))即為該階段形成的背斜構(gòu)造。

2.3.5 新近紀(jì)熱回返階段

萊蕪盆地持續(xù)整體抬升，在胡家宅-大橋溝一帶有小范圍玄武巖分布，推測(cè)該時(shí)期出現(xiàn)短暫的小規(guī)?；鹕絿姲l(fā)活動(dòng)。后期盆地整體抬升，湖盆縮小至消失。第四紀(jì)，河流相發(fā)育，并形成現(xiàn)今構(gòu)造及巖性分布格局。

3 水文地質(zhì)意義

3.1 含水巖組分布特征

構(gòu)造演化控制著地層巖性分布特征，形成區(qū)內(nèi)多種含水巖組及巖溶水系統(tǒng)類型。前人根據(jù)含水巖組巖層產(chǎn)狀、走向與地下水流向關(guān)系對(duì)我國北方巖溶水系統(tǒng)劃分為順置式、逆置式、平置式及碎塊式4種模式[16]。調(diào)查研究結(jié)果表明，萊蕪盆地及周邊巖溶水系統(tǒng)以順置式和逆置式兩種模式為主?；谂璧丶爸苓?6口鉆孔及飲水井調(diào)查數(shù)據(jù)及水化分析數(shù)據(jù)，對(duì)巖溶水系統(tǒng)特征進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)(表3、圖4)?？梢钥闯觯樦檬綆r溶水系統(tǒng)巖溶地下水接受降水及南側(cè)混合變質(zhì)巖區(qū)基巖裂隙水補(bǔ)給，經(jīng)寒武系碳酸鹽巖夾碎屑巖及奧陶系碳酸鹽巖向北側(cè)牟汶河排泄，地下水總體徑流方向與巖石產(chǎn)狀一致，巖石層面構(gòu)成該區(qū)主要的地下水徑流通道，由于系統(tǒng)內(nèi)部含水巖組類型多樣化，其水化學(xué)性質(zhì)較為復(fù)雜。逆置式巖溶水系統(tǒng)內(nèi)部，巖溶地下水接受大氣降水的補(bǔ)給，根據(jù)開采鉆孔水位資料判斷，地下水沿著構(gòu)造斷裂、巖石層面、巖性接觸面等向南溝渠排泄，地下水徑流整體由北向南，水文地質(zhì)條件較復(fù)雜，在“內(nèi)弧”斷裂附近碳酸鹽巖與古近系地層接觸位置，多存在巖溶地下水潛流補(bǔ)給第四系孔隙水的情況。

表3 萊蕪盆地及周邊巖溶水系統(tǒng)特征統(tǒng)計(jì)表

圖4 萊蕪盆地及周邊巖溶水系統(tǒng)剖面圖

3.2 燕山期巖漿侵入

當(dāng)流體以超過環(huán)境溫度至少5 ℃的溫度通過斷層或其他渠道進(jìn)入時(shí)，便會(huì)發(fā)生熱液成巖作用[17]。國外對(duì)熱液流體成礦作用研究較多，熱液與碳酸鹽巖次生溶蝕之間的研究較少，中國對(duì)于熱液溶蝕較為系統(tǒng)的研究也僅限于石油地質(zhì)儲(chǔ)層改造領(lǐng)域，水文地質(zhì)領(lǐng)域鮮有涉及。前文所述，早白堊世晚期，魯西地區(qū)巖漿作用較為強(qiáng)烈，盆地內(nèi)部形成不同期次閃長巖侵入體，規(guī)模較大的有礦山巖體、角峪巖體、金牛山巖體等。巖漿熱液流體含有大量的CO2等揮發(fā)性物質(zhì),含量可達(dá)4%以上[18]，富含CO2的巖漿熱液流體沿著斷裂、裂縫以及不整合面等運(yùn)移到碳酸鹽巖地層中, 會(huì)對(duì)碳酸鹽巖發(fā)生較大程度的溶蝕作用。另外，前人鉆探找礦結(jié)果顯示，盆地內(nèi)閃長巖體與圍巖接觸帶多發(fā)生灰?guī)r熱變質(zhì)大理巖化作用，靠近侵入體位置，大理巖顆粒較粗，易于溶蝕。巖漿侵入活動(dòng)本身對(duì)早期構(gòu)造存在改造重塑，接觸帶引發(fā)熱液變質(zhì)，促進(jìn)溶蝕發(fā)育，部分地區(qū)可形成地下水富集帶邊界，水文地質(zhì)意義明顯，如棗園地區(qū)、吳小莊-雙泉村地區(qū)。

棗園地區(qū)，該區(qū)巖溶地下水接受大氣降水補(bǔ)給，向瀛汶河排泄，受斷裂及侵入體影響，徑流不規(guī)則。主要含水巖組為炒米店組礫屑灰?guī)r及馬家溝群厚層灰?guī)r，結(jié)構(gòu)如圖5所示。巖溶地下水位埋深穩(wěn)定，降幅小于5 m；G03井TDS 427 mg/L、單井涌水量1 440 m3/d。

吳小莊-雙泉村地區(qū)，該區(qū)巖溶地下水接受大氣降水及角峪巖體東南地下水補(bǔ)給，自東向西徑流，排泄至牟汶河；含水層巖性為奧陶系北庵莊組厚層微晶灰?guī)r，單井涌水量1 440～2 880 m3/d，結(jié)構(gòu)如圖6所示，巖溶地下水化學(xué)類型為HCO3·SO4-Ca及HCO3-Ca型水，沿地下水徑流方向，TDS依次升高。

圖5 棗園地區(qū)水文地質(zhì)剖面圖

圖6 吳小莊-雙泉村地區(qū)水文地質(zhì)剖面圖

3.3 新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)

新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)使得盆地持續(xù)大幅度下沉，接受了巨厚的古近系沉積，同時(shí)產(chǎn)生了一系列NEE、NNE為主新構(gòu)造斷裂，主要有柳行溝-封丘斷層，方下-冶河斷層，牛王泉-茂盛堂斷層，杜官莊-牛王泉斷層等[19]。這些斷裂是對(duì)新生代以前的斷裂構(gòu)造的繼承、復(fù)活或疊加。主要表現(xiàn)為同時(shí)切斷了古生代、中生代及新生代地層，水文地質(zhì)意義明顯。

圖7 山口北村ZK01鉆孔綜合柱狀圖

3.3.1 對(duì)古近系完整性的破壞

新構(gòu)造斷裂控制著巖溶水覆蓋層結(jié)構(gòu)，破壞古近系完整性，使得盆地內(nèi)形成碳酸鹽巖“天窗”。所謂“天窗”,是指古近系缺失或厚度小于30 m，使得第四系潛水直接與巖溶水產(chǎn)生水力聯(lián)系，如趙莊天窗、孟家莊天窗、泉河天窗，為巖溶地面塌陷創(chuàng)造必要條件。另外，由于新構(gòu)造斷裂是對(duì)以往斷裂的繼承復(fù)活疊加而成的，所以，古巖溶及近代巖溶都沿新構(gòu)造斷裂發(fā)育新構(gòu)造。

3.3.2 古近系富水性新認(rèn)識(shí)

古新世以來，盆地迅速沉降，使得內(nèi)部發(fā)育了一套巨厚層的濱湖相-山麓洪積相-淺湖相沉積組合。形成了泥頁巖、泥灰?guī)r、砂巖及礫巖互層的巖相組合，不同部位的巖性差異較大。在盆地邊緣靠近泰安-口鎮(zhèn)斷裂處，由于地形高差大，發(fā)育小范圍的類似于磨拉石建造的洪積扇礫巖。以山口北村鉆探施工結(jié)果為例，ZK01井100 m以淺，巖性為泥灰?guī)r、頁巖互層，相對(duì)隔水層；100～200 m巖性為泥質(zhì)粉細(xì)砂巖、泥灰?guī)r夾多套砂礫巖層，層厚為3～20 m(圖7)。砂巖固結(jié)較差，巖心采取率低，多呈現(xiàn)半膠結(jié)狀態(tài)，礫巖礫石成分灰質(zhì)，分選、磨圓較差，鈣質(zhì)膠結(jié)。古新世以來，水動(dòng)力環(huán)境動(dòng)蕩，盆地外圍地下水及地表水不間斷持續(xù)補(bǔ)給、更新、交替，使得盆地局部地區(qū)砂巖孔隙水未達(dá)到鈣質(zhì)、硅質(zhì)等膠結(jié)物飽和濃度，持續(xù)處于早成巖階段，砂巖半固結(jié)。中新世以來，受喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)影響，萊蕪盆地整體抬升，大汶口組上部，由于溫壓條件不足，成巖作用緩慢，形成現(xiàn)今半固結(jié)狀態(tài)[20]。含水巖組兼具孔隙水及裂隙水特征，且以孔隙水為主。建議劃分為裂隙孔隙含水巖組，部分地區(qū)富水性好，例如石龍頭、山口北村鉆孔單井涌水量分別為960 m3/d和1 080 m3/d。水質(zhì)分析結(jié)果顯示，石龍頭村和山口北村鉆孔水化學(xué)類型均為HCO3-Ca·Mg型，TDS對(duì)應(yīng)為563.9 mg/L和568.6 mg/L。

4 結(jié)論

(1)通過平衡剖面原理，結(jié)合水文地質(zhì)調(diào)查及前人研究資料，首次對(duì)萊蕪盆地古生代以來伸展速率及主要斷裂活動(dòng)速率進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)萊蕪盆地構(gòu)造演化階段進(jìn)行描述。即萊蕪盆地經(jīng)歷了古生代坳陷前階段-晚侏羅-早白堊世斷坳陷階段-古近系斷陷階段-晚漸新世擠壓階段-新近紀(jì)熱回返階段。

(2)構(gòu)造演化控制著盆地內(nèi)多種含水巖組分布特征，并形成北部“逆置式”、南端“順置式”巖溶水系統(tǒng)類型。各巖溶水系統(tǒng)在含水巖組、巖溶地下水補(bǔ)排條件、水化學(xué)性質(zhì)上存在差異。

(3)巖漿熱液侵入影響，碳酸鹽巖及變質(zhì)大理巖地層溶蝕、裂隙較為發(fā)育，可構(gòu)成地下水賦存空間。萊蕪盆地內(nèi)燕山期閃長巖侵入，使得閃長巖與馬家溝群碳酸鹽巖接觸帶大理巖化，利于巖溶發(fā)育；且富含CO2等流體的巖漿熱液多沿著斷裂、裂縫以及不整合面等運(yùn)移，促進(jìn)碳酸鹽巖地層進(jìn)行熱液溶蝕。形成了棗園、吳小莊-雙泉村巖溶富水地段。

(4)鉆探施工揭示，萊蕪盆地北部邊界斷裂處多發(fā)育局部的古近系半固結(jié)砂礫巖地層，含水巖組兼具孔隙水及裂隙水特征，且以孔隙水為主，單井涌水量大，為古近系含水巖組富水性提供全新認(rèn)識(shí)。