李仁啟，羅康生，陸治斌，羅邦良，付宏學(xué)，張先慧

(1.貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局一0一地質(zhì)大隊(duì)，貴州 凱里 556000；2.貴州省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院，貴陽(yáng) 550000；3.中國(guó)煤炭地質(zhì)總局第三水文地質(zhì)隊(duì)，河北 邯鄲 056001)

引 言

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

圖1 魚(yú)洞河流域地理位置圖Fig.1 Geographic Location of Yudong River Basin

1.2 水文地質(zhì)條件

魚(yú)洞河為平路河及白水河交匯而成，然后匯入重安江，凱里市魚(yú)洞河巖溶大泉(圖中簡(jiǎn)稱“魚(yú)洞泉”)位于魚(yú)洞河流域南東部魚(yú)洞河支流平路河中游右岸(見(jiàn)圖2)，出露于平路河斷層破碎帶中，高程708m。該巖溶大泉為梁山組下盤泥盆系碳酸鹽巖(白云巖)承壓含水系統(tǒng)與上盤二疊系棲霞茅口組碳酸鹽巖(灰?guī)r)潛水含水系統(tǒng)共同的排泄點(diǎn)，二疊系棲霞茅口組潛水含水系統(tǒng)面積約7km2，泥盆系承壓含水系統(tǒng)面積約29km2。系統(tǒng)范圍整體地勢(shì)南東高北西低，高程一般710～960m，為小起伏低山溶蝕地貌，地表巖溶漏斗、巖溶洼地、落水洞、天窗等發(fā)育，地表無(wú)常年性河流、水庫(kù)、湖泊等大的地表水體積，地表、地下水受地形控制整體自南東向北西徑流，平路河(魚(yú)洞河支流)為該區(qū)最低侵蝕基準(zhǔn)面，魚(yú)洞巖溶大泉在其右岸排泄，通過(guò)2022年1～8月地下水動(dòng)態(tài)長(zhǎng)觀(矩形堰測(cè)量，一般10天觀測(cè)一次，降雨加密觀測(cè))，觀測(cè)期間流量95～475L/s，地下水穩(wěn)定系數(shù)0.2，為較穩(wěn)定型，可知巖溶大泉系統(tǒng)不僅地下水流動(dòng)空間大且補(bǔ)給源豐富[11]，通過(guò)本次研究也證明了此觀點(diǎn)。系統(tǒng)范圍內(nèi)自上而下地層分別為第四系(Q)，二疊系棲霞茅口組(P2q+m)、二疊系梁山組(P2l)及泥盆系堯梭組(D3y)。第四系巖層主要分布于巖溶洼地等低緩地帶，巖性主要為灰黃色、磚紅色～褐黃色粘土、亞粘土夾碎石等，含松散巖類孔隙水，區(qū)內(nèi)未見(jiàn)泉點(diǎn)出露，富水性貧乏。二疊系棲霞茅口組大面積分布研究區(qū)，巖性主要為灰、深灰色中厚—厚層晶灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r，厚117～327m，含碳酸鹽巖巖溶水，含水介質(zhì)為溶洞-管道，整個(gè)魚(yú)洞河流域范圍內(nèi)分布泉點(diǎn)39個(gè)，流量0.014～174.29L/s，平均流量8.678L/s，暗河出入口5個(gè)，流量8.592～800.000L/s，平均流量237.568L/s，地下徑流模數(shù)4.29～10.26L/s·km2，富水性強(qiáng)，地下水埋藏類型為潛水。二疊系梁山組隱伏于棲霞茅口組地層下，巖性為以石英砂巖、鋁土巖、碳質(zhì)頁(yè)巖及煙煤、鋁土質(zhì)頁(yè)巖及菱鐵礦等，厚14～22m，含基巖裂隙水，含水介質(zhì)為風(fēng)化裂隙，整個(gè)魚(yú)洞河流域范圍內(nèi)分布5個(gè)泉點(diǎn)，流量0.333～2.294L/s，平均流量1.233L/s，地下水徑流模數(shù)<1L/s·km2，富水性弱，為相對(duì)隔水巖組。泥盆系堯梭組隱伏于二疊系梁山組之下，巖性主要為灰黃、灰白色厚層塊狀白云質(zhì)生物屑灰?guī)r，粗晶白云巖，礫屑白云巖等，厚60～320 m，含碳酸鹽巖巖溶水，含水介質(zhì)為溶孔-溶隙，整個(gè)魚(yú)洞河流域范圍內(nèi)分布泉點(diǎn)15個(gè)，流量0.014～136.610L/s，平均流量16.450L/s，地下水徑流模數(shù)3.17～6.713L/s·km2，富水性強(qiáng)，地下水埋藏類型為承壓水。系統(tǒng)范圍內(nèi)斷層構(gòu)造不發(fā)育，為單斜構(gòu)造。

圖2 魚(yú)洞河流域水系分布圖Fig.2 Water System Distribution Map of Yudong River Basin

1.3 研究方法

本次研究主要通過(guò)資料收集、地質(zhì)及水文地質(zhì)測(cè)繪、物探、鉆探、水質(zhì)分析、地下水動(dòng)態(tài)長(zhǎng)觀等工作方法，對(duì)凱里市巖溶大泉形成與水質(zhì)污染成因進(jìn)行了深入剖析。收集資料主要為礦山井上井下對(duì)照?qǐng)D及地質(zhì)圖，在通過(guò)MAPGIS校正、數(shù)字矢量化后疊加于收集的地質(zhì)圖中作為地質(zhì)及水文地質(zhì)測(cè)繪底圖。采用穿越法及追索法對(duì)含煤層地質(zhì)界線及重要地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行核查、修正，保證地質(zhì)內(nèi)容準(zhǔn)確、測(cè)繪精度符合規(guī)范要求，地層巖性及構(gòu)造特征是劃分地下水系統(tǒng)邊界的重要依據(jù)。水文地質(zhì)測(cè)繪主要是對(duì)巖溶地貌形態(tài)(落水洞、天窗、巖溶洼地、漏斗等)、泉點(diǎn)、暗河出入口、礦井口分布等進(jìn)行調(diào)查，進(jìn)而大致查明地下水系統(tǒng)的補(bǔ)徑排特征。通過(guò)高密度電法、音頻大地電磁法、瞬變電法及充電法等物探主要目的為查明采空區(qū)、確定地下水主徑流帶等。鉆探能驗(yàn)證物探同時(shí)、還能掌握地下水流場(chǎng)特征、采空區(qū)或煤層分布特征及頂?shù)装逅牡刭|(zhì)特征。通過(guò)水質(zhì)全分析確定研究區(qū)污染因子及污染程度。地下水動(dòng)態(tài)長(zhǎng)觀包含了枯、豐季(矩形堰測(cè)量，一般10天觀測(cè)一次，降雨加密觀測(cè))，可定性推斷巖溶大泉的儲(chǔ)水空間及補(bǔ)給情況。

2 結(jié)果與討論

2.1 巖溶大泉成因分析

自然條件下，研究區(qū)地層沉積呈連續(xù)完整狀態(tài)，梁山組中發(fā)育鋁土、粘土巖相對(duì)隔水層，梁山組底部煤系之上的棲霞-茅口組(P2q+m)巖溶含水巖組與下部泥盆系堯梭組(D3y)巖溶含水巖組之間不存在水力聯(lián)系，為單獨(dú)的含水系統(tǒng)[12]。魚(yú)洞河巖溶大泉主要由二疊系棲霞茅口組碳酸鹽巖潛水含水系統(tǒng)及泥盆系堯梭組碳酸鹽巖承壓含水系統(tǒng)因斷層破碎帶影響共同在此排泄地下水形成，其形成模式見(jiàn)圖3。

注：1-二疊系棲霞茅口組碳酸鹽巖潛水含水系統(tǒng)，富水性強(qiáng)，2-二疊系梁山組碎屑巖隔水巖組，富水性弱(相對(duì)隔水層)，3-泥盆系堯梭組碳酸鹽巖承壓含水系統(tǒng)，富水性強(qiáng)，4-二疊系棲霞茅口組，5-二疊系梁山組，6-泥盆系堯梭組，7-灰?guī)r，8-白云巖，9-炭質(zhì)粘土巖，10-鋁土質(zhì)粘土巖，11-斷層破碎帶，12-受污染的巖溶大泉(上：編號(hào)，下：流量)

2.1.1 二疊系棲霞茅口組碳酸鹽巖潛水含水系統(tǒng)

該系統(tǒng)面積約7km2，北側(cè)以地表分水嶺為界，東邊及南部以二疊系梁山組地層界線為邊，西側(cè)以地表分水嶺界，北側(cè)以平路河為邊(見(jiàn)圖4)，系統(tǒng)巖性主要為二疊系棲霞茅口組灰、深灰色中厚—厚層泥晶灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r，層厚117～327m?；?guī)r的主要礦物成分為方解石，化學(xué)式為CaCO3。水中的侵蝕性CO2可以溶蝕可溶巖，水中的CO2含量越高，pH值越低則越有利于巖溶的發(fā)育[13]，各種來(lái)源的CO2溶于水變?yōu)樘妓?，與可溶巖(CaCO3)通過(guò)化學(xué)作用產(chǎn)生溶解過(guò)程，生成Ca(HCO3)2，運(yùn)動(dòng)的水流加速可溶巖的溶解，各種因素和作用綜合集成，形成了巖溶洼地、落水洞、漏斗、天窗、溶洞、巖溶管道、巖溶裂隙等[14]。2019年5月，通過(guò)刻線及連續(xù)打塊的方式對(duì)魚(yú)洞河流域范圍內(nèi)棲霞茅口組灰?guī)r取樣分析，灰?guī)r中主要成分(見(jiàn)圖5)為CaO和CO2，其中CaO含量50.99%，CO2含量40.55%，MgO含量0.80%，其他成分7.66%，其Ca含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于Mg的含量，而Ca的溶解能力相對(duì)于Mg較強(qiáng)，因而水對(duì)灰?guī)r的溶解能力比白云巖強(qiáng)。該系統(tǒng)內(nèi)灰?guī)r出露范圍廣、厚度大，為各種巖溶地貌形態(tài)、巖溶管道、巖溶裂隙的發(fā)育提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。區(qū)內(nèi)大氣降水、地表水沿系統(tǒng)范圍內(nèi)比的坡、龍場(chǎng)鎮(zhèn)、大樹(shù)腳、徐家洞一帶地表發(fā)育的巖溶洼地(YR03、YR04、YR06、YR07、YR08、YR09)、落水洞(YR01、YR05、YR10)、天窗(YR02)、老硐(LD01-LD12)等灌入式補(bǔ)給地下水，地下水在巖溶管道中自南向北徑流，通過(guò)訪問(wèn)、水文地質(zhì)測(cè)繪、物探、巷(洞)探等，研究區(qū)巖溶管道平面上呈樹(shù)枝狀分布(見(jiàn)圖4)，管道在補(bǔ)給區(qū)空間較小，但在徑流區(qū)及排泄區(qū)空間較大，垂高最大者20m左右，寬可達(dá)4m左右，區(qū)內(nèi)主要發(fā)育巖溶管道三條，在舊院附近交匯成一條地下暗河后，受白水河深切含水層及受平路河斷層下盤白云巖阻隔影響，最終在斷層破碎帶中以巖溶大泉(魚(yú)洞村附近S05)的形式排泄地下水。二疊系棲霞茅口組下伏地層為二疊系梁山組，巖性(詳見(jiàn)圖6)為主要為石英砂巖、鋁土巖、碳質(zhì)頁(yè)巖及煙煤、鋁土質(zhì)頁(yè)巖及菱鐵礦等，地下水徑流模數(shù)<1L/s·km2，富水性弱，為上部碳酸鹽巖潛水含水系統(tǒng)隔水底板。

注：1-二疊系棲霞茅口組地層出露區(qū)，2-二疊系梁山組地層出露區(qū)，3-泥盆系堯梭組地層出露區(qū)，4-二疊系棲霞茅口組，5-二疊系梁山組，6-泥盆系堯梭組，7-志留系翁項(xiàng)群，8-正斷層，9-暗河或伏流出、入口，10-落水洞，11-天窗，12-巖溶洼地，13-河流及流向，14-受污染河流，15-老硐井口及編號(hào)，16-地下水系統(tǒng)界線，17-地下水流向。

圖5 灰?guī)r成分分析餅狀圖Fig.5 Pie Chart of Limestone Composition Analysis

圖6 梁山組地層柱狀圖Fig.6 Stratigraphic Histogram of Liangshan Formation

2.1.2 泥盆系堯梭組碳酸鹽巖承壓含水系統(tǒng)

該系統(tǒng)面積約29km2，北側(cè)以平路河及地表分水嶺為界，東側(cè)以志留系翁項(xiàng)群地層界線為邊，南側(cè)以平路河支流及志留系翁項(xiàng)群地層界線為界，西部以平路河為邊(見(jiàn)圖7)，系統(tǒng)巖性主要為灰黃、灰白色厚層塊狀白云質(zhì)生物屑灰?guī)r，粗晶白云巖，礫屑白云巖等，厚60～320 m。白云巖的主要礦物成分為白云石，其化學(xué)式為CaMg(CO3)2，通過(guò)巖礦分析，白云巖中主要成分(見(jiàn)圖8)也為CaO和CO、MgO，MgO的含量相較于灰?guī)r中有所升高。其中CO2含量43.29%，CaO含量30.75%，MgO含量17.94%，其他成分8.02%。白云巖中的Mg含量比灰?guī)r中的更高，而Ca含量相對(duì)灰?guī)r較少，所以水對(duì)白云巖的溶解性相對(duì)于灰?guī)r要低，巖溶發(fā)育較二疊系棲霞茅口組灰?guī)r較低且相對(duì)均勻，以溶孔、溶隙發(fā)育為主，發(fā)育的巖溶管道規(guī)模也比灰?guī)r巖溶管道發(fā)育規(guī)模小[15]。由圖7可知，系統(tǒng)內(nèi)泥盆系白云巖基本隱伏于二疊系梁山組之下，在研究區(qū)南部及西側(cè)沿老鴰山斷層一帶出露，面積占24%左右，白云巖厚度大，為該系統(tǒng)的補(bǔ)給區(qū)。在系統(tǒng)南部麻塘自然在附近出露區(qū)內(nèi)發(fā)育2個(gè)地下暗河入口，在高家莊南東側(cè)發(fā)育落水洞K01，北東角發(fā)育落水洞K02，大氣降水、地表水沿暗河入口、落水洞等灌入式補(bǔ)給地下水，地下水在巖溶管道中自南東向北西徑流(圖8中棲霞茅口組地層出露區(qū)為該系統(tǒng)徑流區(qū))，通過(guò)訪問(wèn)、水文地質(zhì)測(cè)繪、物探等，該承壓含水系統(tǒng)地下水受白水河深切含水層及受平路河斷層下盤白云巖阻隔影響，最終在斷層破碎帶中以巖溶大泉(魚(yú)洞村附近S05)的形式排泄地下水。二疊系梁山組巖層為該系統(tǒng)隔水頂板，系統(tǒng)隔水底板為志留系翁項(xiàng)群砂質(zhì)頁(yè)巖。

注：1-二疊系棲霞茅口組，2-二疊系梁山組，3-泥盆系堯梭組，4-泥盆系望城坡組，5-志留系翁項(xiàng)群，6-斷層，7-巖層產(chǎn)狀，8-地層界線，9-河流及流向，10-受污染河流，11-地下水流向，12-落水洞，13-地下水系統(tǒng)界線，14-二疊系棲霞茅口組中暗河或伏流出、入口，15-泥盆系堯梭組中暗河或伏流出、入口，16-二疊系棲霞茅口組地層出露區(qū)，17-二疊系梁山組地層出露區(qū)，18-泥盆系堯梭望城坡組地層出露區(qū)

圖8 白云巖成分分析餅狀圖Fig.8 Pie Chart of Dolomite Composition Analysis

2.2 水質(zhì)污染成因研究

研究區(qū)雖分兩個(gè)含水系統(tǒng)，但因梁山組采空區(qū)下部鋁土礦層(隔水底板)未被破壞，采空區(qū)主要充水水源為二疊系棲霞茅口潛水含水系統(tǒng)中的地下水，充水通道主要為人工掘進(jìn)斜井及導(dǎo)水裂縫帶(經(jīng)計(jì)算，區(qū)內(nèi)最大導(dǎo)水裂縫帶70m左右，通過(guò)圖6可知煤礦以上梁山組隔水層厚僅1.4～7.5m)。通過(guò)水文地質(zhì)測(cè)繪、工程點(diǎn)測(cè)量結(jié)合在研究區(qū)魚(yú)洞斜井煤礦、高家莊煤礦、大樹(shù)腳煤礦范圍內(nèi)分布的21個(gè)鉆孔資料，每個(gè)鉆孔均在煤層底板鋁土礦層終孔，因此可知每個(gè)鉆孔的煤層或采空區(qū)底板標(biāo)高，以此繪制了研究區(qū)煤層底板等高線，見(jiàn)圖9中綠線所示，煤層底板標(biāo)高以舊院處最低660m左右，四周標(biāo)高依次升高，整體南東高北西低，研究區(qū)南東側(cè)煤層底板最高標(biāo)高900m左右。通過(guò)收集井上井下對(duì)照?qǐng)D，采用音頻大地電磁法、瞬變電磁法及高密度電法等配合，結(jié)合鉆探驗(yàn)證低阻區(qū)，研究區(qū)共劃分CK01、CK02、CK03、CK04四個(gè)采空區(qū)，面積5.4km2。結(jié)合煤層底板等高線可知，系統(tǒng)范圍內(nèi)金田煤礦及魚(yú)洞斜井煤礦采空區(qū)(CK04南西部，見(jiàn)圖9)低于魚(yú)洞巖溶大泉出露標(biāo)高708m，其中的老空水無(wú)法進(jìn)入魚(yú)洞巖溶大泉的管道中，不會(huì)對(duì)魚(yú)洞巖溶大泉水質(zhì)污染造成影響。通過(guò)對(duì)魚(yú)洞河巖溶大泉上游的金田煤礦排水巷(KJ01)進(jìn)行巷探，KJ01(標(biāo)高706m)與舊院附近的LD12揭露的巖溶管道是連通的，并且該巖溶管道水體已經(jīng)受礦井水污染，標(biāo)高739m，表明該礦井水來(lái)源于更高標(biāo)高的采空區(qū)，原高家莊煤礦采空區(qū)(CK01、CK02)及原州煤礦采空區(qū)(CK03)標(biāo)高均在750m以上，開(kāi)采時(shí)采空區(qū)排水均是抽排至斜井中的巖溶管道中進(jìn)行排放。綜合該系統(tǒng)巖溶管道分布位置(見(jiàn)圖9)、采空區(qū)標(biāo)高及巷(洞)探結(jié)果，魚(yú)洞巖溶大泉水質(zhì)污染主要是因?yàn)樵呒仪f煤礦及原州煤礦閉坑后，采空區(qū)無(wú)人工抽排水，二疊系棲霞茅口組中地下水經(jīng)人工掘進(jìn)斜井及導(dǎo)水裂縫帶充入采空區(qū)中，水與煤礦中FeS2(黃鐵礦)反應(yīng)，污染了地下水，隨著采空區(qū)水位不斷升高，最終沿人工掘進(jìn)斜井揭露的巖溶管道及導(dǎo)水裂縫帶破壞的巖溶管道進(jìn)入更低標(biāo)高的巖溶管道，最終在魚(yú)洞巖溶大泉出露，見(jiàn)圖10。

注：1-碳酸鹽巖巖溶水，富水性強(qiáng)，2-碳酸鹽巖巖溶水，富水性中，3、基巖裂隙水，富水性弱，4-二疊系棲霞茅口組，5-二疊系梁山組，6-泥盆系堯梭組，7-志留系翁項(xiàng)群，8-正斷層，9-暗河或伏流出、入口，10-落水洞(左：編號(hào)，右：流量L/s)，11-天窗，12-巖溶洼地，13-河流及流向，14-受污染河流，15-采空區(qū)及編號(hào)，16-礦井口及編號(hào)，17-涌水礦井(左：編號(hào)，右：流量L/s)，18-巷道，19-煤層底板等高線及標(biāo)高，20-礦權(quán)范圍及礦權(quán)名稱，21-地下水系統(tǒng)界線，22-地表分水嶺，23-地下水流向，24-鉆孔(上：鉆孔編號(hào)，下：煤層底板標(biāo)高)。

注：1-二疊系梁山組采空區(qū)范圍，2-巖溶管道或裂隙中未污染的地下水，3-礦井水，4-二疊系棲霞茅口組，5-二疊系梁山組，6-泥盆系堯梭組，7-灰?guī)r，8-白云巖，9-炭質(zhì)粘土巖，10-鋁土質(zhì)粘土巖，11-斷層破碎帶，12-受污染的巖溶大泉(上：編號(hào)，下：流量)

3 結(jié) 論

(2)魚(yú)洞河巖溶大泉主要由二疊系棲霞茅口組碳酸鹽巖潛水含水系統(tǒng)及泥盆系堯梭組碳酸鹽巖承壓含水系統(tǒng)共同在此排泄地下水形成。

(4)魚(yú)洞巖溶大泉水質(zhì)污染主要是因?yàn)樵呒仪f煤礦及原州煤礦閉坑后，二疊系棲霞茅口組中地下水經(jīng)人工掘進(jìn)斜井及導(dǎo)水裂縫帶充入采空區(qū)中，水與煤礦中FeS2(黃鐵礦)反應(yīng)，污染了地下水，隨著采空區(qū)水位不斷升高，最終沿人工掘進(jìn)斜井揭露的巖溶管道(裂隙)及導(dǎo)水裂縫帶破壞的巖溶管道(裂隙)進(jìn)入更低標(biāo)高的巖溶管道(裂隙)，最終在魚(yú)洞巖溶大泉出露。

(5)研究區(qū)煤礦開(kāi)采歷史悠久，碳酸鹽巖大面積分布、巖溶極發(fā)育，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，本文深度剖析了魚(yú)洞巖溶大泉形成及污染成因，不僅為魚(yú)洞河流域煤礦酸性礦井水從地學(xué)治理方面奠定理論基礎(chǔ)，更可推進(jìn)整個(gè)魚(yú)洞河流域煤礦酸性廢水治理，有效改善魚(yú)洞河流域水環(huán)境現(xiàn)狀，恢復(fù)流域生態(tài)環(huán)境，對(duì)類似流域酸性礦井水治理研究亦是必不或缺的經(jīng)驗(yàn)參考。