槐永波,葉勝華,賀模紅,趙其蘇,熊俊松

(四川省地質(zhì)環(huán)境調(diào)查研究中心,四川 成都 610081)

0 前言

姚寨溝位于甘肅省隴南市武都區(qū)以南姚寨溝流域,氣候上屬北亞熱濕潤(rùn)向暖溫半濕潤(rùn)的過(guò)渡帶,多年平均降水量487.2 mm,區(qū)內(nèi)淺循環(huán)地下水受地形地貌、地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造與地下水賦存空間嚴(yán)格控制,主要以碳酸鹽巖溶裂隙水和斷層脈狀水為主。本文通過(guò)前人研究成果[1-2],結(jié)合實(shí)際野外調(diào)查和水質(zhì)測(cè)試分析,對(duì)區(qū)內(nèi)典型泉點(diǎn)水文地質(zhì)特征進(jìn)行了調(diào)查研究,區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造對(duì)水文地質(zhì)特征的控制比較明顯,對(duì)地下水的空間分布、形成和運(yùn)移起著關(guān)鍵性的作用,特別是斷層在區(qū)內(nèi)形成含水層和隔水層分界,其下盤中厚層灰?guī)r溶蝕裂隙發(fā)育,在構(gòu)造控制下,為地下水補(bǔ)給、運(yùn)移、儲(chǔ)存提供了較好的條件。通過(guò)對(duì)區(qū)內(nèi)典型碳酸鹽巖溶裂隙水和斷層帶脈狀水水文地質(zhì)特征的研究,為該地區(qū)地下水的合理開(kāi)發(fā)利用和相關(guān)研究提供重要理論依據(jù)。

1 研究區(qū)區(qū)域地質(zhì)特征

1.1 地形地貌

地形地貌是地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造及地表水文網(wǎng)演變,特別是新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)特征的綜合反映,受匯水地貌形態(tài)等條件控制,地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄及富集特征也不同[3-4]。研究區(qū)在地貌單元上處于西秦嶺西段侵蝕—?jiǎng)兾g構(gòu)造山地,受區(qū)域構(gòu)造控制的山體總走向是東西向,總地勢(shì)為西北高,東南低,主要地貌類型為侵蝕、剝蝕構(gòu)造中高山地貌。受西秦嶺構(gòu)造影響,山勢(shì)陡峭,山體走向NE-SW,高差一般500～1 500 m,坡度在30°～50°。北側(cè)山體主要由志留系千枚巖及中上更新統(tǒng)黃土構(gòu)成,海拔1 000～2 500 m;南側(cè)山體巖性主要為石炭系灰?guī)r,海拔2 000～3 000 m,山頂呈錐狀或脊?fàn)?地勢(shì)陡峻。地下水分布與富集受微地貌影響較大,沿溝谷出露泉點(diǎn)較多。

1.2 地層巖性

研究區(qū)出露地層主要為二迭系、石炭系和志留系。其中,石炭系分布于武都千壩牧場(chǎng)一帶,巖性為灰白色中厚層灰?guī)r、礫狀灰?guī)r夾泥板巖,含水性較強(qiáng)。石炭系分布于白龍江西南部山區(qū),地層較發(fā)育,下、中、上三統(tǒng)俱全,巖性主要為中厚層塊狀灰?guī)r夾板巖等,灰?guī)r節(jié)理裂隙發(fā)育,巖層面有不規(guī)則溶洞,如漢王萬(wàn)象洞等[5]。志留系為區(qū)內(nèi)最老地層,分布于白龍江兩岸一帶,巖性主要為千枚巖、板巖、砂巖夾薄、中厚層灰?guī)r等,在研究區(qū)與中上石炭統(tǒng)、下石炭統(tǒng)呈斷層接觸,下伏于黃土之下,被切割出露于溝谷兩側(cè),巖層褶皺較多,小斷層發(fā)育,巖石堅(jiān)硬地段形成跌水陡坎。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

研究區(qū)在大地構(gòu)造上屬于處于西秦嶺緯向構(gòu)造帶和武都“山”字型構(gòu)造體系的復(fù)合部位,次級(jí)構(gòu)造復(fù)雜多變,由一系列向南突出的弧形斷裂和復(fù)合式背斜組成。主要斷裂帶為武都斷裂帶(F1)、白龍江斷裂帶(F5)、牛舍山北斷裂帶F2(三條平行斷裂組成,F2-1、F2-2、F2-3)、牛舍山—華里山北斷裂帶(F3)、黃鹿壩—青巖山斷裂帶(F4)、馬槽灣—殿溝里斷裂帶(F6)組成(圖1)。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造圖示意圖[1]

F1斷層長(zhǎng)數(shù)十公里,西接白龍江斷裂帶(F5),在武都南形成南凸弧形,并受一系列與其垂直的張性或張扭性斷裂的往返錯(cuò)移。斷層面北傾,斷層面傾角為50°～60°左右,為一逆斷層,擠壓現(xiàn)象極其強(qiáng)烈,其東端被東西向斷裂所切截。沿?cái)嗔褞в性S多大泉出露,流量普遍較大,構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)區(qū)內(nèi)地下水起到控制性作用[6]。

1.4 構(gòu)造裂隙發(fā)育狀況

研究區(qū)裂隙構(gòu)造比較發(fā)育,但是缺乏系統(tǒng)的測(cè)量和研究,因而對(duì)區(qū)域性裂隙構(gòu)造規(guī)律未全部搞清楚。本次研究工作對(duì)區(qū)內(nèi)裂隙構(gòu)造進(jìn)行了野外實(shí)測(cè),裂隙按走向大致分為二組,第一組裂隙主要走向?yàn)楸蔽鳌獤|南向(近北西向),第二組裂隙發(fā)育方向?yàn)楸睎|—南西向(近北東向)(見(jiàn)圖2)。

圖2 節(jié)理裂隙走向-傾向玫瑰圖

根據(jù)區(qū)內(nèi)實(shí)際調(diào)查分析結(jié)果,區(qū)域構(gòu)造裂隙發(fā)育的方向性控制了區(qū)內(nèi)溝谷發(fā)育的方向,同時(shí)為地下水形成提供了補(bǔ)給通道和儲(chǔ)存空間。

2 淺循環(huán)地下水水文地質(zhì)特征

研究區(qū)淺循環(huán)地下水以碳酸鹽巖溶裂隙水和斷層脈狀水為主,沿不同地貌類型和構(gòu)造帶發(fā)育不同類型的泉點(diǎn),泉流量普遍較大。

2.1 碳酸鹽巖巖溶裂隙水水文地質(zhì)特征

碳酸鹽巖溶裂隙水呈北西條帶狀分布在西南部。含水巖層主要為二迭系(P1)、石炭系中上統(tǒng)(C2+3)、石炭系下統(tǒng)(C1)中厚層灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r。在地貌上除武都千壩牧場(chǎng)位于巖溶夷平面上,其余皆為峰叢高山地形,構(gòu)造上位于武都山字型構(gòu)造前弧及前弧兩翼。

該類型地下水主要通過(guò)巖溶洼地、漏斗、落水洞、溶洞及溶蝕裂隙等接受降雨補(bǔ)給,在河(溝)谷地段還接受地表水及河(溝)谷潛水的補(bǔ)給,在夷平面和峰叢山地中徑流,通過(guò)溶洞、溶蝕裂隙在河(溝)谷、山坡、懸崖、斷裂帶、地層接觸帶以泉、局部以地下河的形式排泄。

當(dāng)?shù)匦蜗嚓P(guān)函數(shù)f(x)在區(qū)間[-b,b]內(nèi)具有偶對(duì)稱性質(zhì)時(shí),古特曼(1976)已給出上述方程組解析解的一般表達(dá)式,我們將在第2節(jié)給出兩個(gè)具體的例子?？紤]到真實(shí)的地形是復(fù)雜多樣的,將其結(jié)果推廣到更一般的情況。

2.1.1 漢王萬(wàn)象神泉

萬(wàn)象神泉位于漢王鎮(zhèn),該泉所在區(qū)域處于構(gòu)造上升區(qū),在侵蝕基準(zhǔn)面以上,溶洞發(fā)育在不同高度上,具有多層性,區(qū)內(nèi)萬(wàn)象洞發(fā)育于下石炭統(tǒng)(C1)灰?guī)r中,洞口標(biāo)高1 100 m,高出白龍江120余m。

該泉通過(guò)千壩牧場(chǎng)巖溶洼地、漏斗及溶蝕裂隙接受降雨補(bǔ)給,泉流量較大,受F1壓性阻水?dāng)嗔押偷孛部刂?斷裂上盤為志留系中上統(tǒng)白龍江群(S2+3bl1)千枚巖夾板巖,為隔水層,下盤為下石炭統(tǒng)(C1)灰?guī)r,為含水層,較富水,該泉受F1壓性斷裂所阻,巖溶裂隙水沿?cái)嗔褞蟼?cè)富集,在斷裂帶處涌出(圖3)。

圖3 漢王萬(wàn)象神泉地質(zhì)示意圖

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,泉水流量112 L/s,水溫9.5℃,泉水較清澈,受降雨補(bǔ)給影響較小,徑流途徑較長(zhǎng),流量穩(wěn)定,水質(zhì)較好,該泉點(diǎn)為自來(lái)水廠引用水源。

2.1.2 柳溝壩神水泉

柳溝壩神水泉位于姚寨溝風(fēng)景區(qū)柳溝壩,該泉通過(guò)溶蝕裂隙接受降雨補(bǔ)給,發(fā)育于東西張性裂隙中,在下石炭統(tǒng)(C1)灰?guī)r中涌出(圖4)。

圖4 柳溝壩神水泉地質(zhì)示意圖

2.2 斷裂帶脈狀水水文地質(zhì)特征

研究區(qū)經(jīng)歷多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng),是多個(gè)構(gòu)造體系的復(fù)合部位,斷裂平行排列、縱橫交接、形式繁多,頗為發(fā)育。其中部分?jǐn)嗔褜?duì)地下水的賦存、富集創(chuàng)造了條件,地質(zhì)構(gòu)造與區(qū)內(nèi)地下水分布有著密切聯(lián)系[7]。

根據(jù)區(qū)內(nèi)斷裂性質(zhì)和調(diào)查情況,上黃里下降泉處于F2-2斷裂和F3斷裂交匯處,F2-2斷裂為張性斷裂,F2-2上盤為中上石炭統(tǒng)(C2+3)中厚層灰?guī)r,下盤為下石炭統(tǒng)(C1)中厚層灰?guī)r,有利于地下水富集。F3斷裂為壓性斷裂,上盤為下石炭統(tǒng)(C1)中厚層灰?guī)r,下盤為二迭系下統(tǒng)(P1)中厚層灰?guī)r,兩盤均有利用地下水富集。

調(diào)查分析認(rèn)為,上黃里下降泉位于武都山字型前弧入字型構(gòu)造的主、支斷裂的交叉點(diǎn),由于張、剪應(yīng)力較集中,有利于巖溶裂隙水的富集,泉流量較大(圖5)?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,泉水流量13 L/s,水溫9.5℃,泉水較清澈,該泉點(diǎn)于半山腰裂隙中涌出,水質(zhì)較好。

圖5 上黃里下降泉地質(zhì)示意圖

3 淺循環(huán)地下水水化學(xué)特征

為了解區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖溶裂隙水和斷層脈狀水地下水水質(zhì)特征,分別在上黃里下降泉(Q01)、柳溝壩神水泉(Q02)、萬(wàn)象神泉(Q03)和姚寨溝溝道地表水(B01)取水樣4組進(jìn)行水質(zhì)分析(表1)。

表1 地下水和地表水水樣水化學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

根據(jù)4組水樣簡(jiǎn)分析,鈣離子和重碳酸根離子含量偏高,相對(duì)其余五大離子含量普遍偏低。Piper三線圖能直觀地反映出地下水中主要陰陽(yáng)離子及其水化學(xué)特征和地下化學(xué)類型[8-12],通過(guò)水樣的Piper圖可以看出(圖6),地下水和地表水有相似的分布特征,水中陰離子和陽(yáng)離子分布較為集中,各水樣的化學(xué)類型差異不大,其主要的陽(yáng)離子是Ca2+,主要陰離子是HCO3-,主要來(lái)源于碳酸鹽巖等可溶巖的礦物溶解,溶解含量與溶蝕作用強(qiáng)度密切相關(guān)。通過(guò)毫克當(dāng)量百分比計(jì)算,4組水樣地下水水化學(xué)類型均為HCO3-Ca型水,表明水化學(xué)類型較為一致。

圖6 淺循環(huán)地下水水樣水化學(xué)類型Piper三線圖

應(yīng)用Schoeller圖[13]可以研究處于不同地點(diǎn)的水樣的水化學(xué)變化,許多水樣的組分濃度可以連成一條曲線,同稀釋水混合的效果具有垂向移動(dòng)曲線而不會(huì)改變其形狀的特點(diǎn),本次4組水水樣點(diǎn)在Schoeller圖中,交錯(cuò)連成線,從這些點(diǎn)可以看出,各曲線形狀變化趨勢(shì)大致不變,說(shuō)明區(qū)內(nèi)調(diào)查的地下水和溝道地表水具有同一補(bǔ)給來(lái)源,與Piper圖的結(jié)果一致,總體上反應(yīng)了調(diào)查區(qū)內(nèi)地下水就近補(bǔ)給,徑流途徑較短,循環(huán)深度較淺的特征(圖7)。

圖7 淺循環(huán)地下水水樣水化學(xué)類型Schoeller圖

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)野外調(diào)查和室內(nèi)綜合分析,研究區(qū)地下水類型主要為碳酸鹽巖溶裂隙水和斷層帶脈狀水,受地形地貌、地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造與地下水賦存空間嚴(yán)格控制,地質(zhì)構(gòu)造對(duì)水文地質(zhì)特征的控制比較明顯,對(duì)地下水的空間分布、形成和運(yùn)移起著關(guān)鍵性的作用,特別是區(qū)內(nèi)斷層形成含水層和隔水層分界,其下盤中厚層灰?guī)r溶蝕裂隙發(fā)育,在構(gòu)造控制下,為地下水補(bǔ)給、運(yùn)移、儲(chǔ)存提供了較好的條件,同時(shí)受到上盤巖層阻水作用,地下水被擋在透水層一側(cè)富集形成斷層阻水式儲(chǔ)水構(gòu)造,形成多處泉點(diǎn)。區(qū)內(nèi)地下水水化學(xué)類型為HCO3-Ca型水,補(bǔ)給來(lái)源主要為大氣降水,徑流途徑較短,循環(huán)深度較淺的特征,通過(guò)查明區(qū)內(nèi)典型碳酸鹽巖溶裂隙水和斷層帶脈狀水水文地質(zhì)特征,為該地區(qū)地下水的合理開(kāi)發(fā)利用和相關(guān)研究提供重要理論依據(jù)。