黔東北高原斜坡地區(qū)4種巖溶地下水系統(tǒng)模式及特點(diǎn)
——基于地貌和蓄水構(gòu)造特征

潘曉東, 梁 杏, 唐建生, 蘇春田, 孟小軍

1)中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢), 湖北武漢 430074; 2)中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所, 國(guó)土資源部巖溶動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣西桂林 541004; 3)聯(lián)合國(guó)教科文組織國(guó)際巖溶研究中心, 廣西桂林 541004

黔東北高原斜坡地區(qū)4種巖溶地下水系統(tǒng)模式及特點(diǎn)
——基于地貌和蓄水構(gòu)造特征

潘曉東1, 2, 3), 梁 杏1), 唐建生2, 3)*, 蘇春田2, 3), 孟小軍2, 3)

1)中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢), 湖北武漢 430074; 2)中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所, 國(guó)土資源部巖溶動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣西桂林 541004; 3)聯(lián)合國(guó)教科文組織國(guó)際巖溶研究中心, 廣西桂林 541004

受深切河谷地貌控制, 黔東北大部分地區(qū)巖溶地下水深埋且排泄于河谷岸邊, 以快速的管道裂隙流為主, 給地下水資源勘探開(kāi)發(fā)帶來(lái)了極大的困難, 局部地區(qū)受蓄水構(gòu)造控制形成勘探有利的地下水富集區(qū)。筆者基于地貌和蓄水構(gòu)造將研究區(qū)巖溶地下水系統(tǒng)歸納總結(jié)為深切河谷型、向斜山地型、單斜夾層型和背斜槽谷型4類(lèi)模式。深切河谷型巖溶地下水系統(tǒng)地下水水力坡度大, 地下水以快速的管道流為主, 排泄點(diǎn)低, 開(kāi)發(fā)利用方式建議直接在地下河出口或天窗中抽提地下水, 經(jīng)濟(jì)效益明顯地區(qū)可堵洞成庫(kù)進(jìn)行綜合利用; 向斜山地型巖溶地下水系統(tǒng)發(fā)育高位巖溶泉或地下河出口, 排泄點(diǎn)高, 適合直接引水利用; 單斜夾層型巖溶地下水系統(tǒng)在巖性接觸帶出露一系列接觸泉, 排泄分散, 開(kāi)發(fā)利用方式建議直接利用或抽提巖溶泉水, 受夾層隔水頂?shù)装逵绊懢植康貐^(qū)可鉆井取水; 背斜核部出露寒武系白云巖地層, 導(dǎo)致背斜槽谷型巖溶地下水系統(tǒng)含水巖層均勻厚度大, 分布大量非全排型巖溶泉, 地下水開(kāi)發(fā)適合抽提泉水或鉆井抽取地下水。

巖溶水; 地下水系統(tǒng)模式; 地下水開(kāi)發(fā)利用; 黔東北高原斜坡

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在中國(guó)西南云貴地區(qū), 裸露巖溶地貌集中連片分布, 豐富的降水導(dǎo)致巖溶發(fā)育強(qiáng)烈, 地下水主要埋藏于地下河溶洞和管道中(盧耀如等, 2006), 袁丙華等最新的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示西南巖溶地區(qū)地下河有3066條(袁炳華, 2007; 蒲俊兵, 2013)。在云貴高原向周邊廣西、四川過(guò)渡的高原斜坡山區(qū), 深切河谷構(gòu)成地下水排泄基準(zhǔn)面, 地下水水位埋深大, 大部分地表水迅速補(bǔ)給地下水(章程, 2000)。“人在樓上,水在樓下”(謝運(yùn)球等, 2002)的結(jié)構(gòu)特征導(dǎo)致干旱缺水、水土流失、石漠化成為最突出的水文地質(zhì)問(wèn)題(蔣忠誠(chéng)等, 2008)。裂隙和管道的含水介質(zhì)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致儲(chǔ)存空間分布和相互間連通高度不均勻(袁道先, 1977, 1982; 陳文俊等, 1981), 給地下水資源的勘探開(kāi)發(fā)帶來(lái)了極大的困難, 此類(lèi)地區(qū)的成井率一直徘徊在30%左右(王宇, 2006; 朱慶俊等, 2011)。2009 —2010年, 西南大旱巖溶地區(qū)抗旱找水的鉆孔多位于富水的蓄水構(gòu)造地區(qū), 成井率提高到了 80%以上(甘伏平等, 2011)。

21世紀(jì), 環(huán)境保護(hù)、可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)成為人們關(guān)注的熱點(diǎn), 從系統(tǒng)的角度研究分析地下水更有利于地下水資源的保護(hù)、勘探和開(kāi)發(fā)(袁道先等, 2008)。開(kāi)展巖溶地下水系統(tǒng)模式的歸納總結(jié)對(duì)即將展開(kāi)的基礎(chǔ)水工環(huán)調(diào)查工作具有重要的指導(dǎo)意義。巖溶地下水系統(tǒng)模式的歸納總結(jié)作為區(qū)域巖溶水文地質(zhì)的內(nèi)容, 脫胎于早期的蓄水構(gòu)造。早在20世紀(jì) 70年代, 劉光亞先生對(duì)基巖地下水各種蓄水構(gòu)造進(jìn)行過(guò)系統(tǒng)研究(劉光亞, 1979), 胡寬瑢等(2000)從地質(zhì)構(gòu)造、含水層富水性和水化學(xué)方面對(duì)蓄水構(gòu)造的劃分和水資源分布特點(diǎn)進(jìn)行了論述。中國(guó)的水文地質(zhì)學(xué)家們對(duì)北方巖溶水系統(tǒng)的歸納總結(jié)較為豐富且全面, 廖資生(1978)從地質(zhì)結(jié)構(gòu)與巖溶水排泄條件方面對(duì)巖溶水蓄水構(gòu)造基本類(lèi)型進(jìn)行了闡述, 韓行瑞等(1993)在考慮環(huán)境水文地質(zhì)條件和地質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上將北方巖溶水系統(tǒng)劃分出 11個(gè)模式, 之后, 梁永平等(2005, 2010)從巖溶水系統(tǒng)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)與巖溶水流場(chǎng)的疊置關(guān)系兩大要素出發(fā), 將巖溶水系統(tǒng)歸納總結(jié)為5個(gè)模式; 但對(duì)南方巖溶地下水系統(tǒng)模式的研究較少, 多側(cè)重于某條地下河,易連興(1996)、楊劍明等(1996)、李景陽(yáng)等(1998)、張強(qiáng)(2012)分別針對(duì)桂林寨底、貴州普定、貴州獨(dú)山皇后和重慶市青木關(guān)4條巖溶地下河系統(tǒng)開(kāi)展過(guò)專(zhuān)門(mén)的研究, 南方巖溶地下水系統(tǒng)的歸納總結(jié)方面,張之淦等(2000)對(duì)廣西來(lái)賓小平陽(yáng)地區(qū)的蓄水構(gòu)造類(lèi)型進(jìn)行了劃分, 并以此為例探討了中國(guó)南方巖溶地區(qū)蓄水構(gòu)造與巖溶地區(qū)找水的關(guān)系, 20世紀(jì)初,夏日元等針對(duì)中國(guó)南方巖溶地區(qū)不同的地形地貌條件, 探討了 4種地貌類(lèi)型條件下巖溶地下水水資源持續(xù)利用對(duì)策(夏日元等, 2003), 王宇(2002)、蔣忠誠(chéng)等(2006)從巖溶水文地質(zhì)條件的差異入手, 將西南巖溶地區(qū)巖溶水系統(tǒng)分為裸露型、裸露-覆蓋型、裸露-埋藏型、層控型和斷裂帶型。

西南抗旱找水的經(jīng)驗(yàn)提示, 從蓄水構(gòu)造的角度進(jìn)行歸納總結(jié)巖溶地下水系統(tǒng)可以很好地為地下水資源的勘探開(kāi)發(fā)服務(wù)。受氣象水文、地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造的影響, 巖溶發(fā)育的規(guī)模、巖溶地下含水結(jié)構(gòu)、巖溶地下水的賦存運(yùn)移與分布千差萬(wàn)別, 本文選取黔東北斜坡地區(qū), 進(jìn)行巖溶水系統(tǒng)模式的歸納總結(jié), 并探討典型巖溶水系統(tǒng)模式的富水規(guī)律和巖溶水開(kāi)發(fā)利用方式。

1 區(qū)域水文地質(zhì)條件

黔東北地區(qū)位于黔中隆起向四川盆地過(guò)渡地帶, 區(qū)域構(gòu)造上主要表現(xiàn)為北北東向和北東向兩組構(gòu)造體系, 以形成于燕山期的北北東向構(gòu)造體系為主。寒武系、奧陶系、志留系、二疊系、三疊系地層分布廣泛, 區(qū)內(nèi)主要的巖溶含水層主要分布在寒武系、奧陶系、二疊系和三疊系碳酸鹽巖地層中, 奧陶系碎屑巖和志留系泥頁(yè)巖構(gòu)成區(qū)內(nèi)主要的隔水巖層。沉積環(huán)境的變異, 碳酸鹽巖和碎屑巖互層沉積,燕山運(yùn)動(dòng)使之褶皺, 再經(jīng)長(zhǎng)期侵蝕, 造成現(xiàn)今碳酸鹽巖與碎屑巖呈北北東向或北東向條帶分布(圖1)。

區(qū)內(nèi)河谷深切地貌、豐富的降水和碳酸鹽巖的連續(xù)分布為巖溶強(qiáng)烈發(fā)育提供了充分條件。河谷深切導(dǎo)致地下水排泄面低, 地下水水力坡度大, 地下水徑流迅速, 為巖溶發(fā)育提供了良好的水動(dòng)力條件;區(qū)內(nèi)多年平均降水量 1100~1400 mm, 豐富的降水為巖溶發(fā)育提供了充足的補(bǔ)給源; 寒武系、奧陶系、二疊系和三疊系碳酸鹽巖廣泛分布, 為巖溶強(qiáng)烈發(fā)育提供了良好的巖性條件。強(qiáng)烈的巖溶發(fā)育和河谷深切地貌導(dǎo)致地下水深埋且流動(dòng)迅速, 地下水流動(dòng)以裂隙流和管道流為主, 巖溶地下水系統(tǒng)被深切河谷切割的支離破碎, 大部分地區(qū)的地下水勘探和開(kāi)發(fā)極其困難。西南抗旱行動(dòng)大量打井成功的案例顯示: 在局部地區(qū)受到蓄水構(gòu)造的控制出現(xiàn)一些富水區(qū), 利于巖溶地下水勘探開(kāi)發(fā)。從地貌和蓄水構(gòu)造的角度進(jìn)行巖溶地下水系統(tǒng)的歸納總結(jié), 分析其水文地質(zhì)特征, 進(jìn)行地下水資源開(kāi)發(fā)利用方式的探討,對(duì)目前開(kāi)展的水文地質(zhì)調(diào)查解決缺水問(wèn)題具有重要實(shí)際意義。

圖1 黔東北研究區(qū)區(qū)域水文地質(zhì)圖Fig. 1 Hydrogeological map of the study area

深切河谷、碳酸鹽巖和碎屑巖互層沉積、寒武系婁山關(guān)組白云巖的廣泛出露成為控制研究區(qū)區(qū)域水文地質(zhì)特征的主要因素。地下河出口、巖溶泉作為巖溶地下水系統(tǒng)的排泄點(diǎn), 受深切河谷和蓄水構(gòu)造的控制, 分布特點(diǎn)和出露原因有一定規(guī)律可循,所代表的巖溶地下水系統(tǒng)的水文地質(zhì)特征亦表現(xiàn)出一定的相似性。研究區(qū)內(nèi)的地下河出口、巖溶泉70%出露于深切河谷岸邊(表 1), 其原因?yàn)樯钋泻庸蓉灤┘兓規(guī)r地層時(shí), 深切河谷構(gòu)成地下水排泄面且純灰?guī)r巖溶發(fā)育強(qiáng)烈。此種類(lèi)型的地下水系統(tǒng)地下水流迅速且集中, 介質(zhì)類(lèi)型以溶洞管道為主, 泉水流量豐枯季變化超過(guò)10倍。深切河谷未貫穿的巖溶地下水系統(tǒng)受蓄水構(gòu)造特征的控制, 向斜、單斜和背斜地區(qū)巖溶地下水系統(tǒng)分別表現(xiàn)出一定的相似性。向斜軸部廣泛出露二疊系、三疊系石灰?guī)r地層, 蓄水條件良好, 其下伏志留系泥頁(yè)巖構(gòu)成隔水層, 高位巖溶大泉和地下河發(fā)育, 兩側(cè)碎屑巖地層構(gòu)成隔水邊界, 巖溶地下水系統(tǒng)邊界清楚; 奧陶系志留系石灰?guī)r零星分布的單斜碎屑巖夾層灰?guī)r中, 巖溶含水層薄, 蓄水條件差, 在石灰?guī)r與碎屑巖接觸地帶往往分散出露接觸泉, 流量一般小于 10 L/s, 巖溶水系統(tǒng)規(guī)模小; 背斜軸部出露寒武系中上統(tǒng)白云巖古老地層, 擠壓變形導(dǎo)致巖層滑脫破碎, 巖溶泉數(shù)量多且分散, 此類(lèi)巖溶地下水系統(tǒng)地下含水介質(zhì)相對(duì)均勻且富水。

2 巖溶地下水系統(tǒng)模式類(lèi)型及分布特征

研究區(qū)內(nèi)主要的地下水排泄點(diǎn)(地下河出口、巖溶大泉)形成機(jī)制和排泄特征表現(xiàn)出一定的規(guī)律性,其代表的巖溶地下水系統(tǒng)的地下水賦存特征、循環(huán)過(guò)程、水化學(xué)和開(kāi)發(fā)利用方式亦表現(xiàn)出一定相似性,筆者基于地貌和蓄水構(gòu)造將其歸納總結(jié)劃分為深切河谷型、向斜山地型、單斜夾層型和背斜槽谷型 4種巖溶地下水系統(tǒng)模式(表1)。分布出露特征如下:

深切河谷型巖溶地下水系統(tǒng):分布于烏江及支流深切河谷地帶, 深切的河谷貫穿碳酸鹽巖地層,構(gòu)成地下水排泄基準(zhǔn), 地下水排泄點(diǎn)出露于河谷岸邊, 導(dǎo)致兩側(cè)巖溶地下水逐漸向深切河谷岸邊富集排泄的巖溶地下水系統(tǒng)模式, 如圖2中D01、D02、 D04、D06、S01、S03。據(jù)統(tǒng)計(jì)區(qū)內(nèi)調(diào)查的61條地下河有43條排泄于深切河谷河床附近, 40處巖溶泉中21個(gè)出露于深切河谷附近(表 1), 為區(qū)內(nèi)最常見(jiàn)的巖溶地下水系統(tǒng)模式。

圖2 印江縣長(zhǎng)堡鄉(xiāng)附近深切河谷型模式水文地質(zhì)圖Fig. 2 Hydrogeological map of deep valley pattern near Changbao Town of Yinjiang County

圖3 沿河縣高山鄉(xiāng)附近向斜山地型模式水文地質(zhì)圖Fig. 3 Hydrogeological map of syncline mountain land pattern near Gaoshan Town of Yanhe County

向斜山地型巖溶地下水系統(tǒng)模式:在向斜軸部地區(qū), 受到兩側(cè)擠壓作用的影響, 上部巖層緊密,下部巖層發(fā)育放射狀裂隙(閆長(zhǎng)紅等, 2008), 導(dǎo)致本區(qū)向斜構(gòu)造的地形地貌往往以山地為主。受地層巖性上下展布形態(tài)的控制, 上伏強(qiáng)巖溶化地層巖溶地下水遇下伏弱巖溶化或碎屑巖地層, 下伏地層構(gòu)成相對(duì)隔水層, 地下水以高位地下河出口或巖溶泉(圖3中D02、D07)的形式出露地表, 巖溶地下水系統(tǒng)隔水底板清楚明確。從研究區(qū)內(nèi)出露的層位特征來(lái)看, 高位地下河出口和巖溶泉主要分布于二疊系灰?guī)r與志留系泥巖、三疊系嘉陵江組第三段灰?guī)r和第二段泥巖交界部位。

表1 不同巖溶地下水系統(tǒng)類(lèi)型地下河出口、巖溶泉統(tǒng)計(jì)一覽表Table 1 Different enrichment patterns of karst groundwater in the study area

單斜夾層型巖溶地下水系統(tǒng)模式:碳酸鹽巖與碎屑巖互層沉積的單斜地區(qū), 巖溶含水層薄, 碎屑巖構(gòu)成隔水邊界, 巖溶地下水系統(tǒng)邊界清楚, 巖溶地下水系統(tǒng)排泄點(diǎn)出露于碎屑巖與碳酸鹽巖巖性接觸帶附近, 流量一般較小, 受季節(jié)影響豐枯季流量變化超過(guò)10倍。此類(lèi)巖溶地下水系統(tǒng)主要分布于奧陶系中上統(tǒng)至志留系地層中, 主要的巖溶含水層為奧陶系中統(tǒng)五峰組(O2w)和寶塔組(O3b)、志留系石牛欄組(S1sh)。

背斜槽谷型巖溶地下水系統(tǒng)模式:分布于背斜軸及其兩翼寒武系地層區(qū), 背斜核受到背斜兩翼巖層擠壓, 上部巖層發(fā)育放射狀裂隙, 下部巖層緊密,導(dǎo)致背斜地區(qū)地形地貌條件多以寬緩巖溶槽谷的負(fù)地形為主(屈偉等, 2009)。研究區(qū)內(nèi)背斜核部往往出露寒武系中上統(tǒng)婁山關(guān)組地層, 地層巖性表現(xiàn)為一套典型的白云巖地層, 相較于灰?guī)r, 巖溶弱發(fā)育,且白云巖巖層薄且脆, 受力易碎, 導(dǎo)致地下水呈網(wǎng)絡(luò)裂隙狀分布, 含水相對(duì)均勻, 巖溶含水介質(zhì)以孔洞裂隙為主, 巖溶泉、民井?dāng)?shù)量眾多。

3 巖溶地下水系統(tǒng)模式特點(diǎn)

基于地貌和蓄水構(gòu)造歸納的4類(lèi)巖溶地下水系統(tǒng)受地質(zhì)背景和成因機(jī)制相似的控制, 其水文地質(zhì)特點(diǎn)表現(xiàn)出一定的規(guī)律性, 分別闡述如下。

3.1 深切河谷型巖溶地下水系統(tǒng)模式

(1)巖溶地下水系統(tǒng)排泄點(diǎn)出露于深切河谷岸邊, 為區(qū)內(nèi)地下水的最終排泄點(diǎn), 流量一般較大。同時(shí)排泄點(diǎn)與兩側(cè)補(bǔ)給區(qū)高差一般大于 200 m, 水力坡度大, 巖溶地下水流動(dòng)迅速, 排泄集中, 其含水介質(zhì)類(lèi)型以巖溶管道為主, 快速的水流和巨大的高差往往導(dǎo)致在河谷附近會(huì)擊穿多個(gè)巖溶層位, 甚至?xí)⑤^薄的相對(duì)隔水碎屑巖擊穿, 成為這類(lèi)巖溶地下水系統(tǒng)的顯著特點(diǎn)。

(2)受巖溶地下水流動(dòng)迅速, 水循環(huán)交替強(qiáng)烈的影響, 枯季無(wú)外源水補(bǔ)給的條件下, 此類(lèi)巖溶地下水大部分水質(zhì)良好, 對(duì)地下河出口和巖溶泉共 57個(gè)進(jìn)行采樣分析, NO3–評(píng)價(jià)結(jié)果顯示, 共有32個(gè)III類(lèi)和IV類(lèi)水, 無(wú)V類(lèi)水, 其余全為I類(lèi)和II類(lèi)水。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示, 32個(gè)III類(lèi)和IV類(lèi)地下水中該模式占4個(gè)(表1), 水化學(xué)類(lèi)型以HCO3-Ca型為主, 局部地區(qū)受三疊系地層中溶塌角礫白云巖和白云巖中石膏層膏溶作用影響變化為HCO3·SO4-Ca。

(3)深切河谷附近地下水水力坡度大, 排泄集中,水位埋深大, 對(duì)2003年至2012年西南典型巖溶流域水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目中此類(lèi)地區(qū)的鉆井進(jìn)行統(tǒng)計(jì), 顯示在此類(lèi)地區(qū)打井成井率低于 30%, 地下水開(kāi)采建議為抽提天窗或地下河出口中的水源,甚至堵洞成庫(kù)(李兆林等, 2001), 但此類(lèi)建設(shè)成本高,地下水開(kāi)發(fā)利用難度大。

圖4 沿河縣高山鄉(xiāng)附近向斜山地型模式縱剖面AA’(剖面位置見(jiàn)圖3)Fig. 4 Longitudinal section AA’ of syncline mountain land pattern near Gaoshan Town of Yanhe County (for the section location see Fig. 3)

圖5 沿河縣高山鄉(xiāng)附近向斜山地型模式橫剖面圖BB’(剖面位置見(jiàn)圖3)Fig. 5 Transverse section BB’ of syncline mountain land pattern near Gaoshan Town of Yanhe County (for the section location see Fig. 3)

3.2 向斜山地型巖溶地下水系統(tǒng)模式

(1)巖溶地下水系統(tǒng)在向斜兩翼出露隔水層, 與下伏巖層一起構(gòu)成巖溶水系統(tǒng)隔水邊界, 巖溶水系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立且完整, 邊界條件清楚, 地下河出口和巖溶大泉以全排型為主(圖4, 圖5)。

(2)受到巖石層面的控制, 巖溶地下水沿層面自?xún)梢硐蛳蛐焙瞬繀R集, 匯水條件好, 且二疊系至三疊系碳酸鹽巖連續(xù)分布, 含水層厚度大, 往往發(fā)育流量較大的地下河出口或巖溶大泉。

(3)山區(qū)人群分散, 污染源少, 導(dǎo)致地下水水質(zhì)條件良好, 水樣分析結(jié)果顯示, 該模式巖溶地下水系統(tǒng)排泄點(diǎn)水質(zhì)級(jí)別均為Ⅰ類(lèi)或Ⅱ類(lèi)水(表 1); 含水巖組以二疊系和三疊系灰?guī)r為主, 地下水化學(xué)類(lèi)型以HCO3-Ca型為主, 局部地區(qū)受膏溶作用影響變化為HCO3·SO4-Ca。

(4)地下河出口和巖溶大泉出露位置較高, 此類(lèi)模式地下水開(kāi)發(fā)利用直接引水即可, 開(kāi)發(fā)成本低,且地下河出口、巖溶大泉流量大, 常常成為重要集鎮(zhèn)的飲用水源。

3.3 單斜夾層型巖溶地下水系統(tǒng)模式

(1)碳酸鹽巖與碎屑巖互層地質(zhì)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致巖溶地下水系統(tǒng)封閉且完整, 碎屑巖地層一般構(gòu)成隔水邊界, 同時(shí)受到碳酸鹽巖厚度和匯水范圍的影響,巖溶水系統(tǒng)規(guī)模和巖溶泉流量較小, 泉水流量一般小于10 L/s。

(2)碳酸鹽巖與碎屑巖不同的組合特征, 巖溶形態(tài)的發(fā)育亦不相同。碳酸鹽巖覆蓋于碎屑巖地層之上時(shí), 在地層接觸帶地層翹起端易發(fā)育落水洞等巖溶補(bǔ)給區(qū)的巖溶形態(tài)(圖6中L05、L06、L07, 圖7 中 L02、L05), 而在地層接觸帶地層下降端易出露接觸性下降泉(圖6和圖7中S03); 碎屑巖覆蓋于碳酸鹽巖底層之上時(shí), 在地層接觸帶附近易出露接觸性上升泉(圖6和圖7中S02)。

(3)碳酸鹽巖與碎屑巖不同的組合特征, 巖溶泉出露特征不同, 主要表現(xiàn)為隔水型和阻水型2種類(lèi)型。相對(duì)隔水碎屑巖覆蓋于碳酸鹽巖地層之上時(shí),巖溶地下水徑流受到上伏巖層的阻攔, 泉水出露,微承壓, 變現(xiàn)為上升泉(圖6和圖7中S02), 下伏碳酸鹽巖地層儲(chǔ)水條件良好, 往往成為打井找水有利靶區(qū); 碳酸鹽巖覆蓋于相對(duì)隔水碎屑巖巖層之上時(shí),碳酸鹽巖巖溶水遇到下伏相對(duì)隔水碎屑巖阻隔, 泉水出露, 表現(xiàn)為接觸性下降泉(圖6和圖 7中 S03),下伏地層為隔水碎屑巖巖層, 含水匱乏。

圖6 印江縣長(zhǎng)堡鄉(xiāng)附近單斜夾層型模式水文地質(zhì)圖Fig. 6 Hydrogeological map of monoclinic interlayer pattern near Changbao Town of Yinjiang County

圖7 印江縣長(zhǎng)堡鄉(xiāng)附近單斜夾層型模式剖面圖(剖面CC’位置見(jiàn)圖6)Fig. 7 Geological section of monoclinic interlayer pattern near Changbao Town of Yinjiang County (see Fig. 6 for the location of section CC’)

(4)巖溶地下水徑流主要受到巖層傾向和走向的控制, 同時(shí)受到阻水和隔水碎屑巖的制約, 地下水水力坡度小, 流速相對(duì)較慢, 水循環(huán)交替緩慢,受到附近人類(lèi)活動(dòng)影響, 水質(zhì)相對(duì)較差, 統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示, 32個(gè)Ⅲ類(lèi)和Ⅳ類(lèi)地下水中該模式占 9個(gè)(表1)。碳酸鹽巖和碎屑巖夾層的組合特征, 導(dǎo)致巖溶地下水受到大量碎屑巖地表溝水補(bǔ)給, 地下水化學(xué)類(lèi)型以HCO3-Ca·Na型為主。

(5)此種類(lèi)型巖溶地下水天然露頭以巖溶泉為主。巖溶泉流量較小, 隔水型巖溶泉建議開(kāi)發(fā)方式以引水或抽提為主, 成本較小, 開(kāi)發(fā)便利; 阻水型巖溶泉建議開(kāi)發(fā)方式以抽提為主, 在適當(dāng)?shù)貐^(qū)可鉆井取水。

3.4 背斜槽谷型巖溶地下水系統(tǒng)模式

(1)此類(lèi)巖溶地下水系統(tǒng)背斜核部出露寒武系白云巖地層, 巖層薄且?guī)r性脆, 受兩側(cè)擠壓巖石易碎, 裂隙成網(wǎng)格狀密集發(fā)育, 地下水水力聯(lián)系密切,與灰?guī)r地層相比較, 含水相對(duì)均勻成為此種模式的顯著特點(diǎn)。

(2)背斜兩翼碎屑巖構(gòu)成隔水邊界, 巖溶地下水系統(tǒng)邊界相對(duì)清楚(圖 8, 圖 9), 下伏白云巖巖層為含水層, 谷地內(nèi)巖溶泉數(shù)量眾多, 多為非全排型,部分地下水以地下潛流形式徑流排泄。

(3)地下水徑流以裂隙流和散流型為主。背斜兩翼巖層擠壓變形, 平行于背斜軸部發(fā)育縱張裂隙較發(fā)育, 構(gòu)成巖溶地下水的主徑流帶; 受巖石層面影響, 地下水自背斜核部向翼部徑流排泄, 在背斜翼部巖性接觸帶附近常常發(fā)育一系列巖溶泉。

(4)此類(lèi)背斜槽谷內(nèi)人群密集, 地下水污染源多,且地下水面狀分布, 地下水徑流和水循環(huán)交替緩慢,地下水水質(zhì)在4類(lèi)巖溶地下水富集模式中水質(zhì)最差,統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示, 32個(gè)Ⅲ類(lèi)和Ⅳ類(lèi)地下水中該模式占19個(gè)(表 1); 受到白云巖巖性控制, 地下水化學(xué)類(lèi)型以HCO3-Ca和HCO3-Ca·Mg為主。

圖8 沿河縣官舟鎮(zhèn)附近背斜槽谷型模式水文地質(zhì)圖Fig. 8 Hydrogeological map of anticlinal aulacogen near Guanzhou Town of Yanhe County

(5)寬緩槽谷構(gòu)成的負(fù)地形導(dǎo)致該模式地下水水位埋深較淺, 地下水呈面狀分布, 白云巖的巖溶孔洞裂隙為地下水的賦存提供了良好的儲(chǔ)水條件,往往成為打井找水的有利靶區(qū), 對(duì) 2006年以來(lái)該區(qū) 150余個(gè)鉆孔進(jìn)行統(tǒng)計(jì), 成井率 90%以上, 開(kāi)發(fā)利用方式建議以引抽提巖溶泉和鉆井取水為主。

4 結(jié)論

基于地貌和蓄水構(gòu)造將研究區(qū)巖溶水系統(tǒng)模式歸納為河谷深切型、向斜山地型、單斜夾層型和背斜槽谷型 4類(lèi)巖溶地下水系統(tǒng)模式, 受巖溶地下水系統(tǒng)形成區(qū)域地質(zhì)背景的影響, 深切河谷型地下水系統(tǒng)模式地下水以快速管道流為主, 水力坡度大,勘探成井率低于 30%, 地下水開(kāi)發(fā)利用方式建議抽提地下河出口或天窗中水; 向斜山地型巖溶地下水系統(tǒng)受下伏隔水層控制形成高位巖溶泉或地下河,直接引水, 開(kāi)發(fā)成本少且便利; 單斜夾層型巖溶地下水系統(tǒng)巖溶含水層薄, 在巖性接觸帶附近往往出露接觸泉, 地下水開(kāi)發(fā)利用方式建議直接抽水, 局部地區(qū)可鉆探取水; 背斜槽谷型巖溶地下水系統(tǒng)背斜軸部出露寒武系白云巖地層, 地下含水均勻且富水, 成為勘探有利靶區(qū), 可鉆井或抽提泉水。受人類(lèi)活動(dòng)和地下水循環(huán)交替速度的影響, 地下水水質(zhì)由好到差依次為向斜山地型、深切河谷型、單斜夾層型、背斜槽谷型。

深切河谷型巖溶水系統(tǒng)模式主要受到地形地貌條件的控制, 向斜山地型、單斜夾層型和背斜槽谷型 3種巖溶水系統(tǒng)模式主要受到蓄水構(gòu)造的控制,同時(shí)受到巖性條件制約。深切河谷型作為高原斜坡巖溶地區(qū)最常見(jiàn)的巖溶地下水系統(tǒng)排泄模式, 最能代表該區(qū)巖溶地下水集中徑流排泄的特點(diǎn), 尤其在地下水的開(kāi)發(fā)利用方面受深切割地形的影響, 開(kāi)發(fā)難度極大, 可將其先區(qū)分出來(lái), 剩余巖溶地下水系統(tǒng)模式再根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造特征進(jìn)行劃分。考慮到巖溶發(fā)育是巖性、構(gòu)造、地貌等多種條件的共同作用, 本次巖溶水系統(tǒng)的劃分主要考慮地下水排泄面、巖溶水賦存徑流的主控因素, 明確反映了裸露高原斜坡山區(qū)不同巖溶水系統(tǒng)模式的水文地質(zhì)特征。

圖9 沿河縣官舟鎮(zhèn)附近背斜槽谷型模式剖面圖(剖面DD’位置見(jiàn)圖8)Fig. 9 Geological section of anticlinal aulacogen near Guanzhou Town of Yanhe County (see Fig. 8 for the location of section DD’)

致謝: 貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局、貴州省地質(zhì)調(diào)查院、貴州地質(zhì)工程勘察院(111地質(zhì)隊(duì))、貴州省地礦局第二工程勘察院(114地質(zhì)隊(duì))在野外工作中給予了極大的幫助并提供了大量的基礎(chǔ)資料, 中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所梁永平研究員對(duì)本文巖溶水系統(tǒng)模式劃分進(jìn)行了指導(dǎo), 審稿專(zhuān)家和編輯對(duì)本文提出了寶貴的意見(jiàn), 謹(jǐn)此表示誠(chéng)摯的感謝！

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The Patterns and Characteristics of Four Karst Groundwater Systems in Northeast Guizhou Slope Zone Based on the Landscape and Reservoir Structure

PAN Xiao-dong1, 2, 3), LIANG Xing1), TANG Jian-sheng2, 3)*, SU Chun-tian2, 3), MENG Xiao-jun2, 3)

1) China University of Geosciences(Wuhan), Wuhan, Hubei 430074; 2) Karst Dynamics Laboratory, Ministry of Land and Resources, Institute of Karst Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Guilin, Guangxi 541004; 3) International Research Center on Karst under the Auspices of UNESCO, Guilin, Guangxi 541004

Controlled by deep valleys, karst groundwater level is very deep in most places and the groundwater is excreted along river shore in northeast Guizhou area. The groundwater mainly flows rapidly in pipeline and crack forms, and hence the exploration of groundwater resources is rather difficult; nevertheless, there are also some groundwater enrichment zones controlled by water storage structure. Based on geomorphologic characteristics and geological structure of groundwater storage, the authors summed up the karst groundwater system into four patterns, namely deep valley, syncline mountain land, monoclinic interlayer, and anticlinal aulacogen. For deep valley type, groundwater hydraulic slope is mostly rather steep, and the groundwater is mostly flows rapidly inpipeline form with low level discharge, and hence the exploration should adopt the method of pumping from underground driver outlet and skylight; in large economic benefit area, a reservoir could be built by plugging the hole. For syncline mountain land type, many karst springs and underground river outlets are usually formed in higher position with high level discharge and therefore directly diverting water is the best way. For monoclinic interlayer type, many springs are formed along lithologic boundaries, so we can pump karst springs for direct utilization and can also drill water in local area affected by the roof and bottom of the intercalated bed. For anticlinal aulacogen, a lot of dolomites are distributed near the anticline and aquifer is thick and, therefore, the aquifer has great uniform thickness; in addition, there exist a lot of non all-discharge springs in the karst groundwater system; therefore pumping and drilling seem to be the suitable ways to exploit and develop groundwater.

karst water; patterns of groundwater system; groundwater exploitation and development; northeast Guizhou slope zone

P641.134; P641.8

A

10.3975/cagsb.2015.01.10

本文由中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局國(guó)土資源大調(diào)查項(xiàng)目“西南典型巖溶流域水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查”(編號(hào): 1212011220950)和“烏蒙山區(qū)水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查”(編號(hào): 12120113052500)聯(lián)合資助。

2014-04-30; 改回日期: 2014-08-07。責(zé)任編輯: 魏樂(lè)軍。

潘曉東, 男, 1984年生。博士研究生, 助理研究員。長(zhǎng)期從事巖溶水文地質(zhì)方面的研究。通訊地址: 541004, 廣西壯族自治區(qū)桂林市七星路50號(hào)。電話(huà): 0773-5813042。E-mail: panxiaodong@karst.ac.cn。

*通訊作者: 唐建生, 男, 1957年生。博士, 研究員。主要從事巖溶水文地質(zhì)、巖溶地球化學(xué)方面的研究。通訊地址: 541004, 廣西壯族自治區(qū)桂林市七星路50號(hào)。電話(huà): 0773-5837279。E-mail: tangjiansheng@karst.ac.cn。