2. 山东众成岩土工程有限公司, 山东 烟台 264000
2. Shandong Zhongcheng Geotechnial Engineering Limited Company, Yantai 264000, Shandong, China
0 引言
占据全球陆地表面积12%的岩溶含水层，存储着世界上20%~25%的人口赖以生存的水资源[1]。在地中海、东南亚、澳大利亚等地区和国家，岩溶含水层已成为最主要的地下水开采目的层[2]。在国内，以碳酸盐岩为主的岩溶含水层分布面积近344×104 km2，蕴藏了2 034.24×108 m3/a的地下水资源，其在支撑服务国民经济建设中发挥着重要作用[3]。据统计，岩溶地下水作为饮用及生产生活水源供给着我国北方30多个地级以上城市、100多个县级城市、数十个大中型火电厂、70%以上大型煤矿，以及南方70%以上县城、乡镇、村屯使用[4-5]。
与孔隙或裂隙含水层相比，岩溶含水层及地下水赋存更易受岩溶介质环境(特别是孔隙度和渗透率)非均一性影响，而具有其特殊的表现形式。按岩溶空隙中地下水赋存及连通性特征，岩溶介质又可划分成未破裂基岩内的粒间孔隙、连通的岩层面和节理面、岩溶管道3种类型[1, 6]，岩溶介质的非均一性又受岩性及周围构造因素影响。大多数学者认为，现今大部分裸露及埋藏区碳酸盐岩在地质历史时期便已发生溶蚀作用[7]。地质构造对岩溶发育的控制作用一直是岩溶研究领域的重点，其对岩溶地下水及岩溶发育的影响是通过由应力场引起的岩体破裂和变形表现出来的[8-9]，因此地质历史时期构造运动特征及构造活动与现今岩溶及地下水赋存规律存在着密切联系。由于新构造运动的发生时间距人类活动最近，与人类的关系最为紧密[10]，长期以来，水文地质工作者较多关注了新构造运动对岩溶形态发育及岩溶地下水控制作用[11-13]。相比较之下，早期构造运动及构造样式与地下水关系研究相对较少。
近年来，中国地质调查局在鲁中山区部署了近20个标准图幅的1∶5万水文地质调查工作，在岩溶水文地质条件、区域构造与岩溶发育特征等方面取得了重要进展[9, 14]。本文通过野外实际调查工作，结合鲁中山区中生代以来构造活动及岩浆活动特征，从水文地质角度探讨了其对现今岩溶地下水赋存规律的控制作用，以期为鲁中山区地下水富集规律总结和岩溶水文地质理论研究提供借鉴。
1 研究区概况 1.1 地质构造与地层岩性鲁中山区是指位于山东省中部的中低山丘陵区，面积4.1×104 km2，构造位置属于鲁西隆起区，以聊城—兰考断层和齐河—广饶断层与华北坳陷为界[15]。区内主要发育NEE和NW向断层组合，以夏张断层、徂徕山断层为代表的NE或NEE向断层多表现为高角度走滑断层性质，以大王庄—铜冶店断层、新泰—垛庄断层等为代表的NW向断层主要表现为犁式正断层性质，并与NEE向断层一起控制了莱芜盆地、汶口盆地、蒙阴盆地等中、新生代沉积盆地的发育[16]。盆地内部发育了一套巨厚的古近系官庄群碎屑岩地层[17]，盆地下部及邻侧沉积了下寒武统朱砂洞组至奥陶系马家沟群大厚度碳酸盐岩，盆地周边及基底岩性为太古宙所形成的变质花岗岩类[18]。此外，莱芜盆地内部出露不同规模的燕山期闪长岩体(图 1)。
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| F1. 大王庄—铜冶店断层; F2. 泰安—口镇断层; F3. 石门官庄—沙王庄断层; F4. 文祖断层; F5. 博山断层; F6. 新泰—垛庄断层; F7. 徂徕山断层; F8. 汶口断层; F9. 南留断层; F10. 夏张断层; F11. 肥城断层。①矿山岩体; ②角峪岩体; ③金牛山岩体; ④铁铜沟岩体。 图 1 鲁中山区构造及水文地质图 Fig. 1 Tectonics and hydrogeological map of the central mountain area of Shandong Province |
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鲁中山区是中国北方温带半干旱岩溶区中具有代表性的地区之一，地貌上属于泰沂山区，地势总体东北高，西南低，山区中部为莱芜、大汶口等山间盆地地貌，盆地外围为低山丘陵地貌类型。区内多年平均降水量为760.0 mm，具有丰水年、枯水年交替出现，降水及水资源量年际变化幅度大的现象。岩溶水资源表现出分布的不均匀性和大面积分散补给而局部富集等特征[19]。区内各类型含水岩组均有分布：断陷盆地北部的太古宙变质花岗岩类分布区富水性弱，多为风化裂隙水，地下水以潜流的形式向南汇入盆地；断陷盆地南部为下古生界组成的单斜断块，单斜断块南部是以太古宙变质花岗岩类为主的地下水补给区，单斜断块中部是以寒武系—奥陶系碳酸盐岩分布的地下水补给径流区，水位埋深大，单斜断块北部到山前碳酸盐岩隐伏区，为强富水的奥陶系碳酸盐岩含水层；盆地内部，下伏弱富水的石炭系—二叠系、白垩系和古近系碎屑岩含水岩组[20]；系闪长岩体外围碳酸盐岩区分布有枣园、叶马槽水源地和吴小庄富水地段。
2 中生代构造运动特征 2.1 构造变形机制及样式中生代是华北地区重要的构造变革与转型时期，现今鲁中山区所属的鲁西地块受地质历史时期欧亚板块挤压拼接、太平洋板块俯冲碰撞及沂沭断层带持续活动的影响，中生代经历了印支、燕山运动多期次、多幕式的演化过程[21-22]。印支期运动是中国东部一个重要的构造转折时期，三叠纪时期华北板块与扬子板块碰撞，导致鲁西地块在NE—SW向挤压应力场作用下，形成一系列NEE至EW向宽缓-紧闭褶皱及逆掩断层[21, 23]。
随着印支运动的持续效应减弱，早—中侏罗世，华北地区东部受太平洋板块俯冲效应增强，进入燕山旋回构造演化阶段。前人[24-25]研究认为，燕山运动为侏罗纪、白垩纪期间广泛发育于中国全境的构造运动，是中国东部历次地质事件中最重要的、压倒一切的构造运动，奠定了中国主要大地构造单元及地貌轮廓。根据区域地质调查结果，鲁西地区共经历了燕山期两幕压性构造活动和一幕张性构造活动，分别形成NE或NNE轴向的宽缓箱状褶皱、NE和NNE向逆冲断层，以及NWW或NW向张性断层[26]。中生代多期次、多幕式的构造活动主要表现为鲁中山区典型盆-山结构的形成、大规模岩浆侵入活动及区域伸展滑脱作用。
2.2 盆-山结构形成鲁西地块在中生代经历了早—中侏罗世、晚侏罗世—早白垩世和晚白垩世3个成盆期。晚侏罗世以来，幔源岩浆热穹窿作用使得鲁西地区构造背景以NS向伸展活动为主，沿早期NEE向断层面下滑、掀斜，形成了NNW向展布的中生代地堑和半地堑盆地[21, 27-28]。
晚侏罗世，鲁中山区中生代盆地由北而南陆续沉积了紫红色砂砾岩与砂岩互层的三台组(图 2)，至此，鲁西隆起区盆-山相间的构造格局基本形成。早白垩世，鲁西地块总体处于NW—SE向挤压背景的近NS向局部伸展环境中，鲁中山区断陷盆地内部沉积了由杂色角砾岩、砂砾岩夹泥岩组成的蒙阴组。盆地内部及两侧火山活动活跃异常，火山间歇式喷发与陆相沉积作用交替混合堆积[29]，形成青山组、八亩地组安山岩、安山质火山角砾岩。晚白垩世，鲁西地块成盆作用显著减弱，主要继承了早期断陷盆地格局。总之，鲁西地块小规模断陷盆地在中生代受同期或后期构造改造，多期多型的盆地相互转化与叠加作用，形成了现今盆-山构造格局。由于构造发育及含水岩组分布特征相似，使得各断陷盆地之间成为独立的水文地质单元。
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| 图 2 鲁中山区岩性柱状图 Fig. 2 Lithologic histogram of the central mountain area of Shandong Province |
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燕山运动的最大贡献在于产生了一系列直通地幔的深大断层，为地幔物质的上涌提供了通道[24]。鲁西隆起区中生代侵入岩分布广泛，类型多样，特别是鲁中山区莱芜盆地内部及盆缘位置共发育了矿山、角峪、金牛山、铁铜沟岩体等4处规模较大的闪长岩体(图 1、3)。其侵入寒武系—奥陶系碳酸盐岩地层，在钻孔中亦见其侵入石炭系—二叠系碎屑岩地层，被古近系陆相地层所覆盖。测年结果显示，莱芜盆地中生代侵入岩形成时代为(134±2)~(126±1)Ma[30]，形成于早白垩世，对应燕山运动中晚期。
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| a. 矿山岩体; b. 角峪岩体; c. 金牛山岩体。K1δ. 燕山期闪长岩; ∈3-4g. 寒武系崮山组。 图 3 研究区燕山期闪长岩侵入体 Fig. 3 Diorite intrusive bodies of the study area in Yanshanian |
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早白垩世(130~110 Ma)和始新世(43~37 Ma)的两次伸展运动，导致鲁西隆起区泰山—鲁山—沂山一带上覆在太古宇变质基底之上的寒武系碳酸盐岩盖层沿着区域构造薄弱带—角度不整合面发生重力滑脱及侧向伸展，形成区域性滑脱构造，构造带内不同位置岩层和岩体发育特有的应力形变, 表现为层间虚脱、小褶皱、碎裂岩等的形成(图 4)[9, 27]。
笔者通过鲁中山区玉泉寺、九龙庄、乐义庄、东杨村滑脱构造带4个野外调查点地质特征的详细观测工作，结合前人已完成的张夏—垛庄、寨子南—金斗、刘杜村滑脱构造带的观测资料[31]，总结得出鲁中山区沿太古宇/寒武系不整合面发育的滑脱构造带具有如下特征：1)滑脱方向多沿NNE向，滑脱面总体产状平缓；2)滑脱构造带内岩石发生不同程度的破碎或揉皱(图 5a)，形成厚度20~80 cm不等的揉皱带或碎裂岩带(图 5b)；3)由于岩层能干性差异，在滑脱构造揉皱带能干性强的薄层碳酸盐岩褶皱转折端形成层间虚脱(图 5c)；4)下寒武统朱砂洞组底部岩层由于重力卸载作用多顺层形成不同规模的层间虚脱，部分层间虚脱被燕山期闪长玢岩侵入体充填(图 5d)。
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| a. 不整合面上的揉皱(新泰市乐义庄); b. 碎裂岩(莱芜市九龙庄); c. 层间虚脱(沂源县陡起峪村); d. 被燕山期闪长玢岩充填的下寒武统朱砂洞组层间虚脱(沂源县胡家台村)。 图 5 鲁中山区寒武系-太古宇滑脱构造特征 Fig. 5 Characteristics of the decollement structures along the Cambrian-Archaeozoic unconformity surface observed in the central mountain area of Shandong Province |
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构造演化控制着地层岩性的分布特征，形成区内多种含水岩组及岩溶水系统类型[32]。前人根据含水岩组岩层产状、走向与地下水流向关系对我国北方岩溶水系统划分为顺置式、逆置式、平置式及碎块式4种模式[33]。笔者根据鲁中山区中、新生代断陷盆地盆-山结构特征，以莱芜盆地南部新甫山凸起和盆地北部泰山凸起为例，结合盆地周边96口钻孔及饮水井调查数据及水化分析数据，对岩溶水系统特征进行分类统计(表 1、图 6)。结果表明：顺置式岩溶地下水系统接受大气降水及南部变质岩区基岩裂隙水补给，经寒武系碳酸盐岩夹碎屑岩及奥陶系碳酸盐岩长径流向北部牟汶河排泄，地下水径流方向与岩层倾向一致，由于系统内部含水岩组类型多样化，其水化学性质较为复杂。逆置式岩溶水系统内部，含水岩组类型相对顺置式较为单一，岩溶地下水接受大气降水的补给，根据调查钻孔水位统测数据判断，岩溶地下水沿着岩石层面裂隙、断层接触带等向南低洼渠道短径流排泄，地下水径流方向由北向南，水文地质条件相对单一，在“内弧”断层附近碳酸盐岩与古近系地层接触位置，多存在岩溶地下水潜流补给第四系孔隙水的情况。受莱芜盆地南北两侧含水岩组类型及径流长度差异影响，两侧水化学特征不尽相同。
| 岩溶水系统模式 | 顺置式 | 逆置式 |
| 构造位置 | 盆地南部，石门官庄—沙王庄断层以南 | 盆地北端，“内弧”断层与“外弧”断层之间 |
| 含水岩组时代及岩性 | 朱砂洞组(∈2z)、馒头组(∈2-3m)、张夏组(∈3z)，以及崮山组(∈3-4g)，主要岩性为碳酸盐岩夹碎屑岩；炒米店组(∈4O1c)、三山子组(O1s)、马家沟群(O2-3M)，主要岩性为碳酸盐岩 | 炒米店组(∈4O1c)、三山子组(O1s)、马家沟群(O2-3M)，主要岩性为碳酸盐岩 |
| 岩溶地下水补排条件 | 变质岩区裂隙水、降水入渗；人工开采、矿坑排水 | 变质岩区裂隙水、降水入渗；人工开采 |
| 水化学性质 | HCO3·SO4-Ca、HCO3·SO4-Ca·Mg型；pH值为7.2~8.0；ρ(TDS)为350~900 mg/L | SO4·HCO3-Ca型；pH值为7.4~7.7；ρ(TDS)值为400~500 mg/L |
热液流体是指比周围环境高5 ℃以上的任何有关的水，“热液”可以是多种单一来源或混合来源，包括岩浆期后热液、被岩浆加热的层间水、被加热的下渗大气淡水等[34-35]。与岩浆-火山活动有关的热液流体通常富含CO2和H2S等酸性成分，能对碳酸盐岩产生明显的溶蚀作用[36]。国外对热液流体成矿作用的研究较多，而对热液与碳酸盐岩次生溶蚀之间的研究较少，国内对于热液溶蚀较为系统的研究也仅限于石油地质储层改造领域，水文地质领域鲜有涉及[37-38]。
前文所述，鲁中山区莱芜盆地在燕山期形成了矿山、金牛山岩体等4处规模较大的闪长岩体，在岩体外围奥陶系碳酸盐岩区多形成地下水富集块段。笔者基于矿区探孔及水文地质钻探资料，结合热液活动野外露头观测、碳酸盐岩化学组分采样，对莱芜盆地热液岩溶机理及其水文地质意义进行探讨。岩矿测试结果表明，矿山岩体外围马家沟群五阳山组、阁庄组、八陡组碳酸盐岩含水层中，构成方解石及白云石矿物组分的CaCO3和MgCO3加权平均质量分数分别为96.20%、94.94%、92.97%，组成陆源碎屑矿物及黏土矿物组分的SiO2、Al2O3等质量分数较低，平均质量分数均低于8.00%(表 2)。围岩较高的可溶组分构成了热液岩溶发育的物质基础[39]。
| 取样点位置 | 样品数 | 质量分数/% | 折算CaCO3+MgCO3质量分数/% | 样点地层岩性 | |||||||
| CaO | MgO | Al2O3 | SiO2 | 折算CaCO3 | 折算MgCO3 | 主要可溶组分 | 加权平均 | ||||
| 张家洼 | 12 | 46.50 | 7.14 | 0.26 | 1.49 | 83.03 | 14.99 | 98.02 | 96.20 | 马家沟群五阳山组(O2w) 含燧石结核灰岩 |
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| 谷家台 | 36 | 46.57 | 5.66 | 0.63 | 3.74 | 83.16 | 11.89 | 95.05 | |||
| 山子后 | 5 | 51.64 | 3.30 | 0.63 | 3.61 | 92.21 | 6.93 | 99.14 | |||
| 曹村 | 6 | 48.44 | 4.63 | 0.49 | 4.33 | 86.50 | 9.72 | 96.22 | |||
| 张家洼 | 32 | 43.15 | 8.64 | 0.73 | 3.63 | 77.05 | 18.14 | 95.19 | 94.94 | 马家沟群阁庄组(O2g) 细晶白云岩 |
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| 谷家台 | 8 | 36.47 | 13.73 | 1.80 | 6.85 | 65.13 | 28.83 | 93.96 | |||
| 张家洼 | 17 | 42.24 | 7.77 | 1.61 | 5.19 | 75.43 | 16.32 | 91.75 | 92.97 | 马家沟群八陡组(O2-3b) 微晶灰岩夹灰质白云岩 |
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| 谷家台 | 5 | 49.57 | 4.39 | 0.46 | 1.68 | 88.52 | 9.22 | 97.74 | |||
碳酸盐岩垂层裂隙中形成方解石矿脉(图 7a)直观证实了燕山期热液流体的上升；源自地壳深部的热液富含CO2及H2S等酸性物质，上升的热液与下渗冷的大气降水混合时，由于温度、矿化度、CO2等酸性流体压力差异会使得围岩发生混合溶蚀作用，形成有别于潜流带溶蚀特征(图 7b)的混合溶蚀洞穴(图 7c)。混合溶蚀洞穴多沿断层、深大裂隙分布，化学充填物由方解石和钙华为主，沿裂隙或洞穴可见矿质沉淀或交代, 呈浸染状、似层状产出(图 7d)。
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| a. 密集垂直分布的热液方解石脉(莱芜市枣园村北); b. 潜流带溶蚀洞穴(莱芜市枣园村北); c. 混合溶蚀洞穴(莱芜市枣园村北); d. 铁质浸染层面、层间裂隙(莱芜市枣园村北)。 图 7 金牛山岩体热液活动与碳酸盐热液溶解特征 Fig. 7 Hydrothermal activity and carbonate dissolution characteristics of Jinniushan rock |
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2017年，中国地质调查局在泰安市徂徕镇留送村施工探采结合孔一眼，在钻孔深23.4 m处揭露角峪岩体，该岩体厚度约33.0 m，呈席状覆盖在奥陶系东黄山组白云岩地层上部。在深度56.3~83.0 m处为蚀变大理岩带，岩心破碎，水蚀现象明显，局部发育钙质胶结角砾岩，为同期溶洞坍塌碎裂所致。抽水试验结果表明，钻孔最大降深s＝44.0 m，单井涌水量Q=554 m3/d，含水岩组平均渗透系数K=1.79 m/d，平均影响半径R=550 m。此外，谷家台、曹村铁矿及矿山区水文地质钻孔揭示，由于岩浆高温高压的侵入，在靠近岩浆体接触带的马家沟群碳酸盐岩内部产生强烈的大理岩化作用，钻探结果表明，接触带多形成不同尺寸的岩溶洞穴(图 8)，构成地下水富集空间，形成地下水富集块段。
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| 图 8 矿山岩体区水文地质平面图(a)和剖面图(b) Fig. 8 Hydrogeological plane(a) and profile(b) of Kuangshan rock |
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早白垩世，由鲁中山区滑脱构造形成的层间虚脱、碎裂岩带及揉皱带内的层间空隙均可成为地下水良好的赋存空间[9]。下寒武统滑脱构造带的层间虚脱、碎裂岩带和揉皱带空隙形成的蓄水空间组合广泛接受大气降水直接补给、上部碳酸盐岩含水层水沿导水断层下渗补给及变质岩区风化裂隙水就近接触补给，使得岩溶地下水经短途径流在其蓄水空间组合内富集，形成“似层状”富水区段。笔者通过调查及钻井发现，在实际找水过程中，下寒武统朱砂洞组含水层具高成井率，地下水富集呈相对均一的“似层状”状态，成为区域集中供水目的层。由鲁中山区不同地貌及构造部位朱砂洞组含水层富水性统计结果可知，朱砂洞组含水层在鲁中山区开采层位位于330 m以浅，不同构造部位的平均单井涌水量720~1 400 m3/d，富水性好。其中：鲁山东麓山区和南麻、鲁村盆地南部山区成为最主要含水层位，开采井数占总井数比例分别为72.7%和49.5%；莱芜盆地南部山区成为仅次马家沟群大厚度碳酸盐岩的主要含水层位，开采井数占总井数比例为31.6%(表 3)。
| 地貌位置 | 所属构造位置 | 岩性特征 | 成井数 | 成井深度范围/m | 占机井总数比例/% | 平均单井涌水量/(m3/d) |
| 鲁山东麓山区 | 鲁山凸起 | 纹层状泥质白云岩 | 8 | 100~180 | 72.7 | 1 100 |
| 南麻、鲁村盆地南部山区 | 马牧池凸起 | 厚层状细晶白云岩 | 48 | 50~330 | 49.5 | 720 |
| 莱芜盆地南部山区 | 新甫山凸起 | 薄—中层微晶白云岩 | 73 | 30~320 | 31.6 | 1 400 |
由前文所述可知，晚侏罗世以来，鲁中山区在伸展应力作用下，断层持续活动，地层发生掀斜，形成岩溶含水层向北倾斜展布的单斜半地堑-地堑盆地雏形。由于后期断层构造活动多为中生代断层构造的继承、复活和叠加，因此中生代盆地雏形是现今盆-山结构的初始和基础阶段。伴随着中生代伸展滑脱和岩浆侵入活动，鲁中山区中、新生代沉积盆地及盆地外围碳酸盐岩隆起区岩溶水表现出特有的赋存规律特征。
胡海涛等[40]认为，地下水网络是指地下水在岩体、岩层中循一定空间分布的导水结构面赋存、运移所形成的带状、网状及(或者)网层状含水结构体的总和。笔者以莱芜盆地及外围概化的典型剖面(图 9)为例，对中生代构造模式与现今岩溶地下水赋存规律关系的研究表明：1)在盆地北部，岩溶含水层局限分布在大王庄—铜冶店和泰安—口镇断层围限的断块灰岩内，呈逆置式分布，断块内部形成岩溶地下水强径流带，向盆地方向汇流。受断层下降盘岩性阻水影响，多在靠近盆地边界断层处形成岩溶大泉及地下水富集带，如鱼池泉及大鱼池水源地。2)在盆地南部，含水岩组顺置产出，区域上，连通的岩层面、层间裂隙、顺层溶蚀空隙、区域滑脱层间虚脱等蓄水、导水岩溶介质环境受同期或后期断层沟通，形成立体的岩溶地下水网络。裸露的碳酸盐岩含水层广泛接受大气降水及南部变质岩区浅表地下水补给，沿该地下水网络向盆地方向及深部径流。3)浅部地下水受八里沟向斜核部碎屑岩阻水，或出露成泉，或形成富水块段，如塔子—对仙门水源地；中、深部地下水则径流穿过八里沟向斜核部，受阻于闪长岩体，于岩体周围出露成泉，如郭娘泉、牛王泉等。4)闪长岩体周围，由于中生代热液岩溶作用，碳酸盐岩或热液变质大理岩溶蚀发育，受第四系潜水、地表水及深部岩溶水补给，形成不同深度岩溶地下水富集带，如叶马槽水源地等。
1) 鲁中山区中生代形成了NEE和NW向断层组合，及一系列NNW向展布的中生代地堑和半地堑盆地。各盆地之间为相对独立水文地质单元，以莱芜盆地为例，盆-山结构水文地质特征表现为，盆地北部呈逆置式岩溶水系统，盆地南部呈顺置式岩溶水系统，盆地南北两侧岩溶水在含水岩组展布及时代、补径排条件、水化学性质上存在差异。
2) 鲁中山区浅埋的下寒武统朱砂洞组含水层受大气降水、上部碳酸盐岩地下水及变质岩区浅表裂隙水补给，在滑脱构造带层间虚脱、碎裂岩带和揉皱带空隙形成的蓄水空间组合富集，形成“似层状”富水区段，具高成井率特点，成为区域集中供水目的层。
3) 燕山运动中晚期，地幔物质沿早期深大断层上涌侵入。一方面，富含CO2及H2S的岩浆热液流体与围岩发生酸性流体溶蚀和混合溶蚀作用，形成现今热液溶蚀特征；另一方面，高温高压的岩浆，使得靠近岩浆体接触带的奥陶系马家沟群碳酸盐岩内部产生强烈的大理岩化作用，并形成不同规模溶蚀洞穴，形成现今叶马槽水源地等岩溶地下水富集带。
4) 鲁中山区岩溶地下水表现出特有的赋存规律特征，即岩溶地下水沿同期或后期构造断层沟通的岩层面、层间裂隙、顺层溶蚀空隙、区域滑脱层间虚脱等蓄水、导水岩溶介质等环境，向盆地方向及深部径流，在盆缘附近、闪长岩体周边富集，形成不同深度岩溶地下水富集带。
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