劉程慧,唐朝永,譚 穩(wěn),許金良

（1.湖南省國(guó)土空間調(diào)查監(jiān)測(cè)所，湖南長(zhǎng)沙 410129;2.桂林理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，廣西桂林 541004）

1 前言

虎形山礦區(qū)是一個(gè)大型鎢多金屬礦床[1]，地處湘東北地區(qū)臨湘市境內(nèi)，大地構(gòu)造位置位于揚(yáng)子地塊與華南地塊的結(jié)合部位，屬于長(zhǎng)江中下游鐵銅多金屬成礦帶臨湘礦集區(qū)[2]，成礦活動(dòng)受EW向褶皺斷裂構(gòu)造帶控制，礦帶（體）呈EW向分布，控礦斷層F1呈東西向橫跨礦區(qū)中部，貫穿冶湖直達(dá)長(zhǎng)江（圖1）。礦區(qū)處于湘東北幕阜山余脈北端，西臨長(zhǎng)江。地勢(shì)上南高北低、東高西低，地貌類型屬于高差起伏不大的丘崗地貌。區(qū)內(nèi)最高點(diǎn)仰山海拔標(biāo)高92.50 m，最低處冶湖海拔標(biāo)高23.40 m[3]。

圖1 虎形山礦區(qū)區(qū)域地質(zhì)簡(jiǎn)圖Fig.1 Regional geological sketch of Huxingshan mining area

F1 斷層導(dǎo)水性問(wèn)題，特別是F1 斷層是否溝通冶湖水體是虎形山礦區(qū)水文地質(zhì)工作的重要內(nèi)容之一，認(rèn)為F1 斷層導(dǎo)水性差，未溝通地表水體及斷層穿過(guò)的各含水層[3]。本文在前人工作的基礎(chǔ)上，從斷層力學(xué)性質(zhì)及圍巖條件等方面對(duì)礦區(qū)斷層的導(dǎo)水性影響因素進(jìn)行理論探討，利用鉆孔抽水試驗(yàn)成果資料，對(duì)礦區(qū)F1斷層的導(dǎo)水性進(jìn)行分析和研究。本文是對(duì)礦區(qū)水文地質(zhì)工作的進(jìn)一步深化認(rèn)識(shí)，對(duì)礦區(qū)后續(xù)專項(xiàng)水文地質(zhì)工作具有指導(dǎo)作用，對(duì)其他地區(qū)同類型斷層的導(dǎo)水性研究具有一定的參考價(jià)值。

2 礦區(qū)水文地質(zhì)概況

2.1 地層構(gòu)造

礦區(qū)出露地層有新生界第四系（Q）粘土（包括沖積層和坡積層），早古生界寒武系下統(tǒng)牛蹄塘組（∈1n）灰?guī)r及白云質(zhì)灰?guī)r，新元古界青白口系冷家溪群雷神廟組（Qbl）和易家橋組（Qby）千枚巖、板巖[4]。鎢多金屬礦體賦存在F1 下盤寒武系下統(tǒng)牛蹄塘組（∈1n）灰?guī)r及白云質(zhì)灰?guī)r中，礦體頂?shù)装鍘r性為灰?guī)r或白云質(zhì)灰?guī)r。

礦區(qū)褶皺構(gòu)造不發(fā)育，總體表現(xiàn)為往南傾斜的單斜巖層。礦區(qū)斷裂構(gòu)造有東西向（走向）斷層F1 與南北向（橫向）斷層F2、F3、F4、F5。其中F1屬于壓扭性斷層，是礦區(qū)導(dǎo)礦與容礦構(gòu)造[5]，對(duì)礦體無(wú)破壞作用；F2、F3、F4、F5 為張扭性斷層，局部切割F1斷層（圖2）。

2.2 地表水系

礦區(qū)地表水系發(fā)育，冶湖是礦區(qū)內(nèi)最大地表水體，分布面積約30 km2，旱季水位標(biāo)高23.40 m，蓄水量1.41×109m3。礦區(qū)地表水分布特點(diǎn)是以礦區(qū)中部近南北向分布的地表分水嶺（仰山—大莊岅）為邊界將礦區(qū)分為東西兩個(gè)徑流區(qū)（圖2）。東徑流區(qū)地表水由南往北徑流，沿溪溝排出區(qū)外。西徑流區(qū)地表水由東往西徑流，沿溝溪匯集于冶湖后再流入長(zhǎng)江排出區(qū)外。

圖2 虎形山礦區(qū)水文地質(zhì)簡(jiǎn)圖Fig.2 Hydrogeological diagram of Huxingshan mining area

2.3 地下水類型

虎形山礦床產(chǎn)于寒武系碳酸鹽地層中，巖溶不發(fā)育，地下水類型有構(gòu)造裂隙水和巖溶水。地下水靜水位標(biāo)高在23.40～55.78 m 之間，主要補(bǔ)給來(lái)源為大氣降水及地表水的下滲。礦區(qū)地下水通常以泉（井）形式排泄，泉（井）多沿F2、F3、F4等南北向斷層呈帶狀分布，泉（井）涌水量有隨季節(jié)性變化的特點(diǎn)。在自然條件（礦床未開(kāi)采的情況）下，礦區(qū)地下水排泄于冶湖。礦床開(kāi)采后，當(dāng)?shù)叵滤坏陀谝焙?3.40 m 以下時(shí)，則冶湖水可通過(guò)第四系孔隙及寒武系牛塘組碳酸鹽巖巖溶-裂隙等構(gòu)造通道補(bǔ)給地下水。

2.4 含、隔水層

2.4.1含水層

礦區(qū)含水層按照含水巖(土)層空隙類型可分為第四系松散巖類孔隙含水巖組、淺部變質(zhì)巖類風(fēng)化裂隙含水巖組和碳酸鹽巖類巖溶—裂隙含水巖組[3]，特征如下：

（1）松散巖類孔隙含水巖組：巖組由第四系沖、坡積成因的粘土、亞粘土組成，間夾少量石英、板巖風(fēng)化碎塊。厚度一般為0~10 m，局部可達(dá)30 m。含孔隙潛水，泉水出露數(shù)量少，其單個(gè)流量最大為0.10 L/s，民用水井較多，井深大多在10m以內(nèi)，水位標(biāo)高一般在25~35 m之間，根據(jù)民井提水試驗(yàn)及滲水試驗(yàn)，滲透系數(shù)為2.02~19.29 m/d，單位涌水量在0.02~0.10 L/m.s 之間，屬于弱富水性含水巖組[6]。該含水層主要接受大氣降水補(bǔ)給，也是礦床開(kāi)采后深部含水層的重要補(bǔ)給來(lái)源之一。

（2）淺部變質(zhì)巖類風(fēng)化裂隙含水巖組：巖組由青白口系冷家溪群雷神廟組（Qbl）和易家橋組（Qby）千枚巖、板巖組成，分布于F1 斷層上盤，呈近東西向展布，發(fā)育深度0~90 m 不等，巖石風(fēng)化節(jié)理裂隙發(fā)育，多被鈣質(zhì)、泥質(zhì)物充填，透水性弱。民用水井井深在8~15m 左右，民用水井水位標(biāo)高一般在25~38 m 之間，根據(jù)民井提水試驗(yàn)及滲水試驗(yàn)，滲透系數(shù)為1.49~18.26 m/d，單位涌水量在0.01~0.10 L/m.s 之間，屬于弱富水性含水巖組。該含水層補(bǔ)給來(lái)源主要為大氣降水。

（3）碳酸鹽巖類巖溶-裂隙含水巖組：巖組由寒武系牛蹄塘組（∈n）灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r組成，中厚層狀，分布于F1斷層下盤，地表出露面積小，大部分被第四系粘土覆蓋，淺部原巖裂隙較發(fā)育，裂隙多被方解石脈及碳泥質(zhì)物充填膠結(jié)，巖溶不發(fā)育，據(jù)鉆孔資料顯示，僅有2 個(gè)鉆孔見(jiàn)到溶洞（溶洞頂、底板深分別為68.83~71.02 m 、246.90~247.70 m）。在天然條件下，主要接受第四系松散巖類孔隙含水層的垂直或側(cè)向補(bǔ)給。該含水巖組是礦區(qū)主要賦礦層位，也是主要含水層，據(jù)ZK5003 孔抽水試驗(yàn)資料，單位涌水量（q）為0.23 L/m.s，滲透系數(shù)（K）為0.31 m/d，屬于中等富水性含水層。

2.4.2 隔水層

礦區(qū)隔水層主要為變質(zhì)巖類隔水巖層，由青白口系冷家溪群雷神廟組和易家橋組板巖、千枚巖組成，分布于礦區(qū)F1 斷層上盤，呈近東西向展布。據(jù)鉆孔揭露，巖心完整，多為長(zhǎng)柱狀或短柱狀，局部呈塊狀。巖石裂隙多數(shù)被硅質(zhì)、泥質(zhì)及鈣質(zhì)物充填膠結(jié)，致密而堅(jiān)硬，滲透性很弱，單位涌水量（q）一般小于0.01 L/m.s，滲透系數(shù)（K）為0.01 m/d[3]。

2.5 水力聯(lián)系

覆蓋層與基巖之間的水力聯(lián)系為覆蓋層接受大氣降水補(bǔ)給，直接與下部基巖含水層接觸，中間無(wú)隔水巖層存在，二者水力聯(lián)系密切。

基巖之間的水力聯(lián)系為礦區(qū)內(nèi)基巖地下水類型主要為淺部變質(zhì)巖風(fēng)化裂隙水及碳酸鹽巖巖溶-裂隙水。礦區(qū)F1以南淺部風(fēng)化裂隙水其埋深0~90 m，其下為中風(fēng)化至微風(fēng)化板巖、千枚巖，巖體完整，是礦區(qū)內(nèi)較好的隔水巖層，碳酸鹽巖巖溶-裂隙含水層位于該隔水巖層以下，不與上部淺部變質(zhì)巖風(fēng)化裂隙含水層直接接觸，水力聯(lián)系較差。F1 以北碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層埋藏較淺，局部出露地表，與淺部變質(zhì)砂質(zhì)板巖風(fēng)化裂隙水在自然狀態(tài)下存在一定水力聯(lián)系。

3 斷層導(dǎo)水性影響因素分析

影響斷層導(dǎo)水性的主要因素之一是斷層的力學(xué)性質(zhì)，張性和張扭性斷層的構(gòu)造巖帶疏松多隙，透水性強(qiáng)，壓性及壓扭性斷層帶緊閉，透水性弱[7]。當(dāng)斷層因受力條件改變致使斷層性質(zhì)變化，則其導(dǎo)水性也會(huì)發(fā)生變化，如斷層先張后壓，其導(dǎo)水性則由強(qiáng)變?nèi)鮗8]。其次，斷層兩盤巖性條件也是影響斷層導(dǎo)水性的另一重要因素，斷層兩盤若為可溶性巖石（如石灰?guī)r）其導(dǎo)水性與富水性較強(qiáng)，若斷層兩盤為塑性巖層（如泥巖、頁(yè)巖、凝灰?guī)r），其破碎帶裂隙率低，斷裂面閉合，導(dǎo)水性和富水性弱[7]。

3.1 斷層力學(xué)性質(zhì)

礦區(qū)東西向斷層F1，沿走向長(zhǎng)度大于7 km，斷層傾向南，傾角65°~80°[5]，上陡下緩，斷層面沿走向呈舒緩波狀發(fā)育（圖3）。F1 屬于壓扭性斷層，破碎寬度1.0~30 m 不等，巖石受擠壓而破碎，局部見(jiàn)有糜棱巖，大多被后期硅質(zhì)、方解石、鐵質(zhì)及泥質(zhì)物膠結(jié)，普遍硅化而致密，含水性與導(dǎo)水性較差，屬于隔水性質(zhì)斷層。

圖3 虎形山礦區(qū)縱向水文地質(zhì)剖面示意圖Fig.3 Schematic diagram of longitudinal hydrogeological profile of Huxingshan mining area

礦區(qū)南北向斷層有F2、F3、F4、F5 等，屬于橫向斷層，走向近南北，走向長(zhǎng)度一般在1 km以內(nèi)，傾向東，傾角較陡，一般大于50°。該組斷層屬于張扭性斷裂，與F1近于垂直，切錯(cuò)F1斷層及礦區(qū)含水層，錯(cuò)距10~60 m 不等。據(jù)ZK5002 鉆孔所揭露的F2 斷層，破碎帶寬度1~3 m，巖石破碎，膠結(jié)性較差，見(jiàn)有溶蝕小孔及地下水活動(dòng)跡象。此外，地表沿F4 斷層有多個(gè)泉水點(diǎn)出露，單個(gè)泉水流量約0.10 L/s。該組斷層導(dǎo)水性較好，且穿切了礦區(qū)主要含水層，將成為礦床開(kāi)采后礦井充水的重要通道。

3.2 斷層兩盤巖性條件

斷層兩盤巖性條件對(duì)斷層導(dǎo)水性的影響主要表現(xiàn)為：當(dāng)斷層兩側(cè)都是堅(jiān)硬脆性巖層時(shí)，斷層帶的破碎程度和導(dǎo)水性就會(huì)相對(duì)大些；當(dāng)斷層一側(cè)為堅(jiān)硬巖層，另一側(cè)為較軟弱巖層時(shí)，則斷層帶的充填程度比較好，導(dǎo)水性相對(duì)較弱；當(dāng)斷層帶兩側(cè)均為較軟的巖層，則斷層帶的充填程度更好，其導(dǎo)水性更弱，甚至不導(dǎo)水[9]。礦區(qū)F1 斷層上盤為千枚巖、板巖，下盤為灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r（圖4），斷層充填程度較好，導(dǎo)水性較差。F2、F3、F4、F5 等橫向斷層，當(dāng)斷層穿越寒武系牛蹄塘組（∈n）地層時(shí)，斷層兩盤均為灰?guī)r及白云質(zhì)灰?guī)r，既是脆性巖層又是可溶性巖石，破碎帶充填松散，導(dǎo)水性較好；當(dāng)斷層發(fā)育在青白口系冷家溪群雷神廟組（Qbl）和易家橋組（Qby）千枚巖、板巖地層時(shí)，斷層破碎帶充填相對(duì)較為密實(shí)，導(dǎo)水性變?nèi)酢?/p>

圖4 虎形山礦區(qū)縱向水文地質(zhì)剖面示意圖Fig.4 Schematic diagram of longitudinal hydrogeological profile of Huxingshan mining area

baikou belongs to the Lei Temple Group of Lengjiaxi Group; 4-Qingbaikou is the Yijiaqiao Formation of Lengjiaxi Group; 5-clay; 6-slate; 7-limestone; 8-The geological boundary; 9-Tensional normal fault; 10-Compressional thrust fault; 11-Such as water level; 12-Medium water-rich aquifer; 13-Weak water-rich aquifer; 14-Water-resisting layer; 15-Pumping drilling; 16-Water injection hole or observation hole; 17-Geological drilling; 18-Profile end number;19-Section bearing;20-Elevation height

4 斷層導(dǎo)水性試驗(yàn)

為了解F1 斷層構(gòu)造的導(dǎo)水性以及與冶湖水的溝通情況，選擇礦區(qū)ZK5002、ZK5003、ZK301三個(gè)抽水孔實(shí)驗(yàn)（表1）資料進(jìn)行分析研究，其中ZK5002號(hào)孔布設(shè)在距離冶湖較近處的F1上盤且與F2 的交會(huì)部位，ZK5003 號(hào)孔布設(shè)在距離冶湖較近處的F1 下盤，ZK301 布設(shè)在礦區(qū)中部的F1上盤（圖2）。

從表1可知，ZK5002、ZK5003、ZK30三個(gè)鉆孔均揭穿了寒武系牛蹄塘組（∈n）碳酸鹽巖類巖溶-裂隙含水巖組，其中ZK5002和ZK301揭穿了斷層F1，但ZK5002、ZK301的單位涌水量均小于ZK5003，說(shuō)明F1不是導(dǎo)水?dāng)鄬?，未溝通其他含水層，也未溝通冶湖水體。從圖4可知，F(xiàn)1斷層導(dǎo)水性較差。

表1 虎形山礦區(qū)鉆孔抽水試驗(yàn)成果資料統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of borehole pumping test results in Huxingshan mining area

5 結(jié)論

虎形山礦床賦存于寒武系灰?guī)r地層中，礦區(qū)巖溶不發(fā)育，淺表巖層風(fēng)化裂隙較發(fā)育，地下水類型以構(gòu)造裂隙水為主，其次是巖溶水。

礦區(qū)發(fā)育有走向和橫向兩組斷層。走向斷層F1，屬于壓扭性斷裂，富水性與導(dǎo)水性較差，為隔水性質(zhì)斷層，F(xiàn)1斷層未溝通冶湖水及其他含水層。橫向斷層F2、F3、F4、F5 等屬于張性斷裂，含水性較好，該組斷層切穿了F1斷層及斷層上下盤的含水層，使得礦區(qū)含水層局部范圍有了一定的水力聯(lián)系，橫向斷層將成為未來(lái)開(kāi)采礦井的重要充水通道。

礦床開(kāi)采后，當(dāng)采坑在地下水位以上時(shí)，大氣降雨通過(guò)第四系孔隙及導(dǎo)水?dāng)嗔阎苯舆M(jìn)入礦坑；當(dāng)采坑在地下水位以下時(shí)，冶湖水體將成為礦床的重要沖水因素之一，雖然礦區(qū)斷層未直接溝通西側(cè)冶湖水體，但冶湖水可以通過(guò)礦層頂板、橫向斷層構(gòu)造、賦礦層北側(cè)巖層裂隙等多種導(dǎo)水通道間接地滲漏補(bǔ)給進(jìn)入礦坑。