1 含水層與隔水層

 

  山西沁水盆地南部地區(qū)存在奧陶系、石炭— 二疊系和第四系3套主要含水層系。含水層主要為碳酸鹽巖、砂巖和松散沉積層。隔水層主要為泥質(zhì)巖類,某些地段特定層位的致密碳酸鹽巖也能起到一定阻水作用。其中,中奧陶統(tǒng)為區(qū)內(nèi)的主要含水層,石炭— 二疊系含水層的含水性通常較弱,第四系松散沉積物含水層的含水性變化較大且影響范圍相對(duì)局限。

 

  本區(qū)主要隔水層為上石炭統(tǒng)隔水層、太原組和山西組泥巖和砂質(zhì)巖隔水層、上石盒子組中下部及下石盒子組隔水層組。上石炭統(tǒng)隔水層主要為本溪組鋁質(zhì)泥巖、太原組泥巖或煤層。太原組和山西組所含的泥巖和砂質(zhì)泥巖,在局部地段也起著一定的隔水作用。上石盒子組中下部及下石盒子組隔水層組的厚度為幾十m到200 m不等,由泥巖、砂質(zhì)泥巖夾砂巖構(gòu)成,在高平一帶垂向分布呈現(xiàn)平行復(fù)合結(jié)構(gòu),裂隙不甚發(fā)育,為山西組頂部的相對(duì)隔水層組。

 

  2 水文地質(zhì)單元及周界特征

 

  沁水盆地南部水文地質(zhì)單元由3個(gè)泉域組成,西北部為洪洞廣勝寺泉域,東北部為辛安泉域,南部為延河泉域。其中,辛安泉域、延河泉域在本區(qū)范圍內(nèi)是2個(gè)完整的單元,具有補(bǔ)給、徑流、排泄的地下水系統(tǒng)條件,主要含水層為中奧陶厚層狀灰?guī)r。各泉域地層構(gòu)成南部向北、北部向南、東西兩側(cè)向中間的復(fù)式向斜儲(chǔ)水構(gòu)造。

 

  2. 1 東部邊界水文地質(zhì)條件

 

  東部邊界為晉獲褶斷帶,走向N23～ 25°E,為呈階梯狀向西傾斜的高角度張扭性正斷層,傾角約70°, 由斷裂和與之平行的褶皺組成,從北到南其導(dǎo)水逸氣性能可明顯地分為3段。

 

  北段從沁縣至潞城, 斷層規(guī)模較大, 斷距可達(dá)300 m,隔斷了奧陶系中統(tǒng)含水層組,起到明顯的橫向阻水作用。

 

  中段從屯留至高平,斷距較小,落差約60 m,為平原區(qū),地形與南段差異較大,構(gòu)造形跡被第四系黃土覆蓋。從區(qū)域水位來(lái)看,斷裂兩側(cè)水位基本一致,此段導(dǎo)水性以及地下水動(dòng)力條件強(qiáng)烈。

 

  南段從高平延展至?xí)x城,為延河泉域與三姑泉域的東部分界。該段地表出露中奧陶統(tǒng)灰?guī)r,是遭受NW— SE向主壓應(yīng)力場(chǎng)作用所形成的凸起壟狀山梁,山體較薄,地表徑流條件差,降雨垂直滲入的補(bǔ)給量不大。另外,由于斷層、節(jié)理和層面等各種不連續(xù)結(jié)構(gòu)面緊密,也不利于地下水的活動(dòng)。

 

  2. 2 南部邊界水文地質(zhì)條件

 

  南部邊界為東西向構(gòu)造帶,按其阻水性能可分為3段,即東部的沁河導(dǎo)水段,中部的西溝阻水段以及西部的西溝以西導(dǎo)水段。

 

  西溝阻水段由8條斷裂構(gòu)成,其中最大的斷層長(zhǎng)達(dá)15 km,落差100余m,使煤系砂泥巖地層與奧陶系灰?guī)r接觸,起到了阻水作用。

 

  就東、西兩段導(dǎo)水段而言,斷裂構(gòu)造不甚發(fā)育,且落差比阻水段要小,一般為40～ 100 m。斷層兩盤(pán)灰?guī)r與灰?guī)r接觸,斷裂南北泉水的水質(zhì)及水型相似,硬度不高,礦化度相近,W18 O值變化不大,說(shuō)明兩盤(pán)水力聯(lián)系明顯。

 

  2. 3 西部邊界水文地質(zhì)條件

 

  西部邊界以安澤為界分為兩段。北段為霍山隆起,由寒武、震旦系組成,為一阻水邊界。南段則由導(dǎo)水性斷層組成。

 

  3 單元內(nèi)部邊界水文地質(zhì)條件

 

  本區(qū)內(nèi)部存在著4條重要的水文地質(zhì)邊界,包括近EW向2條和NN E— NE向2條。其中, 3條邊界是由次級(jí)隆起形成的地下分水嶺, 1條為對(duì)南部煤層氣富集高產(chǎn)條件具有明顯影響的寺頭斷裂。

 

  沿近EW向展布的2條邊界分別位于沁水盆地中、南部的北部和中部。北部邊界為由武鄉(xiāng)— 沁縣次級(jí)隆起構(gòu)成的近EW向地下分水嶺,構(gòu)成辛安泉的北部界線。中部邊界由高平北部近EW向次級(jí)隆圖1 單元內(nèi)部邊界及上石炭統(tǒng)太原組灰?guī)r含水層水位等值線起組成,為基本阻水邊界。一地下分水嶺存在,構(gòu)成辛安泉域與延河泉域的南部分界。該地下分水嶺有往NW方向延伸的趨勢(shì),構(gòu)成了沁水盆地中、南部南、北水文地質(zhì)條件差異的重要分界線。

 

  沿近SN 向的2條邊界分別存在于沁水盆地中、南部的東北部和南部。東北部邊界沿沿尚— 武鄉(xiāng)北北東向褶皺帶展布,為一地下分水嶺,構(gòu)成了辛安泉域的西部邊界。南部邊界為寺頭正斷層,是延河泉域與廣勝寺泉域的北部分界,從寺頭村沿?cái)鄬油睎|方向地表斷點(diǎn)有多處出露,走向N10～ 60°E,傾向NW,傾角70～ 85°。斷層落差在寺頭村南附近最大達(dá)500 m,向兩端變小,往西南在寺頭村南附近變?yōu)?60 m。

 

  寺頭斷裂對(duì)其東、西兩區(qū)的水文地質(zhì)條件、構(gòu)造格局和煤層氣賦集狀態(tài)具有明顯的控制作用。在斷層破碎帶中鉆進(jìn)時(shí),水位無(wú)較大變化,消耗量最大僅0. 106 m3 /h,斷層角礫巖裂隙充填的方解石未見(jiàn)溶蝕現(xiàn)象。對(duì)位于斷層兩側(cè)鉆孔進(jìn)行中奧陶統(tǒng)含水層抽水試驗(yàn),水質(zhì)類型截然不同,礦化度有較大差異。

 

  同時(shí),斷裂兩側(cè)甲烷含量也存在著差異,斷裂東側(cè)的大寧2號(hào)井田、潘莊井田等主煤層的含氣量高,最高可達(dá)30 m3 / t以上,而西側(cè)含氣量相對(duì)較低,與東側(cè)同等深度條件下含氣量通常不超過(guò)15 m3 /t。

 

  抽水試驗(yàn)、水化學(xué)、煤層含氣性等方面的證據(jù)表明,寺頭斷層是一條封閉性的斷裂,導(dǎo)水、導(dǎo)氣能力極差。但是,該斷層斷距較大,延伸較長(zhǎng),與其他斷層相連,故不能排除局部導(dǎo)水、導(dǎo)氣的可能性。

 

  4 現(xiàn)代地下水動(dòng)力場(chǎng)展布

 

  4. 1 區(qū)域徑流強(qiáng)度分區(qū)

 

  強(qiáng)徑流區(qū)位于盆緣向內(nèi)的3～ 5 km范圍內(nèi),石炭系頂界標(biāo)高700～ 1000 m。強(qiáng)徑流區(qū)內(nèi)的斷裂和次級(jí)褶皺相對(duì)發(fā)育,裂隙、巖溶構(gòu)成脈狀網(wǎng)絡(luò),垂向上存在山西組碎屑巖裂隙含水層、太原組灰?guī)r裂隙— 巖溶含水層和奧陶系巖溶—裂隙含水層,富水程度相對(duì)較高,鉆孔單位涌水量大于4. 34 L /( s· m) ,礦化度一般為356. 84～ 542. 2 mg /L, 水質(zhì)類型以HCO3· SO4— Ca· Mg 型為主,巖溶水處于無(wú)壓轉(zhuǎn)承壓狀態(tài),水力坡度變化較緩,流速為1. 1 km /a,徑流條件較強(qiáng),煤層含氣量普遍較低。

 

  中等徑流區(qū)位于盆地環(huán)斜坡地帶,平面寬度約3～ 8 km,石炭系頂界標(biāo)高400～ 700 m,受斷層和次級(jí)褶皺的影響,徑流條件較強(qiáng),巖溶水處于承壓狀態(tài),巖溶、裂隙比較發(fā)育,富水程度極不均一, 鉆孔單位涌水量為0. 472～10. 265 L /( s· m) , 礦化度一般為465. 72～ 1399. 18 mg /L,水質(zhì)類型以SO4· HCO3— Ca·Mg 為主,水力坡度中等,煤層含氣量及滲透率變化幅度大,局部地段排水降壓困難。

 

  弱徑流區(qū)位于盆地深部,為地下水的滯流邊界,富水程度強(qiáng),鉆孔單位涌水量為0. 877 L /( s· m) ,水質(zhì)明顯變差,礦化度高達(dá)1 823. 61 mg /L,水質(zhì)類型為SO4— Ca· Mg 型。水徑流微弱,但在次級(jí)背斜軸部裂隙、巖溶發(fā)育地帶,徑流相對(duì)增強(qiáng)。該帶煤層氣含量普遍較高,但滲透率受埋深的影響而普遍偏低。

 

  4. 2 主要含水層等勢(shì)面展布

 

  本區(qū)地下水等勢(shì)面具有北高南低的總體態(tài)勢(shì)。

 

  然而,由于上述內(nèi)部水文地質(zhì)界線的客觀存在,使得區(qū)內(nèi)地下水動(dòng)力條件并不是如此簡(jiǎn)單,發(fā)育了若干個(gè)相對(duì)“低洼”的匯水中心。

 

  4. 2. 1 太原組含水層等勢(shì)面態(tài)勢(shì)

 

  上石炭統(tǒng)含水層以太原組灰?guī)r為主,下主煤層的頂板或直接蓋層為K2 灰?guī)r,該層灰?guī)r也是區(qū)內(nèi)太原組含水層系中的主要含水層。等勢(shì)面呈南高北低的總體背景,地下水的補(bǔ)給主要還是來(lái)自西北部地區(qū),大致沿高平北、屯留、沁縣一線展布的NW向地下分水嶺隱約可見(jiàn)。

 

  在寺頭斷裂與晉獲斷裂之間,等勢(shì)面顯著要低

 

  于東、西兩側(cè)地區(qū),并以大寧井田— 潘莊井田為中心、以樊莊地區(qū)為斜坡地帶形成了一個(gè)等勢(shì)面低地。

 

  在這一低地中,含水層顯然富水但徑流條件極弱,其意義不僅在于進(jìn)一步顯示出,寺頭斷裂和晉獲斷裂南段的高度阻水以及“低地”部位地下水滯流的特性,更為重要的是低地位置恰好處于沁水盆地中、南部主煤層含氣量最高的地帶。

 

  4. 2. 2 山西組含水層等勢(shì)面態(tài)勢(shì)

 

  下二疊統(tǒng)山西組的主要含水層是上主煤層間接頂板砂巖,等勢(shì)面展布格局總體上與太原組含水層相似,南高北低,東南部最低,地下水補(bǔ)給主要來(lái)自西北部地區(qū),由NW向地下分水嶺分割成的兩個(gè)徑流方向區(qū)域仍然清晰可見(jiàn)。

 

  寺頭斷裂和晉獲斷裂南段的阻水特性對(duì)等勢(shì)面的控制作用依然清晰可見(jiàn),但影響程度和范圍有所變化。在兩條斷裂之間的地帶,等勢(shì)面同樣明顯地要高于東、西兩側(cè)地區(qū)。與太原組不同的是,山西組含水層等勢(shì)面的低洼程度在大寧— 潘莊一帶已明顯減弱,而在樊莊地區(qū)有所增強(qiáng)。相鄰含水層等勢(shì)面分布的這一層域組合關(guān)系,可能是控制南部上、下主煤層含氣量關(guān)系的重要地質(zhì)原因。

 

  5 現(xiàn)代地下水化學(xué)特征

 

  5. 1 中奧陶統(tǒng)地下水化學(xué)場(chǎng)

 

  奧陶系與上覆地層水力聯(lián)系弱,地下水一般為HCO3· SO4— Ca· Mg 型。隨含水層埋深增大,水化學(xué)類型由HCO3· SO4— Ca· Mg 型向SO4— Ca·Mg 型轉(zhuǎn)化。東部、東南、南部的徑流條件相對(duì)較強(qiáng),水質(zhì)類型一般是HCO3— Ca· Mg; 盆地內(nèi)的中徑流區(qū),水質(zhì)類型一般為SO4· HCO3— Ca· Mg 型; 在盆地深部弱徑流區(qū)或某些局部滯流地帶,水質(zhì)類型為SO4— Ca· Mg 型。

 

  5. 2 上石炭統(tǒng)太原組地下水化學(xué)場(chǎng)

 

  在本區(qū),石炭系含水層地下水主要為HCO3·SO4— K· Na 型。由盆地兩翼部向軸部延伸,石炭系被二疊系、三疊系等覆蓋,處于開(kāi)放、半封閉到封閉狀態(tài),水質(zhì)由HCO3· SO4— Ca 型向HCO3· SO4—K· Na 和HCO3· SO4— Ca· Mg 型轉(zhuǎn)化, 并以HCO3· SO4— K· Na型占優(yōu)勢(shì)。

 

  在屯留一帶,石炭系含水層水質(zhì)類型為HCO3· SO4— K· Na 型,該區(qū)二疊系含水層水質(zhì)類型為Cl· HCO3— K· Na型, 可見(jiàn)兩含水層之間存在水力聯(lián)系。

 

  在中東部至高平一帶,受晉獲斷層帶影響,石炭系和二疊系含水層地下水處于滯緩流狀態(tài),趙莊地區(qū)石炭系水質(zhì)為HCO3— Na· Ca型,但奧陶系已延伸到向斜東翼,不受阻水影響,礦化度減小到300～450 mg /L左右。在沁源地區(qū),由于二疊系、石炭系、奧陶系由NW向SE方向逐漸向深部延伸,徑流條件由較強(qiáng)到弱, 水質(zhì)隨之由HCO3— Ca 型向SO4—Ca· Mg 型轉(zhuǎn)換。

 

  在南部大寧一、二號(hào)井田附近,上石炭統(tǒng)太原組一般在接近地表露頭處巖溶、裂隙發(fā)育,以巖溶— 裂隙水為主,含水微弱,水質(zhì)為HCO3· SO4— Ca· Mg型。埋深加大, 巖溶發(fā)育程度減弱, 水類型變?yōu)镠CO3— K· Na型。在潘莊井田, 礦化度最高可達(dá)2 964 mg /L, 水質(zhì)類型為HCO3· SO4— Ca· Mg型。從大寧井田向南,水質(zhì)由HCO3· SO4— Ca· Mg型向HCO3— K· Na型轉(zhuǎn)換。

 

  本區(qū)上石炭統(tǒng)太原組含水層地下水礦化度的區(qū)域展布格局與中奧陶統(tǒng)含水層相似,展現(xiàn)出礦化度由NW向SE增高的總體趨勢(shì),在相似的地帶同樣也存在3個(gè)高礦化度的中心,表明地下水區(qū)域補(bǔ)給主要來(lái)自于西北部地區(qū),局部地區(qū)地下水具有明顯的滯流或緩慢流動(dòng)的特征。

 

  5. 3 下二疊統(tǒng)山西組含水層化學(xué)場(chǎng)

 

  受區(qū)域構(gòu)造和地形地貌特征的控制,山西組砂巖含水層地下水地球化學(xué)場(chǎng)的區(qū)域展布格局在一定程度上繼承了下伏太原組含水層的總體面貌,如礦化度總體上由北向南降低,在南部存在高礦化度中心等。但是山西組含水層地下水地球化學(xué)場(chǎng)與太原組相比,也發(fā)生了重要改變。

 

  在本區(qū)北部礦化度等值線展布方向由太原組的NN E— SN方向轉(zhuǎn)變?yōu)楸窘M含水層的NNW方向,等值線呈頂部朝北凸出的弧形產(chǎn)出,弧頂連線偏向盆地軸部以西,同時(shí)東北部的礦化度明顯要高于西北部地區(qū)。換言之,本組地下水主要補(bǔ)給區(qū)域可能由太原組和馬家溝組的西北部地區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)闁|北部地區(qū)。

 

  礦化度大于1 000 mg /L的地域覆蓋了包括鄭莊、大寧、潘莊、樊莊、趙莊南在內(nèi)的廣大地區(qū)。這一地區(qū)高礦化度地下水的存在,是本組含水層等勢(shì)面在該區(qū)坡度極為平緩或存在“洼地”的必然結(jié)果,共同反映出地下水高度滯流的重要特征,對(duì)上主煤層中煤層氣的保存極為有利。

 

  本組含水層水質(zhì)類型在屯留一帶多為HCO3— K· Na型或HCO3· SO4— K· Na 型,在趙莊、高平一帶為HCO3— Ca· Mg 型,在潘莊、大寧一帶轉(zhuǎn)變?yōu)镠CO3· SO4— Ca· Mg 型或HCO3— K· Na 型。水質(zhì)類型由北向南變化過(guò)程所顯示的地下水徑流特征,與根據(jù)礦化度和等勢(shì)面分布所得出的結(jié)論高度一致。

 

  根據(jù)上述水文地質(zhì)條件和構(gòu)造部位又可進(jìn)一步分成“滯流”和“緩流”兩大類,包括三種類型:

 

  5. 3. 1 等勢(shì)面“洼地”滯流型

 

  該類型出現(xiàn)在寺頭斷層以東、晉獲斷層帶以西、高平近東西向分水嶺以南、南部近北西向分水嶺以北的地區(qū),即大寧— 潘莊— 樊莊一帶。等勢(shì)面明顯呈“洼地”形態(tài),礦化度極高,地下水幾乎呈封閉狀態(tài)。

 

  山西組、太原組和馬家溝組的水量均很小,水溫較高。經(jīng)水質(zhì)分析,全固形物和硬度均很大,氚同位素值較低,表明地下水流不暢,地表水入滲微弱,煤層氣因水力封閉而富集。

 

  5. 3. 2 等勢(shì)面箕狀緩流型

 

  該類型發(fā)育在屯留、沁源— 安澤、潘莊北等。三面水勢(shì)較高,一面水勢(shì)較低。但是水勢(shì)低的一面地表露頭有水源補(bǔ)給,徑流受到封阻。地層產(chǎn)狀呈簸箕狀,地下水以靜水壓力,在重力驅(qū)動(dòng)下流動(dòng)十分緩慢,對(duì)煤層氣的保存及形成水承壓煤層氣藏較為有利。

 

  5. 3. 3 等勢(shì)面扇狀緩流型

 

  本類型出現(xiàn)的地域?yàn)槲髂喜壳咚貐^(qū),并以鄭莊一帶較為典型。北面和西面水勢(shì)較高,東面和南面水勢(shì)相對(duì)較低。水勢(shì)低的部位部分被寺頭斷裂阻隔,部分在露頭地帶受到地表水補(bǔ)給,徑流被封阻,煤層氣隨地下水運(yùn)移的逸散作用可能相對(duì)減弱。

 

  6 結(jié)論

 

  a.  研究區(qū)存在3套主要含水層,水文地質(zhì)單元由3個(gè)泉域組成。

 

  b.  東部邊界晉獲斷裂褶皺帶的北段對(duì)中奧陶統(tǒng)含水層組起到明顯的橫向阻水作用,中段導(dǎo)水性及水動(dòng)力條件強(qiáng)烈,南段地下水徑流條件極差,是不導(dǎo)水的。南部邊界由東部導(dǎo)水段、中部阻水段以及西部導(dǎo)水段組成,特別是中段的阻水性質(zhì),對(duì)晉城一帶煤層氣的保存與富集起到了重要作用。西部邊界以安澤為界,北段為一阻水邊界,南段則由導(dǎo)水性斷層組成。

 

  c.  本區(qū)內(nèi)部存在著4條重要的水文地質(zhì)邊界。其中寺頭斷裂是一條封閉性的斷裂,導(dǎo)水、導(dǎo)氣能力極差。

 

  d.  在沁水盆地中、南部寺頭斷裂和晉獲斷裂南段之間的大寧— 潘莊— 樊莊地區(qū),山西組和太原組含水層的等勢(shì)面明顯地要高于斷裂東、西兩側(cè)地區(qū),地下水顯然以靜水壓力形式將煤層中的煤層氣封閉起來(lái)。在寺頭斷裂西側(cè)的鄭莊及其附近地區(qū),地下水徑流強(qiáng)度可能較弱,較有利于煤層氣保存。

 

  e.  大寧— 潘莊— 樊莊一帶為等勢(shì)面“洼地”滯流型,煤層氣富集條件好。