引用本文
赵春红, 李强, 梁永平, 许亮, 王维泰, 卢海平, 唐春雷. 北京西山黑龙关泉域岩溶水系统边界与水文地质性质. 地球科学进展, 2014, 29(3): 0412-419[Zhao Chunhong, Li Qiang, Liang Yongping, Xu Liang, Wang Weitai, Lu Haiping, Tang Chunlei. Karst Water System Boundaries and Hydrogeological Properties of Heilongguan Springshed in Xishan Region, Beijing. 地球科学进展, 2014, 29(3): 0412-419]  
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北京西山黑龙关泉域岩溶水系统边界与水文地质性质
赵春红1, 李强2, 梁永平1,*, 许亮3, 王维泰1, 卢海平1, 唐春雷1
1.中国地质科学院岩溶地质研究所/国土资源部、广西壮族自治区岩溶动力学重点实验室, 广西 桂林 541004
2.山西省运城市水资源管理委员会办公室,山西 运城 044000
3.北京市水文地质工程地质大队,北京 100195
梁永平(1962-),男,山西平遥人,研究员,主要从事中国北方岩溶地下水调查与研究.E-mail:lyp0261@karst.ac.cn

赵春红(1986-),女,河南项城人,研究实习员,主要从事岩溶水文地质调查与研究、水资源评价等研究.

修回日期:2014-03-04
基金:中国地质调查局地质调查项目“北方岩溶区水文地质环境地质调查示范”(编号:1212011220940); 北京市岩溶地下水勘查评价工程(编号:BJYRS-ZT)资助;
摘要

北方岩溶水系统具有固定补给范围和资源要素,是岩溶地下水进行独立循环的基本单元,控制了岩溶水的运移富集、水化学演化特征、资源构成以及环境地质问题。开展岩溶水系统研究的首要任务是确定系统边界位置及其水文地质性质。以北京西山黑龙关泉域岩溶水系统为研究对象,采用地质学、岩溶动力学、流体动力学、水文地球化学、地球物理勘探等方法,确定黑龙关泉域岩溶水系统是由南部大石河背斜岩溶水子系统和北部百花山向斜南翼岩溶水子系统2个次级系统组成;其含水岩层分别为蓟县系铁岭组、雾迷山组和青白口系景儿峪组、奥陶系、寒武系碳酸盐岩。根据边界的水文地质性质可以划分为地表分水岭边界、地下分水岭边界、隔水边界、岩溶含水层深埋滞流性边界等类型。

关键词: 岩溶水系统; 水文地质边界; 黑龙关泉域
中图分类号:P641 文献标志码:A 文章编号:1001-8166(2014)03-0412-419
Karst Water System Boundaries and Hydrogeological Properties of Heilongguan Springshed in Xishan Region, Beijing
Zhao Chunhong1, Li Qiang2, Liang Yongping1, Xu Liang3, Wang Weitai1, Lu Haiping1, Tang Chunlei1
1. Institute of Karst Geology, Chinese Academy of Geological Sciences / Karst Dynamiccs Laboratory, Ministry of Land and Resources & Guangxi Zhuang Autonomous Region, Guilin 541004, China
2. Water Management Committee Office of Yuncheng, Yuncheng 044000, China
3.Beijing Institute of Hydrogeology and Engineering Geology, Beijing 100195, China
Fund:
Abstract

With a fixed supplied scope and resource elements, karst groundwater system circulates as an independent unit in northern China, which controls karst water transport and enrichment, hydrochemical evolution, composition of water resources and environmental geological problems. In order to carry out karst groundwater system research, the primary task is determining the location and hydrogeological properties of boundaries. In this paper, we choose Heilongguan karst water system at Xishan region in Beijing as research object and determine the hydrogeological boundaries by geology, karst dynamics, fluid dynamics, hydro-geochemical, geophysical exploration and other methods. Finally, we conclude that Heilongguan karst water system is composed of two subsystems. The one is Dashihe anticline karst water subsystem, situated in the south and composed by the Upper Proterozoic aquifer;The other is Baihuashan syncline karst water subsystem, situated in the north and composed by Cambrian-Ordovician aquifer. According to hydrogeological properties of boundaries, there are surface water watershed boundary, underground watershed boundary, confining boundaries, karst aquifers deep stagnant boundary and other types.

Keyword: Karst groundwater system; Hydrogeological boundaries; Heilongguan springshed.

中图分类号:P641 文献标志码:A 文章编号:1001-8166(2014)03-0412-419 doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2014.03.0412

北方岩溶泉域泉水流量稳定而集中、水质优良、地下调蓄能力强,在供水方面具有很大的优越性,是北方很多城市及工农业供水水源地。北方岩溶水主要以相对独立、规模不等的岩溶水系统进行循环,岩溶水系统控制着岩溶地下水的循环、分布埋藏与富集规律,控制着水化学分布特征,控制着岩溶含水层的脆弱性程度以及岩溶水文地质环境问题的类型、发展演化趋势,因此确定泉域岩溶水系统的边界位置与水文地质性质具有重要的意义。黑龙关泉域岩溶水系统处于北京西山各岩溶水系统中部,确定了黑龙关泉域岩溶水系统的边界,其他系统相应的边界也被确定(图1)。另外,对北京开展岩溶地下水资源勘查评价、制定岩溶水资源开发方案以及管理具有重要的意义。

地下水是按系统分布、运动的。对地下水系统的正确划分,是开展地下水研究、资源评价及地下水资源开发、规划和管理的基础[ 1, 2]。

目前对地下水系统尚无一个公认、统一、明确的定义,其原因一是地下水系统的复杂性,二是对地下水系统认识的差异以及研究的侧重面不同。陈梦熊等[ 3]认为:地下水系统是一个错综复杂,由各种天然因素、人为因素所控制的,具有不同等级的互相联系又互相影响,在时空分布上具有四维性质和各自特征、不断运动演化的若干独立单元的统一体[ 3]。刘启仁等[ 4]、韩行瑞等[ 5, 6]从地下水系统概念出发,利用地下水系统理论分别对北方大型盆地和岩溶泉域地下水系统进行了划分。李文鹏等[ 7]概化了西北内陆盆地地下水形成演化模式,划分地下水流系统,阐明盆地地下水的循环交替方式、速度、水化学演化过程及可再生能力,为合理开发利用地下水资源及在下游区寻找地下淡水等提供理论依据。目前关于地下水系统的划分主要利用含水系统结构[ 8, 9]、地下水补给与排泄[ 10]、水动力场、地下水地球化学、同位素方法[ 11~ 14]、示踪试验[ 15, 16]等方法。在国内外以往的研究中,多采用某一种单一方法,其中以利用地下水动力学方法研究地下水流系统和地下水循环模式最为常见,但是采用单一方法研究地下水流系统特征和地下水循环规律往往会存在多解性和不确定性的问题。本文以北京西山黑龙关泉域为研究对象,综合运用系统理论、地质学、岩溶动力学、水动力学、水化学、地球物理勘探等方法划分了黑龙关泉域地下水系统的边界和子系统。

1 研究区概况

黑龙关泉域地理坐标介于115°36'~115°54'E, 39°44'~39°56'N之间。大地构造处于华北地台北缘的燕山台褶带的西山跌坳褶皱中,南为华北断拗,地质构造比较复杂。其中影响本区碳酸盐岩含水层分布埋藏以及岩溶地下水循环的主要构造有百花山向斜、大石河穹窿复背斜及向东延伸的东西向背斜褶皱隆起带、霞云岭逆掩式推覆断层和大安山—红煤厂逆断层。区内出露的碳酸盐岩地层有中元古界蓟县系雾迷山组、铁岭组和青白口系景儿峪组,主要出露在系统南部的大石河背斜以及向东延伸的长操—黑龙关隆起带;下寒武统昌平组,中、上寒武统张夏组到凤山组以及中、下奥陶统冶里亮甲山组和上下马家沟组,主要出露在系统北部的百花山向斜南翼。不同碳酸盐岩层间有碎屑岩沉积,如雾迷山组与铁岭组碳酸盐岩间的洪水庄组,铁岭组与景儿峪组间的下马岭组和长龙山组,昌平组与徐庄—张夏组间的毛庄组等(图1)。据调查,青白口系下马岭—长龙山组碎屑岩在区内的连续沉积厚度超过400 m,在垂向上构成了区内稳定的隔水层,而其他碎屑岩夹层由于本区强烈的断褶构造,区域上为透水而不含水的夹层,仅在局部具隔水性能。据此,将本区岩溶含水层划分为上下2个含水岩组,分别为蓟县系雾迷山组—铁岭组构成的下含水岩组和青白口系景儿峪组—中奥陶统马家沟组构成的上含水岩组。

图1 黑龙关泉域岩溶水系统地质略图Fig.1 Geological sketch map of Heilongguan springshed

研究区属大石河流域,其主要水系有大石河、大安山沟、史家营沟、北窖沟等,大石河河水从霞云岭北侧进入系统,最后从黑龙关流出系统,在系统内沿途分别接受凉水泉、九道河泉和黑龙关泉水的补给。据调查访问,历史上大石河河水在区内为常年性河流,但20世纪90年代后,由于上游建设水库、塘坝,开采岩溶地下水,河水除暴雨时段外大多数时段断流,仅在泉水排泄段以及大型支流的碎屑岩入口的局部地段有水流过,这些地表水在下游碳酸盐岩裸露区二次入渗补给岩溶地下水。

2 系统划分及边界确定

根据岩溶地下水循环条件,地下水流场、区域地质构造[ 17, 18]以及地貌条件综合分析,确定了黑龙关泉域岩溶水系统的边界位置与性质。

2.1 西部北侧边界(a-b段)

黑龙关泉域岩溶水系统西侧为鱼谷洞泉岩溶水系统,二者同处于百花山向斜南翼,其含水层主要为寒武奥陶系碳酸盐岩并呈东西条带状连续出露分布。根据2个系统主排泄点的标高(黑龙泉群143 m,鱼谷洞泉320 m)分析,地下水具有分别向东、西2个泉水方向径流的趋势,为此,推测2个系统间存在地下水分水岭边界。本文根据系统的地质结构与地下水动力条件确定地下水分水岭的具体位置,分析如下:

首先,根据地下水位实测结果(表1,图2),四马台水位标高为643 m,向东到饮马槽(清林台)水位降低为420 m,向西到大地港为595 m,四马台接近于分水岭位置;其次,根据地质构造,桃树洼尖一带是南部大石河复背斜的次级荞麦山背斜轴向北西倾伏处,造成寒武—奥陶系碳酸盐岩含水层及其下伏下马岭—长龙山区域隔水层向北西凸起转折,对东西向地下水具有分流的作用;第三,这一带恰好也是碳酸盐岩裸露区四马台沟和史家营沟的地表分水岭,最终将2个岩溶水系统的地下水分水岭边界确定在桃树洼尖向北西延伸至白草畔北东约1.4 km处。

表1 研究区寒武—奥陶系岩溶地下水位实测汇总表 Table 1 Measured water level of Cambrian-Ordovician aquifer of study area
2.2 北部边界(b-c段)

系统北部为百花山向斜,地形上构成向斜山,向斜核部寒武—奥陶系碳酸盐岩含水层埋深>1 800 m,岩溶发育程度较低。向斜北翼岩溶水在碳酸盐岩与侏罗系隔水层接触带以泉水(上清水泉,图2)形式排泄,泉口标高550 m;向斜南芦子水泉标高608 m、四马台水位643 m、饮马槽水位420 m,两侧距离在10 km以上,在如此之小的水力梯度下,地下水须克服含水层阻力,穿越地下近2 000 m的深部循环,难以形成水量交换,因此确定岩溶含水层在地下为深埋滞流型隔水边界(图3)。但从岩溶水系统的角度,百花山向斜山南侧属大石河流域,碎屑岩区地表产流进入碳酸盐岩区后形成对岩溶地下水的渗漏补给,构成了系统的一项资源要素,因此,确定系统北部边界为地表水分水岭边界。

2.3 东北部边界(c-d段)

系统东北部发育大安山—红煤厂逆断层,断层北段近南北向北西的转折处,上水峪—大安山段地表石炭—二叠系煤系地层和下奥陶系地层对接。基于该断层力学性质,在内部讨论中有人提出把该断层作为隔水边界。但经实地调查,我们否定了该方案,理由如下:

图2 黑龙关泉域岩溶水系统等水位线图Fig.2 Water level contour map of Heilongguan springshed

图3 黑龙关岩溶水系统北边界上清水泉—圣莲山地质剖面图Fig.3 The geological profile of Shangqingshuiquan-Shenglianshan of Heilongguan springshed

大安山—红煤厂逆断层在南段造成寒武、奥陶系与蓟县系碳酸盐岩接触,从而使得来自于北西侧上含水岩组岩溶水越过断层进入下含水岩组,最终由黑龙关泉排泄,表明该断层不具隔水的性质;而在北段推算的岩溶水位以下为断层西南侧奥陶系与东北侧寒武系含水层接触,同时在宝地洼沟口断层面具有明显的溶蚀现象(图4),表明历史上具有较强的岩溶地下水活动,难以构成隔水边界。地下水位方面,东侧隶属于玉泉山泉域岩溶水系统,其主要排泄点西岭泉标高约630 m(水位偏高与下伏隔水层的顶托有关),再向东南的河北泉及三十亩地的岩溶水标高为120~130 m,因此认为黑龙关泉域岩溶水系统的东北边界为地下水分水岭边界,其位置由于缺乏控制点,推测与玉泉山泉域岩溶水系统的分界为大安山河与清水涧河在碳酸盐岩裸露区的地表水分水岭一带。

图4 大安山—红煤厂断层面的溶蚀现象Fig.4 The corrosion phenomena of Da’anshan-Hongmeichang fault

2.4 东部和西部南侧边界(d-e段、g-a段)

系统东部发育近南北向大安山—红煤厂断层,东盘蓟县系(下碳酸盐岩含水岩组)逆冲于西盘寒武—奥陶系(上碳酸盐岩含水岩组)之上,使得上下两大含水岩组在平面上直接对接(图1)。断层以东地层总体向西倾斜,蓟县系碳酸盐岩含水层向西倾斜深埋,上覆巨厚青白口系区域隔水层,构成系统东部深埋滞流性隔水边界,系统的西部南段具有同样的性质。

2.5 南部边界

与系统的东部和西部南段不同,南部由于霞云岭逆掩断裂带的影响,使得南盘雾迷山组碳酸盐岩逆冲于下马岭组碎屑岩之上,破坏了下含水岩组向南侧的延伸,是否能构成岩溶含水层深埋,构成滞流性隔水边界尚需进一步讨论。

2.5.1 南部东段(e-f段)

系统东南部东段为由北岭向斜构成的马刨泉—万佛堂泉岩溶水系统,其岩溶水主要赋存于寒武奥陶系碳酸盐岩含水层中,黑龙关泉域岩溶水系统与马刨泉—万佛堂泉岩溶水系间多由下马岭—长龙山组隔水层相隔,但没有沟通上下含水岩组(图5)。同时在南窖乡大西沟一带调查,断层高角度倾斜为压性断层,该村岩溶井水位高于北部花港村水位,地下水向北渗流,出水量较小,一般抽水4~5个小时后即出现吊泵现象(抽水量10 m3/h),具有补给区的特征,因此确定此处为岩溶地下水隔水边界。

图5 黑龙关岩溶水系统西南边界大港—北窖地质剖面图Fig.5 The geological profile of Dagang-Beijiao of Heilongguan springshed

2.5.2 系统南部西段(f-g段)

系统南部为高庄、甘池岩溶水系统。为查明两系统间的边界水文地质性质,我们进行了调查和地球物理勘探,最终确定了该地段为隔水边界,其理由如下:

在边界处霞云岭断层北盘下马岭组底部出露凉水泉(图1),该泉位于大石河北岸,出露标高368 m,泉水北侧凡泉沟泉和南侧断层上盘的梅子湖水库水位标高380 m(图6),泉水补给来源可能为北部大石河背斜区含水层水和南侧水库水,根据2012年“7.21”暴雨前后的泉水流量动态变化,枯水期流量不足5 L/s,但雨后却增加到100 L/s以上(2012年10月5日实测流量为107 L/s),该泉具有极大的动态变幅,虽然出流在下马岭组碎屑岩中,具有岩溶泉水的显著特征(实为下部铁岭组岩溶水);而在枯水期虽然在南部有高出泉口水位标高约20 m的水库,但泉水流量却很小,显然没有接受水库渗漏的补给。而且通过地球物理勘探,证实在凉水泉与断层南盘雾迷山组碳酸盐岩间存在一个向下延伸的碎屑岩低阻带(图7),表明泉水主要来源于北侧地下水, 而与南侧水库水无显著联系,因此把该处定为隔水边界。

图6 大石河背斜岩溶水文地质剖面图Fig.6 The hydrogeological profiles of Dashi anticline of Heilongguan springshed

图7 霞云岭北断层可控源音频大地电磁法视电阻率解译剖面图Fig.7 The apparent resistivity profiles of northern Xiayunling fault controlled source audio magnetotelluric method interprets

2.6 系统内部边界(a-h-i段)

黑龙关泉域岩溶水系统从地质结构上可划分为以寒武—奥陶系碳酸盐岩含水层为主的北部百花山向斜南翼东侧单斜区和以中元古碳酸盐岩含水层为主的南部大石河穹窿状背斜区。这2种区域构造也将该系统分为百花山向斜南翼子系统和大石河背斜子系统(图1)。2个子系统间西部为下马岭—长龙山组区域隔水层,为隔水边界(垂向上也不存在水量交换);东部为越过大安山—红煤厂断层后的下马岭组碳酸盐岩地层向西倾斜并逐渐深埋,构成岩溶地下水滞流性隔水边界。

3 岩溶水系统地下水补径排

黑龙关泉域岩溶水系统主要有北侧百花山向斜南翼子系统和大石河背斜子系统构成,系统总面积为323.7 km2,其中大石河背斜子系统面积为95.7 km2,百花山向斜南翼子系统面积为228 km2。百花山向斜南翼子系统接受碳酸盐岩裸露区降水入渗和北部史家营沟与大安山沟北部碎屑岩区地表产流(包括矿坑排水)渗漏补给,岩溶地下水首先由西向东,到达大安山一带折向南部渗流最终于黑龙关泉排泄。大石河背斜子系统主要接受大气降水的补给,由于次级荞麦山背斜轴部侵入的煌斑岩脉的隔水使得地下水向南北两侧渗流,分别在位于铁岭组与下马岭组接触面的大石河河谷形成凉水泉和九道河泉。凉水泉出流后很快又渗入地下补给岩溶地下水,在下游由九道河泉二次排泄,而九道河泉出流后沿大石河进入长操碳酸盐岩裸露段后二次渗漏,最终由黑龙关泉水排泄。这样使得2个子系统构成了一个统一的具有有机联系的黑龙关泉域岩溶水系统,这种联系在水化学方面表现的也非常显著,北部百花山向斜南翼子系统主要以寒武奥陶系为主,地下水接受来自北侧煤系地层区水的补给,水质相对比较复杂,其中K+,Na+,S 和Ca2+含量明显偏高,水化学类型多为HCO3·SO4-Ca或SO4·HCO3-Ca,而南部大石河背斜子系统含水层为中元古蓟县系燧石条带白云岩,地下水主要由大气降水补给,水化学类型多为HCO3-Ca·Mg,而作为2个子系统混合后排泄的黑龙关泉水在水化学三线图中的位置处于2个子系统岩溶水的中间部位(图8)。

图8 工作区不同含水岩组岩溶水样水化学三线图Fig. 8 The hydrochemical trigraph of karst water samples

4 结论

通过对黑龙关泉域岩溶水系统的地质、水文地质、岩溶发育特征、水动力以及水化学特征、地球物理勘探结果综合分析,得出如下结论:

(1) 黑龙关泉域岩溶水系统是独立循环的岩溶水系统,其西部北侧为地下水分水岭边界,西部南侧、南侧与东部南侧为隔水边界,北部为地表分水岭边界,北部边界为地表分水岭边界,东北部边界为推测边界。

(2) 黑龙关泉域岩溶水系统可划分为百花山向斜南翼子系统和大石河背斜子系统2个子系统,2个子系统的循环具有相对独立性,由于含水层以及补给源的不同,在水化学特征方面表现出较大的差异性,黑龙关泉水是2个子系统岩溶水混合后的最终排泄点。

(3) 北方岩溶水具有极强的系统性,岩溶水系统的岩溶水循环具有相对独立性,是开展地下水富集、水化学特征、资源评价与管理的基本单元,开展岩溶水系统研究的首要任务是确定其边界与水文地质性质,但往往需要采用多种方法综合分析确定。

The authors have declared that no competing interests exist.

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