北京昌平高崖口—南口巖溶水分布區(qū)水文地質(zhì)特征

郭 彤，薛洪林，付昌鴻，牛升晟

（北京市地質(zhì)勘察技術(shù)院，北京 102209）

北京平原區(qū)第四系地下水連續(xù)多年超采，水位持續(xù)下降，出現(xiàn)了一些環(huán)境地質(zhì)問題[1]，1999年以來，又遭遇建國以來持續(xù)時間最長、旱情最為嚴重的干旱期。為解決北京市水資源緊缺，北京市水務(wù)局和北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局根據(jù)多年水文地質(zhì)勘察成果，在2013年實施了“北京巖溶水資源勘查評價工程”，進行巖溶水資源應(yīng)急勘查工作。該項工程建設(shè)對緩解北京市水資源緊缺、保證城市居民生活用水和城市經(jīng)濟建設(shè)可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。通過本工程可以查清巖溶水資源總量和可利用量；確定巖溶水應(yīng)急后備水源地位置、范圍和規(guī)模，為進一步擴大資源開采潛力提供科學依據(jù)。本工程在北京昌平高崖口-南口巖溶水分布區(qū)布置了4眼勘探井進行巖溶水資源普查。本文在分析昌平高崖口-南口地區(qū)區(qū)域水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，結(jié)合鉆井地層、抽水試驗、水質(zhì)檢測等資料，計算水文地質(zhì)參數(shù)，劃分水化學類型，并對地下水水質(zhì)進行評價，根據(jù)該區(qū)隱伏巖溶水地質(zhì)構(gòu)造新的認識，提出了水源地靶區(qū)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

1.1 地層

該區(qū)地質(zhì)構(gòu)造單元處于青白口中穹褶（Ⅳ10）、門頭溝迭陷褶（Ⅳ11）和昌（平）懷（柔）中穹斷（Ⅳ5）的交界部位。地貌上處于昌平西部山前傾斜平原地帶，屬于南口沖洪積扇的上部。該區(qū)為第四紀沉積凹陷—馬池口凹陷，區(qū)域基巖地層分布有中新元古界長城系、薊縣系，古生界寒武系和中生界侏羅系。工作區(qū)北部、南部出露較大的巖漿巖體[2]。

1.2 構(gòu)造

工作區(qū)內(nèi)褶皺構(gòu)造為昌平北小營向斜，軸向北東，核部分布有侏羅系，南東翼在影壁山推覆構(gòu)造作用下，薊縣系蓋在侏羅系之上；向斜被北西向的南口斷裂切割。發(fā)育北西向和北東向兩個構(gòu)造體系，北西向發(fā)育南口—孫河斷裂，北東向發(fā)育南口山前斷裂和影壁山斷裂[2]，見圖1。

2 水文地質(zhì)條件

根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造條件，該區(qū)為昌平北小營向斜儲水構(gòu)造，向斜核部地層為侏羅系，兩翼為霧迷山組，向斜軸向北東。受構(gòu)造、巖漿等運動影響，薊縣系霧迷山組巖溶裂隙含水巖組的富水性均較好，一般單位涌水量可達300 m3/d。

圖1 昌平高崖口—南口巖溶水分布區(qū)基巖地質(zhì)構(gòu)造圖

2.1 巖溶水含水巖組

昌平高崖口—南口巖溶水分布區(qū)屬山前巖溶地下水分布區(qū)，第四系分布于平原區(qū)及溝谷地帶，基巖地層主要為中新元古界薊縣系霧迷山組。

本區(qū)取水目的層為薊縣系霧迷山組白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r，該組厚度大于1000 m，分布廣，巖溶裂隙發(fā)育、滲透性好、導水性強，有利大氣降水入滲，巖溶水富水性好，巖溶水埋藏類型為覆蓋型承壓水。

2.2 地下水補、徑、排條件

大氣降水的入滲補給構(gòu)成了高崖口—南口巖溶裂隙含水系統(tǒng)的主要補給來源。其次還有一定數(shù)量的碎屑巖裂隙水的間接補給［3］。

本區(qū)巖溶裂隙水通過裂隙、溶洞及斷裂破碎帶等以地下徑流的形式向下游流動。流動方向為由北向南、自西向東。

3 勘查成果分析

3.1 鉆孔

本次工作共鉆探4眼井，其中有三眼為勘探孔，一眼為探采結(jié)合孔。井位布置見圖1。

根據(jù)物探測井、巖屑錄井和巖礦鑒定資料綜合分析，本次勘查鉆遇地層分別為第四系、白堊系+侏羅系、薊縣系、侵入巖，各井實鉆揭露地層情況見表1。

3.2 抽水試驗

CG-K-3、CG-T-1井未進行抽水試驗。

CG-K-2抽水試驗成果：靜水位31.50m，降深53.60 m，涌水量1503.68m3/d，水溫35℃。

CG-K-1勘探井，共進行了3次抽水試驗，原因是該井“二開”施工遇薊縣系霧迷山組含水層，該井段泥漿漏失較大，孔壁坍塌掉塊現(xiàn)象嚴重，為防止孔內(nèi)事故發(fā)生，保證施工安全及進度，完成勘查任務(wù)，在“二開”180.00～800.00m井段下入Ф177.8mm套管，繼續(xù)“三開”施工至設(shè)計井深1502m，裸眼成井。隨后進行抽水試驗，結(jié)果表明出水量小、降深大，富水性差，決定借鑒在油氣井完井

中應(yīng)用廣泛的套管射孔完井技術(shù)，將套管射孔完井技術(shù)首次應(yīng)用于在CG-K-1井180.00～800.00m井段。因此對800.00～1502.00m井段、180.00～800.00m井段、180.00～1502.00m井段分別進行了3次抽水試驗，其流量Q-降深S曲線見圖2。

表1 勘查井揭露地層表

圖2 CG-K-1勘查井不同井段抽水試驗Q-S曲線

抽水試驗數(shù)據(jù)見下：

（1）800～1502m井段：靜水位44.70 m，降深46.10 m，涌水量1133.28 m3/d，水溫28℃。

（2）180～1502m井段：靜水位45.35 m，降深3.75 m，涌水量1815.00m3/d ，水溫24℃。

（3）180～800m井段：靜水位45.32 m，降深4.73 m，涌水量1763.00 m3/d ，水溫 21℃。

3次抽水試驗的降深與流量的關(guān)系曲線進行對比,可以更直觀的反映勘查井含水層的性質(zhì): 180.00～800.00m射孔井段與180.00～1502.00m井段的降深與流量曲線形態(tài)較為相似，而與800.00～1502.00m 井段段曲線相差較大，也說明了180.00～800.00m井段含水層富水性較好，對本井涌水量的貢獻大。

3.3 水文地質(zhì)參數(shù)計算

考慮在沒有補給的條件下，利用抽水井的雙對數(shù)降深(s)-時間(t)曲線，使用配線法計算滲透系數(shù)，采用下列公式：

其中：W(u)為標準井函數(shù)；

K：滲透系數(shù)（m/d）；

Q：抽水井出水量（m3/d）；

M：承壓含水層厚度（m）；

rw：抽水孔過濾器的半徑（m）；

s: 降深配線值。

CG-K-1、CG-K-2兩井的滲透系數(shù)K和導水系數(shù)T，結(jié)果見表2：

表2 配線法計算結(jié)果表

上述數(shù)據(jù)說明：

（1）CG-K-1井800m以上含水層K值遠大于800m以下含水層的K值，說明該井上部巖溶裂隙發(fā)育、滲透好、導水性強。下部巖溶裂隙不發(fā)育、滲透差、導水性弱；

（2）CG-K-1井、CG-K-2井分布于南口—孫河斷裂兩側(cè)，CG-K-1井處于上升盤，CG-K-2井處于下降盤，CGK-1井的K值遠大于CG-K-2井K值，反映了南口—孫河斷裂兩側(cè)不同深度的水文地質(zhì)參數(shù)及巖溶裂隙發(fā)育情況，表明了南口—孫河斷裂上升盤上部800m以淺最為適合基巖巖溶水經(jīng)濟開發(fā)。

3.4 地下水化學類型

CG-K-1、CG-K-2 、CG-K-3取水樣進行水質(zhì)檢測，CG-T-1未取水樣進行水質(zhì)檢測，勘查井水化學成份（陽、陰離子）主要結(jié)果表3，按舒卡列夫分類：

CG-K-1井水化學類型屬于HCO3-Ca?Mg(重碳酸鈣鎂）型水，無色無味無渾濁物，PH值為7.98，礦化度為333mg/L，總硬度為167mg/L，屬于弱堿性、微硬水。

CG-K-2該巖溶水的水化學類型屬于CO3?SO4-Na(重碳酸?硫酸鈉）型水。

3.5 水質(zhì)評價

根據(jù)國家《地下水質(zhì)量標準》（GB/T14848—93）對所取水樣采用單項組分評價：

表3 勘查井水化學成份（陽、陰離子）含量表

（1）CG-K-1井所化驗的項目大多數(shù)達到Ⅰ～Ⅱ類水質(zhì)標準，僅硫酸鹽、揮發(fā)性酚類、氨氮、鋇4項組分略微超過Ⅱ類指標要求，為Ⅲ類，因此地下水質(zhì)量評價為Ⅲ類，該水質(zhì)適用于集中式生活飲用水水源及工、農(nóng)業(yè)用水。

（2）CG-K-2井所化驗的項目大多數(shù)達到Ⅰ～Ⅲ類水質(zhì)標準，色度、肉眼可見物、溶解性總固體、固體、氟化物4項組分含量高，為Ⅴ類，因此地下水質(zhì)量評價為Ⅴ類，該水不宜飲用，但可根據(jù)使用目的選用。

（3）CG-K-3井水所化驗的項目大多數(shù)達到Ⅰ～Ⅲ類水質(zhì)標準，渾濁度為Ⅳ類，溶解性總固體、硫酸鹽、氟化物含量高，為Ⅴ類，因此地下水質(zhì)量評價為Ⅴ類，該水不宜飲用，可根據(jù)使用目的選用。

3.6 Piper三線圖

根據(jù)設(shè)計要求，鉆探施工在氣舉反循環(huán)鉆進開始階段、抽水試驗開始及結(jié)束時各取一件水樣，進行水質(zhì)分析。該區(qū)勘查井CG-K-1（800～1502m）、CG-K-1（180～800m）、CG-K-1（180～1502m）3個深度水樣、CG-K-2井1個水樣，共計4件抽水結(jié)束時水質(zhì)Piper圖，見圖3。

根據(jù)Piper三線圖解分區(qū)，總共劃分為9個區(qū)，落在菱形中的不同區(qū)域的水樣具有不同的化學特性。

(1)CG-K-1井抽水結(jié)束前3個井段水樣其水化學值位于1、3、5區(qū)，水樣總體上堿土金屬離子超過堿金屬離子，弱酸根超過強酸根，水樣中碳酸硬度（超過50%），地下水化學性質(zhì)以堿土金屬離子和弱酸根離子為主。

圖3 勘探區(qū)水化學三線圖

(2)CG-K-2井抽水結(jié)束前水樣其水化學值位于2、3、9區(qū)，水樣總體上堿金屬離子超過堿土金屬離子，弱酸根超過強酸根，水樣中以堿金屬離子和弱酸根離子為主，該區(qū)任一對陰陽離子含量均不超過50%毫克當量百分數(shù)。

(3)本次勘探工作CG-K-1、CG-K-2井布置于南口—孫河斷裂的兩側(cè)，根據(jù)兩井的水質(zhì)化驗資料（表3）證實，兩井水化學成分總硬度（以CaCO3計）接近，但水化學類型不同，CG-K-2井的溶解性總固體、硫酸鹽、氯化物、氟化物、鈉離子明顯高于CG-K-1井，說明其深部水交替及溶濾作用變?nèi)?，薊縣系霧迷山組含水層中形成礦化度較高的硫酸鹽水。即地下水運移的路徑有所不同，礦化程度不同。

4 結(jié)論

本次勘探工作CG-K-1、CG-K-2井布置于南口—孫河斷裂的兩側(cè)，CG-K-3井布設(shè)于影壁山斷裂的北側(cè)，CG-T-1井布設(shè)于南口山前斷裂的南側(cè)，目的是查明主要巖溶含水層的分布、埋藏特征及其巖溶地下水的賦存規(guī)律，通過本次工作獲得了以下初步認識：

（1）西部曹莊CG-K-3勘探井鉆遇燕山期花崗二長巖，該巖體巖性致密，構(gòu)造裂隙不發(fā)育，初步查明了該區(qū)火成巖類裂隙水富水性差。

西南部CG-T-1勘探井第四系下伏侏羅系（J）地層及燕山期花崗閃長巖體。該巖體巖性致密，構(gòu)造裂隙不發(fā)育，富水性差。

由此，區(qū)域上表明該巖溶水分布區(qū)受到多處隱伏巖體的侵入，不僅大大占據(jù)了巖溶含水層空間，還阻斷了山區(qū)巖溶水補給的通道，形成了大范圍的隔水邊界，使巖溶水資源開發(fā)潛力受到制約。

（2）巖溶水分布區(qū)東北部的南口孫河斷裂兩側(cè)，CG-K-1、CG-K-2井鉆探表明分布有薊縣系霧迷山組巖溶含水層。斷裂南西側(cè)的下降盤薊縣霧迷山組巖溶裂隙較為不發(fā)育、滲透性一般、富水性一般；斷裂東北側(cè)的上升盤上部800m以淺區(qū)域，巖溶裂隙發(fā)育、滲透好、導水性強，涌水量大，地下水水質(zhì)適合于集中式生活飲用水源，最為適合基巖巖溶水經(jīng)濟開發(fā)，沿孫河斷裂東北側(cè)展布的線狀區(qū)域可選作水源地靶區(qū)進一步勘查。

（3）本次工作對馬池口第四系凹陷有了新認識，第四系凹陷有兩個沉降中心，第四系厚度均超過800m，南口西南沉降中心位于曹莊附近，馬池口沉降中心位于七間房村附近。以往認為馬池口沉降中心第四系最厚處在馬池口附近，地震鉆孔揭露厚度601m，下伏為侏羅系。本次位于馬池口西北的七間房村CG-K-2井，查明基巖埋深超過800m?？偟膩砜?，這兩個沉降中心基底呈鏟形，靠近南口斷裂第四系厚度大，向西南逐漸翹起。

[1]郭高軒，劉文臣，辛寶東等.北京巖溶水勘查開發(fā)的現(xiàn)狀與思考［J］,南水北調(diào)與水利科技，2011,9（2）：33～35.

[2]劉清曉等.北京市平原區(qū)基巖立體地質(zhì)調(diào)查成果報告2007年11月30日 98，140～142.

[3]張如滿等.北京巖溶水資源勘查評價工程實施方案（送審稿）.2010年11月，53.

[4]中華人民共和國國家標準 GB 50027-2001供水水文地質(zhì)勘查規(guī)范［S］.北京:中國計劃出版社，2001.

[5]中華人民共和國國家標準 GB/T14848—93《地下水質(zhì)量標準》［S］.北京:中國標準出版社，1994.