姜梨园铁矿F1断层水文地质研究
摘要：为了研究姜梨园铁矿F1断层的水文地质条件，在物探的基础上对F1断层局部进行水文地质钻探，进而开展抽水试验并进行同位素示踪研究，为进一步了解断层的基本特征以及对矿区影响提供基础资料和科学依据。
Abstract: In order to obtain the fault-related hydro-geological conditions and to provide basic information for the mining exploitation，exploring the fault of the F1. In geophysical exploration that based on the arranged hydrogeological drilling, exploration and realization of specialized, comprehensive evaluation, in order to fully understand the fault which can provide a scientific basis.
关键词：断层；水文地质钻探；同位素
Key words: fault；Hydro-geological drilling；isotope
中图分类号：P5文献标识码：A文章编号：1006-4311（2010）32-0147-02
0引言
姜梨园铁矿位于江苏省沛县境内，矿区地处黄河冲积平原中部，地形平缓，总体西南高、东北低，地面海拔标高41.0~38.7m，地面坡降3/10000。研究区位于华北地台鲁西台背斜与豫淮台褶带的交界部位，地层为华北型，太古界泰山群基底之上沉积的盖层与徐州东部地区相比，缺失上元古界—下寒武统底部猴家山组。区内褶皱平缓、断层发育。燕山期中酸性岩侵入，分布于凸起与凹陷的过渡部位，与下奥陶统肖县组接触，为接触交代型铁矿的形成提供了地质条件。研究区地质图如图1所示，矿区主要有东西向、北西向断层，北东向断层不发育，本文选择东西向中最具代表性的F1断层进行探讨。该断层在原地质勘探中控制程度不足，未作专门水文地质工作，断层的产状要素及富水含水性不清，对制定科学的防治水措施依据不足，因此在物探的基础上进行水文地质钻探，取得了较好的效果。
1研究区水文地质概况
勘探区位于上层铁矿体北侧、下层铁矿体南侧，涉及到上下两层矿体。矿体赋存奥陶系可溶岩与闪长斑岩接触带中，埋藏在侵蚀基准面以下，标高-245.36m以上被巨厚的第四系松散层覆盖，其顶板又与第四系下更新统、奥陶系肖县组中等富水含水层直接接触。根据物探资料，推测该段F1断层走向近东西，断层面向北倾斜，倾角80-85度，总断距大于240m。上盘地层向下错位较大。
2水文地质钻探
2.1 概况水文地质钻探是水文地质普查、勘探工作中取得地下水文地质资料的主要技术方法，也是开发利用深层地下水进行钻井工程的唯一技术手段。它的基本任务是在水文地质测绘、水文地质物探的基础上，进一步查明含水层的岩性、层次、构造、厚度、埋深分布及水量、水质、水温等水文地质条件、特征和参数，解决和验证水文地质测绘和物探遥感工作中难以解决的水文地质问题，为评价和合理开发利用地下水资源提供可靠的水文地质资料和依据。本文是在前人物探的基础上在F1断层周边布置5个水文地质孔，尽可能地控制到断层，以取得预想效果。
2.2 钻孔布置原则以物探资料为基础，按点面兼顾的原则布设基本孔，验证和控制F1断层；尽可能地穿透断层，在上下盘分别设置钻孔，查明该区域地层厚度和断层厚度；为达到研究目的，水文地质钻孔应与以前所留的地质孔相结合，尽量做到一孔多用；在进行抽水试验过程中，所记录的数据要详尽、准确。
2.3 钻孔及观测孔布置施工水文地质钻孔共5个，分别命名为SK01、SK02、SK03、SK04、SK05，其中，SK01、SK02、SK05都揭露到断层，而SK03、SK04孔则分布在断层的南盘，达到了水文地质勘探设计的钻探目的。为了更好的进行抽水试验，除了需要水文地质孔外，还需要大量的观测孔，物探所遗留的地质孔众多，选取距离水文孔较近的作为观测孔。
3水文地质试验研究
3.1 抽水试验研究姜梨园铁矿为一新建矿区，通过抽水条件下的不同观测孔的水位动态情况分析，不仅可以反映F1断层的导水性，同时，也能揭示矿坑排水条件下含水层组间的水力联系。由钻孔岩芯资料可以看出，断层上盘有奥陶系肖县组的存在，而下盘却没有，因此着重对断层上盘肖县组进行不同勘探孔的单孔及群孔的非稳定流抽水试验，以确定各含水层之间是否具有水力联系；而对SK05孔进行单孔抽水试验，其他水文孔作为观测所用，以观察断层的导水性及上下盘之间的水力联系。
3.1.1 SK04孔抽水试验SK04孔的抽水层位为奥陶系肖县组含水层，分析不同观测孔的水位数据可知，尽管抽水量只有320m3/d~580m3/d，在连续抽水8.5h后，主孔稳定动水位降深达11.41m，距离主孔78.09m且观测同一抽水层位的ZK401孔，动水位降深为8.65m；而距离主孔分别为56.64m和53.44m的SK02和SK03孔，肖县组的动水位降深分别达5.90m和5.60m，说明沿F1断层具有导水性，且表现出各向异性的特点。距主孔285.19m的ZK008-3孔水位降深仅为0.01m，观测第四系水位的ZK008-1孔，水位没有发生变化，说明肖县组抽水量不大于580m3/d时，第四系含水层与肖县组含水层中的地下水水力联系较差。
3.1.2 群孔抽水试验对SK01~SKO4四孔进行群孔抽水试验，平均抽水量为540m3/d，连续抽水42h后，在距离SK04孔东侧182.93m处，ZK808孔的水位降深为3.75m，285.19m处的ZK008-3的水位开始有明显下降，水位降深0.12m。这也从一定程度上反映出勘查区东侧的水力联系明显好于西侧。
3.1.3 SK05孔抽水试验SKO5孔的抽水层位为奥陶系马家沟组含水层，在该孔进行抽水时水位下降很快，同处于断层上的SK02水位有明显变化，而位于矿体南盘的其他观测孔水位也能观测出变化。说明断层在该研究区内为含水断层，矿体南北盘亦有水力联系。
3.2 水化学及环境同位素特征研究同位素方法在解决地下水的补给来源问题上，比较成熟的方法就是比较地下水与当地雨水的同位素组成，通常是利用δ180～δD图解法。如果地下水的同位素值分布当地雨水线附近，说明地下水来源于雨水。由于研究区内没有雨水同位素的长期观测资料，所以本次研究中将收集到的与研究区水文气象条件相似的IAEA机构的GNIP网络中南京站雨水同位素资料作为分析本区地下水补给来源的参考，并将其标绘于δ180～δD图解中，同时将地下水同位素的测试结果也标绘于δ180～δD图解中。如图3所示。
利用最小二乘法得到当地大气雨水线（LMWL）方程为δD=8.47δ18O+17.52（相关系数为0.96）。
由图3可见，肖县组裂隙岩溶水（O1x）的δ18O～δD值沿当地雨水线（LMWL）分布，并略偏于右侧，反映本地区地下水来源于当地降水，结合本地区水文地质结构，第四系孔隙水主要为当地雨水补给，肖县组裂隙岩溶水含水层主要接受了上覆第四系含水层孔隙水的垂向补给，从而造成了肖县组裂隙岩溶水（O1x）的δ18O～δD值与当地雨水相近的特点。
从SK02孔抽水试验期间肖县组裂隙岩溶水δ18O的历时曲线，在抽水试验持续16小时期间，裂隙岩溶水δ18O变化幅度比较大。如图4所示。
4结论与建议
姜梨园铁矿F1断层在进行水文地质钻探的基础上，进行抽水试验等一系列研究，最终详细说明了研究区内断层的特性及各含水层之间的水力联系，为矿区开采提供了重要的水文地质依据，取得了专门勘探、综合评价的效果。
水文地质钻探钻孔结构复杂，施工要求严格，工期长，费用高。因此该钻探只取了5个水文孔进行研究，并且这5孔距离很近，这使得研究具有很大的局限性，并不能对断层进行完全地反应，只是给出了这一研究区的断层水文地质条件结果，建议矿区尽可能地进行更加详细地分析研究，也为其他矿进行地下水研究提供一定的参考。
综上所述，抽水试验过程中各孔水位观测数据表明，F1断层为一导水断层，且在开采条件下，断层两侧的地下水水力联系比较密切，而肖县组与第四系的水力联系相对较差；浅部断层带内角砾岩由粘土矿物充填胶结，断层带导水性较地层稍好；深部断层带内角砾岩由泥晶方解石胶结，基本不导水。
抽水试验很大程度会受到钻孔施工工艺的影响，由于地质条件不尽相同，在钻探时会出现不同的问题，例如孔内淤积泥沙等，这都会给研究带来许多不确定因素，因此，在进行研究的同时，施工工艺也得亟需改进，使研究更加准确、科学。
参考文献：
[1]冯明.构造地质学[M].北京：地质出版社，2007.
[2]何宏康，李明山，禹云雷.姚桥井田边界断层水文地质条件综合勘探研究[J].淮南工业学院学报，2000.8.
[3]郑世书.专门水文地质学[M].徐州:中国矿业大学出版社，1999.
[4]（DT/T 0148—1994）水文地质钻探规程[M].
[5]王永功，刘浩，郑秋菊.刘桥断层富水性研究[J].煤炭技术，2006.9.
[6]张国强，李文平，郑志军，王翔.白象山铁矿的水文地质问题及解决措施[J].矿业快报，2008.3.