郭永海，王海龙，董建楠，苏 锐，季瑞利，刘淑芬，李亚伟，宗自华，

（核工业北京地质研究院，中核集团高放废物地质处置评价技术重点实验室，北京 100029）

北山地区位于甘肃省西部河西走廊以北，行政区划隶属于甘肃省酒泉地区和内蒙古额济纳旗。 地理坐标大致为： 北纬40°30′～40°40′；东经 94°00′～100°00′， 总面积约 90 000 km2，其中基岩分布面积高达70%以上。在干旱气候条件下，区内物理风化作用强烈，浅部岩石多呈机械破碎状态，风化裂隙发育，因此，风化裂隙水分布范围较广，已经成为区内居民用水的主要水源。从供水角度出发，正确认识北山地区风化裂隙水富集规律十分必要；从我国目前在该区开展的高放废物处置库选址角度出发，查清风化裂隙水富集和分布规律也是水文地质研究的重要内容之一。

依据前人在该区开展的水文地质普查资料及我们近年来开展的调查和研究，对区内风化裂隙水富集和分布规律进行了初步分析，希望能为今后在该区开展的高放废物处置库选址，以及地下水资源开发研究等提供借鉴。

1 自然地理及地质背景概况

该区地势西高东低，海拔高度1 000～2 500 m，山体呈近EW向展布，位于中部的马鬃山主峰，海拔高度2 583 m，东部与黑河下游平原接触，海拔高度约1 000 m左右。地貌形态特征为微切割的中低山、丘陵和洼地相间排列，中低山、丘陵多由古生代地层和岩体构成，洼地多分布有中、新生代沉积物。区内无常年性地表水体，但由洪水冲蚀形成的沟谷十分发育，主沟近EW向分布者居多，支沟多垂直于山体分布。

该区是我国典型的干旱地区，降水量少，蒸发量大，干燥多风，植被稀少，冬冷夏热，属典型的大陆性气候。据当地气象资料，该区降水量表现出随地势升高而递增的规律性。地形每升高100 m，降水量增加3.8 mm，据此推算，马鬃山西段年平均降水量可达90 mm以上，东部低山、丘陵及盆地内亦可达60～70 mm。从多年降水资料看，丰水年调查区西部降水量可达100～120 mm以上，东部可达80 mm；贫水年调查区西部降水量可达60 mm左右，东部约为40 mm。

调查区西部年平均气温约4℃，年蒸发量约3 100 mm；东部年平均气温约5℃，年蒸发量增高至3 500 mm左右。年内气温变化较大，1月份气温最低，平均-11.6℃，7月份气温最高，平均为22℃左右。

区内地层出露较为齐全，自震旦系至第四系均有分布。震旦系为浅海相碎屑岩、碳酸盐岩沉积，主要岩性为变质砂岩、片岩及大理岩、结晶灰岩等；寒武系为一套海相沉积，以碳酸盐岩为主；奥陶系和志留系主要为混合岩、变质岩，其上部分布着大量火山岩；泥盆系为火山碎屑岩沉积，缺失下统；石炭系和二叠系均为海相、海陆交互相沉积，以碳酸盐岩为主，有少量碎屑岩、泥质岩；三叠系、侏罗系和白垩系均为陆相碎屑岩沉积，以砂砾岩、砾岩和砂岩为主；古近系、新近系主要为砂岩、粉砂岩、泥岩，有少量砂砾岩；第四系不发育，为一套松散或半胶结沉积物，以洪积相、冲洪积相为主。

区内在大地构造上属天山—兴安褶皱系。研究区范围内该褶皱系包括两个Ⅱ级构造单元，北天山造山带和北山—内蒙古造山带（新疆维吾尔自治区地质矿产局，1993；内蒙古自治区地质矿产局，1991）。褶皱、断裂非常发育，EW向构造为主导构造，由一系列复式褶皱、断裂及其伴生的两组扭性断裂组成，规模较大，此外，还存在一定规模的NE向构造，多以断裂形式出现［1］。

区内岩浆岩发育，约占基岩出露面积的50%，尤以华力西中期岩浆岩最为发育，分布面积广。岩性主要有斜长花岗岩、二长花岗岩、钾长花岗岩和混合岩化岩石等，通常以大型岩基产出。

2 风化裂隙水的分布特征

暴露于地表的岩石，在温度变化，以及水和空气、生物等营力作用下形成风化裂隙。风化裂隙常在成岩裂隙、构造裂隙的基础上进一步发展，形成密集而均匀、无明显方向性，连通性良好的裂隙网络，其间赋存的地下水即为风化裂隙水。风化裂隙的发育深度一般为n×100～n×101m，其下部未风化的母岩往往构成相对隔水底板，因此，风化裂隙水一般为潜水，如果风化裂隙带被后期沉积物覆盖，则可形成古风化壳承压水［2-3］。

北山地区气候干旱，且温差较大，岩石的热胀冷缩及水的冻胀等物理风化作用强烈，有利于形成含水和导水的风化裂隙。根据钻孔揭露，该区基岩风化裂隙带深度一般为5～50 m，断裂带附近或与围岩接触带附近风化裂隙带发育深度可达80 m。风化裂隙水主要来源是当地大气降水入渗补给，补给方式是降雨沿岩石节理、裂隙垂直入渗，但补给量有限，只有单次降雨量达到一定规模时（大于5 mm）才能对地下水构成明显补给，因此，这种类型的地下水水量一般不大，单井涌水量多小于20 m3·d-1，但在条件良好的情况下，也可形成水量较丰富的地下水，单井涌水量达到每日数百立方米。这类地下水一般以潜水的形式存在，水位埋深差别较大，在北山地区分布较广泛。在地势较低的丘陵区水位埋深相对较小，一般为5～40 m；地势较高的山区水位埋深相对较大，一般为40～100 m。

3 风化裂隙水富集的影响因素分析

北山地区的气候条件总体上是相似的，但风化裂隙带的发育深度不同，其风化裂隙的连通性也不同，因此，风化裂隙水的富水性也存在较大差异。经钻孔资料、民井资料分析，认为影响风化裂隙带的发育深度、风化裂隙的连通性，以及富水性的主要因素是岩性、地形和构造3个方面，当岩性、地形和构造条件达到最佳组合时，风化裂隙可以达到中等富水程度。

3.1 岩性的影响

资料显示，北山地区风化裂隙水的富水性因含水介质岩性不同而存在明显差异。根据甘肃省水文地质普查资料，火成岩区基岩裂隙水单井涌水量10～200 m3·d-1，变质岩和沉积岩单井涌水量一般小于10 m3·d-1。以马鬃山煤矿幅资料为例，火成岩主要由花岗岩、花岗闪长岩及闪长岩组成，分布于六角井、芦草井、同昌口和白头山等低缓丘陵和准平原区，裂隙发育，地下水主要赋存于风化裂隙带中，根据8个钻孔揭露，风化带深度一般小于80 m，水位埋深小于40 m，单孔涌水量 102.3～270.1 m3·d-1（表 1）。 而变质岩中的3个钻孔，虽然风化裂隙带的发育深度也在15～50 m之间，但均为干孔（表1）。此外，民井抽水试验资料也显示，花岗岩中的民井涌水量达到10～20 m3·d-1，而变质岩中的民井涌水量只有0.5～10 m3·d-1。也就是说，火成岩风化裂隙水水量明显大于变质岩和沉积岩风化裂隙水水量，说明岩性是控制北山地区风化裂隙水富集的一个重要因素。

岩性影响北山地区风化裂隙水富集程度的主要原因是风化裂隙带的充填物质和充填程度不同造成的。变质岩、碎屑岩多为塑性岩层，风化裂隙张开性差，且常常被泥质物质紧密充填，裂隙的含水性和导水性大大降低。而花岗岩、花岗闪长岩等火成岩属脆性岩石，风化裂隙张开性好，充填物少，且多为砂性物质，因此，含水性和导水性都相对较好。由此可见，岩性是风化裂隙水富集的基本条件。

3.2 地形的影响

地下水的富集需要一定的补给条件，也必须具备相应的储水空间，两种条件的优劣，决定着富水性的强、弱。地形对区内风化裂隙水的影响实际上就体现在对地下水补给条件，以及风化裂隙带发育深度的影响。

表1 北山地区岩体钻孔涌水量Table 1 The water yields of borehole in pluton in Beishan area

根据前人研究成果和项目组多年来在该区开展的研究工作，北山地区地下水的主要补给来源为当地的大气降水。虽然区内年降雨量仅为40～80 mm，但降水相对集中，且多以暴雨形式出现，并可形成沟谷洪流和洼地积水，这在总体上对于干旱地区地下水补给是有利的。而地形恰恰可以直接影响地下水接受降水补给的能力。

在地形起伏较大的低山区，虽然降水量相对较大，但由于地形陡峭，降水在当地停留时间短，很快转化为地表径流而流出区外，不利于对当地地下水的补给，并且由于地形坡度大，地下水的水力坡度也相对较大，所形成的风化裂隙水也易于流失，不利于地下水的赋存。因此，地形较高的低山、丘陵区风化裂隙水就相对贫乏。如表1中的N14、N23和N27这3个钻孔均位于低山区，风化裂隙带岩心破碎，厚度15～29 m，钻探时冲洗液严重漏失，但3个钻孔均为干孔。

地形平缓、地势低洼的沟谷、洼地地区，虽然降水量一般相对较小，但由于地面坡度小，地形相对高差不大，降水在地表的停留时间就会较长，所以有利于降水对地下水的入渗补给。更为重要的是，沟谷、洼地分布区常常是地表洪水汇集区和排泄通道。一场暴雨过后，沟谷变成暂时性河流，洼地积水成为暂时性湖泊，对接近地表的风化裂隙水的补给是非常有利的。降水首先形成地表径流，沿途下渗补给地下水，未来得及下渗的地表径流则汇集于沟谷，形成沟谷洪流，流向下游。根据前人研究结果，沟谷洪流持续时间一般可达2～3 h，在此期间，北山地区规模一般性的沟谷洪流漏失量都在0.432 m3·（s·km）-1左右，以位于区内的梧桐沟为例，其长度16 km，如果每年有3次洪流发生，每次持续时间3 h，则每年的渗漏量就可达到22.4万 m3。在沟谷中未能入渗的沟谷洪流继续向下游流动，最终汇集于山间或丘间洼地中，形成暂时性积水，入渗补给洼地和盆地风化裂隙水。这就是说，地形对区内风化裂隙水富集影响实际上首先在于对地下水补给条件的影响。

一般来说，沟谷规模越大，汇水面积越大，则风化裂隙水富水性越好；洼地面积越大，风化裂隙水富水性越好，尤其是源远流长的沟谷所流经的洼地，由于补给条件好，风化裂隙水富水性相对更好。山间洼地富水性一般要好于丘间洼地。

此外，根据钻孔揭露，地形明显影响风化裂隙的发育程度。在地形较高的分水岭地带，风化裂隙发育程度一般较差，深度也较小，通常小于30 m；而地形低洼的沟谷和洼地地区，风化裂隙发育程度一般比较强烈，深度也较大，一般厚达30～50 m，少数可达70 m，这无疑有利于风化裂隙水富集，与水的关系密切。

地形影响风化裂隙发育程度的根本原因主要在于水的参与。前已叙及，地形低洼的沟谷和洼地是地表径流汇集的场所，在岩性等条件相似的情况下，由于水的相对富集，水的冻胀导致的物理风化作用势必加强，同时，也将大幅提高化学风化作用的强度，从而提高岩石的风化程度。此外，水的溶蚀作用也会进一步促进风化裂隙的发育。

3.3 构造的影响

构造对风化裂隙水富集的影响一般都是很显著的，原因也很简单。以构造破碎带为例，其本身就是岩石的薄弱地带，易于接受降水补给，也增大了岩石与水和空气的接触面积，从而促进风化作用的进行，风化裂隙不仅密集，发育深度也相对较大。实际上，位于断裂构造及其附近的风化裂隙带，其裂隙的发育程度是风化裂隙和构造裂隙两者叠加的结果，因此，构造也是风化裂隙水富集的重要基本条件。构造对风化裂隙水富集的影响还体现在构造破碎带本身多形成沟谷、洼地地形。

根据前人成果和笔者多年来的调查，北山地区断裂构造非常发育，以EW向构造为主导，还存在一定规模的NE向和NW向断裂构造。根据前人资料表明，在断裂带及其附近影响带内，风化裂隙带深度可达100余米，钻孔抽水试验资料也显示，与断裂构造有关的风化裂隙带钻孔涌水量一般都较大，例如，位于马鬃山镇以南的野马街气象站的N34钻孔，在降深14 m时，单孔涌水量达474 m3·d-1；在条件有利的情况下，单孔涌水量可达 1 500 m3·d-1。

4 结 语

北山地区物理风化作用强烈，风化裂隙带发育深度一般为5～50 m，局部可达100 m。风化裂隙水具有分布广、埋深浅、易开采的特点，是当地牧民、矿山的主要供水水源。岩性、地形和构造是风化裂隙水富水性的主要影响因素，一般来说，火成岩较变质岩和碎屑岩富水；地形低洼的沟谷、洼地较地形较高的低山、丘陵区富水；山间洼地富水性一般要好于丘间洼地；沟谷、洼地规模越大则富水性越好。位于断裂构造及其附近的风化裂隙带，其裂隙的发育程度是风化裂隙和构造裂隙两者叠加的结果，且构造破碎带本身多形成沟谷、洼地，因此，与断裂构造有关的风化裂隙带尤其富水。风化裂隙水主要补给来源是大气降水的垂直入渗。

［1］郭永海，杨天笑，刘淑芬.高放废物处置库甘肃北山预选区水文地质特征研究［J］.铀矿地质，2001， 17（3）:184-189.

［2］田开铭.开展对低渗透介质的水文地质学研究［J］. 水文地质工程地质， 2000， 27（2）:27-28.

［3］田开铭，万 力.各向异性裂隙介质渗透性的研究与评价［M］.北京：学苑出版社，1989.