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莱芜盆地岩溶地下水富集规律

李波 于大潞 王楠 毕雯雯 高帅 胥芹 王昱玮 侯芃

李建华, 张岳桥, 施炜, 等, 2009. 大巴山前陆带东段神农架地区构造变形研究. 地质力学学报, 15 (2): 162-177.
引用本文: 李波,于大潞,王楠,等,2024. 莱芜盆地岩溶地下水富集规律[J]. 地质力学学报,30(4):691−702 doi: 10.12090/j.issn.1006-6616.2023166
LI Jian-hua, ZHANG Yue-qiao, SHI Wei, et al., 2009. TECTONIC DEFORMATION FEATURES OF SHENNONGJIA REGION IN EASTERN DABASHAN FORELAND STRUCTURAL BELT. Journal of Geomechanics, 15 (2): 162-177.
Citation: LI B,YU D L,WANG N,et al.,2024. Karst groundwater enrichment law in Laiwu Basin[J]. Journal of Geomechanics,30(4):691−702 doi: 10.12090/j.issn.1006-6616.2023166

莱芜盆地岩溶地下水富集规律

doi: 10.12090/j.issn.1006-6616.2023166
基金项目: 国家自然科学基金项目(42202294);山东省地质勘查项目(鲁勘字(2018)44号)
详细信息
    作者简介:

    李波(1988—),男,硕士,高级工程师,主要从事地下水资源调查评价工作。Email:710445277@qq.com

    通讯作者:

    王楠(1981—),女,硕士,高级工程师,主要从事济南泉水保护工作。Email:878870341@qq.com

  • 中图分类号: P641

Karst groundwater enrichment law in Laiwu Basin

Funds: This research is financially supported by National Natural Science Foundation of China (Grant No. 42202294) and the Geological Exploration Project of Shandong Province (Grant No. Lukanzi (2018) 44).
  • 摘要: 基于在莱芜盆地开展的水文地质调查与泉水保护工作,通过资料收集、野外地质调查、水文地质钻探及岩矿测试,对区内碳酸盐岩岩溶发育特征及富水规律进行研究。结果表明:莱芜盆地碳酸盐岩分布受构造控制明显,集中分布在盆地南部,呈单斜状产出,在盆地北缘、东缘地区零星分布;岩溶发育受地层岩性、地质构造、地下水动力条件及岩浆侵入等多因素影响;地表岩溶形态以溶沟、溶槽为主,地下岩溶以溶蚀裂隙、溶孔溶洞为主,主要发育400 m以浅;岩溶水主要富集在多期构造断块区域、阻水断裂形成的上盘、地下水承压排泄区及莱芜矿山背斜两翼岩溶发育区。研究结果可为鲁中南缺水山区地下水资源开发与利用提供科学技术支撑。

     

  • 现代科技日新月异,传感器技术得到了快速发展,遥感技术在各行业中都得以体现,尤其是在地质找矿和成矿远景预测的工作中发挥着越来越重要的作用。

    绝大多数内生矿床均伴随热液围岩蚀变现象[1]。围岩蚀变通常会生成含铁的金属矿物和含OH-或CO32-的蚀变矿物,这些矿物会在遥感影像上呈现出特定的色调[2]。利用遥感数据与地质资料、物化探资料相结合对蚀变信息进行提取,是遥感主要的找矿手段。遥感蚀变信息的提取方法主要有波段比值法、主成分分析法以及光谱角法[2]等,但是受地形、地貌、岩性等因素的影响,这些方法的提取结果具有一定的误差。

    本文选取我国重要矿集区内蒙古帮帮乃别力切尔地区作为研究区,提出一种改进的蚀变信息提取方法,在利用地貌、岩性信息对研究区影像分区提取羟基蚀变信息和铁染蚀变信息后,对提取的蚀变信息进行地形校正,有效去除了一部分误差,提高了蚀变信息提取的精度,为该区矿产勘查及找矿工作提供了有效参考和依据。

    研究区帮帮乃别力切尔地区位于内蒙古巴彦淖尔市乌拉特后旗南部渣尔泰山—狼山多金属成矿带,地处华北地台北缘狼山南侧,属于内蒙渣尔泰山—狼山裂陷槽,其含矿构造为中元古界渣尔泰山岩群以及上太古界色尔腾山岩群[3]。渣尔泰山岩群受东西向的断裂带控制;色尔腾山岩群发育北东向和北西向断裂,有利于形成大型矿床。该区的基底岩系为乌拉山群、色尔腾山群和太古代花岗闪长岩共同组成[4]。盖层由上太古界、中元古界、中生界和岩浆岩所组成。

    本研究的技术流程见图 1

    图  1  技术流程图
    Figure  1.  Technique flow figure

    本文选用Landsat7 ETM+影像、ASTER影像作为数据源,同时收集研究区对应的数字高程数据和相关地质资料进行综合研究。遥感数据预处理主要包括数据检查、辐射校正、无损失拉伸以及去除干扰等。

    ① 数据检查:矿物蚀变信息提取对遥感数据的质量要求较高,因此首先要对遥感影像数据进行严格的检查和筛选。为了从遥感影像中获得更多的信息,选取研究区范围内少云、少冰雪遮盖、植被覆盖率较低的遥感数据,同时检查影像是否存在异常斑点和条带。

    ② 辐射校正:利用直方图法和线性拉伸法对遥感影像进行辐射校正。

    ③ 去除干扰:在提取矿化蚀变信息之前,去除影像中的各种干扰因素,如阴影、云、植被、水体等。

    经过数据预处理之后的遥感影像如图 2

    图  2  数据预处理后的研究区遥感影像图
    Figure  2.  Remote sensing images of preprocessed data in research area

    结合研究区地质资料,采用目视解译和人机交互解译的方法对遥感影像进行岩性、构造信息解译。

    研究区内的地层主要有中元古界、中生界和新生界。其中含矿地层为中元古界渣尔泰山群浅变质岩岩群和色尔腾山岩群片岩岩群[5]。结合该区地质资料,对研究区影像进行了断裂构造解译。

    对研究区进行线性构造和环形构造提取,该区以北东向、东西向的线性构造为主体,局部存在北北西向的线性构造带。这些线性构造和环形构造由区域构造运动所形成,有利于发生矿化作用,并且为沉积成矿提供了良好的场所[6~7]

    将ETM743进行RGB彩色合成,可以很好地表现出研究区内的地貌和岩性特征。然后综合地质图的地层、地貌和岩性特征信息,在ETM743彩色合成影像上对研究区进行分区(见图 3)。对去除干扰生成掩膜的影像数据利用分区矢量文件进行裁剪,得到3幅区域影像。

    图  3  研究区分区图
    Figure  3.  The subarea image

    研究区内泥化蚀变类型主要有绢云母化、绿泥石化等,铁化蚀变类型主要为黄铁矿化。

    本文主要采用Crosta主成分分析法,对经过数据预处理及分区处理的各个区块分别进行矿化异常信息提取。

    4.2.1   羟基蚀变信息提取

    OH-离子在ETM5波段具有高反射作用,而在ETM7波段具有强吸收作用。对ETM1、4、5、7波段进行主成分分析,提取研究区内含羟基(OH-)的蚀变矿物。主分量反映羟基信息的标准是:在该主分量的特征向量中,ETM4、ETM7的贡献系数与ETM5的贡献系数符号相反[8]

    对3个区块分别进行ETM1、4、5、7主成分分析,并分析生成的向量矩阵,其中第四主分量符合ETM4和ETM7贡献系数与ETM5贡献系数符号相反的要求,表明第四主分量为羟基异常主分量。

    4.2.2   铁染蚀变信息提取

    根据铁染信息的反射波谱特征,对ETM1、3、4、5波段进行主成分分析,提取研究区范围内含Fe3+的矿物。包含铁染信息的主分量的判断标准是:构成该主分量的特征向量中,ETM1和ETM4的贡献系数符号与ETM3的贡献系数符号相反。

    对3个区块分别进行ETM1、3、4、5波段主成分分析,生成的向量矩阵显示,第四主分量为铁染异常主分量。

    首先对研究区内的DEM高程数据进行分析,了解其分辨率和高程分布趋势,然后利用DEM数据生成的坡度影像图(见图 4),对分区块提取的蚀变信息进行地形校正。

    图  4  研究区坡度图(坡度与亮度正相关)
    Figure  4.  The slope gradient image of research area

    利用波段运算将地形校正因子引入ETM1、4、5、7波段主成分分析中的第四主成分羟基异常主组分以及第四主成分铁染异常主组分,分别进行地形校正(见图 5,红色区域为羟基蚀变信息,蓝色区域为铁染蚀变异常)。

    图  5  分区块地形校正图
    Figure  5.  Topographic correction images of subareas

    由于得到的矿物蚀变异常信息提取图中存在大量无规律的孤点,为了使异常点成条带状分布,更好地反映蚀变信息的分布情况和趋势,本文对蚀变异常信息进行了滤波处理,并将提取的羟基蚀变信息点和铁染异常信息点分别与ETM743彩色合成影像图进行影像叠加[9],结果如图 6图 7所示。

    图  6  羟基蚀变信息
    Figure  6.  Hydroxyl anomaly information
    图  7  铁染蚀变信息
    Figure  7.  Iron anomaly information

    研究区内存在的与矿化作用有密切关系的蚀变类型主要有黄铁矿化、磁黄铁矿化、黑云母化、碳酸盐化和绿泥石化。将分别提取的铁染蚀变信息和羟基信息综合,得到遥感蚀变信息解译图(见图 8)。

    图  8  遥感蚀变信息解译图
    Figure  8.  Interpretation image for remote sensing alteration

    综合地质资料、物化探资料,对研究区遥感影像数据按区域地貌、构造、岩性特征进行分区块蚀变信息提取,可以避免由于岩性区别而对蚀变异常信息的影响,使蚀变信息提取结果更加准确。根据研究区地形的坡度值,对所提取的蚀变信息进行地形校正,可以消除地形对蚀变异常信息提取的影响。加入地形校正的分区蚀变信息提取方法可以更好地对蚀变异常信息进行显示,减少地形、岩性等对异常信息提取造成的影响,为区域成矿预测提供了更为准确的依据和参考。

    本文提出了改进的蚀变信息提取方法,即对研究区按地貌、岩性进行分区块提取,同时对提取的信息进行地形校正的方法。利用改进的蚀变信息提取方法,对内蒙古帮帮乃别力切尔地区进行了羟基蚀变信息和铁染蚀变信息提取,取得了很好的提取效果。

    此次的研究成果为今后内蒙古帮帮乃别力切尔地区的矿产勘查工作提供了重要的找矿参考基础,对其他地区遥感技术地质找矿应用具有一定的指导作用。

  • 图  1  莱芜盆地构造及水文地质简图

    a—区域位置示意图;b—水文地质简图

    Figure  1.  Structural and hydrogeological sketch map of Laiwu Basin

    (a) Regional location map; (b) Hydrogeological sketch map

    图  2  莱芜盆地水文地质结构图(剖面位置见图1

    a−盆地南部水文地质剖面图;b−盆地北部水文地质剖面图

    Figure  2.  Hydrogeological Structure Map of Laiwu Basin (The profile position is shown in Figure 1)

    (a)Hydrogeological profile map of the southern basin;(b)Hydrogeological profile map of the northern basin

    图  3  钻孔揭示的研究区地下岩溶类型

    a—溶蚀裂隙;b—溶孔;c—蜂窝状溶孔;d—溶洞

    Figure  3.  Underground karst types revealed by drilling in study area

    (a) Dissolution gap; (b) Dissolution pores; (c) Honeycomb-shaped dissolution pores; (d) Karst cave

    图  4  莱芜盆地深部岩溶发育特征统计

    Figure  4.  Deep karst development characteristics Statistical analysis in Laiwu Basin

    图  5  谷家台侵入接触带岩溶发育示意图(据刘元晴等,2020a修改)

    Figure  5.  Schematic diagram of intrusion contact zone and karst development in Gujiatai (modified from Liu et al.,2020a)

    图  6  清泥沟、丈八丘富水块段等水位线图

    Figure  6.  Water level contours of Qingnigou and Zhangbaqiu water-rich sections

    图  7  丈八丘富水块段水文地质剖面图

    Figure  7.  Hydrogeological profile of Zhangbaqiu water-rich section

    图  8  侵入岩体区域地下水流模式图

    Figure  8.  Groundwater flow pattern diagram in the intrusion rock mass area

    表  1  岩溶层组类型划分表

    Table  1.   Classification of karst strata groups

    岩溶层组类型 碳酸盐
    岩占比/%
    地层 主要岩性 分布区域
    纯碳酸盐岩组 灰岩层组 >70 奥陶系马家沟群八陡组、五阳山组、
    北庵庄组,寒武系张夏组
    中厚层灰岩、微晶灰岩,云斑灰岩、
    生物碎屑灰岩等
    莱芜盆地牛泉镇—高
    庄镇一带
    白云岩层组 奥陶系马家沟群阁庄组、土峪组、东黄
    山组,寒武系三山子组,寒武系朱砂洞组
    中厚层白云岩、灰质白云岩 莱芜盆地牛泉镇—高
    庄镇一带
    不纯碳酸盐岩组 碳酸盐岩夹碎屑岩层组 30~70 寒武系炒米店组 中薄层灰岩、疙瘩状灰岩夹泥质页岩 清泥沟—老君堂
    碎屑岩夹碳酸盐岩层组 <30 寒武系崮山组、馒头组 黄绿色、紫红色页岩夹薄层灰岩 清泥沟—老君堂
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    表  2  岩矿测试分析结果统计表

    Table  2.   Statistical table of rock test analysis results

    地层 主要岩性 CaO含量/% 可溶岩含量/% 可溶岩均值/% 线岩溶率/%
    白垩系 安山岩、辉绿岩等 2.95~8.25 6.50~11.74 9.12 /
    古近系朱家沟组 灰质砾岩、砂泥岩等 1.19~49.27 2.81~49.69 29.33 8.5
    奥陶系马家沟群 灰岩、白云岩、微晶灰岩等 44.54~52.55 49.50~54.56 52.48 23.5
    奥陶系三山子组 白云岩、微晶白云岩等 29.53~50.91 48.30~51.67 49.92 22.5
    寒武系炒米店组 灰岩、竹叶状灰岩等 24.31~51.56 40.11~52.10 49.50 20.6
    寒武系崮山组 瘤状灰岩、页岩等 42.02~52.26 38.56~52.80 46.25 17.8
    寒武系张夏组 石灰岩、泥晶灰岩等 14.66~46.72 22.37~48.23 37.70 15.6
    鲕粒灰岩 46.88~52.43 47.82~53.99 51.95 22.8
    寒武系馒头组 薄层页岩夹灰岩等 1.58~19.50 3.89~21.44 20.51 10.6
    泥质灰岩、灰岩等 10.66~53.32 19.48~53.81 38.48 13.5
    寒武系朱砂洞组 白云岩、微晶白云岩等 25.68~46.82 38.08~53.04 47.18 19.7
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-10-10
  • 修回日期:  2024-04-28
  • 录用日期:  2024-04-30
  • 预出版日期:  2024-05-15
  • 刊出日期:  2024-08-28

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