鄂尔多斯盆地开启型自流水盆地的形成机理

鄂尔多斯盆地开启型自流水盆地的形成机理

1自然河流水岸带鄂尔多斯盆地位于西北高原东部，周围被秦岭、阴山、贺兰山和吕梁山等山脉包围。横跨北部鄂尔多斯高原和南部黄土高原两大自然地理单元。北部沙漠广布,南部沟壑纵横,属干旱气候,干旱、风沙和洪水等自然灾害频繁,黄土区水土流失严重,水资源十分贫乏,生态失衡,严重阻碍区内工、农、林、牧业的经济发展。鄂尔多斯盆地是一个完整的巨大的开启型自流水盆地。主要含水层有第四系松散层、白垩系碎屑岩孔隙裂隙含水层、奥陶系灰岩空隙裂隙含水层。白垩系含水层、奥陶系含水层是含水丰富的岩体,其中以白垩系下部宜君洛河含水岩组为主要载体,供水条件也最优越。2按沉积旋回和沉积组合分类鄂尔多斯盆地内的白垩系按岩性差异和传统习惯分为六个层组,由下而上为宜君组(K11)、洛河组(K12)、华池组(K13)、环河组(K14)、罗汉洞组(K15)和泾川组(K16)。这六个层组,按沉积旋回和岩性组合特征,可以归并成三套含水岩组,即下部的宜君洛河组(K11+2),中部的华池环河组(K13+4)和上部的罗汉洞泾川组(K15+6)。宜君洛河含水岩组由于分布广、厚度大、岩性疏松、含水性能和赋存条件好,而成为最主要的含水层。其次是华池组。罗汉洞组是一个比较局部的含水层。在盆地南部,环河组泾川组是两个以泥质岩为主的致密岩层,实际上成为主要起隔水作用的岩层。环河组把整个白垩系分隔成两个基本无水力联系的含水组合体。2.1含矿地层结构宜君洛河含水岩组分布面积最大,在不对称台向斜的控制下,由东向西埋藏加深。这套含水岩组为一套巨厚的、发育大型斜层理的块状棕红色中细粒砂体,含泥岩极少,因而结构疏松,储水性和透水性俱佳。孔隙度一般为20~30%,平均渗透系数0.45~1.30m/d,单位产水量在100m3/d.m以上。2.2第二套贸易组广泛分布于盆地腹部的宜君洛河含水岩组内侧,分布范围和富水性仅次于下伏的宜君洛河含水岩组,是白垩系第二套重要含水岩组。这套含水岩组主要岩性为棕红色厚层至块状中细粒和粉细粒砂岩夹泥岩和页岩。在盆地北部为一套大面积近物源的河流相沉积,岩性偏粗,夹泥岩很少。在盆地南部岩性普遍变细,构成下部砂岩为主上部泥岩增多的旋回性组合,明显不同于盆地北部。2.3覆盖古岩的地区罗汉洞泾川含水岩组是白垩系上部的残存部分,只分布在盆地西部天环向斜的轴部附近。主要分布在三个地区:一是桌子山东麓——东胜梁及其以北,呈北倾单斜覆盖在古老岩层之上。二是鄂托克旗——盐池一线以西的铁盖苏庙——天池——红井子一带,上覆第三系含膏盐地层。三是陇东环江以西的环县——泾川一带。泾川组作为罗汉洞组的隔水顶板,大部分含水贫乏,水质也往往较差。3地下水补充、径流和排水3.1承压水的补给作用盆地内白垩系含水岩组的地下水主要依赖盆地内部大气降水的补给,北部沙漠区的凝结水也是一种不可忽视的补给来源。在盆地主体部分地势高于四周的地形特征控制下,基本上没有来自盆地以外的侧向补给来源。白垩系潜水的补给条件,主要取决于地形地貌、含水层岩性和风化裂隙带的发育程度。在含水层裸露或上覆层很少的情况下,可以直接接受大气降水或沙漠凝结水的补给。这种补给作用,在盆地北部沙漠滩地区明显优于盆地南部的黄土丘陵区。从河流基流量资料推算,北部沙漠滩地区的降水入渗系数高达0.26,南部黄土丘陵区仅有0.04。白垩系承压水的补给来源,主要是大气降水通过上覆潜水层的越流补给,相邻区的侧向径流补给作用也非常显著。在盆地北部,含水岩体内部无明显而稳定的隔水层,自上而下的越流补给作用尤为突出,形成白垩系纵横向岩性过渡、水力活动相连通的含水综合体。盆地南部的降水越流补给作用仅局限在含水岩组裸露或浅埋区。需要指出,全盆地白垩系承压水水位的平面变化的趋势与地形的起伏形态非常近似,即地形上的分水岭也是地下水位的分水高地,地形上的低矮区同时是地下水径流的指向区。这种现象表明,地形上的分水岭就是地下水位高势能带。分布在盆地内部的四条分水岭,既制约着地表径流的主向,也制约着地下水的径流方向。它们将盆地内部分割成五个天然的、相对独立、自成地下循环体系的水动力单元。3.2地下水的主要排放系统地下水的补给、径流和排泄条件互为因果,从而构成地下循环体系。盆地内白垩系地下水位和地形地貌特征表明,地下水的主要排泄“窗口”是五大地表水系,即东部的无定河水系和洛河水系,南部的泾河水系,西北部的都思兔河水系和北部的摩林河水系等。它们与地下水分水岭之间为径流区,径流区与排泄区无明显分界线。4地质单元和覆盖层对矿化度的影响白垩系含水岩体在诸多因素的制约影响下,地下水的区域性化学成分的变化比较复杂。就主要含水岩组而言,大致有以下几个基本规律。1)以白于山分水岭为界,分成南北差异明显的两大水化学特征区。北部鄂尔多斯高原大部分地区矿化度小于1g/l,以重碳酸盐型为主。南部黄土高原区,除子午岭以东水质较淡以外,大部地区矿化度在1~5g/l之间,多属氯化物或硫酸盐为主的多元型水。2)同一自成水循环体系的水文地质单元内部,仍可遵循水化学成分水平分带的总规律,从补给区到排泄区矿化度由小于1g/l逐渐增大到1g/l以上,水型也由重碳酸盐型过渡成硫酸盐、氯化物型。这种现象只有降水补给量很微少的白于山区例外。不同水文地质单元之间则没有发现明显的水化学成分水平分带现象。同一水文地质单元之内,存在水化学成分水平分带的同时,也有随着含水层埋藏深度加大矿化度略有升高的垂直分带现象。3)白垩系之上的覆盖层岩性是改造水化学成分的突出因素之一。盆地北部广布沙漠,有利于大气降水和沙漠凝结水的渗入,又大大降低了干旱气候条件下的蒸发消耗,有利于形成大面积矿化度很低的淡水。而在盆地西部含膏盐高的第三系覆盖之下,几乎没有例外,白垩系地下水矿化度都有不同程度的增高。5计算和分布地下水资源的特点5.1地下水水资源量计算方法计算是把很复杂的白垩系水文地质条件经过概化纳入一定的水文地质模型进行的。归纳概化是以天然所形成的自成水循环体系的水文地质单元为基础,横向划分成四个区域,其中北部为鄂西、鄂东两个区,南部为陇东、陕北两个区,分区进行白垩系天然地下水资源量计算。在进行地下水天然资源量计算时,按盆地南北自然地理条件迥然不同,采取了相适应的计算方法。在盆地北部,大气降水渗入法能够比较全面地反映出总天然资源特征,并考虑不容忽视的沙漠凝结水的补给作用。在盆地南部,河流基流量分割法最能有效地反映出各个地区地下水总天然资源的实际情况。白垩系各岩组地下水天然资源量是用径流断面法获得的,计算结果见表1。5.2地下水的源源量鄂尔多斯盆地白垩系地下水天然资源量有7.57亿m3/a。其中鄂尔多斯西区有4.67亿m3/a,占61.7%,占绝对优势;鄂尔多斯东区和陇东各有1.18亿m3/a,占15.6%,处在次要地位;陕北最少,只有0.54亿m3/a,占7.10%。在7.57亿m3/a天然资源量中,宜君洛河含水岩组有4.10亿m3/a,占54.2%,含水最丰富;华池环河含水岩组有3.20亿m3/a,占42.3%,不及宜君洛河含水岩组;罗汉洞含水岩组仅有0.27亿m3/a,占3.50%,比较贫瘠。以水的矿化度这一综合标志来区分白垩系地下水7.57亿m3/a天然资源量,小于1g/l的淡水有4.61亿m3/a,占60.9%,是资源量的主体;1~3g/l的微咸水有1.83亿m3/a,占24.1%;大于3g/l的半咸水有1.13亿m3/a,占15.0%。4.61亿m3/a的淡水资源,鄂尔多斯高原区约占3.91亿m3/a,主要分布在除灵盐定和盆地西部边缘以外的广大地区;剩余的0.70亿m3/a,分布在盆地南部的陇东西部和陕北部分。这种状况表明,白垩系淡水资源主要蕴藏在盆地北半部,南半部则比较贫乏。盆地内白垩系中有114220亿m3地下水储存量,其分布与天然资源量类似,主要蕴藏在盆地北半部,并以宜君洛河含水岩组为主体。6白垩系地下水赋存特征1)鄂尔多斯盆地中的白垩系碎屑岩含水综合岩体,构成了一个东翼宽缓、西翼窄陡的大型蓄水向斜构造盆地。盆地周缘的地堑断陷和环绕四周的黄河水系隔断了盆地本部与外围山系区的水力联系,使盆地本部形成与向斜构造反向的、中间高四周低的地貌形态。这种形态为白垩系地下水由里向外运动奠定了基础条件,从而形成了一个完整的巨大开启型自流水盆地。2)白垩系是鄂尔多斯盆地最有供水价值的含水岩体,地下水主要赋存于巨厚的中细粒砂岩中。含水岩组累计厚度600~900m,最大分布面积14.4km2。主体含水砂岩的孔隙度多在20~30%之间,渗透系数0.37~1.31m/d,有比较好的储水条件的供水能力。这些因素共同构成一个巨大的储集空间,为白垩系赋存丰富的地下水资源提供了优越的地层条件。3)白垩系主要的区域性含水岩组有宜君·洛河组、华池组和罗汉洞组。环河组和泾川组在盆地北部与下伏或上覆层组岩性近似,一起形成纵横向岩性过渡、水力联系密切、互相越流补给、水交替比较活跃的综合含水岩体。在盆地南部环河组和泾川组变成以泥质岩为主的隔水层或半隔水层,把宜君·洛河、华池含水岩组与罗汉洞含水岩组分隔成两个各自水力联