山东济南趵突泉盆地断层喀斯特水流系统的分布格局

城市泉水为何重要

在中国北方以清澈涌泉著称的济南市中心，真正的戏剧发生在地下。那些标志性的泉群仰赖穿行于破裂和溶蚀岩体中的隐秘地下水流。本研究探讨了地壳中的主要裂隙（称为断层）和石灰岩中的溶蚀通道（称为喀斯特）如何协同引导地下水汇集到趵突泉群——以及这些通道如何可能将污染物带向城市。通过解析这一看不见的“管网”，研究人员为保持济南泉水湧出与饮用水安全提供了线索。

城市下方的隐秘地貌

趵突泉盆地下方是厚重的古老石灰岩和白云岩基岩层，数百万年来被微酸性的降水缓慢溶蚀。该过程雕刻出复杂的孔隙、裂缝和地下通道网络。巨大断层切穿这些岩层，既可能成为阻滞体，也可能成为开放的导槽。二者共同形成了一个三段式格局：南部高地的雨雪补给入渗，水在中部由断层和喀斯特构造引导地下流动，最后在北部低平原上升并作为泉水排出。研究表明，这一总体模式——南部补给、中部径流、北部排泄——构成了当地供水系统的骨架。

述说流动的化学信号

为了解水在这一隐秘网络中的流动方式，研究团队在2014至2021年间采集了来自泉水、井水和地表溪流的200多份水样，测定了钙、镁、碳酸氢根和硫酸根等溶解离子。在喀斯特地下水、松散沉积物孔隙水和地表水中，钙为主要阳离子，而碳酸氢根与硫酸根为主要阴离子。总溶解固体含量属中等且较为稳定，年际波动不大。这些化学特征指向一个简单而重要的过程：水在风化和溶蚀围岩时带走矿物。碳酸盐矿物如方解石与白云石大致处于饱和状态——接近其溶解平衡——而石膏和岩盐等盐类则更易持续溶解，缓慢向水体补给硫酸根和其他离子。

断层如何重塑地下径流

仅凭化学无法确定水流路径，因而研究人员利用钻孔记录、地形与地形图建立了一个详细的三维盆地数值模型。他们用专门的地下水软件模拟了下至600米、由13个岩层组成的水流过程。在经过精细校准以匹配实测水位后，结果显示地下水总体从东南高地向西北低地流动。但断层使这一流路远非简单。千佛山断层在其南段阻挡流动，而在北段允许水通过，弯曲并分流地下流线。相反，朝密店断层沿线高透水，像排水沟一样从两侧吸引水流，形成一条集中的流动通廊。这些构造将盆地划分为若干相互连通但各具特点的区域，地下水在不同区域的流速与路径都有显著差异。

追踪看不见的污染物

为研究污染如何在该系统中传播，团队在模型中用常见于化肥和生活污水的硝酸盐作为示踪“污染物”。他们在主要断层附近置入连续的硝酸盐源，观察在不同断层透水性下模拟污染羽流在20年内的演化。当朝密店断层高导水时，污染羽流沿与断层相关的通道迅速且广泛扩散。沿千佛山断层，北部的高透段允许羽流前进，而南部的紧密段则作为屏障，阻止穿越。在所有情形中，只要存在驱动流动的水压差，污染羽流便会随时间持续扩展，即便总体透水性处于中等水平。此结果凸显了断层既能聚集又能限制污染，形成狭窄但远延的风险带。

对泉水与市民的意义

综合化学分析与数值模拟结果，为非专业读者勾勒出一幅清晰图景：济南的名泉由一个稳健且受断层引导的地下水系统补给，其主要流向随时间稳定，但具体流路高度依赖断层和喀斯特通道的构造与透水性。那些将洁净山水输送到泉口的通路，同样在污染物进入系统时能加速其传播。通过识别关键补给区、主要断层如何引导水流以及污染羽流最可能扩散的区域，本研究为保护泉水流量、制定更安全的土地利用措施和长期地下水管理提供了科学路线图，适用于济南及类似喀斯特地区的规划与保护。

引用: Gang, S., Jia, T., Deng, Y. et al. The distribution pattern of the fault karst water flow system in the Baotu spring Basin, Shandong, China. Sci Rep 16, 9857 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39308-7

关键词: 喀斯特地下水, 断层控制流动, 趵突泉, 硝酸盐污染, 数值模拟