8.5.5.1 地质构造
祁连山区是地质构造强烈上升带，地势高，是中、下游盆地松散碎屑物质的来源区。平原区的构造－地貌盆地呈南北两排展布。南部的张掖、酒泉盆地地势较高，海拔1300～1700m，有大型洪积扇分布。盆地南缘与祁连山山区之间多为断层相接，压性断裂与祁连山麓中新生代褶皱一起构成阻水屏障。古近系或白垩系构成盆地基底，其上沉积了数百米乃至千余米厚的洪积－冲积相第四系松散物，其间赋存丰富的地下水。
北部金塔－花海子盆地，地势较低，海拔1100～1450m，盆地边缘分布大断裂，基底为古近系。与南部盆地比较，北部第四系沉积厚度较小，一般小于400m，受到基底断块升降运动的控制。
额济纳盆地内发育的NE、NW及NNE向断裂构造，将其分割成规模不等的棋盘格式地块，凹陷与隆起相间分布，盆地中心地带地势低洼，地面海拔890～910m。第四纪以来，区域地壳比较稳定，额济纳平原是缓慢隆起带内的沉降区，相对沉降幅度不大，而且沉降不均匀。
中新生代以来，祁连山继续强烈上升，进入了以强烈的差异性断块为主的构造运动发展时期，主要表现为地壳上升和相对沉降，走廊盆地相对下降，在上升和沉降过渡带形成一系列的褶皱和断裂。一系列NE、NW向大断裂和沿断裂所产生的断块差异，将黑河流域分割成规模不等的构造－地貌单元，这种断块的差异性升降，形成了祁连山及众多小型山间盆地、走廊南北串珠状盆地及北部山区，中游为张掖盆地和酒泉盆地(称为南部盆地)，下游为额济纳盆地(称为北部盆地)。
由于南部山地强烈上升，岩层受到风化剥蚀，为南部各盆地第四系沉积物的形成提供了丰富的物质来源。走廊盆地相对下降，又为第四系沉积物的沉积提供了良好的场所。因此南部盆地第四系发育，厚度较大(表8.8)。
表8.8 黑河流域第四系的分布与岩性特征
中部山地和北部山地上升幅度较小，相对稳定。北部盆地的第四系松散层沉积物主要来源于南部盆地，厚度较薄，沉积颗粒较细，磨圆分选性比较好。
黑河流域各盆地第四系松散层的基底，分别为下古生代以前的变质岩和火成岩组，侏罗系至上古生界碎屑岩组，古近系、白垩系以泥岩为主的细粒岩组。在大多数地区，其基底为古近系或白垩系。
8.5.5.2 地下水分布
受地质和地形地貌的控制，黑河流域不同地质单元的水文地质条件各异，气候、地貌和第四系地层的分布均具有明显的分带性，导致地下水赋存和分布也具有明显的分带特征。
根据流域地下水的赋存条件和水动力特征，流域地下水可分为基岩裂隙水、碎屑岩类裂隙－孔隙水和松散岩类孔隙水。
1)基岩裂隙水。受地质构造和区域气候的控制，流域周围的山区分布有基岩裂隙水。南部祁连山区构造裂隙发育，由于山区降水量大，基岩裂隙水比较丰富，矿化度较低;而在北部山区，由于降水量很小，基岩裂隙水贫乏，矿化度较高，对流域内各盆地地下水的补给意义不大。
在祁连山区基岩裂隙水主要分布于3800m以下的中高山区，含水层岩性为古生界至中新生界的浅变质岩和碎屑岩，受构造和裂隙发育程度的影响，各地段岩层的富水性极不均一，单泉流量0.01～12L/s，集中出露于裂隙发育的构造破碎带。在走廊北山(龙首山、合黎山和马鬃山)基岩裂隙水贫乏，仅在大断裂或局部变质岩和岩浆岩的强烈风化段存在矿化度较高的裂隙水，单井出水量一般小于10m3/d。
2)碎屑岩类裂隙－孔隙水。在祁连山区，碎屑岩类裂隙－孔隙水主要分布于上古生界至新生界地层，岩性主要为砂岩、砾岩、砂泥岩和泥岩。二叠系－侏罗系裂隙－孔隙水主要分布于中高山区，单泉流量0.01～0.2L/s，水质较差。白垩系－古近系裂隙－孔隙水主要分布于祁连山山前地带，富水性较差。下更新统裂隙－孔隙水主要分布于山前褶皱隆起带浅部，富水性较差。
在走廊北山，裂隙－孔隙水主要分布在侏罗系、白垩系和古近系砂砾岩、砂岩和泥岩中，孔隙、裂隙发育极不均匀，由于降水稀少，富水性差，单井出水量小于100m3/d。走廊北山同时也构成隔水层，阻隔中游盆地地下水侧向流入下游盆地。
3)松散岩类孔隙水。在祁连山区，孔隙水主要分布于山间断陷盆地，含水层岩性主要为泥质砂砾岩和砂砾卵石，含水层厚度在100m左右，地下水位埋深一般为1～8m，富水性较弱至中等。
在走廊北山，孔隙水主要分布于各冲沟沟谷中，呈股状不均匀分布，在中高山区的沟谷中，含水层厚度4～10m，岩性为第四系砾石和卵石，水位埋深1～2m，单井涌水量5～350m3/d。低山丘陵沟谷中，含水层厚度2～6m，岩性为第四系砾石和卵石，水量贫乏，单井涌水量小于100m3/d，水质较差。
流域各盆地多为冲洪积平原和细土平原，分布巨厚的第四系松散沉积物。中游盆地的第四系沉积物厚度最大可达1000m，向北厚度逐渐减小。下游北部盆地第四系沉积物厚度一般在50～500m，自南向北逐渐变薄。
中游盆地主要包括张掖盆地和酒泉东盆地。张掖盆地的南缘与祁连山北缘以断层接触(图8.8)。这种压性断裂带连同祁连山北麓中新生界褶皱一起构成阻水屏障，使祁连山区的地下径流很难直接进入盆地;北缘与走廊北山和东侧与大马营盆地均以断层接触，西侧与酒泉东盆地接壤，榆木山－高台隐伏隆起构成张掖盆地与酒泉东盆地的分界。
受构造和地貌的制约，盆地第四系含水层的分布在空间上变化很大，总的特点是自山前至盆地内部含水层的厚度逐渐变大，颗粒渐细，由岩性比较均匀且粒度较粗的单一潜水含水层逐渐变为砂层、黏性土层相间的潜水－承压水多层含水层。含水层的厚度以盆地中部为最大，可达500～1000m，向南、北两侧渐薄，递变为100～200m。根据地下水埋藏条件，张掖盆地南部地下水为单层结构潜水系统，北部为多层结构潜水－承压水系统。
图8.8 张掖盆地水文地质剖面图(据张光辉等，2005)
祁连山山前至冲洪积扇扇缘，主要为单一含水层结构的潜水系统。扇群带的地下水，受构造、地貌的控制，水位埋深变化大，总的趋势是自山前至盆地内部，地下水埋藏深度逐渐变浅，并在北部细土平原区出露泉水。山前洪积扇顶部地带，地下水埋深大于200m，最大达500m，含水层岩性主要为粗颗粒的砂砾卵石，渗透系数达100～400m/d;扇中地带，地下水埋深一般为50～100m，含水层岩性主要为砂砾石和中粗砂;扇缘地带，含水层颗粒逐渐变细，地下水位埋深逐渐变浅，一般仅为10～20m，在张掖－临泽一带，地下水以泉水形式溢出，含水层结构由单一潜水系统逐渐变为多层结构潜水－承压水系统。
在泉水溢出带以下的细土平原地带，含水层系统为多层结构的潜水－承压水系统，上部为潜水，下部为承压水，各含水层之间没有稳定的隔水层，存在一定的水力联系。含水层岩性主要以亚砂土、亚黏土和砂砾石互层为主，含水层单层厚度20～30m，上部第一承压含水层顶板埋深在10m左右，承压水头一般高于潜水位1～2m，并随着顶板埋深的增加而升高。
溢出带及细土平原区，地下水位埋深一般小于5m，在细土平原的沟壑和洼地，有成片泉水出露。在临泽的农场－小屯一带承压水井为自流井，地下水位高出地表0.3～3m。
在扇缘地带黑河河床附近，在140m深度以内黏性土层缺失，为单一岩性的含水层，隔断了细土平原北半部承压水区，而使张掖与临泽形成两个各自独立的承压水地段，如图8.9所示。
张掖盆地的富水性主要分布在黑河－梨园河洪积扇中下部，单井涌水量大于5000m3/d;祁连山前洪积扇群带和黑河沿岸，单井涌水量在3000～5000m3/d;细土平原，单井涌水量在1000～3000m3/d。
酒泉东盆地南部与祁连山区以断层接触，东侧与张掖盆地相接，西部以嘉峪关断裂和文珠山隆起为界，与酒泉西盆地接壤。酒泉东盆地地下水埋藏条件、含水层结构与张掖盆地基本相似，冲洪积扇缘以南为单层结构潜水系统，北部为细土平原多层结构潜水－承压水系统(图8.10)。
图8.9 明海—临泽－张掖水文地质剖面图(据钱云平等，2008)
图8.10 酒泉东盆地水文地质剖面图(据张光辉等，2005)
酒泉东盆地南部山前冲洪积扇带，分布着中、上更新统80～200m厚的卵砾石含水层，渗透系数为100～400m/d。在北部细土平原，含水层厚度仅50～100m，渗透系数为10～80m/d。盆地含水层的岩性自南向北，从西到东由卵石和砾石渐变为砂砾石、砂及粉砂，因而盆地南部、西部单一含水层透水性和富水性远比北部多层含水层大。细土平原多层含水层的岩性主要为砂砾石、中细砂、亚砂土和亚黏土，黏性土隔水顶板埋深10～15m。
在山前地带，地下水埋深一般较大，最大可达300m，单井涌水量大于5000m3/d，地下水矿化度一般小于1g/L，水化学类型大多为HCO3型水。在戈壁带前缘，地下水埋深变为10m左右;到细土平原带，地下水埋深一般小于5m，单井涌水量1000～3000m3/d，矿化度一般为1～3g/L，局部地区如盐池附近，矿化度大于3g/L，水化学类型大多为SO4·HCO3型或SO4型。
下游盆地包括鼎新盆地和额济纳盆地。鼎新盆地属金塔－花海子盆地的一个子盆地，为NW走向的狭长形断陷盆地，含水层为冲洪积卵砾石层，厚度100～160m。南部合梨山将鼎新盆地与张掖盆地分割，两者间水力联系微弱;北部由地湾东梁隐伏隆起和东西两端基岩残丘与下游额济纳盆地分隔，地湾东梁北缘－咸水井断裂为一活动断裂，使地湾东梁隆起。隆起南侧鼎新盆地地下水埋深较浅，一般为3～10m，而隆起北侧，额济纳盆地地下水埋深较大，一般大于30m，鼎新盆地的地下径流以地下跌水的形式进入额济纳盆地。鼎新盆地地下水包括潜水和承压水两种类型。在鼎新盆地的黑河两岸狭长地带，含水层岩性主要为粉细砂夹砾石为主。
额济纳盆地位于黑河流域北部，盆地南与甘肃省鼎新盆地相邻，西以马鬃山剥蚀山地东麓为限，东接巴丹吉林沙漠，北抵中蒙边境。额济纳盆地为中新生代断陷盆地，盆地第四系松散沉积物的厚度为50～500m，自南向北渐薄，盆地内部基底以侏罗系地层为主。在第四系松散沉积物内广泛分布有比较丰富的孔隙水，含水层主要为中下更新统松散沉积物。自南向北，含水层岩性颗粒逐渐变细，含水层层次增多，地下水位埋深变浅，富水性变差。盆地中部狼心山木吉湖北东向隆起带控制了盆地含水系统的分布和岩性特征。长征站－赛汉桃来－额济纳旗一带第四系厚度达200m，赛汉桃来沉降中心厚度超过300m;盆地东南部古日乃地区第四系厚度大于150m，中部含水层厚度较大。
在额济纳盆地，以长征站－木吉湖－梭梭头一带为界，以南主要为单一的潜水，向北及向东逐渐过渡为双层或多层含水层(潜水－承压水)系统。图8.11和图8.12分别为额济纳盆地南北向和东西向水文地质剖面图。可以看出，额济纳盆地南部为单一潜水含水层，含水层岩性主要为砂砾石或粗砂，厚度大于70m。向北至老西庙及木吉湖，含水层以中细砂为主。向北至赛汉桃来和额济纳旗，含水层为粉细砂或粉砂，至北端的居延海，含水层以粉砂和含泥粉细砂与黏土互层。盆地潜水埋深自南向北逐渐变浅，在盆地南部，狼心山以南，地下水埋深一般为10～30m，至老西庙、木吉湖一带由5～10m变为1～3m。在索果淖尔苏木以北，潜水位埋深一般3～5m，黑河沿岸为1～3m。
图8.11 额济纳旗盆地南北向地质剖面图(据钱云平等，2008)
北部居延海至中蒙边界一带，含水层组成以冲、洪积物为主，南部地区洪积和冲洪积物交叉堆积，岩性变化相对复杂，主要为砂、黏性土、黏土，基底为砂岩、泥质砂岩，含水性较差。由南向北，含水层厚度由大变小，富水程度由好变差。在古日乃湖区一带，含水层主要为中细砂和粉细砂。古日乃地下水埋深一般小于3m，在地势低洼处有泉水出露。
图8.12 额济纳旗盆地东西向水文地质剖面图(据张光辉等，2005)
在湖西新村、白墩东梁一带，为盆地冲洪积扇的顶部，地下水水量丰富，钻井涌水量大于3000m3/d;向北至赛汉桃来和额肯查干牧场，以及向东至古日乃，钻井涌水量1000～3000m3/d;向北至额济纳旗城关和古日乃以西，钻井涌水量较小，涌水量为100～1000m3/d。在盆地北部的八道桥和天鹅湖一带，钻井涌水量为10～100m3/d。
盆地承压水广泛分布在盆地的北部，在老西庙、闫家井及木吉湖、梭梭头一线以东和以北地区，相对隔水层主要由黏土、亚黏土组成，厚度为5～15m，分布稳定，埋深一般30～50m不等，含水层厚度一般为100～200m，含水层岩性在水平方向的变化与潜水一致，自南向北由砂砾石、粗砂、中细砂逐渐过渡到细砂、粉细砂。由南向北，亚黏土、亚砂土夹层增加，含水层厚度减小，含水层的富水性由强变弱。隔水层的分布在水平、垂直方向极不稳定，没有稳定的区域隔水层，潜水与承压水有一定的水力联系，存在着由下向上的越流补给。在黑河尾闾居延海一带，地势低洼，深层承压水水头最高可高出地面1m，有自流井。
黑河来水是下游盆地地下水的主要补给来源，在盆地南部，地表水渗漏补给地下水，地下水径流到长征站－木吉湖－梭梭头一带后，地下水流向多层含水层系统，自南向北流向居延海，并最终以蒸散发方式排泄。