基岩山区找水与蓄水条件分析:以单斜和接触型蓄水构造为例

李 云，姜月华，叶念军，龚建师

(南京地质调查中心，江苏 南京 210016)

巩义市位于河南西部，面积1 041 km2。全区以低山丘陵为主，气候干旱，植被稀疏，常年降水量稀少，多年平均降雨量仅约573.4 mm。区内地貌类型自南往北可分为低山、丘陵和河谷平原三大类型。其中，南部、东南部属伏牛山脉，嵩箕山系，基岩大面积出露;北部属邙山黄土丘陵区，地形起伏大，冲沟发育;中部有丘陵和伊洛河河谷平原。该区水资源稀少，2004年水资源总量为 2.13亿 m3，总(供)用水量为1.45亿 m3，人均占有量仅 269 m3，人均用水量为 182.9 m3，不足全国平均水平的1/8，水资源存在严重不足。而当地存在水资源分布不均、水质污染、水资源浪费等问题，进一步加剧了巩义市水资源的短缺，严重制约当地社会经济的可持续发展。由于当地供水以地下水资源为主，2005年地下水供水量甚至占到总供水量的90.6%。因此，开展巩义地区地下水的勘查以及蓄水条件的分析研究对缓解当地水资源匮乏及促进社会经济的发展存在重要意义。本文基于在巩义市的抗旱工作，对单斜蓄水和接触型蓄水构造进行了分析阐述及钻探验证，为基岩山区的找水工作提供参考。

1 蓄水条件分析

在基岩山区找水就是寻找蓄积地下水的地质构造。对地下水起着蓄积作用的地质构造即为蓄水构造。而地下水在基岩山区蓄积则需要具备以下三个要素:一是透水的岩层或岩体，构成蓄水构造的储水介质;二是相对隔水的岩层与岩体，构成隔水边界，形成储水空间;三是地下水的补给和排泄条件，只有在补给条件优于排泄条件的情况下才能保证地下水的蓄积。

根据各要素之间的差异，单式基岩蓄水构造可分为阻水型、滞水型、褶皱型、断裂型、接触性、风化型和岩溶型等7种蓄水构造。其中褶皱型蓄水构造可进一步分为单斜、向斜和背斜蓄水构造[1]。

2 案例分析

2.1 单斜蓄水案例

西村镇李家窑村位于巩义市中部丘陵区，人口达1 100余人，日常生活用水以村内20余米浅井为主。但该浅井在枯水期易干涸，尤其在此次河南大旱中，浅井已干涸近月余，以致日常用水仅能依靠远距离机器输送供给。

2.1.1 单斜蓄水条件

李家窑村地处低山与丘陵接触地带，南侧基岩大面积出露，北侧黄土覆盖严重，沟壑纵横。该村总体位于沟谷内及其两侧，地势低(见图1)。沟谷西侧壁陡峭，基岩出露，上覆黄土。东侧壁相对平缓，黄土轻微覆盖。冲沟内主要覆盖厚约10～50 m的冲洪积的卵砾石层，上覆少量粘性土。地下水以基岩裂隙水为主，接受大气降水的入渗补给及沿基岩裂隙的径流补给，排泄方式为人工开采和径流排泄。

出露地层为二叠系单斜地层，产状340°∠20°，岩性为砂岩和砂质泥岩(见图2)。在大尺度上，该村地处向斜轴部，地表可见节理裂隙发育。而基岩裂隙的发育程度与透水性随深度的增加而减弱。因此裂隙发育程度低的下部岩层可以起到相对隔水作用，与上部岩层一起构成良好的储水空间。

图1 李家窑村地形示意图

图2 李家窑村蓄水构造示意图

由于地层倾向北西，倾角较小，东侧、南侧较平缓的基岩裸露与微覆盖区为该储水空间提供了广阔的补给区域，保障了大气降水的入渗补给。西侧山坡高陡，降水极易形成径流，汇入沟谷，增加了岩层的大气降水补给。同时，冲沟由南往北穿过李家窑村，地势降低，宽度缩小，在形态上呈“倒喇叭口状”(见图3)。沟内卵砾石层作为表层地下水的“快速通道”，起到汇集上游大气降水的作用，进一步增加了地下水的补给。因此，该处单斜地层整体构成良好的蓄水构造。

2.1.2 物探验证

鉴于良好的蓄水条件，采用物探方法对其含水情况进行验证。激电测深方法具有不受纯地形起伏及围岩电阻率不均匀性的影响，并可同时获得多种激电参数等优点，非常适用于山区找水。因此，考虑到场地条件对钻探施工的限制，选取了两个点(D1、D2)进行激电测深试验以作比较(见图4)。激电测深试验采用对称四极装置，定比极距法，侧线沿沟谷呈南北向展布。

图3 李家窑村冲沟形态示意图

图4 李家窑村物探点位示意图

物探试验获得视电阻率(R)、视极化率(ηs)、半衰时(Th)、衰减度(Md)和偏离度(Rr)等多种参数。视电阻率是反映岩石电性的参数，能够较好地反映地下构造形态特征。完整基岩的视电阻率一般呈高值[2]。衰减度为衡量二次场放电快慢的参数，与含水量呈正相关关系。Md值越小说明放电越快，含水程度越低;Md值越大，放电越慢，含水程度越高。偏离度表征极化率的实测结果与直线方程的偏离程度，与含水量呈负相关关系[3]。鉴于半衰时曲线对含水层顶部有较明显的反映，但对底界反映不清;而极化率曲线对整个含水层都有所反映，但异常宽度大，幅度小，边界模糊。采用综合参数Z=0.75*ηs* Th能提高参数对含水性的分辨力，Z值越高，含水性越好。

D1测深点位于西村镇李家窑村内的冲、洪积沟谷中，可见卵砾石出露。视电阻率曲线总体呈K型，极距(AB/2)165～198 m段的视电阻率为高值，视电阻率介于293～297 Ω·m。上段地层视电阻率值随深度整体升高，与基岩裂隙随深度增加逐渐下降是相对应的。对比偏离度、衰减度和综合指数曲线特征，可以看出极距为36m处偏离度呈低值、衰减度和综合指数呈高值，指示地层良好的含水性，推测该处对应为潜水面。相同参数曲线特征出现于极距132 m处，该处相应视电阻率曲线亦出现“折点”，说明132 m处同样具有良好的含水性。另外，对比两侧的激电参数值，认为极距144 m处可作为含水层的底板(见图5)。

D2测点位于D1测点北侧，其视电阻率曲线总体亦呈K型曲线。由于测量电极与地表的接地条件差，浅部电阻率观测值剧烈变化。在极距48 m处，可见良好的低电阻率和偏离度特征以及高衰减度特征，推测其为地下潜水面所引起(见图6)。对比分布于南北两侧的D1、D2点，D2点的推测潜水面下降，说明地下水位由南往北渐深，地下水由南往北流。

图5 李家窑村D1测深点综合曲线图

图6 李家窑村D2测深点综合曲线图

2.1.3 钻探验证

物探结果表明D1测深点异常情况与水文地质条件对应较好，故在D1点进行钻探验证。

钻探结果表明在终孔深度120 m的情况下，单井涌水量907.2 m3/d(降深为 27.51 m)，潜水位埋深为 27.1 m，含水层位主要为裂隙发育的27～52 m以及81～110 m段砂岩，含水层底板为110 m。对比于物探所揭示的潜水面极距(36 m)及含水层底板极距(144 m)，两者对应良好，比例系数分别为 0.75 和 0.76。其与侯希龙等[4]采用“3/4法”测算基岩埋深一致。因此认为在基岩山区利用激电测深方法找水时，异常埋深与大致地层或含水层位的埋深之间的换算系数可采用 0.75。

2.2 接触型蓄水案例

夹津口镇韵沟村位于巩义市南部灰岩区，常年缺水，日常用水以旱井地窖集水或远距离输水为主。在此次大旱后，连地窖水都已用完。曾经流水而成的沟谷已成羊肠小道，农作物出现大面积枯死现象。

2.2.1 接触型蓄水条件

韵沟村下伏下寒武统辛集组灰岩与中元古马鞍山组石英砂岩，两者呈不整合接触(见图7)。辛集组灰岩地表出露，溶洞和溶蚀裂缝发育，最大溶洞可达100×50cm，溶蚀现象良好。下伏的紫红色石英砂岩，呈致密块状，为相对不透岩层。因此溶蚀性良好的辛集组灰岩作为地下水的储水介质，与致密块状的石英砂岩构成储水空间。而地下水自西往东流与接触面呈斜交，在其接触部位蓄积，形成接触型蓄水构造。

图7 韵沟村地层剖面图

2.2.2 钻探验证

钻孔穿透辛集组灰岩至震旦系砂岩终孔，终孔深度187.4 m。钻探结果表明灰岩岩心溶蚀现象良好，钻进时亦存在一定漏水。但在成井抽水试验时，水位迅速下降，不到20分钟水位下降了100多米(见图8)，获得的单井涌水量仅为122.4 m3/d。究其原因在于韵沟村地处分水岭附近，补给区域小，补给条件较差，以致水量较小。虽然灰岩岩心可见良好的溶蚀现象，但多粘性土充填，其亦体现出较差的补给与径流条件。

图8 韵沟村抽水试验S－T曲线

3 结语

(1)基岩山区找水，对蓄水构造三要素的判断正确与否决定了山区成井出水的可能性。李家窑与韵沟水井的成功体现了蓄水构造对山区找水的重要性，而两地水井之间水量的差异进一步体现出蓄水构造三要素的不可或缺性和同等重要性。

(2)物探方法对基岩山区地层与含水情况具有一定的“透视”性，可为基岩山区找水工作提供技术支持，对山区找水具有指导意义。而正确解译物探异常是其指导找水工作的前提。李家窑村水井的钻探结果验证了激电测深方法在基岩山区找水的可行性，并揭示了物探异常深度与实际层位之间良好的对应性，两者的换算系数可为0.75，可为基岩山区找水物探解译提供参考。

[1]刘光亚.基岩地下水[M].1版.北京:地质出版社.1979:59－127.

[2]赵德全.物探组合勘察基岩水[J].黑龙江国土资源.2009，(4):60－61.

[3]柳建新，刘海飞，马捷.直流激电测深多参数综合分析划分含水异常岩体[J].煤田地质与勘探.2005，33(3):74－77.

[4]侯希龙，张必然，康虎成.山区物探找水中确定基岩埋深的3/4法技术实践[J].河北水利水电技术.2004，4:38－39.