鄂北丘陵山区变质岩—岩浆岩区地下水富集规律与供水模式研究

卞学军, 王宇驰, 梁晓艳

(湖北省地质局 水文地质工程地质大队,湖北 荆州 434020)

地下水富集一般要具备三个条件:一是一定的补给面积(地表汇水面积)；二是导水通道(断裂构造带或裂隙、岩溶发育带)；三是储水空间(构造裂隙发育岩层或岩溶、孔隙发育地层),对于岩浆岩—变质岩基岩裂隙水承压含水层往往三者缺一不可。

鄂北丘陵山区为严重缺水地区[1],是湖北省有名的“旱包子”[2],为年蒸发量大于降雨量的半干旱地区,而且区内主要分布一套岩浆岩—变质岩系,地下水资源贫乏。据史料记载,自公元309年至今,区内共发生大旱155次,平均约11年1次[3]。近10年来区内干旱缺水问题日益严重,不同程度的干旱四季都有发生,特别是初夏旱、秋旱频繁发生,旱情更为严重,造成人畜饮水困难,农作物大幅度减产,干旱缺水一直是制约当地经济社会发展和居民脱贫致富的重要自然灾害之一。

1 地质环境条件

1.1 地形地貌特征

随县地貌特征以丘陵为主,兼有低山和堆积平原。总的地势是南北高,中间低,由南、北向中部微缓倾斜,山势受地质构造的制约呈北西向展布。一般高度海拔70～1 140 m,境内北部最高点为桐柏山主峰——太白顶,海拔1 140 m；西南面最高点为大洪山主峰——宝珠峰,海拔1 055 m；中部随州盆地为一片狭长的平原,称之为“随枣走廊”。据测区地貌形态特征及成因类型,其地貌可分三大地貌单元。即构造剥蚀侵蚀低山、构造侵蚀剥蚀丘陵和弱侵蚀堆积岗波状平原。

1.2 地层岩性与地质构造

1.2.1 地层岩性

随县境内岩浆岩—变质岩占70.2%,碎屑岩占14.75%,碳酸盐岩占4.3%,第四系松散岩类占10.75%。区内以襄广断裂为界,跨秦岭地层区和扬子地层区两个一级大地构造单元,其中以北部的秦岭地层区为主体,占总面积的94.86%。秦岭地层区地层主要分为四大类:①元古界柳林群(Ptll)—震旦系,岩性主要为钠长片岩、变长石石英砂岩、千枚岩、变粒岩等一套副变质岩；②太古界—早古生界杂岩组合(Pttn),岩性主要为花岗质片麻岩、二长片麻岩、糜棱岩、黑云斜长片麻岩、斜长角闪岩、大理岩、石英岩一套正变质岩；③寒武系(∈1-2)—志留系(S2)一套以板岩、千枚岩为主的副变质岩；④志留系—奥陶系(O-Sa-c)一套变火山熔岩、碎屑岩。

扬子地层区地层主要为寒武系上统三游洞群∈3sh—震旦系上统灯影组Z2dn一套灰岩、白云岩为主的碳酸盐岩、元古界(Pth、Ptch)一套变质砾岩、硅质纹带白云岩。

图1 四十里冲断层带中段(ZK7钻孔处)水文地质横剖面图Fig.1 Hydrogeological cross section map of middle section of the Sishilichong fault zone1.粉质粘土夹砂砾层;2.花岗质片麻岩;3.斜长角闪岩;4.第四系全新统;5.中元古代桐柏山杂岩回龙寺片麻岩;6.早元古代桐柏山杂岩表壳岩;7.T水温(℃)、TDS(g/L):固体总溶解度;8.S降深(m)、Q涌水量(m3/d)、K渗透系数(m/d);9.地下水位线;10.断层代号及产状;11.断层。

秦岭地层区岩浆活动频繁,区内岩浆岩类主要有燕山期独立侵入体(γ52a-2d),岩性为中粒—斑状花岗岩、花岗斑岩、英碱正长岩；中生代侵入二长花岗岩(γβ52-3)；加里东期玄武玢岩、含橄榄辉长岩、变辉长辉绿岩；扬子期辉绿岩、变辉长辉绿岩(βμ3)。花岗岩、二长花岗岩等酸性侵入岩一般以岩基、岩床、岩盘产出,基性、超基岩侵入岩一般以岩盘岩墙、岩枝、岩脉形式产出。

1.2.2 地质构造

区内秦岭褶皱系由属桐柏—大别中间隆起的桐柏山复背斜、南秦岭冒地槽褶皱带的随南褶皱束、大仙山褶皱束、随应复背斜组成。区内褶皱,绝大多数表现为轴线北西—南东走向的紧密排列和彼此平行的背向斜,具平行褶皱群的特征。区域性断裂有襄广大断裂、英店—青山口大断裂,北西向平行展布,为两条南西陡倾的逆冲断裂。

1.3 含水岩组

依据区内各岩组地层岩性、岩层组合关系、地下水埋藏条件、含水介质、水动力特征及其富水性之不同,划分为松散岩类孔隙水、碎屑岩类孔隙裂隙水、变质岩类裂隙水、岩浆岩类裂隙水、碳酸盐岩溶隙裂隙水等5大类地下水类型10个含水岩组:第四系全新统砂砾石孔隙水含水岩组、第四系全新统粉土、粉砂孔隙水含水岩组、白垩系胡岗组砂岩孔隙裂隙水含水岩组、燕山期花岗岩裂隙水含水岩组、前震旦纪辉长辉绿岩裂隙水含水岩组、元古界—古生界以片岩为主的裂隙水含水岩组、太古界以片麻岩为主的裂隙水含水岩组、志留系砂页岩裂隙水含水岩组、震旦系—寒武系碳酸盐岩溶隙裂隙水含水岩组、元古界碳酸盐岩夹变质岩溶隙裂隙水含水岩组。

2 岩浆岩—变质岩区地下水富集规律

变质岩—岩浆岩分布区是鄂北地区找水最难的区段,本次主要对区内变质岩类裂隙水、岩浆岩类裂隙水两大类地下水的富集规律进行初步分析研究。

2.1 变质岩类裂隙水

区内大面积分布的变质岩地下水极其贫乏,变质岩区降雨入渗系数仅0.01～0.02[4]。变质岩区比较典型的绿色岩系一般为富水性极贫乏的隔水岩系,如灰绿色钠长片岩,绿帘阳起片岩、变辉长辉绿岩等强风化易呈泥状,该类岩层分布区如处于构造储水有利地段也往往为富水性贫乏地段,当地抗旱打井几处无水的干井就处于该类地层的构造储水有利部位。但在岩性有利及构造有利部位可能存在富水带(块段),若断裂影响带同时分布有碳酸盐岩条带,且具有较大汇水面积时,则必然形成水量中等—较丰富块段[5]。

2.1.1 张扭性断裂带富水型

张扭性断裂既有较强的延伸性,又有较好的张开性,常具有较好的含水透水性[6],在富水性贫乏的变质岩区,张扭性断裂带穿过,且位于汇水条件较好的凹槽、沟谷一带,断层上盘岩体破碎富水性较好,断裂发育规模要求断裂带破碎宽最好>10 m,两侧变质岩较完整,为富水带隔水边界,其单井涌水量可达30～100 m3/d,可供自然村落联户供水,如四十里冲张扭性断层,两侧岩性一致(见图1),发育于桐柏山杂岩贫水地层中,断裂带宽70～130 m,长约16 km,带内为花岗质片麻岩,上盘岩体破碎,下盘岩体完整,探采结合孔(编号ZK6、ZK7)就在断层带内,岩芯呈碎块状—短柱状,机械破坏呈粗砂状,ZK6号井深130.6 m,水埋深3.2 m,最大涌水量为78.9 m3/d(降深13.43 m)；ZK7号井深130.3 m,水埋深2.1 m,最大涌水量为58.89 m3/d(降深26.52 m)；两孔Q=f(S)曲线图呈直线型,该地下水埋藏类型为承压水,断裂带富水性中等。

2.1.2 夹碳酸盐岩条带状富水型

在富水性极贫乏的变质岩区,由于局部碳酸岩化或断裂错动形成灰岩、白云岩、大理岩条带富水带,两侧为隔水性较好的板岩、变粒岩、片岩等变质岩。往往是变质岩区较理想的富水模式,其条带宽一般要求>50 m才具有集中供水意义,单井涌水量>100 m3/d。可供单井集中供水或分片供水,也是城镇应急水源地的找水方向,如随县柳林镇南800 m的液化气站附近,大面积分布元古界变质岩,但在镇区南部的大堰角一带发育一组NW向断裂束(见图2、图3),地层呈紧密带状,夹有宽50～100 m白云岩条带,地形上也为宽缓冲沟地下水赋存条件较好,ZK08号探采结合孔孔深80 m,钻孔涌水量达196.02 m3/d,解决了柳林镇城镇3 000多人长期饮用不洁溪沟水问题。

图3 ZK08号孔剖面示意图Fig.3 Section diagram of ZK08 hole1.钻孔及编号；2.灰岩；3.钙质板岩；4.变辉斑玄武岩；5.炭质板岩；6.硅质板岩；7.砂卵砾石；8.地层代号；9 断层。

图2 ZK08号孔平面示意图Fig.2 Schematic diagram of ZK08 hole plane1.钻孔及编号;2.剖面线;3.地层界线;4.断层;5.寒武系下统双尖山组；6.寒武系下统庄子沟组；7.寒武系上—中统立秋湾组；8.志留系下统兰家畈组；9.震旦系上统陡山沱组；10.第四系全新统。

2.1.3 砂质千枚岩缓倾断裂带富水型

图4 变质岩类裂隙水富集模式图Fig.4 Pattern diagram of fissure water enrichment in metamorphic rocks1.变质岩；2.碳酸盐岩；3.砂质千枚岩；4.逆断层； 5.张性扭性断裂破碎带；6.逆断裂影响带;7.地下水位线。

在变质岩区局部分布面积较大的砂质千枚岩,富水性贫乏,当地在沟谷地带钻井(井深120 m),为干孔,但其结构呈千枚状,受断裂破坏易破碎呈长轴状颗粒,岩体松散、孔隙裂隙发育,富水性较好,断裂带呈缓倾状有利增加破碎带汇水面积,有利断裂破碎影响带与地表浅层强风化松散岩层建立水力联系,有利断裂富水带入渗补给,断裂影响带上、下盘完整岩体为隔水层,该类富水带内单井涌水量一般10～50 m3/d,可供单井联户供水,也可作为家禽养殖场、石料加工等小型企业用水水源地。如位于柳林镇白云寺村2组上碑湾一养猪厂水源为机井抽水,井深186 m,含水层为粉砂质千枚岩,位于缓倾(倾角25°)断层上盘,该机井开采量为20 m3/d。

根据区内多处类似上述三类富水类型进行概化,得出三类富水模型图:张扭性断裂带富水型见图4-(a)、夹碳酸盐岩条带状富水型见图4-(b)、砂质千枚岩缓倾断裂带富水型见图4-(c)。

2.1.4 脆硬岩石构造应力集中带富水型

变质岩区富水部位往往与岩性关系密切,在脆硬岩石分布区(带)往往地下水富水性较好。

脆硬岩石主要包括重结晶作用、交代作用形成的脆硬岩石,其富水机理为脆硬岩石强风化易成粗粒状(少泥),如遇向斜轴部、断裂带等构造应力集中部位,构造破坏易形成裂隙导水储水带,如含晶屑片岩、石英岩片岩、角闪岩片岩、钙质及硅质板岩等变质岩分布区段富水性较好,单井涌水量一般为20～100 m3/d,可供单井联户供水或分片供水。如随县洪山镇—清潭一带大面积分布含晶屑白云钠长片岩,黄龙寺探采结合井(QT-ZK4)井深150.52 m,含水层为元古代大狼山群(Ptdl1)含晶屑白云钠长片岩,涌水量为55.64 m3/d,解决了沿线500多人的生活用水问题,区内村民在该类地层中成井涌水量>20 m3/d。

图6 万和镇ZK3号孔剖面示意图Fig.6 Section diagram of hole ZK3 in Wanhe town1.钻孔及编号；2.粉质粘土夹碎石；3.花岗岩；4.白云石英钠长片岩； 5.燕山早期第二次;6.元古界大狼山群柳林组上段；7.第四系全新统。

2.2 岩浆岩类裂隙水

区内岩浆岩富水性总体贫乏,但在适宜条件下岩浆岩与围岩的接触部位裂隙一般较发育,有储水空间,存在较为丰富的地下水。区内分布有岩浆岩(花岗岩、角闪岩、煌斑岩石英岩)与围岩接触带,宽度100～300 m不等,由于岩浆涌动及热力作用,岩体较松、裂隙发育,围岩接触变质带石英、角闪石、阳起石、大理岩等脆性岩石含量增加,岩体软硬相间,可成为裂隙(溶隙)含水带,如围岩是软质片岩、片麻岩等变质岩,且处于不利地形,则不易形成富水带；碱性脆性岩体易一般裂隙发育,也易形成富水区段；强风化易呈粒状的侵入岩体(如花岗岩、二长花岗岩等)有的区段强风化厚度10～30 m,可成为富水区段。

2.2.1 侵入岩围岩接触带富水型

区内存在侵入规模较大的中酸性侵入岩体,如花岗岩岩基,平面分布长、宽可达数十千米,分布区往往形成山脉,其围岩多为变质岩,在接触带及其外侧区域往往形成沟谷及低丘,接触带岩体张性裂隙及次生脆硬岩石发育,导水、储水条件好,接触带宽一般100～300 m,受补给条件的限制,在接触带沿斜坡补给区中下游可成井取水,单井涌水量一般100～150 m3/d,可供单井集中供水或分片供水,也是城镇应急水源地的找水方向。如唐王店幅西北角的ZK03号探采结合孔位于万和镇大西沟村大溪沟北岸与支冲沟交汇处,沿接触带宽100～300 m范围内岩体破碎,石英含量及角闪石脆硬岩石含量明显增加。埋深45 m初见水位,钻孔揭露主要含水层位于45～106.88 m,岩性为花岗岩白云石英钠长片岩,钻孔涌水量为111.97 m3/d,成为该村小组集中供水点,井水清甜,含水层为花岗与片岩岩接触带(γ52b/Pt2l3)(图5、图6)。据境内及邻区该类富水型进行总结,得出该类富水型地质模型,见图7。

图5 万和镇ZK3号孔平面示意图Fig.5 Schematic diagram of hole ZK3 in Wanhe town1.钻孔及编号；2.剖面线；3.地层界线；4.推测断层；5.燕山早期第二次；6.元古界大狼山群柳林组上段；7.震旦系下统过路塆组；8.第四系全新统。

图7 侵入岩围岩接触带地下水富集模式图Fig.7 Pattern map of groundwater enrichment in contact zone of intrusive rock1.变质岩；2.围岩松散岩体富水带；3.花岗岩；4.地下水位线。

2.2.2 碱性侵入岩构造破碎区富水型

区内在断裂密集发育形成网纹状正长岩分布区,岩性硬脆,正长岩碎裂呈砂状,当地称“铁板砂”,岩体裂隙发育,富水性好,软质片岩等变质岩接触边界为隔水边界,单井涌水量50～150 m3/d,可供单井集中供水或分片供水。

2.2.3 气孔状火山岩富水型

气孔状火山岩主要分布在随县南东一带,主要为变气孔状—杏仁状,为辉斑玄武岩、变玄武质角砾熔岩,富水性好坏取决于气孔大小、密度及气孔间贯通程度,区内气孔直径仅1～10 mm,在遇小型断层时泉水流量0.1～3 L/s,可进行单井联户或分片供水。如遇气孔直径较大且连通性较好、断裂带较宽地段可进行机井集中供水。

2.2.4 侵入岩裂隙孔隙水富水型

侵入岩裂隙孔隙水富水型其富水主要依托洼地风化带蓄水构造[7],区内草店—小林镇一带分布二长花岗岩,局部区段由于岩浆热液作用差异及构造影响,强风化厚7～30 m,泉点流量0.1～2 L/s,民井井深7～32 m,单井涌水量1～12 m3/d,可作为单井联户供水水源,含水价质主要为砂粒状花岗岩,地下水储存于松散砂粒孔隙及强风化张性裂隙中,如遇宽缓沟谷汇水有利地貌、强风化层15～30 m厚,机井涌水量可达100 m3/d,可作为单井分片供水,但涌水量受降雨及沟谷表水位控制明显,干旱季节井水位下降,涌水量明显减小,该类地下水埋深2.5～10 m,埋藏类型为潜水,其隔水层为强弱风化接触面。

3 地下水供水模式

区内主要有单井独户供水、单井联户供水、单井分片供水和机井集中供水4种供水模式,其供水模式与所处含水岩组富水性及居民社会居住情况综合决定的。

3.1 单井独户供水

在变质岩—侵入岩风化裂隙水分布区浅层风化裂隙水,地表汇水条件一般,单井涌水量仅0.05～0.3 m3/d,居民分散居住的地段,在庭院内和院落边钻凿浅井,就近供给1户居民使用。井径0.5～0.8 m、井深10 m左右,一般年份可满足单家独户使用,一般采用潜水泵或手压式取水。

3.2 单井联户供水

在变质岩—侵入岩风化裂隙水分布区浅层风化裂隙水,岩性相对有利、汇水条件较好、有地表水补给地下水的居民居住相对集中的地段,在庭院内和院落边钻凿浅井,视单井涌水量供给邻近的数户居民使用,一般为民井开发利用,井径0.5～1.2 m,井深7～20 m,单井涌水量一般1～5 m3/d。

3.3 单井分片供水

以自然村为单元,根据地形地貌和水文地质条件,选择成井有利部位打中深井或深井,建输水管网,供一个片区使用,该类型供水模式主要分布于变质岩夹碳酸盐岩、脆硬变质岩构造汇水部位、围岩(脆硬的围岩)接触带等分布区。

3.4 机井集中供水

变质岩—岩浆岩区富水量较丰富(单井涌水量100～500 m3/d)—丰富块段(单井涌水量>500 m3/d),缺水村落大且居民集中的地区,施工机井取水,管网连村到户,实现村镇供水自来水化。在变质岩—岩浆岩区当地机井集中供水点长年连续开采,有的出现了机井井水干枯现象,主要是当地蒸雨量大于降水量,富水地段其入渗补给面积有限、补给速度有限、含水层空间分布有限。

4 结语

随县境内主要为岩浆岩—变质岩分布区,又处于半干旱地区,地下水极为贫乏,是找水难点区。通过对区内变质岩—岩浆岩区典型富水类型进行分析研究,得出了区内地下水富集规律及对应供水模式。区内主要单井独户供水、单井联户供水、单井分片供水和机井集中供水4种供水模式,供水模式由所处含水岩组富水性与人类居住情况综合决定。区内能形成集中供水或分片供水的富水类型主要为:变质岩类→张扭性断裂带富水型、夹碳酸盐岩条带状富水型、脆硬岩石构造应力集中带富水型；岩浆岩类→侵入岩围岩接触带富水型、碱性侵入岩构造破碎区富水型、气孔状火山岩富水型、侵入岩裂隙孔隙水富水型。

通过对区内变质岩—岩浆岩区富水规律的研究分析,找到了变质岩—岩浆岩区找水方向,变质岩—岩浆岩区富水条件要求苛刻,需打破传统找水思路,区内找水思路应为:优先找到含水介质—富水岩石(层),再结合构造、地形地貌组合找到有利富水地段(带)。区内典型富水岩石是指岩石自身具备或经构造活动能形成易接受降雨入渗、易导水、储水性能良好的含水介质,主要有:变质岩类→石英岩、角闪岩、大理岩、白云岩、含晶屑片岩、砂质千枚岩等；岩浆岩类→中粗粒变晶结构、强风化厚度>10 m呈砂粒状花岗岩层、脆硬碱性侵入岩等强—全风化易呈粒状的岩石。

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[2] 李智民,卞学军,梁晓艳,等.鄂北丘陵山区严重缺水地区随县、应城市(北部)水文地质调查成果报告[R].荆州:湖北省地质局水文地质工程地质大队,2016.

[3] 湖北省随州市地方志编纂委员会.随州志[M].北京:中国城市经济社会出版社,1989:167-181.

[4] 郑明佳,陈联峰,王桂菊,等.湖北省水文地质图说明书(1∶50万)[R].荆州:湖北省水文地质大队,1979.

[5] 中国地质调查局.中华人民共和国水文地质调查统计图规范[S].北京:地质出版社,2015.

[6] 宋翠华.刘广润院士文集[M].武汉:中国地质大学出版社,2010:104-105.

[7] 中国地质调查局.水文地质手册[M].北京:地质出版社,2012:159-164.