赣州地区红层盆地找水模式探讨——以于都盆地为例

刘前进,黄旭娟,何文城

(江西省地质调查研究院,江西 南昌 330030)

红层指在侏罗纪、白垩纪干热气候条件下形成的以泥质和粉砂质岩石为主的岩层,因其呈红色而得名[1]。红层裂隙、孔隙均不太发育,储水容积小,地形岗沟起伏,除少量降水渗入外,大量降水呈地表径流排走,因而含水性差,是严重的缺水区[2]。决定红层富水性的重要因素是含水层裂隙、孔隙和溶蚀孔洞发育程度及岩体规模[3]。岩石颗粒及胶结物成分、红层风化带厚度及构造裂隙发育程度、断裂带规模对红层含水性和富水性起主导作用[4]。红层地下水的富集以发育导水空隙和储水空隙为前提,只有在空隙发育强烈的地段才可能形成地下水富水段[5]。“红层”地下水性质属裂隙型(风化裂隙、构造裂隙、成岩裂隙等), 地下水裂隙展布空间是地下水储集、运移的空间,裂隙富集段即是地下水富集段[6]。红层地区地下水控水条件复杂,气象、水文、植被、地形、地貌、地层岩性、结构构造和古地形地貌等对找水工作有较大影响[7]。红层含水性弱,找水难度大,是找水难点中的难点[8]。在红层区水资源短缺背景下,如何协调与日俱增的淡水需求量与有限的淡水资源之间的矛盾,这面临较大挑战[9]。缺水是影响红层地区农村经济发展的主要障碍,是当地全面建设小康社会中遇到的最突出问题[10]。红层缺水地区缺乏统一的找水工作方法和技术指导,应进一步对红层地区缺水情况进行研究,填补该学科领域的研究空白,制定红层区地下水资源可持续开发利用规划,促进红层区经济与生态建设协调发展[11]。本文在赣江流域水文地质调查的基础上,运用岩体力学理论及地球物理探测、水文地质钻探等手段开展红层盆地缺水区找水工作,初步查明红层地下水的赋存特征及赋水规律,建立红层盆地典型储水构造模式,为红层区地下水开发及利用提供参考。

1 区域地质背景

于都断陷红盆属于广昌—南城盆地群南延部分,为NNE向延伸的狭长断陷盆地或断陷槽(图1)。盆地总体呈NE向展布,多数被第四系覆盖,地层出露较零星,具有由单斜构造盆地向坳陷盆地转化的趋势,沉降中心总体由南东向北西迁移。盆地中部为NW向展布的“古隆起”构造(南端转为NE向),将断陷盆地分割为于都子盆地和仙下子盆地。“古隆起”构造控制子盆地沉积堆叠及构造演化,组成地层主要为晚白垩世赣州群和龟峰群。

1.红层裂隙孔隙水;2.碎屑岩类孔隙裂隙水;3.碳酸盐岩裂隙溶洞水;4.变质岩构造裂隙水;5.岩浆岩风化网状裂隙水;6.实测/推测性质不明断层;7.实测逆断层/实测正断层;8.实测逆掩断层;9.压扭性断裂/张扭性断裂;10.探采结合井;角度不整合地质界线;14.脉动侵入地质界线图1 于都盆地水文地质及探采结合井分布图Fig. 1 Hydrology and distribution for groundwater exploration in Yudu

根据沉积组合特征及地层间的叠置关系,于都断陷红盆经历了2期(赣州期和龟峰期)盆地演化。赣州期,盆地主要发育在于都一带,随着NW向长坑—石陂盆缘断裂不断拉张,盆地产生NW向掀斜作用,沉积中心不断向NW向迁移,沉积了一套以冲积扇为特征的粗碎屑岩建造,岩性以紫红色-砖红色复成分砾岩、砂砾岩为主夹紫红色砂岩、粉砂岩。龟峰期,长坑—石陂盆缘断裂活动减弱,盆地继续沉降,同时“古隆起”下沉,湖水漫过古隆起,盆地进一步扩大,于都子盆地与仙下子盆地相通,形成了完整的于都坳陷盆地。

2 研究方法

为了查明赣州地区红层盆地地下水储水及蓄水模式,以于都盆地为中心,根据研究区水文地质、地形地貌、地表调查及现有泉点的分布情况,在地面地质调查的基础上,利用物探方法开展地下水勘查,寻找地下含水层位,确定具体井位[12]。参考前人相关经验[13-18],采用高密度电阻率法对区内地层岩性及地质构造进行勘查。根据高密度电法反演图,断层破碎带含水呈低阻与围岩呈高阻形成的电阻率差异是成果解释的主要依据[19]。为进一步查明区内水文地质条件并获取水文地质参数等,部署钻孔4个,投入钻探工作量561 m。

3 构造应力特征

于都盆地白垩纪红层砂砾岩中局部发育节理裂隙,且节理裂隙发育类型及规律与断裂及岩性密切相关,受断层和岩性控制。

对野外岩石中发育的55组节理裂隙(其中27组导水裂隙)进行统计分析,研究区节理裂隙走向玫瑰花图如图2所示。裂隙优势发育方向为近NE向,裂隙走向为30°～50°的占30%以上;NW向裂隙较发育,总体裂隙优势发育方向与研究区主构造线方向基本一致。导水裂隙优势发育走向为20°～50°的约占50%, 裂隙优势发育方向为NW向,裂隙走向为320°～330°的约占15%。

图2 研究区节理裂隙走向玫瑰花图Fig. 2 Rose diagram of joints strike in the study area

4 水文地质条件

根据红色碎屑岩贮水空间形态特征、地下水埋藏条件及含水岩组的组合关系,将碎屑岩类裂隙孔隙水划分为水量中等区和水量贫乏区。

4.1 水量中等区

主要由晚白垩世塘边组(K2t)、茅店组(K2m)砂岩及复成分砾石组成。红层底砾岩为稳定的含水层,但由于其下伏石炭纪灰岩,红层底砾岩含水层在局部地段与石炭纪灰岩岩溶含水层直接接触产生密切的水力联系,还可通过覆盖型灰岩与第四系松散岩类孔隙水发生水力联系。红层底砾岩岩溶水水质类型为重碳酸钙型水,单井涌水量>100 m3/d以上,溶解性总固体为229～254 mg/L,pH值为7.4～7.6,属于低矿化微硬水。

4.2 水量贫乏区

5 红层地下水富集特征

红层风化带裂隙水的富水性受地形地貌、地层岩性及地质构造等控制,地貌条件是这类地下水富集的主要因素[20]。红层地下水受地貌条件控制,仅赋存在红层浅切丘陵区宽谷中,宽谷面积、结构、边界是红层地下水富集的重要因素[21]。沉积环境、物质成分、构造作用存在差异,地下水埋藏条件、储水空间、水化学成分各不相同。经过野外地质调查及钻孔查证,发现该区红层地下水主要受构造破碎带及裂隙控制。

5.1 构造破碎带地下水富集特征

1.粉质黏土；2.复成分砂砾岩；3.变质岩屑杂砂岩；4.构造破碎带；5.全新世联圩组；6.晚白垩世河口组；7.南华纪上施组图3 构造破碎带控水示意图Fig. 3 Schematic diagram of water controlled by structural fracture zone

5.2 隐伏断裂地下水富集特征

1.粉质黏土；2.粉砂岩；3.灰岩；4. 全新世联圩组；5. 晚白垩世河口组；6.晚石炭世黄龙组；7.隐伏断裂图4 隐伏断裂控水示意图Fig. 4 Schematic diagram of water controlled by buried fault

5.3 接触带地下水富集特征

仙下盆地北部盆缘在变质岩中出露多个泉点,接触带控水示意图如图5所示。泉水流量一般为1.210～1.555 m3/d,受大气降水影响明显,水质现场调查测试参数为:TDS为17～92 mg/L,pH值为5.44～6.09,矿化度较低,水质总体较好。

1.粉质黏土；2.残坡积碎石土；3.复成分砾岩；4.变质杂砂岩；5.晚白垩世河口组；6.早震旦世坝里组；7.角度不整合界线图5 接触带控水示意图Fig. 5 Schematic diagram of water controlled by contact zone

5.4 层间裂隙地下水富集特征

白垩纪红层中有多处泉点出露于红层碎屑岩层间裂隙含水层中(图6),泉水流量为1.210～57.456 m3/d,四季基本不断流。水质现场调查测试参数TDS为8～30 mg/L,矿化度较低,水质总体较好,是红层缺水区(包括水质恶化区及水量贫乏区)主要的生活饮用水来源。

1.粉质黏土；2.残坡积碎石土；3.复成分砾岩；4.变质长石石英砂岩；5.绢云母千枚岩；6.晚白垩世河口组；7.沙坝黄组图6 层间裂隙控水示意图Fig. 6 Schematic diagram of water controlled by interstratified crack

6 红层找水模式

地质构造控制了含水层与相对隔水层(带)的空间组合形式,对地下水系统边界、水文地质结构类型和特征具有重要作用,决定了其水文地质及地下水富集特征[22]。基于于都盆地红层褶皱变形、断层和节理裂隙发育特征,建立了地下水补给、储存和排泄的地质结构模式。

6.1 断层储水构造

断层储水构造是由构造带及其影响带中的裂隙构造含水介质,以两侧完整的岩石构成相对隔水层,在适宜的补给条件下形成的带状储水构造(图7)。断层和裂隙发育,裂隙水的富水性相对较好[23]。以于都县小溪乡长源村CK005探采结合井为例,该点位于晚白垩世赣州群(K2g)之上,上部岩性主要为紫红色粉砂岩夹细砂岩,下部岩性为中细砾岩和粗砂岩。高密度测线反演断面图(图8)显示, 400～500 m之间存在1个低阻异常,由浅至深分别呈水平层状低阻-高阻-低阻分布,其中上部低阻层电阻率为50～100 Ω·m,略高于底部低阻层电阻率;中间层高阻体电阻率普遍>200 Ω·m。410 m和470 m下方低阻带为地下水流通部位,中间层及两侧高阻体具有隔水作用,为地下水存储提供了良好条件。

1.相对含水层；2.相对隔水层；3.晚白垩世赣州群；4.复成分砾岩；5.砂岩；6.构造破碎带图7 断层储水构造模式示意图Fig. 7 Schematic diagram of storage model of fault

1.物探异常编号；2.物探推测构造；3.建议钻孔位置及深度图8 小溪乡长源村高密度测线反演断面图Fig. 8 Inversion section of high density seismic line in Changyuan Village, Xiaoxi Town

小溪乡长源村高密度测线位于山下低洼处,北西侧赣州组砂岩、砾岩地表风化程度较强,NW向已知断裂在470 m附近穿过测线,倾角80°,该角度与480 m下方电阻率梯度带倾角接近,可以推断410 m和470 m下方低阻带可能为导水构造,被中间高阻层及两侧高阻体围在中间的低阻异常为储水构造。本次在470 m桩号实施1口探采结合井,孔深141 m,105～141m揭露主要含水层，降深为40 m,涌水量达180 m3/d。

6.2 单斜储水构造

由含水层与隔水层互层构成的单斜构造,当含水层的倾伏段具备阻水条件时,在适宜的补给条件下形成单斜储水构造(图9)。以于都县岭背镇金星村CK002探采结合井为例,该井位于晚白垩世茅店组(K2m)之上,主要岩性为砾岩、含砾粉砂岩。高密度测线反演断面图(图10)显示, 480～760 m之间存在1个低阻异常,视电阻率为几十到60 Ω·m,高阻与低阻之间为NE向储水构造。本次在700 m桩号实施1口探采结合井,孔深121 m，92～118 m揭露主要含水层，降深为29.7 m,涌水量为50 m3/d。

1.相对含水层；2.相对隔水层；3.晚白垩世茅店组；4.复成分砾岩；5.砂岩；6.泥岩图9 单斜储水模式示意图Fig. 9 Schematic diagram of storage model of monocline

1.物探异常编号；2.物探推测构造；3.建议钻孔位置及深度图10 岭北镇金星村高密度测线反演断面图Fig. 10 Inversion section of high density seismic line in Jinxing Village, Lingbei Town

6.3 向斜储水构造

向斜储水构造由翼部圈闭隔水层组成隔水边界,地下水从地形较高的透水岩层裸露区接受补给,向地形较低的核部或翼部谷地或盆地区汇集,溢流排泄,具有良好的地下水富水条件(图11)。以于都县车溪乡罗坑组ZK13探采结合井为例,该井位于晚白垩世塘边组(K2t)之上,主要岩性为砂岩、含砾砂岩及砂砾岩。本次结合红层地下水富集规律,在塘边组向斜东翼部位实施1口探采结合井,孔深149 m,60 m处揭露主要含水层，降深为35.0 m,涌水量为58.75 m3/d。

1.相对含水层；2.相对隔水层；3.晚白垩世塘边组上段；4.晚白垩世塘边组下段；5.砂岩；6.复成分砾岩；7.地质界线图11 向斜储水模式示意图Fig. 11 Schematic diagram of storage model of syncline

1. 晚白垩世塘边组；2.早石炭世梓山组；3.砂岩；4.复成分砾岩；5.粉砂岩；6.碳质泥岩；7.泥质粉砂岩；8.构造破碎带图12 盆缘储水模式示意图Fig. 12 Schematic diagram of storage model of basin margin

6.4 盆缘储水构造

盆地沉降受边界断层控制,盆地内红层整体形成单斜,巨厚的砾岩层和碎屑岩、变质岩基底是良好的隔水层,网状裂隙发育的泥质粉砂岩是稳定的储水构造。盆缘周边出露地区构成地下水补给区,盆缘断裂为良好的地下水补给通道和储水区(图12)。以于都县车溪乡石子乘ZK02探采结合井为例,该井位于仙下子盆地盆缘断裂之上,北西侧为晚白垩世塘边组(K2t)砂岩、砂砾岩,南东侧为早石炭世梓山组(C1z)含碳砂岩、粉砂岩。本次结合水文地质及补径排条件,在盆缘断裂部位实施1口探采结合井,孔深150 m,120 m处揭露盆缘断裂，降深为50.0 m,涌水量为30.0 m3/d。

7 结论

(1)赣州红层地区地下水赋存在构造破碎带、隐伏断裂、地层接触带及层间裂隙中盆地向斜、单斜、盆缘及断层发育部位是有效的地下水储集区。

(2)赣州地区红层盆地地下水主要受构造控制,地下水勘查及评价应以盆地内红层构造变形特征研究为基础,结合水资源普查进行综合评价。红层地区开展地下水勘查,还需注重地下水的补径排条件研究,划分重点找水靶区,合理开发、利用地下水资源。