鄂北嚴重缺水區地下水富集模式與找水實踐

李智民, 劉云彪, 趙德君, 孟　陳, 卞學軍, 梁曉艷

(湖北省地質局 水文地質工程地質大隊,湖北 荊州　434020)

0　引言

鄂北嚴重缺水區位于長江與淮河分水嶺一帶,地貌類型以低山丘陵為主,區內無大型河流分布,加之降雨偏少,為嚴重缺水地區,同時受含水介質的影響,地下水資源亦非常匱乏,資源型缺水嚴重,是湖北省有名的“旱包子”。在全球氣候變化背景下,近十年來鄂北地區干旱頻率及持續時間呈上升趨勢。以隨縣為例,2012年是該縣自有水文和氣象記錄以來降雨量最少、蓄水量最少、旱情最為嚴重的一年,65.25萬人、21.49萬頭大牲畜飲水極度困難,部分鄉鎮居民靠政府送水維持生計,飲水安全問題十分突出,全縣受旱農田面積超過6.6萬hm2,其中重旱4.2萬hm2,絕收0.8萬hm2。

隨縣東南部位于鄂北丘陵山區中部,總面積1 350 km2,轄7鎮125村,人口35.5萬[1],該區地跨秦嶺褶皺系和揚子準地臺兩大構造區,地質構造復雜,歷來是找水打井的難點地區。

1　地質、水文地質背景[2]

1.1　地質概況

該區以NW-SE走向的三里崗—坪壩斷裂(襄廣斷裂之一段)為界,地跨秦嶺和揚子兩大地層區,其中北部的秦嶺區約占總面積的90%,南部的揚子區占10%。秦嶺地層區地質體結構的基本特征是:元古界層片狀變質巖組成北西向開闊褶皺地塊,其上疊加有中新生代盆地,堆積較厚的白堊系砂巖、礫巖、泥巖等,局部地段分布震旦系—二疊系碳酸鹽巖與砂巖、頁巖互層;揚子地層區地質體結構的基本特征是:元古界至古生界碳酸鹽巖與頁巖、砂巖和板巖等互層,組成北西向緊密褶皺地塊。

區內巖漿活動頻繁,前震旦紀基性—超基性侵入巖出露較多,巖體規模大小不一,多呈長條狀、長圓狀的巖墻、巖床、巖基等產出,走向北西。

1.2　水文地質概況

根據地下水含水介質的不同,區內地下水主要分為碎屑巖類孔隙裂隙水、變質巖—侵入巖基巖裂隙水和碳酸鹽巖裂隙巖溶水等3大類型。

1.2.1碎屑巖類孔隙裂隙水

分布于中新生代盆地區,約占工作區總面積的40%。含水層由白堊系紅色砂巖、砂礫巖夾泥巖、粉砂質泥巖等組成,地下水主要賦存于巖體風化裂隙、孔隙和構造裂隙中,多屬潛水。含水層富水性差,泉少見,單井涌水量多在5～20 m3/d。

1.2.2變質巖—侵入巖基巖裂隙水

廣泛分布于低山丘陵地帶,約占總面積的50%。由太古界—古生界層片狀、千枚狀變質巖和不同時期各類碎塊狀、塊狀侵入巖組成,地下水主要賦存于巖體風化裂隙中,含水性微弱,泉流量一般<10 m3/d,單井涌水量多在20 m3/d左右。

1.2.3碳酸鹽巖類裂隙巖溶水

分布于南部揚子地層區的長崗和三里崗等鄉鎮,約占總面積的10%。由元古界—古生界碳酸鹽巖與頁巖、砂巖等組成,地下水儲存在裂隙和巖溶管道中,泉流量一般在200～500 m3/d,單井涌水量80～200 m3/d。

2　地下水富集模式

鄂北丘陵山區地下水資源十分缺乏,但在局部水文地質條件有利地段,存在富水塊段。富水塊段的形成在地層巖性、地質構造和地形地貌組合上具有明顯的規律性,本文結合隨縣東南部地下水勘查工作,提出了地下水富集模式,即有利于地下水富集的水文地質因素的組合形式[3]。

2.1　碎屑巖類孔隙裂隙水富集模式

區內廣泛分布的白堊系紅層總體來說富水性較差,斷裂構造一般不發育,脆性硬質巖層和可溶性巖層與有利地貌部位組合地帶往往賦存一定量的孔隙裂隙水,是紅層找水的重點靶區。脆性巖層指含泥質成分較少或質地較純的砂巖,可溶性巖層主要指鈣質膠結的礫巖;地貌有利部位包括兩溝交匯處、寬緩溝谷段和山間崗地區等。溝谷交匯地段,匯水條件良好,通常也是裂隙發育帶,當存在脆性巖層和可溶性巖層時,往往巖石比較破碎,富水性相應較強,易于形成富水塊段;在延伸較長的溝谷中,某些寬緩溝谷段通常是在斷裂破碎部位上形成的,當存在脆性巖層和可溶性巖層時,裂隙必然發育,導水和儲水空隙率高,加上寬緩溝谷段有利于匯集和滯留地下水,同樣易于形成富水塊段;山間崗地區往往是相對構造下降區,四周為山地圍限,是地表水和地下水的匯集區,由于多為斷裂帶陷落或侵蝕形成,如存在脆性巖層和可溶性巖層,裂隙一般都比較發育,也一樣能夠形成富水塊段。

2.2　變質巖—侵入巖基巖裂隙水富集模式

區內大面積分布的變質巖—侵入巖地下水極其貧乏,但在構造有利部位可能存在相對富水帶。基巖裂隙水富集一般要具備3個條件:一是一定的補給面積(地表匯水面積);二是導水通道(斷裂構造帶或裂隙、巖溶發育帶);三是儲水空間(構造裂隙發育巖層或巖溶發育地層)。隨縣東南部變質巖—侵入巖分布區斷裂構造比較發育,在局部地段尚夾有碳酸鹽巖(或大理巖)條帶,為該區找水提供了重要靶區。張性斷裂破碎帶常見角礫巖,膠結差或未膠結,兩盤巖石在斷裂影響下裂隙發育,巖石破碎,當地形有利時,斷層各個部位富水性均較好;壓性斷裂往往為阻水斷裂,但斷裂上盤一般巖石受力破壞較劇,巖體較破碎,有利于地下水補給與儲存,富水性較好,因此鉆孔須布置在斷裂上盤、且不宜距斷裂過近,以免過早穿越斷層而無水;若斷裂帶一帶同時分布有碳酸鹽巖條帶,且具有較大匯水面積時,則必然形成富水塊段。

2.3　碳酸鹽巖裂隙巖溶水富集模式

隨縣東南部碳酸鹽巖分布于秦嶺褶皺系與揚子準地臺的接觸部位,地形起伏不大,多屬低山丘陵,巖溶發育程度一般,富水性較好,在地貌有利部位(如溝谷交匯處)和斷裂破碎帶等部位一般都能形成富水塊段。

3　找水實踐

3.1　技術思路與方法

鄂北嚴重缺水地區找水須首先進行專項水文地質調查,并依據上述地下水富集模式,綜合分析確定有利靶區,再利用物探(高密度電法和激電測深等)方法查明擬布置孔位一帶深部巖性、構造及主要儲水層位,進一步確定具體孔位及孔深,最后采用空氣潛孔錘鉆探技術成井。空氣潛孔錘鉆進是以空氣為介質的一種鉆進方法,鉆進過程中不需要循環液和水，因而能有效地解決在干旱缺水地區打鉆成本高、效率低、施工時間長、用水困難等問題。

3.2　典型勘查地區找水示范

3.2.1碎屑巖類孔隙裂隙水找水示范(ZK05孔)

均川鎮陶家樓村處于白堊系紅層分布區,水資源缺乏,2012年大旱時政府組織消防車從均川鎮送水長達2個月時間。本次勘查找水,在地質調查和綜合分析的基礎上,初步選擇陶家樓村委會附近2 km2范圍為重點靶區。該區為壟崗地貌,山體渾圓,高差一般20～50 m,擬布鉆孔位于一沖溝底部,沖溝呈寬緩U型,底寬100～200 m,地勢較平坦,兩側斜坡坡度10°～20°,相對高差10～20 m,匯水條件較好。沖溝底部為第四系碎石土覆蓋,厚約5～10 m,下伏基巖為白堊系上統寺溝組下段(K2s1)棕紅色薄層泥質粉砂巖、灰白色鈣質細砂巖,巖層產狀30°∠16°,發育2組高角度裂隙,初步分析地下水賦存條件較好。

選定靶區后,在擬布置孔位一帶布置了井位物探(高密度電法)剖面測量,測線布置從西到東,總長1 200 m,整條測線高差較小,勘探深度為200 m。 從地電斷面來看(圖1),孔位處大致可以分為3層,第1層電阻率為15～30 Ω·m,深度為27 m左右,推測為泥質粉砂巖;第2層電阻率為30～60 Ω·m,深度在85 m左右,推測為含礫砂巖,該層含水;第3層電阻率為60～150 Ω·m,推測為礫巖。

而后進一步對初步確定孔位處進行頻率域激電測深測量,激電測深AB/2最大極距為400 m。ρs、Fs曲線見圖2。

激電測深資料顯示:ρs曲線大致為G型,表明上部為泥質粉砂巖,中部為砂巖,深部為礫巖。Fs曲線整體變化不規則,在AB/2=7～300 m段>1.2%,Fs在AB/2=100 m處最高,達1.55%,推測砂巖和礫巖含地下水,但更深部的礫巖層Fs急劇下降,<1%,表明深部礫巖膠結較好而不含水。淺部含少量第四系孔隙水,150 m內為碎屑巖孔隙裂隙水,主要含水層為半膠結的砂巖。

圖1　均川鎮ZK05號鉆孔地電斷面成果圖Fig.1　Result map of geoelectric section of ZK05 hole in Junchuan town

圖2　均川鎮ZK05號鉆孔激電測深曲線Fig.2　IP sounding curve of ZK05 hole in Junchuan town

根據地質調查分析和物探成果,實施了ZK05探采結合孔,孔深80 m時成功出水,最終孔深130 m,抽水試驗測得涌水量83.04 m3/d,解決了村委會附近300多人的生活用水問題。

3.2.2變質巖—侵入巖基巖裂隙水找水示范(ZK08孔)

柳林鎮位于隨縣南東一隅,居民生活長期飲用不潔溪溝水,地方政府曾在柳林鎮南300 m處柳林中學一帶請個體打井隊鑿井一口,井深210 m,但因對該區水文地質條件認識不清、盲目布孔施工,結果為干孔。

本次調查發現,該區為大面積變質巖分布區,地下水資源非常貧乏,但在柳林鎮南800～1 300 m的大堰角一帶,地質構造復雜,發育一組NW向斷裂束,地層呈緊密線狀,并夾有寬50～100 m灰質白云巖條帶,地形上也為寬緩沖溝,初步分析該區地下水賦存條件較好(圖3)。

初步選定靶區后,在擬布置孔位一帶布置了高密度電法剖面測量,剖面線長1 200 m,物探剖面顯示,在400 m測點處斷裂一直向深部延伸,斷裂帶附近巖體比較破碎,且巖性為白云質灰巖,應該賦存一定量的地下水。而后進一步對擬定孔位處進行激電測深測量,激電資料顯示:在AB/2<50 m段Fs<3%,在AB/2>100 m段Fs>4%,分析認為Fs<4%是地下水所引起的激電異常,Fs>4%是其他地質體引起的異常,而100 m以下Fs持續增高,應為炭質硅質板巖所引起的異常,含水的可能小較小,據此推測在深度100 m內含水(圖4)。

根據地質調查分析和物探成果,在距柳林鎮1 100 m的液化汽站一帶實施了ZK8探采結合孔,孔深80 m,鉆孔涌水量達196.02 m3/d,解決了柳林鎮城鎮居民長期飲用不潔地表水的問題。

ZK8孔與干孔處于同一條沖溝內,相距約800 m,且干孔較ZK8孔深130 m,但結果迥異,充分體現了本次水文地質工作的專業性和技術性,避免了盲目布孔造成不必要的經濟損失。

3.2.3碳酸鹽巖裂隙巖溶水勘查找水示范(ZK11孔)

三里崗鎮每逢旱季,居民用水困難,自來水每3天供應1次。本次勘查初步選擇三里崗鎮小學一帶為重點靶區,該點位于三里崗—平壩斷裂帶破碎帶上,巖體(Z2dn2厚層微晶白云巖)呈碎裂狀,分布寬3 km,長7 km,厚度>200 m,且處于匯水凹槽內,初步分析地下水賦存條件較好、富水性較好。

圖4　柳林鎮ZK08號鉆孔激電測深曲線Fig.4　IP sounding curve of ZK08 hole in Liuning town

圖3　柳林鎮ZK08號孔地質剖面圖Fig.3　Geological section of ZK08 hole in Liuning town1.鈣質板巖;2.灰質白云巖;3.變輝斑玄武巖;4.炭質硅質板巖;5.粉砂質板巖;6.綠泥片巖;7.炭質板巖;8.砂礫石;9.地層代號;10.斷層;11.產狀;12.鉆孔及編號。

初步選定靶區后,在擬布置孔位一帶布置了高密度電法剖面測量,測線布置從南東至北西,總長600 m。從地電斷面來看,在測點150～380 m處有一低阻異常體,電阻率為400～1 000 Ω·m,兩側圍巖電阻率>1 000 Ω·m,低阻異常推測為較破碎的白云巖,應該賦存較豐富地下水,兩側為相對完整的白云巖(圖5)。

根據地質調查分析和物探成果,在三里崗鎮小學門口附近實施ZK11探采結合孔,孔深130 m,鉆孔涌水量達723.76 m3/d,解決了三里崗鎮小學及附近城鎮居民近4 000人的生活用水問題。

圖5　三里崗鎮ZK11號鉆孔地電斷面成果圖Fig.5　Result map of geoelectric section of ZK11 hole in Sanligang town

3.3　找水效果分析

本次勘查找水,共實施探采結合孔13口,其中成井12口,成井率達92.3%,總進尺1 450 m,涌水量合計2 094 m3/d,解決了12 100人的生活用水問題,社會效益非常顯著,同時提出了不同類型地下水富集模式,為鄂北丘陵山區嚴重缺水地區找尋地下水起到了指導和示范作用。

4　結語

隨縣東南部是鄂北丘陵山區典型缺水地區,資源性缺水嚴重,但在局部水文地質條件有利地段,富水塊段客觀存在。通過綜合分析區內巖性特征、地質構造及地形地貌等地質因素,提出了碎屑巖類孔隙裂隙水、變質巖—侵入巖基巖裂隙水和碳酸鹽巖裂隙巖溶水等地下水富集模式。采用水文地質調查、物探、鉆探等綜合勘探方法和手段,實施了探采結合孔13口,其中成井12口,成井率達92.3%,涌水量合計2 094 m3/d,解決了12 100人的生活用水問題,得到了當地政府和群眾的高度贊譽,實現了地質調查工作與解決人民群眾用水的有機結合,為鄂北丘陵山區嚴重缺水地區找尋地下水起到了指導和示范作用。

同時,通過本次找水實踐,初步確定了本區紅層找水的基本方法和判別標準。紅層找水方法以如下組合較為合適,首先通過地質調查分析確定靶區,而后進行高密度電法工作,通過反演劃分出泥巖、砂巖、礫巖,砂巖的電阻率范圍是17～35 Ω·m,泥巖較低,礫巖較高,地下水一般賦存在砂巖;基本確定含水層后(砂巖較厚的地段),再采用激電測深確定砂巖的富水性,若采用頻率域激電測深,一般Fs值>1.2%可視為含水,>1.5%可以認為富水性較好。

參考文獻：

[1]湖北省民政廳.湖北省行政區劃手冊[M].北京:中國地圖出版社,2013.

[2]李智民,等.鄂北丘陵山區嚴重缺水地區地下水勘查與供水安全示范階段性成果報告[R].武漢:湖北省地質環境總站,2013.

[3]王宇,等.紅層地下水勘查開發的理論及方法[M].北京:地質出版社,2008.