鄂北丘陵山區變質巖—巖漿巖區地下水富集規律與供水模式研究

卞學軍, 王宇馳, 梁曉艷

(湖北省地質局 水文地質工程地質大隊,湖北 荊州 434020)

地下水富集一般要具備三個條件: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、孔隙發育地層),對于巖漿巖—變質巖基巖裂隙水承壓含水層往往三者缺一不可。

鄂北丘陵山區為嚴重缺水地區[1],是湖北省有名的“旱包子”[2],為年蒸發量大于降雨量的半干旱地區,而且區內主要分布一套巖漿巖—變質巖系,地下水資源貧乏。據史料記載,自公元309年至今,區內共發生大旱155次,平均約11年1次[3]。近10年來區內干旱缺水問題日益嚴重,不同程度的干旱四季都有發生,特別是初夏旱、秋旱頻繁發生,旱情更為嚴重,造成人畜飲水困難,農作物大幅度減產,干旱缺水一直是制約當地經濟社會發展和居民脫貧致富的重要自然災害之一。

1 地質環境條件

1.1 地形地貌特征

隨縣地貌特征以丘陵為主,兼有低山和堆積平原。總的地勢是南北高,中間低,由南、北向中部微緩傾斜,山勢受地質構造的制約呈北西向展布。一般高度海拔70～1 140 m,境內北部最高點為桐柏山主峰——太白頂,海拔1 140 m；西南面最高點為大洪山主峰——寶珠峰,海拔1 055 m；中部隨州盆地為一片狹長的平原,稱之為“隨棗走廊”。據測區地貌形態特征及成因類型,其地貌可分三大地貌單元。即構造剝蝕侵蝕低山、構造侵蝕剝蝕丘陵和弱侵蝕堆積崗波狀平原。

1.2 地層巖性與地質構造

1.2.1 地層巖性

隨縣境內巖漿巖—變質巖占70.2%,碎屑巖占14.75%,碳酸鹽巖占4.3%,第四系松散巖類占10.75%。區內以襄廣斷裂為界,跨秦嶺地層區和揚子地層區兩個一級大地構造單元,其中以北部的秦嶺地層區為主體,占總面積的94.86%。秦嶺地層區地層主要分為四大類:①元古界柳林群(Ptll)—震旦系,巖性主要為鈉長片巖、變長石石英砂巖、千枚巖、變粒巖等一套副變質巖；②太古界—早古生界雜巖組合(Pttn),巖性主要為花崗質片麻巖、二長片麻巖、糜棱巖、黑云斜長片麻巖、斜長角閃巖、大理巖、石英巖一套正變質巖；③寒武系(∈1-2)—志留系(S2)一套以板巖、千枚巖為主的副變質巖；④志留系—奧陶系(O-Sa-c)一套變火山熔巖、碎屑巖。

揚子地層區地層主要為寒武系上統三游洞群∈3sh—震旦系上統燈影組Z2dn一套灰巖、白云巖為主的碳酸鹽巖、元古界(Pth、Ptch)一套變質礫巖、硅質紋帶白云巖。

圖1 四十里沖斷層帶中段(ZK7鉆孔處)水文地質橫剖面圖Fig.1 Hydrogeological cross section map of middle section of the Sishilichong fault zone1.粉質粘土夾砂礫層;2.花崗質片麻巖;3.斜長角閃巖;4.第四系全新統;5.中元古代桐柏山雜巖回龍寺片麻巖;6.早元古代桐柏山雜巖表殼巖;7.T水溫(℃)、TDS(g/L):固體總溶解度;8.S降深(m)、Q涌水量(m3/d)、K滲透系數(m/d);9.地下水位線;10.斷層代號及產狀;11.斷層。

秦嶺地層區巖漿活動頻繁,區內巖漿巖類主要有燕山期獨立侵入體(γ52a-2d),巖性為中粒—斑狀花崗巖、花崗斑巖、英堿正長巖；中生代侵入二長花崗巖(γβ52-3)；加里東期玄武玢巖、含橄欖輝長巖、變輝長輝綠巖；揚子期輝綠巖、變輝長輝綠巖(βμ3)。花崗巖、二長花崗巖等酸性侵入巖一般以巖基、巖床、巖盤產出,基性、超基巖侵入巖一般以巖盤巖墻、巖枝、巖脈形式產出。

1.2.2 地質構造

區內秦嶺褶皺系由屬桐柏—大別中間隆起的桐柏山復背斜、南秦嶺冒地槽褶皺帶的隨南褶皺束、大仙山褶皺束、隨應復背斜組成。區內褶皺,絕大多數表現為軸線北西—南東走向的緊密排列和彼此平行的背向斜,具平行褶皺群的特征。區域性斷裂有襄廣大斷裂、英店—青山口大斷裂,北西向平行展布,為兩條南西陡傾的逆沖斷裂。

1.3 含水巖組

依據區內各巖組地層巖性、巖層組合關系、地下水埋藏條件、含水介質、水動力特征及其富水性之不同,劃分為松散巖類孔隙水、碎屑巖類孔隙裂隙水、變質巖類裂隙水、巖漿巖類裂隙水、碳酸鹽巖溶隙裂隙水等5大類地下水類型10個含水巖組:第四系全新統砂礫石孔隙水含水巖組、第四系全新統粉土、粉砂孔隙水含水巖組、白堊系胡崗組砂巖孔隙裂隙水含水巖組、燕山期花崗巖裂隙水含水巖組、前震旦紀輝長輝綠巖裂隙水含水巖組、元古界—古生界以片巖為主的裂隙水含水巖組、太古界以片麻巖為主的裂隙水含水巖組、志留系砂頁巖裂隙水含水巖組、震旦系—寒武系碳酸鹽巖溶隙裂隙水含水巖組、元古界碳酸鹽巖夾變質巖溶隙裂隙水含水巖組。

2 巖漿巖—變質巖區地下水富集規律

變質巖—巖漿巖分布區是鄂北地區找水最難的區段,本次主要對區內變質巖類裂隙水、巖漿巖類裂隙水兩大類地下水的富集規律進行初步分析研究。

2.1 變質巖類裂隙水

區內大面積分布的變質巖地下水極其貧乏,變質巖區降雨入滲系數僅0.01～0.02[4]。變質巖區比較典型的綠色巖系一般為富水性極貧乏的隔水巖系,如灰綠色鈉長片巖,綠簾陽起片巖、變輝長輝綠巖等強風化易呈泥狀,該類巖層分布區如處于構造儲水有利地段也往往為富水性貧乏地段,當地抗旱打井幾處無水的干井就處于該類地層的構造儲水有利部位。但在巖性有利及構造有利部位可能存在富水帶(塊段),若斷裂影響帶同時分布有碳酸鹽巖條帶,且具有較大匯水面積時,則必然形成水量中等—較豐富塊段[5]。

2.1.1 張扭性斷裂帶富水型

張扭性斷裂既有較強的延伸性,又有較好的張開性,常具有較好的含水透水性[6],在富水性貧乏的變質巖區,張扭性斷裂帶穿過,且位于匯水條件較好的凹槽、溝谷一帶,斷層上盤巖體破碎富水性較好,斷裂發育規模要求斷裂帶破碎寬最好>10 m,兩側變質巖較完整,為富水帶隔水邊界,其單井涌水量可達30～100 m3/d,可供自然村落聯戶供水,如四十里沖張扭性斷層,兩側巖性一致(見圖1),發育于桐柏山雜巖貧水地層中,斷裂帶寬70～130 m,長約16 km,帶內為花崗質片麻巖,上盤巖體破碎,下盤巖體完整,探采結合孔(編號ZK6、ZK7)就在斷層帶內,巖芯呈碎塊狀—短柱狀,機械破壞呈粗砂狀,ZK6號井深130.6 m,水埋深3.2 m,最大涌水量為78.9 m3/d(降深13.43 m)；ZK7號井深130.3 m,水埋深2.1 m,最大涌水量為58.89 m3/d(降深26.52 m)；兩孔Q=f(S)曲線圖呈直線型,該地下水埋藏類型為承壓水,斷裂帶富水性中等。

2.1.2 夾碳酸鹽巖條帶狀富水型

在富水性極貧乏的變質巖區,由于局部碳酸巖化或斷裂錯動形成灰巖、白云巖、大理巖條帶富水帶,兩側為隔水性較好的板巖、變粒巖、片巖等變質巖。往往是變質巖區較理想的富水模式,其條帶寬一般要求>50 m才具有集中供水意義,單井涌水量>100 m3/d。可供單井集中供水或分片供水,也是城鎮應急水源地的找水方向,如隨縣柳林鎮南800 m的液化氣站附近,大面積分布元古界變質巖,但在鎮區南部的大堰角一帶發育一組NW向斷裂束(見圖2、圖3),地層呈緊密帶狀,夾有寬50～100 m白云巖條帶,地形上也為寬緩沖溝地下水賦存條件較好,ZK08號探采結合孔孔深80 m,鉆孔涌水量達196.02 m3/d,解決了柳林鎮城鎮3 000多人長期飲用不潔溪溝水問題。

圖3 ZK08號孔剖面示意圖Fig.3 Section diagram of ZK08 hole1.鉆孔及編號；2.灰巖；3.鈣質板巖；4.變輝斑玄武巖；5.炭質板巖；6.硅質板巖；7.砂卵礫石；8.地層代號；9 斷層。

圖2 ZK08號孔平面示意圖Fig.2 Schematic diagram of ZK08 hole plane1.鉆孔及編號;2.剖面線;3.地層界線;4.斷層;5.寒武系下統雙尖山組；6.寒武系下統莊子溝組；7.寒武系上—中統立秋灣組；8.志留系下統蘭家畈組；9.震旦系上統陡山沱組；10.第四系全新統。

2.1.3 砂質千枚巖緩傾斷裂帶富水型

圖4 變質巖類裂隙水富集模式圖Fig.4 Pattern diagram of fissure water enrichment in metamorphic rocks1.變質巖；2.碳酸鹽巖；3.砂質千枚巖；4.逆斷層； 5.張性扭性斷裂破碎帶；6.逆斷裂影響帶;7.地下水位線。

在變質巖區局部分布面積較大的砂質千枚巖,富水性貧乏,當地在溝谷地帶鉆井(井深120 m),為干孔,但其結構呈千枚狀,受斷裂破壞易破碎呈長軸狀顆粒,巖體松散、孔隙裂隙發育,富水性較好,斷裂帶呈緩傾狀有利增加破碎帶匯水面積,有利斷裂破碎影響帶與地表淺層強風化松散巖層建立水力聯系,有利斷裂富水帶入滲補給,斷裂影響帶上、下盤完整巖體為隔水層,該類富水帶內單井涌水量一般10～50 m3/d,可供單井聯戶供水,也可作為家禽養殖場、石料加工等小型企業用水水源地。如位于柳林鎮白云寺村2組上碑灣一養豬廠水源為機井抽水,井深186 m,含水層為粉砂質千枚巖,位于緩傾(傾角25°)斷層上盤,該機井開采量為20 m3/d。

根據區內多處類似上述三類富水類型進行概化,得出三類富水模型圖:張扭性斷裂帶富水型見圖4-(a)、夾碳酸鹽巖條帶狀富水型見圖4-(b)、砂質千枚巖緩傾斷裂帶富水型見圖4-(c)。

2.1.4 脆硬巖石構造應力集中帶富水型

變質巖區富水部位往往與巖性關系密切,在脆硬巖石分布區(帶)往往地下水富水性較好。

脆硬巖石主要包括重結晶作用、交代作用形成的脆硬巖石,其富水機理為脆硬巖石強風化易成粗粒狀(少泥),如遇向斜軸部、斷裂帶等構造應力集中部位,構造破壞易形成裂隙導水儲水帶,如含晶屑片巖、石英巖片巖、角閃巖片巖、鈣質及硅質板巖等變質巖分布區段富水性較好,單井涌水量一般為20～100 m3/d,可供單井聯戶供水或分片供水。如隨縣洪山鎮—清潭一帶大面積分布含晶屑白云鈉長片巖,黃龍寺探采結合井(QT-ZK4)井深150.52 m,含水層為元古代大狼山群(Ptdl1)含晶屑白云鈉長片巖,涌水量為55.64 m3/d,解決了沿線500多人的生活用水問題,區內村民在該類地層中成井涌水量>20 m3/d。

圖6 萬和鎮ZK3號孔剖面示意圖Fig.6 Section diagram of hole ZK3 in Wanhe town1.鉆孔及編號；2.粉質粘土夾碎石；3.花崗巖；4.白云石英鈉長片巖； 5.燕山早期第二次;6.元古界大狼山群柳林組上段；7.第四系全新統。

2.2 巖漿巖類裂隙水

區內巖漿巖富水性總體貧乏,但在適宜條件下巖漿巖與圍巖的接觸部位裂隙一般較發育,有儲水空間,存在較為豐富的地下水。區內分布有巖漿巖(花崗巖、角閃巖、煌斑巖石英巖)與圍巖接觸帶,寬度100～300 m不等,由于巖漿涌動及熱力作用,巖體較松、裂隙發育,圍巖接觸變質帶石英、角閃石、陽起石、大理巖等脆性巖石含量增加,巖體軟硬相間,可成為裂隙(溶隙)含水帶,如圍巖是軟質片巖、片麻巖等變質巖,且處于不利地形,則不易形成富水帶；堿性脆性巖體易一般裂隙發育,也易形成富水區段；強風化易呈粒狀的侵入巖體(如花崗巖、二長花崗巖等)有的區段強風化厚度10～30 m,可成為富水區段。

2.2.1 侵入巖圍巖接觸帶富水型

區內存在侵入規模較大的中酸性侵入巖體,如花崗巖巖基,平面分布長、寬可達數十千米,分布區往往形成山脈,其圍巖多為變質巖,在接觸帶及其外側區域往往形成溝谷及低丘,接觸帶巖體張性裂隙及次生脆硬巖石發育,導水、儲水條件好,接觸帶寬一般100～300 m,受補給條件的限制,在接觸帶沿斜坡補給區中下游可成井取水,單井涌水量一般100～150 m3/d,可供單井集中供水或分片供水,也是城鎮應急水源地的找水方向。如唐王店幅西北角的ZK03號探采結合孔位于萬和鎮大西溝村大溪溝北岸與支沖溝交匯處,沿接觸帶寬100～300 m范圍內巖體破碎,石英含量及角閃石脆硬巖石含量明顯增加。埋深45 m初見水位,鉆孔揭露主要含水層位于45～106.88 m,巖性為花崗巖白云石英鈉長片巖,鉆孔涌水量為111.97 m3/d,成為該村小組集中供水點,井水清甜,含水層為花崗與片巖巖接觸帶(γ52b/Pt2l3)(圖5、圖6)。據境內及鄰區該類富水型進行總結,得出該類富水型地質模型,見圖7。

圖5 萬和鎮ZK3號孔平面示意圖Fig.5 Schematic diagram of hole ZK3 in Wanhe town1.鉆孔及編號；2.剖面線；3.地層界線；4.推測斷層；5.燕山早期第二次；6.元古界大狼山群柳林組上段；7.震旦系下統過路塆組；8.第四系全新統。

圖7 侵入巖圍巖接觸帶地下水富集模式圖Fig.7 Pattern map of groundwater enrichment in contact zone of intrusive rock1.變質巖；2.圍巖松散巖體富水帶；3.花崗巖；4.地下水位線。

2.2.2 堿性侵入巖構造破碎區富水型

區內在斷裂密集發育形成網紋狀正長巖分布區,巖性硬脆,正長巖碎裂呈砂狀,當地稱“鐵板砂”,巖體裂隙發育,富水性好,軟質片巖等變質巖接觸邊界為隔水邊界,單井涌水量50～150 m3/d,可供單井集中供水或分片供水。

2.2.3 氣孔狀火山巖富水型

氣孔狀火山巖主要分布在隨縣南東一帶,主要為變氣孔狀—杏仁狀,為輝斑玄武巖、變玄武質角礫熔巖,富水性好壞取決于氣孔大小、密度及氣孔間貫通程度,區內氣孔直徑僅1～10 mm,在遇小型斷層時泉水流量0.1～3 L/s,可進行單井聯戶或分片供水。如遇氣孔直徑較大且連通性較好、斷裂帶較寬地段可進行機井集中供水。

2.2.4 侵入巖裂隙孔隙水富水型

侵入巖裂隙孔隙水富水型其富水主要依托洼地風化帶蓄水構造[7],區內草店—小林鎮一帶分布二長花崗巖,局部區段由于巖漿熱液作用差異及構造影響,強風化厚7～30 m,泉點流量0.1～2 L/s,民井井深7～32 m,單井涌水量1～12 m3/d,可作為單井聯戶供水水源,含水價質主要為砂粒狀花崗巖,地下水儲存于松散砂粒孔隙及強風化張性裂隙中,如遇寬緩溝谷匯水有利地貌、強風化層15～30 m厚,機井涌水量可達100 m3/d,可作為單井分片供水,但涌水量受降雨及溝谷表水位控制明顯,干旱季節井水位下降,涌水量明顯減小,該類地下水埋深2.5～10 m,埋藏類型為潛水,其隔水層為強弱風化接觸面。

3 地下水供水模式

區內主要有單井獨戶供水、單井聯戶供水、單井分片供水和機井集中供水4種供水模式,其供水模式與所處含水巖組富水性及居民社會居住情況綜合決定的。

3.1 單井獨戶供水

在變質巖—侵入巖風化裂隙水分布區淺層風化裂隙水,地表匯水條件一般,單井涌水量僅0.05～0.3 m3/d,居民分散居住的地段,在庭院內和院落邊鉆鑿淺井,就近供給1戶居民使用。井徑0.5～0.8 m、井深10 m左右,一般年份可滿足單家獨戶使用,一般采用潛水泵或手壓式取水。

3.2 單井聯戶供水

在變質巖—侵入巖風化裂隙水分布區淺層風化裂隙水,巖性相對有利、匯水條件較好、有地表水補給地下水的居民居住相對集中的地段,在庭院內和院落邊鉆鑿淺井,視單井涌水量供給鄰近的數戶居民使用,一般為民井開發利用,井徑0.5～1.2 m,井深7～20 m,單井涌水量一般1～5 m3/d。

3.3 單井分片供水

以自然村為單元,根據地形地貌和水文地質條件,選擇成井有利部位打中深井或深井,建輸水管網,供一個片區使用,該類型供水模式主要分布于變質巖夾碳酸鹽巖、脆硬變質巖構造匯水部位、圍巖(脆硬的圍巖)接觸帶等分布區。

3.4 機井集中供水

變質巖—巖漿巖區富水量較豐富(單井涌水量100～500 m3/d)—豐富塊段(單井涌水量>500 m3/d),缺水村落大且居民集中的地區,施工機井取水,管網連村到戶,實現村鎮供水自來水化。在變質巖—巖漿巖區當地機井集中供水點長年連續開采,有的出現了機井井水干枯現象,主要是當地蒸雨量大于降水量,富水地段其入滲補給面積有限、補給速度有限、含水層空間分布有限。

4 結語

隨縣境內主要為巖漿巖—變質巖分布區,又處于半干旱地區,地下水極為貧乏,是找水難點區。通過對區內變質巖—巖漿巖區典型富水類型進行分析研究,得出了區內地下水富集規律及對應供水模式。區內主要單井獨戶供水、單井聯戶供水、單井分片供水和機井集中供水4種供水模式,供水模式由所處含水巖組富水性與人類居住情況綜合決定。區內能形成集中供水或分片供水的富水類型主要為:變質巖類→張扭性斷裂帶富水型、夾碳酸鹽巖條帶狀富水型、脆硬巖石構造應力集中帶富水型；巖漿巖類→侵入巖圍巖接觸帶富水型、堿性侵入巖構造破碎區富水型、氣孔狀火山巖富水型、侵入巖裂隙孔隙水富水型。

通過對區內變質巖—巖漿巖區富水規律的研究分析,找到了變質巖—巖漿巖區找水方向,變質巖—巖漿巖區富水條件要求苛刻,需打破傳統找水思路,區內找水思路應為:優先找到含水介質—富水巖石(層),再結合構造、地形地貌組合找到有利富水地段(帶)。區內典型富水巖石是指巖石自身具備或經構造活動能形成易接受降雨入滲、易導水、儲水性能良好的含水介質,主要有:變質巖類→石英巖、角閃巖、大理巖、白云巖、含晶屑片巖、砂質千枚巖等；巖漿巖類→中粗粒變晶結構、強風化厚度>10 m呈砂粒狀花崗巖層、脆硬堿性侵入巖等強—全風化易呈粒狀的巖石。

[1] 李智民,劉云彪,趙德君,等.鄂北嚴重缺水地區地下水富集模式與找水實踐[J].資源環境與工程,2014,28(6):899-903.

[2] 李智民,卞學軍,梁曉艷,等.鄂北丘陵山區嚴重缺水地區隨縣、應城市(北部)水文地質調查成果報告[R].荊州:湖北省地質局水文地質工程地質大隊,2016.

[3] 湖北省隨州市地方志編纂委員會.隨州志[M].北京:中國城市經濟社會出版社,1989:167-181.

[4] 鄭明佳,陳聯峰,王桂菊,等.湖北省水文地質圖說明書(1∶50萬)[R].荊州:湖北省水文地質大隊,1979.

[5] 中國地質調查局.中華人民共和國水文地質調查統計圖規范[S].北京:地質出版社,2015.

[6] 宋翠華.劉廣潤院士文集[M].武漢:中國地質大學出版社,2010:104-105.

[7] 中國地質調查局.水文地質手冊[M].北京:地質出版社,2012:159-164.