阜平巖群基巖裂隙水的賦存規律與找水方向

劉偉朋，孟順祥，龔冀叢，耿 昕

(中國地質調查局水文地質環境地質調查中心，河北 保定 071051)

裂隙水是水資源的重要組成部分，受社會生產活動廣度和深度的限制，對基巖地區的水文地質研究相對較少[1]。裂隙水根據含水層巖性的不同，可分為碳酸鹽巖類巖溶裂隙水、碎屑巖類孔隙裂隙水和變質巖、巖漿巖基巖裂隙水。基巖裂隙水是我國分布最為普遍的地下水類型之一[2-3]。具有埋藏深、儲量小、供水穩定、分布不均的特點。隨著水資源供需矛盾加劇，尤其是近幾年極端氣候頻發，嚴重缺水地區和季節性缺水地區在太行山變質巖區尤為突出，自2006年以來，阜平縣實施了一大批農村飲水解困工程。但大部分機井，由于未充分考慮地質構造因素，造成機井涌水量太小而無法正常使用。因此，查明該縣基巖裂隙水的賦存規律、尋找供水穩定的基巖裂隙水資源對解決當地人畜飲水問題至關重要。

近年來，為解決阜平巖群所在的太行山區人畜飲水問題，促進太行山集中貧困區的經濟發展，中國地質調查局開展了太行山區1∶5萬水文地質調查工作，其中阜平縣作為重點調查區之一，2013～2015年完成了全縣水文地質調查工作，實施探采結合井20余眼。對全縣基巖裂隙水的賦存規律進行了調查研究，取得了很大的進展。

1 研究區概況

阜平縣位于河北省保定市的西部，太行山和五臺山余脈交匯處，屬太行山山系，境內地形復雜，總面積2 496 km2，其中山地占88%，全縣人口22.8萬人(2014年)。阜平縣是典型的太行山缺水地區[4]，受地形、地理條件的制約，大部分村莊坐落在半坡上，吃水垂直高差大，往返距離遠，近十幾年，連續干旱，地下水下降，山泉干枯，井底無水。水資源供需矛盾日益突出，人畜飲水困難。

阜平巖群為變質巖主要分布在太行山區平山縣以北和贊皇以南，以阜平一帶發育最好，主要巖石類型有：片巖、各種片麻巖、變粒巖、淺粒巖、斜長角閃巖和大理巖[5]。片麻巖多為黑云斜長片麻巖，黑云角閃斜長片麻巖等揉塑性巖石，淺粒巖、變粒巖、石英片巖和斜長角閃巖為硬脆性巖石。阜平巖群經歷了多期變形作用，構造復雜[6]，遍布全區，面積1 993.7 km2，占縣域面積的80.6%，阜平縣變質巖裂隙水主要賦存于各類變質巖裂隙中，其巖性一般為黑云斜長片麻巖、角閃斜長片麻巖、淺粒巖和斜長角閃巖等[7]。阜平縣輝綠巖脈發育，呈NW向穿插于大面積變質巖區內，寬約10～20 m，節理裂隙發育一般，在區域上多起巖脈阻水的作用。

2 蓄水構造類型及富水特征

地質構造控水理論認為，地質構造是控制地下水埋藏、分布和運移的主導因素，在一定有利的地質構造組合形式下，就會形成有利于地下水形成、運動和蓄存的蓄水構造[8-11]。蓄水構造由3個基本要素組成：透水的巖層或巖體；相對隔水的巖層或巖體；地下水的補給排泄條件。根據工作區的成井實例及其水文地質、構造分析，變質巖區主要蓄水構造可劃分為4大類型：風化殼蓄水構造、斷裂蓄水構造、層狀蓄水構造和巖脈蓄水構造。

2.1 風化殼蓄水構造的富水特征

風化殼蓄水構造是以基巖風化后的孔隙裂隙帶為含水層，以其下部微風化-未風化的不透水基巖為隔水底板而構成的蓄水構造。風化殼蓄水構造在一定的地形、巖性及地質構造條件下，形成不同類型的富水帶。①匯水洼地風化殼富水帶，在阜平縣片麻巖地區最為普遍。通常，由山腳至山頂，巖石風化程度由強變弱，裂隙發育深度由深變淺，風化殼地下水的水力特征為裂隙潛水，受重力作用影響，隨風化殼底板從分水嶺向地形低洼地富集、排泄，形成泉水排泄帶。②圍巖與硬脆性巖體復合的風化殼富水帶，在工作區表現為抗風化能力弱的片麻巖與其下游抗風化能力強的輝綠巖脈組合而成。當巖脈厚度較厚時，內部風化裂隙不發育，巖脈兩側裂隙發育不連通，起擋水壩的作用。例如吳家溝當中澗村的大口井，井體開挖上游側為黑云斜長片麻巖，下游側為輝綠巖脈，井深8.5 m，涌水量約240 m3/d；當巖脈厚度較小時，巖脈兩側風化裂隙連通，硬脆性巖脈裂隙發育，滲透系數大于揉塑性的片麻巖圍巖，構成導水通道或富水帶，在地勢低洼巖脈被切割露頭處，多有泉水出露。③與構造斷裂復合的風化殼富水帶，在斷裂通過的一些地勢低洼或溝谷處，易產生構造裂隙，且巖石破碎，風化深度較大[12]。常形成局部加深的袋狀或囊狀風化殼，兩側以未風化的巖石作為隔水邊界，向下與構造裂隙帶相溝通，形成斷裂構造型風化殼富水帶，這種富水帶常可以得到深部構造裂隙水的補給，因而水量比較豐富[10,13]。

2.2 斷裂蓄水構造的富水特征

斷層蓄水構造就是以斷層破碎帶為含水空間條件，以斷層兩盤的巖石作為相對隔水邊界，在適宜的補給條件下能夠富集和儲藏地下水的斷層構造[1,10]。阜平地區經過多次構造運動，區內斷層比較發育，斷層蓄水構造是該區常見基巖裂隙水賦存類型。

2.2.1 揉塑性片麻巖區斷裂蓄水構造富水特征

片麻巖是一種深程度變質的變質巖，是太行山區的主要變質巖，具有片麻狀構造或條帶狀構造，鱗片粒狀變晶結構，阜平代表性的揉塑性片麻巖有黑云斜長片麻巖、角閃黑云斜長片麻巖等。其礦物成分主要由長石、石英、云母等組成。片麻巖的揉塑性與長石、云母的含量有關，長石和云母均屬于原生硅酸鹽礦物，其風化的主要產物為高嶺石、蒙皂石、硅鋁土等黏土礦物。在區域上阜平片麻巖屬于構造片麻巖，是由強烈塑性變形作用、變質作用和部分熔融作用共同作用形成的動力變質構造巖，是一種宏觀上具有明顯的強塑性流變特征而沒有明顯粒徑減小的構造巖[14]。該類巖石受到壓性或壓扭性斷裂構造作用時，發生柔性挫動，裂隙發育密集，微張開或閉合，連通性差，有效裂隙空間少，富水性差。在張性或張扭性斷裂構造作用時，具有一定的破碎帶寬度，破碎帶巖石節理裂隙發育，易風化，風化黏土礦物產物將破碎帶孔隙充填，孔隙裂隙率低，造成斷層破碎帶的導水性和含水性降低，富水性差。例如，阜平縣葛家臺探采結合井C1GJ，成井深度150 m，布井位置為山間溝谷，溝谷寬約100 m，第四系覆蓋層厚度2.85 m，溝谷兩側地層巖性為Fgn黑云斜長片麻巖成井結構為上部第四系封孔，下部基巖裸孔，目標層為東西向斷層破碎帶，鉆遇地層巖性如圖1所示，主要出水部位為136～138 m段，成井后井水自流，經后期抽水試驗，水位降深79 m，涌水量140.88 m3/d。

圖1 阜平縣葛家臺村C1GT探采結合井剖面圖

2.2.2 硬脆性變質巖區斷裂蓄水構造富水性特征

阜平縣基巖山區出露的硬脆性變質巖主要有斜長角閃巖、二長淺粒巖、二長混合花崗巖、角閃變粒巖等。在同一構造條件和地質應力作用下，硬脆性巖石易于破碎，揉塑性巖石易形成褶曲[15]。在阜平變質巖區，硬脆性變質巖出露面積小于片麻巖，斜長角閃巖往往穿插于片麻巖中，在受斷裂構造應力作用下，發生脆性碎裂，構造裂隙發育，其滲透系數大于褶皺的揉塑性巖石，在地下水趨向于滲透系數大的介質徑流中，起導水通道的作用。碎裂的巖石，具有較大的孔隙率，本身具有較大的儲水空間，加之周圍巖石賦存地下水的匯入，使得該區受斷裂作用或影響的硬脆性巖石區往往成為地下水的富集區或富集層。例如阜平縣城南莊鎮花山村探采結合井C20，井周圍巖性以斜長角閃巖、角閃斜長變粒巖為主，在實地調查中發現有一小型斷層橫切溝谷在此穿過，以該小型斷層為目標層開展鉆探工作，井深150 m，上部巖芯較完整，巖芯柱長度一般20～100 cm，在111～117 m段鉆遇斷層，最終抽水試驗水位降深54 m，單井涌水量432 m3/d(圖2)。

2.3 層間蓄水構造富水性特征

層間蓄水構造主要指在不同巖性的接觸帶上，以層間裂隙為含水層，上下較完整，巖體為隔水頂底板的蓄水構造。在變質巖區，層間裂隙主要發生在中厚層的硬脆性巖石(混合花崗巖、斜長角閃巖、石英巖等)與厚層的揉塑性巖石(如黑云斜長片麻巖、片巖等)的接觸帶上(圖3)。一般情況下，在層間滑動帶中脆性巖石一側，裂隙發育，含水性和透水性良好，地下水豐富[16]。如阜平縣北果園鄉東城鋪村探采結合井C9，該井位于該村北側的半山腰處，基巖裸露，周圍出露巖性以黑云斜長片麻巖為主，偶見斜長角閃巖巖層。音頻大地電場法物探勘探結果表現為區域低值，推測改區域存在層間裂隙水，經鉆探驗證，成井深度100 m，揭露地層巖性為黑云斜長片麻巖夾斜長角閃巖，抽水試驗水位降深50.6 m，涌水量370 m3/d(圖4)。

2.4 巖脈蓄水構造富水性特征

巖脈蓄水構造的富水性與巖脈、圍巖的巖性特征有關，針對阜平特有的變質巖圍巖和輝綠巖巖脈地區， 巖脈主要起到上部導水-深部阻水的作用，主要受巖脈延展性和風化程度的影響。

圖2 阜平縣花山村抗溝C20探采結合井剖面圖

圖3 野外調查泉點照片及其地質剖面示意圖

圖4 阜平縣東城鋪村C9探采結合井剖面圖

阜平輝綠巖脈占所有巖脈的90%以上，具有明顯的成組性，走向NW向，長度一般2～15 km，風化深度一般小于30 m。輝綠巖脈與圍巖的組合中，輝綠巖脈屬硬脆性巖石，變質巖圍巖為揉塑性巖石，圍巖在受到巖脈擠壓時發生柔性變型，使得輝綠巖脈在成巖過程中與圍巖緊密接觸，圍巖沒有明顯的接觸或影響破碎帶，因此，輝綠巖脈的富水性主要受巖脈的風化程度影響，淺部風化殼蓄水構造。當深度大于風化殼深度時，輝綠巖脈較完整，節理裂隙不發育，與圍巖組合起到隔水墻的作用，其富水性主要受圍巖的構造風化裂隙控制，當圍巖的構造風化裂隙發育時，地下水沿構造裂隙徑流時受巖脈阻擋，在巖脈的上游富集形成地下水富集區，如吳家溝C8探采結合井。該井位于兩條巖脈中間，井深為100 m，抽水試驗時，水位降深62.13 m，涌水量為330 m3/d(圖5)。

圖5 阜平縣吳家溝村C8探采結合井剖面圖

3 變質巖區含水層富水性的空間特征

變質巖區基巖裂隙水的賦存分布在水平方向上

受風化殼蓄水構造和層間蓄水構造影響，呈片狀或帶狀分布，受斷層蓄水構造和巖脈蓄水構造影響呈線狀分布。在垂直方向上，風化殼蓄水構造受風化深度影響，隨著深度增加風化裂隙率降低，當達到弱-未風化時，起隔水底板的作用。層間蓄水構造、斷層蓄水構造和巖脈蓄水構造的蓄水量受構造裂隙影響，構造裂隙連通性越好，張開度越大，其蓄水量越大，隨著深度增加，裂隙張開度有變小趨勢，同時深部基巖裂隙水接受上部淺水補給，在裂隙水徑流過程中，攜帶的變質巖風化后的高嶺土等礦物成分在深部富集，填充阻塞裂隙，降低了蓄水構造的富水性。本次通過對阜平實施的20余眼探采結合井的抽水試驗，將每眼井的主要出水位置和換算成標準井徑(219 mm)降深(10 m)的涌水量數據整理成表(表1)，并進行相關性分析(圖6)。結合試驗數據及相關性曲線可得，主要出水段埋深與標準井徑降深涌水量呈冪函數相關，當主要涌水段埋深小于60 m時，涌水量一般較大，且變化幅度范圍較大，推測其與淺部松散巖類孔隙水密切聯系，相互補給引起的。當主要涌水段埋深大于70 m時，標準井徑降深涌水量一般小于10 m3/h，且隨著主要出水段埋深的增加，標準井徑降深涌水量呈冪級函數減小的趨勢。

表1 探采結合井主要涌水段與標準涌水量數據表

注：標準井徑降深涌水量指換算成井徑219 mm和降深10 m的涌水量。

圖6 主要出水段埋深與標準涌水量關系曲線圖

4 找水方向

變質巖區裂隙水主要分為風化裂隙水和構造裂隙水。風化裂隙水一般具有統一的地下水位，水量小，分布不均，對于分散式供水具有實際意義[16]。在阜平地區，風化裂隙水普遍存在于地勢低洼的變質巖風化殼中，其富水性取決于巖石性質、裂隙發育情況、蓄水條件等因素。在阜平變質巖地區，揉塑性圍巖包裹的硬脆性巖體或巖脈，巖體風化裂隙較發育，風化裂隙發育深度一般小于48 m，單井涌水量一般小于10 m3/h；在地勢低洼的斷層破碎帶上，風化殼厚度較大，利于風化殼裂隙水的匯集和賦存，受裂隙發育情況和蓄水條件影響，單井涌水量一般3～30 m3/h。阜平地區構造裂隙水，以斷層構造裂隙水發育最為普遍，尤其是區域性的較大斷裂。當角閃斜長片麻巖、二長淺粒巖等較硬脆性基巖區有斷層穿過時，以尋找斷層構造裂隙水為主，成井深度一般小于120 m。當在黑云斜長片麻巖、角閃黑云斜長片麻巖等揉塑性基巖地區由斷層穿過時，以尋找斷層風化殼裂隙水為主，成井深度一般小于60 m。

5 結 論

1) 變質巖區蓄水構造受巖性控制明顯，硬脆性巖體與揉塑性巖體的相互組合，就會形成有利于地下水形成、運動和蓄存的蓄水構造。為了有效解決變質巖干旱地區和季節性嚴重缺水區安全飲水問題，查明巖性組合形式，尋找蓄水構造，開采基巖裂隙水是最有效的解決方案之一。

2) 在巖性和構造控制下，變質巖區蓄水構造主要發育有風化殼蓄水構造、斷層蓄水構造、巖脈蓄水構造和層狀蓄水構造。其中風化殼蓄水構造最為普遍存在，開采成本較低，便于分散式供水開采； 構造裂

隙水開采成本較高，涌水量較大，便于集中式開采。

3) 變質巖區基巖裂隙水水平上受各種蓄水構造控制，多呈帶狀或片狀分布。垂向上，隨著主要涌水段埋深的增加，標準井徑降深涌水量呈冪函數遞減相關性趨勢。