李智民, 劉云彪, 趙德君, 孟　陳, 卞學(xué)軍, 梁曉艷

(湖北省地質(zhì)局 水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì),湖北 荊州　434020)

0　引言

鄂北嚴(yán)重缺水區(qū)位于長(zhǎng)江與淮河分水嶺一帶,地貌類型以低山丘陵為主,區(qū)內(nèi)無大型河流分布,加之降雨偏少,為嚴(yán)重缺水地區(qū),同時(shí)受含水介質(zhì)的影響,地下水資源亦非常匱乏,資源型缺水嚴(yán)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(qū)干旱頻率及持續(xù)時(shí)間呈上升趨勢(shì)。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(yán)重的一年,65.25萬人、21.49萬頭大牲畜飲水極度困難,部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)居民靠政府送水維持生計(jì),飲水安全問題十分突出,全縣受旱農(nóng)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(qū)中部,總面積1 350 km2,轄7鎮(zhèn)125村,人口35.5萬[1],該區(qū)地跨秦嶺褶皺系和揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)兩大構(gòu)造區(qū),地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,歷來是找水打井的難點(diǎn)地區(qū)。

1　地質(zhì)、水文地質(zhì)背景[2]

1.1　地質(zhì)概況

該區(qū)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(yáng)子兩大地層區(qū),其中北部的秦嶺區(qū)約占總面積的90%,南部的揚(yáng)子區(qū)占10%。秦嶺地層區(qū)地質(zhì)體結(jié)構(gòu)的基本特征是:元古界層片狀變質(zhì)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(yáng)子地層區(qū)地質(zhì)體結(jié)構(gòu)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(qū)內(nèi)巖漿活動(dòng)頻繁,前震旦紀(jì)基性—超基性侵入巖出露較多,巖體規(guī)模大小不一,多呈長(zhǎng)條狀、長(zhǎng)圓狀的巖墻、巖床、巖基等產(chǎn)出,走向北西。

1.2　水文地質(zhì)概況

根據(jù)地下水含水介質(zhì)的不同,區(qū)內(nèi)地下水主要分為碎屑巖類孔隙裂隙水、變質(zhì)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(qū),約占工作區(qū)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(zhì)泥巖等組成,地下水主要賦存于巖體風(fēng)化裂隙、孔隙和構(gòu)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(zhì)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(zhì)巖和不同時(shí)期各類碎塊狀、塊狀侵入巖組成,地下水主要賦存于巖體風(fēng)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(yáng)子地層區(qū)的長(zhǎng)崗和三里崗等鄉(xiāng)鎮(zhèn),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(chǔ)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(qū)地下水資源十分缺乏,但在局部水文地質(zhì)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(zhì)構(gòu)造和地形地貌組合上具有明顯的規(guī)律性,本文結(jié)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(zhì)因素的組合形式[3]。

2.1　碎屑巖類孔隙裂隙水富集模式

區(qū)內(nèi)廣泛分布的白堊系紅層總體來說富水性較差,斷裂構(gòu)造一般不發(fā)育,脆性硬質(zhì)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(diǎn)靶區(qū)。脆性巖層指含泥質(zhì)成分較少或質(zhì)地較純的砂巖,可溶性巖層主要指鈣質(zhì)膠結(jié)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(qū)等。溝谷交匯地段,匯水條件良好,通常也是裂隙發(fā)育帶,當(dāng)存在脆性巖層和可溶性巖層時(shí),往往巖石比較破碎,富水性相應(yīng)較強(qiáng),易于形成富水塊段;在延伸較長(zhǎng)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(dāng)存在脆性巖層和可溶性巖層時(shí),裂隙必然發(fā)育,導(dǎo)水和儲(chǔ)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(qū)往往是相對(duì)構(gòu)造下降區(qū),四周為山地圍限,是地表水和地下水的匯集區(qū),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(fā)育,也一樣能夠形成富水塊段。

2.2　變質(zhì)巖—侵入巖基巖裂隙水富集模式

區(qū)內(nèi)大面積分布的變質(zhì)巖—侵入巖地下水極其貧乏,但在構(gòu)造有利部位可能存在相對(duì)富水帶。基巖裂隙水富集一般要具備3個(gè)條件:一是一定的補(bǔ)給面積(地表匯水面積);二是導(dǎo)水通道(斷裂構(gòu)造帶或裂隙、巖溶發(fā)育帶);三是儲(chǔ)水空間(構(gòu)造裂隙發(fā)育巖層或巖溶發(fā)育地層)。隨縣東南部變質(zhì)巖—侵入巖分布區(qū)斷裂構(gòu)造比較發(fā)育,在局部地段尚夾有碳酸鹽巖(或大理巖)條帶,為該區(qū)找水提供了重要靶區(qū)。張性斷裂破碎帶常見角礫巖,膠結(jié)差或未膠結(jié),兩盤巖石在斷裂影響下裂隙發(fā)育,巖石破碎,當(dāng)?shù)匦斡欣麜r(shí),斷層各個(gè)部位富水性均較好;壓性斷裂往往為阻水?dāng)嗔?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(bǔ)給與儲(chǔ)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(shí)分布有碳酸鹽巖條帶,且具有較大匯水面積時(shí),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(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)的接觸部位,地形起伏不大,多屬低山丘陵,巖溶發(fā)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(shí)踐

3.1　技術(shù)思路與方法

鄂北嚴(yán)重缺水地區(qū)找水須首先進(jìn)行專項(xiàng)水文地質(zhì)調(diào)查,并依據(jù)上述地下水富集模式,綜合分析確定有利靶區(qū),再利用物探(高密度電法和激電測(cè)深等)方法查明擬布置孔位一帶深部巖性、構(gòu)造及主要儲(chǔ)水層位,進(jìn)一步確定具體孔位及孔深,最后采用空氣潛孔錘鉆探技術(shù)成井?？諝鉂摽族N鉆進(jìn)是以空氣為介質(zhì)的一種鉆進(jìn)方法,鉆進(jìn)過程中不需要循環(huán)液和水，因而能有效地解決在干旱缺水地區(qū)打鉆成本高、效率低、施工時(shí)間長(zhǎng)、用水困難等問題。

3.2　典型勘查地區(qū)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(zhèn)陶家樓村處于白堊系紅層分布區(qū),水資源缺乏,2012年大旱時(shí)政府組織消防車從均川鎮(zhèn)送水長(zhǎng)達(dá)2個(gè)月時(shí)間。本次勘查找水,在地質(zhì)調(diào)查和綜合分析的基礎(chǔ)上,初步選擇陶家樓村委會(huì)附近2 km2范圍為重點(diǎn)靶區(qū)。該區(qū)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(shì)較平坦,兩側(cè)斜坡坡度10°～20°,相對(duì)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(tǒng)寺溝組下段(K2s1)棕紅色薄層泥質(zhì)粉砂巖、灰白色鈣質(zhì)細(xì)砂巖,巖層產(chǎn)狀30°∠16°,發(fā)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(qū)后,在擬布置孔位一帶布置了井位物探(高密度電法)剖面測(cè)量,測(cè)線布置從西到東,總長(zhǎng)1 200 m,整條測(cè)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(cè)為泥質(zhì)粉砂巖;第2層電阻率為30～60 Ω·m,深度在85 m左右,推測(cè)為含礫砂巖,該層含水;第3層電阻率為60～150 Ω·m,推測(cè)為礫巖。

而后進(jìn)一步對(duì)初步確定孔位處進(jìn)行頻率域激電測(cè)深測(cè)量,激電測(cè)深A(yù)B/2最大極距為400 m。ρs、Fs曲線見圖2。

激電測(cè)深資料顯示:ρs曲線大致為G型,表明上部為泥質(zhì)粉砂巖,中部為砂巖,深部為礫巖。Fs曲線整體變化不規(guī)則,在AB/2=7～300 m段>1.2%,Fs在AB/2=100 m處最高,達(dá)1.55%,推測(cè)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(jié)較好而不含水。淺部含少量第四系孔隙水,150 m內(nèi)為碎屑巖孔隙裂隙水,主要含水層為半膠結(jié)的砂巖。

圖1　均川鎮(zhèn)ZK05號(hào)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(zhèn)ZK05號(hào)鉆孔激電測(cè)深曲線Fig.2　IP sounding curve of ZK05 hole in Junchuan town

根據(jù)地質(zhì)調(diào)查分析和物探成果,實(shí)施了ZK05探采結(jié)合孔,孔深80 m時(shí)成功出水,最終孔深130 m,抽水試驗(yàn)測(cè)得涌水量83.04 m3/d,解決了村委會(huì)附近300多人的生活用水問題。

3.2.2變質(zhì)巖—侵入巖基巖裂隙水找水示范(ZK08孔)

柳林鎮(zhèn)位于隨縣南東一隅,居民生活長(zhǎng)期飲用不潔溪溝水,地方政府曾在柳林鎮(zhèn)南300 m處柳林中學(xué)一帶請(qǐng)個(gè)體打井隊(duì)鑿井一口,井深210 m,但因?qū)υ搮^(qū)水文地質(zhì)條件認(rèn)識(shí)不清、盲目布孔施工,結(jié)果為干孔。

本次調(diào)查發(fā)現(xiàn),該區(qū)為大面積變質(zhì)巖分布區(qū),地下水資源非常貧乏,但在柳林鎮(zhèn)南800～1 300 m的大堰角一帶,地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,發(fā)育一組NW向斷裂束,地層呈緊密線狀,并夾有寬50～100 m灰質(zhì)白云巖條帶,地形上也為寬緩沖溝,初步分析該區(qū)地下水賦存條件較好(圖3)。

初步選定靶區(qū)后,在擬布置孔位一帶布置了高密度電法剖面測(cè)量,剖面線長(zhǎng)1 200 m,物探剖面顯示,在400 m測(cè)點(diǎn)處斷裂一直向深部延伸,斷裂帶附近巖體比較破碎,且?guī)r性為白云質(zhì)灰?guī)r,應(yīng)該賦存一定量的地下水。而后進(jìn)一步對(duì)擬定孔位處進(jìn)行激電測(cè)深測(cè)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(rèn)為Fs<4%是地下水所引起的激電異常,Fs>4%是其他地質(zhì)體引起的異常,而100 m以下Fs持續(xù)增高,應(yīng)為炭質(zhì)硅質(zhì)板巖所引起的異常,含水的可能小較小,據(jù)此推測(cè)在深度100 m內(nèi)含水(圖4)。

根據(jù)地質(zhì)調(diào)查分析和物探成果,在距柳林鎮(zhèn)1 100 m的液化汽站一帶實(shí)施了ZK8探采結(jié)合孔,孔深80 m,鉆孔涌水量達(dá)196.02 m3/d,解決了柳林鎮(zhèn)城鎮(zhèn)居民長(zhǎng)期飲用不潔地表水的問題。

ZK8孔與干孔處于同一條沖溝內(nèi),相距約800 m,且干孔較ZK8孔深130 m,但結(jié)果迥異,充分體現(xiàn)了本次水文地質(zhì)工作的專業(yè)性和技術(shù)性,避免了盲目布孔造成不必要的經(jīng)濟(jì)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(zhèn)每逢旱季,居民用水困難,自來水每3天供應(yīng)1次。本次勘查初步選擇三里崗鎮(zhèn)小學(xué)一帶為重點(diǎn)靶區(qū),該點(diǎn)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(zhǎng)7 km,厚度>200 m,且處于匯水凹槽內(nèi),初步分析地下水賦存條件較好、富水性較好。

圖4　柳林鎮(zhèn)ZK08號(hào)鉆孔激電測(cè)深曲線Fig.4　IP sounding curve of ZK08 hole in Liuning town

圖3　柳林鎮(zhèn)ZK08號(hào)孔地質(zhì)剖面圖Fig.3　Geological section of ZK08 hole in Liuning town1.鈣質(zhì)板巖;2.灰質(zhì)白云巖;3.變輝斑玄武巖;4.炭質(zhì)硅質(zhì)板巖;5.粉砂質(zhì)板巖;6.綠泥片巖;7.炭質(zhì)板巖;8.砂礫石;9.地層代號(hào);10.斷層;11.產(chǎn)狀;12.鉆孔及編號(hào)。

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

根據(jù)地質(zhì)調(diào)查分析和物探成果,在三里崗鎮(zhèn)小學(xué)門口附近實(shí)施ZK11探采結(jié)合孔,孔深130 m,鉆孔涌水量達(dá)723.76 m3/d,解決了三里崗鎮(zhèn)小學(xué)及附近城鎮(zhèn)居民近4 000人的生活用水問題。

圖5　三里崗鎮(zhèn)ZK11號(hào)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(shí)施探采結(jié)合孔13口,其中成井12口,成井率達(dá)92.3%,總進(jìn)尺1 450 m,涌水量合計(jì)2 094 m3/d,解決了12 100人的生活用水問題,社會(huì)效益非常顯著,同時(shí)提出了不同類型地下水富集模式,為鄂北丘陵山區(qū)嚴(yán)重缺水地區(qū)找尋地下水起到了指導(dǎo)和示范作用。

4　結(jié)語

隨縣東南部是鄂北丘陵山區(qū)典型缺水地區(qū),資源性缺水嚴(yán)重,但在局部水文地質(zhì)條件有利地段,富水塊段客觀存在。通過綜合分析區(qū)內(nèi)巖性特征、地質(zhì)構(gòu)造及地形地貌等地質(zhì)因素,提出了碎屑巖類孔隙裂隙水、變質(zhì)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(zhì)調(diào)查、物探、鉆探等綜合勘探方法和手段,實(shí)施了探采結(jié)合孔13口,其中成井12口,成井率達(dá)92.3%,涌水量合計(jì)2 094 m3/d,解決了12 100人的生活用水問題,得到了當(dāng)?shù)卣腿罕姷母叨荣澴u(yù),實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)調(diào)查工作與解決人民群眾用水的有機(jī)結(jié)合,為鄂北丘陵山區(qū)嚴(yán)重缺水地區(qū)找尋地下水起到了指導(dǎo)和示范作用。

同時(shí),通過本次找水實(shí)踐,初步確定了本區(qū)紅層找水的基本方法和判別標(biāo)準(zhǔn)。紅層找水方法以如下組合較為合適,首先通過地質(zhì)調(diào)查分析確定靶區(qū),而后進(jìn)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(cè)深確定砂巖的富水性,若采用頻率域激電測(cè)深,一般Fs值>1.2%可視為含水,>1.5%可以認(rèn)為富水性較好。

參考文獻(xiàn)：

[1]湖北省民政廳.湖北省行政區(qū)劃手冊(cè)[M].北京:中國(guó)地圖出版社,2013.

[2]李智民,等.鄂北丘陵山區(qū)嚴(yán)重缺水地區(qū)地下水勘查與供水安全示范階段性成果報(bào)告[R].武漢:湖北省地質(zhì)環(huán)境總站,2013.

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