李智民, 刘云彪, 赵德君, 孟　陈, 卞学军, 梁晓艳

(湖北省地质局 水文地质工程地质大队,湖北 荆州　434020)

0　引言

鄂北严重缺水区位于长江与淮河分水岭一带,地貌类型以低山丘陵为主,区内无大型河流分布,加之降雨偏少,为严重缺水地区,同时受含水介质的影响,地下水资源亦非常匮乏,资源型缺水严重,是湖北省有名的“旱包子”。在全球气候变化背景下,近十年来鄂北地区干旱频率及持续时间呈上升趋势。以随县为例,2012年是该县自有水文和气象记录以来降雨量最少、蓄水量最少、旱情最为严重的一年,65.25万人、21.49万头大牲畜饮水极度困难,部分乡镇居民靠政府送水维持生计,饮水安全问题十分突出,全县受旱农田面积超过6.6万hm2,其中重旱4.2万hm2,绝收0.8万hm2。

随县东南部位于鄂北丘陵山区中部,总面积1 350 km2,辖7镇125村,人口35.5万[1],该区地跨秦岭褶皱系和扬子准地台两大构造区,地质构造复杂,历来是找水打井的难点地区。

1　地质、水文地质背景[2]

1.1　地质概况

该区以NW-SE走向的三里岗—坪坝断裂(襄广断裂之一段)为界,地跨秦岭和扬子两大地层区,其中北部的秦岭区约占总面积的90%,南部的扬子区占10%。秦岭地层区地质体结构的基本特征是:元古界层片状变质岩组成北西向开阔褶皱地块,其上叠加有中新生代盆地,堆积较厚的白垩系砂岩、砾岩、泥岩等,局部地段分布震旦系—二叠系碳酸盐岩与砂岩、页岩互层;扬子地层区地质体结构的基本特征是:元古界至古生界碳酸盐岩与页岩、砂岩和板岩等互层,组成北西向紧密褶皱地块。

区内岩浆活动频繁,前震旦纪基性—超基性侵入岩出露较多,岩体规模大小不一,多呈长条状、长圆状的岩墙、岩床、岩基等产出,走向北西。

1.2　水文地质概况

根据地下水含水介质的不同,区内地下水主要分为碎屑岩类孔隙裂隙水、变质岩—侵入岩基岩裂隙水和碳酸盐岩裂隙岩溶水等3大类型。

1.2.1碎屑岩类孔隙裂隙水

分布于中新生代盆地区,约占工作区总面积的40%。含水层由白垩系红色砂岩、砂砾岩夹泥岩、粉砂质泥岩等组成,地下水主要赋存于岩体风化裂隙、孔隙和构造裂隙中,多属潜水。含水层富水性差,泉少见,单井涌水量多在5～20 m3/d。

1.2.2变质岩—侵入岩基岩裂隙水

广泛分布于低山丘陵地带,约占总面积的50%。由太古界—古生界层片状、千枚状变质岩和不同时期各类碎块状、块状侵入岩组成,地下水主要赋存于岩体风化裂隙中,含水性微弱,泉流量一般<10 m3/d,单井涌水量多在20 m3/d左右。

1.2.3碳酸盐岩类裂隙岩溶水

分布于南部扬子地层区的长岗和三里岗等乡镇,约占总面积的10%。由元古界—古生界碳酸盐岩与页岩、砂岩等组成,地下水储存在裂隙和岩溶管道中,泉流量一般在200～500 m3/d,单井涌水量80～200 m3/d。

2　地下水富集模式

鄂北丘陵山区地下水资源十分缺乏,但在局部水文地质条件有利地段,存在富水块段。富水块段的形成在地层岩性、地质构造和地形地貌组合上具有明显的规律性,本文结合随县东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质因素的组合形式[3]。

2.1　碎屑岩类孔隙裂隙水富集模式

区内广泛分布的白垩系红层总体来说富水性较差,断裂构造一般不发育,脆性硬质岩层和可溶性岩层与有利地貌部位组合地带往往赋存一定量的孔隙裂隙水,是红层找水的重点靶区。脆性岩层指含泥质成分较少或质地较纯的砂岩,可溶性岩层主要指钙质胶结的砾岩;地貌有利部位包括两沟交汇处、宽缓沟谷段和山间岗地区等。沟谷交汇地段,汇水条件良好,通常也是裂隙发育带,当存在脆性岩层和可溶性岩层时,往往岩石比较破碎,富水性相应较强,易于形成富水块段;在延伸较长的沟谷中,某些宽缓沟谷段通常是在断裂破碎部位上形成的,当存在脆性岩层和可溶性岩层时,裂隙必然发育,导水和储水空隙率高,加上宽缓沟谷段有利于汇集和滞留地下水,同样易于形成富水块段;山间岗地区往往是相对构造下降区,四周为山地围限,是地表水和地下水的汇集区,由于多为断裂带陷落或侵蚀形成,如存在脆性岩层和可溶性岩层,裂隙一般都比较发育,也一样能够形成富水块段。

2.2　变质岩—侵入岩基岩裂隙水富集模式

区内大面积分布的变质岩—侵入岩地下水极其贫乏,但在构造有利部位可能存在相对富水带。基岩裂隙水富集一般要具备3个条件:一是一定的补给面积(地表汇水面积);二是导水通道(断裂构造带或裂隙、岩溶发育带);三是储水空间(构造裂隙发育岩层或岩溶发育地层)。随县东南部变质岩—侵入岩分布区断裂构造比较发育,在局部地段尚夹有碳酸盐岩(或大理岩)条带,为该区找水提供了重要靶区。张性断裂破碎带常见角砾岩,胶结差或未胶结,两盘岩石在断裂影响下裂隙发育,岩石破碎,当地形有利时,断层各个部位富水性均较好;压性断裂往往为阻水断裂,但断裂上盘一般岩石受力破坏较剧,岩体较破碎,有利于地下水补给与储存,富水性较好,因此钻孔须布置在断裂上盘、且不宜距断裂过近,以免过早穿越断层而无水;若断裂带一带同时分布有碳酸盐岩条带,且具有较大汇水面积时,则必然形成富水块段。

2.3　碳酸盐岩裂隙岩溶水富集模式

随县东南部碳酸盐岩分布于秦岭褶皱系与扬子准地台的接触部位,地形起伏不大,多属低山丘陵,岩溶发育程度一般,富水性较好,在地貌有利部位(如沟谷交汇处)和断裂破碎带等部位一般都能形成富水块段。

3　找水实践

3.1　技术思路与方法

鄂北严重缺水地区找水须首先进行专项水文地质调查,并依据上述地下水富集模式,综合分析确定有利靶区,再利用物探(高密度电法和激电测深等)方法查明拟布置孔位一带深部岩性、构造及主要储水层位,进一步确定具体孔位及孔深,最后采用空气潜孔锤钻探技术成井。空气潜孔锤钻进是以空气为介质的一种钻进方法,钻进过程中不需要循环液和水，因而能有效地解决在干旱缺水地区打钻成本高、效率低、施工时间长、用水困难等问题。

3.2　典型勘查地区找水示范

3.2.1碎屑岩类孔隙裂隙水找水示范(ZK05孔)

均川镇陶家楼村处于白垩系红层分布区,水资源缺乏,2012年大旱时政府组织消防车从均川镇送水长达2个月时间。本次勘查找水,在地质调查和综合分析的基础上,初步选择陶家楼村委会附近2 km2范围为重点靶区。该区为垄岗地貌,山体浑圆,高差一般20～50 m,拟布钻孔位于一冲沟底部,冲沟呈宽缓U型,底宽100～200 m,地势较平坦,两侧斜坡坡度10°～20°,相对高差10～20 m,汇水条件较好。冲沟底部为第四系碎石土覆盖,厚约5～10 m,下伏基岩为白垩系上统寺沟组下段(K2s1)棕红色薄层泥质粉砂岩、灰白色钙质细砂岩,岩层产状30°∠16°,发育2组高角度裂隙,初步分析地下水赋存条件较好。

选定靶区后,在拟布置孔位一带布置了井位物探(高密度电法)剖面测量,测线布置从西到东,总长1 200 m,整条测线高差较小,勘探深度为200 m。 从地电断面来看(图1),孔位处大致可以分为3层,第1层电阻率为15～30 Ω·m,深度为27 m左右,推测为泥质粉砂岩;第2层电阻率为30～60 Ω·m,深度在85 m左右,推测为含砾砂岩,该层含水;第3层电阻率为60～150 Ω·m,推测为砾岩。

而后进一步对初步确定孔位处进行频率域激电测深测量,激电测深AB/2最大极距为400 m。ρs、Fs曲线见图2。

激电测深资料显示:ρs曲线大致为G型,表明上部为泥质粉砂岩,中部为砂岩,深部为砾岩。Fs曲线整体变化不规则,在AB/2=7～300 m段>1.2%,Fs在AB/2=100 m处最高,达1.55%,推测砂岩和砾岩含地下水,但更深部的砾岩层Fs急剧下降,<1%,表明深部砾岩胶结较好而不含水。浅部含少量第四系孔隙水,150 m内为碎屑岩孔隙裂隙水,主要含水层为半胶结的砂岩。

图1　均川镇ZK05号钻孔地电断面成果图Fig.1　Result map of geoelectric section of ZK05 hole in Junchuan town

图2　均川镇ZK05号钻孔激电测深曲线Fig.2　IP sounding curve of ZK05 hole in Junchuan town

根据地质调查分析和物探成果,实施了ZK05探采结合孔,孔深80 m时成功出水,最终孔深130 m,抽水试验测得涌水量83.04 m3/d,解决了村委会附近300多人的生活用水问题。

3.2.2变质岩—侵入岩基岩裂隙水找水示范(ZK08孔)

柳林镇位于随县南东一隅,居民生活长期饮用不洁溪沟水,地方政府曾在柳林镇南300 m处柳林中学一带请个体打井队凿井一口,井深210 m,但因对该区水文地质条件认识不清、盲目布孔施工,结果为干孔。

本次调查发现,该区为大面积变质岩分布区,地下水资源非常贫乏,但在柳林镇南800～1 300 m的大堰角一带,地质构造复杂,发育一组NW向断裂束,地层呈紧密线状,并夹有宽50～100 m灰质白云岩条带,地形上也为宽缓冲沟,初步分析该区地下水赋存条件较好(图3)。

初步选定靶区后,在拟布置孔位一带布置了高密度电法剖面测量,剖面线长1 200 m,物探剖面显示,在400 m测点处断裂一直向深部延伸,断裂带附近岩体比较破碎,且岩性为白云质灰岩,应该赋存一定量的地下水。而后进一步对拟定孔位处进行激电测深测量,激电资料显示:在AB/2<50 m段Fs<3%,在AB/2>100 m段Fs>4%,分析认为Fs<4%是地下水所引起的激电异常,Fs>4%是其他地质体引起的异常,而100 m以下Fs持续增高,应为炭质硅质板岩所引起的异常,含水的可能小较小,据此推测在深度100 m内含水(图4)。

根据地质调查分析和物探成果,在距柳林镇1 100 m的液化汽站一带实施了ZK8探采结合孔,孔深80 m,钻孔涌水量达196.02 m3/d,解决了柳林镇城镇居民长期饮用不洁地表水的问题。

ZK8孔与干孔处于同一条冲沟内,相距约800 m,且干孔较ZK8孔深130 m,但结果迥异,充分体现了本次水文地质工作的专业性和技术性,避免了盲目布孔造成不必要的经济损失。

3.2.3碳酸盐岩裂隙岩溶水勘查找水示范(ZK11孔)

三里岗镇每逢旱季,居民用水困难,自来水每3天供应1次。本次勘查初步选择三里岗镇小学一带为重点靶区,该点位于三里岗—平坝断裂带破碎带上,岩体(Z2dn2厚层微晶白云岩)呈碎裂状,分布宽3 km,长7 km,厚度>200 m,且处于汇水凹槽内,初步分析地下水赋存条件较好、富水性较好。

图4　柳林镇ZK08号钻孔激电测深曲线Fig.4　IP sounding curve of ZK08 hole in Liuning town

图3　柳林镇ZK08号孔地质剖面图Fig.3　Geological section of ZK08 hole in Liuning town1.钙质板岩;2.灰质白云岩;3.变辉斑玄武岩;4.炭质硅质板岩;5.粉砂质板岩;6.绿泥片岩;7.炭质板岩;8.砂砾石;9.地层代号;10.断层;11.产状;12.钻孔及编号。

初步选定靶区后,在拟布置孔位一带布置了高密度电法剖面测量,测线布置从南东至北西,总长600 m。从地电断面来看,在测点150～380 m处有一低阻异常体,电阻率为400～1 000 Ω·m,两侧围岩电阻率>1 000 Ω·m,低阻异常推测为较破碎的白云岩,应该赋存较丰富地下水,两侧为相对完整的白云岩(图5)。

根据地质调查分析和物探成果,在三里岗镇小学门口附近实施ZK11探采结合孔,孔深130 m,钻孔涌水量达723.76 m3/d,解决了三里岗镇小学及附近城镇居民近4 000人的生活用水问题。

图5　三里岗镇ZK11号钻孔地电断面成果图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,共实施探采结合孔13口,其中成井12口,成井率达92.3%,总进尺1 450 m,涌水量合计2 094 m3/d,解决了12 100人的生活用水问题,社会效益非常显著,同时提出了不同类型地下水富集模式,为鄂北丘陵山区严重缺水地区找寻地下水起到了指导和示范作用。

4　结语

随县东南部是鄂北丘陵山区典型缺水地区,资源性缺水严重,但在局部水文地质条件有利地段,富水块段客观存在。通过综合分析区内岩性特征、地质构造及地形地貌等地质因素,提出了碎屑岩类孔隙裂隙水、变质岩—侵入岩基岩裂隙水和碳酸盐岩裂隙岩溶水等地下水富集模式。采用水文地质调查、物探、钻探等综合勘探方法和手段,实施了探采结合孔13口,其中成井12口,成井率达92.3%,涌水量合计2 094 m3/d,解决了12 100人的生活用水问题,得到了当地政府和群众的高度赞誉,实现了地质调查工作与解决人民群众用水的有机结合,为鄂北丘陵山区严重缺水地区找寻地下水起到了指导和示范作用。

同时,通过本次找水实践,初步确定了本区红层找水的基本方法和判别标准。红层找水方法以如下组合较为合适,首先通过地质调查分析确定靶区,而后进行高密度电法工作,通过反演划分出泥岩、砂岩、砾岩,砂岩的电阻率范围是17～35 Ω·m,泥岩较低,砾岩较高,地下水一般赋存在砂岩;基本确定含水层后(砂岩较厚的地段),再采用激电测深确定砂岩的富水性,若采用频率域激电测深,一般Fs值>1.2%可视为含水,>1.5%可以认为富水性较好。

参考文献：

[1]湖北省民政厅.湖北省行政区划手册[M].北京:中国地图出版社,2013.

[2]李智民,等.鄂北丘陵山区严重缺水地区地下水勘查与供水安全示范阶段性成果报告[R].武汉:湖北省地质环境总站,2013.

[3]王宇,等.红层地下水勘查开发的理论及方法[M].北京:地质出版社,2008.