山地丘陵區(qū)紅層地下水富集水文地質條件分析

山地丘陵區(qū)紅層地下水富集水文地質條件分析

1紅層地下水富集的決定因素地下水收集是指在促進地下水收集和儲存的水文條件下，形成一個能夠充分利用的富水區(qū)域。所謂富水塊段(groundwaterrichblock):是指含水層埋藏于地下,上覆一定厚度的包氣帶或有弱透水蓋層,下伏弱透水底板的三維儲水地塊。其含水層埋深在一般生產、生活供水的經濟技術允許范圍內,可開采資源量及水質能夠滿足供水標準,并達到供水目標要求的補給保證程度,具備枯雨季調節(jié)需要的儲存量。富水塊段是水文地質單元內,含水層富水性較強、儲水構造及地貌形態(tài)組合有利于地下水富集的局部塊段。紅層地下水的富集是以紅層的導水和儲水空隙發(fā)育為前提的,只有在這些空隙發(fā)育強烈的地塊內,才有可能形成地下水富水塊段。由于紅層的巖性特征、地質構造及地形地貌等地質因素不僅僅影響了賦水空隙發(fā)育的特征,同時還控制著地下水的補給、徑流、排泄條件。因此,它們都是紅層地下水富集的決定因素。只有通過對這些因素的研究,了解紅層賦水空隙發(fā)育的基本特征和地下水形成與儲存的基本條件,才能準確掌握紅層地下水富集的一般規(guī)律,建立紅層找水的水文地質標志,據(jù)此找到可供開發(fā)利用的紅層富水塊段,實現(xiàn)紅層地下水的有效開發(fā)利用。紅層地下水的富集主要為巖性、地質構造及地形地貌等地質因素所控制,但富水塊段的形成通常并不是僅僅由某一因素單獨決定的,而是各種因素共同作用的結果,僅只有在特定的條件下,其中的某一、二個因素可能成為相對主導的因素而已。因此,富水塊段的形成在地層巖性、地質構造及地形地貌組合上具有明顯的規(guī)律性。當出現(xiàn)特定的地形地貌、含水層、儲水構造等的組合形式時,就必然存在富含地下水的富水塊段。水文地質研究的主題之一,就是要通過對水文地質條件的調查和勘探驗證,進行深入的分析研究,從感性認識上升到理性認識,掌握地下水的富集規(guī)律,以指導找水和開發(fā)實踐。本文所說的地下水富集規(guī)律(thelawofgroundwaterenrichment),就是有利于地下水富集的水文地質因素的組合形式,它們能夠直觀地反映地下水富集的內在機制與成因聯(lián)系,是對富水塊段形成條件的結論性認識。2紅層地下水富集規(guī)律本文根據(jù)國土資源大調查水文地質及環(huán)境地質調查研究成果及前人的實踐經驗,分析了紅層地下水富集的含水層特征、儲水構造形式及地貌形態(tài)組合,歸納總結了下列紅層地下水富集規(guī)律,以期為尋找和圈定紅層富水塊段提供必要水文地質依據(jù)。2.1巖性巖性發(fā)育規(guī)律在紅層盆地和寬闊的谷地底部,往往是相對的下降區(qū),一般都會形成一定厚度的第四系松散沉積層覆蓋的平壩或平原。同時,這些平壩或平原均為被山地圍限的低洼地帶,是地下水的匯集區(qū)。由于地形平緩并受到一定的側限,也是地下水的儲存區(qū)。由于盆地和寬闊的谷地多為沿著斷裂帶陷落或侵蝕而形成,脆性巖層或可溶巖層往往裂隙很發(fā)育。因此,在地下水的潛蝕作用下,其中的脆性巖層或可溶巖層導水和儲水空隙都較為發(fā)育。所以,在紅層盆地和寬闊的谷地底部沉積平壩區(qū),只要基底存在脆性巖層或可溶巖層,就能夠形成富水塊段。但由于脆性巖層或可溶巖含水層隱伏于松散沉積層之下,要圈定它們的分布位置,除了進行地質分析外,還必須借助于有效的物探方法和鉆探驗證。如云南思茅盆地,是一個以層間裂隙水為主的向斜盆地,面積29.6km2,地下水允許開采量為8693.41m3/d,形成了一個接近中型的集中供水水源地。再如云南楚雄紫溪鎮(zhèn)楊家示范點,該示范點處于三面低緩山丘環(huán)抱的寬緩谷地內,出露地層巖性為白堊系上統(tǒng)粉砂質泥巖夾鈣質泥巖的風化層,SK216號鉆孔揭示0~2m為全風化帶,巖心呈土狀,2~15m為強-中等風化帶,巖心破碎,呈碎塊、短柱狀,裂隙較發(fā)育,賦存風化裂隙水,下伏微風化泥巖構成相對隔水層。地下水位埋深僅2.0m,抽水穩(wěn)定水位7.13m,涌水量40.2m3/d。2.2巖溶覆巖的巖性兩條溝谷相交匯的地段,地下水從不同的方向匯聚于此,往往地表、地下水匯水面積較大,匯水地貌條件良好。通常也是斷裂交匯處或裂隙發(fā)育帶,當存在脆性硬質巖層或可溶巖層時,往往巖石較為破碎,裂隙和巖溶發(fā)育強烈,含水層透水性強、厚度大,富水性相應較強,加之侵蝕較為強烈,底部地形較為開闊平緩,有利于滯留和積蓄地下水,因而,易于形成富水塊段。如云南楚雄大姚縣蘆川村委會的示范點位于兩條谷地交匯地帶。谷地內第四系粘土層厚0.5~10.0m,谷坡出露上白堊統(tǒng)紅色地層,巖層傾角30°~40°,風化較強,地表溶蝕空洞、裂隙發(fā)育。該示范片區(qū)實施探采井6口,井深34.6~54.0m,單井涌水量57.6~74.6m3/d。2.3斷裂帶或可溶性地層在一條延伸較長的溝谷中,某些特別寬闊、縱坡降較小的寬緩溝谷段通常是在較寬大的斷裂破碎帶或斷裂交匯部位上形成的。當存在脆性巖層或可溶巖層時,這些巖層必然裂隙非常發(fā)育,導水和儲水空隙率較高。加上寬緩溝谷段的地形條件有利于匯集和滯留地下水,因而,易于形成富水塊段。2.4地下水富集區(qū)含水層的組成平緩、綿長的山體斜坡延伸至與平壩的交匯部位,且山脊或斜坡區(qū)存在脆性巖層或可溶巖層,巖層傾向與斜坡坡向基本相同。在這種地形地貌、地層、單斜構造的組合形式下,地下水在含水層裸露的山區(qū)獲得降水或地表水流的滲入補給,順坡徑流,在山坡腳因地形轉折而出露地表形成排泄點。由于平緩的山體與平壩之間地層往往是連續(xù)的,因此,山區(qū)裸露的含水層與平壩覆蓋區(qū)的含水層存在統(tǒng)一的水力聯(lián)系,平壩覆蓋區(qū)的含水層能夠直接得到來自于山區(qū)的補給,而且埋深較淺。含水層也因為處在地下水富集區(qū),長期受地下徑流的潛蝕作用,裂隙(溶隙)通暢,透水性往往較好。所以,在存在同向緩傾斜的脆性巖層或可溶巖層的平緩山體斜坡下易于形成富水塊段(圖1)。如楚雄示范區(qū)大村、白家村處于龍川江左岸I級階地后緣斜坡地帶,巖層平緩傾向龍川江,靠坡上部的風化帶多數(shù)側向臨空暴露,風化裂隙水的儲存條件不佳,較深部位的粉砂巖、鈣質泥巖具備層間裂隙水、溶蝕裂隙孔隙水富集的條件。共布置11個鉆孔,孔深26.5~34.6m,其中ZK34、ZK51和ZK55孔含水層為泥巖,賦水性弱,地下水位12.3~15.1m,單孔涌水量分別為7.5m3/d、8.0m3/d和1.5m3/d;其余孔含水層以鈣質泥巖、粉砂巖為主夾泥巖,水位4.2~15.6m,單孔涌水量18.0~38.0m3/d。2.5地下水組合組成形式山體斜坡下部與山脈走向基本一致的斷層,有著重要的水文地質意義,一般均是重要的水文地質邊界。當這樣的斷層面向上坡的一盤為含水的硬質、脆性碎屑巖層或可溶巖層,而自身的構造巖帶組成物質是弱透水的,或者面向下坡的一盤為柔性的泥巖、粉砂質泥巖等相對隔水層,這就對斜坡上方向下徑流的地下水形成了阻隔作用,就猶如一道截水潛壩,阻斷了地下水的徑流,使其沿斷層面向上坡的一側形成地下水排泄帶及富水塊段(圖2)。特別是在構造裂隙密集發(fā)育的斷層影響帶內,硬質、脆性碎屑巖層或可溶巖層透水性強,往往形成富水性較強的含水層。所以,我們在野外常常會發(fā)現(xiàn)在一些沖溝之中出露位置很高的溢出泉,就是這種水文地質組合形式的表現(xiàn)。也因為如此,才有了在山腳下打井沒有水,而在山上反而打成了供水井的事例。如楚雄盆地東側陳家村北西向壓扭性斷層為阻水斷層,上盤出露溢出泉群數(shù)個,鄰近的ZK27孔鉆單位涌水量達1.012l/(s·m),水量豐富。2.6地下水開裂帶形成富水塊段通常在谷地或盆地區(qū),由于構造作用強烈,巖層破碎,地形和構造條件都有利于地下水的聚集,碳酸鹽巖層長期處在埋藏和飽水的狀態(tài)下,溶蝕作用持續(xù)時間長久,并有地下熱動力作用的參與,致使巖溶發(fā)育強烈而均勻,往往形成了富水性強的巖溶含水層。因此,這些地區(qū)存在埋藏型的巖溶含水層與導水斷裂組合時,地下水可以通過斷裂導水通道獲得來自于山區(qū)的大氣降水下滲補給,形成對流循環(huán),順斷裂帶運動,并側向“滲漏”至碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層中,形成富水塊段。在紅層中碳酸鹽巖層的分布往往不穩(wěn)定,而且埋藏于松散沉積層和基巖地層之下,要圈定它們的分布位置,必須借助于有效的物探方法和鉆探驗證。2.7地下水向斜、沿斷裂帶形成富水性層向斜谷地形態(tài)受向斜構造形態(tài)控制,沿向斜軸線走向形成長條形或橢圓形,外圍為基巖出露的山地,底部往往沉積了一定厚度的松散土層,地形平緩。規(guī)模較大的向斜谷地(或為盆地)邊緣由平壩向外圍地勢逐漸升高,多由丘陵緩坡過度為崇山峻嶺。在向斜構造形成過程中,由于受橫向強烈的擠壓作用,柔性的泥質巖層主要產生順層的塑性應變,而脆性的砂巖、碳酸鹽巖等可溶巖層受柔性巖層塑變產生的層間拉張應力作用而破裂,同時,可溶巖層在地下水的滲透溶蝕作用下形成溶隙、溶孔,脆性巖層和可溶巖層形成了導水和儲水性能良好的含水層,含水層與隔水層相間組合形成了多層地下水。在向斜的核部,由于應力集中往往產生了縱向斷裂,導水和儲水空隙尤其發(fā)育。在匯水地貌條件方面,含水層在向斜谷地兩側山區(qū)(向斜兩翼)對稱出露,接受降水或地表水流滲入補給,向谷地底部運移,整個谷地底部成為了地下水的匯集區(qū)。因此,向斜谷地底部及周邊丘陵區(qū),地層組合中存在一定厚度的脆性巖層或可溶巖層的區(qū)段均能夠形成富水塊段。沿斷裂帶含水層富水性更強(圖3)。如云南楚雄腰站街向斜,地貌為向斜谷地。谷地邊緣及山區(qū)為地下水補給、徑流區(qū),其所夾砂巖中張裂隙發(fā)育,利于地下水運移。地下水順層、順坡向徑流,在向斜核部富集。據(jù)勘查示范成果,處于腰站街向斜核部的蒼嶺鎮(zhèn)大村、白家村、智明小學等地,地下水豐富。示范淺井井深一般在30m左右,單井涌水量20~50m3/d的占了68%,涌水量在10~20m3/d的占19%,涌水量1.8~7.5m3/d的占13%。2.8地下水補徑排特征背斜谷在自然界十分常見,溝谷延伸方向與背斜構造軸基本一致。溝谷之所以沿背斜軸部發(fā)育,皆因背斜軸部應力集中,縱張斷裂和次級裂隙發(fā)育,有利于地表水和地下水侵蝕。相應地脆性巖層和可溶巖層也就形成了導水和儲水性能良好的含水層,含水層與隔水層相間組合同樣形成了多層地下水。溝谷一般是地下水的匯集排泄帶,周邊地下水補給順暢,故背斜谷內脆性巖或可溶巖分布地段一般均會形成富水塊段(圖3)。如云南楚雄倉街示范區(qū)的3口井布置于背斜軸部,揭露地層巖性為粉砂質泥巖與泥灰?guī)r互層,3口井鉆至20m以下的泥灰?guī)r層時沖洗液均完全漏失,巖芯呈短柱狀,沿層面溶孔發(fā)育,層面裂隙溶蝕擴張明顯,透水性好。各井抽水降深分別為0.5m、3.0m和1.8m,相應的涌水量為82.3m3/d、58.9m3/d和64.8m3/d,并且水循環(huán)通暢,水質良好。沿背斜軸部形成壟崗地形亦是自然界中較為常見的地質現(xiàn)象,一般是因背斜核部地層為堅硬、性脆的砂巖或碳酸鹽巖等巖層,抗風化侵蝕能力強,兩翼地層為柔軟的泥質巖層,地表水沿背斜兩翼侵蝕形成谷地,背斜核部形成相對較高的平緩壟崗。同理,由于背斜形成過程中背斜核部為應力集中區(qū),背斜核部堅硬、性脆的巖層中的斷裂或節(jié)理裂隙集中發(fā)育,故壟崗區(qū)堅硬、性脆的砂巖或碳酸鹽巖等可溶巖透水性好,有利于降水和地表水滲入補給地下水,而兩翼谷地區(qū)存在的柔性泥質巖層,形成了隔水邊界。因此,地下水在壟崗區(qū)得到補給,向兩側谷地區(qū)分向徑流,排泄于地表河溪中。在這樣的地層巖性、地質構造、地形地貌背景下,壟崗兩側斜坡、谷地邊緣往往形成了富水塊段。2.9含水層地形特征褶皺軸部和轉折端,均為構造應力特別集中的部位。在其構成地層中的堅硬、性脆的砂巖或碳酸鹽巖等可溶巖層,節(jié)理裂隙發(fā)育強烈,導水和儲水空隙率極高。當這些構造部位所處地形為有利于地下水匯集的低洼地帶時,其中的堅硬、性脆的砂巖或碳酸鹽巖等可溶巖層必然能夠成為富水性很強的含水層,形成富水塊段。而如果這些構造部位所處地形為陡峻的山體之上,斷裂發(fā)育、地層破碎,則其中的堅硬、性脆的砂巖或碳酸鹽巖等可溶巖層也只能成為透水層。但需要說明的是,假若這些構造部位的形態(tài)保留比較完整,含水層和隔水層相間分布且較為連續(xù),在褶皺轉折端凸向與地形坡向基本一致時,由于隔水層的懸托和圍限,即使處在高于當?shù)貐^(qū)域飽水帶的山體之上,也能形成與上層滯水類似的富水塊段(圖4)。2.10地下水補徑排嚴重紅層區(qū)河流兩岸寬緩的一、二級階地區(qū),往往存在斷裂構造、侵入巖等構造因素的影響,地層中斷裂、裂隙比較發(fā)育,巖層較為破碎,堅硬、性脆的砂巖或碳酸鹽巖等含水層導水儲水空隙通暢,透水性強。河流階地水文地質結構相對簡單,一般上部覆蓋河流沖積形成的松散砂礫石含水層,下伏紅層基巖風化裂隙、構造裂隙或溶蝕裂隙孔隙含水層。在水循環(huán)過程中,寬緩的低階地區(qū)常常為區(qū)域地表水和地下水的匯集排泄區(qū)。紅層地下水補給來源豐富,除在山地紅層基巖含水層出露區(qū)獲得降雨直接滲入補給外,上覆砂礫石松散孔隙含水層的下滲補給、雨季河流洪水的滲入補給也是常見的補給來源。在寬緩的低階地區(qū),紅層地下水通常都直接向河流排泄或于階地后緣地帶形成泉(或溢出帶)排泄,因此,地下水位埋深淺,是開發(fā)利用條件良好的富水塊段。如云南楚雄盆地內龍川江兩岸發(fā)育有Ⅰ~Ⅲ級階地,Ⅰ級、Ⅱ級階地形態(tài)基本完好,Ⅲ級階地則多受侵蝕改造,Ⅰ級、Ⅱ級階地上打井的成井率大于90%。此外,在人工抽取地下水形成降落漏斗的情況下,低階地區(qū)的紅層地下水還可獲得地表河流的補給。當然,這樣的補給是否有益,主要還要根據(jù)河流的水質狀況來評價,如果河流的水質未受到污染,則這樣的補給顯然是有益的,反之則是有害的。在河流水質已經受到明顯污染時,地下水開采中應進行嚴格的觀測和限制開采量,合理控制降落漏斗的規(guī)模,避免襲奪河流的污染水。2.11有利地區(qū)、平臺、地形及地形地貌區(qū)丘陵、臺地、剝蝕面等地區(qū),通常都是基巖長期暴露于地表的地區(qū),風化作用強烈、持續(xù)時間長。而且,由于地形切割深度小,起伏和緩,侵蝕作用較弱,風化產物容易保存下來。因此,這些地區(qū)風化殼厚度大、分布廣,普遍存在風化裂隙含水層。在其中一些地層相對破碎或軟弱、抗風化能力弱的地段,經過風化剝蝕,地形常常相對開闊平緩或低洼,所覆蓋的風化層厚度大,有利于降水對地下水的滲入補給和地下水的匯集、儲存,形成富水塊段。如四川盆