阜平巖群基巖裂隙水的賦存規(guī)律與找水方向

劉偉朋，孟順祥，龔冀叢，耿 昕

(中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)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(chǎn)活動廣度和深度的限制，對基巖地區(qū)的水文地質(zhì)研究相對較少[1]。裂隙水根據(jù)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(zhì)巖、巖漿巖基巖裂隙水?；鶐r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(wěn)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(fā)，嚴(yán)重缺水地區(qū)和季節(jié)性缺水地區(qū)在太行山變質(zhì)巖區(qū)尤為突出，自2006年以來，阜平縣實施了一大批農(nóng)村飲水解困工程。但大部分機(jī)井，由于未充分考慮地質(zhì)構(gòu)造因素，造成機(jī)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(guī)律、尋找供水穩(wěn)定的基巖裂隙水資源對解決當(dāng)?shù)厝诵箫嬎畣栴}至關(guān)重要。

近年來，為解決阜平巖群所在的太行山區(qū)人畜飲水問題，促進(jìn)太行山集中貧困區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，中國地質(zhì)調(diào)查局開展了太行山區(qū)1∶5萬水文地質(zhì)調(diào)查工作，其中阜平縣作為重點調(diào)查區(qū)之一，2013～2015年完成了全縣水文地質(zhì)調(diào)查工作，實施探采結(jié)合井20余眼。對全縣基巖裂隙水的賦存規(guī)律進(jìn)行了調(diào)查研究，取得了很大的進(jìn)展。

1 研究區(qū)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(nèi)地形復(fù)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(qū)[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(yuǎn)，近十幾年，連續(xù)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(zhì)巖主要分布在太行山區(qū)平山縣以北和贊皇以南，以阜平一帶發(fā)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(jīng)歷了多期變形作用，構(gòu)造復(fù)雜[6]，遍布全區(qū)，面積1 993.7 km2，占縣域面積的80.6%，阜平縣變質(zhì)巖裂隙水主要賦存于各類變質(zhì)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(fā)育，呈NW向穿插于大面積變質(zhì)巖區(qū)內(nèi)，寬約10～20 m，節(jié)理裂隙發(fā)育一般，在區(qū)域上多起巖脈阻水的作用。

2 蓄水構(gòu)造類型及富水特征

地質(zhì)構(gòu)造控水理論認(rèn)為，地質(zhì)構(gòu)造是控制地下水埋藏、分布和運(yùn)移的主導(dǎo)因素，在一定有利的地質(zhì)構(gòu)造組合形式下，就會形成有利于地下水形成、運(yùn)動和蓄存的蓄水構(gòu)造[8-11]。蓄水構(gòu)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(bǔ)給排泄條件。根據(jù)工作區(qū)的成井實例及其水文地質(zhì)、構(gòu)造分析，變質(zhì)巖區(qū)主要蓄水構(gòu)造可劃分為4大類型：風(fēng)化殼蓄水構(gòu)造、斷裂蓄水構(gòu)造、層狀蓄水構(gòu)造和巖脈蓄水構(gòu)造。

2.1 風(fēng)化殼蓄水構(gòu)造的富水特征

風(fēng)化殼蓄水構(gòu)造是以基巖風(fēng)化后的孔隙裂隙帶為含水層，以其下部微風(fēng)化-未風(fēng)化的不透水基巖為隔水底板而構(gòu)成的蓄水構(gòu)造。風(fēng)化殼蓄水構(gòu)造在一定的地形、巖性及地質(zhì)構(gòu)造條件下，形成不同類型的富水帶。①匯水洼地風(fēng)化殼富水帶，在阜平縣片麻巖地區(qū)最為普遍。通常，由山腳至山頂，巖石風(fēng)化程度由強(qiáng)變?nèi)?，裂隙發(fā)育深度由深變淺，風(fēng)化殼地下水的水力特征為裂隙潛水，受重力作用影響，隨風(fēng)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(fù)合的風(fēng)化殼富水帶，在工作區(qū)表現(xiàn)為抗風(fēng)化能力弱的片麻巖與其下游抗風(fēng)化能力強(qiáng)的輝綠巖脈組合而成。當(dāng)巖脈厚度較厚時，內(nèi)部風(fēng)化裂隙不發(fā)育，巖脈兩側(cè)裂隙發(fā)育不連通，起擋水壩的作用。例如吳家溝當(dāng)中澗村的大口井，井體開挖上游側(cè)為黑云斜長片麻巖，下游側(cè)為輝綠巖脈，井深8.5 m，涌水量約240 m3/d；當(dāng)巖脈厚度較小時，巖脈兩側(cè)風(fēng)化裂隙連通，硬脆性巖脈裂隙發(fā)育，滲透系數(shù)大于揉塑性的片麻巖圍巖，構(gòu)成導(dǎo)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(gòu)造斷裂復(fù)合的風(fēng)化殼富水帶，在斷裂通過的一些地勢低洼或溝谷處，易產(chǎn)生構(gòu)造裂隙，且?guī)r石破碎，風(fēng)化深度較大[12]。常形成局部加深的袋狀或囊狀風(fēng)化殼，兩側(cè)以未風(fēng)化的巖石作為隔水邊界，向下與構(gòu)造裂隙帶相溝通，形成斷裂構(gòu)造型風(fēng)化殼富水帶，這種富水帶?？梢缘玫缴畈繕?gòu)造裂隙水的補(bǔ)給，因而水量比較豐富[10,13]。

2.2 斷裂蓄水構(gòu)造的富水特征

斷層蓄水構(gòu)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(bǔ)給條件下能夠富集和儲藏地下水的斷層構(gòu)造[1,10]。阜平地區(qū)經(jīng)過多次構(gòu)造運(yùn)動，區(qū)內(nèi)斷層比較發(fā)育，斷層蓄水構(gòu)造是該區(qū)常見基巖裂隙水賦存類型。

2.2.1 揉塑性片麻巖區(qū)斷裂蓄水構(gòu)造富水特征

片麻巖是一種深程度變質(zhì)的變質(zhì)巖，是太行山區(qū)的主要變質(zhì)巖，具有片麻狀構(gòu)造或條帶狀構(gòu)造，鱗片粒狀變晶結(jié)構(gòu)，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(guān)，長石和云母均屬于原生硅酸鹽礦物，其風(fēng)化的主要產(chǎn)物為高嶺石、蒙皂石、硅鋁土等黏土礦物。在區(qū)域上阜平片麻巖屬于構(gòu)造片麻巖，是由強(qiáng)烈塑性變形作用、變質(zhì)作用和部分熔融作用共同作用形成的動力變質(zhì)構(gòu)造巖，是一種宏觀上具有明顯的強(qiáng)塑性流變特征而沒有明顯粒徑減小的構(gòu)造巖[14]。該類巖石受到壓性或壓扭性斷裂構(gòu)造作用時，發(fā)生柔性挫動，裂隙發(fā)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(gòu)造作用時，具有一定的破碎帶寬度，破碎帶巖石節(jié)理裂隙發(fā)育，易風(fēng)化，風(fēng)化黏土礦物產(chǎn)物將破碎帶孔隙充填，孔隙裂隙率低，造成斷層破碎帶的導(dǎo)水性和含水性降低，富水性差。例如，阜平縣葛家臺探采結(jié)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(cè)地層巖性為Fgn黑云斜長片麻巖成井結(jié)構(gòu)為上部第四系封孔，下部基巖裸孔，目標(biāo)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(jīng)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(jié)合井剖面圖

2.2.2 硬脆性變質(zhì)巖區(qū)斷裂蓄水構(gòu)造富水性特征

阜平縣基巖山區(qū)出露的硬脆性變質(zhì)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(gòu)造條件和地質(zhì)應(yīng)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(zhì)巖區(qū)，硬脆性變質(zhì)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(gòu)造應(yīng)力作用下，發(fā)生脆性碎裂，構(gòu)造裂隙發(fā)育，其滲透系數(shù)大于褶皺的揉塑性巖石，在地下水趨向于滲透系數(shù)大的介質(zhì)徑流中，起導(dǎo)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(qū)受斷裂作用或影響的硬脆性巖石區(qū)往往成為地下水的富集區(qū)或富集層。例如阜平縣城南莊鎮(zhèn)花山村探采結(jié)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(diào)查中發(fā)現(xiàn)有一小型斷層橫切溝谷在此穿過，以該小型斷層為目標(biāo)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(gòu)造富水性特征

層間蓄水構(gòu)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?shù)装宓男钏畼?gòu)造。在變質(zhì)巖區(qū)，層間裂隙主要發(fā)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(cè)，裂隙發(fā)育，含水性和透水性良好，地下水豐富[16]。如阜平縣北果園鄉(xiāng)東城鋪村探采結(jié)合井C9，該井位于該村北側(cè)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(jié)果表現(xiàn)為區(qū)域低值，推測改區(qū)域存在層間裂隙水，經(jīng)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(gòu)造富水性特征

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

圖2 阜平縣花山村抗溝C20探采結(jié)合井剖面圖

圖3 野外調(diào)查泉點照片及其地質(zhì)剖面示意圖

圖4 阜平縣東城鋪村C9探采結(jié)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(fēng)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(zhì)巖圍巖為揉塑性巖石，圍巖在受到巖脈擠壓時發(fā)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(fēng)化程度影響，淺部風(fēng)化殼蓄水構(gòu)造。當(dāng)深度大于風(fēng)化殼深度時，輝綠巖脈較完整，節(jié)理裂隙不發(fā)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(gòu)造風(fēng)化裂隙控制，當(dāng)圍巖的構(gòu)造風(fēng)化裂隙發(fā)育時，地下水沿構(gòu)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(qū)，如吳家溝C8探采結(jié)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(jié)合井剖面圖

3 變質(zhì)巖區(qū)含水層富水性的空間特征

變質(zhì)巖區(qū)基巖裂隙水的賦存分布在水平方向上

受風(fēng)化殼蓄水構(gòu)造和層間蓄水構(gòu)造影響，呈片狀或帶狀分布，受斷層蓄水構(gòu)造和巖脈蓄水構(gòu)造影響呈線狀分布。在垂直方向上，風(fēng)化殼蓄水構(gòu)造受風(fēng)化深度影響，隨著深度增加風(fēng)化裂隙率降低，當(dāng)達(dá)到弱-未風(fēng)化時，起隔水底板的作用。層間蓄水構(gòu)造、斷層蓄水構(gòu)造和巖脈蓄水構(gòu)造的蓄水量受構(gòu)造裂隙影響，構(gòu)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(bǔ)給，在裂隙水徑流過程中，攜帶的變質(zhì)巖風(fēng)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(gòu)造的富水性。本次通過對阜平實施的20余眼探采結(jié)合井的抽水試驗，將每眼井的主要出水位置和換算成標(biāo)準(zhǔn)井徑(219 mm)降深(10 m)的涌水量數(shù)據(jù)整理成表(表1)，并進(jìn)行相關(guān)性分析(圖6)。結(jié)合試驗數(shù)據(jù)及相關(guān)性曲線可得，主要出水段埋深與標(biāo)準(zhǔn)井徑降深涌水量呈冪函數(shù)相關(guān)，當(dāng)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(lián)系，相互補(bǔ)給引起的。當(dāng)主要涌水段埋深大于70 m時，標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)井徑降深涌水量呈冪級函數(shù)減小的趨勢。

表1 探采結(jié)合井主要涌水段與標(biāo)準(zhǔn)涌水量數(shù)據(jù)表

注：標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)涌水量關(guān)系曲線圖

4 找水方向

變質(zhì)巖區(qū)裂隙水主要分為風(fēng)化裂隙水和構(gòu)造裂隙水。風(fēng)化裂隙水一般具有統(tǒng)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(qū)，風(fēng)化裂隙水普遍存在于地勢低洼的變質(zhì)巖風(fēng)化殼中，其富水性取決于巖石性質(zhì)、裂隙發(fā)育情況、蓄水條件等因素。在阜平變質(zhì)巖地區(qū)，揉塑性圍巖包裹的硬脆性巖體或巖脈，巖體風(fēng)化裂隙較發(fā)育，風(fēng)化裂隙發(fā)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(fēng)化殼厚度較大，利于風(fēng)化殼裂隙水的匯集和賦存，受裂隙發(fā)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(qū)構(gòu)造裂隙水，以斷層構(gòu)造裂隙水發(fā)育最為普遍，尤其是區(qū)域性的較大斷裂。當(dāng)角閃斜長片麻巖、二長淺粒巖等較硬脆性基巖區(qū)有斷層穿過時，以尋找斷層構(gòu)造裂隙水為主，成井深度一般小于120 m。當(dāng)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(qū)由斷層穿過時，以尋找斷層風(fēng)化殼裂隙水為主，成井深度一般小于60 m。

5 結(jié) 論

1) 變質(zhì)巖區(qū)蓄水構(gòu)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(yùn)動和蓄存的蓄水構(gòu)造。為了有效解決變質(zhì)巖干旱地區(qū)和季節(jié)性嚴(yán)重缺水區(qū)安全飲水問題，查明巖性組合形式，尋找蓄水構(gòu)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(gòu)造控制下，變質(zhì)巖區(qū)蓄水構(gòu)造主要發(fā)育有風(fēng)化殼蓄水構(gòu)造、斷層蓄水構(gòu)造、巖脈蓄水構(gòu)造和層狀蓄水構(gòu)造。其中風(fēng)化殼蓄水構(gòu)造最為普遍存在，開采成本較低，便于分散式供水開采； 構(gòu)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(zhì)巖區(qū)基巖裂隙水水平上受各種蓄水構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)井徑降深涌水量呈冪函數(shù)遞減相關(guān)性趨勢。