贛州地區(qū)紅層盆地找水模式探討
——以于都盆地為例

劉前進(jìn),黃旭娟,何文城

(江西省地質(zhì)調(diào)查研究院,江西 南昌 330030)

紅層指在侏羅紀(jì)、白堊紀(jì)干熱氣候條件下形成的以泥質(zhì)和粉砂質(zhì)巖石為主的巖層,因其呈紅色而得名[1]。紅層裂隙、孔隙均不太發(fā)育,儲(chǔ)水容積小,地形崗溝起伏,除少量降水滲入外,大量降水呈地表徑流排走,因而含水性差,是嚴(yán)重的缺水區(qū)[2]。決定紅層富水性的重要因素是含水層裂隙、孔隙和溶蝕孔洞發(fā)育程度及巖體規(guī)模[3]。巖石顆粒及膠結(jié)物成分、紅層風(fēng)化帶厚度及構(gòu)造裂隙發(fā)育程度、斷裂帶規(guī)模對(duì)紅層含水性和富水性起主導(dǎo)作用[4]。紅層地下水的富集以發(fā)育導(dǎo)水空隙和儲(chǔ)水空隙為前提,只有在空隙發(fā)育強(qiáng)烈的地段才可能形成地下水富水段[5]。“紅層”地下水性質(zhì)屬裂隙型(風(fēng)化裂隙、構(gòu)造裂隙、成巖裂隙等), 地下水裂隙展布空間是地下水儲(chǔ)集、運(yùn)移的空間,裂隙富集段即是地下水富集段[6]。紅層地區(qū)地下水控水條件復(fù)雜,氣象、水文、植被、地形、地貌、地層巖性、結(jié)構(gòu)構(gòu)造和古地形地貌等對(duì)找水工作有較大影響[7]。紅層含水性弱,找水難度大,是找水難點(diǎn)中的難點(diǎn)[8]。在紅層區(qū)水資源短缺背景下,如何協(xié)調(diào)與日俱增的淡水需求量與有限的淡水資源之間的矛盾,這面臨較大挑戰(zhàn)[9]。缺水是影響紅層地區(qū)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要障礙,是當(dāng)?shù)厝娼ㄔO(shè)小康社會(huì)中遇到的最突出問(wèn)題[10]。紅層缺水地區(qū)缺乏統(tǒng)一的找水工作方法和技術(shù)指導(dǎo),應(yīng)進(jìn)一步對(duì)紅層地區(qū)缺水情況進(jìn)行研究,填補(bǔ)該學(xué)科領(lǐng)域的研究空白,制定紅層區(qū)地下水資源可持續(xù)開(kāi)發(fā)利用規(guī)劃,促進(jìn)紅層區(qū)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)建設(shè)協(xié)調(diào)發(fā)展[11]。本文在贛江流域水文地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上,運(yùn)用巖體力學(xué)理論及地球物理探測(cè)、水文地質(zhì)鉆探等手段開(kāi)展紅層盆地缺水區(qū)找水工作,初步查明紅層地下水的賦存特征及賦水規(guī)律,建立紅層盆地典型儲(chǔ)水構(gòu)造模式,為紅層區(qū)地下水開(kāi)發(fā)及利用提供參考。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

于都斷陷紅盆屬于廣昌—南城盆地群南延部分,為NNE向延伸的狹長(zhǎng)斷陷盆地或斷陷槽(圖1)。盆地總體呈NE向展布,多數(shù)被第四系覆蓋,地層出露較零星,具有由單斜構(gòu)造盆地向坳陷盆地轉(zhuǎn)化的趨勢(shì),沉降中心總體由南東向北西遷移。盆地中部為NW向展布的“古隆起”構(gòu)造(南端轉(zhuǎn)為NE向),將斷陷盆地分割為于都子盆地和仙下子盆地?！肮怕∑稹睒?gòu)造控制子盆地沉積堆疊及構(gòu)造演化,組成地層主要為晚白堊世贛州群和龜峰群。

1.紅層裂隙孔隙水;2.碎屑巖類孔隙裂隙水;3.碳酸鹽巖裂隙溶洞水;4.變質(zhì)巖構(gòu)造裂隙水;5.巖漿巖風(fēng)化網(wǎng)狀裂隙水;6.實(shí)測(cè)/推測(cè)性質(zhì)不明斷層;7.實(shí)測(cè)逆斷層/實(shí)測(cè)正斷層;8.實(shí)測(cè)逆掩斷層;9.壓扭性斷裂/張扭性斷裂;10.探采結(jié)合井;角度不整合地質(zhì)界線;14.脈動(dòng)侵入地質(zhì)界線圖1 于都盆地水文地質(zhì)及探采結(jié)合井分布圖Fig. 1 Hydrology and distribution for groundwater exploration in Yudu

根據(jù)沉積組合特征及地層間的疊置關(guān)系,于都斷陷紅盆經(jīng)歷了2期(贛州期和龜峰期)盆地演化。贛州期,盆地主要發(fā)育在于都一帶,隨著NW向長(zhǎng)坑—石陂盆緣斷裂不斷拉張,盆地產(chǎn)生NW向掀斜作用,沉積中心不斷向NW向遷移,沉積了一套以沖積扇為特征的粗碎屑巖建造,巖性以紫紅色-磚紅色復(fù)成分礫巖、砂礫巖為主夾紫紅色砂巖、粉砂巖。龜峰期,長(zhǎng)坑—石陂盆緣斷裂活動(dòng)減弱,盆地繼續(xù)沉降,同時(shí)“古隆起”下沉,湖水漫過(guò)古隆起,盆地進(jìn)一步擴(kuò)大,于都子盆地與仙下子盆地相通,形成了完整的于都坳陷盆地。

2 研究方法

為了查明贛州地區(qū)紅層盆地地下水儲(chǔ)水及蓄水模式,以于都盆地為中心,根據(jù)研究區(qū)水文地質(zhì)、地形地貌、地表調(diào)查及現(xiàn)有泉點(diǎn)的分布情況,在地面地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上,利用物探方法開(kāi)展地下水勘查,尋找地下含水層位,確定具體井位[12]。參考前人相關(guān)經(jīng)驗(yàn)[13-18],采用高密度電阻率法對(duì)區(qū)內(nèi)地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行勘查。根據(jù)高密度電法反演圖,斷層破碎帶含水呈低阻與圍巖呈高阻形成的電阻率差異是成果解釋的主要依據(jù)[19]。為進(jìn)一步查明區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)條件并獲取水文地質(zhì)參數(shù)等,部署鉆孔4個(gè),投入鉆探工作量561 m。

3 構(gòu)造應(yīng)力特征

于都盆地白堊紀(jì)紅層砂礫巖中局部發(fā)育節(jié)理裂隙,且節(jié)理裂隙發(fā)育類型及規(guī)律與斷裂及巖性密切相關(guān),受斷層和巖性控制。

對(duì)野外巖石中發(fā)育的55組節(jié)理裂隙(其中27組導(dǎo)水裂隙)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,研究區(qū)節(jié)理裂隙走向玫瑰花圖如圖2所示。裂隙優(yōu)勢(shì)發(fā)育方向?yàn)榻麼E向,裂隙走向?yàn)?0°～50°的占30%以上;NW向裂隙較發(fā)育,總體裂隙優(yōu)勢(shì)發(fā)育方向與研究區(qū)主構(gòu)造線方向基本一致。導(dǎo)水裂隙優(yōu)勢(shì)發(fā)育走向?yàn)?0°～50°的約占50%, 裂隙優(yōu)勢(shì)發(fā)育方向?yàn)镹W向,裂隙走向?yàn)?20°～330°的約占15%。

圖2 研究區(qū)節(jié)理裂隙走向玫瑰花圖Fig. 2 Rose diagram of joints strike in the study area

4 水文地質(zhì)條件

根據(jù)紅色碎屑巖貯水空間形態(tài)特征、地下水埋藏條件及含水巖組的組合關(guān)系,將碎屑巖類裂隙孔隙水劃分為水量中等區(qū)和水量貧乏區(qū)。

4.1 水量中等區(qū)

主要由晚白堊世塘邊組(K2t)、茅店組(K2m)砂巖及復(fù)成分礫石組成。紅層底礫巖為穩(wěn)定的含水層,但由于其下伏石炭紀(jì)灰?guī)r,紅層底礫巖含水層在局部地段與石炭紀(jì)灰?guī)r巖溶含水層直接接觸產(chǎn)生密切的水力聯(lián)系,還可通過(guò)覆蓋型灰?guī)r與第四系松散巖類孔隙水發(fā)生水力聯(lián)系。紅層底礫巖巖溶水水質(zhì)類型為重碳酸鈣型水,單井涌水量>100 m3/d以上,溶解性總固體為229～254 mg/L,pH值為7.4～7.6,屬于低礦化微硬水。

4.2 水量貧乏區(qū)

5 紅層地下水富集特征

紅層風(fēng)化帶裂隙水的富水性受地形地貌、地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造等控制,地貌條件是這類地下水富集的主要因素[20]。紅層地下水受地貌條件控制,僅賦存在紅層淺切丘陵區(qū)寬谷中,寬谷面積、結(jié)構(gòu)、邊界是紅層地下水富集的重要因素[21]。沉積環(huán)境、物質(zhì)成分、構(gòu)造作用存在差異,地下水埋藏條件、儲(chǔ)水空間、水化學(xué)成分各不相同。經(jīng)過(guò)野外地質(zhì)調(diào)查及鉆孔查證,發(fā)現(xiàn)該區(qū)紅層地下水主要受構(gòu)造破碎帶及裂隙控制。

5.1 構(gòu)造破碎帶地下水富集特征

1.粉質(zhì)黏土；2.復(fù)成分砂礫巖；3.變質(zhì)巖屑雜砂巖；4.構(gòu)造破碎帶；5.全新世聯(lián)圩組；6.晚白堊世河口組；7.南華紀(jì)上施組圖3 構(gòu)造破碎帶控水示意圖Fig. 3 Schematic diagram of water controlled by structural fracture zone

5.2 隱伏斷裂地下水富集特征

1.粉質(zhì)黏土；2.粉砂巖；3.灰?guī)r；4. 全新世聯(lián)圩組；5. 晚白堊世河口組；6.晚石炭世黃龍組；7.隱伏斷裂圖4 隱伏斷裂控水示意圖Fig. 4 Schematic diagram of water controlled by buried fault

5.3 接觸帶地下水富集特征

仙下盆地北部盆緣在變質(zhì)巖中出露多個(gè)泉點(diǎn),接觸帶控水示意圖如圖5所示。泉水流量一般為1.210～1.555 m3/d,受大氣降水影響明顯,水質(zhì)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查測(cè)試參數(shù)為:TDS為17～92 mg/L,pH值為5.44～6.09,礦化度較低,水質(zhì)總體較好。

1.粉質(zhì)黏土；2.殘坡積碎石土；3.復(fù)成分礫巖；4.變質(zhì)雜砂巖；5.晚白堊世河口組；6.早震旦世壩里組；7.角度不整合界線圖5 接觸帶控水示意圖Fig. 5 Schematic diagram of water controlled by contact zone

5.4 層間裂隙地下水富集特征

白堊紀(jì)紅層中有多處泉點(diǎn)出露于紅層碎屑巖層間裂隙含水層中(圖6),泉水流量為1.210～57.456 m3/d,四季基本不斷流。水質(zhì)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查測(cè)試參數(shù)TDS為8～30 mg/L,礦化度較低,水質(zhì)總體較好,是紅層缺水區(qū)(包括水質(zhì)惡化區(qū)及水量貧乏區(qū))主要的生活飲用水來(lái)源。

1.粉質(zhì)黏土；2.殘坡積碎石土；3.復(fù)成分礫巖；4.變質(zhì)長(zhǎng)石石英砂巖；5.絹云母千枚巖；6.晚白堊世河口組；7.沙壩黃組圖6 層間裂隙控水示意圖Fig. 6 Schematic diagram of water controlled by interstratified crack

6 紅層找水模式

地質(zhì)構(gòu)造控制了含水層與相對(duì)隔水層(帶)的空間組合形式,對(duì)地下水系統(tǒng)邊界、水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)類型和特征具有重要作用,決定了其水文地質(zhì)及地下水富集特征[22]?；谟诙寂璧丶t層褶皺變形、斷層和節(jié)理裂隙發(fā)育特征,建立了地下水補(bǔ)給、儲(chǔ)存和排泄的地質(zhì)結(jié)構(gòu)模式。

6.1 斷層儲(chǔ)水構(gòu)造

斷層儲(chǔ)水構(gòu)造是由構(gòu)造帶及其影響帶中的裂隙構(gòu)造含水介質(zhì),以兩側(cè)完整的巖石構(gòu)成相對(duì)隔水層,在適宜的補(bǔ)給條件下形成的帶狀儲(chǔ)水構(gòu)造(圖7)。斷層和裂隙發(fā)育,裂隙水的富水性相對(duì)較好[23]。以于都縣小溪鄉(xiāng)長(zhǎng)源村CK005探采結(jié)合井為例,該點(diǎn)位于晚白堊世贛州群(K2g)之上,上部巖性主要為紫紅色粉砂巖夾細(xì)砂巖,下部巖性為中細(xì)礫巖和粗砂巖。高密度測(cè)線反演斷面圖(圖8)顯示, 400～500 m之間存在1個(gè)低阻異常,由淺至深分別呈水平層狀低阻-高阻-低阻分布,其中上部低阻層電阻率為50～100 Ω·m,略高于底部低阻層電阻率;中間層高阻體電阻率普遍>200 Ω·m。410 m和470 m下方低阻帶為地下水流通部位,中間層及兩側(cè)高阻體具有隔水作用,為地下水存儲(chǔ)提供了良好條件。

1.相對(duì)含水層；2.相對(duì)隔水層；3.晚白堊世贛州群；4.復(fù)成分礫巖；5.砂巖；6.構(gòu)造破碎帶圖7 斷層儲(chǔ)水構(gòu)造模式示意圖Fig. 7 Schematic diagram of storage model of fault

1.物探異常編號(hào)；2.物探推測(cè)構(gòu)造；3.建議鉆孔位置及深度圖8 小溪鄉(xiāng)長(zhǎng)源村高密度測(cè)線反演斷面圖Fig. 8 Inversion section of high density seismic line in Changyuan Village, Xiaoxi Town

小溪鄉(xiāng)長(zhǎng)源村高密度測(cè)線位于山下低洼處,北西側(cè)贛州組砂巖、礫巖地表風(fēng)化程度較強(qiáng),NW向已知斷裂在470 m附近穿過(guò)測(cè)線,傾角80°,該角度與480 m下方電阻率梯度帶傾角接近,可以推斷410 m和470 m下方低阻帶可能為導(dǎo)水構(gòu)造,被中間高阻層及兩側(cè)高阻體圍在中間的低阻異常為儲(chǔ)水構(gòu)造。本次在470 m樁號(hào)實(shí)施1口探采結(jié)合井,孔深141 m,105～141m揭露主要含水層，降深為40 m,涌水量達(dá)180 m3/d。

6.2 單斜儲(chǔ)水構(gòu)造

由含水層與隔水層互層構(gòu)成的單斜構(gòu)造,當(dāng)含水層的傾伏段具備阻水條件時(shí),在適宜的補(bǔ)給條件下形成單斜儲(chǔ)水構(gòu)造(圖9)。以于都縣嶺背鎮(zhèn)金星村CK002探采結(jié)合井為例,該井位于晚白堊世茅店組(K2m)之上,主要巖性為礫巖、含礫粉砂巖。高密度測(cè)線反演斷面圖(圖10)顯示, 480～760 m之間存在1個(gè)低阻異常,視電阻率為幾十到60 Ω·m,高阻與低阻之間為NE向儲(chǔ)水構(gòu)造。本次在700 m樁號(hào)實(shí)施1口探采結(jié)合井,孔深121 m，92～118 m揭露主要含水層，降深為29.7 m,涌水量為50 m3/d。

1.相對(duì)含水層；2.相對(duì)隔水層；3.晚白堊世茅店組；4.復(fù)成分礫巖；5.砂巖；6.泥巖圖9 單斜儲(chǔ)水模式示意圖Fig. 9 Schematic diagram of storage model of monocline

1.物探異常編號(hào)；2.物探推測(cè)構(gòu)造；3.建議鉆孔位置及深度圖10 嶺北鎮(zhèn)金星村高密度測(cè)線反演斷面圖Fig. 10 Inversion section of high density seismic line in Jinxing Village, Lingbei Town

6.3 向斜儲(chǔ)水構(gòu)造

向斜儲(chǔ)水構(gòu)造由翼部圈閉隔水層組成隔水邊界,地下水從地形較高的透水巖層裸露區(qū)接受補(bǔ)給,向地形較低的核部或翼部谷地或盆地區(qū)匯集,溢流排泄,具有良好的地下水富水條件(圖11)。以于都縣車溪鄉(xiāng)羅坑組ZK13探采結(jié)合井為例,該井位于晚白堊世塘邊組(K2t)之上,主要巖性為砂巖、含礫砂巖及砂礫巖。本次結(jié)合紅層地下水富集規(guī)律,在塘邊組向斜東翼部位實(shí)施1口探采結(jié)合井,孔深149 m,60 m處揭露主要含水層，降深為35.0 m,涌水量為58.75 m3/d。

1.相對(duì)含水層；2.相對(duì)隔水層；3.晚白堊世塘邊組上段；4.晚白堊世塘邊組下段；5.砂巖；6.復(fù)成分礫巖；7.地質(zhì)界線圖11 向斜儲(chǔ)水模式示意圖Fig. 11 Schematic diagram of storage model of syncline

1. 晚白堊世塘邊組；2.早石炭世梓山組；3.砂巖；4.復(fù)成分礫巖；5.粉砂巖；6.碳質(zhì)泥巖；7.泥質(zhì)粉砂巖；8.構(gòu)造破碎帶圖12 盆緣儲(chǔ)水模式示意圖Fig. 12 Schematic diagram of storage model of basin margin

6.4 盆緣儲(chǔ)水構(gòu)造

盆地沉降受邊界斷層控制,盆地內(nèi)紅層整體形成單斜,巨厚的礫巖層和碎屑巖、變質(zhì)巖基底是良好的隔水層,網(wǎng)狀裂隙發(fā)育的泥質(zhì)粉砂巖是穩(wěn)定的儲(chǔ)水構(gòu)造。盆緣周邊出露地區(qū)構(gòu)成地下水補(bǔ)給區(qū),盆緣斷裂為良好的地下水補(bǔ)給通道和儲(chǔ)水區(qū)(圖12)。以于都縣車溪鄉(xiāng)石子乘ZK02探采結(jié)合井為例,該井位于仙下子盆地盆緣斷裂之上,北西側(cè)為晚白堊世塘邊組(K2t)砂巖、砂礫巖,南東側(cè)為早石炭世梓山組(C1z)含碳砂巖、粉砂巖。本次結(jié)合水文地質(zhì)及補(bǔ)徑排條件,在盆緣斷裂部位實(shí)施1口探采結(jié)合井,孔深150 m,120 m處揭露盆緣斷裂，降深為50.0 m,涌水量為30.0 m3/d。

7 結(jié)論

(1)贛州紅層地區(qū)地下水賦存在構(gòu)造破碎帶、隱伏斷裂、地層接觸帶及層間裂隙中盆地向斜、單斜、盆緣及斷層發(fā)育部位是有效的地下水儲(chǔ)集區(qū)。

(2)贛州地區(qū)紅層盆地地下水主要受構(gòu)造控制,地下水勘查及評(píng)價(jià)應(yīng)以盆地內(nèi)紅層構(gòu)造變形特征研究為基礎(chǔ),結(jié)合水資源普查進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。紅層地區(qū)開(kāi)展地下水勘查,還需注重地下水的補(bǔ)徑排條件研究,劃分重點(diǎn)找水靶區(qū),合理開(kāi)發(fā)、利用地下水資源。