江西上栗地區(qū)巖溶地下水富集規(guī)律及找水建井建議

孫 超,汪明有

(江西有色地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)院,330030,南昌)

0 引言

上栗縣作為新型工業(yè)城市,對(duì)水資源的需求量大,但受極端氣候影響,地表水供給量不能滿足生活生產(chǎn)用水。上栗地區(qū)屬萍樂坳陷帶西端,可溶巖分布廣,巖溶地下水[1]資源豐富,巖溶地下水可作為上栗工業(yè)生產(chǎn)備用或應(yīng)急的重要水源,因而研究該地區(qū)巖溶地下水的富集規(guī)律[2]及找水建井具有重要意義。目前,國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者只對(duì)萍樂坳陷巖溶發(fā)育帶上的巖溶發(fā)育特征、巖溶發(fā)育規(guī)律和巖溶地下水開發(fā)利用等進(jìn)行了綜合研究[3-7],有關(guān)上栗地區(qū)巖溶發(fā)育特征、巖溶地下水富集規(guī)律等并未進(jìn)行過系統(tǒng)總結(jié)。因此,本文在上栗地區(qū)開展1：5萬水文地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上,運(yùn)用水文地質(zhì)學(xué),通過地面調(diào)查、鉆探等工作手段,對(duì)區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育特征及巖溶地下水富集規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié),為上栗巖溶區(qū)找水建井選址提供建議。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于江西省西部,地處欽杭結(jié)合帶與華夏板塊的拼接地帶,分屬欽杭結(jié)合帶北帶和華夏板塊東南造山帶,北接揚(yáng)子板塊,位于萍樂坳陷巖溶發(fā)育帶的西端。區(qū)內(nèi)構(gòu)造線整體呈北北東-北東向,地層出露較齊全,自新元古代青白口紀(jì)到新生代第四紀(jì)均有出露,主要為陸源碎屑巖沉積相,屬亞熱帶濕潤性季風(fēng)氣候區(qū),雨量充沛、四季分明,多年平均氣溫17.3 ℃,近20年平均降水量1 629.4 mm,年平均蒸發(fā)量1 069.0 mm,以構(gòu)造侵蝕丘陵、低山地貌為主,少量山間河谷平原呈帶狀穿插于河流溪溝兩側(cè)。水系地域?qū)俣赐ズ迪娼怅栆韵麓笪鳛┥嫌蔚睦跛雍推妓印?/p>

2 巖溶水文地質(zhì)特征

2.1 巖溶基本特征

研究區(qū)內(nèi)可溶性碳酸鹽巖地層主要為泥盆紀(jì)棋梓橋組、佘田橋組、華山嶺組,石炭紀(jì)楊家源組、黃龍組,二疊紀(jì)馬平組、棲霞組、小江邊組、茅口組、七寶山組及長(zhǎng)興組,三疊紀(jì)青龍+殷坑組及周沖村組,累計(jì)總厚度大于3 100 m,可溶性碳酸鹽巖面積約399.8 km2,占研究區(qū)面積的56.01%。在可溶巖碳酸鹽巖中,石炭紀(jì)黃龍組巖性、巖相穩(wěn)定,灰?guī)r層厚質(zhì)純。二疊紀(jì)馬平組、茅口組、長(zhǎng)興組巖性、巖相變化較為穩(wěn)定,灰?guī)r不純,泥質(zhì)、硅質(zhì)、有機(jī)質(zhì)含量較高。而二疊紀(jì)棲霞組、七寶山組,三疊紀(jì)青龍+殷坑組巖性、巖相變化較大。

2.2 巖溶含水巖組特征

研究區(qū)內(nèi)巖溶地下水的分布極不均勻[8],巖溶發(fā)育程度、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌等因素影響地下水富水程度[9]。一般巖溶發(fā)育強(qiáng)烈的地區(qū),地下水較豐富,反之亦然。根據(jù)地層發(fā)育、巖性組合以及地下水徑流模數(shù)、泉流量等特征,將研究區(qū)內(nèi)巖溶含水巖組的富水性劃分為4個(gè)等級(jí)(圖1),其特征如下。

1.松散巖類;2.非可溶巖類;3.可溶巖類(水量豐富);4.可溶巖類(水量中等);5.可溶巖類(水量貧乏);6.可溶巖類(水量極貧乏);7.鉆孔位置及編號(hào);8.泉點(diǎn)位置及編號(hào);9.溶洞位置及編號(hào);10.含水巖組界線;11.斷層;12.向斜;13.背斜;14.鄉(xiāng)鎮(zhèn)地理位置

1)水量豐富的巖溶含水巖組。該含水巖組包括石炭紀(jì)黃龍組(C2h)、二疊紀(jì)馬平組(P1m),呈北東向主要展布于雞冠山鄉(xiāng)-桐木鎮(zhèn)一帶,巖溶發(fā)育強(qiáng)烈,普遍發(fā)育巖溶大泉、出水溶洞、地下河。枯季徑流模數(shù)7.15～12.71 L/(s·km2),水位埋深較淺,一般0.45～21.03 m,單井涌水量57.4～3 245.70 m3/d。黃龍組(C2h)泉流量507.4～1 356.4 m3/d;馬平組(P1m)鉆孔資料顯示單井涌水量656.65～3 245.70 m3/d,富水性強(qiáng)。

2)水量中等的巖溶含水巖組。該含水巖組包括泥盆紀(jì)棋梓橋組一段(D2q1)、二疊紀(jì)棲霞組(P2q)、茅口組(P2m)、七寶山組(P3q)、長(zhǎng)興組(P3c),三疊紀(jì)青龍+殷坑組(T1q+y),呈北東向展布于桐木鎮(zhèn)、金山鎮(zhèn)、福田鎮(zhèn)、長(zhǎng)平鄉(xiāng)-楊岐山鄉(xiāng)一帶,分布廣泛,巖溶發(fā)育強(qiáng)烈,溶洞、地下河較為發(fā)育。枯季徑流模數(shù)3.15～6.22 L/(s·km2),單井涌水量132.7～799 m3/d。棋梓橋組一段(D2q1)泉流量33.9～408.7 m3/d;棲霞組(P2q)泉流量152.164～458.92 m3/d;茅口組(P2m)泉流量234.88～480.81 m3/d;七寶山組(P3q)泉流量89.5～354.9 m3/d;長(zhǎng)興組(P3c)泉流量136.01～732.6 m3/d;青龍+殷坑組(T1q+y)泉流量31.08～435.08 m3/d,且鉆孔資料顯示單井涌水量470.68～799 m3/d,富水性中等。

3)水量貧乏的巖溶含水巖組。該含水巖組研究區(qū)內(nèi)只出露為二疊紀(jì)小江邊組(P2x),分布于上栗縣桐木鎮(zhèn)、金山鎮(zhèn)、福田鎮(zhèn)一帶,以裸露型為主,覆蓋型次之,呈北東向展布分布,分布面積較小,含水層巖溶不發(fā)育,枯季徑流模數(shù)1.09～3.32 L/(s·km2),泉流量41.01 ～305.04 m3/d,多數(shù)大于100 m3/d,據(jù)鉆孔資料顯示單井涌水量136.52 m3/d,富水性貧乏。

4)水量極貧乏的巖溶含水巖組。該含水巖組包括泥盆紀(jì)棋梓橋組二、三、四段(D2q2-4)、佘田橋組(D3s)及三疊紀(jì)周沖村組(T1z),呈北東向展布,分布面積較小,含水層巖溶不發(fā)育,枯季徑流模數(shù)0.49～1.47 L/(s·km2)。其中,泥盆紀(jì)棋梓橋組(D2q2-4)分布于長(zhǎng)平鄉(xiāng)石溪村-雞冠山鄉(xiāng)夏家大屋一帶,金山鎮(zhèn)橫水村零星出露,泉流量5.6～61.2 m3/d;佘田橋組(D3s)僅在長(zhǎng)平鄉(xiāng)流江村一帶出露,泉流量81.56 m3/d;三疊系周沖村組(T1z)分布楊岐鄉(xiāng)中村、東源鄉(xiāng)上埠村、逢源村一帶,泉流量2.48～63.4 m3/d,富水性極貧乏。

2.3 地下水補(bǔ)徑排特征

巖溶地下水在研究區(qū)內(nèi)的補(bǔ)徑排條件顯著,以大氣降水入滲補(bǔ)給和基巖的側(cè)向補(bǔ)給為主。徑流方式嚴(yán)格受巖性、構(gòu)造、地貌三者因素控制,一般為沿層面運(yùn)移。在構(gòu)造發(fā)育地帶可改變方向,穿層運(yùn)移。此外,還明顯受當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面控制,排泄區(qū)一般為覆蓋型巖溶區(qū),表層巖溶泉出露為主,由于第四系覆蓋層厚,接受大氣降水的垂直補(bǔ)給速度稍慢,據(jù)Q703、Q132、Q911、Q670長(zhǎng)觀數(shù)據(jù)可知,雨后5—8 d才出現(xiàn)流量峰值,受降水的影響泉流量變化顯著(圖2)。因此,泉流量季節(jié)變化較大,豐水期泉流量是枯水期的3～5倍。巖溶水沿巖溶管道或巖溶裂隙運(yùn)移過程中,遇弱透水層阻隔或地形侵蝕切割,切斷了地下水的運(yùn)移和徑流通道,以泉的形式天然排泄地表(圖3)從而形成地下水排泄帶,如東源鄉(xiāng)一帶泉群,沿弱透水巖層呈線狀排列。

圖2 泉點(diǎn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化圖

圖3 覆蓋型上升泉成因剖面示意圖

3 巖溶發(fā)育規(guī)律

研究區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育極不均一,主要受地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌等因素影響。

3.1 地層巖性對(duì)巖溶發(fā)育的影響

在研究區(qū)內(nèi)可溶性鹽巖的主要化學(xué)成分相差較大,在構(gòu)造、水力條件相近的作用下,巖溶發(fā)育程度存在明顯差異。氧化鈣含量的高低決定巖溶率,氧化鈣含量越高巖溶率越高,反之亦然[10]。從表1中數(shù)據(jù)可知,二疊系茅口灰?guī)r中氧化鈣含量最高,可溶巖中灰?guī)r比白云質(zhì)灰?guī)r、硅質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r高,因此,質(zhì)純的灰?guī)r比白云質(zhì)灰?guī)r、硅質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r中巖溶發(fā)育高。巖性特征與巖溶發(fā)育情況見表2。

表1 可溶巖巖石主要化學(xué)成份特征表/%

表2 巖性特征與巖溶發(fā)育

3.2 構(gòu)造對(duì)巖溶發(fā)育的影響

巖溶發(fā)育強(qiáng)度與斷裂發(fā)育程度關(guān)系密切,主斷裂帶上巖溶發(fā)育較強(qiáng),次級(jí)斷裂或遠(yuǎn)離主斷裂帶巖溶發(fā)育相對(duì)減弱[11-12],沿主斷裂發(fā)育的伏河(暗河)和溶洞數(shù)量多、規(guī)模大,次級(jí)斷裂或遠(yuǎn)離斷裂帶的溶洞、溶孔、溶蝕裂隙是地下水運(yùn)移的通道,是巖溶發(fā)育的條件之一。斷裂、褶皺、推滑覆及其附近巖石破碎嚴(yán)重,便于地下水水流侵蝕作用,為水巖作用提供了空間。因此,研究區(qū)內(nèi)沿構(gòu)造裂隙發(fā)育的溶洞往往表現(xiàn)為洞體形態(tài)不規(guī)則、洞底高低不平、洞內(nèi)常年積水的特點(diǎn)。

3.3 地形地貌對(duì)巖溶發(fā)育的影響

地形地貌與巖溶發(fā)育關(guān)系密切,橫向上:巖溶主要發(fā)育在地下水徑流區(qū)或排泄區(qū)的地勢(shì)低洼處,在平緩地段地下水主要以水平方向運(yùn)移,隨著地勢(shì)逐步變低其流量增大,水巖作用也相應(yīng)增強(qiáng),巖溶相對(duì)更為發(fā)育,補(bǔ)給區(qū)向排泄區(qū)巖溶的發(fā)育強(qiáng)度逐漸遞增,同時(shí)也出露著大量的表層巖溶泉。據(jù)本次調(diào)查發(fā)現(xiàn),表層巖溶泉流量每秒10升至數(shù)百升,在當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面附近及其以下一定深度范圍內(nèi),地下水循環(huán)強(qiáng)烈,巖溶發(fā)育,鉆孔線巖溶率增大,溶洞分布密集?？v向上:在本次所實(shí)施的鉆孔中可知,在地表以下100 m內(nèi)巖溶發(fā)育較強(qiáng)(表3、圖4),地表100 m以下除斷裂構(gòu)造部位能見溶洞外,其余部位只見一些溶蝕小孔和溶蝕裂隙。

表3 鉆孔巖溶發(fā)育標(biāo)高一覽表

圖4 ZK002 43.2～43.8 m處巖溶發(fā)育特征

4 巖溶水富集規(guī)律

通過本次調(diào)查發(fā)現(xiàn),研究區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造、褶皺構(gòu)造、推滑覆構(gòu)造及可溶巖和非可溶巖接觸帶是巖溶地下水的主要通道,它們既接受大氣降雨的直接入滲補(bǔ)給,又便于巖溶水的運(yùn)移,區(qū)內(nèi)巖溶地下水的賦存和富集與地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、巖溶發(fā)育程度及地形地貌關(guān)系密切,主要富集規(guī)律如下。

4.1 可溶巖與非可溶巖接觸帶地下水富集

在可溶巖與非可溶巖接觸帶處,地下水容易在交界帶滯留,滯留過程中受溶蝕作用形成較大的儲(chǔ)水空間,利于地下水在此富集。如SLSQ018點(diǎn)出露于二疊紀(jì)長(zhǎng)興組(P3c)灰?guī)r與三疊紀(jì)青龍+殷坑組(T1q+y)泥巖接觸部位(圖5),大氣降水沿可溶巖層面和裂隙入滲過程中不斷發(fā)生溶蝕形成較大的儲(chǔ)水空間,地下水自南東向北西徑流過程中受阻而溢出地表所形成的溢出泉。

圖5 Q018泉成因剖面示意圖

4.2 斷裂構(gòu)造處有利于地下水富集

構(gòu)造裂隙地下水主要儲(chǔ)存在斷裂構(gòu)造中。地下水的分布、埋藏主要受構(gòu)造裂隙的發(fā)育方向、發(fā)育程度、裂隙力學(xué)性質(zhì)所制約,出露極不均勻,裂隙受區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力所控制,地下水徑流相對(duì)較長(zhǎng),補(bǔ)給源較遠(yuǎn),泉水多以股流或散流沿裂隙流出。如SLSQ544出露于白源斷裂帶上,主要接受大氣降水補(bǔ)給,入滲至地下儲(chǔ)存于含礫砂巖、砂礫巖孔隙-裂隙中,地下水在運(yùn)移過程沿破碎帶涌出地表而形成的上升泉群(圖6)。

圖6 Q544泉成因剖面示意圖

4.3 推滑覆體有利于地下水富集

推滑覆構(gòu)造在運(yùn)動(dòng)的期間與下盤發(fā)生擠壓時(shí)會(huì)形成一系列的壓扭性、壓性裂隙及派生構(gòu)造,推滑覆構(gòu)造帶及周邊派生構(gòu)造是地下水的主要富集地段。如Q161泉點(diǎn)出露于二疊紀(jì)茅口組(P2m)灰?guī)r與白堊紀(jì)周田組(K2z)砂巖、含砂礫巖推覆帶上,茅口組地層推覆至周田組地層之上,后經(jīng)長(zhǎng)期風(fēng)化剝蝕掉茅口灰?guī)r形成一構(gòu)造窗,地下水接受南東、北西兩側(cè)的補(bǔ)給,沿推覆體涌出地表而形成的上升泉(圖7)。

圖7 Q161泉成因剖面示意圖

4.4 褶皺軸部地下水富集

研究?jī)?nèi)由于構(gòu)造作用強(qiáng),地層受擠壓強(qiáng)裂,形成大量(復(fù)式)向背斜褶皺。復(fù)式褶皺發(fā)育,向背斜軸狹窄,兩翼巖石陡峻,軸部由于受張力作用影響,張性節(jié)理裂隙發(fā)育,經(jīng)過長(zhǎng)期風(fēng)化溶蝕剝蝕等作用,常形成負(fù)地形,因而常成為地下水儲(chǔ)存的場(chǎng)所[13-14]。

1)向斜核部地下水豐富。ZK005地質(zhì)構(gòu)造上為一寬緩向斜(圖8)核部地帶,兩側(cè)巖層產(chǎn)狀傾角40～50°,向斜軸走向約50°,軸部為細(xì)晶灰?guī)r、灰?guī)r,受構(gòu)造影響,巖心中裂隙發(fā)育,以張性為主,多處可見溶蝕小孔及溶蝕裂隙。抽水試驗(yàn)結(jié)果:降深3.95 m,鉆井出水量為256.61 m3/d。

圖8 ZK005地質(zhì)剖面簡(jiǎn)圖

2)背斜翼部地下水豐富。ZK002位于一復(fù)式背斜翼部約20 m處,受到構(gòu)造影響,背斜兩翼裂隙密集發(fā)育,且為張開狀(圖9),巖石易碎,地下水之間水力聯(lián)系和滲透性變強(qiáng)。抽水試驗(yàn)結(jié)果:降深2.14 m,鉆井出水量為 94.49 m3/d。

圖9 ZK002地質(zhì)剖面簡(jiǎn)圖

5 結(jié)論及建議

上栗地區(qū)碳酸鹽巖發(fā)育,地下水資源豐富但分布不均勻,且受季節(jié)性影響較大。本文通過在1：5萬水文地質(zhì)調(diào)查工作基礎(chǔ)上,分析了江西上栗地區(qū)巖溶發(fā)育特征及地下水的富集規(guī)律,結(jié)合區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)條件,提出在上栗巖溶區(qū)找水打井建議如下。

1)找水布井建議在可溶巖與非可溶巖接觸帶部位,從非可溶巖開孔,直取下伏三疊、二疊系的巖溶地下水。

2)找水布井建議在垂直于主構(gòu)造線的張性裂隙以及向、背斜軸部張性裂隙部位。如長(zhǎng)平村-安全村-石源村一帶具有較好的找水潛力。

3)建井施工時(shí)要注意周邊地區(qū)巖溶塌陷、地裂縫、不均勻沉降等地質(zhì)災(zāi)害問題。