安固里淖內(nèi)流區(qū)基巖地下水賦存特征及蓄水構(gòu)造模式

袁 磊， 張秋霞， 吳庭雯， 韓雙寶*， 李甫成， 于 蕾

(1.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， 保定 071051; 2.中國地質(zhì)調(diào)查局地下水勘查與開發(fā)工程研究中心， 保定 071051)

安固里淖流域是內(nèi)蒙古高原東部眾多內(nèi)流區(qū)的其中一個，總面積約3 635 km2，俗稱“壩上草原”。其補給、徑流區(qū)含水層主要為玄武巖、閃長巖或花崗巖等。玄武巖等巖漿巖含水層由于裂隙不發(fā)育且極不均勻，導(dǎo)水、儲水能力弱，富水性很差，成為嚴重缺水區(qū)，影響了人畜飲水健康[1-2]。針對玄武巖地下水賦存規(guī)律及找水實踐，前人已分地區(qū)開展了工作，初步總結(jié)了玄武巖等含水層地下水的賦存類型與電性特征，在找水實踐中得到了較好應(yīng)用[3-8]。

蓄水構(gòu)造概念于20世紀70年代由劉光亞提出[9]，并在隨后得到了應(yīng)用、豐富和發(fā)展，眾多學(xué)者在此基礎(chǔ)上提出了基巖山區(qū)找水技術(shù)方法[10-11]。2018 年中國地質(zhì)調(diào)查局在壩上地區(qū)張北縣實施扶貧打井等水文地質(zhì)調(diào)查工作[12]，現(xiàn)基于此次調(diào)查，結(jié)合以往壩上地區(qū)找水打井實踐，提出內(nèi)蒙古高原東部內(nèi)流區(qū)以玄武巖為代表的巖漿巖區(qū)典型蓄水構(gòu)造模式及勘探方法。

圖1 研究區(qū)水文地質(zhì)簡圖Fig.1 Hydrogeology diagram of study area

1 研究區(qū)基本條件

1.1 水文氣象

研究區(qū)屬典型的半干旱大陸性氣候，全年干旱少雨，多風沙。據(jù)張北縣氣象臺觀測資料，多年平均降水量377.7 mm(1999—2018年)，降水主要集中于5～9 月份，約占全年降水量的84%，多年平均氣溫為10.1 ℃，多年平均蒸發(fā)量1 655.1 mm。研究區(qū)水系屬安固里河，為內(nèi)陸河系，天然條件下地表水最終匯入安固里淖和黃蓋淖蒸發(fā)排泄。目前河流在補給區(qū)有地表徑流，至中游逐漸入滲消亡。

1.2 地形地貌

研究區(qū)地貌分為構(gòu)造剝蝕熔巖臺地、侵蝕堆積河谷平原、構(gòu)造剝蝕丘陵3種類型。地形上整體為四周高、中北部低，呈湖盆狀。研究區(qū)西南部集中分布有8個火山口，形成了獨特的玄武巖熔巖臺地地貌。

1.3 地層巖性

受巖漿活動與構(gòu)造控制，如圖1所示，研究區(qū)內(nèi)西南部-北部被中新世漢諾壩組(N1h)玄武巖覆蓋，巖性包括橄欖玄武巖、拉斑玄武巖等，厚度多在50～300 m。本區(qū)玄武巖可分為早晚兩期，每期又具有多次噴發(fā)的特點，在其間歇面上沉積了泥巖、泥礫巖、砂巖和褐煤。多數(shù)噴發(fā)末尾形成氣孔狀玄武巖和玄武巖古風化殼，厚2～5 m，玄武巖產(chǎn)狀近水平，微傾向北東。東南部與北部受太古界巖漿侵入與后期構(gòu)造抬升影響，主要巖性為閃長巖、花崗巖，東部以凝灰?guī)r為主。中部為洪積、湖積、沖積。

1.4 地質(zhì)構(gòu)造

研究區(qū)內(nèi)有少部分斷裂構(gòu)造，整體規(guī)模不大。走向及性質(zhì)不盡相同，按其走向發(fā)育方向可劃分為北東向、北北東向、北西向和近東西向。測區(qū)內(nèi)斷裂大部分被玄武巖和第四系覆蓋，地表斷裂形跡不明顯，區(qū)域斷裂帶可見串珠狀泉水發(fā)育。

2 水文地質(zhì)條件

2.1 含水巖組特征

研究區(qū)主要含水巖組空間結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括玄武巖、松散巖類、碎屑巖類和花崗巖類。玄武巖多裸露在地表或在表層第四系覆蓋下，是區(qū)內(nèi)分布最廣的含水層。玄武巖層厚且多呈塊狀，據(jù)鉆探揭露，巖層氣孔多閉合，有效裂隙率低。熔巖臺地的玄武巖地勢高，匯水面積小，地下水潛水面埋深大、水量小，取水不便。由于泥巖或不透水玄武巖層的阻斷，部分熔巖臺地有上層滯水，水質(zhì)差且水量小，不具集中供水意義。另玄武巖多期噴發(fā)間歇有泥巖沉積，形成了玄武巖含水層的多層性，層間水力聯(lián)系差，特別是在西部泥巖隔水性良好，構(gòu)成了早期承壓-半承壓含水層和晚期潛水含水層。承壓水含水性不均一性強，勘探難度大。研究區(qū)內(nèi)除溝谷或斷裂影響區(qū)玄武巖含水層富水性較好外，其他地區(qū)富水性多為貧乏-極貧乏。砂礫巖位于玄武巖之下，除油簍溝-張北縣一帶外埋藏較淺且富水性較好外，其余埋藏過深開發(fā)難度大?；◢弾r、閃長巖等侵入巖區(qū)構(gòu)造不發(fā)育，含水巖組裂隙率低，且多處于補給區(qū)，富水性多為貧乏。

圖2 研究區(qū)立體水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Three dimensional hydrogeological structure diagram of study area

2.2 地下水補給、徑流、排泄條件

地下水的補徑排條件主要取決于地形、構(gòu)造及人類活動。區(qū)內(nèi)玄武巖或花崗巖等多位于補給區(qū)，主要接受降雨入滲補給。如圖2所示玄武巖熔巖臺地區(qū)地下水徑流方向主要受地形控制，以泉的形式分散排泄為主。但在局部裂隙孔洞發(fā)育處或斷裂帶影響區(qū)，形成導(dǎo)水通道。河谷區(qū)徑流以水平流動為主，水力梯度小，與地表河流流向一致，匯入下游湖淖區(qū)。

由于人為超采地下水嚴重，原本統(tǒng)一的安固里淖地下水系統(tǒng)流場目前已可分為6個次級流動系統(tǒng)，水動力條件改變加劇了地下水短缺的狀況。

3 典型蓄水構(gòu)造模式

3.1 補給徑流-接觸型

圖3 補給徑流-接觸型泉水剖面圖Fig.3 Profile of recharge runoff-contact spring

研究區(qū)西部三臺河兩岸早晚兩期玄武巖間存在連續(xù)的泥巖隔水層，晚期玄武巖覆蓋在地表，裂隙孔洞較多，發(fā)育水力聯(lián)系統(tǒng)一的潛水含水層。地下水受地形控制向下游徑流，在地形切割至泥巖隔水底板處出露成泉，如圖3所示。沿河谷泉水點較多且水量較大，形成由地形和巖性復(fù)合控制的蓄水構(gòu)造模式。如圖1所示，經(jīng)調(diào)查統(tǒng)計，僅流量超過100 m3/d的泉水，在大河鎮(zhèn)-單晶河鄉(xiāng)的三臺河兩岸就有二十余處。在同一緯度，河兩岸泉水水位高程相近，整體上由南向北泉水水位減小，與區(qū)域地下水位一致。

如圖1中所示，玄武巖含水層與Ⅰ4-1-1次級流動系統(tǒng)統(tǒng)一，每個泉域為一個獨立的裂隙溶洞含水巖組局部系統(tǒng)，表層裂隙及孔洞發(fā)育，玄武巖孔洞直徑多在0.5～8 mm，多數(shù)無填充，降雨垂向入滲后，受地形與泥巖隔水底板控制，地下水由次級徑流帶向主徑流帶匯集成泉排泄到地表徑流，形成一座座沿河的地下水庫。其中邢家梁村(圖4)泉水流量超過1 500 m3/d，一般流量在100～800 m3/d。經(jīng)取樣測試，泉水pH=7.5～8.2，溶解性總固體269.1～439.8 mg/L，水化學(xué)類型為HCO3-Ca或HCO3-Ca·Mg型水，符合飲用水標準。

圖4 邢家梁泉點地貌圖Fig.4 Geomorphic map of Xingjialiang spring

3.2 補給徑流-侵蝕型

南部玄武巖覆蓋區(qū)較全區(qū)雨水量最大，地下水補給較充足，如圖5(a)所示，松散層多分布于溝谷區(qū)且厚度較薄，玄武巖分布廣，是區(qū)域的主要含水巖組。本區(qū)域玄武巖風化裂隙發(fā)育，據(jù)調(diào)查剖面與鉆探測井記錄，表層玄武巖強-中風化層多厚6～15 m，氣孔、裂隙較多，通過大地電磁測深法(EH-4)斷面與測井，玄武巖風化殼多表現(xiàn)為20～40 Ω·m的低電阻率值。下伏塊狀玄武巖電阻率值多為60～100 Ω·m，為相對隔水巖層。F1斷裂為區(qū)域性正斷層，沿斷裂帶形成優(yōu)勢導(dǎo)水通道，熔巖臺地玄武巖含水層為以散流為主的風化裂隙水，地下水向裂隙孔洞發(fā)育處流動富集，在斷裂穿越的溝谷區(qū)即圖5(a)中石頭囫圇、南灘、河西村附近形成富水段，同時在地形切割較深處出露成泉，如圖5(c)所示，形成由構(gòu)造和地形復(fù)合控制的串珠狀富水帶。

如圖5(a)所示，研究區(qū)此類蓄水構(gòu)造主要分布在張北-沽源斷裂帶[13]穿越的玄武巖溝谷中，地下水以泉的形式排泄形成地表徑流，如圖5(b)所示，河西村泉水流量可達270.4 m3/d，經(jīng)取樣測試pH 8.01，溶解性總固體338.0 mg/L，水化學(xué)類型為HCO3-Ca·Mg型水，符合飲用水標準。

3.3 含水巖組蓄水型

在熔巖臺地區(qū)，上層滯水無法飲用。下層水有以下兩種情況。一是玄武巖層較厚時(厚度大于100 m)，其多次噴發(fā)的間歇期發(fā)育有古風化殼，且沉積一定厚度的黏土或砂礫石層，噴發(fā)間歇期越長，沉積層越厚，一般黏土層或泥巖電阻率值較低，為10～20 Ω·m；砂礫石電阻率較高。若沉積物以砂礫石為主，則古風化殼與沉積層可構(gòu)成層間孔隙-孔洞含水層，在物探剖面上為似層狀的低阻帶。但經(jīng)過本次水文地質(zhì)地面調(diào)查、物探與鉆探測井驗證，研究區(qū)噴發(fā)間歇玄武巖風化殼孔洞多，但有效裂隙率低，富水性差。早晚兩期玄武巖間隔期最長，沉積層以泥巖為主。其余噴發(fā)間歇時間較短，沉積層多以泥礫巖或砂礫巖為主，但厚度較薄，僅可作為小型居民點供水水源。在選擇此層為含水層靶層時要反復(fù)斟酌。

圖5 補給徑流侵蝕型蓄水構(gòu)造水文地質(zhì)與地貌實景圖Fig.5 Hydrogeological and geomorphic map of recharge runoff-erosion water storage structure

圖6 玻璃彩村水文地質(zhì)圖Fig.6 Hydrogeological map of Bolicai Villiage

二是玄武巖蓋層較薄時(厚度小于100 m)，研究區(qū)漢諾壩組玄武巖下伏地層為古近系-白堊系泥巖夾砂礫巖地層，砂礫巖孔隙裂隙較多，其富水性與水質(zhì)相對較好，可作為目標含水層。巖性從玄武巖-砂礫巖為主-泥巖為主，視電阻率反映為高阻-次高阻-低阻的變化特性。砂礫巖含水層富水性受巖性、構(gòu)造、地貌的綜合影響。此外，裂隙孔洞發(fā)育的玄武巖層也可作為目標含水層，因此找水靶層為次高阻層和高阻層。如圖6玻璃彩村位于河谷西側(cè)緩坡，處于地貌匯水有利位置。巖性從瞬變電磁(TEM)視電阻率上推測玄武巖厚90 m左右；90～150 m為次高阻帶，推測為以砂礫巖為主的碎屑巖；150～250 m為低阻帶，推測為以泥巖為主的碎屑巖。鉆探結(jié)果如圖7所示與物探解譯結(jié)果一致。水量1 154.4 m3/d，經(jīng)測試，pH=7.83，溶解性總固體含量(TDS)426.4 mg/L，水化學(xué)類型為HCO3-Na型，符合飲用水標準。

研究區(qū)受風力發(fā)電和超高壓密集影響，許多物探方法受干擾強烈效果不佳，本次經(jīng)過在玄武巖區(qū)多次試用不同的物探方法，總結(jié)出以瞬變電磁法為主了解地層空間結(jié)構(gòu)、音頻大地電場法或高密度法為輔摸清100 m以淺巖性結(jié)構(gòu)及構(gòu)造位置走向。鉆探前時依據(jù)物探與調(diào)查推斷泥巖深度及厚度，結(jié)合實際情況下入濾水管和套管，防止泥巖縮徑塌孔。

3.4 斷裂帶集水蓄水型

導(dǎo)水性斷裂具有貯水空間、集水廊道、導(dǎo)水通道的作用，多組小斷裂集中發(fā)育的位置往往能形成水力聯(lián)系密切的裂隙網(wǎng)絡(luò)，發(fā)育由構(gòu)造控制的網(wǎng)狀裂隙水。研究區(qū)熔巖臺地玄武巖或北部閃長巖多呈塊狀，集水面積小，富水性多為極貧乏。在這些地區(qū)找水難度大，尋找由小構(gòu)造控制的局部富水帶是解決當?shù)仫嬎畣栴}的主要途徑。經(jīng)地面調(diào)查與大地電磁測深(EH-4)發(fā)現(xiàn)大堆村北閃長巖侵入?yún)^(qū)有一垂向低阻帶，推測該處發(fā)育高角度斷裂破碎帶。如圖8所示，經(jīng)鉆探揭露67.7～85.0 m為斷層破碎帶，涌水量達578.2 m3/d。經(jīng)取樣測試，pH 7.56，溶解性總固體 452.1 mg/L，水化學(xué)類型為HCO3-Ca·Mg·Na型水，符合飲用水標準。

圖7 玻璃彩村TEM視電阻率斷面圖與鉆孔剖面圖Fig.7 TEM apparent resistivity profile and borehole profile of Bolicai Villiage

圖8 大堆村EH-4視電阻率斷面圖與鉆孔剖面圖Fig.8 EH-4 apparent resistivity profile and borehole profile of Dadui Villiage

該斷層破碎帶寬度約50 m，為角礫巖、壓碎巖在脆性巖石中的張性斷層，破碎帶由碎塊狀斷層角礫巖及壓碎巖構(gòu)成。角礫呈棱角狀和次棱角狀，未膠結(jié)，孔隙率高，透水性良好，含水豐富。斷層破碎帶寬50 m，深度達300 m，裂隙發(fā)育，下盤和上盤完整巖石構(gòu)成相對隔水的邊界，形成良好的儲水空間。上部匯水面積較大，接受大氣降水補給與周圍風化裂隙水，有穩(wěn)定的補給源。

在塊狀基巖區(qū)定井應(yīng)依靠遙感與地面調(diào)查尋找斷層行跡，如串珠狀泉，臨近井點水位或水化學(xué)差異大的地區(qū)。在基巖覆蓋區(qū)應(yīng)先用大范圍物探儀器尋找電阻率異常帶，再通過高密度物探如音頻大地電場、激電法、激發(fā)極化法等確定電阻率陡降帶，特別是在勘查構(gòu)造裂隙中富水性較好的地段時電法較為適合。

4 找水方向與開發(fā)技術(shù)方法

4.1 風化裂隙孔洞水

風化裂隙孔洞水是玄武巖地區(qū)常見的地下水類型，在地形和水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)有利的部位可形成潛水富水段，如侵蝕型、接觸型泉等蓄水構(gòu)造。開采方式以蓄水池或100 m以淺機井為主，可作為村鎮(zhèn)等小型居民點取水源。

4.2 玄武巖或侵入巖構(gòu)造裂隙水

研究區(qū)內(nèi)存在張北-沽源斷裂和一些次級斷裂構(gòu)造，在玄武巖或侵入巖貧水區(qū)中斷裂穿越的位置，可形成富水塊段。如大堆，通過尋找隱伏于松散層之下的斷層，獲得了優(yōu)質(zhì)飲水井。開采方式以機井為主，可作為小型居民點取水源。

4.3 風化殼等層間孔隙孔洞水

在玄武巖噴發(fā)間歇期形成古風化殼-氣孔狀玄武巖層或玄武巖夾碎屑巖含水層。根據(jù)夾層巖性與地貌差異，富水性極度不均一，水量2～150 m3/d。開采方式以100～200 m深機井為主，可作為小型居民點取水源。

4.4 碎屑巖孔隙裂隙水

在玄武巖蓋層厚度小于100 m的區(qū)域，特別是河谷或斷裂穿越區(qū)，尋找下伏巖性以砂礫巖為主的孔隙裂隙含水層是快速、準確獲得中型以上水源地、解決區(qū)內(nèi)集中供水的可靠途徑。如在玻璃彩實施的探采結(jié)合井，出水量超過1 000 m3/d，可作為鄉(xiāng)鎮(zhèn)或大型居民點取水源。

5 結(jié)論

(1)安固里淖內(nèi)流區(qū)玄武巖和侵入巖含水層整體富水性為貧乏-極貧乏，含水層富水性受地貌、巖性、構(gòu)造、噴發(fā)旋回層、古風化殼和下伏碎屑巖層等多因素制約。在地形、構(gòu)造、地層組合控制下，地下水向主徑流帶匯流，沿主徑流帶和構(gòu)造帶形成富水塊段。受多期噴發(fā)的影響，玄武巖含水層有多層性特點，地下水主要賦存在裂隙孔洞發(fā)育的玄武巖層和砂礫巖層，泥巖-砂礫巖-玄武巖地層的視電阻率多表現(xiàn)為低阻-次高阻-高阻的變化，因此找水目標層位為次高阻和高阻。

(2)在玄武巖區(qū)采取以瞬變電磁法為主，音頻大地電場法或高密度法為輔的勘探方法，可有效排除既有電場干擾、了解玄武巖與沉積層的巖性空間結(jié)構(gòu)、構(gòu)造位置走向。在花崗巖區(qū)采用電法勘查構(gòu)造裂隙較為適合。

(3)安固里淖內(nèi)流區(qū)地下水蓄水構(gòu)造主要可分為補給徑流-侵蝕型、補給徑流-接觸型、斷裂帶集水蓄水型、含水巖組蓄水型4種。通過水文地質(zhì)調(diào)查，探明了含水巖組空間結(jié)構(gòu)，確定了安固里淖基巖區(qū)風化裂隙孔洞水、玄武巖或侵入巖構(gòu)造裂隙水、風化殼等層間裂隙水、碎屑巖孔隙裂隙水4個找水方向。在實際找水打井時應(yīng)因地制宜，結(jié)合水資源需求規(guī)劃確定目標供水層位。