武漢市黃陂區(qū)紅層地下水含水層特征及富集規(guī)律

宗 維，杜小鋒，周 峰，龔志愚

(湖北省地質(zhì)調(diào)查院,湖北 武漢 430034)

紅層一般指中、新生界陸相沉積占絕對優(yōu)勢的地層,在湖北省尤其是江漢平原地區(qū)廣泛分布。由于紅層易風化,在地貌形態(tài)上均形成紅色盆地、斜地等單斜緩坡、坪臺、丘陵地形,巖性多以泥巖、泥質(zhì)膠結的各種砂礫巖為主,上世紀80年代之前經(jīng)驗認為紅層一般為貧水層或無水層[1],無法作為供水水源。80—90年代在浙江、湖南、江西等地區(qū)開展了盆地、平原區(qū)紅層地下水的形成條件、賦存規(guī)律的研究[2-5],2000年之后許多學者在西南山區(qū)嚴重缺水紅層地區(qū)進行了大量的工作,論述了紅層地下水的賦存條件及規(guī)律,對紅層缺水地區(qū)地下水找水工作和勘查示范進行了總結[6-10]。近年來隨著社會工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展,地表水資源開發(fā)與效益已不能滿足人民日常生產(chǎn)生活的需求,在紅層區(qū)找到相對富水區(qū)域對國民經(jīng)濟持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展具有重要意義[11]。

武漢市黃陂區(qū)位于武漢市北部,地跨東經(jīng)114°09′～114°37′,北緯30°40′～31°22′,總面積2 256.7 km2。黃陂區(qū)近年來結合自身資源條件發(fā)展迅速,紅層地區(qū)工農(nóng)業(yè)、居民生活用水需求量與日俱增,開展紅層區(qū)的地下水含水層特征及賦存規(guī)律研究工作有利于指導找到水量較大、水質(zhì)良好的生產(chǎn)和生活用水。

1 紅層地質(zhì)背景

武漢市黃陂區(qū)位于大別山南坡和江漢盆地北緣,大地構造位置跨及秦嶺—大別造山帶和揚子陸塊北緣。整體地勢呈北高南低,北部為構造剝蝕低山丘陵,主要出露南華紀武當群雙臺組變質(zhì)巖,構造特征表現(xiàn)為一系列北西向背、向斜,并發(fā)育規(guī)模不等的NW、NE向斷裂,燕山期巖漿活動強烈,夏店巖體和研子崗巖體侵入于背斜構造之核部。黃陂區(qū)中、南部地貌屬剝蝕堆積崗狀平原、河流沖積平原,多為第四系覆蓋,局部出露白堊紀—古近紀公安寨組碎屑巖,鉆孔資料顯示,南部隱伏地層主要有石炭紀大埔組、黃龍組，二疊紀梁山組、棲霞組、孤峰組、龍?zhí)督M、大隆組，三疊紀大冶組等。

紅層分布于黃陂區(qū)內(nèi)西部李家集街、祁家灣街,西南部天河街、橫店街、灄口街,東南部六指街、三里橋街、武湖街一帶。紅層區(qū)交通便利,黃陂區(qū)主要公路、高速公路、鐵路主要建設在紅層區(qū)上,地貌以沖積平原、剝蝕堆積崗地平原為主,地勢平坦,海拔在16～60 m。紅層在黃陂區(qū)內(nèi)地表出露面積約11.94 km2,第四系多覆蓋紅層之上,隱伏紅層面積為916.98 km2,紅層發(fā)育面積約占黃陂區(qū)總面積的41.16%(圖1)。

圖1 黃陂區(qū)紅層分布范圍Fig.1 Distribution range of red bed in Huangpi District1.地名；2.高速公路；3.主要公路；4.水系；5.湖泊水庫；6.紅層出露區(qū)；7.紅層隱伏區(qū)。

紅層主要為白堊紀—古近紀公安寨組(K2E1g)地層,巖性總體單一,地層厚度在500 m以上,黃陂區(qū)內(nèi)未見底,呈角度不整合覆蓋于前白堊紀不同時代地層之上。主要為一套棕紅色—紫紅色為主的碎屑巖系,由礫巖、砂礫巖、含礫砂巖、砂巖、泥巖構成的多個韻律層疊覆而成,局部見夾厚度不等的灰—灰綠色玄武巖,碎屑巖呈厚層—巨厚層狀,發(fā)育塊狀層理、平行層理、水平層理、斜層理、交錯層理等。

2 紅層地下水類型及含水巖組特征

2.1 紅層地下水類型

中國最常用的含水層分類是根據(jù)含水層的孔隙類型,將其劃分為孔隙含水層、裂隙含水層和巖溶含水層三類,相對應的地下水也分為名稱相同的三大類型[12]。黃陂區(qū)紅層主要由公安寨組礫巖、砂礫巖、含礫砂巖、砂巖、泥巖等組成,屬碎屑巖,地質(zhì)構造簡單,具明顯的成層性,巖石具有明顯的孔隙性及裂隙性,形成層間孔隙裂隙含水層。按含水層的導水和儲水空隙形態(tài)特征分類,黃陂區(qū)紅層地下水類型主要屬于裂隙水,部分風化裂隙含水層具有孔隙水的特征。

黃陂區(qū)內(nèi)紅層風化孔隙水位于紅層表部的風化巖層中,含水層呈面狀,一般為潛水,分布范圍局限,動態(tài)變化大,富水性受地形、巖性、構造裂隙發(fā)育程度影響,富水性弱,水量貧乏,枯水期水量減少幅度大,不具備找水意義。

區(qū)內(nèi)紅層層間裂隙水屬承壓水,分布廣泛,水量相對豐富,大部分上覆第四系粘性土層,為區(qū)內(nèi)紅層找水目的層,但區(qū)內(nèi)不同地區(qū)存在明顯差異性,富水性呈現(xiàn)不均一性。

2.2 含水巖組及富水性

黃陂區(qū)紅層層間裂隙水屬白堊紀—古近紀公安寨組裂隙含水巖組,層間裂隙水賦存于白堊紀—古近紀公安寨組碎屑巖裂隙中,含水層巖性為粉砂巖、細砂巖及砂礫巖等。

黃陂紅層區(qū)內(nèi)收集到的11口紅層裂隙水水文地質(zhì)鉆孔(圖2)均位于紅層隱伏區(qū),上部為第四系覆蓋,西部6口水文地質(zhì)鉆孔位于李家集街—祁家灣街沿線,黃陂區(qū)南部武湖街—三里橋街分布5口水文地質(zhì)鉆孔,每口鉆孔均進行了鉆孔取芯、巖芯編錄及抽水試驗。

圖2 黃陂區(qū)水文地質(zhì)鉆孔分布Fig.2 Distribution of hydrogeological drillings in Huangpi District1.主要街道；2.紅層出露區(qū)；3.紅層隱伏區(qū)；4.水系；5.水文地質(zhì)鉆孔。

水文地質(zhì)鉆孔資料(表1)顯示,黃陂區(qū)紅層裂隙水含水層頂板埋深一般8.8～30.3 m,上部被第四系覆蓋,區(qū)域上第四系由北向南厚度有增大趨勢,紅層在黃陂區(qū)內(nèi)未被揭穿,水文地質(zhì)鉆孔最大揭露深度為200 m,水位一般埋深在1.4～12.2 m。由于各個水文地質(zhì)鉆孔地理位置、地形地貌、含水層的巖性組合、構造裂隙發(fā)育程度等的不同,各水文地質(zhì)鉆孔抽水試驗數(shù)據(jù)顯示富水性極不均一,九河港鉆孔(SZK19113)、大屋寨鉆孔(SZK19111)抽水試驗顯示,紅層裂隙水水量豐富,該區(qū)域涌水量分別達到372 m3/d及345.6 m3/d,單位涌水量分別為0.278 L/s·m及0.192 L/s·m;長堤村鉆孔(SW047)抽水試驗涌水量為187.68 m3/d,單位涌水量為0.319 L/s·m,紅層裂隙水富水性等級屬較豐富;祝站鎮(zhèn)鉆孔(SZK19114)、建設村鉆孔(SZK19112)涌水量分別為98.5 m3/d、64.1 m3/d,單位涌水量分別為0.033 L/s·m、0.107 L/s·m，紅層裂隙水水量中等;其他水文地質(zhì)鉆孔紅層裂隙水富水等級均為貧乏—較貧乏,單位涌水量均不超過0.01 L/s·m。區(qū)域上紅層碎屑巖中常見玄武巖夾層,橋頭李鉆孔(SZK19108)、原種場二大隊鉆孔(SW028)的抽水試驗結果顯示,兩口鉆孔玄武巖裂隙水涌水量分別為0.93 m3/d和8.88 m3/d,水量極貧乏,不具有開發(fā)利用價值。

表1 黃陂區(qū)紅層裂隙水鉆孔統(tǒng)計表Table 1 Statistics of hydrogeological drillings in red beds fissure water in Huangpi District

根據(jù)《地下水質(zhì)量標準》(GB/T 14848—2017)對區(qū)內(nèi)17件樣品的水質(zhì)分析結果進行綜合評價,結果顯示黃陂區(qū)紅層裂隙水水質(zhì)達標比例為52.9%,黃陂區(qū)內(nèi)紅層地下裂隙水大多可直接開采利用,但在工業(yè)開發(fā)程度較高、人口較密集區(qū)域進行地下水開采時,需經(jīng)過相應的處理后合理開發(fā)。

3 紅層裂隙水賦存條件及富集規(guī)律

武漢市黃陂區(qū)紅層地質(zhì)構造簡單,上部多被第四系覆蓋,紅層產(chǎn)狀平緩,為單斜地層,所在區(qū)域地勢起伏小,紅層區(qū)少見斷裂帶。黃陂區(qū)西部李家集—祁家灣一帶紅層鉆孔中巖石多以礫巖、砂巖、砂礫巖為主,東南部三里橋街—武湖街一帶紅層鉆孔巖石多為泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖等,兩地鉆孔中均發(fā)現(xiàn)玄武巖。不同區(qū)域紅層的富水性差異較大,紅層水文地質(zhì)鉆孔富水性等級自貧乏至豐富均有分布。根據(jù)區(qū)內(nèi)不同區(qū)域紅層的特點分析討論,黃陂區(qū)紅層地下水具有以下賦存條件及富集規(guī)律。

3.1 砂、礫巖占比影響紅層富水性

紅層巖性以礫巖、砂礫巖、砂巖、泥巖為主,在宏觀尺度上是形成不等厚互層的巖組。砂巖、砂礫巖、礫巖層等力學強度高,在構造作用下容易產(chǎn)生裂隙,裂隙密度較小,張開度較大,延伸較遠,穿切性強,具有良好的透水性,常成為地下水存儲、運移的良好通道。泥巖層力學強度低,巖石裂隙窄短,分布較密,即使局部發(fā)育張性裂隙,也常常被其本身破碎的泥質(zhì)產(chǎn)物充填,裂隙的透水性一般較弱,成為相對隔水層[13]。

三里橋街—武湖街(圖3)水文地質(zhì)鉆孔的連井剖面顯示,砂巖作為富水層在鉆孔中所占比重直接影響紅層地下水的富集程度。黃陂區(qū)東南部三里橋街—武湖街一帶沙口農(nóng)場鉆孔(6-13)、三閘村鉆孔(6-17)、周家咀鉆孔(SW043)三口鉆孔中巖性為泥質(zhì)粉砂巖,巖石呈塊狀,節(jié)理裂隙不發(fā)育,多為泥質(zhì)膠結,富水性屬貧乏—較貧乏;而長堤村鉆孔(SW047)揭露巖石為粉砂巖,粉砂巖中風化,厚度大且連續(xù),巖石節(jié)理裂隙相對發(fā)育,具有富水條件,可形成規(guī)模較大的富水塊段。

圖3 三里橋街—武湖街水文地質(zhì)鉆孔連井剖面Fig.3 The well section of hydrogeological drillings from Sanliqiao to Wuhu1.第四系；2.上覆第四系；3.礫巖；4.砂巖；5.粉砂巖；6.抽水試段；7.公安寨組；8.上覆基巖；9.玄武巖；10.泥巖；11.泥質(zhì)粉砂巖。

3.2 軟硬相間巖層對蓄水有利

在紅層區(qū)域找水需尋找砂巖與泥巖、礫巖與泥巖互層的巖性組合段,軟硬相間巖層裂隙更發(fā)育,形成儲水構造,才是更具有供水意義的含水層。本次勘探結果表明,巖性單一的砂巖、礫巖、泥巖等地段的水井,水量較小,富水性屬貧乏—較貧乏。

在李家集街—祁家灣街一帶,水文地質(zhì)鉆孔揭露紅層以發(fā)育厚度大且連續(xù)的礫巖、砂巖、砂礫巖為主,巖石中節(jié)理裂隙發(fā)育,具有富水條件。抽水試驗數(shù)據(jù)顯示黃陂區(qū)西部紅層總體涌水量比東南側紅層大,符合砂、礫巖占比影響紅層富水性的規(guī)律,但區(qū)域內(nèi)紅層富水性差異極大,紅層裂隙水涌水量自豐富至極貧乏,影響西部地區(qū)紅層裂隙水含水量大小的因素在于巖性的變化。

李家集街—祁家灣街(圖4)水文地質(zhì)鉆孔連井剖面顯示,建設村鉆孔(SZK19112)、黃土里鉆孔(SZK19115)最大涌水量分別為64.1 m3/d、2.7 m3/d,涌水量較西部地區(qū)其他鉆孔少。建設村鉆孔(SZK19112)中紅層巖性為粉砂巖、細砂巖,黃土里鉆孔(SZK19115)紅層巖性為砂巖、砂礫巖,巖石節(jié)理裂隙較發(fā)育,具有地下水運移的通道,但區(qū)域內(nèi)紅層產(chǎn)狀近水平,難以形成大型的蓄水構造[14],沒有泥質(zhì)巖石的阻隔蓄水則難以形成穩(wěn)定的含水層。

圖4 李家集街—祁家灣街水文地質(zhì)鉆孔連井剖面Fig.4 The well section of hydrogeological drillings from Lijiaji to Qijiawan1.第四系；2.上覆第四系；3.礫巖；4.砂巖；5.粉砂巖；6.泥質(zhì)粉砂巖；7.公安寨組；8.玄武巖；9.泥巖；10.鈣質(zhì)砂巖；11.抽水試段。

而另外三口紅層鉆孔中,大屋寨鉆孔(SZK19111)、九河港鉆孔(SZK19113)水量豐富,祝站鎮(zhèn)鉆孔(SZK19114)富水性等級接近中等,皆是由于鉆孔中存在砂泥互層的現(xiàn)象。當砂巖、泥巖以互層狀產(chǎn)出時,由于兩者的抗拉、抗壓強度不同,泥巖常呈塑性展布而在脆性的砂巖中常呈張開的裂隙,成為較好的含水層。大屋寨鉆孔(SZK19111)、九河港鉆孔(SZK19113)兩口鉆孔巖性以發(fā)育大套含鈣質(zhì)砂巖、砂礫巖等為主,巖石節(jié)理裂隙發(fā)育,砂巖、砂礫巖、礫巖厚度大,在鉆孔巖石中所占比重大,常夾有薄層泥巖、泥質(zhì)粉砂巖等相對隔水層,為地下水的存儲、運移提供了良好的條件。而祝站鎮(zhèn)鉆孔(SZK19114)中巖性以泥質(zhì)粉砂巖、礫巖、砂巖為主,雖存在砂泥互層現(xiàn)象,但由于砂、礫巖在鉆孔紅層中所占比例不高,鉆孔巖芯完整,泥質(zhì)含量高,膠結程度較高,節(jié)理裂隙常被泥質(zhì)充填,地下水難以通過大氣降水入滲補給。

3.3 玄武巖層富水性差

黃陂區(qū)紅層中常見玄武巖夾層,該套玄武巖發(fā)育多層結構,巖石完整,無破碎,呈塊狀,其中基質(zhì)具間粒結構,氣孔—杏仁狀構造,氣孔—杏仁體外形呈不規(guī)則狀、近圓狀,被灰白色石英脈充填。因在間歇性順層噴溢過程中,節(jié)理裂隙易發(fā)育,但后期多充填灰白色石英脈,玄武巖整體透水性差(照片1)。橋頭李鉆孔(SZK19108)、原種場二大隊鉆孔(SW028)分別位于紅層區(qū)東西兩側,玄武巖在鉆孔中未被揭穿,厚度較大,對鉆孔中玄武巖段進行的抽水試驗顯示,兩口鉆孔涌水量均在10 m3/d以下,水量極貧乏,故而在區(qū)內(nèi)紅層區(qū)找水應避開巨厚玄武巖層。

照片1 玄武巖中灰白色石英脈充填Photo 1 Quartz vein in basalt

3.4 低山丘陵與平原地貌交界處開發(fā)潛力大

以西部紅層區(qū)為例,黃陂紅層地區(qū)總體地勢平坦,地貌位于剝蝕堆積崗狀平原及沖積平原地區(qū),紅層為單斜地層,產(chǎn)狀平緩,匯水面積大,區(qū)內(nèi)大部分被第四系覆蓋,第四系粘性土的存在使地表水體下滲較困難,地下水主要接受來自紅層北方云霧山、石門山一帶低山丘陵區(qū)的側向補給,少量接受上覆第四系土層的入滲補給。

對李家集—祁家灣一帶紅層裂隙水的橋頭李鉆孔(SZK19108)、大屋寨鉆孔(SZK19111)、九河港鉆孔(SZK19113)、黃土里鉆孔(SZK19115)等水文地質(zhì)鉆孔靜水位標高統(tǒng)計,西部紅層裂隙水的徑流方向總體由北往南徑流,補給來源為北側云霧山、石門山地區(qū)(圖5)。

圖5 紅層裂隙水補徑排示意圖Fig.5 Recharge,runoff and discharge of fissure groundwater in the red beds1.粉質(zhì)粘土;2.粘土;3.砂巖;4.片巖;5.地下水位線;6.地下水流向;7.全新世走馬嶺組;8.晚更新世下蜀組;9.中更新世王家店組;10.白堊紀—古近紀公安寨組;11.南華紀雙臺組。

云霧山、石門山一帶,發(fā)育有震旦紀燈影組白云巖、灰?guī)r,盆地形成時就作為西側紅層的補給物源區(qū)。大屋寨鉆孔(SZK19111)、九河港鉆孔(SZK19113)等水文地質(zhì)鉆孔中,砂巖遇稀鹽酸起泡劇烈,鈣質(zhì)含量較高,而鈣質(zhì)膠結的厚層砂巖在較強構造力作用下切穿多層,其裂隙分布的距離較大,能保持張開的性能,含水性強[15],鉆孔涌水量數(shù)據(jù)也印證了鈣質(zhì)砂巖對富水性的影響。

因此,在黃陂區(qū)內(nèi)可向西北部李家集—云霧山、石門山一帶紅層區(qū)布設鉆孔尋找豐富的紅層裂隙水,該地區(qū)位于紅層與低山丘陵區(qū)交界處,紅層沉積物來源有較多灰?guī)r成分,鈣質(zhì)含量高,多為鈣質(zhì)膠結,在地下水的長期作用下,巖溶作用較強烈,易形成溶孔、溶蝕裂隙、溶洞等,含水量豐富,同時具有良好的匯水條件及較近的補給通道,具有較大的開發(fā)利用潛力。

4 結論

黃陂區(qū)紅層多發(fā)育在區(qū)內(nèi)中、南部沖積平原、剝蝕堆積崗地平原地區(qū),多被第四系覆蓋,紅層裂隙水主要賦存于白堊紀—古近紀公安寨組碎屑巖裂隙中,鉆孔抽水試驗涌水量在0.93～372 m3/d,不同地區(qū)富水性差異大,呈現(xiàn)不均一性,局部鉆孔深部可形成承壓水,動態(tài)變幅較小。通過選取部分民井及鉆孔水樣進行水質(zhì)分析檢測,紅層裂隙水總體水質(zhì)較好,大部分紅層地下裂隙水可直接開采利用,在水體污染較高的區(qū)域地下水需經(jīng)過相應的處理后合理開發(fā)。

在區(qū)內(nèi)尋找具有開發(fā)價值的紅層裂隙水時,需遵循以下幾點規(guī)律：①尋找砂巖、砂礫巖連續(xù)發(fā)育且具有一定厚度的區(qū)域;②多注重砂、礫巖與泥巖互層地段;③避開巨厚玄武巖層;④關注紅層與低山丘陵區(qū)交界處鈣質(zhì)成分高的碎屑巖區(qū)域。