|
岩浆岩与变质岩分布区蓄水构造模式浅析——以胶东地区为例 刘春伟1,2，胡彩萍1,2，李传磊1,2，刘帅3，李波1,2，吴璇1,2，刘小天1,2 1 山东省地质矿产勘查开发局八〇一水文地质工程地质大队 2 山东省地下水环境保护与修复工程技术研究中心 3 山东省地质矿产勘查开发局第二水文地质工程地质大队(山东省鲁北地质工程勘察院) 第一作者：刘春伟，工程师，主要从事水文地质研究。 岩浆岩和变质岩区地下水，水质往往优良，但因富水性差异大，往往又是缺水区。寻找优质、稳定的地下饮用水可改善人民群众的生活，意义特别重大。寻找地下水，首先要分析水文地质条件，初步建立勘查区蓄水构造模型，有针对性设计物探找水定位方案，能够取得事半功倍效果。不同水文地质背景有不同的蓄水构造模式。本文在第七届青年人才托举工程项目(编号：2021QNRC001)和山东省地质勘查项目《山东省1∶5万区域水文地质调查(河头店、山前店幅)》项目资助下，以胶东岩浆岩和变质岩区为例，通过大比例尺水文地质调查成果总结和已有研究成果分析，结合地下水地质物探综合勘查案例，从水文、地形地貌、含水层岩性和地质构造4个方面，对岩浆岩地区的地下水富集机理进行分析，提出了断裂型、接触带型、岩脉型、洼地风化带型和多期变质作用形成的5种蓄水构造模式，并对各类蓄水构造特征进行了分析，同时总结了风化裂隙水、构造裂隙水和岩溶裂隙水3类岩浆岩、变质岩分布区裂隙水的找水方向。本文研究成果丰富了岩浆岩与变质岩缺水地区蓄水构造模式，对胶东地区地下水资源探寻具有一定的指导作用，可供全国其它地区找水勘查参考、借鉴。地下水约占地球上整个淡水资源的30%，是可供人类利用的重要淡水资源之一。裂隙水是水资源的重要组成部分，受社会生产活动广度和深度的限制，对基岩地区的水文地质研究相对较少。岩浆岩变质岩类裂隙水是我国分布最为普遍的地下水类型之一，具有埋藏深、储量小、分布不均的特点。通常将岩浆岩和变质岩地区富水性划分为<100 m3/d，地下水资源极度匮乏，也成为了制约当地经济发展和群众生活水平提高的一个重要原因。蓄水构造是基于山区找水实践总结而形成的、最具有中国特色的应用性成果，一经提出就得到了广泛运用，尤其是在我国贫困缺水区勘查找水过程中再次证明了其有效性和科学性，取得了丰硕成果。基于蓄水构造类型，结合综合物探方法刻画其空间结构，提出山区综合找水技术方法，提高找水定井的准确率。运用蓄水构造，探索地下水系统划分，在编图上与水文地质分区、地下含水系统、地下水流系统进行耦合，准确清晰指示了基岩地下水富集带。笔者等正是基于对胶东岩浆岩和变质岩缺水地区的认识，结合地下水勘查与大比例尺水文地质调查成果，从地下水的驱动力方向总结了蓄水构造模式，把生产性成果中蕴藏的科研思维提炼出来，为类似缺水地区解决生活用水困难提供借鉴。研究区属暖温带东亚大陆性季风型半湿润气候，四季分明，多年平均气温11.3℃，1月份多年平均气温为-3.8℃；7月份多年平均气温为24.6℃，降雨量650 mm左右。区内陆表水系发育，大面积位于五龙河流域。季节性降水极不均匀、地表水变率大，是胶东地区缺水的主因。研究区位于华北板块、胶辽隆起区、胶北隆起区南缘与胶莱凹陷北缘的交界部位，跨越两个大地构造单元。区内岩浆岩广泛分布，按时代岩性划分主要有中太古代橄榄岩、苏长辉长岩，新太古代黑云英云闪长岩、片麻岩，古元古代斜长角闪岩、花岗岩，中生代二长花岗岩、潜英安玢岩、斑岩等(图1)。图1 胶东地区地质简图 岩浆岩与变质岩在空间上具有区域成带分布特点，在时间上则显示多旋回活动的特点，在形成上具有多成因的特点，因此时空分布上的“区域成带性”、“多旋回性”和“多成因性”为研究区岩浆岩与变质岩分布的基本规律。研究区富水性分布极不均匀，地下水水位及水量受季节影响变化明显。在切割较深的中低山地区，地形起伏大，风化裂隙发育差，富水性弱，单井涌水量小于100 m3/d。在地势低洼、汇水条件良好的沟谷地带，受构造作用影响岩石裂隙发育，富水性较强，单井涌水量可达200～1000 m3/d。影响地下水富集程度的因素有气象水文、地形地貌、含水层介质的补给条件、构造条件及储水性能。其中气象水文是控制地下水补给的天然因素，地形地貌是控制地下水储存、运移和富集的最重要因素，含水层岩性则是地下水赖以生存的最基本条件。现将地下水富集因素按气象水文、地形地貌、含水层岩性和构造因素4类分述如下：研究区降水年际变化大，季节分配不均；且所处低山丘陵区，地下水及地表水空间分布极不均匀，因此气象水文造成的季节性缺水特征尤为明显。区内降雨季节分配不均和地表水系流率变化大，也进一步加剧了胶东地区岩浆岩与变质岩分布区的缺水程度。地形地貌是地层岩性、构造及地表水系以及新构造运动特征的综合反映，地下水的富集与地形地貌有着密切的联系。不同的地貌条件，地下水的补径排及富集特征不同。研究区地貌类型主要为微切割—弱剥蚀低山丘陵，结合调查的机井富水性与地貌类型统计分析(表1)，低山区沟谷汇集处地势低洼，地形连续性好，地下水和地表水从不同的方向汇聚于此，汇水面积较大，相互转换频繁，易形成相对富水块段，尤其在坡麓缓坡沟谷地带富水性强，平均单井涌水量高达240～720 m3/d；台地及丘陵缓坡受地形起伏影响，不易储存地下水，富水性较弱，平均单井涌水量为50～200 m3/d。表1 胶东地区机井调查点单井涌水量与地貌类型分析表
含水层岩性是决定地下水形成的物质基础，不但控制地下水水化学组成，也是影响地下水形成与富集的内因。地下水富集程度受含水岩组岩石成分、结构和构造影响较大，主要包括岩石的类型、力学特征及裂隙发育程度。一般情况下，强脆性岩石在地质构造作用下，更易形成裂隙发育且富水强的蓄水构造，而韧性岩石则相对较弱(表2)。研究区含水层岩性主要为花岗岩、闪长岩、片岩、安山岩及玢岩等，其中花岗岩、闪长岩为强脆性岩石，受外力作用下易产生构造裂隙，相对富水，平均单井涌水量90～120 m3/d；而片岩、安山岩及玢岩为韧塑性特征明显的岩石，受外力挤压变形后易形成填充型裂隙，储水空间小，富水性较弱，平均单井涌水量50～80 m3/d。
断裂构造是岩浆岩与变质岩分布区地下水的天然集水廊道和蓄水通道，是地下水富集的关键因素。(1)构造裂隙的发育形态。构造裂隙的发育形态主要包括网状风化裂隙、线状构造裂隙及构造破碎带三种。其中网状风化裂隙主要分布于岩浆岩、变质岩区的浅部(35 m以浅)，赋存风化裂隙水；构造裂隙及破碎带一般分布于深部(30～110 m)，呈线状、块状构造，赋存承压裂隙水。(2)构造裂隙的发育程度。岩石裂隙发育程度和深度受构造控制，而裂隙发育特征又直接影响含水层地下水储集程度。研究区岩石裂隙的分布特征主要以垂向构造裂隙为主，风化裂隙及构造破碎带发育较少；构造裂隙主要发育于30～50 m、80～110 m，裂隙率与钻孔主要含水层段明显吻合，表现为含水层发育愈深，构造裂隙发育程度愈剧烈，裂隙率愈大，富水性愈强(表3)。 注：本表按单井涌水量由小到大排序，(主)表示钻孔的主要含水层段。
蓄水构造是指含水层和隔水层按照一定的有利于蓄水的构造形式组合而成的不同水文地质单元，是由透水层(带)、隔水层(体)及地下水补给排泄条件组成的能在水交替循环过程中不断富集和储存地下水的开放性地质构造，既包括次生构造又包括原生构造。断裂型蓄水构造是岩浆岩与变质岩缺水地区找水定井中最常见的一类蓄水构造，对于不同透水性质的岩石，具有不同富水意义，包括断裂导水型及阻水型蓄水构造。其富水带水量的大小主要取决于断裂的力学性质、规模、岩石含水性及地下水补给条件等。断裂导水型蓄水构造，指张性断裂受拉伸作用，断裂带及围岩区域产生密集的构造裂隙或破碎带，形成良好的储水空间。在构造活动影响下，研究区张性断裂较为发育，如经水文地质调查与视电阻率垂向测深发现NE向丰仪断裂从栖霞市东大夼村南穿过，在0号点附近AB/2=10～180 m处有一“阶梯”状低阻异常，探采结合孔实施后，单井涌水量高达840 m3/d，降深11.98 m。受丰仪断裂构造作用，斜长角闪岩构造裂隙发育，在深度90～110 m处破碎明显，即该张性断裂形成了储水空间和集水廊道，加之地形低洼、地下水补给来源充足，因此在区域上形成条带状富水区(图2)。图2 栖霞丰仪断裂导水型蓄水构造视电阻率等值线断面图及水文地质剖面图 断裂阻水型蓄水构造，指压性、压扭性质的断裂受挤压作用，断裂带被断层泥或破碎岩石充填，形成隔水断层。在断裂的上盘、不同方向断裂带交汇或复合部位，地下水沿地形坡向汇集后，受其阻挡形成富水区。莱阳市西上庄村北受北西向压扭性断裂影响，英云闪长岩受力叠加造成岩石破碎剧烈，东侧岩石节理、裂隙发育，但断层西侧的岩石未受到该压扭性断裂影响，可作为相对隔水岩层，自东向西径流的地下水在断裂影响带内富集，形成条带状富水带(图3)。调查点HTDJ203机井井深180 m，单井涌水量达300 m3/d，降深21.56 m。
接触带型蓄水构造，指岩浆岩、变质岩体和围岩之间所形成的蓄水构造。不同期次岩浆岩变质岩或岩墙、岩脉及其与围岩接触带附近存在除围岩原有的各种裂隙外，还有后期侵入体形成的成岩裂隙和岩体间相互挤压作用下产生于围岩中的肿胀裂隙。当接触带垂直或斜交地下水流向时，在接触带部位形成条带状地下水富集带。不同时期花岗岩、闪长岩等脆性岩石在构造运动过程中，易在接触面部位形成线状的构造裂隙，在地势低洼、汇水条件良好的地形条件下，易形成富水区；片麻岩、片岩、安山质角砾岩等塑性特征明显的岩石，受外力挤压变形后易形成填充型裂隙，无良好储水空间，富水性较弱。例如莱阳市铁匠庄村东HTDJ083号机井受古元古代二长花岗岩和新太古代英云闪长岩的接触构造影响，在垂向深度40 m处构造裂隙发育，岩石破碎，加之良好的汇水条件，单井涌水量达600 m3/d，形成接触带导水型富水区(图4)。图4 接触带型蓄水构造水文地质剖面图 岩脉型蓄水构造，是指岩浆岩和变质岩中岩墙或脉体形成的蓄水构造。在岩浆岩和变质岩缺水地区，发育着多条不同走向、不同期次的侵入岩脉，岩脉在侵入过程中挤压围岩形成的构造裂隙、冷凝过程中形成的横向裂隙及后期构造运动过程中在岩脉两侧形成的羽状裂隙均为地下水提供良好的储水空间及导水通道，即形成岩脉型蓄水构造。岩脉型蓄水构造按岩脉本身的透水性及地下水径流的阻导作用，可分为阻水型和导水型蓄水构造。阻水型蓄水构造，裂隙主要发育在围岩接触带或脉体的外缘，而脉体本身裂隙不发育，当地下水垂直流经时，在岩脉的上游一侧形成富水区。该类型岩脉多为抗风化能力较弱的基性或中性岩脉，如闪长岩脉、玢岩岩脉等。例如经水文地质调查与视电阻率垂向测深发现，栖霞市吴家庄村南8号点处有一垂向“阶梯状”异常区，推测该处为一南北走向的岩脉。经ZG05号探采结合孔揭露，由南向北径流的地下水受斜长角闪岩脉阻挡，在东南上游一带形成富水区。该孔单井涌水量达480 m3/d，降深5.6 m(图5)。图5 岩脉阻水型蓄水构造视电阻率等值线断面图及水文地质剖面图 导水型蓄水构造，岩脉本身裂隙发育或岩脉周边围岩裂隙较为发育，为地下水提供良好的储水空间及导水通道，多为抗风化能力较强的酸性岩脉，如花岗斑岩岩脉、重晶石岩脉和部分矿物成分较单一的辉长岩脉等。例如经水文地质调查与视电阻率垂向测深发现，莱阳市瓦屋村北在21-30号点附近AB/2=210～300 m处有一高阻岩脉展布，其东西两侧低阻异常明显。结合HTDZK06号探采结合孔验证，受北东—南西向花岗斑岩侵入岩脉的影响，在深度30～35 m、80～100 m段垂向裂隙发育且破碎明显，加之良好的汇水条件，形成岩脉导水型富水区。该钻孔单井涌水量达620.64 m3/d，降深21.59 m(图6)。图6 岩脉导水型蓄水构造视电阻率等值线断面图及水文地质剖面图洼地风化带型蓄水构造，是指岩浆岩和变质岩地区地势低洼的沟谷地带形成的蓄水构造。该蓄水构造所处地势低洼，汇水条件好，以岩浆岩和变质岩风化裂隙作为含水层，下部的新鲜岩石作为隔水边界。洼地风化带型蓄水构造多分布于花岗岩、闪长岩等易风化脆性岩石的沟谷处，地下水以裂隙潜水为主，具有统一连续的地下水面，潜水面形状随地形缓变。地下水水位和水量季节性变化明显，埋藏较浅，多以井深10～30 m的大口井开采为主。例如莱西市李家泊子村北HTDJ099号机井处于地势低洼的缓坡沟谷，汇水条件极好，下伏地层为新太古代英云闪长岩强风化层，不仅接受区域大气降水入渗补给，还接受上覆第四系孔隙水垂向补给及东西侧基岩裂隙水侧向径流补给，形成洼地风化带型富水区，该机井单井涌水量为480 m3/d(图7)。多期变质作用形成的蓄水构造，是指岩浆岩和变质岩分布区多期变质作用及反复构造运动而形成的蓄水构造。受岩浆岩和变质岩的变质作用及构造运动影响，发生接触交代变质作用，后期岩浆岩在侵入过程中受到热流及具有化学活动性的流体影响，发生不同程度的交代置换，原岩的化学成分、矿物成分、结构构造均发生改变，浅部岩浆岩风化强烈且厚度大，风化层接受大气降水补给后储存地下水及下渗补给构造裂隙水；同时在侵入体与围岩接触带部位伴生有线状的构造裂隙，为地下水提供良好的储水空间及运移通道，即形成良好的富水区。例如莱阳市大汪家村北一带受后期新太古代岩浆岩侵入过程中发生面状的热流体交代变质作用影响，中太古代苏长辉长岩呈岩株、岩脉状展布于新太古代英云闪长岩中，结合HTDZK05号探采结合孔实施发现(图8)，区内浅部风化裂隙发育，强风化层厚度高达31.22 m；在深度32～55 m、90～125 m段垂向裂隙发育并伴有明显的破碎现象，可以推测多期变质作用造成区域构造裂隙发育，形成面状导水型富水区。该钻孔单井涌水量高达931.68 m3/d，降深18.64 m。岩浆岩与变质岩缺水地区找水定井须具备良好的汇水条件、充足的储水空间及地下水的运移通道、隔水岩层或岩体构成的隔水边界。(1)风化裂隙水：风化裂隙水是岩浆岩与变质岩分布区最常见的地下水类型，由于地形切割深，剥蚀侵蚀强烈，风化带普遍发育不完全，连续性较差，风化裂隙水分布零散，地下水水位及水量季节性变化大。在地形地貌和地质、水文地质结构有利，局部植被发育，风化带保存完好的部位可形成潜水富水块段。(2)构造裂隙水：构造裂隙水主要受岩浆岩与变质岩分布区断裂、侵入岩脉、不同时代岩石接触等构造作用，储存于层状或脉状裂隙带中，为深部承压带状水。该类型地下水受岩浆岩与变质岩的岩性、构造应力作用程度及边界条件控制，在空间分布、富水性及导水性等方面表现为各向异性。主要受断裂、接触带、岩脉、多期变质作用等蓄水构造影响。(3)岩溶裂隙水：岩溶裂隙水主要发育于厚层的大理岩中，该类型地下水沿大理岩岩溶裂隙发育带方向与碳酸盐岩不断的相互作用，使其溶蚀面不断扩展，形成带状的岩溶裂隙含水系统。在强风化带、断裂及其影响带、火成岩体与围岩的接触带附近，岩溶裂隙水尤为发育。胶东地区岩浆岩与变质岩分布区富水性整体弱，为缺水地区，蓄水构造模式特征的分析对找寻富水块段、探寻地下水资源具有重要的指导作用。本次对岩浆岩与变质岩分布区蓄水构造模式进行了深入研究和分析，得出如下结论：(1)胶东岩浆岩与变质岩分布区以往普遍认为是地下水贫瘠区。本次研究发现，在地势低洼、汇水条件良好的沟谷地带，且有利形成蓄水构造部位能够勘查到富水性理想的块段，可解决当地用水难题。(2)通过水文地质调查和已有水文地质研究成果，从气象水文、地形地貌、含水层岩性和地质构造等四个方面分析了胶东地区地下水赋存的自然地理背景和地质条件，采用降雨控水、地貌汇水、地层储水、构造导水理念，详细分析了岩浆岩与变质岩缺水区不同地貌类型、不同含水层岩性特征、构造裂隙的发育形态和程度等缺水主控因素。(3)从地下水驱动力分析，提出了岩浆岩与变质岩分布区断裂型、接触带型、岩脉型、洼地风化带型和多期变质作用形成的五种蓄水构造模式，明确了风化裂隙水、构造裂隙水和岩溶裂隙水三类找水方向，为岩浆岩与变质岩缺水区精准找水定井、探寻地下水资源提供重要的指导作用。
|
