阜平岩群基岩裂隙水的赋存规律与找水方向

刘伟朋，孟顺祥，龚冀丛，耿 昕

(中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，河北 保定 071051)

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[1]。裂隙水根据含水层岩性的不同，可分为碳酸盐岩类岩溶裂隙水、碎屑岩类孔隙裂隙水和变质岩、岩浆岩基岩裂隙水。基岩裂隙水是我国分布最为普遍的地下水类型之一[2-3]。具有埋藏深、储量小、供水稳定、分布不均的特点。随着水资源供需矛盾加剧，尤其是近几年极端气候频发，严重缺水地区和季节性缺水地区在太行山变质岩区尤为突出，自2006年以来，阜平县实施了一大批农村饮水解困工程。但大部分机井，由于未充分考虑地质构造因素，造成机井涌水量太小而无法正常使用。因此，查明该县基岩裂隙水的赋存规律、寻找供水稳定的基岩裂隙水资源对解决当地人畜饮水问题至关重要。

近年来，为解决阜平岩群所在的太行山区人畜饮水问题，促进太行山集中贫困区的经济发展，中国地质调查局开展了太行山区1∶5万水文地质调查工作，其中阜平县作为重点调查区之一，2013～2015年完成了全县水文地质调查工作，实施探采结合井20余眼。对全县基岩裂隙水的赋存规律进行了调查研究，取得了很大的进展。

1 研究区概况

阜平县位于河北省保定市的西部，太行山和五台山余脉交汇处，属太行山山系，境内地形复杂，总面积2 496 km2，其中山地占88%，全县人口22.8万人(2014年)。阜平县是典型的太行山缺水地区[4]，受地形、地理条件的制约，大部分村庄坐落在半坡上，吃水垂直高差大，往返距离远，近十几年，连续干旱，地下水下降，山泉干枯，井底无水。水资源供需矛盾日益突出，人畜饮水困难。

阜平岩群为变质岩主要分布在太行山区平山县以北和赞皇以南，以阜平一带发育最好，主要岩石类型有：片岩、各种片麻岩、变粒岩、浅粒岩、斜长角闪岩和大理岩[5]。片麻岩多为黑云斜长片麻岩，黑云角闪斜长片麻岩等揉塑性岩石，浅粒岩、变粒岩、石英片岩和斜长角闪岩为硬脆性岩石。阜平岩群经历了多期变形作用，构造复杂[6]，遍布全区，面积1 993.7 km2，占县域面积的80.6%，阜平县变质岩裂隙水主要赋存于各类变质岩裂隙中，其岩性一般为黑云斜长片麻岩、角闪斜长片麻岩、浅粒岩和斜长角闪岩等[7]。阜平县辉绿岩脉发育，呈NW向穿插于大面积变质岩区内，宽约10～20 m，节理裂隙发育一般，在区域上多起岩脉阻水的作用。

2 蓄水构造类型及富水特征

地质构造控水理论认为，地质构造是控制地下水埋藏、分布和运移的主导因素，在一定有利的地质构造组合形式下，就会形成有利于地下水形成、运动和蓄存的蓄水构造[8-11]。蓄水构造由3个基本要素组成：透水的岩层或岩体；相对隔水的岩层或岩体；地下水的补给排泄条件。根据工作区的成井实例及其水文地质、构造分析，变质岩区主要蓄水构造可划分为4大类型：风化壳蓄水构造、断裂蓄水构造、层状蓄水构造和岩脉蓄水构造。

2.1 风化壳蓄水构造的富水特征

风化壳蓄水构造是以基岩风化后的孔隙裂隙带为含水层，以其下部微风化-未风化的不透水基岩为隔水底板而构成的蓄水构造。风化壳蓄水构造在一定的地形、岩性及地质构造条件下，形成不同类型的富水带。①汇水洼地风化壳富水带，在阜平县片麻岩地区最为普遍。通常，由山脚至山顶，岩石风化程度由强变弱，裂隙发育深度由深变浅，风化壳地下水的水力特征为裂隙潜水，受重力作用影响，随风化壳底板从分水岭向地形低洼地富集、排泄，形成泉水排泄带。②围岩与硬脆性岩体复合的风化壳富水带，在工作区表现为抗风化能力弱的片麻岩与其下游抗风化能力强的辉绿岩脉组合而成。当岩脉厚度较厚时，内部风化裂隙不发育，岩脉两侧裂隙发育不连通，起挡水坝的作用。例如吴家沟当中涧村的大口井，井体开挖上游侧为黑云斜长片麻岩，下游侧为辉绿岩脉，井深8.5 m，涌水量约240 m3/d；当岩脉厚度较小时，岩脉两侧风化裂隙连通，硬脆性岩脉裂隙发育，渗透系数大于揉塑性的片麻岩围岩，构成导水通道或富水带，在地势低洼岩脉被切割露头处，多有泉水出露。③与构造断裂复合的风化壳富水带，在断裂通过的一些地势低洼或沟谷处，易产生构造裂隙，且岩石破碎，风化深度较大[12]。常形成局部加深的袋状或囊状风化壳，两侧以未风化的岩石作为隔水边界，向下与构造裂隙带相沟通，形成断裂构造型风化壳富水带，这种富水带常可以得到深部构造裂隙水的补给，因而水量比较丰富[10,13]。

2.2 断裂蓄水构造的富水特征

断层蓄水构造就是以断层破碎带为含水空间条件，以断层两盘的岩石作为相对隔水边界，在适宜的补给条件下能够富集和储藏地下水的断层构造[1,10]。阜平地区经过多次构造运动，区内断层比较发育，断层蓄水构造是该区常见基岩裂隙水赋存类型。

2.2.1 揉塑性片麻岩区断裂蓄水构造富水特征

片麻岩是一种深程度变质的变质岩，是太行山区的主要变质岩，具有片麻状构造或条带状构造，鳞片粒状变晶结构，阜平代表性的揉塑性片麻岩有黑云斜长片麻岩、角闪黑云斜长片麻岩等。其矿物成分主要由长石、石英、云母等组成。片麻岩的揉塑性与长石、云母的含量有关，长石和云母均属于原生硅酸盐矿物，其风化的主要产物为高岭石、蒙皂石、硅铝土等黏土矿物。在区域上阜平片麻岩属于构造片麻岩，是由强烈塑性变形作用、变质作用和部分熔融作用共同作用形成的动力变质构造岩，是一种宏观上具有明显的强塑性流变特征而没有明显粒径减小的构造岩[14]。该类岩石受到压性或压扭性断裂构造作用时，发生柔性挫动，裂隙发育密集，微张开或闭合，连通性差，有效裂隙空间少，富水性差。在张性或张扭性断裂构造作用时，具有一定的破碎带宽度，破碎带岩石节理裂隙发育，易风化，风化黏土矿物产物将破碎带孔隙充填，孔隙裂隙率低，造成断层破碎带的导水性和含水性降低，富水性差。例如，阜平县葛家台探采结合井C1GJ，成井深度150 m，布井位置为山间沟谷，沟谷宽约100 m，第四系覆盖层厚度2.85 m，沟谷两侧地层岩性为Fgn黑云斜长片麻岩成井结构为上部第四系封孔，下部基岩裸孔，目标层为东西向断层破碎带，钻遇地层岩性如图1所示，主要出水部位为136～138 m段，成井后井水自流，经后期抽水试验，水位降深79 m，涌水量140.88 m3/d。

图1 阜平县葛家台村C1GT探采结合井剖面图

2.2.2 硬脆性变质岩区断裂蓄水构造富水性特征

阜平县基岩山区出露的硬脆性变质岩主要有斜长角闪岩、二长浅粒岩、二长混合花岗岩、角闪变粒岩等。在同一构造条件和地质应力作用下，硬脆性岩石易于破碎，揉塑性岩石易形成褶曲[15]。在阜平变质岩区，硬脆性变质岩出露面积小于片麻岩，斜长角闪岩往往穿插于片麻岩中，在受断裂构造应力作用下，发生脆性碎裂，构造裂隙发育，其渗透系数大于褶皱的揉塑性岩石，在地下水趋向于渗透系数大的介质径流中，起导水通道的作用。碎裂的岩石，具有较大的孔隙率，本身具有较大的储水空间，加之周围岩石赋存地下水的汇入，使得该区受断裂作用或影响的硬脆性岩石区往往成为地下水的富集区或富集层。例如阜平县城南庄镇花山村探采结合井C20，井周围岩性以斜长角闪岩、角闪斜长变粒岩为主，在实地调查中发现有一小型断层横切沟谷在此穿过，以该小型断层为目标层开展钻探工作，井深150 m，上部岩芯较完整，岩芯柱长度一般20～100 cm，在111～117 m段钻遇断层，最终抽水试验水位降深54 m，单井涌水量432 m3/d(图2)。

2.3 层间蓄水构造富水性特征

层间蓄水构造主要指在不同岩性的接触带上，以层间裂隙为含水层，上下较完整，岩体为隔水顶底板的蓄水构造。在变质岩区，层间裂隙主要发生在中厚层的硬脆性岩石(混合花岗岩、斜长角闪岩、石英岩等)与厚层的揉塑性岩石(如黑云斜长片麻岩、片岩等)的接触带上(图3)。一般情况下，在层间滑动带中脆性岩石一侧，裂隙发育，含水性和透水性良好，地下水丰富[16]。如阜平县北果园乡东城铺村探采结合井C9，该井位于该村北侧的半山腰处，基岩裸露，周围出露岩性以黑云斜长片麻岩为主，偶见斜长角闪岩岩层。音频大地电场法物探勘探结果表现为区域低值，推测改区域存在层间裂隙水，经钻探验证，成井深度100 m，揭露地层岩性为黑云斜长片麻岩夹斜长角闪岩，抽水试验水位降深50.6 m，涌水量370 m3/d(图4)。

2.4 岩脉蓄水构造富水性特征

岩脉蓄水构造的富水性与岩脉、围岩的岩性特征有关，针对阜平特有的变质岩围岩和辉绿岩岩脉地区， 岩脉主要起到上部导水-深部阻水的作用，主要受岩脉延展性和风化程度的影响。

图2 阜平县花山村抗沟C20探采结合井剖面图

图3 野外调查泉点照片及其地质剖面示意图

图4 阜平县东城铺村C9探采结合井剖面图

阜平辉绿岩脉占所有岩脉的90%以上，具有明显的成组性，走向NW向，长度一般2～15 km，风化深度一般小于30 m。辉绿岩脉与围岩的组合中，辉绿岩脉属硬脆性岩石，变质岩围岩为揉塑性岩石，围岩在受到岩脉挤压时发生柔性变型，使得辉绿岩脉在成岩过程中与围岩紧密接触，围岩没有明显的接触或影响破碎带，因此，辉绿岩脉的富水性主要受岩脉的风化程度影响，浅部风化壳蓄水构造。当深度大于风化壳深度时，辉绿岩脉较完整，节理裂隙不发育，与围岩组合起到隔水墙的作用，其富水性主要受围岩的构造风化裂隙控制，当围岩的构造风化裂隙发育时，地下水沿构造裂隙径流时受岩脉阻挡，在岩脉的上游富集形成地下水富集区，如吴家沟C8探采结合井。该井位于两条岩脉中间，井深为100 m，抽水试验时，水位降深62.13 m，涌水量为330 m3/d(图5)。

图5 阜平县吴家沟村C8探采结合井剖面图

3 变质岩区含水层富水性的空间特征

变质岩区基岩裂隙水的赋存分布在水平方向上

受风化壳蓄水构造和层间蓄水构造影响，呈片状或带状分布，受断层蓄水构造和岩脉蓄水构造影响呈线状分布。在垂直方向上，风化壳蓄水构造受风化深度影响，随着深度增加风化裂隙率降低，当达到弱-未风化时，起隔水底板的作用。层间蓄水构造、断层蓄水构造和岩脉蓄水构造的蓄水量受构造裂隙影响，构造裂隙连通性越好，张开度越大，其蓄水量越大，随着深度增加，裂隙张开度有变小趋势，同时深部基岩裂隙水接受上部浅水补给，在裂隙水径流过程中，携带的变质岩风化后的高岭土等矿物成分在深部富集，填充阻塞裂隙，降低了蓄水构造的富水性。本次通过对阜平实施的20余眼探采结合井的抽水试验，将每眼井的主要出水位置和换算成标准井径(219 mm)降深(10 m)的涌水量数据整理成表(表1)，并进行相关性分析(图6)。结合试验数据及相关性曲线可得，主要出水段埋深与标准井径降深涌水量呈幂函数相关，当主要涌水段埋深小于60 m时，涌水量一般较大，且变化幅度范围较大，推测其与浅部松散岩类孔隙水密切联系，相互补给引起的。当主要涌水段埋深大于70 m时，标准井径降深涌水量一般小于10 m3/h，且随着主要出水段埋深的增加，标准井径降深涌水量呈幂级函数减小的趋势。

表1 探采结合井主要涌水段与标准涌水量数据表

注：标准井径降深涌水量指换算成井径219 mm和降深10 m的涌水量。

图6 主要出水段埋深与标准涌水量关系曲线图

4 找水方向

变质岩区裂隙水主要分为风化裂隙水和构造裂隙水。风化裂隙水一般具有统一的地下水位，水量小，分布不均，对于分散式供水具有实际意义[16]。在阜平地区，风化裂隙水普遍存在于地势低洼的变质岩风化壳中，其富水性取决于岩石性质、裂隙发育情况、蓄水条件等因素。在阜平变质岩地区，揉塑性围岩包裹的硬脆性岩体或岩脉，岩体风化裂隙较发育，风化裂隙发育深度一般小于48 m，单井涌水量一般小于10 m3/h；在地势低洼的断层破碎带上，风化壳厚度较大，利于风化壳裂隙水的汇集和赋存，受裂隙发育情况和蓄水条件影响，单井涌水量一般3～30 m3/h。阜平地区构造裂隙水，以断层构造裂隙水发育最为普遍，尤其是区域性的较大断裂。当角闪斜长片麻岩、二长浅粒岩等较硬脆性基岩区有断层穿过时，以寻找断层构造裂隙水为主，成井深度一般小于120 m。当在黑云斜长片麻岩、角闪黑云斜长片麻岩等揉塑性基岩地区由断层穿过时，以寻找断层风化壳裂隙水为主，成井深度一般小于60 m。

5 结 论

1) 变质岩区蓄水构造受岩性控制明显，硬脆性岩体与揉塑性岩体的相互组合，就会形成有利于地下水形成、运动和蓄存的蓄水构造。为了有效解决变质岩干旱地区和季节性严重缺水区安全饮水问题，查明岩性组合形式，寻找蓄水构造，开采基岩裂隙水是最有效的解决方案之一。

2) 在岩性和构造控制下，变质岩区蓄水构造主要发育有风化壳蓄水构造、断层蓄水构造、岩脉蓄水构造和层状蓄水构造。其中风化壳蓄水构造最为普遍存在，开采成本较低，便于分散式供水开采； 构造裂

隙水开采成本较高，涌水量较大，便于集中式开采。

3) 变质岩区基岩裂隙水水平上受各种蓄水构造控制，多呈带状或片状分布。垂向上，随着主要涌水段埋深的增加，标准井径降深涌水量呈幂函数递减相关性趋势。