安固里淖内流区基岩地下水赋存特征及蓄水构造模式

袁 磊， 张秋霞， 吴庭雯， 韩双宝*， 李甫成， 于 蕾

(1.中国地质调查局水文地质环境地质调查中心， 保定 071051; 2.中国地质调查局地下水勘查与开发工程研究中心， 保定 071051)

安固里淖流域是内蒙古高原东部众多内流区的其中一个，总面积约3 635 km2，俗称“坝上草原”。其补给、径流区含水层主要为玄武岩、闪长岩或花岗岩等。玄武岩等岩浆岩含水层由于裂隙不发育且极不均匀，导水、储水能力弱，富水性很差，成为严重缺水区，影响了人畜饮水健康[1-2]。针对玄武岩地下水赋存规律及找水实践，前人已分地区开展了工作，初步总结了玄武岩等含水层地下水的赋存类型与电性特征，在找水实践中得到了较好应用[3-8]。

蓄水构造概念于20世纪70年代由刘光亚提出[9]，并在随后得到了应用、丰富和发展，众多学者在此基础上提出了基岩山区找水技术方法[10-11]。2018 年中国地质调查局在坝上地区张北县实施扶贫打井等水文地质调查工作[12]，现基于此次调查，结合以往坝上地区找水打井实践，提出内蒙古高原东部内流区以玄武岩为代表的岩浆岩区典型蓄水构造模式及勘探方法。

图1 研究区水文地质简图Fig.1 Hydrogeology diagram of study area

1 研究区基本条件

1.1 水文气象

研究区属典型的半干旱大陆性气候，全年干旱少雨，多风沙。据张北县气象台观测资料，多年平均降水量377.7 mm(1999—2018年)，降水主要集中于5～9 月份，约占全年降水量的84%，多年平均气温为10.1 ℃，多年平均蒸发量1 655.1 mm。研究区水系属安固里河，为内陆河系，天然条件下地表水最终汇入安固里淖和黄盖淖蒸发排泄。目前河流在补给区有地表径流，至中游逐渐入渗消亡。

1.2 地形地貌

研究区地貌分为构造剥蚀熔岩台地、侵蚀堆积河谷平原、构造剥蚀丘陵3种类型。地形上整体为四周高、中北部低，呈湖盆状。研究区西南部集中分布有8个火山口，形成了独特的玄武岩熔岩台地地貌。

1.3 地层岩性

受岩浆活动与构造控制，如图1所示，研究区内西南部-北部被中新世汉诺坝组(N1h)玄武岩覆盖，岩性包括橄榄玄武岩、拉斑玄武岩等，厚度多在50～300 m。本区玄武岩可分为早晚两期，每期又具有多次喷发的特点，在其间歇面上沉积了泥岩、泥砾岩、砂岩和褐煤。多数喷发末尾形成气孔状玄武岩和玄武岩古风化壳，厚2～5 m，玄武岩产状近水平，微倾向北东。东南部与北部受太古界岩浆侵入与后期构造抬升影响，主要岩性为闪长岩、花岗岩，东部以凝灰岩为主。中部为洪积、湖积、冲积。

1.4 地质构造

研究区内有少部分断裂构造，整体规模不大。走向及性质不尽相同，按其走向发育方向可划分为北东向、北北东向、北西向和近东西向。测区内断裂大部分被玄武岩和第四系覆盖，地表断裂形迹不明显，区域断裂带可见串珠状泉水发育。

2 水文地质条件

2.1 含水岩组特征

研究区主要含水岩组空间结构如图2所示，包括玄武岩、松散岩类、碎屑岩类和花岗岩类。玄武岩多裸露在地表或在表层第四系覆盖下，是区内分布最广的含水层。玄武岩层厚且多呈块状，据钻探揭露，岩层气孔多闭合，有效裂隙率低。熔岩台地的玄武岩地势高，汇水面积小，地下水潜水面埋深大、水量小，取水不便。由于泥岩或不透水玄武岩层的阻断，部分熔岩台地有上层滞水，水质差且水量小，不具集中供水意义。另玄武岩多期喷发间歇有泥岩沉积，形成了玄武岩含水层的多层性，层间水力联系差，特别是在西部泥岩隔水性良好，构成了早期承压-半承压含水层和晚期潜水含水层。承压水含水性不均一性强，勘探难度大。研究区内除沟谷或断裂影响区玄武岩含水层富水性较好外，其他地区富水性多为贫乏-极贫乏。砂砾岩位于玄武岩之下，除油篓沟-张北县一带外埋藏较浅且富水性较好外，其余埋藏过深开发难度大。花岗岩、闪长岩等侵入岩区构造不发育，含水岩组裂隙率低，且多处于补给区，富水性多为贫乏。

图2 研究区立体水文地质结构图Fig.2 Three dimensional hydrogeological structure diagram of study area

2.2 地下水补给、径流、排泄条件

地下水的补径排条件主要取决于地形、构造及人类活动。区内玄武岩或花岗岩等多位于补给区，主要接受降雨入渗补给。如图2所示玄武岩熔岩台地区地下水径流方向主要受地形控制，以泉的形式分散排泄为主。但在局部裂隙孔洞发育处或断裂带影响区，形成导水通道。河谷区径流以水平流动为主，水力梯度小，与地表河流流向一致，汇入下游湖淖区。

由于人为超采地下水严重，原本统一的安固里淖地下水系统流场目前已可分为6个次级流动系统，水动力条件改变加剧了地下水短缺的状况。

3 典型蓄水构造模式

3.1 补给径流-接触型

图3 补给径流-接触型泉水剖面图Fig.3 Profile of recharge runoff-contact spring

研究区西部三台河两岸早晚两期玄武岩间存在连续的泥岩隔水层，晚期玄武岩覆盖在地表，裂隙孔洞较多，发育水力联系统一的潜水含水层。地下水受地形控制向下游径流，在地形切割至泥岩隔水底板处出露成泉，如图3所示。沿河谷泉水点较多且水量较大，形成由地形和岩性复合控制的蓄水构造模式。如图1所示，经调查统计，仅流量超过100 m3/d的泉水，在大河镇-单晶河乡的三台河两岸就有二十余处。在同一纬度，河两岸泉水水位高程相近，整体上由南向北泉水水位减小，与区域地下水位一致。

如图1中所示，玄武岩含水层与Ⅰ4-1-1次级流动系统统一，每个泉域为一个独立的裂隙溶洞含水岩组局部系统，表层裂隙及孔洞发育，玄武岩孔洞直径多在0.5～8 mm，多数无填充，降雨垂向入渗后，受地形与泥岩隔水底板控制，地下水由次级径流带向主径流带汇集成泉排泄到地表径流，形成一座座沿河的地下水库。其中邢家梁村(图4)泉水流量超过1 500 m3/d，一般流量在100～800 m3/d。经取样测试，泉水pH=7.5～8.2，溶解性总固体269.1～439.8 mg/L，水化学类型为HCO3-Ca或HCO3-Ca·Mg型水，符合饮用水标准。

图4 邢家梁泉点地貌图Fig.4 Geomorphic map of Xingjialiang spring

3.2 补给径流-侵蚀型

南部玄武岩覆盖区较全区雨水量最大，地下水补给较充足，如图5(a)所示，松散层多分布于沟谷区且厚度较薄，玄武岩分布广，是区域的主要含水岩组。本区域玄武岩风化裂隙发育，据调查剖面与钻探测井记录，表层玄武岩强-中风化层多厚6～15 m，气孔、裂隙较多，通过大地电磁测深法(EH-4)断面与测井，玄武岩风化壳多表现为20～40 Ω·m的低电阻率值。下伏块状玄武岩电阻率值多为60～100 Ω·m，为相对隔水岩层。F1断裂为区域性正断层，沿断裂带形成优势导水通道，熔岩台地玄武岩含水层为以散流为主的风化裂隙水，地下水向裂隙孔洞发育处流动富集，在断裂穿越的沟谷区即图5(a)中石头囫囵、南滩、河西村附近形成富水段，同时在地形切割较深处出露成泉，如图5(c)所示，形成由构造和地形复合控制的串珠状富水带。

如图5(a)所示，研究区此类蓄水构造主要分布在张北-沽源断裂带[13]穿越的玄武岩沟谷中，地下水以泉的形式排泄形成地表径流，如图5(b)所示，河西村泉水流量可达270.4 m3/d，经取样测试pH 8.01，溶解性总固体338.0 mg/L，水化学类型为HCO3-Ca·Mg型水，符合饮用水标准。

3.3 含水岩组蓄水型

在熔岩台地区，上层滞水无法饮用。下层水有以下两种情况。一是玄武岩层较厚时(厚度大于100 m)，其多次喷发的间歇期发育有古风化壳，且沉积一定厚度的黏土或砂砾石层，喷发间歇期越长，沉积层越厚，一般黏土层或泥岩电阻率值较低，为10～20 Ω·m；砂砾石电阻率较高。若沉积物以砂砾石为主，则古风化壳与沉积层可构成层间孔隙-孔洞含水层，在物探剖面上为似层状的低阻带。但经过本次水文地质地面调查、物探与钻探测井验证，研究区喷发间歇玄武岩风化壳孔洞多，但有效裂隙率低，富水性差。早晚两期玄武岩间隔期最长，沉积层以泥岩为主。其余喷发间歇时间较短，沉积层多以泥砾岩或砂砾岩为主，但厚度较薄，仅可作为小型居民点供水水源。在选择此层为含水层靶层时要反复斟酌。

图5 补给径流侵蚀型蓄水构造水文地质与地貌实景图Fig.5 Hydrogeological and geomorphic map of recharge runoff-erosion water storage structure

图6 玻璃彩村水文地质图Fig.6 Hydrogeological map of Bolicai Villiage

二是玄武岩盖层较薄时(厚度小于100 m)，研究区汉诺坝组玄武岩下伏地层为古近系-白垩系泥岩夹砂砾岩地层，砂砾岩孔隙裂隙较多，其富水性与水质相对较好，可作为目标含水层。岩性从玄武岩-砂砾岩为主-泥岩为主，视电阻率反映为高阻-次高阻-低阻的变化特性。砂砾岩含水层富水性受岩性、构造、地貌的综合影响。此外，裂隙孔洞发育的玄武岩层也可作为目标含水层，因此找水靶层为次高阻层和高阻层。如图6玻璃彩村位于河谷西侧缓坡，处于地貌汇水有利位置。岩性从瞬变电磁(TEM)视电阻率上推测玄武岩厚90 m左右；90～150 m为次高阻带，推测为以砂砾岩为主的碎屑岩；150～250 m为低阻带，推测为以泥岩为主的碎屑岩。钻探结果如图7所示与物探解译结果一致。水量1 154.4 m3/d，经测试，pH=7.83，溶解性总固体含量(TDS)426.4 mg/L，水化学类型为HCO3-Na型，符合饮用水标准。

研究区受风力发电和超高压密集影响，许多物探方法受干扰强烈效果不佳，本次经过在玄武岩区多次试用不同的物探方法，总结出以瞬变电磁法为主了解地层空间结构、音频大地电场法或高密度法为辅摸清100 m以浅岩性结构及构造位置走向。钻探前时依据物探与调查推断泥岩深度及厚度，结合实际情况下入滤水管和套管，防止泥岩缩径塌孔。

3.4 断裂带集水蓄水型

导水性断裂具有贮水空间、集水廊道、导水通道的作用，多组小断裂集中发育的位置往往能形成水力联系密切的裂隙网络，发育由构造控制的网状裂隙水。研究区熔岩台地玄武岩或北部闪长岩多呈块状，集水面积小，富水性多为极贫乏。在这些地区找水难度大，寻找由小构造控制的局部富水带是解决当地饮水问题的主要途径。经地面调查与大地电磁测深(EH-4)发现大堆村北闪长岩侵入区有一垂向低阻带，推测该处发育高角度断裂破碎带。如图8所示，经钻探揭露67.7～85.0 m为断层破碎带，涌水量达578.2 m3/d。经取样测试，pH 7.56，溶解性总固体 452.1 mg/L，水化学类型为HCO3-Ca·Mg·Na型水，符合饮用水标准。

图7 玻璃彩村TEM视电阻率断面图与钻孔剖面图Fig.7 TEM apparent resistivity profile and borehole profile of Bolicai Villiage

图8 大堆村EH-4视电阻率断面图与钻孔剖面图Fig.8 EH-4 apparent resistivity profile and borehole profile of Dadui Villiage

该断层破碎带宽度约50 m，为角砾岩、压碎岩在脆性岩石中的张性断层，破碎带由碎块状断层角砾岩及压碎岩构成。角砾呈棱角状和次棱角状，未胶结，孔隙率高，透水性良好，含水丰富。断层破碎带宽50 m，深度达300 m，裂隙发育，下盘和上盘完整岩石构成相对隔水的边界，形成良好的储水空间。上部汇水面积较大，接受大气降水补给与周围风化裂隙水，有稳定的补给源。

在块状基岩区定井应依靠遥感与地面调查寻找断层行迹，如串珠状泉，临近井点水位或水化学差异大的地区。在基岩覆盖区应先用大范围物探仪器寻找电阻率异常带，再通过高密度物探如音频大地电场、激电法、激发极化法等确定电阻率陡降带，特别是在勘查构造裂隙中富水性较好的地段时电法较为适合。

4 找水方向与开发技术方法

4.1 风化裂隙孔洞水

风化裂隙孔洞水是玄武岩地区常见的地下水类型，在地形和水文地质结构有利的部位可形成潜水富水段，如侵蚀型、接触型泉等蓄水构造。开采方式以蓄水池或100 m以浅机井为主，可作为村镇等小型居民点取水源。

4.2 玄武岩或侵入岩构造裂隙水

研究区内存在张北-沽源断裂和一些次级断裂构造，在玄武岩或侵入岩贫水区中断裂穿越的位置，可形成富水块段。如大堆，通过寻找隐伏于松散层之下的断层，获得了优质饮水井。开采方式以机井为主，可作为小型居民点取水源。

4.3 风化壳等层间孔隙孔洞水

在玄武岩喷发间歇期形成古风化壳-气孔状玄武岩层或玄武岩夹碎屑岩含水层。根据夹层岩性与地貌差异，富水性极度不均一，水量2～150 m3/d。开采方式以100～200 m深机井为主，可作为小型居民点取水源。

4.4 碎屑岩孔隙裂隙水

在玄武岩盖层厚度小于100 m的区域，特别是河谷或断裂穿越区，寻找下伏岩性以砂砾岩为主的孔隙裂隙含水层是快速、准确获得中型以上水源地、解决区内集中供水的可靠途径。如在玻璃彩实施的探采结合井，出水量超过1 000 m3/d，可作为乡镇或大型居民点取水源。

5 结论

(1)安固里淖内流区玄武岩和侵入岩含水层整体富水性为贫乏-极贫乏，含水层富水性受地貌、岩性、构造、喷发旋回层、古风化壳和下伏碎屑岩层等多因素制约。在地形、构造、地层组合控制下，地下水向主径流带汇流，沿主径流带和构造带形成富水块段。受多期喷发的影响，玄武岩含水层有多层性特点，地下水主要赋存在裂隙孔洞发育的玄武岩层和砂砾岩层，泥岩-砂砾岩-玄武岩地层的视电阻率多表现为低阻-次高阻-高阻的变化，因此找水目标层位为次高阻和高阻。

(2)在玄武岩区采取以瞬变电磁法为主，音频大地电场法或高密度法为辅的勘探方法，可有效排除既有电场干扰、了解玄武岩与沉积层的岩性空间结构、构造位置走向。在花岗岩区采用电法勘查构造裂隙较为适合。

(3)安固里淖内流区地下水蓄水构造主要可分为补给径流-侵蚀型、补给径流-接触型、断裂带集水蓄水型、含水岩组蓄水型4种。通过水文地质调查，探明了含水岩组空间结构，确定了安固里淖基岩区风化裂隙孔洞水、玄武岩或侵入岩构造裂隙水、风化壳等层间裂隙水、碎屑岩孔隙裂隙水4个找水方向。在实际找水打井时应因地制宜，结合水资源需求规划确定目标供水层位。