武汉市黄陂区红层地下水含水层特征及富集规律

宗 维，杜小锋，周 峰，龚志愚

(湖北省地质调查院,湖北 武汉 430034)

红层一般指中、新生界陆相沉积占绝对优势的地层,在湖北省尤其是江汉平原地区广泛分布。由于红层易风化,在地貌形态上均形成红色盆地、斜地等单斜缓坡、坪台、丘陵地形,岩性多以泥岩、泥质胶结的各种砂砾岩为主,上世纪80年代之前经验认为红层一般为贫水层或无水层[1],无法作为供水水源。80—90年代在浙江、湖南、江西等地区开展了盆地、平原区红层地下水的形成条件、赋存规律的研究[2-5],2000年之后许多学者在西南山区严重缺水红层地区进行了大量的工作,论述了红层地下水的赋存条件及规律,对红层缺水地区地下水找水工作和勘查示范进行了总结[6-10]。近年来随着社会工农业生产的发展,地表水资源开发与效益已不能满足人民日常生产生活的需求,在红层区找到相对富水区域对国民经济持续稳定发展具有重要意义[11]。

武汉市黄陂区位于武汉市北部,地跨东经114°09′～114°37′,北纬30°40′～31°22′,总面积2 256.7 km2。黄陂区近年来结合自身资源条件发展迅速,红层地区工农业、居民生活用水需求量与日俱增,开展红层区的地下水含水层特征及赋存规律研究工作有利于指导找到水量较大、水质良好的生产和生活用水。

1 红层地质背景

武汉市黄陂区位于大别山南坡和江汉盆地北缘,大地构造位置跨及秦岭—大别造山带和扬子陆块北缘。整体地势呈北高南低,北部为构造剥蚀低山丘陵,主要出露南华纪武当群双台组变质岩,构造特征表现为一系列北西向背、向斜,并发育规模不等的NW、NE向断裂,燕山期岩浆活动强烈,夏店岩体和研子岗岩体侵入于背斜构造之核部。黄陂区中、南部地貌属剥蚀堆积岗状平原、河流冲积平原,多为第四系覆盖,局部出露白垩纪—古近纪公安寨组碎屑岩,钻孔资料显示,南部隐伏地层主要有石炭纪大埔组、黄龙组，二叠纪梁山组、栖霞组、孤峰组、龙潭组、大隆组，三叠纪大冶组等。

红层分布于黄陂区内西部李家集街、祁家湾街,西南部天河街、横店街、滠口街,东南部六指街、三里桥街、武湖街一带。红层区交通便利,黄陂区主要公路、高速公路、铁路主要建设在红层区上,地貌以冲积平原、剥蚀堆积岗地平原为主,地势平坦,海拔在16～60 m。红层在黄陂区内地表出露面积约11.94 km2,第四系多覆盖红层之上,隐伏红层面积为916.98 km2,红层发育面积约占黄陂区总面积的41.16%(图1)。

图1 黄陂区红层分布范围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.湖泊水库；6.红层出露区；7.红层隐伏区。

红层主要为白垩纪—古近纪公安寨组(K2E1g)地层,岩性总体单一,地层厚度在500 m以上,黄陂区内未见底,呈角度不整合覆盖于前白垩纪不同时代地层之上。主要为一套棕红色—紫红色为主的碎屑岩系,由砾岩、砂砾岩、含砾砂岩、砂岩、泥岩构成的多个韵律层叠覆而成,局部见夹厚度不等的灰—灰绿色玄武岩,碎屑岩呈厚层—巨厚层状,发育块状层理、平行层理、水平层理、斜层理、交错层理等。

2 红层地下水类型及含水岩组特征

2.1 红层地下水类型

中国最常用的含水层分类是根据含水层的孔隙类型,将其划分为孔隙含水层、裂隙含水层和岩溶含水层三类,相对应的地下水也分为名称相同的三大类型[12]。黄陂区红层主要由公安寨组砾岩、砂砾岩、含砾砂岩、砂岩、泥岩等组成,属碎屑岩,地质构造简单,具明显的成层性,岩石具有明显的孔隙性及裂隙性,形成层间孔隙裂隙含水层。按含水层的导水和储水空隙形态特征分类,黄陂区红层地下水类型主要属于裂隙水,部分风化裂隙含水层具有孔隙水的特征。

黄陂区内红层风化孔隙水位于红层表部的风化岩层中,含水层呈面状,一般为潜水,分布范围局限,动态变化大,富水性受地形、岩性、构造裂隙发育程度影响,富水性弱,水量贫乏,枯水期水量减少幅度大,不具备找水意义。

区内红层层间裂隙水属承压水,分布广泛,水量相对丰富,大部分上覆第四系粘性土层,为区内红层找水目的层,但区内不同地区存在明显差异性,富水性呈现不均一性。

2.2 含水岩组及富水性

黄陂区红层层间裂隙水属白垩纪—古近纪公安寨组裂隙含水岩组,层间裂隙水赋存于白垩纪—古近纪公安寨组碎屑岩裂隙中,含水层岩性为粉砂岩、细砂岩及砂砾岩等。

黄陂红层区内收集到的11口红层裂隙水水文地质钻孔(图2)均位于红层隐伏区,上部为第四系覆盖,西部6口水文地质钻孔位于李家集街—祁家湾街沿线,黄陂区南部武湖街—三里桥街分布5口水文地质钻孔,每口钻孔均进行了钻孔取芯、岩芯编录及抽水试验。

图2 黄陂区水文地质钻孔分布Fig.2 Distribution of hydrogeological drillings in Huangpi District1.主要街道；2.红层出露区；3.红层隐伏区；4.水系；5.水文地质钻孔。

水文地质钻孔资料(表1)显示,黄陂区红层裂隙水含水层顶板埋深一般8.8～30.3 m,上部被第四系覆盖,区域上第四系由北向南厚度有增大趋势,红层在黄陂区内未被揭穿,水文地质钻孔最大揭露深度为200 m,水位一般埋深在1.4～12.2 m。由于各个水文地质钻孔地理位置、地形地貌、含水层的岩性组合、构造裂隙发育程度等的不同,各水文地质钻孔抽水试验数据显示富水性极不均一,九河港钻孔(SZK19113)、大屋寨钻孔(SZK19111)抽水试验显示,红层裂隙水水量丰富,该区域涌水量分别达到372 m3/d及345.6 m3/d,单位涌水量分别为0.278 L/s·m及0.192 L/s·m;长堤村钻孔(SW047)抽水试验涌水量为187.68 m3/d,单位涌水量为0.319 L/s·m,红层裂隙水富水性等级属较丰富;祝站镇钻孔(SZK19114)、建设村钻孔(SZK19112)涌水量分别为98.5 m3/d、64.1 m3/d,单位涌水量分别为0.033 L/s·m、0.107 L/s·m，红层裂隙水水量中等;其他水文地质钻孔红层裂隙水富水等级均为贫乏—较贫乏,单位涌水量均不超过0.01 L/s·m。区域上红层碎屑岩中常见玄武岩夹层,桥头李钻孔(SZK19108)、原种场二大队钻孔(SW028)的抽水试验结果显示,两口钻孔玄武岩裂隙水涌水量分别为0.93 m3/d和8.88 m3/d,水量极贫乏,不具有开发利用价值。

表1 黄陂区红层裂隙水钻孔统计表Table 1 Statistics of hydrogeological drillings in red beds fissure water in Huangpi District

根据《地下水质量标准》(GB/T 14848—2017)对区内17件样品的水质分析结果进行综合评价,结果显示黄陂区红层裂隙水水质达标比例为52.9%,黄陂区内红层地下裂隙水大多可直接开采利用,但在工业开发程度较高、人口较密集区域进行地下水开采时,需经过相应的处理后合理开发。

3 红层裂隙水赋存条件及富集规律

武汉市黄陂区红层地质构造简单,上部多被第四系覆盖,红层产状平缓,为单斜地层,所在区域地势起伏小,红层区少见断裂带。黄陂区西部李家集—祁家湾一带红层钻孔中岩石多以砾岩、砂岩、砂砾岩为主,东南部三里桥街—武湖街一带红层钻孔岩石多为泥质粉砂岩、粉砂岩等,两地钻孔中均发现玄武岩。不同区域红层的富水性差异较大,红层水文地质钻孔富水性等级自贫乏至丰富均有分布。根据区内不同区域红层的特点分析讨论,黄陂区红层地下水具有以下赋存条件及富集规律。

3.1 砂、砾岩占比影响红层富水性

红层岩性以砾岩、砂砾岩、砂岩、泥岩为主,在宏观尺度上是形成不等厚互层的岩组。砂岩、砂砾岩、砾岩层等力学强度高,在构造作用下容易产生裂隙,裂隙密度较小,张开度较大,延伸较远,穿切性强,具有良好的透水性,常成为地下水存储、运移的良好通道。泥岩层力学强度低,岩石裂隙窄短,分布较密,即使局部发育张性裂隙,也常常被其本身破碎的泥质产物充填,裂隙的透水性一般较弱,成为相对隔水层[13]。

三里桥街—武湖街(图3)水文地质钻孔的连井剖面显示,砂岩作为富水层在钻孔中所占比重直接影响红层地下水的富集程度。黄陂区东南部三里桥街—武湖街一带沙口农场钻孔(6-13)、三闸村钻孔(6-17)、周家咀钻孔(SW043)三口钻孔中岩性为泥质粉砂岩,岩石呈块状,节理裂隙不发育,多为泥质胶结,富水性属贫乏—较贫乏;而长堤村钻孔(SW047)揭露岩石为粉砂岩,粉砂岩中风化,厚度大且连续,岩石节理裂隙相对发育,具有富水条件,可形成规模较大的富水块段。

图3 三里桥街—武湖街水文地质钻孔连井剖面Fig.3 The well section of hydrogeological drillings from Sanliqiao to Wuhu1.第四系；2.上覆第四系；3.砾岩；4.砂岩；5.粉砂岩；6.抽水试段；7.公安寨组；8.上覆基岩；9.玄武岩；10.泥岩；11.泥质粉砂岩。

3.2 软硬相间岩层对蓄水有利

在红层区域找水需寻找砂岩与泥岩、砾岩与泥岩互层的岩性组合段,软硬相间岩层裂隙更发育,形成储水构造,才是更具有供水意义的含水层。本次勘探结果表明,岩性单一的砂岩、砾岩、泥岩等地段的水井,水量较小,富水性属贫乏—较贫乏。

在李家集街—祁家湾街一带,水文地质钻孔揭露红层以发育厚度大且连续的砾岩、砂岩、砂砾岩为主,岩石中节理裂隙发育,具有富水条件。抽水试验数据显示黄陂区西部红层总体涌水量比东南侧红层大,符合砂、砾岩占比影响红层富水性的规律,但区域内红层富水性差异极大,红层裂隙水涌水量自丰富至极贫乏,影响西部地区红层裂隙水含水量大小的因素在于岩性的变化。

李家集街—祁家湾街(图4)水文地质钻孔连井剖面显示,建设村钻孔(SZK19112)、黄土里钻孔(SZK19115)最大涌水量分别为64.1 m3/d、2.7 m3/d,涌水量较西部地区其他钻孔少。建设村钻孔(SZK19112)中红层岩性为粉砂岩、细砂岩,黄土里钻孔(SZK19115)红层岩性为砂岩、砂砾岩,岩石节理裂隙较发育,具有地下水运移的通道,但区域内红层产状近水平,难以形成大型的蓄水构造[14],没有泥质岩石的阻隔蓄水则难以形成稳定的含水层。

图4 李家集街—祁家湾街水文地质钻孔连井剖面Fig.4 The well section of hydrogeological drillings from Lijiaji to Qijiawan1.第四系；2.上覆第四系；3.砾岩；4.砂岩；5.粉砂岩；6.泥质粉砂岩；7.公安寨组；8.玄武岩；9.泥岩；10.钙质砂岩；11.抽水试段。

而另外三口红层钻孔中,大屋寨钻孔(SZK19111)、九河港钻孔(SZK19113)水量丰富,祝站镇钻孔(SZK19114)富水性等级接近中等,皆是由于钻孔中存在砂泥互层的现象。当砂岩、泥岩以互层状产出时,由于两者的抗拉、抗压强度不同,泥岩常呈塑性展布而在脆性的砂岩中常呈张开的裂隙,成为较好的含水层。大屋寨钻孔(SZK19111)、九河港钻孔(SZK19113)两口钻孔岩性以发育大套含钙质砂岩、砂砾岩等为主,岩石节理裂隙发育,砂岩、砂砾岩、砾岩厚度大,在钻孔岩石中所占比重大,常夹有薄层泥岩、泥质粉砂岩等相对隔水层,为地下水的存储、运移提供了良好的条件。而祝站镇钻孔(SZK19114)中岩性以泥质粉砂岩、砾岩、砂岩为主,虽存在砂泥互层现象,但由于砂、砾岩在钻孔红层中所占比例不高,钻孔岩芯完整,泥质含量高,胶结程度较高,节理裂隙常被泥质充填,地下水难以通过大气降水入渗补给。

3.3 玄武岩层富水性差

黄陂区红层中常见玄武岩夹层,该套玄武岩发育多层结构,岩石完整,无破碎,呈块状,其中基质具间粒结构,气孔—杏仁状构造,气孔—杏仁体外形呈不规则状、近圆状,被灰白色石英脉充填。因在间歇性顺层喷溢过程中,节理裂隙易发育,但后期多充填灰白色石英脉,玄武岩整体透水性差(照片1)。桥头李钻孔(SZK19108)、原种场二大队钻孔(SW028)分别位于红层区东西两侧,玄武岩在钻孔中未被揭穿,厚度较大,对钻孔中玄武岩段进行的抽水试验显示,两口钻孔涌水量均在10 m3/d以下,水量极贫乏,故而在区内红层区找水应避开巨厚玄武岩层。

照片1 玄武岩中灰白色石英脉充填Photo 1 Quartz vein in basalt

3.4 低山丘陵与平原地貌交界处开发潜力大

以西部红层区为例,黄陂红层地区总体地势平坦,地貌位于剥蚀堆积岗状平原及冲积平原地区,红层为单斜地层,产状平缓,汇水面积大,区内大部分被第四系覆盖,第四系粘性土的存在使地表水体下渗较困难,地下水主要接受来自红层北方云雾山、石门山一带低山丘陵区的侧向补给,少量接受上覆第四系土层的入渗补给。

对李家集—祁家湾一带红层裂隙水的桥头李钻孔(SZK19108)、大屋寨钻孔(SZK19111)、九河港钻孔(SZK19113)、黄土里钻孔(SZK19115)等水文地质钻孔静水位标高统计,西部红层裂隙水的径流方向总体由北往南径流,补给来源为北侧云雾山、石门山地区(图5)。

图5 红层裂隙水补径排示意图Fig.5 Recharge,runoff and discharge of fissure groundwater in the red beds1.粉质粘土;2.粘土;3.砂岩;4.片岩;5.地下水位线;6.地下水流向;7.全新世走马岭组;8.晚更新世下蜀组;9.中更新世王家店组;10.白垩纪—古近纪公安寨组;11.南华纪双台组。

云雾山、石门山一带,发育有震旦纪灯影组白云岩、灰岩,盆地形成时就作为西侧红层的补给物源区。大屋寨钻孔(SZK19111)、九河港钻孔(SZK19113)等水文地质钻孔中,砂岩遇稀盐酸起泡剧烈,钙质含量较高,而钙质胶结的厚层砂岩在较强构造力作用下切穿多层,其裂隙分布的距离较大,能保持张开的性能,含水性强[15],钻孔涌水量数据也印证了钙质砂岩对富水性的影响。

因此,在黄陂区内可向西北部李家集—云雾山、石门山一带红层区布设钻孔寻找丰富的红层裂隙水,该地区位于红层与低山丘陵区交界处,红层沉积物来源有较多灰岩成分,钙质含量高,多为钙质胶结,在地下水的长期作用下,岩溶作用较强烈,易形成溶孔、溶蚀裂隙、溶洞等,含水量丰富,同时具有良好的汇水条件及较近的补给通道,具有较大的开发利用潜力。

4 结论

黄陂区红层多发育在区内中、南部冲积平原、剥蚀堆积岗地平原地区,多被第四系覆盖,红层裂隙水主要赋存于白垩纪—古近纪公安寨组碎屑岩裂隙中,钻孔抽水试验涌水量在0.93～372 m3/d,不同地区富水性差异大,呈现不均一性,局部钻孔深部可形成承压水,动态变幅较小。通过选取部分民井及钻孔水样进行水质分析检测,红层裂隙水总体水质较好,大部分红层地下裂隙水可直接开采利用,在水体污染较高的区域地下水需经过相应的处理后合理开发。

在区内寻找具有开发价值的红层裂隙水时,需遵循以下几点规律：①寻找砂岩、砂砾岩连续发育且具有一定厚度的区域;②多注重砂、砾岩与泥岩互层地段;③避开巨厚玄武岩层;④关注红层与低山丘陵区交界处钙质成分高的碎屑岩区域。