地质通报  2020, Vol. 39 Issue (12): 1873-1882  
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李志勇, 黎义勇, 黄长生, 孙亚鑫, 肖攀, 邵长生, 路韬. 赣江流域红层盆地典型构造样式与地下水动力学模式[J]. 地质通报, 2020, 39(12): 1873-1882.
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Li Z Y, Li Y Y, Huang C S, Sun Y X, Xiao P, Shao C S, Lu T. Typical structural geology and groundwater dynamics in red beds basins of Ganjiang River Basin, South China[J]. Geological Bulletin of China, 2020, 39(12): 1873-1882.
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基金项目

中国地质调查局项目《赣江流域水文地质调查》(编号:DD20190329)

作者简介

李志勇(1979-), 男, 博士, 副教授, 从事构造变形定量解析与模拟研究。E-mail:zhiyong.li@cug.edu.cn

通讯作者

黎义勇(1980-), 男, 高级工程师, 从事水工环地质调查与研究。E-mail:lixiangyushine@163.com

文章历史

收稿日期: 2020-08-10
修订日期: 2020-10-13
赣江流域红层盆地典型构造样式与地下水动力学模式
李志勇1, 黎义勇2, 黄长生2, 孙亚鑫1, 肖攀2, 邵长生2, 路韬2    
1. 中国地质大学(武汉)地球科学学院, 湖北 武汉 430074;
2. 中国地质调查局武汉地质调查中心(中南地质科技创新中心), 湖北 武汉 430205
摘要: 中国陆相红层广泛分布,占陆地总面积的9.5%,大量城镇居民和农业种植区分布于不同区域的陆相红层盆地内,红层地区地下水资源普遍紧缺,干旱日趋严重,形势严峻,成为扶贫攻坚的重点。中国南方以赣江流域红层盆地为典型代表,红层主要分布于NE向展布的断陷盆地,其形成演化、空间分布和构造样式受NE向区域伸展断裂构造控制,红层内构造以NE向伸展断层和局部平缓褶皱为主要变形特征。盆地内红色砂砾岩层极差的分选性和完好的铁质胶结,使其具有低孔隙和低渗透特征,且厚度大分布广,成为红层盆地地下水贫瘠和补给效率低的主要原因。盆地内断裂构造及其伴生节理裂隙构成地下水的主要储存空间,也为地表水和地下水的交换提供运移和渗透通道。地下水的补给、红层内膏盐矿物及重金属元素的淋滤富集、地表农业和工业废水及污染物的下渗均受盆内断裂构造的控制。地下水的空间分布、资源量、补给效率和水质强烈受控于盆内局部变形构造,具有显著的非均一性。红层盆地内断裂构造的发育、活动性质及其伴生裂隙网络研究对地下水资源评价、动态监测和高效利用具有重要的科学指导意义。
关键词: 赣江流域    红层盆地    地下水    断层    找水对策    
Typical structural geology and groundwater dynamics in red beds basins of Ganjiang River Basin, South China
LI Zhiyong1, LI Yiyong2, HUANG Changsheng2, SUN Yaxin1, XIAO Pan2, SHAO Changsheng2, LU Tao2    
1. School of Earth Sciences, China University of Geosciences, Wuhan 430074, Hubei, China;
2. Wuhan Center of China Geological Survey(Central South China Innovation Center for Geosciences), Wuhan 430205, Hubei, China
Abstract: Continental red-beds are widely distributed in China, accounting for 9.5% of the total land area.A large number of urban residents and agricultural planting areas are located in different continental red-bed basins.The groundwater resources in the red-beds area are generally in short supply, and the drought is becoming more and more serious, which has become the focus of poverty alleviation.The red-beds basins in Ganjiang River Basin are typical examples in South China.Red-beds layers are mainly distributed in NE trending fault basins.Their formation and evolution, spatial distribution and structural style are controlled by NE trending regional extensional faults.The deformation in red-beds basins are characterized by NE trending extensional faulting and local gentle folding.The poor separability and complete iron cementation of the thick red glutenite in the basin make them characterized by low porosity and low permeability, which are the main reasons for the lack of groundwater and low recharge efficiency in the red-beds basin.The faults and associated fractures in the basin provide the main storage space for groundwater and also provide migration and seepage channels for the exchange of surface water and groundwater.The recharge of groundwater, the leaching and enrichment of gypsum minerals and heavy metals in red-beds, and the infiltration of agricultural and industrial wastewater and pollutants are all controlled by the faults in the basin.The spatial distribution, resource quantity, recharge efficiency and quality of groundwater are strongly controlled by the local deformed structures in the basin and are characterized by significant heterogeneity.The development, activity and associated fracture network of faults in red-beds basin have important significance for groundwater resource evaluation, dynamic monitoring and efficient utilization.
Key words: Ganjiang River Basin    red-beds basin    groundwater    faults    countermeasures    

红层(Red beds)是大陆环境形成的红色沉积岩层,主要形成于炎热、干燥地质时期的古盆地和湖泊环境,因沉积物中富含高价氧化铁——赤铁矿(Fe2O3),呈现标志性红色[1-2],其组成多为砂岩和砾岩, 夹粉砂岩、页岩、泥岩、石膏、岩盐等[3-6]。全球以中生代陆相红层分布最广泛,中国的红层总面积约9.16×105 km2, 占陆地总面积的9.5%, 其中南方约占红层总面积的60%,以中新生代侏罗纪—新近纪的陆相红层最发育[6-8]。绝大多数红层分布于各类断陷盆地或坳陷盆地中。红层盆地沉积厚度相差悬殊,如湘赣及鄂西一带红层厚度2000~4000 m,滇中地区红层最大厚度可达10000 m[9]。红层盆地也是重要城镇分布区和农业种植区,占比大、分布广,许多大中型城市位于红层盆地区。如西部四川盆地和云南地区,以及华南大部分盆地丘陵区,都广泛分布中生代红层。

作为一种独特的碎屑岩沉积地层,中国大多数红层地区地下水资源普遍紧缺,形势严峻,部分地区甚至被认为不具备地下水开采意义。红层地下水受构造、岩性、地貌等因素的控制和影响,在时空分布上极不均匀,埋藏分散,寻找难度大[10-13]。红层区缺水一直是水文地质界关注的热点问题之一[14]。1974年全国开展的1:20万区域水文地质普查,先后在安徽、湖南、江西、浙江、四川、云南等地的红层分布区打出单井涌水量大于每日几百立方米、水质良好的供水井[11, 15]。近年来,在四川成都、重庆、南充和云南滇中等西南典型红层盆地严重缺水地区,中国地质调查局和当地政府开展了一系列红层地下水勘查和打井找水工程[11, 14, 16-18],获得了较好的效果,解决了近千万当地农户的生活和牲畜饮水困难,但近1/3的水井因水量小和水质差被弃用[18]。地下水主要为浅层风化裂隙水,补给主要靠大气降水[19-21],普遍存在微生物污染,铁、锰含量超标等安全隐患[22-23]。伴随大规模打井找水工程的开展和地下水的开采,大多数红层区水井面临水量逐渐枯竭、水质变差,甚至大量水井干涸废弃的境况。近年来,陆相红层盆地干旱日趋严重, 红层地区已有供水模式的可持续性,以及地下水资源保护和持续利用形势非常紧迫[14]

目前对红层盆地地下水的认识水平和开发利用程度仍然较低,红层盆地地下水的赋存状态和水动力学模式还缺乏相对系统的理论认识。国内学者通过对中国西南红层地区地下水的勘查找水工作,将红层地下水类型划分为第四系松散层孔隙水、风化带裂隙水、构造裂隙水、溶蚀裂隙孔隙水等类型[16, 21]。在指导地下水勘查和利用时,主要考虑红层地下水的地貌汇聚特征,认为地貌条件是红层地下水富集的主控因素[11]。断裂构造及其伴生裂隙对低孔隙基岩地下水的分布及其动力学模式具有重要的作用[24],在目前红层地下水的勘查和利用中,红层的自然孔隙度和渗透率,以及断层和节理裂隙对地下水分布的重要作用还未得到足够重视。中国不同区域的红层盆地形成时代、构造背景、变形特征等都存在显著的差异[8],红层地下水已有开发利用经验和技术方法局限于特定地区,难以进行大规模推广和开发利用。因此,不同区域和不同时代的红层盆地地下水的勘查和利用具有其独特性,需开展针对性的普查和研究工作。特别是针对不同流域,应形成相应的红层地下水资源勘查和利用的理论模式和方法体系。

在赣江流域大部分城镇人口和农业种植区,已有的地下水利用水井均分布于红层盆地地区(图 1)。赣江流域作为典型的红层盆地地区,2017年以来,中国地质调查局启动赣南七县水文地质调查和扶贫找水工作,通过红层内地质构造指导打井找水,取得了良好效果[25-26]。解决红层地区地下水资源紧缺问题,不仅给所在城市发展带来资源和环境支撑,也是红层地区扶贫攻坚的关键。

图 1 赣江流域红层分布特征 Fig.1 Distribution of red beds basins within Ganjiang River Valley

本文以赣江流域典型红层盆地为例,对盆地外缘及盆地内260个典型露头发育的断层、节理、褶皱等变形构造进行了系统的野外露头调查和解析,建立了赣江流域典型的红层盆地构造样式。基于显微构造、激光粒度、孔隙度和渗透率测试,从红层物性特征角度揭示红层地区地下水贫乏的原因。基于典型构造样式和红层物性特征,揭示赣江流域红层地下水的典型赋存构造及其动力学模式,探讨红层地下水分布特征,为红层盆地的地下水资源勘查和利用提供科学依据。

1 赣江流域红层盆地典型构造样式及变形特征 1.1 红层盆地典型构造样式

赣江流域是中国南方典型的中生代白垩纪红层盆地分布区,白垩纪巨厚的红色砂砾岩沉积地层分布于山间断陷盆地[27]。盆地几何形态多以菱形和狭长型为主, 空间上整体沿NE走向展布(图 1)。盆地边界及其在空间上的展布方位与区域NE向大型断裂带一致,其形成和演化也受NE向深大断裂构造控制。在盆地中央,白垩系红色砂砾岩层的沉积厚度最大, 于都盆地最大沉积厚度达4000 m以上。根据盆地形态和基底特征,赣江流域红层盆地表现为3种典型的构造样式(图 2)。

图 2 赣江流域红层盆地典型构造样式 Fig.2 Typical structural styles of red beds basins in Ganjiang River Basin a—古生代褶皱基底对称地堑断陷盆地;b—花岗岩基底非对称单斜断陷盆地;c—复合基底狭长断陷盆地; K—白垩系;Z-—震旦系-寒武系

(1) 古生代褶皱基底对称地堑断陷盆地

盆地的发育和演化受两侧盆缘区域伸展正断层控制。发生强烈褶皱的古生代地层构成盆地基底,上覆白垩系红层砂砾岩变形较弱,形成宽缓褶皱。在白垩纪以来NW—SE向区域伸展作用下,盆地持续断陷,并在盆地内部形成次级的断裂和地堑,盆地总体表现为较宽阔的对称地堑构造样式(图 2-a)。

(2) 花岗岩基底非对称单斜断陷盆地

盆地由NE向区域断裂切割燕山期花岗岩体而发生伸展断陷形成,盆地基底为花岗岩体,上覆白垩系红层砂砾岩层。盆地的发育和演化受NE向区域伸展正断层和盆内同向次级断层的控制。在持续伸展断陷作用和盆缘断裂活动下,红层砂砾岩层向盆缘断裂方向倾斜,构成单斜构造,盆内发育次级阶梯状同向正断层,盆地表现为走向NE的狭长型非对称半地堑断陷盆地构造样式(图 2-b)。

(3) 复合基底狭长断陷盆地

在区域伸展作用下,伸展断裂同时切割花岗岩体和古生代沉积地层,白垩系红层砂砾岩在盆缘表现为一侧与花岗岩体断层接触,另一侧与古生代沉积地层断层接触。盆地的发育受NE向伸展正断层控制,在平面上表现为狭长的负花状构造样式(图 2-c)。

1.2 盆内构造变形特征

红层盆地内表现为红层的平缓褶皱,以及不同方位和级别的断裂构造与节理裂隙组合的构造变形特征。

1.2.1 褶皱变形

相对古生代地层的强烈褶皱变形,红层盆地内白垩系红色砂砾岩层的产状在整体上较平缓,在局部表现为平缓和开阔褶皱的构造变形特征,褶皱波长通常为200~500 m(图 3-ab)。大部分地区地层倾角低于30°,局部具有较高的倾角,达30°~50°(图 3-c)。在盆地边缘,受盆缘断裂控制,红层普遍高角度向盆地内侧倾斜。盆地内红层背斜构造通常出露较好,而向斜构造通常被第四系覆盖。红层的褶皱轴向总体表现为NNE向,反映在白垩纪末期—新生代早期,区域上经历了NWW—SEE向的挤压收缩变形。

图 3 红层盆地白垩系红色砂砾岩层褶皱变形特征 Fig.3 Folding and dip angle distribution of Cretaceous red sandstone layers in red beds basin a、b—红层典型褶皱野外特征;c—红层倾角分布
1.2.2 断裂构造

在盆地边缘,断裂构造表现为由一系列阶梯状排列的正断层组合而成的断裂带,控制着盆地边缘沿NE走向的伸展断陷作用(图版Ⅰ-a)。在盆地内部,主要发育NE向和NW向2组断裂。其中,NE向断裂构造主要表现为正断层性质,局部表现为阶梯状正断层组合样式或X型共轭组合样式(图版Ⅰ-bc)。NW向断层主要表现为正断层性质,但断层断距通常较小(图版Ⅰ-d),部分断层在断层面上发育水平擦痕线理,表现为平移断层性质。NW向断层的发育和红层的褶皱变形特征,共同反映了晚期近SE—NW向的挤压构造应力场特征。盆地内大型断裂构造在地貌上形成断层陡坎或低洼负地形,为地表水的下渗补给提供通道(图版Ⅰ-e)。

图版Ⅰ   PlateⅠ   a.NE走向盆缘断裂带;b.红层盆地NE走向阶梯状正断层;c.红层盆地NE走向共轭正断层;d.红层内阶状弯曲正断层及伴生裂隙;e.红层盆地正断层陡坎
1.2.3 节理裂隙

节理裂隙的发育与红层局部的褶皱变形作用和断裂的活动强度密切相关。在背斜构造的转折端部位和张性正断层附近,节理裂隙较发育,在地层褶皱变形较弱和断层不发育地区,节理裂隙不发育。在同一构造部位,节理裂隙的发育程度还与岩性有关,厚-巨厚层砾岩通常较完整,节理裂隙相对不发育。

红色砂砾岩层中的节理裂隙发育特征主要表现为3种类型:①高角度共轭型节理,主要发育于厚-巨厚层含砾砂岩和砂砾岩层中,发育2组,呈高角度共轭,通常与张性正断层伴生(图 4-ab);②直立节理,主要发育于中-厚层砂岩层中,产状近直立,与砂岩层理近垂直,通常发育于背斜褶皱构造的转折端部位(图 4-cd);③网状裂隙,主要发育于泥岩或泥质粉砂岩层内,相对其他岩性层位最发育,呈网状分布,粉砂岩层中裂隙尺寸与间距较大,而泥岩或泥质粉砂岩层内裂隙尺寸与间距较小(图 4-ef)。

图 4 红层岩层节理裂隙发育特征 Fig.4 Field characteristics of fractures developed in red beds a、b—高角度共轭节理;c、d—直立节理;e、f—网状裂隙
2 红层盆地典型控水构造及地下水动力学模式 2.1 红层物性特征

红层盆地砂砾岩沉积中,由泥岩、粉砂岩、砂岩,至含砾砂岩和砾岩,由细至粗各级粒径分布的岩性均发育,不同岩性层互层。其中含砾砂岩和砾岩层中,角砾成分多样,呈棱角状,未经过远距离搬运作用。对采集于于都盆地的6件具不同岩性特征的典型红层样品进行了显微观测、渗透率测试和粒度分析。红层砂砾岩在显微镜下表现为颗粒支撑和杂基支撑,碎屑颗粒胶结完好,均为红色铁质胶结,铁质胶结物使红色砂砾岩具有极低的孔隙度和渗透率。6件岩石样品的渗透率测试结果为0.27×10-3~3.9×10-3μm2(测试分析在江汉油田勘探开发研究院完成)。激光粒度分析结果表明,粉砂岩、砂岩和砾岩中毫米级以下的粒径配级没有明显差别,各个粒径均有分布,分选性极差(图 5)。因此,极差的分选性和完好的铁质胶结,使红色砂砾岩层具有较低的自然孔隙度和渗透率,成为红层盆地地下水贫瘠和补给效率低的主要原因。

图 5 红层砂砾岩碎屑颗粒(毫米级以下)激光粒度分析结果 Fig.5 Size distribution of clastic grain(< 1.0mm)inred beds layers from laser particle size analysis
2.2 红层地下水典型储水构造

赣江流域红层盆地内的红色砂砾岩层受到多期构造变形的影响和改造,在局部构造部位,断层、节理裂隙十分发育,为具有极低自然孔隙度和渗透率的红色砂砾岩提供了局部地下水渗流通道和储集空间的可能。在褶皱和断裂构造变形强烈部位,节理裂隙较发育的粉砂岩和砂岩层,成为红层盆地内较好的储水层位,而脆性构造不发育的致密砂砾岩层成为良好的隔水层。张性断裂构造及其伴生节理裂隙构成地下水的垂向补给、下渗和汇聚通道。红层的褶皱变形、断裂构造和岩性差异构成红层盆地内主要的潜在地下水有利储水构造。

(1) 第四系覆盖层储水构造

在巨厚层红色砾岩层受地表侵蚀并被第四纪地层覆盖的地区,为良好的第四系孔隙裂隙水储水区。巨厚层砾岩层通常构造变形微弱,节理裂隙不发育,具有极低自然孔隙度和渗透率。而上覆第四纪沉积物具有良好的孔隙度和渗透率,成为目前红层地区大多数居民自建水井的取水层位,其水量与当地的地表降雨补给密切相关。断裂构造和伴生节理裂隙为第四系孔隙水的进一步下渗提供通道(图 6-a)。

图 6 红层储水构造模式 Fig.6 Structural geology models controlling ground water in red beds layers a—第四纪覆盖层储水构造;b—单斜地层储水构造;c—向斜储水构造;d—花岗岩基底单斜储水构造

(2) 单斜地层储水构造

当红层地层倾斜时,厚层的砾岩层成为隔水层,网状裂隙发育的泥质粉砂岩层成为较好的含水层和地下水运移通道。在地表缓坡部位,构成较好的地下水补给区。而陡坡部位的侵蚀作用会破坏地下水的封闭存储形成悬挂泉。缓坡部位断裂构造可以促进地表水向深层含水层补给,陡坡部位断裂构造促进地下水的排泄和断层泉的形成(图 6-b)。

(3) 向斜储水构造

盆地内红层普遍发生平缓褶皱变形,厚层的砾岩层成为隔水层,而网状裂隙发育的泥质粉砂岩层成为较好的含水层和地下水运移通道,因而向斜构造部位形成良好的储水构造。在背斜转折端部位,厚层砾岩层往往遭到侵蚀,张性断层和节理裂隙较发育,为地下水的补给提供了通道(图 6-c)。

(4) 花岗岩基底单斜储水构造

当盆地基底为花岗岩体时,具有极低自然孔隙度和渗透率的巨厚层砾岩层和花岗岩基底成为良好的隔水层。局部网状裂隙发育的泥质粉砂岩层和断裂构造成为良好稳定的储水构造(图 6-d)。

在上述潜在有利储水构造中,断层及其伴生节理裂隙起到重要的作用,为地表水下渗补给提供通道,并成为潜在的良好储水空间。

2.3 红层盆地典型地下水动力学模式

基于红层盆地典型构造样式及储水构造类型,赣江流域红层盆地存在2种典型的地下水动力学模式(图 7)。

图 7 于都红层盆地地下水动力学模式 Fig.7 Groundwater dynamic models in Yudu red beds basin a—对称褶皱断陷分区地下水动力学模式;b—非对称单斜断陷地下水动力学模式

(1) 对称褶皱断陷分区地下水动力学模式

以于都盆地为典型代表,盆缘深大断裂控制盆地的整体形态和地貌特征,以及地表降水的盆内汇聚。盆内次级断裂构造及平缓褶皱,构成地下水的局部补给、运移和储水构造。盆内褶皱和断裂使地下水的分布和循环表现为分区性和非均一性。背斜构造构成地下水补给区,向斜构造和控盆深大断裂构成储水构造。背斜部位的张性断层提供深部地下水的补给和汇聚通道,而向斜部位的张性断层构成地下水的排泄通道(图 7-a)。

(2) 非对称单斜断陷地下水动力学模式

以韩坊盆地为典型代表,盆地的沉降受边界断层控制,盆地内红层整体形成单斜构造,巨厚层砾岩层和花岗岩基底成为良好的隔水层。网状裂隙发育的泥质粉砂岩成为良好稳定的潜在储水层位。粉砂岩层出露地区构成地下水的补给区,盆缘断裂成为良好的地下水补给通道和储水区(图 7-b)。

2.4 红层盆地地下水分布特征

目前在赣江流域开展的环境地质调查和地下水统测的阶段性结果表明,红层盆地内地下水的分布具有独特的特征:①目前可持续利用的地下水多为第四纪潜水,水位埋深一般较浅,为10.0 m以内,为目前大多数居民自建水井的取水层位。②深部地下水主要为构造裂隙水,空间上具有高度非均一的点状和带状分布特征。成功率高且水量较大的打井井位主要分布于深大断裂和两期断裂交汇部位。③地下水的补给主要为雨季地表降水通过断层构造和节理裂隙下渗进行补给,补给效率和补给量较低。流域内虽具有较丰富的地表降水和地表径流,但地下水仍十分匮乏。地下水难以高效率持续开采利用。④因红层内的火山岩夹层和膏盐层的存在,所含可溶性盐较多[28]。通过地表淋滤、网状节理裂隙和断层的渗滤汇集,造成地下水有害化学元素局部富集,存在水质风险。

红层盆地内断裂构造及其伴生裂隙不仅为地下水提供储存空间,也为地表水和地下水的交换提供了运移和渗透通道。地下水的非均一分布和补给、红层内膏盐矿物及重金属元素的淋滤聚集、地表农业和工业废水及污染物的下渗扩散均受断裂构造的控制。因此,红层盆地内断裂构造的发育、活动性质及其伴生裂隙网络研究对地下水资源评价和合理利用规划具有重要的科学指导意义。红层盆地地区地下水的勘查和评价应以盆地内红层的构造变形特征为基础,结合水资源普查和统测成果进行综合评价。“打井找水惠民工程”应考虑有利构造部位,提高井位的成功率和质量。

红层盆地独特的物性特征及构造控水模式,决定了其有限的地下水资源量、较低的补给效率和难以高质量持续开采的特点,应对红层地区地下水进行合理开采和高效利用。对已有地下水开采利用井,建立地下水动态变化和水质监测网络。针对盆地内大型主干断裂构造,对地表污染物和有机质下渗扩散进行监测和风险评估。此外,可适当规划建设水库和城镇居民备用水源地,充分利用流域内雨季的丰富降水提供水资源补给。

3 结论

(1) 赣江流域红层主要分布于NE向展布的断陷盆地中,其形成演化、空间分布和构造样式主要受NE向区域伸展断裂构造控制,红层内构造以NE向伸展断层为主要特征。受晚期区域NW—SE向挤压作用,红层局部表现为平缓褶皱变形。节理裂隙的发育与红层局部的褶皱变形作用和断裂的活动强度密切相关。

(2) 红层的褶皱变形、断裂构造及伴生节理裂隙对红层盆地地下水的分布、补给、运移和存储,以及地表污染物的下渗扩散具有重要的控制作用。

(3) 红层盆地砂砾岩极差的分选性和完好的铁质胶结,使其具有较低的自然孔隙度和渗透率,成为红层盆地地下水贫瘠和补给效率低的主要原因。

(4) 红层盆地地下水的空间分布、资源量、补给效率和水质强烈受控于盆内局部变形构造,具有显著的非均一性,应对有限的地下水资源进行合理规划、动态监测和高效利用。

致谢: 本论文研究工作的开展和撰写得到了中国地质调查局武汉地质调查中心、江西省地质调查院等单位专家的指导和帮助,审稿专家对本文提出了宝贵的意见和建议,一并表示感谢。

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