西宁盆地人畜饮用供水工程中的地下水水质形成机理研究

西宁盆地人畜饮用供水工程中的地下水水质形成机理研究

1解决生活用水难题西宁盆地位于福建省东部穆水盆地的中部。西宁省位于盆地中部。盆地内人口200多万,占全省总人口40%,耕地面积占全省55%,粮食产量占全省68%,工业总产值占全省71%,GDP占全省50%以上。然而,种种原因致使盆地内部分村镇居民的生活用水问题没有得到有效解决,据此,自2001年开始,中国地质调查局在该区开展了人畜饮用地下水勘查示范工作,先后为饮用水困难村庄建成供水示范井8眼,直接解决了6万余人的生活用水难题。本文依据近年来取得的最新资料,对盆地内碎屑岩类地下淡水赋存模式进行初步总结,以期为区内其它村镇缺水居民饮用水的解决提供依据。2盆地地质背景西宁盆地南以拉脊山为界,北依大阪山,南北宽25～35km,东西长约260km。拉脊山山地平均海拔3500m,大坂山地平均高程3700m,盆地中部西宁市区平均海拔2261m。黄河一级支流湟水河自西向东穿流盆地,湟水河在西宁水文站的多年迳流量为21.5×109m3。研究区深居内陆,具有典型的半干旱高原大陆性气候特征。盆地内年降水总量从河谷平原向两侧山地随海拔的增高而明显增加,河谷及山前丘陵地带多年平均降水量350mm左右,海拔3000～3500m的山区年降水总量为400～500mm。海拔4000m以上的山地年平均降水量可达650mm左右。盆地内寒冷干燥,年均气温3.4℃,年均蒸发量为1235.6mm。区内前第四纪地层主要有上元古界变质岩、中生界白垩系和新生界第三系。上元古界出露于盆地南北两侧的山区,以石榴石云母片岩为主,夹石英片岩、石英岩和大理岩,局部受侵入体影响呈现边缘混合岩化,地层多呈北西走向,由山地向河谷倾斜。白垩系在盆地两侧海拔3000m左右的山区至山前丘陵地带广泛分布,主要由桔红色、杂色、灰绿色灰白色河湖相碎屑岩及泥页岩组成。在沟谷可见白垩系不整合覆于上元古界石英岩和大理岩之上。第三系碎屑岩在盆地内分布广,厚度大,下第三系主要由一套泥岩、石膏岩及红色碎屑岩等组成,多呈近水平层状产出,部分地区受构造影响产状变陡,主要由杂色泥岩、石膏岩、砂岩、泥岩夹砂岩组成。下第三系与下伏上白垩统呈平行不整合接触。上第三系为湖相、冲积扇相之泥岩及粗碎屑岩,产状平缓,地层倾角一般为2°～10°。盆地内第四系主要为风成黄土和冲洪积物。黄土主要分布于山前丘陵地带,多披覆于梁峁地形及河谷谷坡之上,厚度一般5～30m,最厚可达百米以上。冲洪积物广泛分布于湟水河河谷及其两侧级阶地之上,岩性以砾卵石和砂质粘土混合堆积为主,厚度一般20～35m。盆地内地下水赋存类型除河谷平原区(包括阶地)第四系松散含水层外,碎屑岩类地下水依据其含水层时代和水力性质可分为:裂隙孔隙潜水、裂隙孔隙承压自流水、以及碳酸盐岩类裂隙溶隙水三大类型。碎屑岩类裂隙孔隙潜水主要赋存于盆地两侧山区和丘陵区裸露的白垩系和第三系碎屑岩层中,在盆地边缘地带偶见泉水出露,单泉流量一般小于1.0L/s,矿化度一般大于1.0g/L,局部地段高达7.0g/L以上,从而构成大面积的苦、咸水区。碎屑岩类裂隙孔隙承压水在盆地内广泛分布,主要含水介质为白垩系和第三系碎屑岩,其水质水量受地质构造、地下水循环条件的控制差异较大,在地质条件适合地段,可形成自流钻孔。大量钻孔资料统计表明,盆地边缘地带的承压水水质较淡,矿化度一般小于1.0g/L,而盆地中部,由于迳流滞缓,矿化度急剧增高,一般为3.0g/L以上,局部高达47.50g/L。如平安县三合镇ZK10号孔,水头高出地面73m,自流量为156.82m3/d,矿化度2.94g/L;三合镇31号孔,水头高出地面19.50m,涌水量为25m3/d,矿化度3.44g/L。碳酸盐岩类裂隙溶隙水主要分布在盆地南北两侧的上元古界结晶灰岩、白云岩及大理岩分布区。盆地北缘达坂山南麓老爷山至民和县一带,白云岩、大理岩呈条带状出露地表。局部地段如互助县南门峡等地,白云岩、大理岩被上覆白垩系或第三系所覆盖。白云岩、大理岩裸露地区,埋藏有碳酸盐岩类裂隙溶隙水,局部地段可见泉水出露,流量一般小于0.2L/s,矿化度小于0.5g/L,水质良好。白云岩、大理岩隐伏区,往往赋存着裂隙溶隙承压水,局部地段形成泉或泉群。3碎屑岩储水构造西宁盆地总体为一走向北西—南东的宽缓向斜褶皱,受多期构造运动的影响,从西向东以小峡、大峡和老鸦峡隆起为界,从西向东依次为西宁断陷、平安、乐都以及民和等串珠状次级盆地。盆地内区域断裂主要有大致与山体走向平行的拉脊山断裂和大坂山断裂,这两条断裂构造对区域地层出露具有十分明显的控制作用。以这两条区域断裂为界,拉脊山、大坂山山麓前第四纪白云岩、大理岩、白垩系和第三系碎屑岩广泛出路于地表,在这两条区域断裂之间,即盆地内部的白垩系和第三系碎屑岩则被深埋于地下。受盆地边界东西、南北向构造控制,盆地内发育着以北东、北西向为主的两组断裂构造,断裂升降运动的差异,盆地内的白垩系、第三系碎屑岩形成了一系列地垒地堑构造。在上述构造作用下区内形成了不同类型的储水构造(图1),依据含水介质类型、水文地质特征等,碎屑岩储水构造可分为碳酸盐岩单斜储水构造、白垩系垒堑式储水构造、白垩系碎屑岩隐伏断裂破碎带储水构造等类型。这些储水构造中都不同程度地赋存着可供当地居民饮用的地下淡水。但由于不同类型储水构造的地质结构和地下水补迳排条件的差异,其水质、水量变化较大。如白垩系垒堑式储水构造局部地段地下水矿化度较高,对人体有害的元素超标。因此,研究这些储水构造及其地下淡水形成机理与分布规律,对于解决盆地内严重缺水城镇、村庄居民的生活用水难题,乃至指导类似缺水地区人畜饮用水问题的解决,均具有重要的实用价值。4不同类型的储水结构的地下淡水分布规律及形成机制4.1碳酸盐岩单斜储水构造分布于盆地北缘大坂南麓及山前丘陵地带的上元古界白云岩、大理岩以及白垩系、第三系碎屑岩,历经多期地质构造的作用,在大通老爷山、互助县南门峡、佑宁寺,以及民和县城北山一带,形成了一系列碳酸盐岩单斜储水构造。其中最具代表性的是互助县台子乡碳酸盐岩单斜承压储水构造,以及民和县川口镇史纳村碳酸盐岩单斜潜水储水构造。现以这两个储水构造为例分析地下淡水形成与富集规律。(1)白云岩、大理岩储水带互助县县城位于西宁市以东约30km,台子乡地处互助县西北部,区内海拔2600～2800m,从北到南依次出露元古代湟源群东岔沟组大理岩、花石山群北门峡组及克素尔组(Ptb22bk)结晶灰岩、白云岩及大理岩,白垩系民和组(K2m)紫红色砾岩、砂砾岩、砂岩、砂质泥岩,在沟谷可见第四系坡积物或黄土覆盖于基岩之上。受一系列逆冲推覆构造控制,元古界地层与白垩系表现为断层接触和不整合两种接触关系。在台子乡北部地表可见元古界与白垩系直接接触;台子乡中部钻孔所揭露的地层表明,白垩系砂砾岩不整合覆盖于元古界之上。台子乡南部受南门峡断裂作用,地表可见第四系直接覆盖于白垩系之上。元古界白云岩、大理岩的储水功能,覆盖于其上的白垩系砂砾岩的相对隔水性,南门峡断裂的阻水作用,以及三者之间的组合为岩溶储水构造的奠定了地质基础。台子乡北部大面积出露元古界北门峡组及克素尔组白云岩、大理岩,岩溶作用强烈,地表可见不同时期的古溶洞、溶孔、溶隙较为发育,对大气降水的滞留和入渗极为有利。台子地区多年平均降雨量470mm左右,岩溶地下水的补给条件较为优越。大气降水在北部白云岩、大理岩区渗入地下后,由北部山区向湟水河河谷缓慢迳流,迳流途中由于受盆地边缘南门峡断层的阻挡,地下迳流在白云岩、大理岩层中不断聚集。天然状态下,岩溶水在南门峡断裂上盘以上升泉的形式溢流地表,如台子乡以南约12km的下台子村从第四系堆积层中出流的牛头山根泉,就是该单斜储水构造的天然排泄带,泉口高程2620m。据长期监测资料,多年平均流量7500m3/d左右,矿化度小于1g/L。在台子乡直沟村一带,元古界白云岩、大理岩被厚度近100m的白垩系碎屑岩层所覆盖。白垩系上部为厚度约30m的砂质泥岩,下部为厚约70m的砂砾岩。白垩系砂质泥岩结构致密,具有较好的隔水性能,从而构成承压储水构造。由于岩溶地下水循环条件好,故矿化度较低。在地形相对低洼地带所施工的钻孔可自流,如2003年在直沟村钻探的GK02号钻孔,孔深175m,从地表向下揭露的地层为第四系坡积物23m,白垩系碎屑岩120m,元古界白云岩、大理岩32m。当钻孔揭穿白垩系碎屑岩时,钻孔开始自流。终孔后承压水头高出地面26m以上,放水试验结果自流量2042m3/d,矿化度0.63g/L,水质符合生活饮用水标准。(2)逆冲断层与地下水储水的地质条件史纳村位于民和县城湟水河北岸,湟水河河谷深切,北岸为海拔3100m以上的民和北山,地势陡峭,由湟水河谷向北山依次出露白垩系民和组砂砾岩、元古界东岔沟组大理岩以及青石坡组石英片岩。元古界石英片岩在区内出露面积较大,岩层走向北东南西,倾向东南,倾角近90°。元古界东岔沟组大理岩在史纳村北部呈条带状分布,出露面积约10km2。大理岩层厚、质纯、方解石含量90%以上,可溶性较强,溶隙、溶沟、溶孔随处可见。大理岩南端有一逆冲断裂发育,大理岩逆冲于白垩系砂砾岩之上。断层总体走向北东东,倾向北北西,倾角60～70°,断裂带岩性以碎粉岩为主,宽2m左右。受逆冲断裂的影响大理岩地层中近断裂部位,次级断裂极为发育,岩层破碎,古岩溶发育。逆冲断裂南侧白垩系民和组砂砾岩层,地层走向北东,倾向140°,倾角45～62°。白垩系砂砾岩近断裂部位节理裂隙较为发育,远离断层带向湟水河谷方向地层完整,在沟谷地带被第四系黄土所覆盖。上述不同时代地层的空间分布及其构造作用,元古界大理岩层的含水储水性能,白垩系民和组砂砾岩层阻水功能,是史纳村北山碳酸盐岩单斜潜水储水构造的形成的地质基础。元古界大理岩地层中的溶隙、溶孔、溶洞,以及受断裂作用形成的裂隙,为地下水的形成提供了有利的补给通道及储水空间。大理岩层中地下水的补给主要有两个途径,在大理岩出露区直接接受大气降水的渗入补给,其次是接受北部山区石英片岩分布区地下水径流补给。大理岩含水层地下水在从北部山区向湟水河河谷迳流途中,由于受大理岩层南侧白垩系砂砾岩层的阻水作用,使大理岩层中地下水得以富集,从而形成了碳酸盐岩单斜潜水储水构造。本次调查在史纳村一带未发现岩溶泉水,由此推断,天然条件下该储水构造中部分地下水可能沿白垩系砂砾岩层面裂隙缓慢径流直接排入湟水河,部分通过白垩系砂砾岩层径流补给河谷区第四系砂砾石层再排入湟水河。2001年在该储水构造大理岩含水层近白垩系砂砾岩一侧,逆冲断层上盘钻探一供水井。钻深114m,钻孔揭露大理岩含水层约65m,终孔后地下水位埋深48.43m。经抽水水位降深16.24m时,出水量达1125m3/d,矿化度0.7g/L,各项指标均符合饮用水标准。4.2裂隙水驱动的槽波地质及地质条件西宁盆地湟水河河谷平原区第四系松散沉积层之下广泛埋藏着巨厚的第三系和白垩系碎屑岩地层,因碎屑岩地层含盐量较高,局部夹有膏盐层。碎屑岩埋藏于现代排泄基准面之下,区域地下水循环条件差,赋存于其中的裂隙水一般都属于高矿化度的苦咸水。居住在高阶地的部分村镇,居民长期饮用苦咸水。近几年来,由于湟水河河水污染不断加剧,过去依靠河水为饮用水源的居民生活用水也不同程度地产生危机。为了解决农村居民的生活用水,自2002年开始,在盆地内第三系和白垩系碎屑岩埋藏区开展了找水工作。最新调查结果发现,受区域性构造作用,盆地内发育着一系列北东向张扭性断裂和东西向压扭性断裂。在断裂作用下,碎屑岩地层呈凹凸间列的“棋盘格”状垒堑式分布。垒堑构造埋藏条件不同,其水文地质条件差异很大。以平安县祁家川白垩系碎屑岩地垒储水构造和乐都县洪水镇双营村断裂带储水构造为例,分析白垩系碎屑岩地下淡水的分布规律。(1)白垩系碎屑岩垒堑式构造祁家川地处湟水南岸,区内主要发育有上白垩系民和组和下第三系西宁群地层。上白垩统民和组主要分布于河谷平原区,属滨湖咸水含石膏碎屑岩和河流相红色碎屑岩沉积,岩性为棕褐色-棕色砾岩、灰绿色页岩夹泥岩和泥灰岩等。西宁群主要分布在湟水河以南的山前丘陵地带而在河谷平原区缺失。下第三系与下伏上白垩统民和组呈平行不整合接触。第四系除河谷平原区现代河流冲洪积物外,山前丘陵地带有黄土直接覆盖于碎屑岩之上。区内发育着一系列NNE张扭性断裂(见图2所示F1和F2)近东西向压扭性断裂(图2所示F3、F4等),断块间地层的差异升降,形成了典型的白垩系碎屑岩垒堑式构造。天然条件下,白垩系碎屑岩地层在山区出露部位接受大气降水的渗入补给,其次在河谷区部分地段可能通过区域张扭性断裂接受河水渗入补给。白垩系碎屑岩层中的地下水从山区向河谷方向迳流途中,受到垒堑构造边缘压扭性断裂的阻隔,部分以泉的形式出露地表(图2),部分则沿层面裂隙或张扭性断裂带向河谷区迳流。由于河谷区白垩系碎屑岩垒堑式构造埋藏深度较深,垒堑式构造内部的封闭条件较好,往往赋存有承压裂隙水,但因地下水迳流缓慢,加之白垩系碎屑岩含盐量较高,地下水矿化度较高。在垒堑构造内水质差异主要受控于循环条件,地垒部位补给微弱,水质则较差,地堑部位补给和循环条件相对较好,地下水矿化度相对较低。如2002年在地垒部位施工的ZK2号孔,孔深115m时开始自流,地下水矿化度为5.44g/L。而在地垒部位施工的ZK10号孔,孔深212m,自流水量157m3/d,地下水矿化度为2.94g/L。(2)白垩系空间断裂断裂带双塔营村位于湟水河南岸,区内发育的地层主要为白垩系碎屑岩和元古界石英岩、绢云石英片岩。元古界变质岩在双塔营村南部大面积出露,白垩系碎屑岩分布于河谷平原区被第四系冲洪积所覆盖,据钻孔揭露白垩系由含石膏泥岩、粉砂岩、砂岩所组成,最大厚度70m左右,产状近水平。白垩系碎屑岩之下为石英岩、绢云石英片岩,其上为第四系粘土亚砂土,厚度一般为20m,局部地段5m左右。双塔营村北湟水河谷中发育有一条走向北东—南西规模较大的隐伏断裂,物探查明该断裂斜切湟水河现代谷地。在双塔营村北东方向约3km湟水河北岸阶地上的第四系冲洪积层中出露一上升泉,当地居民称之为双龙泉,泉水流量650m3/d左右,矿化度小于0.8g/L。有关部门曾在该泉附近施工钻孔,孔中地下水矿化度较高,由此推断,该泉水可能来自于隐伏在第四系地层之下的白垩系碎屑岩地层中的北东南西向断裂带内。为了解决双塔营村居民的生活饮用水,2003年,经对区内水文地质条件、地质构造进一步调查,通过物探发现双塔营村北湟水河I级阶地中部发育着与现代河谷基本平行的北东南西向隐伏断裂。于是实施了钻探工程,孔口位于断裂上盘,钻孔所揭露的地层依次是第四系粘土亚砂土约15m,白垩系粉砂岩砂岩60m,断裂破碎带杂色构造碎裂岩50m,元古界石英岩绢云石英片岩约20m。钻孔进入断裂破碎带后孔内出现涌水现象,经分层抽水试验和水质分析,元古界石英岩及绢云石英片岩段自流量11.41m3/d,矿化度2.37g/L;断裂破碎带杂色构造碎裂岩岩段自流量111.97m3/d,矿化度0.91g/L。后经粘土回填在断裂破碎带岩段成井,承压水头高出地表近12m,成为双塔营村近百户居民无需加压的自来水供水井。该孔说明盆地内的某些隐伏断裂破碎带储水构造中往往赋存着可供居民饮用的地下淡水。根据对水文地质条件的进一步分析,白垩系碎屑岩隐伏断裂破碎带承压自流水的形成,是来源于双塔营村湟水河上游河水的渗入补给,即在断裂上覆第四系堆积物厚度较小的地段,或