巖層水文地質(zhì)單元調(diào)查技術(shù)分析

吳海云

（海南省地質(zhì)綜合勘察院，?？?570206）

隨著經(jīng)濟(jì)與人口的增長，用水需求大幅增加。此外，全球氣候變遷影響各地水資源的分布，使得部分地區(qū)飽受缺水之苦。水是21 世紀(jì)的重要資源，世界各國為了永續(xù)利用水資源，積極地尋找替代性水源，以達(dá)到不同水源系統(tǒng)的聯(lián)合運(yùn)用。以往部分地區(qū)多著重于流域下游沖積扇的調(diào)查與研究，而流域上游集水區(qū)的地形、地貌與地質(zhì)條件有利于地下水資源的補(bǔ)注與儲存，其地下水豐沛的區(qū)域可作為地下水開發(fā)的場址，故流域地下水資源的調(diào)查、評估、保育與開發(fā)等工作是重要的課題。在地下水資源的評估與管理方面，必須先了解區(qū)域的水文地質(zhì)架構(gòu)，以模擬與分析地下水模式。水文地質(zhì)架構(gòu)的基本組成為地質(zhì)單元與水文地質(zhì)單元。

1 流域水文地質(zhì)架構(gòu)

山區(qū)水文地質(zhì)架構(gòu)與平原區(qū)有所不同。山區(qū)的基巖由固結(jié)巖層組成，表層可能覆蓋一些未固結(jié)的地質(zhì)材料。部分學(xué)者在研究基巖以上的地質(zhì)時發(fā)現(xiàn)，隨著深度的變化，不同的地質(zhì)材料分布其間，這類地質(zhì)材料乃母巖風(fēng)化的產(chǎn)物。表土以下的固結(jié)性巖石被稱為基巖，覆蓋于基巖以上的部分則為風(fēng)化層。在典型山區(qū)地下水系統(tǒng)架構(gòu)模型中，風(fēng)化層包含土體、巖屑與風(fēng)化團(tuán)塊狀基巖等，風(fēng)化團(tuán)塊狀基巖包含部分風(fēng)化巖石與高度破碎的裂隙巖石，保留次生構(gòu)造，使得該區(qū)段的地下水流通性較佳，而風(fēng)化層下層則為裂隙基巖。

水力特性方面，風(fēng)化層各分層滲透率與孔隙率的垂直變化特征鮮明，風(fēng)化層厚度可保持在9 ～12 m。風(fēng)化層上層風(fēng)化程度較大，孔隙率較高，若含較多砂質(zhì)成分，其相對滲透率亦較高。有機(jī)土與風(fēng)化巖塊因巖體風(fēng)化而成團(tuán)塊，相對滲透率較高。一般來講，風(fēng)化層的蓄水能力較佳，深層基巖的蓄水能力可能較差?？偟膩碚f，山區(qū)水文地質(zhì)架構(gòu)主要分為風(fēng)化層與裂隙基巖，其中風(fēng)化層有利于山區(qū)地下水的蘊(yùn)藏，而裂隙發(fā)達(dá)的巖層則提供地下水的通道，亦有可能富含地下水。

2 調(diào)查技術(shù)分析

改革開放后，我國大力發(fā)展水文地質(zhì)調(diào)查及分析技術(shù)，已取得豐富的調(diào)查研究與應(yīng)用成果。以成熟的水文地質(zhì)調(diào)查技術(shù)為基礎(chǔ)，針對流域上游集水區(qū)，人們開發(fā)出流域巖層水文地質(zhì)單元調(diào)查技術(shù)，以構(gòu)建流域的水文地質(zhì)架構(gòu)。相關(guān)調(diào)查工作有：地表地質(zhì)調(diào)查與鉆探布孔規(guī)劃、水文地質(zhì)鉆探與巖心紀(jì)錄、風(fēng)化層厚度調(diào)查與鉆孔地質(zhì)單元分層、室內(nèi)巖心基本物性試驗(yàn)、孔內(nèi)井測與封閉水力試驗(yàn)等。

2.1 地表地質(zhì)調(diào)查與鉆探布孔規(guī)劃

地表地質(zhì)調(diào)查可了解調(diào)查區(qū)域的地質(zhì)概況，為鉆探布孔規(guī)劃與后續(xù)水文地質(zhì)單元劃分提供參考。調(diào)查目的是明確巖層的水文地質(zhì)特性，除了一般的露頭地表地質(zhì)特性調(diào)查，亦包含其裂隙特性與滲水狀況相關(guān)的水文特性調(diào)查，如鄰近的地表徑流、泉水位置與土地使用等，以初步評估鉆探選址的可行性。

為符合調(diào)查目的，實(shí)現(xiàn)最佳效益，鉆孔布置需要遵循以下原則：考慮交通路況與鉆探作業(yè)安全性，用地取得可行性較高；將地質(zhì)調(diào)查圖作為底圖，在調(diào)查范圍內(nèi)根據(jù)地質(zhì)單元和流域集水區(qū)進(jìn)行布孔；調(diào)查范圍內(nèi)，分布較廣的地層至少布置一孔，特殊地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域可增設(shè)鉆孔；為提升布孔效益，獲取較多的水文地質(zhì)單元參數(shù)，場址選擇可能獲得較多地層單元的區(qū)域；若有特殊且重要的斷層構(gòu)造，其上、下盤的地層至少各布置1 處鉆孔，以建立地下水流動模型；根據(jù)地下水資源潛勢分析，合理進(jìn)行場址選擇，以選定富含地下水的高潛勢區(qū)；考慮既有鉆孔位置與相關(guān)試驗(yàn)資料，方便后續(xù)延伸性研究。

2.2 水文地質(zhì)鉆探與巖心紀(jì)錄

2.2.1 水文地質(zhì)鉆探

水文地質(zhì)鉆探主要采用自轉(zhuǎn)式鉆機(jī)，配合劈管取樣器、薄壁取樣器及巖心取樣器采樣，運(yùn)用水洗旋轉(zhuǎn)式鉆進(jìn)全程取樣法進(jìn)行作業(yè)，其所取得的巖心根據(jù)順序擺放于巖心箱中，并拍攝高分辨率彩色照片來建檔。在鉆探過程中，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)，以判定土體的軟弱緊密程度，而在具有代表性的區(qū)段采集土樣與巖樣，開展土體及巖石物理性質(zhì)試驗(yàn)；各區(qū)段應(yīng)記錄鉆探的回水率，以大致了解地質(zhì)破碎或軟弱泥質(zhì)滲漏情形，亦可在特殊區(qū)段開展呂榮試驗(yàn)，以了解該區(qū)段的透水性。

2.2.2 巖心紀(jì)錄

通過水文地質(zhì)鉆探取樣所鉆取的未固結(jié)及固結(jié)土巖材料，采用標(biāo)準(zhǔn)化鑒定方法，以得到嚴(yán)謹(jǐn)且可信度較高的成果。巖心紀(jì)錄可以解釋巖層巖性，弱面特性亦為重要的記錄項(xiàng)目，如原生構(gòu)造與次生構(gòu)造、裂隙數(shù)量等。此外，鉆孔的地質(zhì)單元分層是水文地質(zhì)單元劃分的基礎(chǔ)，故巖心解釋應(yīng)詳盡記錄，以利后續(xù)分層作業(yè)。

2.2.3 風(fēng)化層厚度調(diào)查與鉆孔地質(zhì)單元分層

風(fēng)化層為山區(qū)地下水的主要蘊(yùn)藏帶之一，因此風(fēng)化層的厚度調(diào)查十分重要。山區(qū)地形與地質(zhì)的變異性大，使得各地區(qū)的風(fēng)化層厚度亦不同，而開展風(fēng)化層厚度調(diào)查前，必須完成鉆孔地質(zhì)單元的分層作業(yè)。鉆孔地質(zhì)單元主要分為風(fēng)化層與新鮮基巖，其分界原則主要是風(fēng)化等級，若該區(qū)段巖心解釋屬于新鮮（Ⅰ），表示巖質(zhì)新鮮，無可見巖質(zhì)風(fēng)化跡象，其解釋的鉆探深度為風(fēng)化層與新鮮基巖的分層界線，其區(qū)間即為風(fēng)化層的厚度。

鉆孔地質(zhì)單元分層作業(yè)程序如下：新鮮基巖可根據(jù)不同產(chǎn)狀的巖石種類劃分出不同的地質(zhì)單元，如灰白色細(xì)砂巖、灰色中砂巖、砂頁巖互層、板巖、片巖、石英巖等；風(fēng)化層泛指新鮮基巖以上地質(zhì)材料，有輕微風(fēng)化（Ⅱ）等級以上的地質(zhì)材料，有人為或自然外力作用下所產(chǎn)生的堆積物，各類別可劃分成不同的地質(zhì)單元。

2.2.4 室內(nèi)巖心基本物性試驗(yàn)

鉆探所獲取的巖心除用于地質(zhì)描述外，還可進(jìn)行一系列室內(nèi)試驗(yàn)，包括土體與巖石一般物理性試驗(yàn)、氦氣孔隙率測定、氣體滲透率檢測、激光粒徑分析試驗(yàn)、巖相薄片分析及巖石動態(tài)彈性參數(shù)測定等。試驗(yàn)所獲取的參數(shù)既可用于了解研究區(qū)域地層所屬巖性、礦物組成、物理及水力特性，亦可作為后續(xù)模式分析、水文地質(zhì)單元關(guān)聯(lián)性建立的重要根據(jù)。

2.2.5 孔內(nèi)井測與封閉水力試驗(yàn)

區(qū)域地質(zhì)變化復(fù)雜，使得水文地質(zhì)特性隨之不同。通過孔內(nèi)井測試驗(yàn)與封閉水力試驗(yàn)，獲取水文地質(zhì)參數(shù)，可降低水文地質(zhì)的不確定性，提升后續(xù)分析的準(zhǔn)確度。試驗(yàn)項(xiàng)目有孔內(nèi)裂隙巖體位態(tài)調(diào)查、孔內(nèi)井測調(diào)查、孔內(nèi)波速調(diào)查、孔內(nèi)地下水流速與流向調(diào)查、封閉水力試驗(yàn)。調(diào)查方式是將各式探測儀置于鉆孔中，并在吊放及拉升過程中測錄不同物理信號來判定地層特性。其探測所得的各項(xiàng)參數(shù)和巖心紀(jì)錄可作為后續(xù)水文地質(zhì)單元劃分與基本資料構(gòu)建的依據(jù)。

3 水文地質(zhì)單元劃分與資料構(gòu)建

通過整合水文地質(zhì)試驗(yàn)成果與資料，現(xiàn)詳細(xì)說明如何構(gòu)建水文地質(zhì)單元。

3.1 單元尺度

以鉆孔巖心的地質(zhì)單元分層為基礎(chǔ)，結(jié)合水文地質(zhì)試驗(yàn)的成果，通過資料的匯整與分析，評比與劃分水文地質(zhì)單元。

3.2 單元劃分與命名

水文地質(zhì)單元劃分需要以調(diào)查成果為基礎(chǔ)，水文地質(zhì)單元資料包含水文地質(zhì)單元名稱、簡碼、水文地質(zhì)特性描述與水文地質(zhì)參數(shù)等內(nèi)容。

3.2.1 劃分原則

一是水文地質(zhì)單元主要考慮巖層的沉積環(huán)境、巖性以及水文特性，以地質(zhì)單元為基礎(chǔ)。二是地表入滲試驗(yàn)、地表采樣與鉆探巖心地質(zhì)材料分析、井測試驗(yàn)成果、地表水與地下水水質(zhì)分析、觀測井抽水試驗(yàn)成果等皆可作為水文地質(zhì)單元劃分的依據(jù)。三是風(fēng)化層包含未固結(jié)巖層（沖積層、階地與盆地堆積層與土體層等）、基巖風(fēng)化后的巖屑與巖塊（有機(jī)土與風(fēng)化巖塊）、崩積層等，其相對滲透性與蓄水能力較佳，故至少可將其劃分成一個水文地質(zhì)單元。四是基巖方面，可根據(jù)巖層的透水系數(shù)劃分含水層，良好含水層的相對滲透性高，較差含水層的相對滲透性一般，而極差含水層的相對滲透性差。根據(jù)不同的含水層特性，可劃分出不同的水文地質(zhì)單元。

3.2.2 命名方式

由于調(diào)查精度的差異，各水文地質(zhì)單元名稱有所不同。本文結(jié)合水文地質(zhì)單元命名原則來構(gòu)建流域巖層水文地質(zhì)單元，并給予簡稱或代號，以利后續(xù)研究。因此，根據(jù)地質(zhì)年代、地層名稱、巖性、含水層特性和補(bǔ)充說明等，建立流域巖層的水文地質(zhì)單元。

一是地質(zhì)年代。區(qū)域的地質(zhì)單元主要為新生代的地層，包含始新世至全新世的地層。二是地層名稱。各地層簡稱根據(jù)地質(zhì)圖幅制作標(biāo)準(zhǔn)命名。三是巖性。未固結(jié)巖層的主要巖性有土體、填方、沖積層、崩積層、有機(jī)土、風(fēng)化巖塊等風(fēng)化層，可將此風(fēng)化層分成一個水文地質(zhì)單元，根據(jù)地質(zhì)單元分層，可再細(xì)分為土體層、回填物、沖積層、崩積層、有機(jī)土與風(fēng)化巖塊等，固結(jié)巖層有礫石、砂巖、頁巖、泥巖、砂頁互層、板巖、石英巖等。四是含水層特性。根據(jù)上述水文地質(zhì)單元劃分原則，結(jié)合相關(guān)試驗(yàn)與分析得到的水文地質(zhì)參數(shù)，構(gòu)建各水文地質(zhì)單元，了解各水文地質(zhì)單元的水力特性，以劃分其含水層的優(yōu)劣等級。水文地質(zhì)單元被初步分成良好、較差、極差三個等級的含水層。五是補(bǔ)充說明。若有特別地質(zhì)現(xiàn)象影響水文地質(zhì)單元的水文特性，可進(jìn)行補(bǔ)充說明。

3.3 資料構(gòu)建成果

根據(jù)水文地質(zhì)單元劃分原則與命名方式，劃分流域各鉆孔的水文地質(zhì)單元，并構(gòu)建其基本資料表。其中，各場址的資料欄目應(yīng)包含單元深度、地質(zhì)單元、水文地質(zhì)單元、土體與巖石描述、水文地質(zhì)參數(shù)等，而各場址的成果可匯整至該區(qū)域的地質(zhì)年代與地層資料表。圖紙展現(xiàn)方面，可將流域內(nèi)的鉆孔水文地質(zhì)單元根據(jù)地質(zhì)年代排序，匯整于圖幅上，并呈現(xiàn)各單元的水文地質(zhì)參數(shù)資料表，以供科研人員了解流域的水文地質(zhì)單元與水文地質(zhì)參數(shù)的時空分布，進(jìn)而構(gòu)建水文地質(zhì)模型。

4 結(jié)語

受地質(zhì)運(yùn)動的影響，諸多流域上游集水區(qū)的地形、地貌與地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，故相關(guān)調(diào)查與研究較為困難，缺乏基本的水文地質(zhì)資料。然而，流域集水區(qū)管理缺乏完善的集水區(qū)資料，將影響后續(xù)評估。因此，必須結(jié)合流域水文地質(zhì)調(diào)查，建立水文地質(zhì)架構(gòu)。通過孔內(nèi)井測試驗(yàn)與封閉水力試驗(yàn)，獲取水文地質(zhì)參數(shù)，可降低水文地質(zhì)的不確定性，提升后續(xù)模式的分析準(zhǔn)確度。此外，以鉆孔巖心解釋所構(gòu)建的地質(zhì)單元為基本架構(gòu)，整合水文地質(zhì)參數(shù)，劃分流域的水文地質(zhì)單元，構(gòu)建其基本資料表，可以反映區(qū)域水文地質(zhì)特性，為后續(xù)研究、分析與模擬提供參考。