岩层水文地质单元调查技术分析

吴海云

（海南省地质综合勘察院，海口 570206）

随着经济与人口的增长，用水需求大幅增加。此外，全球气候变迁影响各地水资源的分布，使得部分地区饱受缺水之苦。水是21 世纪的重要资源，世界各国为了永续利用水资源，积极地寻找替代性水源，以达到不同水源系统的联合运用。以往部分地区多着重于流域下游冲积扇的调查与研究，而流域上游集水区的地形、地貌与地质条件有利于地下水资源的补注与储存，其地下水丰沛的区域可作为地下水开发的场址，故流域地下水资源的调查、评估、保育与开发等工作是重要的课题。在地下水资源的评估与管理方面，必须先了解区域的水文地质架构，以模拟与分析地下水模式。水文地质架构的基本组成为地质单元与水文地质单元。

1 流域水文地质架构

山区水文地质架构与平原区有所不同。山区的基岩由固结岩层组成，表层可能覆盖一些未固结的地质材料。部分学者在研究基岩以上的地质时发现，随着深度的变化，不同的地质材料分布其间，这类地质材料乃母岩风化的产物。表土以下的固结性岩石被称为基岩，覆盖于基岩以上的部分则为风化层。在典型山区地下水系统架构模型中，风化层包含土体、岩屑与风化团块状基岩等，风化团块状基岩包含部分风化岩石与高度破碎的裂隙岩石，保留次生构造，使得该区段的地下水流通性较佳，而风化层下层则为裂隙基岩。

水力特性方面，风化层各分层渗透率与孔隙率的垂直变化特征鲜明，风化层厚度可保持在9 ～12 m。风化层上层风化程度较大，孔隙率较高，若含较多砂质成分，其相对渗透率亦较高。有机土与风化岩块因岩体风化而成团块，相对渗透率较高。一般来讲，风化层的蓄水能力较佳，深层基岩的蓄水能力可能较差。总的来说，山区水文地质架构主要分为风化层与裂隙基岩，其中风化层有利于山区地下水的蕴藏，而裂隙发达的岩层则提供地下水的通道，亦有可能富含地下水。

2 调查技术分析

改革开放后，我国大力发展水文地质调查及分析技术，已取得丰富的调查研究与应用成果。以成熟的水文地质调查技术为基础，针对流域上游集水区，人们开发出流域岩层水文地质单元调查技术，以构建流域的水文地质架构。相关调查工作有：地表地质调查与钻探布孔规划、水文地质钻探与岩心纪录、风化层厚度调查与钻孔地质单元分层、室内岩心基本物性试验、孔内井测与封闭水力试验等。

2.1 地表地质调查与钻探布孔规划

地表地质调查可了解调查区域的地质概况，为钻探布孔规划与后续水文地质单元划分提供参考。调查目的是明确岩层的水文地质特性，除了一般的露头地表地质特性调查，亦包含其裂隙特性与渗水状况相关的水文特性调查，如邻近的地表径流、泉水位置与土地使用等，以初步评估钻探选址的可行性。

为符合调查目的，实现最佳效益，钻孔布置需要遵循以下原则：考虑交通路况与钻探作业安全性，用地取得可行性较高；将地质调查图作为底图，在调查范围内根据地质单元和流域集水区进行布孔；调查范围内，分布较广的地层至少布置一孔，特殊地质构造区域可增设钻孔；为提升布孔效益，获取较多的水文地质单元参数，场址选择可能获得较多地层单元的区域；若有特殊且重要的断层构造，其上、下盘的地层至少各布置1 处钻孔，以建立地下水流动模型；根据地下水资源潜势分析，合理进行场址选择，以选定富含地下水的高潜势区；考虑既有钻孔位置与相关试验资料，方便后续延伸性研究。

2.2 水文地质钻探与岩心纪录

2.2.1 水文地质钻探

水文地质钻探主要采用自转式钻机，配合劈管取样器、薄壁取样器及岩心取样器采样，运用水洗旋转式钻进全程取样法进行作业，其所取得的岩心根据顺序摆放于岩心箱中，并拍摄高分辨率彩色照片来建档。在钻探过程中，进行标准贯入试验，以判定土体的软弱紧密程度，而在具有代表性的区段采集土样与岩样，开展土体及岩石物理性质试验；各区段应记录钻探的回水率，以大致了解地质破碎或软弱泥质渗漏情形，亦可在特殊区段开展吕荣试验，以了解该区段的透水性。

2.2.2 岩心纪录

通过水文地质钻探取样所钻取的未固结及固结土岩材料，采用标准化鉴定方法，以得到严谨且可信度较高的成果。岩心纪录可以解释岩层岩性，弱面特性亦为重要的记录项目，如原生构造与次生构造、裂隙数量等。此外，钻孔的地质单元分层是水文地质单元划分的基础，故岩心解释应详尽记录，以利后续分层作业。

2.2.3 风化层厚度调查与钻孔地质单元分层

风化层为山区地下水的主要蕴藏带之一，因此风化层的厚度调查十分重要。山区地形与地质的变异性大，使得各地区的风化层厚度亦不同，而开展风化层厚度调查前，必须完成钻孔地质单元的分层作业。钻孔地质单元主要分为风化层与新鲜基岩，其分界原则主要是风化等级，若该区段岩心解释属于新鲜（Ⅰ），表示岩质新鲜，无可见岩质风化迹象，其解释的钻探深度为风化层与新鲜基岩的分层界线，其区间即为风化层的厚度。

钻孔地质单元分层作业程序如下：新鲜基岩可根据不同产状的岩石种类划分出不同的地质单元，如灰白色细砂岩、灰色中砂岩、砂页岩互层、板岩、片岩、石英岩等；风化层泛指新鲜基岩以上地质材料，有轻微风化（Ⅱ）等级以上的地质材料，有人为或自然外力作用下所产生的堆积物，各类别可划分成不同的地质单元。

2.2.4 室内岩心基本物性试验

钻探所获取的岩心除用于地质描述外，还可进行一系列室内试验，包括土体与岩石一般物理性试验、氦气孔隙率测定、气体渗透率检测、激光粒径分析试验、岩相薄片分析及岩石动态弹性参数测定等。试验所获取的参数既可用于了解研究区域地层所属岩性、矿物组成、物理及水力特性，亦可作为后续模式分析、水文地质单元关联性建立的重要根据。

2.2.5 孔内井测与封闭水力试验

区域地质变化复杂，使得水文地质特性随之不同。通过孔内井测试验与封闭水力试验，获取水文地质参数，可降低水文地质的不确定性，提升后续分析的准确度。试验项目有孔内裂隙岩体位态调查、孔内井测调查、孔内波速调查、孔内地下水流速与流向调查、封闭水力试验。调查方式是将各式探测仪置于钻孔中，并在吊放及拉升过程中测录不同物理信号来判定地层特性。其探测所得的各项参数和岩心纪录可作为后续水文地质单元划分与基本资料构建的依据。

3 水文地质单元划分与资料构建

通过整合水文地质试验成果与资料，现详细说明如何构建水文地质单元。

3.1 单元尺度

以钻孔岩心的地质单元分层为基础，结合水文地质试验的成果，通过资料的汇整与分析，评比与划分水文地质单元。

3.2 单元划分与命名

水文地质单元划分需要以调查成果为基础，水文地质单元资料包含水文地质单元名称、简码、水文地质特性描述与水文地质参数等内容。

3.2.1 划分原则

一是水文地质单元主要考虑岩层的沉积环境、岩性以及水文特性，以地质单元为基础。二是地表入渗试验、地表采样与钻探岩心地质材料分析、井测试验成果、地表水与地下水水质分析、观测井抽水试验成果等皆可作为水文地质单元划分的依据。三是风化层包含未固结岩层（冲积层、阶地与盆地堆积层与土体层等）、基岩风化后的岩屑与岩块（有机土与风化岩块）、崩积层等，其相对渗透性与蓄水能力较佳，故至少可将其划分成一个水文地质单元。四是基岩方面，可根据岩层的透水系数划分含水层，良好含水层的相对渗透性高，较差含水层的相对渗透性一般，而极差含水层的相对渗透性差。根据不同的含水层特性，可划分出不同的水文地质单元。

3.2.2 命名方式

由于调查精度的差异，各水文地质单元名称有所不同。本文结合水文地质单元命名原则来构建流域岩层水文地质单元，并给予简称或代号，以利后续研究。因此，根据地质年代、地层名称、岩性、含水层特性和补充说明等，建立流域岩层的水文地质单元。

一是地质年代。区域的地质单元主要为新生代的地层，包含始新世至全新世的地层。二是地层名称。各地层简称根据地质图幅制作标准命名。三是岩性。未固结岩层的主要岩性有土体、填方、冲积层、崩积层、有机土、风化岩块等风化层，可将此风化层分成一个水文地质单元，根据地质单元分层，可再细分为土体层、回填物、冲积层、崩积层、有机土与风化岩块等，固结岩层有砾石、砂岩、页岩、泥岩、砂页互层、板岩、石英岩等。四是含水层特性。根据上述水文地质单元划分原则，结合相关试验与分析得到的水文地质参数，构建各水文地质单元，了解各水文地质单元的水力特性，以划分其含水层的优劣等级。水文地质单元被初步分成良好、较差、极差三个等级的含水层。五是补充说明。若有特别地质现象影响水文地质单元的水文特性，可进行补充说明。

3.3 资料构建成果

根据水文地质单元划分原则与命名方式，划分流域各钻孔的水文地质单元，并构建其基本资料表。其中，各场址的资料栏目应包含单元深度、地质单元、水文地质单元、土体与岩石描述、水文地质参数等，而各场址的成果可汇整至该区域的地质年代与地层资料表。图纸展现方面，可将流域内的钻孔水文地质单元根据地质年代排序，汇整于图幅上，并呈现各单元的水文地质参数资料表，以供科研人员了解流域的水文地质单元与水文地质参数的时空分布，进而构建水文地质模型。

4 结语

受地质运动的影响，诸多流域上游集水区的地形、地貌与地质构造复杂，故相关调查与研究较为困难，缺乏基本的水文地质资料。然而，流域集水区管理缺乏完善的集水区资料，将影响后续评估。因此，必须结合流域水文地质调查，建立水文地质架构。通过孔内井测试验与封闭水力试验，获取水文地质参数，可降低水文地质的不确定性，提升后续模式的分析准确度。此外，以钻孔岩心解释所构建的地质单元为基本架构，整合水文地质参数，划分流域的水文地质单元，构建其基本资料表，可以反映区域水文地质特性，为后续研究、分析与模拟提供参考。