巖層水文地質單元調查技術分析

吳海云

（海南省地質綜合勘察院，海口 570206）

隨著經濟與人口的增長，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，使得部分地區飽受缺水之苦。水是21 世紀的重要資源，世界各國為了永續利用水資源，積極地尋找替代性水源，以達到不同水源系統的聯合運用。以往部分地區多著重于流域下游沖積扇的調查與研究，而流域上游集水區的地形、地貌與地質條件有利于地下水資源的補注與儲存，其地下水豐沛的區域可作為地下水開發的場址，故流域地下水資源的調查、評估、保育與開發等工作是重要的課題。在地下水資源的評估與管理方面，必須先了解區域的水文地質架構，以模擬與分析地下水模式。水文地質架構的基本組成為地質單元與水文地質單元。

1 流域水文地質架構

山區水文地質架構與平原區有所不同。山區的基巖由固結巖層組成，表層可能覆蓋一些未固結的地質材料。部分學者在研究基巖以上的地質時發現，隨著深度的變化，不同的地質材料分布其間，這類地質材料乃母巖風化的產物。表土以下的固結性巖石被稱為基巖，覆蓋于基巖以上的部分則為風化層。在典型山區地下水系統架構模型中，風化層包含土體、巖屑與風化團塊狀基巖等，風化團塊狀基巖包含部分風化巖石與高度破碎的裂隙巖石，保留次生構造，使得該區段的地下水流通性較佳，而風化層下層則為裂隙基巖。

水力特性方面，風化層各分層滲透率與孔隙率的垂直變化特征鮮明，風化層厚度可保持在9 ～12 m。風化層上層風化程度較大，孔隙率較高，若含較多砂質成分，其相對滲透率亦較高。有機土與風化巖塊因巖體風化而成團塊，相對滲透率較高。一般來講，風化層的蓄水能力較佳，深層基巖的蓄水能力可能較差。總的來說，山區水文地質架構主要分為風化層與裂隙基巖，其中風化層有利于山區地下水的蘊藏，而裂隙發達的巖層則提供地下水的通道，亦有可能富含地下水。

2 調查技術分析

改革開放后，我國大力發展水文地質調查及分析技術，已取得豐富的調查研究與應用成果。以成熟的水文地質調查技術為基礎，針對流域上游集水區，人們開發出流域巖層水文地質單元調查技術，以構建流域的水文地質架構。相關調查工作有：地表地質調查與鉆探布孔規劃、水文地質鉆探與巖心紀錄、風化層厚度調查與鉆孔地質單元分層、室內巖心基本物性試驗、孔內井測與封閉水力試驗等。

2.1 地表地質調查與鉆探布孔規劃

地表地質調查可了解調查區域的地質概況，為鉆探布孔規劃與后續水文地質單元劃分提供參考。調查目的是明確巖層的水文地質特性，除了一般的露頭地表地質特性調查，亦包含其裂隙特性與滲水狀況相關的水文特性調查，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。

為符合調查目的，實現最佳效益，鉆孔布置需要遵循以下原則：考慮交通路況與鉆探作業安全性，用地取得可行性較高；將地質調查圖作為底圖，在調查范圍內根據地質單元和流域集水區進行布孔；調查范圍內，分布較廣的地層至少布置一孔，特殊地質構造區域可增設鉆孔；為提升布孔效益，獲取較多的水文地質單元參數，場址選擇可能獲得較多地層單元的區域；若有特殊且重要的斷層構造，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；根據地下水資源潛勢分析，合理進行場址選擇，以選定富含地下水的高潛勢區；考慮既有鉆孔位置與相關試驗資料，方便后續延伸性研究。

2.2 水文地質鉆探與巖心紀錄

2.2.1 水文地質鉆探

水文地質鉆探主要采用自轉式鉆機，配合劈管取樣器、薄壁取樣器及巖心取樣器采樣，運用水洗旋轉式鉆進全程取樣法進行作業，其所取得的巖心根據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，進行標準貫入試驗，以判定土體的軟弱緊密程度，而在具有代表性的區段采集土樣與巖樣，開展土體及巖石物理性質試驗；各區段應記錄鉆探的回水率，以大致了解地質破碎或軟弱泥質滲漏情形，亦可在特殊區段開展呂榮試驗，以了解該區段的透水性。

2.2.2 巖心紀錄

通過水文地質鉆探取樣所鉆取的未固結及固結土巖材料，采用標準化鑒定方法，以得到嚴謹且可信度較高的成果。巖心紀錄可以解釋巖層巖性，弱面特性亦為重要的記錄項目，如原生構造與次生構造、裂隙數量等。此外，鉆孔的地質單元分層是水文地質單元劃分的基礎，故巖心解釋應詳盡記錄，以利后續分層作業。

2.2.3 風化層厚度調查與鉆孔地質單元分層

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

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

2.2.4 室內巖心基本物性試驗

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

2.2.5 孔內井測與封閉水力試驗

區域地質變化復雜，使得水文地質特性隨之不同。通過孔內井測試驗與封閉水力試驗，獲取水文地質參數，可降低水文地質的不確定性，提升后續分析的準確度。試驗項目有孔內裂隙巖體位態調查、孔內井測調查、孔內波速調查、孔內地下水流速與流向調查、封閉水力試驗。調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。其探測所得的各項參數和巖心紀錄可作為后續水文地質單元劃分與基本資料構建的依據。

3 水文地質單元劃分與資料構建

通過整合水文地質試驗成果與資料，現詳細說明如何構建水文地質單元。

3.1 單元尺度

以鉆孔巖心的地質單元分層為基礎，結合水文地質試驗的成果，通過資料的匯整與分析，評比與劃分水文地質單元。

3.2 單元劃分與命名

水文地質單元劃分需要以調查成果為基礎，水文地質單元資料包含水文地質單元名稱、簡碼、水文地質特性描述與水文地質參數等內容。

3.2.1 劃分原則

一是水文地質單元主要考慮巖層的沉積環境、巖性以及水文特性，以地質單元為基礎。二是地表入滲試驗、地表采樣與鉆探巖心地質材料分析、井測試驗成果、地表水與地下水水質分析、觀測井抽水試驗成果等皆可作為水文地質單元劃分的依據。三是風化層包含未固結巖層（沖積層、階地與盆地堆積層與土體層等）、基巖風化后的巖屑與巖塊（有機土與風化巖塊）、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單元。四是基巖方面，可根據巖層的透水系數劃分含水層，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。根據不同的含水層特性，可劃分出不同的水文地質單元。

3.2.2 命名方式

由于調查精度的差異，各水文地質單元名稱有所不同。本文結合水文地質單元命名原則來構建流域巖層水文地質單元，并給予簡稱或代號，以利后續研究。因此，根據地質年代、地層名稱、巖性、含水層特性和補充說明等，建立流域巖層的水文地質單元。

一是地質年代。區域的地質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。各地層簡稱根據地質圖幅制作標準命名。三是巖性。未固結巖層的主要巖性有土體、填方、沖積層、崩積層、有機土、風化巖塊等風化層，可將此風化層分成一個水文地質單元，根據地質單元分層，可再細分為土體層、回填物、沖積層、崩積層、有機土與風化巖塊等，固結巖層有礫石、砂巖、頁巖、泥巖、砂頁互層、板巖、石英巖等。四是含水層特性。根據上述水文地質單元劃分原則，結合相關試驗與分析得到的水文地質參數，構建各水文地質單元，了解各水文地質單元的水力特性，以劃分其含水層的優劣等級。水文地質單元被初步分成良好、較差、極差三個等級的含水層。五是補充說明。若有特別地質現象影響水文地質單元的水文特性，可進行補充說明。

3.3 資料構建成果

根據水文地質單元劃分原則與命名方式，劃分流域各鉆孔的水文地質單元，并構建其基本資料表。其中，各場址的資料欄目應包含單元深度、地質單元、水文地質單元、土體與巖石描述、水文地質參數等，而各場址的成果可匯整至該區域的地質年代與地層資料表。圖紙展現方面，可將流域內的鉆孔水文地質單元根據地質年代排序，匯整于圖幅上，并呈現各單元的水文地質參數資料表，以供科研人員了解流域的水文地質單元與水文地質參數的時空分布，進而構建水文地質模型。

4 結語

受地質運動的影響，諸多流域上游集水區的地形、地貌與地質構造復雜，故相關調查與研究較為困難，缺乏基本的水文地質資料。然而，流域集水區管理缺乏完善的集水區資料，將影響后續評估。因此，必須結合流域水文地質調查，建立水文地質架構。通過孔內井測試驗與封閉水力試驗，獲取水文地質參數，可降低水文地質的不確定性，提升后續模式的分析準確度。此外，以鉆孔巖心解釋所構建的地質單元為基本架構，整合水文地質參數，劃分流域的水文地質單元，構建其基本資料表，可以反映區域水文地質特性，為后續研究、分析與模擬提供參考。