重新認知地下水系的形成與分布

1、 重新認知地下水系的形成與分布 鄭州地象科技有限公司 寇偉 寇通 摘要：書本上對于地下水系的定義和概念性描述應(yīng)該是非常全面的、系統(tǒng)的，但多是從微觀角度觀察的、也是較為抽象的。對于沒有經(jīng)過實踐印證和體會的人，學(xué)習(xí)過后很容易誤解概念、形成不切實際的認識。本文擬從宏觀角度出發(fā)由地殼裂縫來重新認知和描述地下水系的形成與分布。 關(guān)鍵詞：地下水系，地殼，裂縫，斷裂構(gòu)造 在找水定井實踐中接觸到許多科班出身的水文地質(zhì)和物探工作者，大多是靠查看地層來判斷是否有水，認定只要打到某一地層就一定會有水，作者戲稱其為地層派；作者的觀點是地下只要有裂縫就會有水，無非是深淺多少不同而已，作者自稱為裂縫派。深究之所以在實踐中

2、找水定井的思路、分析方法和結(jié)果存在較大的差異，都與對地下水系的基本認知不同有關(guān)。因此，在論及找水定井方法之前，很有必要重新認知地下水系的形成與分布。 一、書本上獲取的地下水知識及容易產(chǎn)生的誤解 1、地下水的起源與存在 地下水的起源包括：地表水滲入地下形成的滲入水，水汽凝結(jié)形成的凝結(jié)水，地殼運動時埋入地下的埋藏水，由巖漿分離出的初生水，結(jié)晶水在高溫高壓作用下脫出形成的脫生水。然而，人類能夠采集并使用的地下水幾乎都是由地表向下滲透形成的滲入水，很多人誤以為較深層的地熱水是與淺層隔離的埋藏水，屬于無法下滲補充的有限的地熱水資源。 2、地下水的滲入與徑流 重力水是在靜水壓力作用下可以連續(xù)運動的地下水，

3、反之為結(jié)合水。從地表滲入土壤中的水使土壤含水量增加并產(chǎn)生自由重力水，地下水位之下飽水帶內(nèi)巖石空隙被重力水和結(jié)合水所充滿，在滲透率相對較小或不透水的介質(zhì)界面上蓄積并沿界面坡向流動，形成地下徑流（表層流和深層地下流），最后匯入河槽或湖、海之中。這種定義很容易讓人誤以為：地表水是在重力作用下通過土壤平行向下滲透的，飽水帶內(nèi)巖石空隙充滿了水，在不透水界面上匯集成水的徑流，從補給處流向排泄處，從而形成動態(tài)平衡的良性循環(huán)。 3、含水層與隔水層 根據(jù)巖層給水和透水能力可將巖層分為：能夠透過并給出相當數(shù)量水的巖層（沙土、砂巖等）為含水層，反之為隔水層，滲透性很差、透水量微不足道但尚有一定透水能力的叫弱透水層。

4、此種分層方式容易讓人理解為地下的沙土層、砂巖層等都是含水層，只要遇到此類地層肯定就會有水。 4、地下水的分布形式 連通性好的松散沉積物中的為孔隙水；分布不均勻的堅硬巖石中的為裂隙水；含水極不均勻的可溶性巖石中的為巖溶水。此定義準確無可厚非，但容易讓人只看到水的存在形式而忽視了水的來源，有孔隙、裂隙、溶洞等容水空間的巖層并不一定就會有水。 5、潛水層與承壓水層 地殼最淺層與大氣相通、沒有其它附加壓強的賦水層為潛水層；充滿于兩個隔水層之間、與大氣無直接相通的含水層為承壓含水層。此概念是相對的，含水層深度、壓強大小、與大氣相通多少都很難定義和量化，在實踐中人們很難分辨出遇到的是潛水層還是承壓水層。

5、二、從宏觀角度討論地下水系的形成 1、地殼表面遍布大大小小裂縫及由其形成的斷裂構(gòu)造 地殼巖體受構(gòu)造應(yīng)力作用發(fā)生變形，一旦超過其可承受強度就會使巖體的連續(xù)性和完整性遭到破壞，近而產(chǎn)生各種大大小小的裂縫，形成斷裂構(gòu)造。地殼板塊裂縫、裂谷、地塹等都是地殼運動后形成的超大型斷裂，由勘查結(jié)果在地質(zhì)圖上標出的斷裂帶多屬于大中型的裂縫，在地下還有很多在地面上勘查不到的大大小小的隱伏型斷裂構(gòu)造，在這些大大小小的裂縫之間還密布著難以勘查出的可達深度較淺的細微裂縫。 2、地表水都是由大大小小裂縫內(nèi)的含水裂隙向下滲透的 可以說在地球表面布滿了大大小小的裂縫，這些裂縫在地質(zhì)學(xué)中表征為張性斷裂構(gòu)造，構(gòu)造內(nèi)較為松軟的填充

6、介質(zhì)間形成的含水裂隙，構(gòu)成了地表水下行的滲透通道，地下無論深淺的含水層都是通過這些裂縫向下滲透匯集而成的。即使是在平原第四系地層里，也不可能靠土層吸收雨水平行向深層滲透形成含水層，土壤在一定時間內(nèi)能夠吸收的雨水量是非常有限的，只有通過裂縫滲水才能使地下巖層中的孔隙和裂隙充水，進而形成含水層。 3、地表水沿裂縫向下滲透的同時向兩側(cè)滲透形成含水層 地表水在重力作用下沿裂縫向下滲透過程中，也會向裂縫兩側(cè)介質(zhì)中的空隙或裂隙平行滲透使之充水。若是所過地層為孔隙或裂隙發(fā)育較好的沙土層、砂巖層、灰?guī)r層等，下滲水向裂縫兩側(cè)平行滲透的水就多、擴散距離就遠；若是所過地層在斷裂過程中破碎面積較大、碎石間空隙較多，下

7、滲水向裂縫兩側(cè)破碎帶內(nèi)平行滲透面積就大、充水就多；在規(guī)模較大的斷裂帶內(nèi)會存在許多深淺不一的大大小小的次生斷裂，地表水沿這些斷裂下滲至同一深度孔隙或裂隙發(fā)育較好的地層時，向兩側(cè)平行滲透的水相互連通后就會形成一定寬度的含水層。并非只要是孔隙和裂隙發(fā)育好的地層都是含水層，沒有裂縫滲水給其充水就不可能形成含水層。而且所謂的含水層不是平層大面積存在的，含水層的長度由斷裂帶長度而定、寬度由同層滲透程度而定、厚度由孔隙或裂隙發(fā)育較好的巖層厚度而定。 4、縱橫交錯的裂縫內(nèi)及兩側(cè)的空隙充水形成地下水系 地表水通過遍布地殼淺中層大大小小的裂縫下滲，使裂縫內(nèi)及兩側(cè)孔隙和裂隙較為發(fā)育的地層充水形成含水構(gòu)造，這些有大有

8、小、有長有短、有深有淺、縱橫交錯的含水裂縫交織在一起，形成了地殼淺中層的地下水系統(tǒng)。其形成特點為：水在重力作用下首先會選擇徑直向下滲透，向裂縫深部充水的速度要快于向兩側(cè)滲透的速度；裂縫都是大角度開裂向下延伸的，裂縫內(nèi)蜿蜒下行的含水裂隙在孔隙或裂隙發(fā)育地層充水形成含水層，不會擴散至裂縫外距離太長，截面層狀分布形態(tài)多樣；即使是在同一裂縫中，不同部位或區(qū)段受地表位置、地下地層巖性及與其它裂縫的關(guān)聯(lián)度等諸多因素的影響，含水情況也會大有不同。 5、地下水系的流動與平衡 人類可觸及的地下水基本上都是與地表連通的而非密閉的，地表水沿裂縫下滲形成地下水系，由于地殼的相對穩(wěn)定性，地下水系整體上保持在一種相對穩(wěn)定

9、平衡狀態(tài)。徑流的定義是地下水由補給處流向排泄處的作用過程，“補給處”肯定是在地表之上，“排泄處”包括人工采用、向大氣蒸發(fā)、在下游溢流出地表。地下水的流動與平衡的特點：在整體上是處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)的，在局部上是處于動態(tài)調(diào)整狀態(tài)；從總體上看不出地下水系的改變，能夠觀察到的變化都是局部的、相對獨立的；自裂縫下滲到深部的水是不會平行流動的，除人工采用地下水外排泄處都在地表，地下水的流動基本上只是在淺層才有，而非在地下水系各深度的含水層都會平行流動；除少量的地下巖溶形成水流外，地下水都是靠滲透很緩慢的移動的，根本談不上匯集成流。 三、地下水系的分布特點 1、地下水系呈脈狀網(wǎng)絡(luò)分布 地殼淺層遍布深淺不一、規(guī)

10、模不等的裂縫，一般都是以深大斷裂為主線，衍生出多級次生斷裂，這些縱橫交錯的主次斷裂交織在一起組成了脈狀網(wǎng)絡(luò)分布的地下水系。無論是高山深谷還是丘陵平原，地表顯露的無論是新生界還是早至太古界地層，都會有斷裂構(gòu)造的存在，它們無處不有、規(guī)模不等、形態(tài)各異。還有一些具有一定規(guī)模的斷裂是多次地殼運動的結(jié)果，可以說地殼淺層的斷裂構(gòu)造是縱橫交錯、迭加和交互共存。這些張性斷裂構(gòu)造成為地表水下滲通道和存儲空間的主體，與各級次生含水斷裂一起組成了地殼淺中層陸地網(wǎng)狀分布的地下水系。 2、地下水系發(fā)育程度取決于張性斷裂帶構(gòu)造的規(guī)模 一般而言，在地殼運動或張力作用下形成的裂縫都屬于大角度開裂的張性斷裂構(gòu)造。斷裂構(gòu)造的規(guī)模

11、越大、破碎帶越寬、巖石越破碎，構(gòu)造內(nèi)含水裂隙發(fā)育就越好、透水通道越暢，滲水量就越大；斷裂帶的規(guī)模越大、構(gòu)造內(nèi)含水裂隙越寬，斷裂帶內(nèi)不同深度含水層聚水量就越大；斷裂帶內(nèi)不同巖性介質(zhì)的破碎程度不同，破碎程度大的巖層容水空間大、同層的連通性好，蓄水量就大、流動性就好。 3、同一斷裂帶不同區(qū)段含水量多少與所處地理位置相關(guān) 即使是在同一斷裂帶內(nèi)，不同區(qū)段的聚水量會由于所處地理位置不同而有較大的差異。一是看地表之上是否有湖泊河流或常年積水，形成對斷裂帶的供給水源；二是看斷裂帶所處地帶氣候條件和降水量多少；三是看斷裂帶在地表露頭所處地理位置，若是位于山谷內(nèi)或低洼處聚水就多、下滲水量就大，若是位于山坡上聚水量

12、就少。 4、相同規(guī)模斷裂構(gòu)造內(nèi)含水量大小與地層巖性相關(guān) 同等規(guī)模斷裂構(gòu)造內(nèi)脆性越高的巖層破碎程度越大、裂隙發(fā)育越好，破碎帶內(nèi)蓄水量就會越大；同等規(guī)模斷裂構(gòu)造內(nèi)屬于巖溶孔隙度高或裂隙發(fā)育程度好的巖性地層，同層連通性好、滲透率高，形成含水層的規(guī)模大，聚水量就大。 5、同一斷裂構(gòu)造內(nèi)地層位置越深含水越少 地殼淺層很少有遠古造山運動埋入地下、與地表無連通縫隙的地壓型密閉蓄水空間，即使是幾千米深層的地下水，基本上都是地表水沿裂縫滲透下去的。就張性斷裂構(gòu)造的形成來看，肯定是開裂口上面寬、下面窄、呈V形構(gòu)造，越往下行含水裂隙發(fā)育就會越差、含水量越少。地下水所能達到的地層深度取決于裂縫開裂的深度，只有斷裂構(gòu)造

13、規(guī)模相對較大、構(gòu)造內(nèi)含水裂隙發(fā)育較好的地方，地表水能夠沿裂隙向下滲透至較深處，形成溫度較高的地熱水資源。 四、不同巖性地層水系的分布特點 1、松散巖類孔隙水地層 孔隙水主要是指賦存在松散沉積物顆粒間孔隙中的地下水，即第四系、第三系松散-半固結(jié)的碎石土和砂性土的孔隙含水，斷裂構(gòu)造內(nèi)粗中細粉砂、卵石、碎石、礫石等粒間空隙形成的含水層。其分布特點：地面降水通過近地表土層及土質(zhì)巖層的孔隙均勻向下滲透，只能在幾十厘米的淺表層形成結(jié)合水，難以形成重力水含水層；即使是在較大斷裂構(gòu)造內(nèi)，下面較大的裂縫到淺表松散層后就會分散為較為細小的裂隙，形成含水孔隙面積較大、滲水裂隙不明顯的含水層；即使是在厚度達幾百米的松

14、散孔隙巖類地層，深度達到幾十米后由于地層松散度降低、密度加大、滲透率減小，細小裂隙減少、孔隙水平滲透擴散度降低，使得地層含水面積減??；斷裂構(gòu)造內(nèi)含水裂隙發(fā)育較好、孔隙度較高，同層平行滲透較好，易形成較為寬厚、流動性較好的含水層。 2、風化碎屑巖類孔隙裂隙水地層 孔隙裂隙水地層是指中、新生代半堅硬的微弱膠結(jié)的碎屑巖中孔隙、孔洞中含水及斷裂構(gòu)造內(nèi)形成的裂隙孔洞帶等孔隙性含水地層。一般情況下，孔隙裂隙水多賦存于風化較強烈的巖石中，除裂隙含水外，風化后形成的大、小空隙中也含水；在第三系和白堊系砂巖、砂礫巖成巖作用較差的砂巖和砂礫巖等含水組，則屬于以孔隙水為主的裂隙孔隙水。其分布特點：孔隙裂隙水地層含水

15、的前提是要有斷裂構(gòu)造，地表水通過斷裂中裂隙下滲，斷裂內(nèi)風化碎屑巖層的孔隙才能含水形成含水層；由于孔隙裂隙水地層多存在于半堅硬微弱膠結(jié)的風化碎屑巖中，中、新生代未完全硬化的泥巖、粉砂巖以及紅層碎屑沉積巖層等都屬于含水性較差的巖層，夾在這些隔水層中的孔隙裂隙水地層含水性也會受其影響變差。 3、層狀基巖裂隙水地層 賦存于沉積巖、副變質(zhì)巖中的層狀巖類裂隙水，形成粉土以及裂隙發(fā)育的基巖風化帶含水層?；鶐r是指地下較新較疏松巖層之下較為堅硬的穩(wěn)定巖層，這里所指的層狀巖層主要包括泥巖、頁巖、砂巖等沉積巖和板巖等副變質(zhì)巖。其分布特點為：泥巖、頁巖和板巖都屬于完整性較好、透水性較差、裂隙不發(fā)育的巖層，只有在斷裂構(gòu)

16、造內(nèi)的含水裂隙較為發(fā)育；斷裂構(gòu)造內(nèi)碎屑沉積，泥巖遇水軟化膨脹使裂隙變窄，水的下滲通道易被泥粉堵塞、連續(xù)性差；斷裂構(gòu)造內(nèi)裂隙水分布不均勻，水力聯(lián)系不好，介質(zhì)的滲透性具有不均一性與各向異性；無論是砂質(zhì)泥巖還是泥質(zhì)砂巖，巖層含沙比例越高、顆粒越大，其孔隙度、滲透率就會越好。 4、碳酸鹽巖類裂隙溶洞水地層 碳酸鹽巖類裂隙溶洞水主要賦存于古、中生代灰?guī)r、白云巖的裂隙溶洞中，在斷裂構(gòu)造內(nèi)形成裂隙溶洞帶性含水層。其分布特點為：可溶性碳酸鹽巖類中不同巖性的巖溶發(fā)育程度差異較大、含水性亦大不相同，純灰?guī)r的巖溶最為發(fā)育，白云巖次之，泥質(zhì)和硅質(zhì)碳酸巖更次；賦存于可溶性巖層的溶蝕裂隙和洞穴中的巖溶水（喀斯特水），因巖

17、溶發(fā)育很不均勻、亦使巖溶潛水分布極不均勻；如果巖石完整、結(jié)構(gòu)致密，水不能進入其間進行有效的溶蝕作用就不可能產(chǎn)生巖溶水，只有當可溶巖在地質(zhì)應(yīng)力作用下產(chǎn)生了相當多的裂隙，地下水才能進入其間產(chǎn)生溶蝕作用后才能形成有一定流動性的巖溶水；賦存并運移在淺層巖溶化巖層中的巖溶水，同層平行滲透較好，溶蝕孔洞發(fā)育相連后可形成地下暗河；由于泥質(zhì)、硅質(zhì)本身不可溶，被水帶入巖溶中的泥質(zhì)和鈣質(zhì)成分既可附著在巖石孔隙表面、亦可沉淀淤積在巖溶洞中阻塞巖溶水的運移通道。 5、火山巖裂隙孔洞水地層 火山巖裂隙孔洞水賦存于火山巖的裂隙、孔隙、氣孔、氣洞（熔巖隧道）中，斷裂構(gòu)造內(nèi)形成玄武巖裂隙氣孔帶等孔隙性含水層。火山巖主要包括以

18、熔體形式溢流出火山口的低粘度、低揮發(fā)分巖漿形成的火山熔巖，其中基性噴出巖為玄武巖、中性噴出巖為安山巖、酸性噴出巖為流紋巖、半堿性和堿性噴出巖為粗面巖和響巖，還包括由一些高粘度、高揮發(fā)分含量的酸性巖漿經(jīng)由爆發(fā)式噴發(fā)至地表而形成的火山碎屑巖。其分布特點為：巖漿噴出地表落地后在大氣圈和水圈中冷卻結(jié)晶形成與地表形態(tài)比較協(xié)調(diào)貼合、呈被狀覆蓋在地表上形成火山巖層，巖層較為完整、裂縫較少；基性巖漿噴出地表后在氣壓作用下有些因冷卻速度快易形成多孔結(jié)構(gòu)的玄武巖，部分孔洞發(fā)育好的巖層易水平連通形成火山熔巖孔洞含水層；雖然氣孔狀玄武巖層存在較好的容水空間，但只有在斷裂構(gòu)造范圍內(nèi)次生節(jié)理、裂隙發(fā)育的條件下才會形成地下水的補給、滲流、存儲和徑流。 6、塊狀基巖裂隙水地層 賦存于侵入巖、混合巖、正變質(zhì)巖中的塊狀巖類裂隙水，斷裂構(gòu)造內(nèi)形成構(gòu)造破碎帶含水層。侵入巖（橄欖巖、輝長巖、斜長巖、花崗巖等）是指軟流層中的熾熱巖漿沿裂縫涌出、侵入地殼表層內(nèi)緩慢冷卻凝固而成的巖石，具有巖層厚、埋深大、結(jié)構(gòu)完整、裂縫少、表觀密度大、等特點；變質(zhì)巖是巖漿巖或沉積巖在變質(zhì)作用下形成的板巖、片巖、片麻巖、千枚巖