重新认知地下水系的形成与分布

重新认知地下水系的形成与分布

寇伟寇通

郑州地象科技有限公司河南郑州450000

摘要：书本上对于地下水系的定义和概念性描述应该是非常全面的、系统的，但多是从微观角度观察的、也是较为抽象的。对于没有经过实践印证和体会的人，学习过后很容易误解概念、形成不切实际的认识。本文拟从宏观角度出发由地壳裂缝来重新认知和描述地下水系的形成与分布。

关键词：地下水系；地壳；裂缝；断裂构造

引言

在找水定井实践中接触到许多科班出身的水文地质和物探工作者，大多是靠查看地层来判断是否有水，认定只要打到某一地层就一定会有水，作者戏称其为地层派；作者的观点是地下只要有裂缝就会有水，无非是深浅多少不同而已，作者自称为裂缝派。深究之所以在实践中找水定井的思路、分析方法和结果存在较大的差异，都与对地下水系的基本认知不同有关。因此，在论及找水定井方法之前，很有必要重新认知地下水系的形成与分布。

一、书本上获取的地下水知识及容易产生的误解

1、地下水的起源与存在

地下水的起源包括：地表水渗入地下形成的渗入水，水汽凝结形成的凝结水，地壳运动时埋入地下的埋藏水，由岩浆分离出的初生水，结晶水在高温高压作用下脱出形成的脱生水。然而，人类能够采集并使用的地下水几乎都是由地表向下渗透形成的渗入水，很多人误以为较深层的地热水是与浅层隔离的埋藏水，属于无法下渗补充的有限的地热水资源。

2、地下水的渗入与径流

重力水是在静水压力作用下可以连续运动的地下水，反之为结合水。从地表渗入土壤中的水使土壤含水量增加并产生自由重力水，地下水位之下饱水带内岩石空隙被重力水和结合水所充满，在渗透率相对较小或不透水的介质界面上蓄积并沿界面坡向流动，形成地下径流（表层流和深层地下流），最后汇入河槽或湖、海之中。这种定义很容易让人误以为：地表水是在重力作用下通过土壤平行向下渗透的，饱水带内岩石空隙充满了水，在不透水界面上汇集成水的径流，从补给处流向排泄处，从而形成动态平衡的良性循环。

3、含水层与隔水层

根据岩层给水和透水能力可将岩层分为：能够透过并给出相当数量水的岩层（沙土、砂岩等）为含水层，反之为隔水层，渗透性很差、透水量微不足道但尚有一定透水能力的叫弱透水层。此种分层方式容易让人理解为地下的沙土层、砂岩层等都是含水层，只要遇到此类地层肯定就会有水。

4、地下水的分布形式

连通性好的松散沉积物中的为孔隙水；分布不均匀的坚硬岩石中的为裂隙水；含水极不均匀的可溶性岩石中的为岩溶水。此定义准确无可厚非，但容易让人只看到水的存在形式而忽视了水的来源，有孔隙、裂隙、溶洞等容水空间的岩层并不一定就会有水。

5、潜水层与承压水层

地壳最浅层与大气相通、没有其它附加压强的赋水层为潜水层；充满于两个隔水层之间、与大气无直接相通的含水层为承压含水层。此概念是相对的，含水层深度、压强大小、与大气相通多少都很难定义和量化，在实践中人们很难分辨出遇到的是潜水层还是承压水层。

二、从宏观角度讨论地下水系的形成

1、地壳表面遍布大大小小裂缝及由其形成的断裂构造

地壳岩体受构造应力作用发生变形，一旦超过其可承受强度就会使岩体的连续性和完整性遭到破坏，近而产生各种大大小小的裂缝，形成断裂构造。地壳板块裂缝、裂谷、地堑等都是地壳运动后形成的超大型断裂，由勘查结果在地质图上标出的断裂带多属于大中型的裂缝，在地下还有很多在地面上勘查不到的大大小小的隐伏型断裂构造，在这些大大小小的裂缝之间还密布着难以勘查出的可达深度较浅的细微裂缝。

2、地表水都是由大大小小裂缝内的含水裂隙向下渗透的

可以说在地球表面布满了大大小小的裂缝，这些裂缝在地质学中表征为张性断裂构造，构造内较为松软的填充介质间形成的含水裂隙，构成了地表水下行的渗透通道，地下无论深浅的含水层都是通过这些裂缝向下渗透汇集而成的。即使是在平原第四系地层里，也不可能靠土层吸收雨水平行向深层渗透形成含水层，土壤在一定时间内能够吸收的雨水量是非常有限的，只有通过裂缝渗水才能使地下岩层中的孔隙和裂隙充水，进而形成含水层。

3、地表水沿裂缝向下渗透的同时向两侧渗透形成含水层

地表水在重力作用下沿裂缝向下渗透过程中，也会向裂缝两侧介质中的空隙或裂隙平行渗透使之充水。若是所过地层为孔隙或裂隙发育较好的沙土层、砂岩层、灰岩层等，下渗水向裂缝两侧平行渗透的水就多、扩散距离就远；若是所过地层在断裂过程中破碎面积较大、碎石间空隙较多，下渗水向裂缝两侧破碎带内平行渗透面积就大、充水就多；在规模较大的断裂带内会存在许多深浅不一的大大小小的次生断裂，地表水沿这些断裂下渗至同一深度孔隙或裂隙发育较好的地层时，向两侧平行渗透的水相互连通后就会形成一定宽度的含水层。并非只要是孔隙和裂隙发育好的地层都是含水层，没有裂缝渗水给其充水就不可能形成含水层。而且所谓的含水层不是平层大面积存在的，含水层的长度由断裂带长度而定、宽度由同层渗透程度而定、厚度由孔隙或裂隙发育较好的岩层厚度而定。

4、纵横交错的裂缝内及两侧的空隙充水形成地下水系

地表水通过遍布地壳浅中层大大小小的裂缝下渗，使裂缝内及两侧孔隙和裂隙较为发育的地层充水形成含水构造，这些有大有小、有长有短、有深有浅、纵横交错的含水裂缝交织在一起，形成了地壳浅中层的地下水系统。其形成特点为：水在重力作用下首先会选择径直向下渗透，向裂缝深部充水的速度要快于向两侧渗透的速度；裂缝都是大角度开裂向下延伸的，裂缝内蜿蜒下行的含水裂隙在孔隙或裂隙发育地层充水形成含水层，不会扩散至裂缝外距离太长，截面层状分布形态多样；即使是在同一裂缝中，不同部位或区段受地表位置、地下地层岩性及与其它裂缝的关联度等诸多因素的影响，含水情况也会大有不同。

5、地下水系的流动与平衡

人类可触及的地下水基本上都是与地表连通的而非密闭的，地表水沿裂缝下渗形成地下水系，由于地壳的相对稳定性，地下水系整体上保持在一种相对稳定平衡状态。径流的定义是地下水由补给处流向排泄处的作用过程，“补给处”肯定是在地表之上，“排泄处”包括人工采用、向大气蒸发、在下游溢流出地表。地下水的流动与平衡的特点：在整体上是处于稳定平衡状态的，在局部上是处于动态调整状态；从总体上看不出地下水系的改变，能够观察到的变化都是局部的、相对独立的；自裂缝下渗到深部的水是不会平行流动的，除人工采用地下水外排泄处都在地表，地下水的流动基本上只是在浅层才有，而非在地下水系各深度的含水层都会平行流动；除少量的地下岩溶形成水流外，地下水都是靠渗透很缓慢的移动的，根本谈不上汇集成流。

三、地下水系的分布特点

1、地下水系呈脉状网络分布

地壳浅层遍布深浅不一、规模不等的裂缝，一般都是以深大断裂为主线，衍生出多级次生断裂，这些纵横交错的主次断裂交织在一起组成了脉状网络分布的地下水系。无论是高山深谷还是丘陵平原，地表显露的无论是新生界还是早至太古界地层，都会有断裂构造的存在，它们无处不有、规模不等、形态各异。还有一些具有一定规模的断裂是多次地壳运动的结果，可以说地壳浅层的断裂构造是纵横交错、迭加和交互共存。这些张性断裂构造成为地表水下渗通道和存储空间的主体，与各级次生含水断裂一起组成了地壳浅中层陆地网状分布的地下水系。

2、地下水系发育程度取决于张性断裂带构造的规模

一般而言，在地壳运动或张力作用下形成的裂缝都属于大角度开裂的张性断裂构造。断裂构造的规模越大、破碎带越宽、岩石越破碎，构造内含水裂隙发育就越好、透水通道越畅，渗水量就越大；断裂带的规模越大、构造内含水裂隙越宽，断裂带内不同深度含水层聚水量就越大；断裂带内不同岩性介质的破碎程度不同，破碎程度大的岩层容水空间大、同层的连通性好，蓄水量就大、流动性就好。

3、同一断裂带不同区段含水量多少与所处地理位置相关

即使是在同一断裂带内，不同区段的聚水量会由于所处地理位置不同而有较大的差异。一是看地表之上是否有湖泊河流或常年积水，形成对断裂带的供给水源；二是看断裂带所处地带气候条件和降水量多少；三是看断裂带在地表露头所处地理位置，若是位于山谷内或低洼处聚水就多、下渗水量就大，若是位于山坡上聚水量就少。

4、相同规模断裂构造内含水量大小与地层岩性相关

同等规模断裂构造内脆性越高的岩层破碎程度越大、裂隙发育越好，破碎带内蓄水量就会越大；同等规模断裂构造内属于岩溶孔隙度高或裂隙发育程度好的岩性地层，同层连通性好、渗透率高，形成含水层的规模大，聚水量就大。

5、同一断裂构造内地层位置越深含水越少

地壳浅层很少有远古造山运动埋入地下、与地表无连通缝隙的地压型密闭蓄水空间，即使是几千米深层的地下水，基本上都是地表水沿裂缝渗透下去的。就张性断裂构造的形成来看，肯定是开裂口上面宽、下面窄、呈V形构造，越往下行含水裂隙发育就会越差、含水量越少。地下水所能达到的地层深度取决于裂缝开裂的深度，只有断裂构造规模相对较大、构造内含水裂隙发育较好的地方，地表水能够沿裂隙向下渗透至较深处，形成温度较高的地热水资源。

四、不同岩性地层水系的分布特点

1、松散岩类孔隙水地层

孔隙水主要是指赋存在松散沉积物颗粒间孔隙中的地下水，即第四系、第三系松散-半固结的碎石土和砂性土的孔隙含水，断裂构造内粗中细粉砂、卵石、碎石、砾石等粒间空隙形成的含水层。其分布特点：地面降水通过近地表土层及土质岩层的孔隙均匀向下渗透，只能在几十厘米的浅表层形成结合水，难以形成重力水含水层；即使是在较大断裂构造内，下面较大的裂缝到浅表松散层后就会分散为较为细小的裂隙，形成含水孔隙面积较大、渗水裂隙不明显的含水层；即使是在厚度达几百米的松散孔隙岩类地层，深度达到几十米后由于地层松散度降低、密度加大、渗透率减小，细小裂隙减少、孔隙水平渗透扩散度降低，使得地层含水面积减小；断裂构造内含水裂隙发育较好、孔隙度较高，同层平行渗透较好，易形成较为宽厚、流动性较好的含水层。

2、风化碎屑岩类孔隙裂隙水地层

孔隙裂隙水地层是指中、新生代半坚硬的微弱胶结的碎屑岩中孔隙、孔洞中含水及断裂构造内形成的裂隙孔洞带等孔隙性含水地层。一般情况下，孔隙裂隙水多赋存于风化较强烈的岩石中，除裂隙含水外，风化后形成的大、小空隙中也含水；在第三系和白垩系砂岩、砂砾岩成岩作用较差的砂岩和砂砾岩等含水组，则属于以孔隙水为主的裂隙孔隙水。其分布特点：孔隙裂隙水地层含水的前提是要有断裂构造，地表水通过断裂中裂隙下渗，断裂内风化碎屑岩层的孔隙才能含水形成含水层；由于孔隙裂隙水地层多存在于半坚硬微弱胶结的风化碎屑岩中，中、新生代未完全硬化的泥岩、粉砂岩以及红层碎屑沉积岩层等都属于含水性较差的岩层，夹在这些隔水层中的孔隙裂隙水地层含水性也会受其影响变差。

3、层状基岩裂隙水地层

赋存于沉积岩、副变质岩中的层状岩类裂隙水，形成粉土以及裂隙发育的基岩风化带含水层。基岩是指地下较新较疏松岩层之下较为坚硬的稳定岩层，这里所指的层状岩层主要包括泥岩、页岩、砂岩等沉积岩和板岩等副变质岩。其分布特点为：泥岩、页岩和板岩都属于完整性较好、透水性较差、裂隙不发育的岩层，只有在断裂构造内的含水裂隙较为发育；断裂构造内碎屑沉积，泥岩遇水软化膨胀使裂隙变窄，水的下渗通道易被泥粉堵塞、连续性差；断裂构造内裂隙水分布不均匀，水力联系不好，介质的渗透性具有不均一性与各向异性；无论是砂质泥岩还是泥质砂岩，岩层含沙比例越高、颗粒越大，其孔隙度、渗透率就会越好。

4、碳酸盐岩类裂隙溶洞水地层

碳酸盐岩类裂隙溶洞水主要赋存于古、中生代灰岩、白云岩的裂隙溶洞中，在断裂构造内形成裂隙溶洞带性含水层。其分布特点为：可溶性碳酸盐岩类中不同岩性的岩溶发育程度差异较大、含水性亦大不相同，纯灰岩的岩溶最为发育，白云岩次之，泥质和硅质碳酸岩更次；赋存于可溶性岩层的溶蚀裂隙和洞穴中的岩溶水（喀斯特水），因岩溶发育很不均匀、亦使岩溶潜水分布极不均匀；如果岩石完整、结构致密，水不能进入其间进行有效的溶蚀作用就不可能产生岩溶水，只有当可溶岩在地质应力作用下产生了相当多的裂隙，地下水才能进入其间产生溶蚀作用后才能形成有一定流动性的岩溶水；赋存并运移在浅层岩溶化岩层中的岩溶水，同层平行渗透较好，溶蚀孔洞发育相连后可形成地下暗河；由于泥质、硅质本身不可溶，被水带入岩溶中的泥质和钙质成分既可附着在岩石孔隙表面、亦可沉淀淤积在岩溶洞中阻塞岩溶水的运移通道。

5、火山岩裂隙孔洞水地层

火山岩裂隙孔洞水赋存于火山岩的裂隙、孔隙、气孔、气洞（熔岩隧道）中，断裂构造内形成玄武岩裂隙气孔带等孔隙性含水层。火山岩主要包括以熔体形式溢流出火山口的低粘度、低挥发分岩浆形成的火山熔岩，其中基性喷出岩为玄武岩、中性喷出岩为安山岩、酸性喷出岩为流纹岩、半碱性和碱性喷出岩为粗面岩和响岩，还包括由一些高粘度、高挥发分含量的酸性岩浆经由爆发式喷发至地表而形成的火山碎屑岩。其分布特点为：岩浆喷出地表落地后在大气圈和水圈中冷却结晶形成与地表形态比较协调贴合、呈被状覆盖在地表上形成火山岩层，岩层较为完整、裂缝较少；基性岩浆喷出地表后在气压作用下有些因冷却速度快易形成多孔结构的玄武岩，部分孔洞发育好的岩层易水平连通形成火山熔岩孔洞含水层；虽然气孔状玄武岩层存在较好的容水空间，但只有在断裂构造范围内次生节理、裂隙发育的条件下才会形成地下水的补给、渗流、存储和径流。

6、块状基岩裂隙水地层

赋存于侵入岩、混合岩、正变质岩中的块状岩类裂隙水，断裂构造内形成构造破碎带含水层。侵入岩（橄榄岩、辉长岩、斜长岩、花岗岩等）是指软流层中的炽热岩浆沿裂缝涌出、侵入地壳表层内缓慢冷却凝固而成的岩石，具有岩层厚、埋深大、结构完整、裂缝少、表观密度大、等特点；变质岩是岩浆岩或沉积岩在变质作用下形成的板岩、片岩、片麻岩、千枚岩、石英岩等一类新岩石。其分布特点为：侵入岩、变质岩、混合岩作为坚硬岩石在多种地质应力作用下会产生成岩裂隙、风化裂隙、构造裂隙，地表水通过断裂构造内的裂隙渗透形成裂隙水；块状坚硬岩层较为完整，含水裂隙发育较差，断裂构造内生成的裂隙少、含水空间有限；裂隙水的富水程度、分布特点、埋藏规律以及水动态状况，均受断裂构造的规模大小控制；由于岩性变化和构造应力分布的不均匀性，导致基岩裂隙发育具有较大的不均匀性及较差的连通性，难以构成完整或完善的含水系统。

参考文献：

[1]肖长来梁秀娟王彪，水文地质学，清华大学出版社，2010

[2]陈爱光，地下水系统与地下水系统分析，中国地质大学出版社，1987