断裂带水力特性研究进展.pdf
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1、第4 2卷 第4期2 0 2 3年 7月 地 质 科 技 通 报B u l l e t i n o f G e o l o g i c a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y V o l.4 2 N o.4J u l.2 0 2 3史浙明,叶海龙,吕少杰,等.断裂带水力特性研究进展J.地质科技通报,2 0 2 3,4 2(4):4 7-5 4.S h i Z h e m i n g,Y e H a i l o n g,L S h a o j i e,e t a l.A d v a n c e s i n f a u l t z o n e h y
2、 d r a u l i c p r o p e r t i e sJ.B u l l e t i n o f G e o l o g i c a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y,2 0 2 3,4 2(4):4 7-5 4.基金项目:南昌市水文地质与优质地下水资源开发利用重点实验室资助项目(2 0 2 3 2 B 2 2)作者简介:史浙明(1 9 8 8),男,教授,主要从事水文地质教学与科研工作。E-m a i l:s z mc u g b.e d u.c n E d i t o r i a l O f f i c e o f B u l
3、 l e t i n o f G e o l o g i c a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y.T h i s i s a n o p e n a c c e s s a r t i c l e u n d e r t h e C C B Y-N C-N D l i c e n s e.断裂带水力特性研究进展史浙明1,叶海龙2,吕少杰1,齐之钰1,何冠儒1(1.中国地质大学(北京)水资源与环境学院,北京 1 0 0 0 8 3;2.南昌市水文地质与优质地下水资源开发利用重点实验室,南昌 3 3 0 0 0 0)摘 要:断裂带作为具有重要水文
4、地质意义的构造现象,往往对地下水运移产生显著影响。考虑断裂带的水文地质作用对于水资源管理和评价具有重要意义。围绕断裂带渗透性,从断裂带渗透性结构及调查方法,断裂带水力特性定量表征,断裂带水力特性的动态演变特征,断裂带地下水流模拟等方面展开论述。断裂带的渗透性是当前断裂带研究的核心,不同的渗透性刻画方法具有不同的代表性尺度。断裂带渗透性具有复杂的时空分布特征,对刻画断裂带的地下水运移造成较大挑战。针对不同目的,选择合适的数值模拟方法是定量刻画断裂带地下水运移的重要途径,也可以对其他方法进行有效的验证。如何在模拟过程中考虑断裂带水力特性在时空尺度上的复杂性是准确刻画断裂带地下水流动的前提。笔者认为
5、建立专门的断裂带水文地质观测基地,综合地质、水文地质、热流、地球物理及遥感数据资料,加强多学科的交叉合作,是进一步提升断裂带地下水研究水平的关键。关键词:断裂带;地下水;破碎带;水力特性;渗透性2 0 2 3-0 2-1 1收稿;2 0 2 3-0 4-1 1修回;2 0 2 3-0 5-1 1接受中图分类号:P 6 4 1 文章编号:2 0 9 6-8 5 2 3(2 0 2 3)0 4-0 0 4 7-0 8d o i:1 0.1 9 5 0 9/j.c n k i.d z k q.t b 2 0 2 2 开放科学(资源服务)标识码(O S I D):A d v a n c e s i n
6、 f a u l t z o n e h y d r a u l i c p r o p e r t i e s S h i Z h e m i n g1,Y e H a i l o n g2,L S h a o j i e1,Q i Z h i y u1,H e G u a n r u1(1.S c h o o l o f W a t e r R e s o u r c e s a n d E n v i r o n m e n t,C h i n a U n i v e r s i t y o f G e o s c i e n c e s(B e i j i n g),B e i j i
7、 n g 1 0 0 0 8 3,C h i n a;2.N a n c h a n g K e y L a b o r a t o r y o f H y d r o g e o l o g y a n d H i g h Q u a l i t y G r o u n d w a t e r R e s o u r c e s E x p l o i t a t i o n a n d U t i l i z a t i o n,N a n c h a n g 3 3 0 0 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:S i g n i f i c a n c eA s
8、a t e c t o n i c p h e n o m e n o n w i t h i m p o r t a n t h y d r o g e o l o g i c a l s i g n i f i c a n c e,f a u l t z o n e s m o s t l y s h o w a s i g n i f i c a n t i m p a c t o n g r o u n d w a t e r m i g r a t i o n.P r o g r e s sI t i s i m p o r t a n t t o i n c l u d e f a
9、 u l t z o n e s i n w a t e r r e s o u r c e m a n a g e m e n t a n d e v a l u a t i o n.T h i s p a p e r f o c u s e s o n t h e p e r m e a b i l i t y o f t h e f a u l t z o n e,t h e q u a n t i t a t i v e c h a r a c t e r i z a t i o n a n d t h e e v o l u t i o n o f t h e h y d r a u
10、 l i c c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e f a u l t z o n e,t h e d y n a m i c e v o l u t i o n o f t h e h y d r a u l i c c h a r a c t e r i s t i c s o f f a u l t z o n e s a n d t h e s i m u l a t i o n o f g r o u n d w a t e r f l o w i n t h e f a u l t z o n e.T h e p e r m e a b i
11、 l i t y o f t h e f a u l t z o n e i s t h e k e y t o t h e c u r r e n t s t u d y,a n d d i f f e r e n t p e r m e a-b i l i t y c h a r a c t e r i z a t i o n m e t h o d s h a v e d i f f e r e n t r e p r e s e n t a t i v e s c a l e s.T h e p e r m e a b i l i t y o f t h e f a u l t z o
12、 n e h a s c o m p l e x s p a t i o t e m p o r a l d i s t r i b u t i o n c h a r a c t e r i s t i c s,w h i c h c h a l l e n g e s t h e d e s c r i p t i o n o f g r o u n d w a t e r m i-g r a t i o n i n t h e f a u l t z o n e.T h e s e l e c t i o n o f a p p r o p r i a t e n u m e r i c
13、 a l s i m u l a t i o n m e t h o d s i s a n i m p o r t a n t w a y t o q u a n t i t a t i v e l y d e s c r i b e t h e g r o u n d w a t e r m o v e m e n t i n t h e f a u l t z o n e a n d v e r i f y t h e s u i t a b i l i t y o f t h e o t h e r m e t h o d s.H o w t o c o n s i d e r t h
14、 e c o m p l e x i t y o f t h e h y d r a u l i c c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e f a u l t z o n e a t t h e s p a t i o-t e m p o r a l s c a l e i n t h e s i m u l a t i o n p r o c e s s i s t h e p r e m i s e o f a c c u r a t e l y c h a r a c t e r i z i n g t h e g r o u n d w a t
15、 e r f l o w i n t h e f a u l t z o n e.C o n c l u s i o n s a n d P r o s p e c t sW e s u g g e s t t h a t a s p e c i a l h y d r o g e o l o g i c a l o b s e r v a t i o n b a s e f o r t h e f a u l t z o n e i s t h e k e y t o f u r t h e r i m p r o v e t h e l e v e l o f f a u l t z o
16、n e g r o u n d w a t e r s t u d y,a n d d a t a f r o m g e o-h t t p s:/d z k j q b.c u g.e d u.c n 地质科技通报 2 0 2 3年 l o g i c a l,h y d r o g e o l o g i c a l,h e a t f l o w,g e o p h y s i c a l a n d r e m o t e s e n s i n g s h o u l d b e i n t e g r a t e d,a n d i n t e r d i s c i-p l i
17、 n a r y c o o p e r a t i o n s h o u l d b e s t r e n g t h e n e d.K e y w o r d s:f a u l t z o n e;g r o u n d w a t e r;d a m a g e z o n e;h y d r o l o g i c a l p r o p e r t y;p e r m e a b i l i t yR e c e i v e d:2 0 2 3-0 2-1 1;R e v i s e d:2 0 2 3-0 4-1 5;A c c e p t e d:2 0 2 3-0 5-
18、1 1 断裂带是应力集中释放造成的破裂变形带,大的断裂带可延伸达数百甚至上千千米,深切地壳、穿透岩石圈甚至到达上地幔。因此,断裂带是沟通地壳浅部与地球深部的主要通道。断裂带作为地下水活动的重要通道之一,其两盘的岩性、断层渗透性结构及断裂带力学性质控制着断裂带导水-阻水特性,对地下水的运移、泉水出露、水热运移以及水位埋深等具有重要影响1-4,并进一步影响区域地下水流动类型、油气迁移、成矿成藏、地震活动等一系列的地质过程1,5-9。发育在不同含水层及含水系统中的断裂带,可以起到集水廊道、导水通道、贮水空间的作用,当发育在厚层隔水层且断层断距较大时,则可作为含水系统的边界1 0。在基岩地区,断裂构造
19、控制基岩裂隙地下水赋存与运移1 1。尽管断裂带对地下水的控制作用已经被水文地质工作者所熟知,然而直接定量评估断裂带对地下水流影响需要水文地质学、构造地质学、地球物理学等多学科交叉研究1。由于不同学科对断裂带的研究根据不同的研究目标而往往采用不同的方法,不同学科之间较为独立,相互交叉较少。随着经济社会发展及生态文明建设的开展,基岩山区地下水开发利用、地热资源开发、页岩气、煤矿开采、C O2封存、地震等领域得到了较大进展,对断裂带与流体运移关系的认识取得了系列新进展。笔者拟围绕断裂带渗透性,从断裂带渗透性结构及水力特性调查方法,断裂带水力特性定量表征,断裂带水力特性的动态演变特征,断裂带地下水流模
20、拟等几方面总结当前对断裂带水力特性方面的研究进展,以期为断裂带水文地质研究提供参考。1 断裂带渗透性结构及水力特征调查方法 断裂带也称断层带,是由主断层面及两侧破碎岩块以及若干次级断层或破裂面组成的地带。根据力学性质,断层可分为:压性断层;张性断层;扭性断层。根据断层相对于水平面的角度(倾角)以及断层两侧岩石的相对位移,可将断层划分为:正断层;逆断层;走滑断层4。正断层往往发育在张应力环境中,倾角常在4 5 7 0 之间,而逆断层往往发育在压应力环境中,断层倾角往往4 5。走滑断层倾角为直角,根据滑移方向可以分为左旋和右旋走滑两类1(图1)。图1 断裂带分类示意图(据文献1 修改)F i g.
21、1 S c h e m a t i c d i a g r a m o f f a u l t z o n e c l a s s i f i c a t i o n水文地质研究主要关注地下水在断裂带中的赋存及运移状况,而断裂带的渗透性结构是控制断裂带地下水运移的关键参数。由于岩石类型控制了断裂带渗透性和含水层发育,利用岩石类型对断裂带进行分类能较好地反映断裂带的水文地质特征1 2。根据大量的野外调查、室内测试及数值模拟结果,C a i n e等1 2提出了断层带渗透性的结构模型,将断裂带分为断层核部、破碎带以及围岩3部分(图2-a)。根据断裂破碎带宽度与断层核部宽度相对大小,并进一步将断裂带
22、分为4种典型类型:导水型;局部导水型;导水-阻水复合型;局部阻水型1 2。上述划分主要是依据野外露头调查为基础所总结的单个断裂带的渗透性结构模式,主要是以岩性为依据。而对于大尺度的断裂带来说,实际的断层结构则要复杂得多,在地表露头也可能出现多个断层核部及多个破碎带的情况,从而使得断裂带渗透性结构在空间尺度上存在明显的非均质及各向异性。地质学家往往采用地表露头调查、地质填图等基于地表的调查方法,从而刻画出断裂带的长度、走向、裂隙的张开度、断裂带岩石的矿物组成、粒径、孔隙度等等,并以此来刻画断裂带水文地质概念模型1,1 2。然而,对于一些隐伏断裂或者露头不好的断裂带,获得断裂带在地下的展布及规模则
23、十分困难。水文地质学家常常利用在断裂带两侧布设的钻孔中的水头差异,沿着断裂带出露的泉流量和温度差异等观测资料,来判断断裂带的导水或阻水性质。C o o k等1 3利 用 跨 断 层 布 设 的 多 个 钻 孔 中 的 水头、1 4C同位素、C l-含量及电导率等参数来推测断84 第4期史浙明等:断裂带水力特性研究进展图2 断裂破碎带(a)及断裂带渗透结构(b)示意图(据文献1 2 修改)F i g.2 S c h e m a t i c d i a g r a m o f t h e f a u l t d a m a g e z o n e(a)a n d f a u l t z o n e
24、 p e r m e a b i l i t y s t r u c t u r e(b)裂带的水力特征,发现地下水年龄及地下水化学组分在阻水和导水断裂的识别中可以发挥重要的作用。地球化学及同位素方法对于识别断裂带在控制地下水补径排方面的作用也十分有效,O l a k a等1 4用多种同位素(1 8O、D、8 7S r/8 6S r、3H-3H e),结合多元统计模型和地质资料,研究了肯尼亚中央裂谷断裂带对地下水的控制作用,揭示了断裂带对地下水系统分区的控制作用。地球物理方法如电阻率法、大地音频探测、瞬变电磁法、自然电位测量等方法在识别断裂带的空间展布,识别断裂带的结构等方面具有重要应用1 5
25、-1 8。此外,近几年发展起来的基于多源遥感数据、S B A S-I n S A R技术等遥感分析手 段 在 识 别 区 域 断 裂 带 上 展 示 出 了 巨 大 的 潜力1 9-2 1。为了准确地识别断裂带在空间的展布以及断裂带内部的结构特征,往往需要多种手段的综合应用2 2-2 3。G l e e s o n等1 9利用遥感图像解译、裂隙观测、钻井、水力表征以及地表水-地下水耦合的数值模型等手段,确认了出现在加拿大地盾区域流域尺度上的线性水文现象反映的是断裂带的阻水性质,而不是先前普遍认为的导水断裂。对于隐伏断裂水力性质的调查,水头观测数据、地质资料、电阻率及自然电位等地球物理探测等方法
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