高分辨率层序地层学在第四纪含水层划分与对比中的应用

高分辨率层序地层学在第四纪含水层划分与对比中的应用

含水层的非均质性和各向异性是目前困扰水文地质学家的核心问题之一,其根源在于对含水砂层的沉积相变及其时空分布规律研究的不足,以及缺乏高精度的地层格架作为基础。本文以河北省滹沱河山前平原为例,将沉积学理论和高分辨率层序地层学分析方法应用于平原区第四纪河流相含水层的划分与对比研究中。

以钻孔岩芯、粒度分析、释光年龄等资料为基础,在详细划分单孔沉积相、识别各钻孔不同级次基准面旋回的基础上,进行孔间多级次地层旋回等时对比,

建立了滹沱河山前平原沿河剖面第四系层序地层格架,理清了第四纪冲洪积-河

流相砂体的分布规律,并对研究区含(隔)水层进行合理划分。通过开展不同空间尺度河流相地层的划分与对比,探讨了高分辨率层序地层学理论应用于平原区第四纪含(隔)水层划分的适用性。

研究成果可为区域含水层(组)的进一步科学划分提供依据,也为地下水资源科学管理与可持续利用等提供工作基础。取得的主要成果如下:(1)基于地层岩性、年龄数据、孢粉数据的综合分析,建立了滹沱河山前平原重点钻孔ZD08-1第四纪年代地层格架。

全新统底界埋深5.49m,上更新统底界埋深32.68m,中更新统底界埋深

66.08m,下更新统(第四系)底界埋深157.04m。明确该孔第四纪以来主要包括冲

洪积扇和辫状河流两种沉积相类型。

(2)通过岩芯剖面不同级次基准面旋回的识别,建立了ZD08-1孔第四纪地层层序。该孔第四系共识别出20个超短期旋回、6个短期基准面旋回、2个中期基准面旋回和1个长期基准面旋回。

其中,长期基准面旋回的底部层序界面为钻孔第四系底界,2个中期基准面旋回之间的层序界面为中更新统底界。长期基准面旋回由上升到下降的相转换面处于冲积扇相向辫状河流相转变的位置。

(3)基于不同级次基准面旋回的孔间地层对比,建立了滹沱河山前平原沿河剖面(正定-藁城)第四系高分辨率层序地层格架。整个第四纪时期,研究区处于一个长期基准面旋回(LSC1)控制之下,旋回总体厚度呈现从山前到平原由薄变厚的趋势。

受太行山构造抬升及NNE向活动断裂的影响,研究区在第四纪时期长期基准面以上升为主,覆盖了约210万年的沉积地层,中更新世中期之后,长期基准面开始下降并延续至今。在长期基准面旋回框架内,沿河剖面的各钻孔在中期、短期基准面旋回级次上均可进行逐一对比。

(4)在沿河剖面的第四系高分辨率层序地层格架内,探讨了第四纪以来砂体的空间分布规律。各短期基准面由下降到上升的转换面附近,砂体发育程度及透水性能相对较好。

中期基准面上升半旋回砂体发育程度好,下降半旋回则相对较差。中期基准面上升半旋回控制下的砂体沉积环境沿剖面从西向东发生如下演变过程:MSC1由冲洪积扇相转变为辫状河道;MSC2早期由冲洪积扇转变为辫状河道再转变为曲流河道,晚期则由辫状河道转变为曲流河道。

(5)滹沱河山前平原在第四系深度范围内,可划分为5个含水层。由上到下依次为第Ⅰ含水层、第Ⅱ含水层、第Ⅲ含水层、第Ⅳ含水层、第Ⅴ含水层。

其中,第Ⅰ、Ⅱ含水层对应于前人划分的第Ⅰ含水层组,第Ⅲ含水层对应于前人划分的第Ⅱ含水层组,第Ⅳ、Ⅴ含水层对应于前人划分的第Ⅲ含水层组,而前人

确定的第Ⅳ含水层组在时限上应属于上新世。造成划分差异的原因,一是对短期基准面旋回SSC1下降期泛滥平原细粒沉积的连续性认识不同,二是与以往山前平原缺乏第四纪标准钻孔导致第四系底界划分偏深有关。

(6)高分辨率层序地层学理论应用于平原区第四纪含(隔)水层划分中的适用性。通过识别不同级次的基准面旋回及层序界面,可进行不同空间尺度的地层对比和含水层结构分析。

场地尺度可进行超短期旋回级次的高精度地层研究;次级构造单元内同一沉积体系的区域,可在中期基准面旋回构建的地层格架内进行短期基准面旋回级次的研究;对整个盆地或平原这样的大区域,则可在长期基准面旋回的控制之下,尝试进行中期基准面旋回的对比。