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文|地渊质
编辑|地渊质
前言
在墨西哥，理解地下水流系统对于管理干旱地区的地下水资源至关重要，因为许多干旱地区的城市、农业和工业发展主要依赖地下水作为主要水源。
在克雷塔罗流域含水层（VQA）中，许多井是钻在主要断层附近或沿着主要断层，相对较短距离内的压力水位的高变异性表明水力特性发生了变化。
过去30年来VQA中提取井和降水区的空间分布表明断层将含水层系统分隔成不同区块。在VQA中，地下水是从深度超过两百米的地方提取的；在这个深度，应考虑地质异质性以评估地下水流模式，以便准确估计地下水资源。
VQA可以被认为是一个断层含水层，在这种情况下，断层和裂隙区域强烈影响系统的整体流动动力，而评估主要构造的水文地质行为与获取地层序列的水力特性一样重要。
这项工作研究了主要构造（如断层和火山或岩浆体）作为水文地质独立单元的作用，而不仅仅是水力边界，并对断层VQA中的地下水流条件进行了数值模拟。
模型中包括代表性的地质数据的整合：（a）通过为每个地质单元分配一种水力导率（K）来进行垂直变化；（b）断层；（c）水层地层单元的横向截断；（d）侵入性岩石的存在，特别是岩脉。
研究区位于VQA系统的西北部，克雷塔罗流域位于中新世至近期的墨西哥火山带中部，由一组南北向和东北-西南向断层所限定，这些断层至少从中新世以来就活跃。
以前的研究已经记录了区域性断层复杂结构引起的水力特性变化，断层和分层地质介质中的水力导度各向异性决定了地下水流模式。区域性断层代表了影响整体含水层动态的重要异质性，不仅确定了优势流动方向，还修改了它们的储存能力。
另一方面，火山岩中的岩性变化和裂缝会修改地质单元的水文地质特性。当损伤区发育良好且侧向封闭时，断层可以成为垂直流的优先通道，即“渗漏断层”。断层带还可以在含水层之间充当泄漏区，将原本由不透水层分隔的含水层并置在一起。
主要断层可以根据变形历史中发展的水力特性表现为流动障碍物或优势通道，或仅分隔不同水力导度的单元；例如，断层的垂直位移可以将通透性和不透水性层并置在与断层平面垂直的方向上。在早期模型中，即使在分层渗漏系统中，断层通常也被视为边界条件。
断层带的变形和破裂方式强烈影响其水力特性的变化，提出了四种与断层相关的流体流动概念方案，根据断层平面内的导流通道和障碍物（局部和分布式）的分布情况。
确定了断层平面的三个基本水力要素：（1）低水力导度的核心，其特点是断层角砾岩、断层破碎岩和泥炭岩；（2）毗邻的损伤区，其水力导度增加，由角砾化和断裂引起；（3）未经改变的新鲜岩石，其具有特征性水力导度，在断层两侧由于断层位移而可能发生变化。
主要断层通常还具有伴生或次生面和裂缝，可能引起不同的水力行为。在各向异性介质中，每个地质单元都由一个考虑水力导导率三维变化的张量所表示。在有裂缝的岩石中，张量可以沿着裂缝的优先方向对齐。
VQA的区域地质在过去几十年里得到了广泛研究，克雷塔罗流域是由一组南北向和东北-西南向的断层和火山所限定的盆地，位于墨西哥火山带（TMVB）的中部。
南北向的西倾中央断层是区域性克雷塔罗坳陷的东部边界，另一主要断层族群（东北-西南向）与南北向系统形成了几乎正交的模式，形成了由山脊、坳陷和半坳陷组成的马赛克图案，其中垂直位移各异，在某些地区高达400米。
这两个断层系统至少自中新世以来一直处于活动状态，并且两者都控制了VQA中沉积物和火山岩的堆积。
本研究集中在VQA的西北部，这是一个由于断层活动而形成的地下水补给区域。可用的信息被汇编并整合到VQA及其周边的地质图和水文地质信息中。通过重新解释井孔记录、40Ar*/39Ar测年岩石以及地质绘图，建立了当地的地层。
该盆地的结构和地层设置可以用足够的细节来定义，并指出地质演化比以往认识的更为复杂。在这个区域，新生代火山和堆积序列部分覆盖了白垩纪单元，这些单元在缩短期间被抬升，并且在倒挂断层中良好地露出。使用该区域可用的水抽取井的岩性记录构建了一个东西向的地质剖面AA。
最古老的地层（白垩纪）由火山沉积岩组成，这在克雷塔罗流域是首次被记录，厚厚的阿尔比阶石灰岩和页岩序列，以及一层晚白垩世的页岩和砂岩与粘土质石灰岩交互层（Ki Cz-Ar），白垩纪序列普遍受到了缩短变形的褶皱影响。
新生代地层由以凝灰岩和砂岩为主的大陆沉积单元（Te Cg-Ar）组成，上覆着一个含有火山碎屑和沉积交替沉积物的火山地层序列，新生代地层受到伸展性断层的破裂影响。
可能属于始新世时代的Te Cg-Ar层位存在于Mompani II井（深度200米处），以及UNAM-Juriquilla和El Salitre井的底部。
火山岩序列包括Salitre安山岩（ToA）和矽质穹丘，这些岩石属于渐新世和早中新世，始新世时期（约30百万年前）的侵入体在研究区的Juriquilla地带露出。
克雷塔罗地区的凝灰岩和湖泊地层由80米厚的火山碎屑和其他火山沉积物组成；这个地层包括艾塞基尔·蒙特斯玛瑙，是一个重要的地层标志，年代在7.5至5.6百万年之间。
这个地层的粗砂质相（Tom PyLac）是区域VQA中主要的水文地质单元，但在研究区几乎没有露头，仅在Mompani II记录的上部发现。
从附近的火山喷发的缝隙玄武岩和熔岩流年龄范围从12至5百万年不等，位于研究区以西13公里处的最大火山构造是年龄在12至10百万年之间的拉霍雅火山。
该研究区的概念模型基于具有对比水力特性的地质单元，包括颗粒状和断裂岩层，被主要断层和火山构造/岩体截断，这些断层和火山构造或岩体可能中断或促进侧向流动。
新生代岩石的地层关联基于晚中新世年代的玄武岩-玄武岩基岩单元，被命名为Tmt AB层，作为指示层，Tmt AB层通常被一个中新世-上新世沉积单元，称为Tmp Cg-Ar-Lm，所覆盖，并且被一个渐新世-中新世的火山碎屑和湖泊单元，称为Tom PyLac，所覆盖。
白垩纪地层对该地区的地下水流更为重要，包括砂岩和粘土质层序、石灰岩岩石以及火山沉积地层。这些岩层在El Nabo井的钻探中被发现，该井是研究区内最深的井，并位于Tertiary序列部分受侵蚀的区块内。
Ki Cz单元的对比地层和高程差异，从1100米至1680米间，位于Mompani II和El Nabo记录之间，这两者相距约一公里，暗示了在这个位置存在El Nabo断层。
为了确定基底火山单元的年代，在从800到1050米深度的钻探中，每隔3米采集了岩石样本，并使用20倍-40倍的立体显微镜对样本进行分类，选取了一些感兴趣的样本进行薄片描述。在850到950米深度之间，选择了黑云母浓缩物进行测年。
这些黑云母浓缩物在墨西哥环太平洋科学与高等教育中心（CICESE）的地质年代实验室使用VG5400质谱仪和激光提取系统进行了40Ar*/39Ar技术分析，方法的分析细节可以在其他地方找到。
矿物浓缩物事先在加拿大安大略省汉密尔顿的麦克马斯特大学核反应堆中照射，使用两个已知年龄的正长石样品作为辐照监测。所有实验都是通过逐步升温进行的，从0.2瓦到8瓦的激光功率，并在每个步骤释放的氩同位素的同位素组成。
所报告的年龄是根据每个单独分数计算的，并根据Hall（1981）的方法将个别步骤的集成结果相加，同时考虑了歧视、放射性衰变、线性背景以及来自钙、氯和钾衍生同位素的干扰反应的修正。
从岩性记录、地质制图、样本分析和同位素数据的解释中得出的概念模型，在数值模型的实施中，火山序列、沉积材料和地质断层被视为独立的水文地质单元；每个单元都有一个水力导导率张量。
地下水模拟使用了Visual-Modflow软件和Modflow 2000代码。为了表示映射的地质结构的水力行为，数值模型建立了10万个单元，在N-S和E-W方向上分布为100 x 100个单元的水平网格，每个单元代表一个面积为2500平方米的正方形。
模型区域是一个25平方千米的正方形，顶部表面的平均海拔为1945米，复制了实际地形，底部是一个平坦的表面。模型区域被分成10个具有可变厚度的水平层，从地表到底部平坦层，根据地形进行分层。
断层由50米宽的垂直排列的立方单元组成，具有特定的水力导率。30百万年的巨大侵入/次火山体由位于模型中心的一组具有圆顶形状的单元表示。
断层和侵入体被认为在地下水方面起着重要影响，可能通过引导或阻止流动，或通过中断水文地层单元的侧向连续性，如砾岩和砂岩单元。通过断层的截断得到了适当的表示，因为每个地质单元由独立的单元组成。
设计了模型的几何形状后，通过从2004年和2006年的测量中插值出的压力面的区域变化来建立了初始和边界条件。
VQA中的地下水流存在近似的从北到南方向的区域梯度，区域压力水位通过对VQA中40口水井的数据进行克里金插值得出，这些水井自1996年以来由当地水务机构。
通过使用抽水试验的部分结果，进行了数值模拟以评估系统的水力动力学行为，在计算实验中，调整了水力特性，以使抽水试验和一个观测井中计算和测量的地下水位下降相互关联。
使用实施的数值模型模拟了在El Nabo井中进行的260,000秒（72小时）的抽水试验；数据记录（水位和温度）由CTD Diver（斯伦贝谢）数据记录器完成。该井是该地区唯一一口深度约为1000米的井，因此无法确定任何观测井的位置。
Mompani II井位于西南方向1000米处，深度为250米。由于两口井之间存在El Nabo断层，在抽水试验期间在Mompani II井中没有记录到水头的变化，因此假设两口井中的地下水流是独立的。
为了进行模拟，调整了模型的水力导导率和测得的水位下降，使用了抽水试验的一个段落来模拟抽水试验产生的瞬态条件。每15秒的地下水位下降和温度的连续测量值；蓝色方块表示用于模拟的连续测量的样本。
由于井深，只能考虑抽水试验的一部分进行调整。前10,800秒（3小时）的数据未予考虑，因为在此期间无法保持抽水速率稳定，应考虑井存储效应，这些问题在恢复数据的解释中也得到了考虑。
通过调整主要地层，对El Nabo试验的10,800至250,000秒（3至69小时）段的模拟和观测地下水位下降进行了拟合。使用PEST（参数估计软件）算法通过Visual-Modflow完成了这些属性的估计。
有限差分Modflow算法通过调整三个垂直方向上的水力导导率来解决地下水流问题，这三个方向与网格的方向对应，即南北、东西和垂直方向。水力导导率（K）的初始值设定为1e-04 m/s，与大规模和断裂岩石的报告值相对应。
通过使用表1中的水力导导率（K）值，沿着两个方向进行拟合：水平东西方向和垂直方向。K的南北值保持在初始值。获得的模型水力导导率的敏感性值随地层和断层与抽水试验区之间的距离而变化。高敏感性意味着地层对地下水位下降有很大影响。
“石灰岩和页岩”和“El Nabo断层”单元显示出最高的敏感性值， El Nabo断层中的高值是因为抽水井位于该断层沿线。 Balvanera和South断层获得的较低敏感性表明，这些单元的导电率值不会影响计算的地下水位下降。
在El Nabo井中钻取的白垩纪地层由一个覆盖在火山沉积地层上的石灰岩和页岩单元组成，这对于建立模型的地质限制非常重要。基底火山沉积地层的火山性质是通过钻井样本解释的，并通过同位素年龄得到了确认。
上覆的石灰岩和页岩单元厚度超过800米，与砂岩或黏土交互层。在附近的露头中，该单元被褶皱变形，含有方解石脉和断裂。从El Nabo井的850米以下深度获得的火山沉积地层的岩石样品含有大量黑云母。
黑云母的尺寸和外观的差异定义了两个尺寸群体：（1）在425至710微米之间，（2）在250至425微米之间。两种尺寸的年龄谱表明它们也对应于两个不同的年龄群体。
黑云母群体2显示出约100百万年的较旧年龄，年龄谱图表明存在严重的氩损失。无法获得可靠的年龄，但这个序列的年龄比获得的最小年龄还要老。
这种行为在855米深度的两次重复实验中都得到了复制，相对于黑云母群体1，黑云母群体2具有较高的37ArCa/39ArK比值，明显表明它们的成分不同。
白垩纪沉积地层（Ki Cz-Ar）具有较低的水力导导率，如El Nabo井800米以上深度处的低流速所示。当钻井在850米深度与El Nabo断层和岩脉相交时，流量增加到了47升/秒。
地质证据表明，在研究区域内，地下水通过断层的流动是显著的，因此模型在El Nabo断层处集成了导电率的增加。
使用校准的水力导导率（使用PEST软件获得）来模拟数值模型中的抽水试验。井筒储存可能导致El Nabo抽水试验的初始降水迅速下降。抽水稳定所需的时间在模型中没有考虑，降水从相对零值开始。
在10,800-35,000秒间隔内观察到的伪稳态流动状态未能完全调整为计算的降水。从20小时（75,000秒）开始，数值解与数据收敛，并且模型结果更好地拟合。
鉴于只能考虑一个观测点，El Nabo井是Queretaro地区最深的井之一，大多数井深度约为300米，因此无法进行所获得的水力导导率的代表性分析。抽水试验所提供的信息对于校准数值模型并模拟研究区域内的地下水流是有用的。
在数值地下水流模型中实现地质结构，结合通过抽水试验估算水力导导率，为Queretaro山谷北部的断层含水层系统中的流动动态提供了相关信息。
这种方法可以应用于研究Queretaro山谷其他地区以及墨西哥中部的其他地方，在这些地方，水从深度大于200米的地方提取，关于主要构造对地下水流动条件的影响存在高度不确定性。
研究区域是由断层限定的一个区块，其中显露了Queretaro山谷中的较早地质单元。考虑到断层和水文地层单元的截断，在序列中导致了含水层系统中的区隔，这也在模型中得以重现，通过模拟剖析抽水试验时的地下水流动模式与测得的压力水位相一致。
抽水试验的导数分析表明存在两个不同的地下水流动系统：（1）与石灰岩和页岩层序相关的流动，具有1:1的斜率；（2）通过断层传输水的区域线性流动，具有1:2的斜率。
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