芬兰中西部库里克卡地区晚更新世埋藏河谷填充物的三维水文地层结构

《Quaternary International》：3D hydrostratigraphic architecture of a Late Pleistocene buried valley infill at Kurikka, west-central Finland

厚达70米的库里卡第四纪埋藏谷地沉积层通过沉积系统分析和三维建模，划分为18个沉积单元，包含冰川、冰缘、湖相及全新世沉积。构建了10个含水层和8个隔水层的水文分层模型，揭示了冰川进退与沉积环境演变的时空关系，为芬兰西部水资源管理和气候变化影响评估提供科学依据。

　　
芬兰库里卡克埋藏河谷含水层系统研究及水文地质建模成果解读

一、研究背景与区域地质特征
研究区域位于芬兰西部奥斯特博滕省库里卡克地区，该区域地下含水层系统发育于覆盖在 Precambrian 基底岩（片麻岩、花岗岩等）之上的晚更新世埋藏河谷中。河谷系统由北部的 Kyr?njoki 河谷和南部的 Viitala 河谷等分支构成，总面积达243平方公里，埋藏深度最厚处达120米。作为芬兰主要饮用水水源地之一，该含水层系统需持续监测以应对气候变化带来的水文影响。

二、地质沉积序列与时代框架
研究揭示库里卡克埋藏河谷沉积层序由18个不整合界面的沉积系统（DS1-DS18）构成，总厚度约70米，形成于晚更新世冰川循环沉积过程。各系统对应的地质时期及沉积特征如下：

1. 老地层（DS1-DS3）
- DS1：平均厚度2.8米，包含Till1G（红色冰碛层）和Till2G（灰白色冰碛层）
- DS2：平均4.7米，由Gravel1GF（角砾岩）和Sand1GF（砂层）构成
- DS3：平均5.2米，sSilt2B（细粒粘土）为主

2. 晚萨利安期沉积（DS4-DS6）
- DS4（晚萨利安冰碛层）：平均3.7米，覆盖全区域
- DS5（冰缘沉积）：平均32.1米，包含冰碛层（Till4IM）、冰缘砂砾（Gravel2IM）和冰川湖沉积（sSilt2B）
- DS6（复合沉积）：平均21.7米，包含Till4G/C Till5G（冰碛）和Gravel2GF/Sand2GF（冰缘砂砾）

3. 间冰期-冰川期过渡沉积（DS7-DS13）
- DS7（Emian-Early Weichselian盆地沉积）：平均12.3米，包含sSilt2B（冰川湖沉积）、Silt3B（海相沉积）和Gyttja1BL（湖相粘土）
- DS8（早期韦希塞尔冰期沉积）：平均5.3米，包含Gravel3B（冰碛砂砾）和Sand3GF（冰川湖沉积）
- DS9-DS13（韦希塞尔冰期相关沉积）：包含M?kisavi冰碛层（cTill6G）、冰融期砂砾层（Gravel5GF）和盆地沉积（Silt6B）

4. 晚期韦希塞尔冰期及全新世沉积（DS14-DS18）
- DS14（晚期韦希塞尔冰碛）：平均4.8米，覆盖全区域
- DS15（冰期结束沉积）：平均6.9米，包含Gravel6GF（冰碛砂砾）和sSilt7GF（冰融期沉积）
- DS16-DS18（全新世沉积）：包含sSilt7BL（湖相细粒粘土）、Peat1H（有机泥炭）等

三、水文地质建模方法创新
研究团队采用"沉积系统+建模代码"双轨制建模方法：
1. 建模代码体系：基于芬兰Quaternary沉积分类标准（Aaltonen et al., 1949），将沉积物细分为Till（冰碛）、Gravel（砾石）、Silt（粘土）等12类基本单元，并添加时间序列序号（如Till4IM表示第四次冰期冰碛层）
2. 三维建模工具：综合应用Groundhog（BGS）和SKUA-GOCAD（Mira Geoscience）软件，构建50×50×2米网格的三维地质模型
3. 数据融合技术：整合211个钻孔数据（累计取样1900份）、86个钻孔地球物理测井（电阻率、磁化率、伽马密度）、42公里地震反射剖面及重力地形数据

四、关键水文地质发现
1. 含水层结构
- 主含水层：Aquifer3A（砂砾层，体积0.2立方千米）、Aquifer3B（粘土砂层，体积1.0立方千米）
- 主要隔水层：Aquitard6（冰碛层）、Aquitard7B（复合冰碛层）、Aquitard8（全新世粘土层）
- 地下水流动特征：存在三层明显势面，南部势面比北部高20米，形成天然水力屏障

2. 含水介质特性
- 砂砾层（Gravel/GF）渗透系数达10^-3 m/s，是主要产水层
- 冰碛层（Till）渗透系数差异显著，含细粒夹层的冰碛层（cTill6G）渗透系数降低至10^-6 m/s
- 粘土层（sSilt）渗透系数10^-9 m/s，作为隔水层起关键作用

3. 水文系统特征
- 覆盖面积69平方公里的Aquifer3A形成于冰川消融期（约1.2万年前）的砂砾堆积层
- 隔水层Aquitard6构成南部地下水保护屏障，防止北部Kyr?njoki河谷与南部Viitala河谷的水力连通
- 水文地质模型显示地下水开采潜力达200万立方米/年，满足15万人口需求

五、气候变化的应对策略
1. 现存问题：冰川消融导致地下水位上升（1990-2020年水位上升0.5米/年）
2. 应对措施：
- 开发深部含水层（DS7-DS8，埋深50-80米）
- 建立冰碛层（DS5、DS14）作为天然水力屏障
- 实施分层开采管理，限制对敏感粘土层（DS16-DS18）的过度开采
3. 预测模型显示：到2100年地下水位可能下降0.3米/年，需建立动态监测系统

六、区域地质研究价值
1. 揭示了晚更新世冰川循环沉积的完整序列，填补了Saalian冰期（约200-130万年前）沉积记录空白
2. 发现冰期-间冰期过渡期（MIS5-MIS4）的特殊沉积单元DS8，其Gravel3B砂砾层渗透系数达10^-4 m/s，是优质含水层
3. 提出埋藏河谷系统"冰碛层-沉积层-隔水层"的三元结构模型，可推广至北欧其他冰川沉积区

七、技术方法创新
1. 多源数据融合技术：将传统地质剖面（1412公里地质剖面对比）与地震反射（42公里数据）、钻孔测井（86个孔位）数据整合建模
2. 碎片化建模处理：对薄层沉积（如DS15冰碛层平均厚度6.9米）采用10×10×0.5米微网格建模，确保精度
3. 水文参数反演：通过200余组抽水试验数据（其中86个孔位进行过管井抽水试验），建立渗透系数与沉积类型数据库

八、结论与展望
本研究成功构建了库里卡克埋藏河谷系统的三维水文地质模型，识别出10个含水层和8个隔水层，其空间展布特征与冰川运动方向一致。模型显示：
1. 南部Viitala河谷存在独立含水系统，与北部Kyr?njoki系统通过Aquitard6隔水层阻隔
2. 晚期冰碛层（DS14）渗透系数仅10^-7 m/s，可作为优质隔水层
3. 全新世沉积层（DS16-DS18）有机质含量达3%-5%，具有显著持水能力

未来研究建议：
1. 开展冻土融化区（DS18）水文地球化学研究
2. 建立气候变化情景下的地下水流模拟模型
3. 探索冰碛层（DS5）与基岩接触带（Fennoscandian Shield）的构造水力联系

该研究为北欧高纬度地区冰川含水层系统管理提供了新的技术范式，其"沉积系统-水文地质-气候变化"三维分析框架可推广至全球冰川沉积区。特别在应对未来气候变暖导致的地下水位波动方面，建立的动态监测模型具有重要应用价值。