論鄂北地區白堊—古近系地層巖性物性參數

孟 陳, 答文威, 徐錦宏, 王 駿, 劉 琦, 沈 銘

((湖北省地質環境總站,湖北 武漢 430034)

論鄂北地區白堊—古近系地層巖性物性參數

孟 陳, 答文威, 徐錦宏, 王 駿, 劉 琦, 沈 銘

((湖北省地質環境總站,湖北 武漢 430034)

通過綜合分析鄂北地區白堊—古近系地層分布區物探工作成果和鉆探資料,結合該地層內地下水的富集模式,總結出各巖性含水的電性參數及極化率范圍,為今后物探找水工作提供一定的借鑒。

含水巖層;電性參數;極化率

1 概況

白堊—古近系地層內巖性主要為紅色、紫紅色的泥巖、粉砂巖、砂巖、礫巖等一套陸相及淺水湖相沉積物,地下水資源不豐富,大部分地區被界定為貧水區,其地下水資源分布極不均一,找水難度較大。

近幾年來,由于鄂北地區干旱較為嚴重,中國地質調查局于2013年1月31日下達了《鄂北丘陵山區嚴重缺水地區地下水勘查與供水安全示范》項目(簡稱鄂北找水項目),湖北省地質環境總站為承擔單位,工作周期為3年。項目工作啟動后,通過開展物探電法找水工作,在鄂北白堊—古近系地層分布區找水工作取得了較好的效果。本文利用該項目中物探工作在白堊—古近系地層內所測量的物探數據,通過歸納與分析,總結該地層各巖性的物性參數范圍,為今后的找水工作提供工作依據。

2 地下水富集模式

一般來講,因白堊—古近系地層內含泥質成分較多,造成地下水資源相對貧乏。但在局部水文地質條件有利的地段,仍存在富水塊段[1]。富水塊段的形成在巖性、構造和地形地貌組合上具有明顯的規律,即具有地下水富集的水文地質因素組合形式。

總之,白堊—古近系地層含水富水性差,斷裂構造一般不發育,脆性硬質巖層和可溶性巖層與有利地貌部位組合地帶往往賦存一定的孔隙裂隙水,是找水的重要區域。脆性硬質巖層是指含泥質成分較少或質地較純的砂巖;可溶性巖層主要是指鈣質膠結的礫巖;地貌有利部位是指兩溝交匯處、寬緩溝谷段和山間崗地等地區。溝谷交匯地段,匯水條件良好,通常也是構造裂隙發育帶,富水性相對較強,易于形成富水塊段;在延伸較長的溝谷中,某些寬緩溝谷段通常是在斷裂破碎帶上形成的,當存在脆性硬質巖層和可溶性巖層時,裂隙發育,導水和儲水空隙率高,加上寬緩溝谷段有利于匯集和滯留地下水,同樣易形成富水塊段;山間崗地區往往是相對構造下降區,四周為山地圍限,是地表水和地下水的匯集區,由于經過多次斷裂切割或侵蝕形成(如存在脆性巖層和可溶性巖層),裂隙一般都比較發育,較易形成富水塊段。

白堊—古近系地層內地下水為碎屑巖類孔隙裂隙水含水類型,含水層主要由砂巖、砂礫巖、礫巖組成,地下水主要賦存于巖體的風化裂隙、孔隙及構造裂隙內,多屬潛水。而粘土巖、泥巖、粉砂質泥巖和泥質粉砂巖均為軟質巖層,不含水,為相對隔水層。而脆性硬質巖層與軟質巖層的分布規律較差,這是導致富水性差異較大、分布極不均一的主要原因。

3 工作方法

根據“鄂北找水項目”任務書的要求和地下水富集模式,該項目采用了高密度電法勘查和激電測深法[2]兩種物探手段。首先在地面調查的基礎上,針對重點靶區開展高密度電法勘查,查清脆性硬質巖層和可溶性巖層的分布范圍及埋深,然后選取有利位置開展激電測深法工作。該組合方式能基本確定勘查區地下水富水性,并指導成井工作。

高密度電法勘查主要特點為效率高、信息量豐富、解譯數據直觀形象及抗干擾能力強;激電測深法能較為直觀地探明是否含有地下水資源及大致了解其儲水層埋深等。該電法組合勘探方式比常規使用的視電阻率垂向電測深法或單獨使用高密度電法勘探的效果更明顯,鉆孔出水率大大增加,能更加清晰地反映出地層巖性和儲水量等信息。

4 地球物理前提分析

在開展高密度電法勘查和激電測深法工作之前,需要大致了解工區內巖性電性參數和極化率Fs值參數。根據以往工作所收集的數據[3]及實驗工作結果,地層內各巖性電性參數和極化率Fs值參數統計見表1、表2。

表1 各巖性電性參數表

表2 極化率Fs值參數表

表1為各巖性電阻率值初步參考范圍,由于各工區內地層時代及巖性成分的差異,具體開展物探工作時對參考范圍需進行調整。巖性電阻率值與其成分、膠結程度、風化程度等因素都有較大關系,從巖性、電性參數統計結果來看,各巖性還是存在一定的電性差異。所以,在白堊—古近系地層分布區內找水具備采用電法勘探的地球物理前提。

表2為極化率Fs值參考范圍。對于泥巖、粉砂質泥巖等非含水巖層,其極化率Fs值<1%;當砂巖、礫巖等脆性硬質巖層或可溶性巖層其內不含水,其極化率Fs值也會<1%;如果該巖層含水,其Fs值才會>1.2%。Ps:當巖體內含炭質、花崗質、片麻巖等成分時,該參考范圍不適用,需視曲線形態而定。

5 物性參數統計

根據“鄂北找水項目”物探工作數據及鉆孔資料,本次工作對工區內(2013年、2014年、皂市幅2015年)所有處于白堊—古近系地層的鉆孔(共19孔)巖性電性數據進行了統計,得出表3-表5。并對幾處鉆孔的激電測深資料予以分析。

表3 新近系(N)巖性電性參數表

表4 古近系(E)巖性電性參數表

表5 白堊紀(K)巖性電性參數表

從整體上看,新近系(N)各巖性電阻率值較古近系(E)的數值要低,而古近系(E)也比白堊紀(K)的低,表明地層越老,其電阻率值相對較大。影響電阻率值大小的主要因素還有巖性成分、裂隙、風化程度、是否飽水等。

從表5看,白堊紀礫巖電阻率值在30～3 000 Ω·m之間,遠遠高于N和E內的礫巖電阻率值。該類礫巖為ZK13孔(2013年)內巖性,高密度電法推斷解譯剖面見圖1。

從剖面資料來看,鉆孔投影到剖面上位于測線里程樁號673 m處,孔深110 m。鉆孔處淺部(44 m以內)有一層低阻體,推斷巖性為砂巖和含礫砂巖,深部為相對高阻體,推斷巖性為礫巖。

圖1 ZK13孔(2013年)物探推斷解譯剖面圖

圖2 ZK4孔(2013年)物探推斷解譯剖面圖

根據鉆孔資料,礫巖成分含石英,裂隙不發育,膠結較好,推測由此導致電阻率值變大。此孔涌水量為16 m3/d,相比其它含有礫巖的鉆孔來看,涌水量極少,推測當礫巖電阻率值>150 Ω·m時,巖體膠結,導致巖層不含水或水量較少。

找水工作的首要目標為砂巖、砂礫巖、礫巖等脆性硬質巖層,而斷裂構造為次要目標。因為白堊—古近系地層內各巖性電阻率值均較低,其與斷裂構造在電性上差異較小,不宜區別;又因斷裂構造不發育,且不是所有的斷裂構造內均含地下水,因此脆性硬質巖層成為了首要目標。

從2013年、2014年施工的鉆孔資料來看,當孔位處含有砂巖、砂礫巖、礫巖時,孔內均存有一定量的地下水資源,但各孔涌水量大小不一。此時,需要在擬定孔位處進行激電測深工作,以了解孔位處儲水量及含水層埋深等情況。

表2內已列出巖層內是否含水的極化率Fs值之間的差異,下面將重點分析幾處鉆孔激電測深資料,用以驗證表2內的極化率Fs值參數范圍是否有效可行。

圖2為ZK4孔(2013年)處高密度電法推斷解譯剖面圖,圖3為激電測深曲線圖。從剖面圖來看,激電測深點位于高阻與低阻之間的交接處,如果礫巖區內含水,此處的激化率Fs值應>1.2%。從激電測深資料來看,極化率Fs值均<1%,推斷此處為弱富水性。為了解區內地層及巖性特征,最終在該激電測深點周邊布設了鉆孔,孔位布置于低阻區內,推斷巖性為砂巖與泥巖互層。根據鉆探資料,該孔孔深為160 m,巖性主要為粉砂質泥巖和泥質粉砂巖等軟性巖層,孔內無水。與物探推斷結果一致。

圖4為ZK2孔(2014年)處高密度電法推斷解譯剖面圖,圖5為激電測深曲線圖。從高密度電法資料來看,剖面上巖性主要為泥質粉砂巖。從激電測深資料來看,極化率Fs值最大值為1.17%,整體曲線均<1.2%,推斷該孔為干孔或含少量水。根據鉆探資料,該孔孔深為99.77 m,巖性主要為弱風化泥質粉砂巖,含水量為5.4 m3/d,與物探推斷結果一致。

圖3 ZK4孔(2013年)激電測深曲線圖Fig.3 Curve of IP sounding about ZK4 hole in 2013

圖4 ZK2孔(2014年)物探推斷解譯剖面圖

圖6 ZK5孔(2013年)物探推斷解譯剖面圖

圖5 ZK2孔(2014年)激電測深曲線圖Fig.5 Curve of IP sounding about ZK2 hole in 2014

圖6為ZK5孔(2013年)處高密度電法推斷解譯剖面圖,圖7為激電測深曲線圖。從高密度電法剖面圖來看,剖面上巖性電阻率整體較高,推斷巖性主要為砂巖和礫巖。從激電測深資料來看,極化率Fs值最大值為1.55%,當AB/2=7～300 m處Fs值均>1.2%,推斷該孔內含水。根據鉆探資料,該孔孔深130 m,孔內巖性主要為砂巖,含水量為83 m3/d。與物探推斷結果一致。

本次工作并沒有將所有鉆孔處的激電測深資料予以一一說明,只是提取了其中3處鉆孔的資料。根據所有鉆孔資料,表明表2內的極化率Fs值參數具有一定的推廣性,可以作為其它找水項目的參考值。

6 電性參數的驗證

前文對“鄂北找水項目”大部分成果資料進行了統計與分析,得出了表3-表5。本節將統計分析云夢幅(2015年)成果資料,并將所得表6與表3-表5進行對比驗證。

從表6來看,云夢幅內鉆孔巖性時代較為單一,主要為古近系(E)巖層,局部夾有新近系(N)粉砂巖,而古近系(E)內的巖性主要為泥巖、粉砂質泥巖和泥質粉砂巖等軟性巖層。該圖幅內只有2孔含有砂巖和砂礫巖,導致表6內脆性硬質巖層的電性參數取值范圍具有一定的局限性。根據鉆探資料,鉆孔內的地下水大部分為第四系淺層水,基巖裂隙水較少,表明軟性巖層內不含或含少量的地下水資源。

對比表3、4、6內同時代的巖性、電性參數范圍(表6內不含K地層),3個表內軟性巖層的電性參數范圍基本一致,且與表5內軟性巖層的電性參數范圍差距不大,表明各表內軟性巖層的電阻率值較為真實,具有一定的推廣性,可以作為其它地區找水項目的一個參考值。從各表內來看,各參數變化范圍均存在一定的重疊區,推測可能為高密度剖面的測量精度和軟性巖層之間的成分(泥質)含量差距較小所導致。

圖7 ZK5孔(2013年)激電測深曲線圖Fig.7 Curve of IP sounding about ZK5 hole in 2013

表6 鄂北找水項目(2015年)云夢幅巖性電性參數表

Table 6 Lithologic electrical parameter table of water project in northern Hubei in 2015

巖性名稱地層時代電阻率/(Ω·m-1)備注粉質粘土粘土Q25～35不含水18～25不含水粉砂巖N22～25不含水泥巖粉砂質泥巖泥質粉砂巖砂巖砂礫巖E10～35不含水25～35不含水10～35不含水18～70含水70～90含水

綜合表3-表6,同時代或不同時代的脆性硬質巖層電性參數范圍差距均較大,這是因為脆性硬質巖層的電阻率與巖性成分、風化程度、裂隙發育程度、含水量等眾多因素有關。表6內的砂巖和砂礫巖電阻率均較高,從鉆孔資料來看,其巖層內均含有長石和石英,根據現場觀察,巖芯主要呈長柱狀,裂隙較少,這是導致該表內電阻率值較高的主要原因。

綜合上述:白堊—古近系地層內軟性巖層由于電性影響因素單一且分布范圍廣,測量統計數據多,各表中的電性參數變化范圍差距不大,具有一定的參考意義;脆性硬質巖層資料相對較少,且電性受其它因素影響較大,其電性參數統計結果存在一定的局限性,需根據工區內地質資料具體分析。

7 結論

本文將《鄂北丘陵山區嚴重缺水地區地下水勘查與供水安全示范》項目內所有白堊—古近系地層內的物探及鉆探資料進行統計分析,嘗試在該區域內定量地分析出各巖性含水情況所對應的電性及極化率參數范圍,同時通過實例來證明該參數范圍在區域內能夠較為快速、準確地分析出地下水富集情況和含水層位,表明此次工作所得結論在類似地層內具有一定的普適性。由于所收集數據中脆性硬質巖層資料相對較少,因此,硬性巖層電性參數范圍存在一定的局限性,期待在后續資料收集過程中不斷完善。

[1] 李智民,劉云彪,趙德君,等.鄂北嚴重缺水區地下水富集模式與找水實踐[J].資源環境與工程,2014,28(6):899-903.

[2] 何繼善.雙頻激電法[M].北京:高等教育出版社,2006.

[3] 孟陳.鄂北丘陵山區嚴重缺水地區地下水勘查與供水安全示范物探成果報告[R].武漢:湖北省地質環境總站,2014.

(責任編輯：陳文寶)

Research of the Electrical Parameters and Polarization Ratio Rangeof Cretaceous-Paleogene Stratum in North Hubei

MENG Chen, DA Wenwei, XU Jinhong, WANG Jun, LIU Qi, SHEN Ming

(HubeiGeologicalEnvironmentStation,Wuhan,Hubei430034)

This article summarizes the electrical parameters and polarization ratio range of Cretaceous - Paleogene Stratum by analyzing the geophysical exploration and drilling data in north Hubei.The conclusion provides a frame of reference for groundwater exploration by geophysical method in future.

water-containing strata; electrical parameters; polarizability

2016-07-13;改回日期:2016-08-19

孟陳(1985-),男,助理工程師,地球物理專業,從事物探工作。E-mail:283731038@qq.com

P631; P584

A

1671-1211(2016)06-1004-05

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.06.039

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20161026.0914.022.html 數字出版日期:2016-10-26 09:14