自然電位曲線在水文礦井劃分咸淡水界面中的應(yīng)用

劉全剛

（河北省煤田地質(zhì)局第四地質(zhì)隊(duì)，河北 宣化 075100）

本次地質(zhì)調(diào)查測井井段都屬于第四系地層，含水層巖性上部多為粉砂、下部粉細(xì)砂，一般無良好的連續(xù)隔水層，水質(zhì)結(jié)構(gòu)多為淺層淡水-淺層咸水-淡水類型。淺層含水層主要用于農(nóng)業(yè)灌溉及養(yǎng)殖業(yè)，其他用水量較少。

1 基本原理[1]

自然電位差是在地下自然存在的，在井下放一個(gè)電極M，地面放一個(gè)電極N，沒有供電線路，只有測量線路，當(dāng)M電極沿著井身移動時(shí)，記錄儀器就可以得出一條自然電位測井曲線，根據(jù)測量的結(jié)果可以來研究巖層的巖性和它的電化學(xué)性質(zhì)之間的關(guān)系，從而來解決地質(zhì)問題，這種方法稱自然電位法。

形成自然電位差的原因有很多，就水文井來說，產(chǎn)生井中自然電位的主要成因有地層水與井液直接的擴(kuò)散作用、巖石顆粒對離子的吸附作用等。

當(dāng)兩種不同的溶液直接接觸時(shí)，就會產(chǎn)生擴(kuò)散現(xiàn)象。由于濃度的差別，被離解的正負(fù)離子就會在滲透壓力作用下，從濃度大的溶液擴(kuò)散到濃度小的溶液中去。又因?yàn)檎?fù)離子的遷移率不同，因此在濃度較小的溶液中會出現(xiàn)過多的遷移率大的離子，而在濃度大的溶液中，就會出現(xiàn)過多的符號相反的離子。當(dāng)兩端的電位差增加到正負(fù)離子移動速度相同時(shí)，這時(shí)電位差將保持一個(gè)定值。這個(gè)電位差是離子擴(kuò)散產(chǎn)生的，稱為擴(kuò)散電位。

在泥巖上產(chǎn)生的擴(kuò)散電位是泥巖內(nèi)的地層水與井內(nèi)泥漿祥接觸的產(chǎn)物。電動勢的方向與上述電動勢相反，在濃度高的一方為負(fù)，濃度低的一方為正。負(fù)離子被吸附在泥質(zhì)顆粒表面，不能自由移動，而正離子可在地層水中移動，這時(shí)形成的電動勢稱為擴(kuò)散吸附電動勢。

2 解釋原則

在水文測井中，咸淡水界面的劃分主要利用自然電位曲線與視電阻率曲線。

在電阻率曲線上，淡水層中的砂層電阻率值要明顯大于咸水層中的砂層電阻率值，咸水層中砂層電阻率值一般不超過20Ω.m。

在自然電位曲線上，曲線異常特征主要決定于地層水礦化度和井液礦化度的差異[2]：

（1）當(dāng)?shù)貙铀V化度＞井液礦化度時(shí)，相對含水砂層曲線反應(yīng)為負(fù)異常，但在咸水層中的異常幅值大于淡水層中的異常幅值。

（2）當(dāng)?shù)貙铀V化度＜井液礦化度時(shí)，相對含水砂層曲線反應(yīng)為正異常，但在咸水層中的異常幅值小于淡水層中的異常幅值。

（3）當(dāng)?shù)貙铀V化度與井液礦化度相當(dāng)時(shí)，相對含水砂層曲線上異常不明顯。

表1為地下水按礦化度分類表，在井液礦化度在1g/l～3g/l的情況下，自然電位在咸水層的砂層處顯示負(fù)異常，在淡水層的砂層處顯示正異常；當(dāng)自然電位沒有異常顯示時(shí)，定義此層地層水為微咸水層。

表1 地下水礦化度分類表

3 應(yīng)用實(shí)例

圖1為工作區(qū)內(nèi)C3、F5號鉆孔部分解釋曲線圖，從測井解釋曲線圖上可以明顯看到，C3孔自然電位曲線與視電阻率曲線均以80m為界出現(xiàn)上下兩段不同的電性特征，F(xiàn)5孔的分界面在88m處。

圖1 測井剖面圖

一般情況，巖層的分層定性及定厚主要參考視電阻率曲線，正常情況下的視電阻率幅值的大小依次是砂層、粉土、粉質(zhì)粘土、粘土。

但圖中兩井分界面上段的視電阻率曲線較為平緩，上下巖層的視電阻率界面不明顯，部分粉土、粉質(zhì)粘土層視電阻率大于砂層視電阻率，這是地層水礦化度高影響所致，此時(shí)需結(jié)合自然電位曲線、自然伽瑪曲線與地質(zhì)編錄來進(jìn)行地層劃分判定。而兩井分界面下段的視電阻率幅值差異明顯，不僅與圍巖視電阻率幅值差異明顯，下段粉砂視電阻率幅值明顯大于上段粉砂。

在自然電位曲線上，井內(nèi)分界面上下段含水層曲線的異常方向明顯不一樣。

在上部砂層自然電位曲線呈現(xiàn)負(fù)異常，這是解釋原則內(nèi)的特征1，說明地層水礦化度大于井液礦化度；下部砂層自然電位曲線呈現(xiàn)正異常，這是解釋原則內(nèi)的特征2，說明地層水礦化度小于井液礦化度。這兩個(gè)孔內(nèi)沒有出現(xiàn)含水層段自然電位曲線異常不明顯情況，所以兩孔內(nèi)咸淡水界面較為明顯。

4 影響因素[3]

自然電位測井所測得的是自然電流在相應(yīng)井段泥漿柱上電位降，即：

式中：I為自然電位在井內(nèi)產(chǎn)生的自然電流強(qiáng)度。

R泥漿為泥漿柱電阻。

而：

式中：E總為自然電位總電動勢。

R目的層、R圍巖分別為目的層與圍巖的電阻。

所以上式中各因子是影響自然電位的因素。

（1）自然電位曲線異常幅值主要決定于自然電位總電動勢E總，與E總成正比。

（2）泥漿電阻率越低，則泥漿柱上相應(yīng)的電位降越小，自然電位曲線異常幅值也越小。因此對礦化度高的泥漿井中，自然電位曲線就往往反映不好。另外，井徑擴(kuò)大，即降低了泥漿柱電阻，也會使泥漿柱上電位降降低，自然電位曲線異常幅值隨之減小。

（3）目的層和圍巖的電阻率越高，自然電流減小，自然電位曲線異常幅值隨之減小。

（4）目的層厚度增大，則R目的層降低，自然電位異常幅值增大，反之，自然電位曲線異常幅值減小。

5 結(jié)論

在本次任丘城市地質(zhì)調(diào)查中，利用自然電位曲線在含水砂層呈現(xiàn)出的正負(fù)異常特征，配合視電阻率的幅值大小不同，結(jié)合地質(zhì)資料有效的劃分了咸淡水界面，這對以后工、農(nóng)業(yè)的取用水有著重要的意義。