多種物探方法在“紅層”找水中的應用

李 維, 唐彩瑞, 魏良帥, 舒勤峰, 陶俊利，田銀川, 陳彩玲, 羅 兵

(1. 四川省華地建設工程有限責任公司，成都 610081；2.中國地質科學院 探礦工藝研究所，成都3.四川省地質礦產勘查開發局 成都水文地質工程地質中心，成都 610081；4.四川華地勘探股份有限公司，成都 610200)

0 引言

“紅層”是一種外觀以紅色為主色調的陸相碎屑巖沉積地層，在地質學上多指在侏羅紀—白堊紀時期形成的陸相砂泥巖地層，“紅層”巖層裂隙不發育，大部分為泥質膠結，少部分是石膏、鈣質和硅質膠結，地下水不易儲存，地下水資源匱乏[1-2]。四川盆地廣泛分布著“紅層”砂泥巖，稀缺的水資源，嚴重影響了人民群眾的生產生活，制約了地方經濟的發展[3-4]。一般而言，含水地層與不含水地層在電性特征具有一較為明顯的差異，而高密度電法、激電測深等方法主要通過反演的方法是得到地層電阻率，這對于尋找含水地層具有很好的優勢[5-6]。高密度電法是一種電法勘探方法，通過人工施加的穩定電流場來獲得地層的電阻率，但在介質間導電性差異不大的“紅層”地層中缺乏準確性[7-10]。激電測深可以實現激電和視電阻率參數同時觀測，獲得地層更多的信息，但易產生電磁耦合效應，影響數據的真實性[11-13]。綜合測井可以同時獲得多種地層的信息，識別地層巖性，確定含水層，計算水文地質參數等，但卻局限于鉆孔[14]。抽水試驗可以較為直觀地獲得含水層的水文地質參數，對取水水源地所在區域地下水可開采量進行估算, 以滿足制定水資源開發利用規劃和建設項目取用水規劃的需要[15-16]。

上述的方法都具有一定的局限性，如何充分地利用多種物探方法解決“紅層”找水問題成為關鍵[17-19]。筆者通過建立三種物探方法與含水層之間的聯系，結合抽水試驗數據，初步給出一套“紅層”地區找水問題的方法系列優選方案，并在廣安市武勝縣“紅層”地區取得了很好的效果。

1 工區概況

工作區位于廣安市武勝縣境內。地質構造主要為川東部新華夏系第三沉隆褶帶內，跨川中褶帶和川東褶帶西北小部分屬川西褶帶，東北部位于弧形構造大巴山外弧褶帶內，工作區均位于川東北部。

工作區內出露地層為侏羅系中統上沙溪廟組、上統遂寧組及第四系地層。侏羅系中統上沙溪廟組巖性主要為灰-淺綠灰色中-厚層狀中-細粒長石石英砂巖與紫紅色薄-中層狀粉砂巖、粉砂質泥巖、泥巖，一般中-細粒砂巖厚幾米至十余米，底為厚10 m～30 m的灰色厚層-塊狀中-細粒長石石英砂巖夾少許透鏡粉砂巖、泥巖，一般厚度為50 m～400 m；侏羅系上統遂寧組巖性主要為顏色較為鮮艷的鮮紅、棕紅色泥巖為主，夾有灰、紫紅等長石石英砂巖、粉砂巖等，常組成不等厚互層，該組巖石組合以鮮紅-棕紅色泥巖、粉砂質泥巖為主，夾多層黃灰-淺紅-灰白色薄層細粒的長石石英砂巖、長石砂巖及粉砂巖，并組成不等厚互層，所夾砂巖、粉砂巖由北向南有增多的趨勢，厚度在350 m～370 m左右，為典型的“紅層”地區。

2 物探方法

2.1 高密度電法

高密度電阻率法基本原理與常規電法相同，仍然是以地層巖性的電阻率差異為基礎(圖1)。通過電極向地下供電，形成人工電場，并測量該電場。利用電場的分布與地下巖土介質的相關關系，根據公式(1)求得地下不同位置介質的視電阻率，獲得地下介質視電阻率ρs的分布規律，并根據該規律推斷解釋地下地質結構。

(1)

2.2 激電測深

激發極化直流電阻率測深法充分利用不同巖性之間的電性和激發極化差異，進而來達到勘探目的(圖2)。此方法曲線解釋直觀有效，含水層位反映明顯，受地形干擾和覆蓋層不均的影響較小，通過工作實踐證實，激發極化法在研究分析地層中地下水分布有著顯著的效果。

圖2 激電測深示意圖Fig.2 Schematic diagram of IP sounding

2.3 綜合測井

綜合測井包含豐富的地質信息，通過測量鉆孔中巖土層的電化學、電性、放射性和聲學等特性，達到精細解釋地層地質信息的方法，該方法對分析地層的巖性、電性、物性、流體性質和力學性質，以及研究地層含水特性、計算含水層水文地質參數等具有明顯的優勢。

本次綜合測井儀采用重慶地質儀器廠生產的JGS-1B智能工程測井系統，工作區鉆孔測井參數包括自然伽馬、自然電位、電阻率、聲波時差、井溫、井液電阻率等。

3 高密度電法解釋

3.1 高密度電法解釋

L14測線位于武勝縣金光鄉麻柳村，剖面方向103°，測線電極距為5 m，共80個電極，測線長度為395 m。

根據現場調查及區域地質資料，測線范圍內出露地層為侏羅系中統上沙溪廟組(J2s)和第四系殘坡積物，測線上未見基巖出露。

根據L14測線視電阻率反演剖面圖(圖3)可知，測線整體基巖埋深較淺，在地表以下0 m～5 m區域，平均視電阻率為120 Ω·m ～20 Ω·m，推測為第四系上更新統卵礫石土，以下的淺層區域視電阻率值變化較大，推測為強風化層，平均厚度約11 m，巖性以粉砂質泥巖為主，該層的含水類型為風化裂隙水。

圖3 L14測線高密度電阻率法推斷解譯圖Fig.3 Interpretation of high density resistivity method for L14(a)L14測線高密度電阻率法反演剖面圖;(b)L14測線地質成果推斷解譯圖

表1 L14測線主要富水區塊物性及參數統計表

測線中下部為中-微風化基巖，圖3中強風化層以深，可見一層相對高阻異常區，其視電阻率值主要集中在40 Ω·m ～80 Ω·m，推測其巖性主要為泥質粉砂巖。

局部高阻區域間夾的低阻區域推測為裂隙發育帶，從該條高密度電阻率法測線可以看出，在樁號125-200以及315-335段區域，存在異常低阻區，推測為裂隙發育區，該區域為相對富水區間，含水類型為構造裂隙水，L14測線主要富水區塊物件及參數見表1。

3.2 激電測深

根據高密度電阻率法解譯成果，結合地質鉆探需要，激電測深工作共布置了4個激電測深點，分別為激電測深L14-25(樁號125)，激電測深L14-30(樁號150)，激電測深點L14-35(樁號175)和激電測深點L14-40(樁號200)。如圖4所示，四個測深點的視極化率曲線總體趨勢大致一致，AB/2在20 m(深度約7 m)以淺段區域視極化率值起伏較大，推測為淺地表巖性變化較大所造成影響。

圖4 L14測線激電測深曲線圖Fig.4 IP sounding curve of L14(a)L14-25測深點;(b)L14-30測深點;(c)L14-35測深點;(d)L14-40測深點

AB/2從20 m以深整體呈現逐漸增大的趨勢，推測其為地下富水性逐漸增強有關，結合高密度電法成果，推測在AB/2為60 m(深度約20 m)處正式進入含水層，在四個測深點中，均在AB/2為90 m(深度約30 m)處，視極化率曲線趨于穩定，視極化率曲線值達到頂峰，往深部逐漸降低。

綜合所述，在本條測線范圍內的4個測深點中，在埋深為地表以下20 m～30 m位置，推測含水性較好，該段巖性以砂巖為主，為本條測線范圍內的主要含水層。

3.3 綜合測井

L14號鉆孔孔深為40.0 m，測井深度為38.0 m。根據編錄資料，測井解釋成果圖見圖5，該孔主要為細砂巖、粉砂巖、粉砂質泥巖和泥巖，巖性變化較大，共解釋2個含水層。

圖5 L14號孔測井解釋成果圖Fig.5 Logging interpretation results of well L14

結合鉆孔編錄資料，根據測井曲線的幅值及形態變化，一般采用自然伽馬、聲波時差和視電阻率劃分地層巖(土)性。L14號鉆孔主要巖性細砂巖、粉砂巖、粉砂質泥巖和泥巖的測井響應特征見表2。

從表2可以看出，細砂巖、粉砂巖相對粉砂質泥巖自然伽馬偏小，電阻率偏大，聲波時差值相對較小。結合鉆孔巖心資料及抽水試驗等，利用測井曲線劃分剖面含水層位置及厚度，并判斷含水層的補給關系。L14號孔主要含水層解釋見表3。

表2 L14號鉆孔巖(土)層測井響應特征

表3 L14號孔主要含水層解釋成果表

L14號鉆孔距離高密度測線樁號130較近和激電測深L14-25點較近，高密度成果推測該孔巖性主要為砂巖；測井解釋巖性為細砂巖、粉砂巖、粉砂質泥巖和泥巖；經巖心編錄驗證，高密度電法解釋成果與測井解釋成果較吻合；高密度電法、激電測深和綜合測井解釋的含水層、隔水層埋深及厚度，與編錄資料、抽水試驗資料結果對比分析，表明高密度電法、激電測深和綜合測井解釋與鉆孔分析的含水層基本一致，多種物探方法解釋主要含水層對照表見表4。

表4高密度電法與測井解釋主要含水層對照表

3.4 多種物探方法與含水層的關系

研究高密度電法和激電測深主要含水層中，激電測深極化率和高密度電阻率之間的關系。圖6為W2測線樁號165和W3測線樁號148的高密度電法測量的電阻率和激電測深W2-32、W3-33測量的極化率交會圖。從圖6可以看出,隨著激電測深極化率的增大，含水量增大，高密度電阻率也逐漸減小，含水層高密度電阻率與圍巖高密度電阻率的差異逐漸增大。

圖6 高密度電阻率與激電測深極化率關系示意圖Fig.6 Schematic diagram of relationship between high density resistivity and IP sounding polarizability(a)電阻率與極化率交會圖;(b)含水層與圍巖電阻率差值與極化率交會圖

研究工區內含水層高密度電阻率、含水層高密度電阻率與圍巖電阻率差值和涌水量的關系(圖7)。從圖7可以看出，隨著涌水量的增大，含水層高密度電阻率逐漸降低，含水層高密度電阻率與圍巖電阻率的差值逐漸增大。

圖7 高密度電阻率與涌水量關系示意圖Fig.7 Schematic diagram of relationship between high density resistivity and water inflow

結合抽水實驗資料，研究工區內主要含水層測井電阻率與涌水量的關系(圖8)。從圖8可以看出，隨著涌水量的增大，測井視電阻率具有逐漸降低的趨勢。

圖8 主要含水層測井視電阻率與涌水量關系示意圖Fig.8 Relationship between apparent resistivity and water inflow of water-rich area(a)含水層總涌水量與電阻率交會圖;(b)含水層電阻率和涌水量直方圖

3.5 “紅層”地區找水物探方法系列優選

通過上述的研究，激電測深、高密度電法、綜合測井獲得的物性參數具有一定的對應關系，綜合應用多種物探方法能夠很好地劃分含水層；高密度電法和激電測深的視電阻率與含水層的涌水量具有一定的關系。通過總結含水層的涌水量與物性參數之間的關系，得到預測“紅層”地區含水層性質的物探方法組合，確定了“紅層”地區找水的方法系列方法優選方案為高密度電阻率法、激電測深和綜合測井相結合(表5)。

表5 含水層涌水量和物性參數之間的關系

4 結論與建議

結合抽水試驗等數據，研究了高密度電法、激電測深以及綜合測井與含水層之間的關系，確定了各物探方法的含水層特征，在“紅層”地區找水取得了以下幾點規律性認識。

1)通過每條測線上的鉆孔測井資料與地面物探對比，用事實依據證明了在砂泥巖地區(紅層地區)，通過高密度電阻率法和激電測深法兩種方法結合來勘查地下水資源是有效是可行的。

2)在不同含水條件下的物性參數進行綜合研究，確定了本工區的含水層的多種物探方法物性參數之間的關系，給水文地質開發提供一定的參考價值。

3)統計本工區的含水層的多種物探方法物性參數之間的關系，“紅層”地區找水的系列方法優選方案為高密度電阻率法、激電測深和綜合測井相結合。