论鄂北地区白垩—古近系地层岩性物性参数

孟 陈, 答文威, 徐锦宏, 王 骏, 刘 琦, 沈 铭

((湖北省地质环境总站,湖北 武汉 430034)

论鄂北地区白垩—古近系地层岩性物性参数

孟 陈, 答文威, 徐锦宏, 王 骏, 刘 琦, 沈 铭

((湖北省地质环境总站,湖北 武汉 430034)

通过综合分析鄂北地区白垩—古近系地层分布区物探工作成果和钻探资料,结合该地层内地下水的富集模式,总结出各岩性含水的电性参数及极化率范围,为今后物探找水工作提供一定的借鉴。

含水岩层;电性参数;极化率

1 概况

白垩—古近系地层内岩性主要为红色、紫红色的泥岩、粉砂岩、砂岩、砾岩等一套陆相及浅水湖相沉积物,地下水资源不丰富,大部分地区被界定为贫水区,其地下水资源分布极不均一,找水难度较大。

近几年来,由于鄂北地区干旱较为严重,中国地质调查局于2013年1月31日下达了《鄂北丘陵山区严重缺水地区地下水勘查与供水安全示范》项目(简称鄂北找水项目),湖北省地质环境总站为承担单位,工作周期为3年。项目工作启动后,通过开展物探电法找水工作,在鄂北白垩—古近系地层分布区找水工作取得了较好的效果。本文利用该项目中物探工作在白垩—古近系地层内所测量的物探数据,通过归纳与分析,总结该地层各岩性的物性参数范围,为今后的找水工作提供工作依据。

2 地下水富集模式

一般来讲,因白垩—古近系地层内含泥质成分较多,造成地下水资源相对贫乏。但在局部水文地质条件有利的地段,仍存在富水块段[1]。富水块段的形成在岩性、构造和地形地貌组合上具有明显的规律,即具有地下水富集的水文地质因素组合形式。

总之,白垩—古近系地层含水富水性差,断裂构造一般不发育,脆性硬质岩层和可溶性岩层与有利地貌部位组合地带往往赋存一定的孔隙裂隙水,是找水的重要区域。脆性硬质岩层是指含泥质成分较少或质地较纯的砂岩;可溶性岩层主要是指钙质胶结的砾岩;地貌有利部位是指两沟交汇处、宽缓沟谷段和山间岗地等地区。沟谷交汇地段,汇水条件良好,通常也是构造裂隙发育带,富水性相对较强,易于形成富水块段;在延伸较长的沟谷中,某些宽缓沟谷段通常是在断裂破碎带上形成的,当存在脆性硬质岩层和可溶性岩层时,裂隙发育,导水和储水空隙率高,加上宽缓沟谷段有利于汇集和滞留地下水,同样易形成富水块段;山间岗地区往往是相对构造下降区,四周为山地围限,是地表水和地下水的汇集区,由于经过多次断裂切割或侵蚀形成(如存在脆性岩层和可溶性岩层),裂隙一般都比较发育,较易形成富水块段。

白垩—古近系地层内地下水为碎屑岩类孔隙裂隙水含水类型,含水层主要由砂岩、砂砾岩、砾岩组成,地下水主要赋存于岩体的风化裂隙、孔隙及构造裂隙内,多属潜水。而粘土岩、泥岩、粉砂质泥岩和泥质粉砂岩均为软质岩层,不含水,为相对隔水层。而脆性硬质岩层与软质岩层的分布规律较差,这是导致富水性差异较大、分布极不均一的主要原因。

3 工作方法

根据“鄂北找水项目”任务书的要求和地下水富集模式,该项目采用了高密度电法勘查和激电测深法[2]两种物探手段。首先在地面调查的基础上,针对重点靶区开展高密度电法勘查,查清脆性硬质岩层和可溶性岩层的分布范围及埋深,然后选取有利位置开展激电测深法工作。该组合方式能基本确定勘查区地下水富水性,并指导成井工作。

高密度电法勘查主要特点为效率高、信息量丰富、解译数据直观形象及抗干扰能力强;激电测深法能较为直观地探明是否含有地下水资源及大致了解其储水层埋深等。该电法组合勘探方式比常规使用的视电阻率垂向电测深法或单独使用高密度电法勘探的效果更明显,钻孔出水率大大增加,能更加清晰地反映出地层岩性和储水量等信息。

4 地球物理前提分析

在开展高密度电法勘查和激电测深法工作之前,需要大致了解工区内岩性电性参数和极化率Fs值参数。根据以往工作所收集的数据[3]及实验工作结果,地层内各岩性电性参数和极化率Fs值参数统计见表1、表2。

表1 各岩性电性参数表

表2 极化率Fs值参数表

表1为各岩性电阻率值初步参考范围,由于各工区内地层时代及岩性成分的差异,具体开展物探工作时对参考范围需进行调整。岩性电阻率值与其成分、胶结程度、风化程度等因素都有较大关系,从岩性、电性参数统计结果来看,各岩性还是存在一定的电性差异。所以,在白垩—古近系地层分布区内找水具备采用电法勘探的地球物理前提。

表2为极化率Fs值参考范围。对于泥岩、粉砂质泥岩等非含水岩层,其极化率Fs值<1%;当砂岩、砾岩等脆性硬质岩层或可溶性岩层其内不含水,其极化率Fs值也会<1%;如果该岩层含水,其Fs值才会>1.2%。Ps:当岩体内含炭质、花岗质、片麻岩等成分时,该参考范围不适用,需视曲线形态而定。

5 物性参数统计

根据“鄂北找水项目”物探工作数据及钻孔资料,本次工作对工区内(2013年、2014年、皂市幅2015年)所有处于白垩—古近系地层的钻孔(共19孔)岩性电性数据进行了统计,得出表3-表5。并对几处钻孔的激电测深资料予以分析。

表3 新近系(N)岩性电性参数表

表4 古近系(E)岩性电性参数表

表5 白垩纪(K)岩性电性参数表

从整体上看,新近系(N)各岩性电阻率值较古近系(E)的数值要低,而古近系(E)也比白垩纪(K)的低,表明地层越老,其电阻率值相对较大。影响电阻率值大小的主要因素还有岩性成分、裂隙、风化程度、是否饱水等。

从表5看,白垩纪砾岩电阻率值在30～3 000 Ω·m之间,远远高于N和E内的砾岩电阻率值。该类砾岩为ZK13孔(2013年)内岩性,高密度电法推断解译剖面见图1。

从剖面资料来看,钻孔投影到剖面上位于测线里程桩号673 m处,孔深110 m。钻孔处浅部(44 m以内)有一层低阻体,推断岩性为砂岩和含砾砂岩,深部为相对高阻体,推断岩性为砾岩。

图1 ZK13孔(2013年)物探推断解译剖面图

图2 ZK4孔(2013年)物探推断解译剖面图

根据钻孔资料,砾岩成分含石英,裂隙不发育,胶结较好,推测由此导致电阻率值变大。此孔涌水量为16 m3/d,相比其它含有砾岩的钻孔来看,涌水量极少,推测当砾岩电阻率值>150 Ω·m时,岩体胶结,导致岩层不含水或水量较少。

找水工作的首要目标为砂岩、砂砾岩、砾岩等脆性硬质岩层,而断裂构造为次要目标。因为白垩—古近系地层内各岩性电阻率值均较低,其与断裂构造在电性上差异较小,不宜区别;又因断裂构造不发育,且不是所有的断裂构造内均含地下水,因此脆性硬质岩层成为了首要目标。

从2013年、2014年施工的钻孔资料来看,当孔位处含有砂岩、砂砾岩、砾岩时,孔内均存有一定量的地下水资源,但各孔涌水量大小不一。此时,需要在拟定孔位处进行激电测深工作,以了解孔位处储水量及含水层埋深等情况。

表2内已列出岩层内是否含水的极化率Fs值之间的差异,下面将重点分析几处钻孔激电测深资料,用以验证表2内的极化率Fs值参数范围是否有效可行。

图2为ZK4孔(2013年)处高密度电法推断解译剖面图,图3为激电测深曲线图。从剖面图来看,激电测深点位于高阻与低阻之间的交接处,如果砾岩区内含水,此处的激化率Fs值应>1.2%。从激电测深资料来看,极化率Fs值均<1%,推断此处为弱富水性。为了解区内地层及岩性特征,最终在该激电测深点周边布设了钻孔,孔位布置于低阻区内,推断岩性为砂岩与泥岩互层。根据钻探资料,该孔孔深为160 m,岩性主要为粉砂质泥岩和泥质粉砂岩等软性岩层,孔内无水。与物探推断结果一致。

图4为ZK2孔(2014年)处高密度电法推断解译剖面图,图5为激电测深曲线图。从高密度电法资料来看,剖面上岩性主要为泥质粉砂岩。从激电测深资料来看,极化率Fs值最大值为1.17%,整体曲线均<1.2%,推断该孔为干孔或含少量水。根据钻探资料,该孔孔深为99.77 m,岩性主要为弱风化泥质粉砂岩,含水量为5.4 m3/d,与物探推断结果一致。

图3 ZK4孔(2013年)激电测深曲线图Fig.3 Curve of IP sounding about ZK4 hole in 2013

图4 ZK2孔(2014年)物探推断解译剖面图

图6 ZK5孔(2013年)物探推断解译剖面图

图5 ZK2孔(2014年)激电测深曲线图Fig.5 Curve of IP sounding about ZK2 hole in 2014

图6为ZK5孔(2013年)处高密度电法推断解译剖面图,图7为激电测深曲线图。从高密度电法剖面图来看,剖面上岩性电阻率整体较高,推断岩性主要为砂岩和砾岩。从激电测深资料来看,极化率Fs值最大值为1.55%,当AB/2=7～300 m处Fs值均>1.2%,推断该孔内含水。根据钻探资料,该孔孔深130 m,孔内岩性主要为砂岩,含水量为83 m3/d。与物探推断结果一致。

本次工作并没有将所有钻孔处的激电测深资料予以一一说明,只是提取了其中3处钻孔的资料。根据所有钻孔资料,表明表2内的极化率Fs值参数具有一定的推广性,可以作为其它找水项目的参考值。

6 电性参数的验证

前文对“鄂北找水项目”大部分成果资料进行了统计与分析,得出了表3-表5。本节将统计分析云梦幅(2015年)成果资料,并将所得表6与表3-表5进行对比验证。

从表6来看,云梦幅内钻孔岩性时代较为单一,主要为古近系(E)岩层,局部夹有新近系(N)粉砂岩,而古近系(E)内的岩性主要为泥岩、粉砂质泥岩和泥质粉砂岩等软性岩层。该图幅内只有2孔含有砂岩和砂砾岩,导致表6内脆性硬质岩层的电性参数取值范围具有一定的局限性。根据钻探资料,钻孔内的地下水大部分为第四系浅层水,基岩裂隙水较少,表明软性岩层内不含或含少量的地下水资源。

对比表3、4、6内同时代的岩性、电性参数范围(表6内不含K地层),3个表内软性岩层的电性参数范围基本一致,且与表5内软性岩层的电性参数范围差距不大,表明各表内软性岩层的电阻率值较为真实,具有一定的推广性,可以作为其它地区找水项目的一个参考值。从各表内来看,各参数变化范围均存在一定的重叠区,推测可能为高密度剖面的测量精度和软性岩层之间的成分(泥质)含量差距较小所导致。

图7 ZK5孔(2013年)激电测深曲线图Fig.7 Curve of IP sounding about ZK5 hole in 2013

表6 鄂北找水项目(2015年)云梦幅岩性电性参数表

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

岩性名称地层时代电阻率/(Ω·m-1)备注粉质粘土粘土Q25～35不含水18～25不含水粉砂岩N22～25不含水泥岩粉砂质泥岩泥质粉砂岩砂岩砂砾岩E10～35不含水25～35不含水10～35不含水18～70含水70～90含水

综合表3-表6,同时代或不同时代的脆性硬质岩层电性参数范围差距均较大,这是因为脆性硬质岩层的电阻率与岩性成分、风化程度、裂隙发育程度、含水量等众多因素有关。表6内的砂岩和砂砾岩电阻率均较高,从钻孔资料来看,其岩层内均含有长石和石英,根据现场观察,岩芯主要呈长柱状,裂隙较少,这是导致该表内电阻率值较高的主要原因。

综合上述:白垩—古近系地层内软性岩层由于电性影响因素单一且分布范围广,测量统计数据多,各表中的电性参数变化范围差距不大,具有一定的参考意义;脆性硬质岩层资料相对较少,且电性受其它因素影响较大,其电性参数统计结果存在一定的局限性,需根据工区内地质资料具体分析。

7 结论

本文将《鄂北丘陵山区严重缺水地区地下水勘查与供水安全示范》项目内所有白垩—古近系地层内的物探及钻探资料进行统计分析,尝试在该区域内定量地分析出各岩性含水情况所对应的电性及极化率参数范围,同时通过实例来证明该参数范围在区域内能够较为快速、准确地分析出地下水富集情况和含水层位,表明此次工作所得结论在类似地层内具有一定的普适性。由于所收集数据中脆性硬质岩层资料相对较少,因此,硬性岩层电性参数范围存在一定的局限性,期待在后续资料收集过程中不断完善。

[1] 李智民,刘云彪,赵德君,等.鄂北严重缺水区地下水富集模式与找水实践[J].资源环境与工程,2014,28(6):899-903.

[2] 何继善.双频激电法[M].北京:高等教育出版社,2006.

[3] 孟陈.鄂北丘陵山区严重缺水地区地下水勘查与供水安全示范物探成果报告[R].武汉:湖北省地质环境总站,2014.

(责任编辑：陈文宝)

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

孟陈(1985-),男,助理工程师,地球物理专业,从事物探工作。E-mail:283731038@qq.com

P631; P584

A

1671-1211(2016)06-1004-05

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.06.039

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20161026.0914.022.html 数字出版日期:2016-10-26 09:14