多种物探方法在“红层”找水中的应用

李 维, 唐彩瑞, 魏良帅, 舒勤峰, 陶俊利，田银川, 陈彩玲, 罗 兵

(1. 四川省华地建设工程有限责任公司，成都 610081；2.中国地质科学院 探矿工艺研究所，成都3.四川省地质矿产勘查开发局 成都水文地质工程地质中心，成都 610081；4.四川华地勘探股份有限公司，成都 610200)

0 引言

“红层”是一种外观以红色为主色调的陆相碎屑岩沉积地层，在地质学上多指在侏罗纪—白垩纪时期形成的陆相砂泥岩地层，“红层”岩层裂隙不发育，大部分为泥质胶结，少部分是石膏、钙质和硅质胶结，地下水不易储存，地下水资源匮乏[1-2]。四川盆地广泛分布着“红层”砂泥岩，稀缺的水资源，严重影响了人民群众的生产生活，制约了地方经济的发展[3-4]。一般而言，含水地层与不含水地层在电性特征具有一较为明显的差异，而高密度电法、激电测深等方法主要通过反演的方法是得到地层电阻率，这对于寻找含水地层具有很好的优势[5-6]。高密度电法是一种电法勘探方法，通过人工施加的稳定电流场来获得地层的电阻率，但在介质间导电性差异不大的“红层”地层中缺乏准确性[7-10]。激电测深可以实现激电和视电阻率参数同时观测，获得地层更多的信息，但易产生电磁耦合效应，影响数据的真实性[11-13]。综合测井可以同时获得多种地层的信息，识别地层岩性，确定含水层，计算水文地质参数等，但却局限于钻孔[14]。抽水试验可以较为直观地获得含水层的水文地质参数，对取水水源地所在区域地下水可开采量进行估算, 以满足制定水资源开发利用规划和建设项目取用水规划的需要[15-16]。

上述的方法都具有一定的局限性，如何充分地利用多种物探方法解决“红层”找水问题成为关键[17-19]。笔者通过建立三种物探方法与含水层之间的联系，结合抽水试验数据，初步给出一套“红层”地区找水问题的方法系列优选方案，并在广安市武胜县“红层”地区取得了很好的效果。

1 工区概况

工作区位于广安市武胜县境内。地质构造主要为川东部新华夏系第三沉隆褶带内，跨川中褶带和川东褶带西北小部分属川西褶带，东北部位于弧形构造大巴山外弧褶带内，工作区均位于川东北部。

工作区内出露地层为侏罗系中统上沙溪庙组、上统遂宁组及第四系地层。侏罗系中统上沙溪庙组岩性主要为灰-浅绿灰色中-厚层状中-细粒长石石英砂岩与紫红色薄-中层状粉砂岩、粉砂质泥岩、泥岩，一般中-细粒砂岩厚几米至十余米，底为厚10 m～30 m的灰色厚层-块状中-细粒长石石英砂岩夹少许透镜粉砂岩、泥岩，一般厚度为50 m～400 m；侏罗系上统遂宁组岩性主要为颜色较为鲜艳的鲜红、棕红色泥岩为主，夹有灰、紫红等长石石英砂岩、粉砂岩等，常组成不等厚互层，该组岩石组合以鲜红-棕红色泥岩、粉砂质泥岩为主，夹多层黄灰-浅红-灰白色薄层细粒的长石石英砂岩、长石砂岩及粉砂岩，并组成不等厚互层，所夹砂岩、粉砂岩由北向南有增多的趋势，厚度在350 m～370 m左右，为典型的“红层”地区。

2 物探方法

2.1 高密度电法

高密度电阻率法基本原理与常规电法相同，仍然是以地层岩性的电阻率差异为基础(图1)。通过电极向地下供电，形成人工电场，并测量该电场。利用电场的分布与地下岩土介质的相关关系，根据公式(1)求得地下不同位置介质的视电阻率，获得地下介质视电阻率ρs的分布规律，并根据该规律推断解释地下地质结构。

(1)

2.2 激电测深

激发极化直流电阻率测深法充分利用不同岩性之间的电性和激发极化差异，进而来达到勘探目的(图2)。此方法曲线解释直观有效，含水层位反映明显，受地形干扰和覆盖层不均的影响较小，通过工作实践证实，激发极化法在研究分析地层中地下水分布有着显著的效果。

图2 激电测深示意图Fig.2 Schematic diagram of IP sounding

2.3 综合测井

综合测井包含丰富的地质信息，通过测量钻孔中岩土层的电化学、电性、放射性和声学等特性，达到精细解释地层地质信息的方法，该方法对分析地层的岩性、电性、物性、流体性质和力学性质，以及研究地层含水特性、计算含水层水文地质参数等具有明显的优势。

本次综合测井仪采用重庆地质仪器厂生产的JGS-1B智能工程测井系统，工作区钻孔测井参数包括自然伽马、自然电位、电阻率、声波时差、井温、井液电阻率等。

3 高密度电法解释

3.1 高密度电法解释

L14测线位于武胜县金光乡麻柳村，剖面方向103°，测线电极距为5 m，共80个电极，测线长度为395 m。

根据现场调查及区域地质资料，测线范围内出露地层为侏罗系中统上沙溪庙组(J2s)和第四系残坡积物，测线上未见基岩出露。

根据L14测线视电阻率反演剖面图(图3)可知，测线整体基岩埋深较浅，在地表以下0 m～5 m区域，平均视电阻率为120 Ω·m ～20 Ω·m，推测为第四系上更新统卵砾石土，以下的浅层区域视电阻率值变化较大，推测为强风化层，平均厚度约11 m，岩性以粉砂质泥岩为主，该层的含水类型为风化裂隙水。

图3 L14测线高密度电阻率法推断解译图Fig.3 Interpretation of high density resistivity method for L14(a)L14测线高密度电阻率法反演剖面图;(b)L14测线地质成果推断解译图

表1 L14测线主要富水区块物性及参数统计表

测线中下部为中-微风化基岩，图3中强风化层以深，可见一层相对高阻异常区，其视电阻率值主要集中在40 Ω·m ～80 Ω·m，推测其岩性主要为泥质粉砂岩。

局部高阻区域间夹的低阻区域推测为裂隙发育带，从该条高密度电阻率法测线可以看出，在桩号125-200以及315-335段区域，存在异常低阻区，推测为裂隙发育区，该区域为相对富水区间，含水类型为构造裂隙水，L14测线主要富水区块物件及参数见表1。

3.2 激电测深

根据高密度电阻率法解译成果，结合地质钻探需要，激电测深工作共布置了4个激电测深点，分别为激电测深L14-25(桩号125)，激电测深L14-30(桩号150)，激电测深点L14-35(桩号175)和激电测深点L14-40(桩号200)。如图4所示，四个测深点的视极化率曲线总体趋势大致一致，AB/2在20 m(深度约7 m)以浅段区域视极化率值起伏较大，推测为浅地表岩性变化较大所造成影响。

图4 L14测线激电测深曲线图Fig.4 IP sounding curve of L14(a)L14-25测深点;(b)L14-30测深点;(c)L14-35测深点;(d)L14-40测深点

AB/2从20 m以深整体呈现逐渐增大的趋势，推测其为地下富水性逐渐增强有关，结合高密度电法成果，推测在AB/2为60 m(深度约20 m)处正式进入含水层，在四个测深点中，均在AB/2为90 m(深度约30 m)处，视极化率曲线趋于稳定，视极化率曲线值达到顶峰，往深部逐渐降低。

综合所述，在本条测线范围内的4个测深点中，在埋深为地表以下20 m～30 m位置，推测含水性较好，该段岩性以砂岩为主，为本条测线范围内的主要含水层。

3.3 综合测井

L14号钻孔孔深为40.0 m，测井深度为38.0 m。根据编录资料，测井解释成果图见图5，该孔主要为细砂岩、粉砂岩、粉砂质泥岩和泥岩，岩性变化较大，共解释2个含水层。

图5 L14号孔测井解释成果图Fig.5 Logging interpretation results of well L14

结合钻孔编录资料，根据测井曲线的幅值及形态变化，一般采用自然伽马、声波时差和视电阻率划分地层岩(土)性。L14号钻孔主要岩性细砂岩、粉砂岩、粉砂质泥岩和泥岩的测井响应特征见表2。

从表2可以看出，细砂岩、粉砂岩相对粉砂质泥岩自然伽马偏小，电阻率偏大，声波时差值相对较小。结合钻孔岩心资料及抽水试验等，利用测井曲线划分剖面含水层位置及厚度，并判断含水层的补给关系。L14号孔主要含水层解释见表3。

表2 L14号钻孔岩(土)层测井响应特征

表3 L14号孔主要含水层解释成果表

L14号钻孔距离高密度测线桩号130较近和激电测深L14-25点较近，高密度成果推测该孔岩性主要为砂岩；测井解释岩性为细砂岩、粉砂岩、粉砂质泥岩和泥岩；经岩心编录验证，高密度电法解释成果与测井解释成果较吻合；高密度电法、激电测深和综合测井解释的含水层、隔水层埋深及厚度，与编录资料、抽水试验资料结果对比分析，表明高密度电法、激电测深和综合测井解释与钻孔分析的含水层基本一致，多种物探方法解释主要含水层对照表见表4。

表4高密度电法与测井解释主要含水层对照表

3.4 多种物探方法与含水层的关系

研究高密度电法和激电测深主要含水层中，激电测深极化率和高密度电阻率之间的关系。图6为W2测线桩号165和W3测线桩号148的高密度电法测量的电阻率和激电测深W2-32、W3-33测量的极化率交会图。从图6可以看出,随着激电测深极化率的增大，含水量增大，高密度电阻率也逐渐减小，含水层高密度电阻率与围岩高密度电阻率的差异逐渐增大。

图6 高密度电阻率与激电测深极化率关系示意图Fig.6 Schematic diagram of relationship between high density resistivity and IP sounding polarizability(a)电阻率与极化率交会图;(b)含水层与围岩电阻率差值与极化率交会图

研究工区内含水层高密度电阻率、含水层高密度电阻率与围岩电阻率差值和涌水量的关系(图7)。从图7可以看出，随着涌水量的增大，含水层高密度电阻率逐渐降低，含水层高密度电阻率与围岩电阻率的差值逐渐增大。

图7 高密度电阻率与涌水量关系示意图Fig.7 Schematic diagram of relationship between high density resistivity and water inflow

结合抽水实验资料，研究工区内主要含水层测井电阻率与涌水量的关系(图8)。从图8可以看出，随着涌水量的增大，测井视电阻率具有逐渐降低的趋势。

图8 主要含水层测井视电阻率与涌水量关系示意图Fig.8 Relationship between apparent resistivity and water inflow of water-rich area(a)含水层总涌水量与电阻率交会图;(b)含水层电阻率和涌水量直方图

3.5 “红层”地区找水物探方法系列优选

通过上述的研究，激电测深、高密度电法、综合测井获得的物性参数具有一定的对应关系，综合应用多种物探方法能够很好地划分含水层；高密度电法和激电测深的视电阻率与含水层的涌水量具有一定的关系。通过总结含水层的涌水量与物性参数之间的关系，得到预测“红层”地区含水层性质的物探方法组合，确定了“红层”地区找水的方法系列方法优选方案为高密度电阻率法、激电测深和综合测井相结合(表5)。

表5 含水层涌水量和物性参数之间的关系

4 结论与建议

结合抽水试验等数据，研究了高密度电法、激电测深以及综合测井与含水层之间的关系，确定了各物探方法的含水层特征，在“红层”地区找水取得了以下几点规律性认识。

1)通过每条测线上的钻孔测井资料与地面物探对比，用事实依据证明了在砂泥岩地区(红层地区)，通过高密度电阻率法和激电测深法两种方法结合来勘查地下水资源是有效是可行的。

2)在不同含水条件下的物性参数进行综合研究，确定了本工区的含水层的多种物探方法物性参数之间的关系，给水文地质开发提供一定的参考价值。

3)统计本工区的含水层的多种物探方法物性参数之间的关系，“红层”地区找水的系列方法优选方案为高密度电阻率法、激电测深和综合测井相结合。