地球物理測(cè)井在水文地質(zhì)勘察中的應(yīng)用（研究生畢業(yè)論文）

1、 研究生課程論文封面（20092010學(xué)年第2 學(xué)期）論文題目：地球物理測(cè)井在水文地質(zhì)勘察中的應(yīng)用姓名： 張曉敏 學(xué)號(hào)： 210903010006 年級(jí)： 09 - 2 專業(yè)： 水文學(xué)及水資源 學(xué)院： 資源環(huán)境學(xué)院 注意事項(xiàng)：1、 以上各項(xiàng)由研究生本人認(rèn)真填寫；2、 研究生課程論文應(yīng)符合一般學(xué)術(shù)規(guī)范，具有一定學(xué)術(shù)價(jià)值，嚴(yán)禁抄襲或應(yīng)付；凡學(xué)校檢查或抽查不合格者，一律取消該門課程成績(jī)和學(xué)分，并按有關(guān)規(guī)定追究相關(guān)人員責(zé)任；3、 論文得分由批閱人填寫，并簽字確認(rèn)；批閱人應(yīng)根據(jù)作業(yè)質(zhì)量客觀、公正的簽寫批閱意見(jiàn)（原則上不少于50字）；4、 原則上要求所有課程論文均須用a4紙打印，加裝本封面，左側(cè)裝訂；5、

2、 課程論文由學(xué)生所在學(xué)院（系）統(tǒng)一保存，以備查用。課程名稱： 地球物理資料處理與解釋 課程類型： 專業(yè)選修課 授課教師： 云美厚 學(xué) 時(shí)： 36 學(xué) 分： 2 論文得分批閱人簽字批閱意見(jiàn)：河南理工大學(xué)研究生處制7地球物理測(cè)井在水文地質(zhì)勘察中的應(yīng)用摘要：物探地球物理勘探的簡(jiǎn)稱，它之所以能夠解決或查明有關(guān)地質(zhì)和工程問(wèn)題，是因?yàn)樗綔y(cè)的地質(zhì)對(duì)象與周圍介質(zhì)間存在某種物性差異，而這種物性差異可影響被尋找地質(zhì)體周圍某種天然或人工物理場(chǎng)的分布特征，物探技術(shù)就是利用先進(jìn)的物探儀器來(lái)攝取這些物理場(chǎng)的分布并與均質(zhì)條件下的物理場(chǎng)相比較，找出差異的部分來(lái)研究與勘探對(duì)象之間的關(guān)系，達(dá)到解決地質(zhì)問(wèn)題或工程問(wèn)題之目的。地

3、球物理測(cè)井簡(jiǎn)稱測(cè)井，是在鉆孔中使用測(cè)量電、聲、熱、放射性等物理性質(zhì)的儀器，以辨別地下巖石和流體性質(zhì)的方法，是勘探和開(kāi)發(fā)油氣田的重要手段。地球物理測(cè)井可以在水文鉆孔中獲得豐富的物性和位場(chǎng)信息，所以它已經(jīng)成為一種十分重要的水文地質(zhì)勘察手段?，F(xiàn)在地球物理測(cè)井包含有幾十種不同物理原理的井下測(cè)量方法，而且各種方法每年都在不斷地發(fā)展改進(jìn)并不斷有新的方法出現(xiàn)。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外這些年水文測(cè)井研究與應(yīng)用工作的分析總結(jié)，可以充分了解應(yīng)用于水文地質(zhì)勘察的各種測(cè)井儀器與方法的發(fā)展過(guò)程，進(jìn)而對(duì)各種水文測(cè)井方法的應(yīng)用原理進(jìn)行分類總結(jié)，然后根據(jù)國(guó)內(nèi)外水文測(cè)井工作的實(shí)例分析不同地質(zhì)環(huán)境中水文地質(zhì)單元的測(cè)井響應(yīng)特征，同時(shí)總結(jié)各水文

4、測(cè)井方法適用于解決哪些具體問(wèn)題。這樣就可以為我國(guó)今后的水文測(cè)井研究和水文地質(zhì)勘察工作提供一些有用的參考和幫助。關(guān)鍵詞：物探原理；水文地質(zhì)；勘察；測(cè)井；應(yīng)用一、 物探的作用及意義物探技術(shù)方法門類眾多，但其依據(jù)的原理和使用的儀器設(shè)備也各有不同。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，物探技術(shù)的發(fā)展日趨成熟，新的方法技術(shù)不斷涌現(xiàn)。幾年前還認(rèn)為無(wú)法解決的問(wèn)題，現(xiàn)在由于某種新方法、新技術(shù)、新儀器的出現(xiàn)，這些問(wèn)題都迎刃而解的實(shí)例是常見(jiàn)的。物探技術(shù)是地質(zhì)科學(xué)中一門新興的、活躍的、發(fā)展很快的學(xué)科，它又是工程勘察的重要方法之一，在某種程度上講，它的應(yīng)用與發(fā)展已成為衡量地質(zhì)勘察現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志。1 物探技術(shù)分類根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和

5、技術(shù)水平，按其研究及服務(wù)對(duì)象的不同，物探技術(shù)的應(yīng)用基本上可分為5 個(gè)方面。1.1 水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察通過(guò)物探測(cè)試，可以查明一定的地質(zhì)單元的空間結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和狀態(tài)。如工程區(qū)覆蓋層探測(cè)、基巖風(fēng)化層探測(cè)、地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)、軟弱夾層探測(cè)等。物探工作的先行，不僅對(duì)指導(dǎo)合理布置勘探工程、減少勘探工作量、加速地質(zhì)調(diào)查速度、降低勘探成本、提高地質(zhì)勘探質(zhì)量等作用，而且其成果已為很多工程實(shí)例所證實(shí)。1.2 災(zāi)害及環(huán)境地質(zhì)調(diào)查災(zāi)害及環(huán)境地質(zhì)調(diào)查包括：評(píng)價(jià)工程場(chǎng)區(qū)初始地震危險(xiǎn)性的地震影響參數(shù)的測(cè)定；邊坡蠕變特性的監(jiān)測(cè)；滑坡體探測(cè)以及隧道、涵洞和地下洞室開(kāi)挖的超前預(yù)報(bào)和監(jiān)測(cè)等。1.3 考古研究與地下管線探測(cè)考古研究與地下管

6、線探測(cè)包括：古文化遺址的研究與發(fā)掘，文物表面腐蝕程度評(píng)價(jià)以及古代人文活動(dòng)規(guī)律的評(píng)定等；地下管線探測(cè)應(yīng)包括埋藏的通訊、電力電纜，各種金屬和非金屬管道的走向、埋深、位置等參數(shù)的確定。1.4 工程質(zhì)量檢測(cè)工程質(zhì)量檢測(cè)包括：查明施工基礎(chǔ)剝掘參數(shù)，確定開(kāi)挖界線；隧道洞室高壓噴漿質(zhì)量和襯砌厚度測(cè)定；檢測(cè)灌漿質(zhì)量；查明混凝土澆筑和樁基質(zhì)量等。1.5 工程運(yùn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)研究建筑物和水庫(kù)在施工及運(yùn)行期間巖體的動(dòng)態(tài)及隱患，測(cè)定大壩自振頻率和壩體的振動(dòng)、位移以及諧振的可能；進(jìn)行動(dòng)力機(jī)械與沖擊荷載下振動(dòng)測(cè)量以監(jiān)視壩體和其它水工建筑物的穩(wěn)定性。另外，還可以研究堤壩、庫(kù)岸的各種隱患，如堤壩裂縫、集中滲漏、管涌通道等。二、地

7、球物理測(cè)井在水文地質(zhì)勘察中的應(yīng)用綜述目前，我國(guó)擁有的淡水資源總量居世界第六位，人均淡水資源為世界人均量的四分之一，居世界第一百零九位，屬全世界十三個(gè)嚴(yán)重缺水國(guó)家之一。尤其是我國(guó)西部大部分地區(qū)水資源本身就少且儲(chǔ)藏較深不太容易勘探和開(kāi)發(fā)，西南地區(qū)水文地質(zhì)條件非常復(fù)雜也很難勘探開(kāi)發(fā)。所以，我國(guó)今后還有大量的水文地質(zhì)勘察工作需要進(jìn)行。目前，水文地質(zhì)勘察中常用的勘探方法有：鉆探、坑探、槽探和物探等。其中物探方法包括：地面物探方法和地球物理測(cè)井兩大類。地面物探方法又包括電法、磁法、人工地震和重力勘探，重力和磁法多用于區(qū)域性水文地質(zhì)調(diào)查，人工地震和電法勘探多用于對(duì)地下目標(biāo)體的性質(zhì)和位置進(jìn)行大體判斷的專門性水

8、文地質(zhì)調(diào)查，其中應(yīng)用最廣泛的是電法勘探。地球物理測(cè)井主要是配合地質(zhì)鉆探對(duì)鉆孔內(nèi)的水文地質(zhì)狀況進(jìn)行精確探測(cè)。目前，許多測(cè)井方法(如：電阻率測(cè)井、自然電位測(cè)井、放射性測(cè)井、聲波測(cè)井、熱測(cè)井等) 都可以配合鉆探取心和水文地質(zhì)資料，用于鉆孔剖面的分層，判斷含水層(帶) ，巖溶發(fā)育帶和咸淡水分界面位置(深度) 以及確定水文地質(zhì)參數(shù)等。當(dāng)采用無(wú)心鉆進(jìn)或取心不足時(shí)，測(cè)井更是不可缺少的探測(cè)手段。地球物理測(cè)井的地質(zhì)、水文地質(zhì)解釋精度，遠(yuǎn)比其他地面物探方法要高。對(duì)于確定鉆孔中的巖層分界面和出水裂隙段位置的可靠性和精度，有時(shí)甚至比鉆探取心還高1 。國(guó)外水文地質(zhì)勘察起步比較早，美國(guó)19 世紀(jì)50 年代就逐步把各種石油

9、測(cè)井方法引入地下水勘察工作中2 。國(guó)內(nèi)從19 世紀(jì)80 年代到現(xiàn)在也發(fā)展起來(lái)一套水文測(cè)井方法和設(shè)備。1水文地質(zhì)測(cè)井方法及儀器設(shè)備情況目前，國(guó)內(nèi)水文地質(zhì)勘探中常用的測(cè)井方法有：電法測(cè)井(包括視電阻率法、井液電阻率測(cè)井、自然電位測(cè)井) ：放射性測(cè)井(包括自然伽馬測(cè)井，伽馬- 伽馬測(cè)井，中子測(cè)井，和放射性同位素測(cè)井) ：聲波測(cè)井：井溫測(cè)井。還有速度流量測(cè)井、水位計(jì)測(cè)井、井徑測(cè)井等1 。上述物探測(cè)井方法，除可以完成鉆孔地質(zhì)剖面的測(cè)量任務(wù)外，還可以測(cè)出(或粗略的測(cè)定) 含水層的水文地質(zhì)參數(shù)和巖石的工程力學(xué)性質(zhì)，也可以解決某些水井工程的特殊問(wèn)題(如井徑、井斜等) 。主要測(cè)井方法及其所能解決的水文地質(zhì)問(wèn)題列

10、于表1。表一 水文勘查中常用的測(cè)井方法測(cè)井方法主要作用備注自然電位可以確定地下水的礦化度和咸淡水分界面，估計(jì)地層的泥質(zhì)含量。所得礦化度的數(shù)值存在一定的誤差，但能夠滿足一般勘察要求視電阻率測(cè)井除劃分鉆孔地層剖面外，主要用于確定含水層的位置及厚度，測(cè)定巖石電阻率參數(shù)，計(jì)算礦化度用途廣泛，很常用井液電阻率測(cè)井確定鉆孔中含水層的位置和厚度，比較含水層的富水性，求地下水的滲透速度和間接計(jì)算滲透系數(shù)能夠定性確定部分含水層，特別是最下面的含水層自然伽馬測(cè)井可以確定地層的泥質(zhì)含量，劃分含水層和隔水層測(cè)量簡(jiǎn)單，比較有效，很常用伽馬-伽馬測(cè)井可按密度區(qū)分巖性，劃分剖面，確定含水層和巖性的孔隙度課間接計(jì)算砂巖的粒度

11、中值中子測(cè)井用于劃分巖性，查明含水層，確定孔隙度和測(cè)定含水量對(duì)含水層的探測(cè)很有效放射性同位素測(cè)井同位素示蹤法是目前測(cè)定地下水流向，流速，滲透系數(shù)，和水質(zhì)彌散系數(shù)的主要方法還可以確定井內(nèi)出水和套管破裂位置，尋找水庫(kù)滲漏通道聲波測(cè)井主要用于測(cè)定巖石的孔隙度，也用于劃分巖性，作地層對(duì)比，劃分含水破裂帶分辨率高溫度測(cè)井側(cè)地溫梯度，測(cè)定井內(nèi)進(jìn)（漏）水位置一定能夠確定含水層的頂或底某一界面，可能會(huì)漏掉局部含水層速度流量測(cè)井能測(cè)算出鉆孔中各個(gè)含水層的厚度，流速，流量以及滲透系數(shù)、導(dǎo)水系數(shù)等水文地質(zhì)參數(shù)難于定量解釋，往往會(huì)漏掉弱含水層水位計(jì)測(cè)井法可以進(jìn)行河流水位的觀測(cè)水文觀測(cè)站的重要觀測(cè)手段井徑測(cè)井探測(cè)井壁的

12、垮塌和套管的損壞情況能指示破壞帶的位置超聲成像可以提供全井壁的圖示，指示裂縫構(gòu)造縱向連續(xù)性好另外，國(guó)內(nèi)現(xiàn)在有些石油測(cè)井方法，如成像測(cè)井，核磁共振測(cè)井在水文地質(zhì)勘察中使用還較少。以后這些方法必將逐漸投入到水文測(cè)井工作中，為更好地解決各種水文地質(zhì)問(wèn)題服務(wù)。國(guó)內(nèi)比較先進(jìn)的儀器有重慶地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的jbs21 型數(shù)字測(cè)井系統(tǒng)，還有與之配套的一系列軟件，能夠進(jìn)行各種工程和水文鉆孔的測(cè)井項(xiàng)目3 。煤炭部煤田地質(zhì)總局于1982 年研制成功mds21 型流速流量測(cè)井儀，并廣泛應(yīng)用于煤田和水文地質(zhì)勘探中。1998 年后水利部長(zhǎng)江勘測(cè)技術(shù)研究所研制出適用于水文工程地質(zhì)勘察一體化的xsc2ii 型小口徑聲波全波列測(cè)

13、井系統(tǒng)(探頭外徑50mm) 和一套鉆孔彩色電視全孔壁成像系統(tǒng)，其應(yīng)用效果可與國(guó)外同類產(chǎn)品相媲美4 。從20 世紀(jì)50 年代到90 年代，我國(guó)煤田系統(tǒng)先后研制出一系列測(cè)井儀器(從電阻率測(cè)井儀到聲波掃描成像測(cè)井儀) ，這些儀器在水文地質(zhì)勘察中起了非常大的作用。20 世紀(jì)90 年代初， 水電系統(tǒng)引進(jìn)了日本oyo 公司生產(chǎn)的3000 系列綜合測(cè)井儀代替了使用多年的國(guó)產(chǎn)jbt22 型測(cè)井儀。3000 系列綜合測(cè)井儀采用了較多先進(jìn)的集成電路，因此更輕便、精確，自動(dòng)化程度也較高。這種儀器采用的是二極法測(cè)井， 與國(guó)產(chǎn)的三極法測(cè)井有所區(qū)別3 。后來(lái)日本推出的3400 型綜合測(cè)井儀測(cè)量精度和結(jié)構(gòu)更加標(biāo)準(zhǔn)，能夠進(jìn)行

14、自然伽馬、聲波時(shí)差，井徑，井溫，流量等測(cè)井。國(guó)外在水文地質(zhì)勘察中除了使用上述測(cè)井方法外，近年來(lái)還投入電磁感應(yīng)測(cè)井，高精度流量測(cè)井，井下雷達(dá)測(cè)量和各種成像測(cè)井方法。美國(guó)還專門針對(duì)水文勘察類淺井測(cè)井的需要研制了一種便攜式測(cè)井系統(tǒng)。2應(yīng)用原理及資料解釋地球物理測(cè)井為水文地質(zhì)勘察提供了一種有效的測(cè)量手段。它在尋找含水層，分析地下水分布，評(píng)價(jià)地下水質(zhì)量，探測(cè)巖溶，分析地層構(gòu)造等水文地質(zhì)勘察工作中發(fā)揮著極其重要的作用，而且有許多優(yōu)點(diǎn)。這是因?yàn)闇y(cè)井技術(shù)有嚴(yán)密的物理數(shù)學(xué)原理作為理論基礎(chǔ)，并有許多完善的資料處理方法可供使用。2.1 應(yīng)用原理1) 劃分含水層和隔水層： 正確地劃分含水層，確定層位及厚度，以及研究它

15、們之間的相互關(guān)系，這是無(wú)論哪種水文地質(zhì)勘探工作都必須先要解決的問(wèn)題。視電阻率測(cè)井，井液電阻率測(cè)井，伽馬伽馬測(cè)井，中子測(cè)井，聲波測(cè)井等方法都可以用于劃分含水層和隔水層，有些方法還可以確定含水層的厚度和位置。因?yàn)楹畬油ǔ１葒鷰r的電阻率要小一些，孔隙度要大一些，密度要小一些，這些物性差異使得劃分含水層變得較容易。2) 進(jìn)行地下水礦化度測(cè)量： 當(dāng)?shù)貙铀牡V化度越高時(shí)，地層電阻率值越低。2002 年趙發(fā)展等人提出了一種利用石油測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)(主要為自然電位曲線) 計(jì)算地層水礦化度的方法，因?yàn)榭梢愿鶕?jù)自然電位測(cè)井曲線的異常值求取地層水的電阻率，然后根據(jù)地層水電阻率與礦化度的反比關(guān)系計(jì)算出地層水的礦化度。從而開(kāi)

16、發(fā)了石油測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)在水文地質(zhì)中的應(yīng)用，降低了單純利用水文取樣，由于樣點(diǎn)少，礦化度預(yù)測(cè)精度低的缺點(diǎn)5 。3) 判斷裂隙及其泥質(zhì)含量： 裂隙在測(cè)井響應(yīng)上通常表現(xiàn)為聲波時(shí)差較大，電阻率較小，密度也偏低。如果裂隙存在，那么裂隙中填充的泥質(zhì)越多自然伽馬測(cè)井值就越大。4) 巖溶水勘察： 聲波曲線能直接反映裂隙層位：當(dāng)溶洞中含水時(shí)，自然伽馬曲線幅值略低，進(jìn)而可判斷其富水性：在巖溶、裂隙發(fā)育處，會(huì)出現(xiàn)井徑擴(kuò)大的現(xiàn)象，所以，利用井徑曲線也可以判斷巖溶裂隙發(fā)育程度。5) 劃分鉆孔地層巖性：不同巖石的密度，電阻率，波阻抗，孔隙度等參數(shù)都會(huì)存在著一定的差異。根據(jù)這些物性差異，通常綜合電阻率測(cè)井、聲波測(cè)井、密度測(cè)井、中子

17、孔隙度測(cè)井等資料就可以劃分鉆孔的巖性剖面。6) 其他幾種測(cè)井資料的應(yīng)用原理流量測(cè)井： 該方法基于多層混合井流理論(當(dāng)鉆孔揭穿多個(gè)含水層后，由于含水層的水位不等，富水性強(qiáng)弱不均，高水位含水層補(bǔ)給低水位含水層，然后就形成一個(gè)混合靜水位，凡單層靜水位高于混合靜水位的含水層都出水，反之則吸水，這樣鉆孔中就存在有垂向運(yùn)動(dòng)) ，測(cè)量垂向流速和橫向井徑并換算成流量，就可得到各段含水層的出水量和吸水量、進(jìn)而確定含水層的位置、厚度等參數(shù)9 。井溫測(cè)井：井溫資料反映的不僅是地溫梯度的變化，而且是地下水以及井液在鉆孔中的綜合影響。由于水的導(dǎo)熱性較巖石的導(dǎo)熱性大，地下水的溫度往往使地溫梯度變小、井溫曲線變陡，因而從井

18、溫曲線的變化，可分析出含、隔水層的位置，而通過(guò)多孔井溫資料在平面上的變化規(guī)律，可進(jìn)一步判斷地下水的徑流方向：各含水層的水溫不完全相同，含水層的水溫與其上下圍巖巖溫有差異，一般相差12c ，最大相差高達(dá)10c 之多3 。水位計(jì)測(cè)井：基本原理通常是由靜水壓力來(lái)計(jì)算水位的高程。目前在水位自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中多采用軸角編碼器的浮子式水位傳感器(俗稱“碼盤”) ，該設(shè)備雖然具有受水質(zhì)與氣候環(huán)境影響小、價(jià)格低廉、穩(wěn)定可靠、使用維修方便、無(wú)溫漂時(shí)漂和掉電記憶等特點(diǎn)6 。2. 2 資料解釋現(xiàn)在水文地質(zhì)測(cè)井資料的解釋更多局限于定性的解釋，定量解釋尚處于探索階段，因此目前針對(duì)水文地質(zhì)測(cè)井資料的處理解釋方法還不太多，完

19、善的專業(yè)軟件也比較缺乏。石油測(cè)井解釋方法雖然可以解決一些水文工程問(wèn)題，但仍有些問(wèn)題不能直接被解決，如單位涌水量，地層富水性、導(dǎo)水系數(shù)等參數(shù)的確定。當(dāng)然也有許多人做了一些嘗試性的工作。1997 年周延奎提出了幾種參數(shù)的解釋模型：礦化度解釋模型，導(dǎo)水系數(shù)解釋模型，滲透系數(shù)解釋模型，孔隙度解釋模型，泥質(zhì)含量解釋模型，單位涌水量解釋模型和粒度中值解釋模型。這些模型多從石油測(cè)井理論中發(fā)展而來(lái)，雖然能夠解決許多問(wèn)題，但需要根據(jù)不同地區(qū)的地質(zhì)條件進(jìn)行適當(dāng)修改，決不能簡(jiǎn)單地套用7 。1998 年張建榮通過(guò)對(duì)多年積累的水文物探資料的分析研究，發(fā)現(xiàn)含水層的電性特征與地下水礦化度之間存在著冪函數(shù)的變化規(guī)律，并給出經(jīng)

20、驗(yàn)公式8 。由于測(cè)井得到的物性參數(shù)比較多，所以現(xiàn)在許多非線性的反演方法在測(cè)井解釋中都取得較好的效果，例如：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模擬退火、分形、模糊識(shí)別等方法已經(jīng)用于測(cè)井解釋9 。三、結(jié)語(yǔ)隨著我國(guó)西部大開(kāi)發(fā)腳步的不斷加快，西部地區(qū)的水資源開(kāi)發(fā)就變得十分重要。在這些地區(qū)開(kāi)展水文地質(zhì)勘察工作有較大的難度，而地球物理測(cè)井技術(shù)具有遙測(cè)和透視功能，且自動(dòng)化程度高，效率高，成本低，在以后的水文地質(zhì)勘察和地下水評(píng)價(jià)和監(jiān)測(cè)中是一種非常理想的探測(cè)手段。應(yīng)該提倡將多種水文測(cè)井方法結(jié)合，水文測(cè)井與地面地球物理方法結(jié)合，使勘探的橫向和縱向分辨能力都得到加強(qiáng)。這樣不僅可以驗(yàn)證單一方法的可靠性，而且能夠彌補(bǔ)單一方法的不足，使得水文地質(zhì)勘察的精度不斷提高。參考文獻(xiàn)：1 房佩賢，衛(wèi)中鼎，廖資生. 專門水文地質(zhì)學(xué). 北京:地質(zhì)出版社，1996. 2930.2 eric w. strom