水文鉆探和水文地質(zhì)物探課件

第二章水文鉆探和水文地質(zhì)物探吉林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院地下水科學(xué)與工程系梁秀娟水工樓2072.1水文鉆探一、水文鉆探工作的基本任務(wù)水文鉆探是直接探明地下水的一種最重要、最可靠的勘探手段，是進行各種水文地質(zhì)試驗的必備工程，也是對地下水資源調(diào)查、水文地質(zhì)物探成果所作地質(zhì)結(jié)論的檢驗方法。（1）揭露含水層，探明含水層的埋藏深度、厚度、巖性和水頭壓力；查明含水層之間的水力聯(lián)系；（2）借助鉆孔進行各種水文地質(zhì)試驗，確定含水層富水性和各種水文地質(zhì)參數(shù)；（3）通過鉆孔（或在鉆進過程中）采集水樣、巖土樣，確定含水層的水質(zhì)、水溫和測定巖土的物理力學(xué)和水理性質(zhì)；（4）利用鉆孔監(jiān)測地下水動態(tài)或?qū)@孔作為供水井。二、水文鉆孔設(shè)計1.水文鉆孔的特點（1）鉆孔的直徑（口徑）較大（2）鉆孔的結(jié)構(gòu)復(fù)雜（3）需要過濾器（4）沖洗液質(zhì)量的要求（5）孔身斜度要求（6）觀測項目多圖3－1水井結(jié)構(gòu)圖2.水文鉆孔的設(shè)計（1）孔深。一般要求達到揭露或打穿主要含水層；（2）開孔、終孔的直徑及孔身變徑位置。開孔直徑，在松散巖層中，一般應(yīng)大于450mm；在堅硬巖石中，應(yīng)大于290mm。為簡化水井結(jié)構(gòu)，應(yīng)盡可能采用“一徑到底”。當(dāng)不得不變徑時，井孔直徑大小應(yīng)依據(jù)取水泵型確定；（3）不同口徑井管的下置深度及所選用的井管材料；（4）鉆孔中止水段的位置和止水方法；（5）過濾器的類型和過濾器下置深度；（6）對水井中的非開采含水層段，提出井壁與井管之間隙的回填封堵段的位置、使用材料及要求；（7）鉆進方法及技術(shù)要求，包括對沖洗液質(zhì)量、巖芯采取率、巖土水樣采集、洗孔及孔斜等的要求，以及對觀測和編錄方面的技術(shù)要求。設(shè)計書應(yīng)附有設(shè)計鉆孔的地層巖性剖面、井孔結(jié)構(gòu)剖面和鉆孔平面位置圖。三、鉆進過程中的水文地質(zhì)觀測工作1.目的（1）及時發(fā)現(xiàn)孔底地層巖石的變化，并進行觀測以彌補巖芯采取率的不足；（2）及時發(fā)現(xiàn)鉆孔是否揭露了某個含水層（帶）；（3）幫助確定含水層（帶）的埋藏深度、厚度及其富水性；（4）分別取得不同含水層的水頭、水溫和水化學(xué)成分的資料；（5）為最終確定水井的成井結(jié)構(gòu)提供所需地質(zhì)依據(jù)。2.主要觀測項目（1）巖性描述（2）水位觀測（3）水溫觀測（4）沖洗液性質(zhì)及消耗量的觀測（5）觀測和記錄鉆孔的涌水、涌砂、涌氣現(xiàn)象及其起止深度及數(shù)量；（6）觀測和記錄鉆進速度、孔底壓力及鉆具突然下落（掉鉆）、孔壁坍塌、縮徑等現(xiàn)象和其深度；（7）按鉆孔設(shè)計書的要求及時采集水、氣、巖、土樣品；（8）在鉆進工作結(jié)束后，按要求進行綜合性的水文地質(zhì)物探測井工作。3.鉆孔的編錄工作根據(jù)鉆探班報表，整理巖芯，校正巖芯長度，深度和巖芯采取率。綜合巖芯觀測資料和鉆進中水文地質(zhì)觀測記錄確定含水層位及其深度，地層時代和巖性的分層位置。整理有關(guān)鉆孔施工資料。匯總各種資料，編制水文地質(zhì)鉆孔綜合成果圖表。1.一般原則（1）布置鉆孔時要考慮水文鉆探的主要任務(wù)，應(yīng)明確是查明區(qū)域水文地質(zhì)條件，還是確定含水層水文地質(zhì)參數(shù)、尋找富水帶、評價地下水資源或進行地下水動態(tài)觀測；主要任務(wù)不同，鉆孔布置方案必然有所區(qū)別。（2）布置鉆孔時要考慮“一孔多用”，如既是水文地質(zhì)勘探孔，又可保留作為地下水動態(tài)觀測孔；或者既是勘探孔，又可留用為開采井。（3）在確定其鉆孔位置時，均應(yīng)考慮其代表性和控制意義。（4）為分析、認(rèn)識區(qū)域水文地質(zhì)條件的變化規(guī)律，水文鉆孔應(yīng)布置成勘探線的形式。四、水文勘探鉆孔的布置原則（1）為查明區(qū)域水文地質(zhì)條件布置的鉆孔，一般都布置成勘探線的形式。（2）主要為地下水資源評價布置的勘探孔，其布置方案必須考慮擬采用的地下水資源評價方法。（3）以供水為勘查目的的勘探孔，按總原則布置鉆孔時，應(yīng)考慮勘探—開采結(jié)合，鉆孔一般應(yīng)布置在含水層（帶）富水性最好、成井把握性最大的地段。2.區(qū)域地下水資源調(diào)查和供水水文地質(zhì)調(diào)查2.2水文地質(zhì)物探物探方法成本低、速度快、用途廣泛，是水文地質(zhì)調(diào)查中的重要勘查手段。隨著新技術(shù)、新方法的不斷涌現(xiàn)，解釋水平的不斷提高，應(yīng)用前景十分廣闊。其基本原理是依據(jù)不同類型或不同含水巖石、不同礦化度水體之間存在著物性上（導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、熱容量、溫度、密度、磁性、彈性波傳播速度及放射性等）的差異，借助各種物探測量儀器探明這些差異，進而分析判斷巖性、構(gòu)造及其含水性能，為分析水文地質(zhì)條件和進一步布置勘探工作提供依據(jù)。一、地面物探1.電阻率法電阻率是描述物質(zhì)導(dǎo)電性能的一個電性參數(shù)。巖石的電阻率與巖石的礦物成份、結(jié)構(gòu)、孔隙度、含水量及地下水的礦化度有關(guān)。通過測量巖石的電阻率值，分析推斷地質(zhì)體的水文地質(zhì)特征，從而解決有關(guān)地質(zhì)問題。電阻率法可用于查明下列水文地質(zhì)問題：（1）確定含水層的分布、厚度及埋深、尋找古河道、古沖洪積扇等；（2）尋找斷裂破碎帶，巖溶發(fā)育帶的分布、位置、圈定富水帶，確定覆蓋層及風(fēng)化層的厚度等；（3）劃分咸淡水界面，尋找淡水透鏡體；（4）推估水文地質(zhì)參數(shù)等。2.自然電場法自然電場法是以地下存在的天然電場作為場源。由于天然電場與地下水通過巖石孔隙、裂隙時的滲透作用及地下水中離子的擴散、吸附作用有關(guān)。因此，可根據(jù)在地面測量到的電場變化情況，查明地下水的埋藏、分布和運動狀況。主要是用于尋找掩埋的古河道、基巖中的含水破碎帶及確定水庫、河床及堤壩的滲漏通道，以及測定抽水鉆孔的影響半徑等。使用條件：主要決定于地下水滲透作用所形成的過濾電場的強度。一般只有在地下水埋藏較淺、水力坡度較大和所形成的過濾電位強度較大時，才能在地面測量到較明顯的自然電位異常。3.激發(fā)極化法在人工電場的作用下，地質(zhì)體在其周圍會產(chǎn)生二次電場。當(dāng)停止供電后，二次電場會逐漸衰減，激發(fā)極化法就是利用二次場衰減特征來尋找地下水。二次場的衰減特征可用視極化率（ηs）、視頻散率（PS）（交流極化法的基本測量參數(shù)）、衰減度（D）、衰減時（τ）表示。判斷地下水存在效果較好的測量參數(shù)，通常是τ和D。τ是指二次場電位差（△Uz）衰減到某一規(guī)定數(shù)值時（通常規(guī)定為50％）所需的時間（單位為s）。D亦是反映極化電場（即二次場）衰減快慢的一種測量參數(shù)（用百分?jǐn)?shù)表示）。由于巖石中的含水或富水地段水分子的極化能力較強，又因二次場一般衰減慢，故D和τ值相對較大。激發(fā)極化法和電阻率法一樣，分為測深法、剖面法和測井法。激發(fā)極化測深法用得最多，主要用于尋找層狀或似層狀分布的各種地下水以及較大的溶洞含水帶，并可確定它們的埋藏深度。還可根據(jù)含水因素（MS）（含水因素是指衰減時間（s）－極距（AB／2）曲線圖上，不同極距區(qū)間曲線與橫坐標(biāo)（AB／2）所包圍的面積，它反映出不同深度區(qū)間巖石的含水性）和已知鉆孔涌水量的相關(guān)關(guān)系，估計設(shè)計鉆孔的涌水量。這種方法不適用于覆蓋層較厚（如大于20m）和工業(yè)游散電流較強的地區(qū)。電源笨重、工作效率較低、成本較高，是這種方法的不足之處。4.交變電磁場法交變電磁場法是以巖石、礦石（包括水）的導(dǎo)電性、導(dǎo)磁性及介電性的差異為基礎(chǔ)，通過對以上物理場空間和時間分布特征的研究，達到查明隱伏地質(zhì)體和地下水的目的。電磁法是一種相對較新的物探方法。目前已在生產(chǎn)中使用的有甚低頻電磁法（利用超長波通訊電臺發(fā)射的電磁波為場源）、頻率測深法（以改變電磁場頻率來測得不同深度的巖性）、地質(zhì)雷達法（利用高頻電磁波束在地下電性界面上的反射來達到探測地質(zhì)對象的目的）等。其中，甚低頻法對確定低阻體（如斷裂帶、巖溶發(fā)育帶和含水裂隙帶）比較有效；而地質(zhì)雷達則具較高的分辨率（可達數(shù)厘米），可測出地下目的物的形狀、大小及其空間位置。5.核磁共振找水核磁共振（NMR）技術(shù)是當(dāng)今世界上的尖端技術(shù)，采用核磁共振方法直接探查地下水。該方法的基本原理是通過測量地層水中的氫核來直接找水。當(dāng)施加一個與地磁場方向不同的外磁場時，氫核磁矩將偏離磁場方向，一旦外磁場消失，氫核將繞地磁場旋進，其磁矩方向恢復(fù)到地磁場方向。通過施加具有拉摩爾園頻率的外磁場，再測量氫核的共振訊號，便可實現(xiàn)核磁共振測量。目前在我國西北干旱地區(qū)及巖溶區(qū)等地找水，已取得較好效果，但該儀器價格昂貴，抗干擾性差，發(fā)射／接收線圈直徑較大等，限制了其推廣使用。6.地震勘探地震勘探是根據(jù)土和巖石的彈性性質(zhì)，測定人工激發(fā)所產(chǎn)生的彈性波在地殼內(nèi)的傳播速度來探測地質(zhì)結(jié)構(gòu)及含水界面的物探方法。該種方法具有勘探深度大，探測精度高的優(yōu)點?？捎脕泶_定覆蓋層和風(fēng)化層的厚度，潛水面埋藏深度，劃分巖層結(jié)構(gòu)，探測斷層和巖溶發(fā)育帶位置。在地?zé)峥碧街谐Ｊ褂迷摲椒ㄌ矫魃畈康刭|(zhì)構(gòu)造，判斷地?zé)釋拥姆植记闆r。7.天然放射性找水法放射性探測法主要適用于尋找基巖地下水，①不同類型巖石，放射性強度有差異；②巖石中斷裂帶和裂隙發(fā)育帶，常是放射性氣體運移和聚積的場所，故可形成放射性異常帶；③在地下水流動過程中（特別是在出露地段），由于水文地球化學(xué)條件的突然改變，可導(dǎo)致水中某些放射性元素的沉淀或富集，從而形成放射性異常。由于地下水中所含放射性物質(zhì)甚微，所以利用天然放射性找水，并非直接測定地下水的放射性，而是通過測定巖石的放射性差異去判斷有無含水的巖層，有無可供地下水賦存的斷裂、裂隙（通道）構(gòu)造。①γ測量法。所測量的是鈾、釷、鉀等放射性元素及其子體輻射出的γ射線的總強度。本方法使用的儀器輕便，工作效率高，對查明巖層分界線和破碎帶有一定效果；但其異常顯示不夠明顯，覆蓋土層厚度較大時效果不佳。②放射性能譜測量法。是在γ測量法的基礎(chǔ)上新推出的方法。它除能測量出γ射線總強度外，并且可根據(jù)所記錄的特征譜段的γ射線強度，區(qū)分出鈾、釷、鉀的γ輻射強度。在同一測量剖面線上，四條輻射強度曲線的相互配合，可大大提高地質(zhì)解釋的精度。③射氣測量法。該方法是用射氣儀（測氡儀）測量土壤中放射性氣體（主要是氡氣）的濃度，以發(fā)現(xiàn)浮土下的放射性異常帶。④α徑跡測量法和α卡法。這兩種方法均是測量土壤蓋層中α射線的方法。前者所測得的α射線是氡和其它放射性同位素共同產(chǎn)生的，而后者所測得的僅是氡及其子體所產(chǎn)生的α射線強度。α徑跡法是將特制的薄膜（或膠片）放在固體絕緣容器中（一般用陶瓷杯），將容器倒置埋設(shè)于地面下0.3－0.6m深度內(nèi)，經(jīng)過10－20d后，取出特制薄膜（或膠片），在顯微鏡下統(tǒng)計出薄膜上被α射線轟擊后留下的潛跡（孔），從而確定出α射線強度；α卡法則是將特制的α卡片埋置于地下，使之聚積氡的衰變子體，而后使用α輻射儀測量出α射線強度。這兩種方法，由于接收片在地下埋置的時間較長，聚積的放射性元素多，接收到的輻射量大，因而捕捉到的異常突出清晰，測量結(jié)果精度較高，且在浮土厚度較大時（數(shù)十米）亦不受影響。兩種方法的主要缺點是工期較長。⑤210Po法。它和α卡法一樣，也是一種長期積累的測氡方法，但它是通過采集土樣，經(jīng)化學(xué)處理后，使土樣中的210Po元素置換到某種金屬片上，再用α輻射儀測量210Po放出的α射線強度。由于210Po是一個長壽命、強輻射的天然同位素，故其探測深度亦較大。不適用于土層經(jīng)過再搬運的地區(qū)。二、地球物理測井法地球物理測井方法可用于鉆孔剖面的巖性分層，判斷含水層（帶）、巖溶發(fā)育帶和咸淡水分界面位置（深度）及確定水文地質(zhì)參數(shù)等。當(dāng)采用無芯鉆進或鉆進取芯不足時，物探測井更是不可缺少的探測手段。物探測井的地質(zhì)-水文地質(zhì)解釋精度，在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方面，有時甚至比鉆探取芯還高。1.主要測井方法（1）普通視電阻率測井：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，測定巖石電阻率參數(shù)和巖石孔隙度；（2）井液電阻率測井：其中的擴散法，能可靠的確定鉆孔中含水層（出水段）的位置和厚度，比較推斷含水層的富水性，求地下水的滲透速度和間接計算滲透系數(shù)；（3）自然電位測井：可確定地下水的礦化度和咸淡水界面，估計地層的含泥量；（4）伽瑪—伽瑪測井：可按密度區(qū)分巖性、劃分剖面，確定含水層和巖石的孔隙度；（5）中子測井：用于劃分巖性，查明含水層，確定孔隙度和測定含水量；（6）放射性同位素測井：同位素示蹤法是目前測定地下水流向、流速、滲透系數(shù)和水質(zhì)彌散系數(shù)的主要方法，還可用于確定井內(nèi)出水和套管破裂位置，檢查井管外封堵質(zhì)量和尋找水庫（壩下）滲漏通道；（7）聲波測井：主要用于測定巖石的孔隙度，也用于劃分巖性，作地層對比，劃分含水破裂帶等；（8）熱測井：測地溫梯度，測定井內(nèi)進（漏）水位置。流速（流量）測井：能直接測量出鉆孔中各個含水層（或含水段）的厚度、流速和出水量，并能計算出各含水層（段）的滲透系數(shù)，確定鉆孔中各個含水層之間的補排關(guān)系，檢查鉆孔止水效果和確定過濾器有效長度。三、水文地質(zhì)人員在物探工作中的任務(wù)l.掌握物探方法的使用條件物探方法是一種先進的勘察技術(shù)，但它能否取得好效果，還取決于一系列自然與人為因素。當(dāng)能滿足下列使用條件時，才能有較好的效果。（1）探測對象（巖層或含水帶）與圍巖之間存在比較顯著的物性差異；（2）這種物性差異，要有一定的異常幅度，并能在所探測的深度內(nèi)能被目前使用的物探儀器測量出來；（3）探測對象呈現(xiàn)的異?，F(xiàn)象，能與其它自然和人為干擾因素引起的異?，F(xiàn)象很好地區(qū)別開來；（4）要求被探測對象要有一定的規(guī)模（厚度或范圍），埋藏不能太深，其它自然和人為干擾因素（地形坡度、切割程度、浮土厚度、工業(yè)地電、地下金屬管道等）的影響不能太強烈。2.提出水文地質(zhì)物探工作的探測任務(wù)水文地質(zhì)物探的任務(wù)，主要有兩個方面：通過地面物探（或航空物探）方法尋找含水層或富水帶，確定它們的分布范圍、埋藏深度、厚度和產(chǎn)狀；通過物探測井方法準(zhǔn)確地確定含水層（帶）的厚度、深度、富水程度、咸淡水界面位置，或測定某些水文地質(zhì)參數(shù)及完成某些水井工程探測任務(wù)（測量井徑、井斜和檢查鉆孔止水效果）等。3.確定物探方法，選定物探測線、測點的布置方案和測量裝置對選定的物探方法，要通過現(xiàn)場試驗驗證后再作決定。如能使用綜合物探手段完成同一項任務(wù)，則可相互驗證，取長補短，以提高成果解釋的可靠性和精度。為探測傾角不大的層狀含水層，可同時使用電阻率測深法和激發(fā)極化測深法；為尋找基巖脈狀富水帶，可同時使用電剖面法、磁法、γ測量法和射氣測量法等找水方法。我國煤炭水文地質(zhì)部門在北方巖溶區(qū)的勘探鉆孔中，常使用視電阻率法、自然電位法、井液電阻率法、γ-γ法、中子法、井下電視等多種測井方法，綜合確定巖溶發(fā)育段位置、含水層位置等，取得了令人滿意的效果。使用電阻率測深（或剖面）法，則首先須確定測線的位置、方位、測點間距和測線之間的距離；同時，也要正確地選擇供電極距、