蔣觀利， 吳青柏

中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所凍土工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 蘭州 730000

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地球物理測(cè)井在多年凍土厚度和地下冰調(diào)查中的應(yīng)用

蔣觀利， 吳青柏

中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所凍土工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 蘭州 730000

基于青藏高原多年凍土區(qū)三個(gè)鉆孔的地球物理測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)和鉆孔編錄資料，我們對(duì)多年凍土厚度和多年凍土層內(nèi)地下冰與地球物理測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)之間的關(guān)系進(jìn)行了相關(guān)的分析研究.研究表明，當(dāng)?shù)貙訛橥寥李愋蜁r(shí)，可以使用井徑和側(cè)向測(cè)井曲線來(lái)判斷多年凍土層厚度；而當(dāng)?shù)貙訛橹旅艿幕鶐r時(shí)，不能使用上述兩種測(cè)井曲線來(lái)判斷多年凍土層厚度.此外，還可以使用長(zhǎng)源距伽馬-伽馬曲線和側(cè)向測(cè)井曲線來(lái)識(shí)別多年凍土層內(nèi)部分地下冰層的位置，其前提條件是地下冰層具有一定的厚度，或即使厚度較薄，但連續(xù)出現(xiàn).這一研究結(jié)果對(duì)于利用地球物理測(cè)井曲線來(lái)調(diào)查多年凍土情況具有一定的應(yīng)用價(jià)值.

地球物理測(cè)井； 多年凍土； 多年凍土厚度； 地下冰

1 引言

多年凍土是冰凍圈的重要組成部分，對(duì)氣候變化的響應(yīng)非常敏感，因此多年凍土變化也被認(rèn)為是全球氣候變化的一個(gè)指示器 (Cheng and Wu, 2007).北半球多年凍土分布面積大約是22.79×106km2，大約占陸地面積的 23.9% (Zhang et al., 2008)；青藏高原多年凍土區(qū)總面積大約為1.50×106km2，是我國(guó)面積最大的多年凍土分布區(qū)(周幼吾等，2000).在全球變暖的趨勢(shì)下，青藏高原多年凍土的相應(yīng)變化對(duì)于生態(tài)環(huán)境、水文水資源和工程建設(shè)等將會(huì)產(chǎn)生重要的影響.因此，多年凍土條件調(diào)查是多年凍土研究的一項(xiàng)重要內(nèi)容.

長(zhǎng)期以來(lái)，凍土物探技術(shù)在開(kāi)展多年凍土條件的調(diào)查研究中被廣泛使用，目前應(yīng)用前景較好的凍土物探技術(shù)有高密度電阻率成像法和探地雷達(dá).為了解凍脹丘地下冰和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，Ross等(2007)使用高密度電阻率成像法對(duì)挪威斯瓦爾巴德群島地區(qū)的凍脹丘進(jìn)行了調(diào)查；You等(2013)使用高密度電阻率成像法對(duì)青藏高原多年凍土厚度以及多年凍土層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了調(diào)查；Lewkowicz等(2011)和Fortier等(2008)也采用高密度電阻率成像法等混合方法對(duì)多年凍土層進(jìn)行了研究.Pan等(2014)使用探地雷達(dá)，輔助以地形測(cè)繪和鉆孔技術(shù)來(lái)研究了水文過(guò)程對(duì)青藏高原熱融湖塘的影響；杜二計(jì)等(2009)和胡俊等(2012)也使用探地雷達(dá)，對(duì)多處多年凍土的上限深度進(jìn)行了識(shí)別.這些研究表明高密度電阻率成像法和探地雷達(dá)能夠探測(cè)多年凍土區(qū)不同地貌狀況內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和相關(guān)情況，是了解多年凍土條件的有效物探手段.然而，雖然這兩種凍土物探方法能以相對(duì)較低的成本，快速地對(duì)較大面積的多年凍土區(qū)進(jìn)行研究，并判斷地下冰的分布情況，但這些凍土物探方法結(jié)果的準(zhǔn)確性，還是需要依據(jù)鉆孔結(jié)果來(lái)進(jìn)行比對(duì)驗(yàn)證.

地球物理測(cè)井是地球物理學(xué)科的重要分支，它以地層內(nèi)各種不同實(shí)體的物性差異為基礎(chǔ)，通過(guò)相應(yīng)的測(cè)井方法來(lái)反映地質(zhì)剖面.常見(jiàn)的地球物理測(cè)井方法包括電阻率測(cè)井、聲學(xué)測(cè)井以及放射性測(cè)井等.從1928年Schlumberger兄弟使用電阻率方法進(jìn)行測(cè)井以來(lái)，地球物理測(cè)井作為一種重要手段，在石油、天然氣和各種礦產(chǎn)資源的勘探與開(kāi)發(fā)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用(Timur and Toks?z, 1985; Ellis and Singer, 2007).隨著科學(xué)的進(jìn)步，測(cè)井技術(shù)的發(fā)展使得研究人員可以利用各種測(cè)井技術(shù)對(duì)井下的情況進(jìn)行分辨和解釋，并且其應(yīng)用也不再僅僅局限于油氣和礦產(chǎn)領(lǐng)域.袁林旺等(2000)使用測(cè)井自然伽馬曲線，對(duì)古氣候進(jìn)行反演，分析了自然伽馬曲線記錄的末次間冰期以來(lái)的環(huán)境變遷過(guò)程，證明了自然伽馬曲線較好地記錄了構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及氣候變化的影響.Herbert和Mayer(1991)認(rèn)為自然伽馬曲線是研究古環(huán)境和古氣候的重要參考資料，并認(rèn)為降水較多的年份具有較高的自然伽馬曲線值.在多年凍土區(qū)天然氣水合物Mallik 2002鉆探計(jì)劃中，科學(xué)家們利用地球物理測(cè)井資料，對(duì)鉆孔進(jìn)行了相當(dāng)詳細(xì)的研究，明確了鉆孔內(nèi)的相關(guān)情況，判斷了天然氣水合物層的存在位置(Collett and Lee, 2005; Takayama et al., 2005; Guerin et al., 2005).

一般來(lái)說(shuō)，多年凍土厚度和地下冰分布的相關(guān)信息，主要是通過(guò)鉆探來(lái)獲得的；但由于鉆井過(guò)程的熱擾動(dòng)較大，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致難以很好地判斷多年凍土和地下冰的分布特征.然而地球物理測(cè)井卻有可能成為一個(gè)研究多年凍土厚度和地下冰分布的重要手段.因此，本文試圖結(jié)合地球物理測(cè)井相關(guān)數(shù)據(jù)和鉆孔巖芯編錄數(shù)據(jù)，來(lái)探討地球物理測(cè)井對(duì)多年凍土厚度和地下冰分布情況的響應(yīng)關(guān)系.

2 鉆探和測(cè)井場(chǎng)地概況

2.1 鉆孔及測(cè)井

為了研究青藏高原多年凍土天然氣水合物，我們?cè)谇嗖馗咴嗄陜鐾羺^(qū)北麓河和昆侖山分別開(kāi)展了深度為150 m、300 m和450 m深孔鉆探工作，鉆孔位置如圖1所示.鉆孔結(jié)束后，我們對(duì)每個(gè)鉆孔都開(kāi)展了測(cè)井工作.測(cè)井深度從孔深5m處開(kāi)始，測(cè)井內(nèi)容包括側(cè)向測(cè)井、長(zhǎng)短源距伽馬-伽馬、自然伽馬、聲波測(cè)井、密度測(cè)井和井徑等.

2.2 多年凍土及巖芯情況

3個(gè)鉆孔的成孔深度分別是300 m(2010年)、150 m(2012年)和450 m(2013年).根據(jù)所取得的資料顯示，這3個(gè)鉆孔所在的位置，其多年凍土厚度分別是110.2 m(2010年)、47.5 m(2012年)和82.15 m(2013年)；3個(gè)鉆孔都穿透了多年凍土層.鉆孔巖芯顯示地層主要以粘土、砂土、碎石土、砂巖和頁(yè)巖為主.具體的鉆孔信息如表1所示，3個(gè)鉆孔的巖芯示意圖，如圖2所示.

表1 鉆孔相關(guān)信息Table 1 Drilling sites information

圖1 鉆孔位置示意圖Fig.1 Drilling sites location

圖2 各鉆孔巖性柱狀圖Fig.2 Core lithology and sedimentary

3 多年凍土厚度的地球物理測(cè)井響應(yīng)

在對(duì)比各種測(cè)井曲線之后(圖3顯示了2010年鉆孔的各種測(cè)井曲線)，我們發(fā)現(xiàn)，井徑和側(cè)向測(cè)井曲線在鉆孔編錄記錄中的多年凍土底板(大約為110 m)附近有較明顯的差異，因此我們選擇這兩種曲線來(lái)進(jìn)行分析.

圖4a是2010年鉆孔的兩組測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)對(duì)比圖.從圖4a中可以看到，井徑曲線的特征明顯地分成為2個(gè)部分：從10 m到110 m左右，井徑在一個(gè)較大的尺寸范圍內(nèi)變化，幅度為260～82.58 mm，平均孔徑約為207 mm；從110 m到290 m，井徑變化較小，幅度為82.58～69.29 mm，平均約為76 mm.圖4a中還顯示，側(cè)向測(cè)井曲線的變化也與井徑曲線的變化類似，都是以110 m左右為分界，110 m以上電阻率波動(dòng)較為劇烈，幅度為317～75 Ωm，平均約為122 Ωm，110 m以下則相對(duì)變化較小，幅度為75～8 Ωm，平均約為35 Ωm.作為兩組測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)數(shù)值分界點(diǎn)的110 m，與鉆探編錄判斷的多年凍土底板深度基本一致.

圖4b是2012年鉆孔的兩組測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)對(duì)比圖.2012年的情況與2010年類似，其井徑和側(cè)向測(cè)井曲線根據(jù)變化幅度的不同，仍然大致可以以30 m左右為界分成兩部分：30 m以上，變化幅度相對(duì)較大，30 m以下，變化幅度相對(duì)較小.但與2010年鉆孔不同的是，2012年鉆孔的井徑和電阻率曲線反映的分界點(diǎn)特征值與鉆探編錄判斷的多年凍土底板深度(47.5 m)有較大的差異，二者相差約17.5 m.

4 地下冰的地球物理測(cè)井響應(yīng)

為了便于與數(shù)字化的測(cè)井曲線進(jìn)行比較，我們根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)將地下冰進(jìn)行了數(shù)字化，數(shù)字化的規(guī)則如表2所示.根據(jù)這一規(guī)則，我們將地層中地下冰厚度進(jìn)行數(shù)字化后，與側(cè)向測(cè)井和長(zhǎng)源距伽馬-伽馬測(cè)井曲線進(jìn)行比較，如圖5—7所示.

圖3 2010年鉆孔各種測(cè)井曲線對(duì)比圖Fig.3 Geophysical logging curves of 2010

圖4 2010年和2012年鉆孔井徑與側(cè)向測(cè)井曲線情況對(duì)比圖Fig.4 Comparision of lateral resistivity and caliper of 2010 and 2012

圖5 2010年鉆孔地下冰與測(cè)井曲線對(duì)比圖Fig.5 Underground ice compared with logging curves of 2010

圖6 2012年鉆孔地下冰與測(cè)井曲線對(duì)比圖Fig.6 Underground ice compared with logging curves of 2012

圖7 2013年鉆孔地下冰與測(cè)井曲線對(duì)比圖Fig.7 Underground ice compared with logging curves of 2013

圖8 2010年和2012年鉆孔測(cè)井曲線與測(cè)溫曲線(紅線)對(duì)比圖Fig.8 Comparsion of soil temperature (red line) and logging curves

表2 地下冰數(shù)字化規(guī)則Table 2 Underground ice digitalization rule

從圖5—7中可以看到，多年凍土層中的地下冰，在側(cè)向測(cè)井和長(zhǎng)源距伽馬-伽馬曲線中都有較好的指示，但有些深度的地下冰層似乎響應(yīng)并不顯著.

5 討論

5.1 多年凍土厚度與測(cè)井曲線的關(guān)系

為了驗(yàn)證井徑和側(cè)向測(cè)井曲線是否可以反映多年凍土厚度，本文使用鉆孔測(cè)溫曲線來(lái)進(jìn)行比對(duì)，如圖8所示.圖8a顯示，凍土測(cè)溫曲線顯示的多年凍土底板深度正好與井徑和側(cè)向測(cè)井曲線的分界點(diǎn)深度重合；這說(shuō)明采用井徑和側(cè)向測(cè)井曲線來(lái)判斷多年凍土厚度是可行且準(zhǔn)確的.

然而，圖8b顯示鉆孔測(cè)溫曲線指示的多年凍土底板深度為47.5 m，但依據(jù)井徑和側(cè)向測(cè)井曲線獲得多年凍土底板深度僅為30 m，產(chǎn)生了明顯的誤差.鉆孔編錄記錄表明，該鉆孔0～20 m為第四系松散沉積物，主要為粘土和砂土等，20 m深度附近開(kāi)始出現(xiàn)泥巖夾雜少量砂巖的強(qiáng)風(fēng)化層；30 m以后，巖性基本為連續(xù)泥巖和砂巖，僅夾較薄的幾層粘土和砂土.

對(duì)于粘土和砂土一類的土壤來(lái)說(shuō)，處于凍結(jié)狀態(tài)和非凍結(jié)狀態(tài)，其物理性質(zhì)是有明顯的差異的.當(dāng)?shù)貙犹幱趦鼋Y(jié)狀態(tài)時(shí)，鉆進(jìn)過(guò)程對(duì)鉆孔周圍的凍土層產(chǎn)生強(qiáng)烈熱擾動(dòng)，使鉆孔周圍一定范圍內(nèi)的凍結(jié)粘土融化，融化后的土體在短時(shí)間內(nèi)具有了較大的含水量，變得較軟，其物理性質(zhì)極大地不同于未受到擾動(dòng)的凍結(jié)土體，極易引起鉆孔塌孔，從而引起井徑大幅度增加.而在非凍土層中，非凍結(jié)粘土在鉆探熱擾動(dòng)前后較穩(wěn)定的含水量和泥漿護(hù)壁不會(huì)引起鉆孔塌孔，孔徑大小基本保持在一個(gè)較小的范圍內(nèi).因此，土壤在凍結(jié)和非凍結(jié)狀態(tài)下的差異，使得井徑在凍土層內(nèi)較大，而在非凍土層內(nèi)較小，從而使得其井徑曲線在多年凍土底板附近有極為明顯的變化，也就是圖8a中顯示的情況.

對(duì)于側(cè)向測(cè)井曲線來(lái)說(shuō)，凍結(jié)與非凍結(jié)也會(huì)使得相同的地層產(chǎn)生不同特征的曲線.主要原因是因?yàn)槎嗄陜鐾林泻斜?，且冰的電阻率一般?00 kΩm(Makogon, 1988)，而天然水的電阻率一般不超過(guò)10 Ωm(林祖彬等，2010；李霞等，2014；劉江等，2007).因此，凍結(jié)的土壤，其電阻率是遠(yuǎn)大于處于非凍結(jié)狀態(tài)的土壤的，這必將使得以真實(shí)電阻率為基礎(chǔ)的視電阻率值(側(cè)向測(cè)井值)產(chǎn)生差異，如圖8a所示.

對(duì)于泥巖和砂巖來(lái)說(shuō)，凍結(jié)或非凍結(jié)狀態(tài)下其物理性質(zhì)差異不大.盡管鉆探過(guò)程中的熱擾動(dòng)對(duì)凍結(jié)的泥巖或砂巖會(huì)有影響，導(dǎo)致凍結(jié)基巖融化，但因?yàn)榛鶐r本身力學(xué)性質(zhì)較為穩(wěn)定，因而其井徑變化較小.對(duì)于側(cè)向測(cè)井來(lái)說(shuō)，因?yàn)榛鶐r本身致密而含水率較小，使得其在凍結(jié)和非凍結(jié)狀態(tài)下的電阻率差異較??；因此對(duì)于基巖來(lái)說(shuō)，井徑和側(cè)向測(cè)井曲線無(wú)論在凍土層或是非凍土層中，其變化都不大，并不能很準(zhǔn)確地指示多年凍土厚度.

5.2 多年凍土層內(nèi)地下冰層與測(cè)井曲線的關(guān)系

側(cè)向測(cè)井曲線反映的是土層中的電阻率情況.冰的電阻率一般為500 kΩm(Makogon, 1988)左右，因此，含有冰或冰層多年凍土電阻率較大.側(cè)向測(cè)井對(duì)多年凍土層中的冰透鏡體或冰層具有較好的響應(yīng).長(zhǎng)源距伽馬-伽馬曲線數(shù)值代表井下伽馬源發(fā)出的伽馬射線被地層吸收后的計(jì)數(shù)率(CPS)，密度大的地層，對(duì)伽馬射線吸收強(qiáng)烈，故計(jì)數(shù)率低；反之，密度小的地層則計(jì)數(shù)率高.粘土的平均密度為1.8～2.0 g·cm-3，冰的密度一般為1 g·cm-3左右，因此，含有冰層的地層密度，相對(duì)來(lái)說(shuō)要小于不含有冰層的地層密度.

從編錄記錄來(lái)看，與測(cè)井曲線對(duì)應(yīng)較好的多年凍土層中地下冰層有兩種特征：一種是冰層厚度相對(duì)較大，另一種是冰層厚度相對(duì)較小但連續(xù)出現(xiàn).這兩種特征的冰層，使得其在采樣間隔為5 cm的測(cè)井過(guò)程中，能較好地被探測(cè)到；因此，含有這兩種特征的冰層所在的地層，其上述兩種測(cè)井曲線都與冰層具有較好的相關(guān)性.在有些地層中，側(cè)向測(cè)井曲線和長(zhǎng)源距伽馬-伽馬曲線都有較好的相關(guān)性，指示了該層位處應(yīng)該有冰層的存在.但在辨識(shí)巖芯時(shí)，并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)冰層的存在.這種情況很可能是因?yàn)榇颂幍谋鶎?，屬于厚度不大，但連續(xù)出現(xiàn)的類型.鉆探過(guò)程熱擾動(dòng)，導(dǎo)致了這些較小厚度的冰層融化，通過(guò)肉眼已經(jīng)無(wú)法辨識(shí).

我們認(rèn)為，側(cè)向測(cè)井曲線和長(zhǎng)短源距伽馬-伽馬曲線這兩種測(cè)井曲線，在測(cè)井采樣率為5 cm的情況下，可以定性化指示凍土層內(nèi)明顯的、厚度相對(duì)較大的冰層，或厚度較小但連續(xù)出現(xiàn)的冰層的存在，但分散的，厚度相對(duì)較小的冰層，則并不能通過(guò)這兩種測(cè)井曲線來(lái)準(zhǔn)確反映.

6 結(jié)論

(1) 由于冰層在電阻率和密度上與地層有明顯的差異，因此使用側(cè)向測(cè)井曲線和長(zhǎng)源距伽馬-伽馬曲線這兩種分別反映電阻率和密度的測(cè)井曲線來(lái)識(shí)別地層中冰層的位置，在理論上來(lái)說(shuō)是可行的.

(2) 對(duì)于粘土質(zhì)地層，因?yàn)槠淞W(xué)性質(zhì)和電阻率性質(zhì)，在凍結(jié)和非凍結(jié)狀態(tài)下有明顯的差異，使得其井徑和側(cè)向測(cè)井曲線在多年凍土底界上下有明顯的區(qū)別.而對(duì)于泥巖和砂巖類型的巖石來(lái)說(shuō)，其力學(xué)性質(zhì)和電阻率性質(zhì)在凍結(jié)和非凍結(jié)狀態(tài)下差異很小，因此在多年凍土底界上下，其井徑和側(cè)向測(cè)井曲線沒(méi)有明顯區(qū)別.基于此，我們認(rèn)為，對(duì)于地層為粘土類等在凍結(jié)和非凍結(jié)狀態(tài)下有明顯力學(xué)性質(zhì)和電阻率性質(zhì)差異的地層，可以使用井徑和側(cè)向測(cè)井這兩種測(cè)井曲線來(lái)判斷多年凍土層底界位置.

(3) 在測(cè)井采樣率為5 cm的情況下，使用側(cè)向測(cè)井曲線和長(zhǎng)源距伽馬-伽馬曲線可以識(shí)別地層中相對(duì)較厚的冰層，也可以識(shí)別連續(xù)出現(xiàn)的相對(duì)較薄的冰層；但對(duì)于相對(duì)較薄、且零散出現(xiàn)的冰層，是無(wú)法有效識(shí)別的.

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(本文編輯 胡素芳)

Application of geophysical logging in the surveys of permafrost thickness and underground ice

JIANG Guan-Li， WU Qing-Bai

StateKeyLaboratoryofFrozenSoilEngineering,ColdandAridRegionsEnvironmentalandEngineeringResearchInstitute,ChineseAcademyofSciences,Lanzhou730000,China

Based on geophysical borehole logging data and catalog information of the three boreholes in permafrost regions of the Qinghai-Tibet Plateau, the relations between geophysical logging data and permafrost thickness as well as the distribution of underground ice were analyzed. The result shows that in soils, the caliper data and lateral resistivity data can be used to find the permafrost thickness; but in rocks, the abovementioned methods are not effective. In addition, the gamma-gamma data and the lateral resistivity data can be used to distinguish the distribution of the underground ice if the underground ice has a certain thickness or is thin but closely spaced. The research may have application values to using geophysical logging for the survey of permafrost.

Permafrost; Geophysical logging; Permafrost thickness; Underground ice

10.6038/cjg20160930.

中國(guó)科學(xué)院西部行動(dòng)計(jì)劃(KZCX2-XB3-03)和國(guó)家自然科學(xué)基金(41330634,41001038)資助.

蔣觀利，男，1978年出生，2009年畢業(yè)于中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所，主要從事多年凍土區(qū)環(huán)境及天然氣水合物研究. E-mail：atos@lzb.ac.cn

10.6038/cjg20160930

P631

2016-01-21，2016-04-25收修定稿

蔣觀利， 吳青柏. 2016. 地球物理測(cè)井在多年凍土厚度和地下冰調(diào)查中的應(yīng)用. 地球物理學(xué)報(bào)，59(9):3482-3490,

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