王亞輝，陳 娜，吳文濤，郭珊珊，師云超

(陜西地礦物化探隊(duì)有限公司，陜西 西安 710043 )

0 引言

隨著城市化大規(guī)模的推進(jìn)對(duì)城市水文地質(zhì)勘察和資源保障提出了新要求，水文地質(zhì)條件地下水埋藏和分布規(guī)律、地下水的水質(zhì)和水量、地下水的補(bǔ)給和排泄、地下水的可利用程度直接決定城市的健康和可持續(xù)發(fā)展(張茂省等,2018)，合理開(kāi)發(fā)利用城市供水水源，必須積極探索和建立安全可靠的地下水源勘察機(jī)制(王亞輝等,2019)。

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(羅國(guó)煜等,2004)。

本文以特定城市地質(zhì)資源勘察為工程背景，通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)地球物理測(cè)井原理的分析研究(駱淼等,2004;陳禮堂等,1994)，結(jié)合傳統(tǒng)水文(周言奎,1997)、煤田測(cè)井判斷含水層的有效方法，對(duì)城市地質(zhì)含水層、隔水層的識(shí)別問(wèn)題和含水層、隔水層厚度定量分析進(jìn)行了初步探索，總結(jié)出了一套可供參考的解釋方法。

1 工區(qū)地質(zhì)與地球物理特征概述

研究區(qū)位于陜西省西安市西咸新區(qū)，位于渭河斷陷盆地南部，在西安凹陷、臨潼斷凸兩個(gè)次級(jí)構(gòu)造單元之上。距今約250萬(wàn)年前至今的第四系地層，是西安地表出露最廣的地層，約占全區(qū)總面積的65%。巖性主要為黃土、古土壤、粉質(zhì)粘土、粉土、細(xì)砂、中砂、粗砂、圓礫，區(qū)內(nèi)200 m以淺地層按沉積時(shí)代劃分可分為下更新統(tǒng)、中更新統(tǒng)、上更新統(tǒng)和全新統(tǒng)。

根據(jù)井溫曲線可知：井溫值在8.55℃～27.20℃變化，從整個(gè)區(qū)域看，東北方向井溫略高于西南方向井溫，未發(fā)現(xiàn)有有利淺層地溫?zé)嵩?；根?jù)補(bǔ)償密度、井徑等曲線計(jì)算出的各巖性層的力學(xué)參數(shù)發(fā)現(xiàn)：力學(xué)強(qiáng)度指數(shù)值在15～5 MPa之間，屬于較軟地層；區(qū)內(nèi)地層含水類型為松散層潛水含水層，主要為大氣降水入滲形成，富水程度主要受降雨量制約和土層頂面形態(tài)控制。松散層潛水的水位動(dòng)態(tài)分布范圍與大氣降水的豐欠直接相關(guān)，隨著年度降水量的變化砂層水位相應(yīng)變化。

巖層的物性研究是測(cè)井資料解釋工作的基礎(chǔ)。本次測(cè)井解釋是根據(jù)自然伽馬、三側(cè)向電阻率、聲波時(shí)差和補(bǔ)償密度等測(cè)井曲線的形態(tài)變化，判斷其顆粒粗細(xì)可分為圓礫、粗、中、細(xì)、粉砂、粉土、粉質(zhì)粘土，現(xiàn)通過(guò)測(cè)井資料對(duì)所測(cè)鉆孔的巖層測(cè)井響應(yīng)特征統(tǒng)計(jì)(如表1)。

表1 研究區(qū)各巖層測(cè)井響應(yīng)特征

通過(guò)對(duì)所測(cè)鉆孔物性參數(shù)的綜合分析，對(duì)比收集到的區(qū)內(nèi)60個(gè)地質(zhì)調(diào)查孔的4項(xiàng)主要物性參數(shù)，巖性與物性之間具有較為明顯的變化規(guī)律(見(jiàn)圖1)：視電阻率值從粉質(zhì)粘土到砂層、礫石依次變大；天然伽瑪值從粉質(zhì)粘土到中砂依次減小；聲波時(shí)差值從粉土到中砂依次減??；密度從黃土、古土壤、粉質(zhì)粘土到砂層、礫石依次變大，其中有些粉質(zhì)粘土的密度略高于粉砂層，是由于粘土在形成過(guò)程中，吸附性較強(qiáng)，吸附一些密度值較高的顆粒，而砂層膠結(jié)疏松，孔隙度較多引起的。

圖1 研究區(qū)主要巖性物性統(tǒng)計(jì)直方圖

2 含水層、隔水層概述

自然界的巖石和土壤大多為多孔介質(zhì)，它們本身的孔隙性有很大差異，有些能含水，有些不含水，有的雖然含水但很難透水。飽和帶中的巖性層根據(jù)其給出水的能力，可劃分為含水層與隔水層。

含水層是指能夠給出并透過(guò)相當(dāng)數(shù)量水的巖體。這類含水的巖體大都呈層狀，所以稱為含水層，如砂層、礫石層等。含水層不但儲(chǔ)存水，而且水在其中可以運(yùn)移。非固結(jié)沉積物是最主要的含水層，特別是砂和礫石層，這種含水層具有良好的透水性能，條件適宜時(shí)，在其中打井可獲得豐富的水量。

隔水層是指那些既不能給出又不能透過(guò)水的巖層，或者它給出或透過(guò)的水量都極少。通?？煞譃槎悾阂活愂侵旅軒r石，其中沒(méi)有或很少有孔隙，很少含水也不能透水，如某些致密的結(jié)晶巖石(花崗巖、閃長(zhǎng)巖、石英巖等)。另一種是顆粒細(xì)小，孔隙度很大，但孔隙直徑小，巖層中含水，但存在的水絕大多數(shù)是結(jié)合水，在常壓下不能排出，也不能透水。一般粘土、泥巖、頁(yè)巖為隔水層，砂巖、灰?guī)r、花崗巖既可以是隔水層，也可以是含水層.

含水層與隔水層的劃分是相對(duì)的，它們之間并沒(méi)有絕對(duì)的界線，在一定條件下兩者可以相互轉(zhuǎn)化。如粘土層，在一般條件下由于孔隙細(xì)小，飽含結(jié)合水，不能透水與給水，起隔水層作用。但在較大的水頭壓力作用下，部分結(jié)合水發(fā)生運(yùn)動(dòng)，也可以轉(zhuǎn)化為含水層。

3 含水層、隔水層的定性解釋

3.1 含水層、隔水層定性識(shí)別

經(jīng)學(xué)者多年的研究發(fā)現(xiàn)：地球物理測(cè)井方法可實(shí)現(xiàn)含水層與隔水層的定性與定量解釋，僅依靠單一測(cè)井曲線解釋含水層具有多解性，因此需要選取多曲線參數(shù)進(jìn)行含水層、隔水層的判別，如選取深淺側(cè)向測(cè)井進(jìn)行含水層的定性識(shí)別，電阻率曲線、自然伽馬曲線與自然電位曲線組合進(jìn)行含水層、隔水層的辨別。

基于上述研究成果，本次首先以自然伽馬曲線為主解釋曲線，結(jié)合電阻率曲線進(jìn)行全井段巖性層的劃分，然后對(duì)不同巖性層的自然電位值、自然伽馬值以及電阻率值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，建立GR-RT、GR-SP、RT-SP散點(diǎn)分析(圖2～圖4)，發(fā)現(xiàn)GR-SP能夠快速直觀地識(shí)別該研究區(qū)含水層與隔水層，RT-SP對(duì)于二者的識(shí)別度較低。由此可知：劃分巖性時(shí)，電阻率與自然伽馬起主導(dǎo)作用，而劃分含水層、隔水層時(shí)，自然伽馬與自然電位是主導(dǎo)曲線。經(jīng)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)：研究區(qū)含水層、隔水層測(cè)井曲線解釋模型為：含水層SP<-30 mV，GR<100 API；隔水層SP>30 mV，GR>100 API，可根據(jù)此模型，進(jìn)行研究區(qū)全鉆孔的含水層、隔水層解釋。

圖2 電阻率與自然伽馬交會(huì)圖分析 圖3 電阻率與自然電位交會(huì)圖分析

圖4 自然伽馬與自然電位曲線交會(huì)圖分析

3.2 含水層、隔水層地球物理特征

通過(guò)參考含水層測(cè)井劃分原則(圖5)，對(duì)研究區(qū)60口孔進(jìn)行含水層、隔水層層劃分(圖6)。本研究區(qū)含水層呈高電阻率、高自然電位負(fù)異常、低自然伽瑪，隔水層呈自然伽瑪、低電阻率、低自然電位負(fù)異常。

圖5 含水層與隔水層的定厚分析示意圖

圖6 含水層、隔水層測(cè)井曲線特征圖

經(jīng)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)：含水層巖性主要以礫石、粗砂、中砂與細(xì)砂，隔水層巖性為粉砂巖、粉土與粉質(zhì)粘土；含水層的自然伽馬值呈低值，其值在50～100 API，電阻率在20～700 Ω·m，自然電位呈高負(fù)異常，其值在-70～-30 mV，隔水層的自然伽馬呈高值，其值在100～150 API，電阻率值10～22 Ω·m，與含水層電阻率區(qū)別不明顯，自然電位呈負(fù)異常，其值在-30～-2 mV。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)多參數(shù)測(cè)井資料對(duì)含水層、隔水層的劃分及含水層的賦水性研究準(zhǔn)確可靠，本區(qū)含水層的賦存巖性為中砂、粗砂、細(xì)砂、圓礫，含水層的電阻率值在20～70 Ω·m之間，自然伽瑪值在50～100.25 API之間，自然電位值在-30～-70 mV之間；隔水層的賦存巖性為粉砂、粉質(zhì)粘土、粉土，隔水層的電阻率值在10～22 Ω·m之間，自然伽瑪值在100～150 API之間，自然電位值在-30～-2 mV之間。

(2)以自然伽馬曲線為主，異常半幅值點(diǎn)為解釋點(diǎn)，有效劃分各巖性層；將自然電位曲線異常根部突變點(diǎn)為解釋點(diǎn)，并結(jié)合自然伽馬曲線，準(zhǔn)確地劃分出含水層、隔水層。薄層解釋點(diǎn)相應(yīng)向異常頂部移動(dòng)。

(3)含水層的定性遵循“三高一低”的物性特征，即高電阻率、高自然電位負(fù)異常、低自然伽瑪、高中子孔隙度。隔水層的定性遵循“三低一高”的物性特征，即低電阻率、低自然電位負(fù)異常、高自然伽瑪、低中子孔隙度。