利用自然電位曲線劃分咸淡水界面

馬安麗

(安徽省煤田地質(zhì)局水文勘探隊(duì)，安徽 宿州 234000)

早期的測(cè)井是將電極系放到井下，在供電電極供給電流時(shí)，地面用電位計(jì)觀察測(cè)量電極間電位差的變化。然而，在供電電極停止供電后，當(dāng)提升電極跨過地層界面時(shí)，仍然觀察到電位計(jì)指針的變化。于是發(fā)現(xiàn)了自然電位測(cè)井。自然電位測(cè)井設(shè)備簡(jiǎn)單，測(cè)量速度快，生產(chǎn)效率高，在確定地下水埋藏、分布、估計(jì)滲透層以及區(qū)分咸淡水界面等方面應(yīng)用很廣泛。

1 基本原理

把一個(gè)電極埋設(shè)在地面，另一個(gè)電極放入井下，用導(dǎo)線將它們與電位計(jì)連接起來，便會(huì)發(fā)現(xiàn)兩個(gè)電極之間存在一個(gè)電位差，使檢流計(jì)指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。這個(gè)天然存在的電位差主要由兩部分組成:

1.1 電極極化電位差

電極極化電位產(chǎn)生在電極與其介質(zhì)的接觸面上。它不是在地層中天然存在的一種電位，而是因?yàn)殡姌O與水或含水的土壤接觸而產(chǎn)生的。在自然電位法測(cè)井中，這部分電位差是一種干擾因素。

1.2 自然電位差

自然電位差是在地下天然存在的與電極無關(guān)的電位差。形成自然電位差的原因很多，如因溶液濃度的不同而產(chǎn)生的擴(kuò)散電位，因井液與地下水壓力的不同而產(chǎn)生的滲透電位，因地層中的電化學(xué)活動(dòng)較強(qiáng)的物質(zhì)的氧化、還原而產(chǎn)生的氧化還原電位等。在上述成因中，主要的及意義最大的是擴(kuò)散電位。

當(dāng)溶解在井液和地層水中的鹽的濃度(即礦化度)不同時(shí)，離子就會(huì)從濃度大的一方向濃度小的一方擴(kuò)散。各種離子的遷移率是不同的，非金屬離子的遷移率快，金屬離子的遷移率慢。以氯化鈉為例，鈉離子是金屬離子，帶正電，氯離子是非金屬離子，帶負(fù)電。氯離子的移動(dòng)速度比鈉離子快，擴(kuò)散的結(jié)果就會(huì)出現(xiàn)在濃度大的一方正離子過剩而帶正電，濃度小的一方負(fù)離子過剩而帶負(fù)電。

1.3 自然電位曲線性質(zhì)

1.3.1 曲線形態(tài)與礦化度的關(guān)系

以自然電位為橫坐標(biāo)，測(cè)量深度為縱坐標(biāo)，將觀測(cè)結(jié)果點(diǎn)繪到方格紙上?？v坐標(biāo)的比例尺應(yīng)與視電阻率測(cè)井曲線一致。橫坐標(biāo)比例尺可選用每厘米代表10 mV或20 mV，坐標(biāo)向右的方向?yàn)檎姆较颉?/p>

假設(shè)上層為咸水，其礦化度為C1，下層為淡水，其礦化度為C2，井液礦化度為C0，自然電位曲線有以下四種類型:

(1)當(dāng)C0＞C1＞C2時(shí)，砂層在曲線上表現(xiàn)全部為正異常，但在咸水層中的異常幅值小于淡水層中的異常幅值 (見圖1曲線1);

(2)當(dāng)C0＜C2＜C1時(shí)，砂層在曲線上表現(xiàn)全部為負(fù)異常，但在咸水層中的異常幅值大于淡水層中的異常幅值 (見圖1曲線2);

(3)當(dāng)C2＜C0＜C1時(shí)，咸水砂層在曲線上表現(xiàn)

為負(fù)異常，淡水砂層在曲線上表現(xiàn)為正異常(見圖1曲線3);

圖1 自然電位曲線

(4)當(dāng)C0與C1或C2接近時(shí)，砂層在曲線上不顯示異常，在沒有砂層時(shí)，盡管C0與C1或C2相差很多也不顯示異常(見圖1曲線4)。

1.3.2 曲線異常幅值與咸淡水界面的關(guān)系

咸淡水界面是根據(jù)自然電位異常幅值的一半來確定的，曲線半幅點(diǎn)的深度就是咸淡水的界面的深度。

2 實(shí)際應(yīng)用

筆者對(duì)W5孔應(yīng)用自然電位法、梯度電極系和二極法三種方法分別進(jìn)行測(cè)井，其工作任務(wù)是:劃分咸淡水界面深度，進(jìn)一步驗(yàn)證自然電位法劃分咸淡水界面的準(zhǔn)確性。

2.1 測(cè)井流程

為使極化電位較穩(wěn)定，先進(jìn)行梯度法測(cè)量，后進(jìn)行二極法測(cè)量，自然電位法可以與二極法同時(shí)測(cè)量。

2.2 資料解釋

圖2 W5孔的二極法、梯度法、自然電位法測(cè)井曲線

圖二為W5孔的三條測(cè)井曲線。從三條測(cè)井曲線分析可知:在深度62 m以上，二極法曲線起伏較小，最大的視電阻率ρs特征值不大于15Ω.m;梯度曲線較平直，視電阻率ρs特征值為7Ω.m左右;自然電位曲線為負(fù)異常，都說明62 m以上為咸水層，并且地下水礦化度大于井液礦化度。62 m以下，二極法曲線最大的視電阻率ρs特征值接近20Ω.m;梯度曲線最大的視電阻率ρs特征值為35Ω.m;自然電位曲線為正異常，說明62 m以下為淡水層，并且地下水礦化度小于井液礦化度。在淡水層中有三層砂層，三條曲線均有明顯的顯示。通過相互驗(yàn)證，三條曲線所確定的咸淡水界面深度基本一致，進(jìn)一步說明了自然電位電法劃分咸淡水界面的準(zhǔn)確性和可靠性。

3 影響因素

自然電位測(cè)井的影響因素較多，如工業(yè)雜散電流的影響、絞車滑環(huán)接觸電阻的影響、儀器面板插座接觸不良的影響等，都會(huì)使曲線的中線偏斜或彎曲，甚至?xí)骨€沒有規(guī)律，找不出中線，給分析造成困難。

4 結(jié)語

利用自然電位曲線有效地劃分了咸淡水界面，確定了淡水體的埋深，合理指導(dǎo)鉆孔的布置及成井，取得了明顯的地質(zhì)效果。