地球物理測井在多年凍土厚度和地下冰調查中的應用

蔣觀利， 吳青柏

中國科學院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所凍土工程國家重點實驗室， 蘭州 730000

?

地球物理測井在多年凍土厚度和地下冰調查中的應用

蔣觀利， 吳青柏

中國科學院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所凍土工程國家重點實驗室， 蘭州 730000

基于青藏高原多年凍土區(qū)三個鉆孔的地球物理測井數(shù)據(jù)和鉆孔編錄資料，我們對多年凍土厚度和多年凍土層內地下冰與地球物理測井數(shù)據(jù)之間的關系進行了相關的分析研究.研究表明，當?shù)貙訛橥寥李愋蜁r，可以使用井徑和側向測井曲線來判斷多年凍土層厚度；而當?shù)貙訛橹旅艿幕鶐r時，不能使用上述兩種測井曲線來判斷多年凍土層厚度.此外，還可以使用長源距伽馬-伽馬曲線和側向測井曲線來識別多年凍土層內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).這一研究結果對于利用地球物理測井曲線來調查多年凍土情況具有一定的應用價值.

地球物理測井； 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，對氣候變化的響應非常敏感，因此多年凍土變化也被認為是全球氣候變化的一個指示器 (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).在全球變暖的趨勢下，青藏高原多年凍土的相應變化對于生態(tài)環(huán)境、水文水資源和工程建設等將會產(chǎn)生重要的影響.因此，多年凍土條件調查是多年凍土研究的一項重要內容.

長期以來，凍土物探技術在開展多年凍土條件的調查研究中被廣泛使用，目前應用前景較好的凍土物探技術有高密度電阻率成像法和探地雷達.為了解凍脹丘地下冰和內部結構，Ross等(2007)使用高密度電阻率成像法對挪威斯瓦爾巴德群島地區(qū)的凍脹丘進行了調查；You等(2013)使用高密度電阻率成像法對青藏高原多年凍土厚度以及多年凍土層結構進行了調查；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多年凍土層進行了研究.Pan等(2014)使用探地雷達，輔助以地形測繪和鉆孔技術來研究了水文過程對青藏高原熱融湖塘的影響；杜二計等(2009)和胡俊等(2012)也使用探地雷達，對多處多年凍土的上限深度進行了識別.這些研究表明高密度電阻率成像法和探地雷達能夠探測多年凍土區(qū)不同地貌狀況內部的結構和相關情況，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較低的成本，快速地對較大面積的多年凍土區(qū)進行研究，并判斷地下冰的分布情況，但這些凍土物探方法結果的準確性，還是需要依據(jù)鉆孔結果來進行比對驗證.

地球物理測井是地球物理學科的重要分支，它以地層內各種不同實體的物性差異為基礎，通過相應的測井方法來反映地質剖面.常見的地球物理測井方法包括電阻率測井、聲學測井以及放射性測井等.從1928年Schlumberger兄弟使用電阻率方法進行測井以來，地球物理測井作為一種重要手段，在石油、天然氣和各種礦產(chǎn)資源的勘探與開發(fā)領域被廣泛應用(Timur and Toks?z, 1985; Ellis and Singer, 2007).隨著科學的進步，測井技術的發(fā)展使得研究人員可以利用各種測井技術對井下的情況進行分辨和解釋，并且其應用也不再僅僅局限于油氣和礦產(chǎn)領域.袁林旺等(2000)使用測井自然伽馬曲線，對古氣候進行反演，分析了自然伽馬曲線記錄的末次間冰期以來的環(huán)境變遷過程，證明了自然伽馬曲線較好地記錄了構造運動及氣候變化的影響.Herbert和Mayer(1991)認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鉆探計劃中，科學家們利用地球物理測井資料，對鉆孔進行了相當詳細的研究，明確了鉆孔內的相關情況，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).

一般來說，多年凍土厚度和地下冰分布的相關信息，主要是通過鉆探來獲得的；但由于鉆井過程的熱擾動較大，有時會導致難以很好地判斷多年凍土和地下冰的分布特征.然而地球物理測井卻有可能成為一個研究多年凍土厚度和地下冰分布的重要手段.因此，本文試圖結合地球物理測井相關數(shù)據(jù)和鉆孔巖芯編錄數(shù)據(jù)，來探討地球物理測井對多年凍土厚度和地下冰分布情況的響應關系.

2 鉆探和測井場地概況

2.1 鉆孔及測井

為了研究青藏高原多年凍土天然氣水合物，我們在青藏高原多年凍土區(qū)北麓河和昆侖山分別開展了深度為150 m、300 m和450 m深孔鉆探工作，鉆孔位置如圖1所示.鉆孔結束后，我們對每個鉆孔都開展了測井工作.測井深度從孔深5m處開始，測井內容包括側向測井、長短源距伽馬-伽馬、自然伽馬、聲波測井、密度測井和井徑等.

2.2 多年凍土及巖芯情況

3個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、砂巖和頁巖為主.具體的鉆孔信息如表1所示，3個鉆孔的巖芯示意圖，如圖2所示.

表1 鉆孔相關信息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井響應

在對比各種測井曲線之后(圖3顯示了2010年鉆孔的各種測井曲線)，我們發(fā)現(xiàn)，井徑和側向測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進行分析.

圖4a是2010年鉆孔的兩組測井數(shù)據(jù)對比圖.從圖4a中可以看到，井徑曲線的特征明顯地分成為2個部分：從10 m到110 m左右，井徑在一個較大的尺寸范圍內變化，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，側向測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以上電阻率波動較為劇烈，幅度為317～75 Ωm，平均約為122 Ωm，110 m以下則相對變化較小，幅度為75～8 Ωm，平均約為35 Ωm.作為兩組測井數(shù)據(jù)數(shù)值分界點的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年鉆孔的兩組測井數(shù)據(jù)對比圖.2012年的情況與2010年類似，其井徑和側向測井曲線根據(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，變化幅度相對較大，30 m以下，變化幅度相對較小.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井響應

為了便于與數(shù)字化的測井曲線進行比較，我們根據(jù)不同的標準將地下冰進行了數(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行數(shù)字化后，與側向測井和長源距伽馬-伽馬測井曲線進行比較，如圖5—7所示.

圖3 2010年鉆孔各種測井曲線對比圖Fig.3 Geophysical logging curves of 2010

圖4 2010年和2012年鉆孔井徑與側向測井曲線情況對比圖Fig.4 Comparision of lateral resistivity and caliper of 2010 and 2012

圖5 2010年鉆孔地下冰與測井曲線對比圖Fig.5 Underground ice compared with logging curves of 2010

圖6 2012年鉆孔地下冰與測井曲線對比圖Fig.6 Underground ice compared with logging curves of 2012

圖7 2013年鉆孔地下冰與測井曲線對比圖Fig.7 Underground ice compared with logging curves of 2013

圖8 2010年和2012年鉆孔測井曲線與測溫曲線(紅線)對比圖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，在側向測井和長源距伽馬-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并不顯著.

5 討論

5.1 多年凍土厚度與測井曲線的關系

為了驗證井徑和側向測井曲線是否可以反映多年凍土厚度，本文使用鉆孔測溫曲線來進行比對，如圖8所示.圖8a顯示，凍土測溫曲線顯示的多年凍土底板深度正好與井徑和側向測井曲線的分界點深度重合；這說明采用井徑和側向測井曲線來判斷多年凍土厚度是可行且準確的.

然而，圖8b顯示鉆孔測溫曲線指示的多年凍土底板深度為47.5 m，但依據(jù)井徑和側向測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深度附近開始出現(xiàn)泥巖夾雜少量砂巖的強風化層；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.

對于粘土和砂土一類的土壤來說，處于凍結狀態(tài)和非凍結狀態(tài)，其物理性質是有明顯的差異的.當?shù)貙犹幱趦鼋Y狀態(tài)時，鉆進過程對鉆孔周圍的凍土層產(chǎn)生強烈熱擾動，使鉆孔周圍一定范圍內的凍結粘土融化，融化后的土體在短時間內具有了較大的含水量，變得較軟，其物理性質極大地不同于未受到擾動的凍結土體，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，非凍結粘土在鉆探熱擾動前后較穩(wěn)定的含水量和泥漿護壁不會引起鉆孔塌孔，孔徑大小基本保持在一個較小的范圍內.因此，土壤在凍結和非凍結狀態(tài)下的差異，使得井徑在凍土層內較大，而在非凍土層內較小，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.

對于側向測井曲線來說，凍結與非凍結也會使得相同的地層產(chǎn)生不同特征的曲線.主要原因是因為多年凍土中含有冰，且冰的電阻率一般為500 kΩm(Makogon, 1988)，而天然水的電阻率一般不超過10 Ωm(林祖彬等，2010；李霞等，2014；劉江等，2007).因此，凍結的土壤，其電阻率是遠大于處于非凍結狀態(tài)的土壤的，這必將使得以真實電阻率為基礎的視電阻率值(側向測井值)產(chǎn)生差異，如圖8a所示.

對于泥巖和砂巖來說，凍結或非凍結狀態(tài)下其物理性質差異不大.盡管鉆探過程中的熱擾動對凍結的泥巖或砂巖會有影響，導致凍結基巖融化，但因為基巖本身力學性質較為穩(wěn)定，因而其井徑變化較小.對于側向測井來說，因為基巖本身致密而含水率較小，使得其在凍結和非凍結狀態(tài)下的電阻率差異較??；因此對于基巖來說，井徑和側向測井曲線無論在凍土層或是非凍土層中，其變化都不大，并不能很準確地指示多年凍土厚度.

5.2 多年凍土層內地下冰層與測井曲線的關系

側向測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.側向測井對多年凍土層中的冰透鏡體或冰層具有較好的響應.長源距伽馬-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數(shù)率(CPS)，密度大的地層，對伽馬射線吸收強烈，故計數(shù)率低；反之，密度小的地層則計數(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，相對來說要小于不含有冰層的地層密度.

從編錄記錄來看，與測井曲線對應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較大，另一種是冰層厚度相對較小但連續(xù)出現(xiàn).這兩種特征的冰層，使得其在采樣間隔為5 cm的測井過程中，能較好地被探測到；因此，含有這兩種特征的冰層所在的地層，其上述兩種測井曲線都與冰層具有較好的相關性.在有些地層中，側向測井曲線和長源距伽馬-伽馬曲線都有較好的相關性，指示了該層位處應該有冰層的存在.但在辨識巖芯時，并沒有發(fā)現(xiàn)冰層的存在.這種情況很可能是因為此處的冰層，屬于厚度不大，但連續(xù)出現(xiàn)的類型.鉆探過程熱擾動，導致了這些較小厚度的冰層融化，通過肉眼已經(jīng)無法辨識.

我們認為，側向測井曲線和長短源距伽馬-伽馬曲線這兩種測井曲線，在測井采樣率為5 cm的情況下，可以定性化指示凍土層內明顯的、厚度相對較大的冰層，或厚度較小但連續(xù)出現(xiàn)的冰層的存在，但分散的，厚度相對較小的冰層，則并不能通過這兩種測井曲線來準確反映.

6 結論

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

(2) 對于粘土質地層，因為其力學性質和電阻率性質，在凍結和非凍結狀態(tài)下有明顯的差異，使得其井徑和側向測井曲線在多年凍土底界上下有明顯的區(qū)別.而對于泥巖和砂巖類型的巖石來說，其力學性質和電阻率性質在凍結和非凍結狀態(tài)下差異很小，因此在多年凍土底界上下，其井徑和側向測井曲線沒有明顯區(qū)別.基于此，我們認為，對于地層為粘土類等在凍結和非凍結狀態(tài)下有明顯力學性質和電阻率性質差異的地層，可以使用井徑和側向測井這兩種測井曲線來判斷多年凍土層底界位置.

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

Cheng G D, Wu T H. 2007. Responses of permafrost to climate change and their environmental significance, Qinghai-Tibet Plateau.JournalofGeophysicalResearch:EarthSurface(2003—2012), 112(F2), doi: 10.1029/2006JF000631.

Collett T S, Lee M W. 2005. Electrical-resistivity well-log analysis of gas hydrate saturations in the JAPEX/JNOC/GSC et al. Mallik 5L-38 gas hydrate production research well. Geological Survey of Canada, Bulletin no. 585.

Du E J, Zhao L, Li R. 2009. The application of ground penetrating radar to permafrost investigation in Qilian Mountains.JournalofGlaciologyandGeocryology(in Chinese), 31(2): 364-371.

Ellis D V, Singer J M. 2007. Well Logging for Earth Scientists. Netherlands:Springer Science & Business Media.

Fortier R, LeBlanc A M, Allard M, et al. 2008. Internal structure and conditions of permafrost mounds at Umiujaq in Nunavik, Canada, inferred from field investigation and electrical resistivity tomography.CanadianJournalofEarthSciences, 45(3):367-387, doi: 10.1139/E08-004.

Guerin G, Goldberg D, Collett T S. 2005. Sonic attenuation in the JAPEX/JNOC/GSC et al. Mallik 5L-38 gas hydrate production research well. Geological Surveyof Canada, Bulletin no. 585.

Herbert T D, Mayer L A. 1991. Long climatic time series from sediment physical property measurements.JournalofSedimentaryResearch, 61(7): 1089-1108.

Hu J, Yu Q H, YouY H, et al. 2012.The study and application of the ground penetration radar to the forward modeling of permafrost area.GeophysicalandGeochemicalExploration(in Chinese), 36(3): 457-461.

Lewkowicz A G, Etzelmüller B, Smith S L. 2011.Characteristics of discontinuous permafrost based on ground temperature measurements and electrical resistivity tomography, southern Yukon, Canada.PermafrostandPeriglacialProcesses, 22(4): 320-342, doi: 10.1002/ppp.703.

Li X, Tan C Q, He X, et al. 2014.Calculation methods optimization of formation water resistivity and practical application.PetrochemicalIndustryApplication(in Chinese), 33(1): 85-88.

Lin Z B, Zeng J, Wang H L, et al. 2010.Correlation of formation water resistivity and buried depth in Junggar Basin.XinjiangPetroleumGeology(in Chinese), 31(1): 58-60.

Liu J, Wang A Y, Yu H J. 2007.Discussion of the formation water resistivity in a water-flooded zone.WorldWellLoggingTechnology(in Chinese), 22(6): 40-43.

Makogon Y F. 1988. Natural gas hydrates: the state of study in the USSR and perspectives for its use.∥ Third Chemical Congress of North America.Toronto, Canada,5-10.

Pan X C, You Y H, Roth K, et al. 2014. Mapping permafrost features that influence the hydrological processes of a Thermokarst Lake on the Qinghai-Tibet Plateau, China.PermafrostandPeriglacialProcesses, 25(1):60-68, doi: 10.1002/ppp.1797.

Ross N, Brabham P J, Harris C, et al. 2007. Internal structure of open system pingos, Adventdalen, Svalbard: the use of resistivity tomography to assess ground-ice conditions.JournalofEnvironmental&EngineeringGeophysics, 12(1): 113-126, doi: 10.2113/JEEG12.1.113. Takayama T, Nishi M, Uchida T, et al. 2005. Gas hydrate saturation analysis using density and nuclear magnetic-resonance logs from the JAPEX/JNOC/GSC et al. Mallik 5L-38 gas hydrate production research well. Geological Survey of Canada, Bulletin no. 585.

Timur A, Toks?z M N. 1985. Downhole geophysical logging.AnnualReviewofEarthandPlanetarySciences, 13(1):315-344, doi: 10.1146/annurev.ea.13.050185.001531.

You Y H, Yu Q H, Pan X C, et al. 2013.Application of electrical resistivity tomography in investigating depth of permafrost base and permafrost structure in Tibetan Plateau.ColdRegionsScienceandTechnology, 87:19-26, doi: 10.1016/j.coldregions.2012.11.004. Yuan L W, Chen Y, Zhou C L, et al. 2000.Correlation of environmental and climatic change between Qaidam Basin Gamma Ray logging curve and Guliya ice core δ18O record since the Last Interglacial Cycle.JournalofGlaciologyandGeocryology(in Chinese), 24(4): 327-332. Zhang T, Barry R G, Knowles K, et al. 2008. Statistics and characteristics of permafrost and ground-ice distribution in the Northern Hemisphere.PolarGeography, 31(1-2):47-68, doi: 10.1080/10889370802175895.

Zhou Y W, Guo D X, Qiu G Q, et al. 2000. Geocryology in China (in Chinese).Beijing: Science Press.

附中文參考文獻

杜二計, 趙林, 李韌. 2009. 探地雷達在祁連山多年凍土調查中的應用. 冰川凍土, 31(2): 364-371.

胡俊, 俞祁浩, 游艷輝等. 2012. 探地雷達在多年凍土區(qū)正演模型研究及應用. 物探化探, 36(3): 457-461.

李霞, 譚成仟, 何璇等. 2014. 地層水電阻率的計算方法優(yōu)選及實際應用. 石油化工應用, 33(1): 85-88.

林祖彬, 曾軍, 王洪亮等. 2010. 準噶爾盆地地層水電阻率與埋深的關系. 新疆石油地質, 31(1): 58-60.

劉江, 汪愛云, 于海江. 2007. 關于水淹層地層水電阻率的探討. 國外測井技術, 22(6): 40-43.

袁林旺, 陳曄, 周春林等. 2000. 柴達木盆地自然伽瑪曲線與古里雅冰芯記錄的末次間冰期以來氣候環(huán)境變化過程的對比. 冰川凍土, 22(4): 327-332.

周幼吾, 郭東信, 邱國慶等. 2000. 中國凍土. 北京: 科學出版社.

(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.

中國科學院西部行動計劃(KZCX2-XB3-03)和國家自然科學基金(41330634,41001038)資助.

蔣觀利，男，1978年出生，2009年畢業(yè)于中國科學院寒區(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. 地球物理測井在多年凍土厚度和地下冰調查中的應用. 地球物理學報，59(9):3482-3490,

Jiang G L， Wu Q B. 2016. Application of geophysical logging in the surveys of permafrost thickness and underground ice.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),59(9):3482-3490,doi:10.6038/cjg20160930.