青藏高原岡底斯成礦帶東段水文測(cè)井評(píng)價(jià)方法

劉康林， 謝小國， 郝紅兵， 章 旭

(1. 中國地質(zhì)科學(xué)院 探礦工藝研究所，成都 611734；2. 四川省華地建設(shè)工程有限責(zé)任公司，成都 610081；3. 成都理工大學(xué)，成都 610059)

0 引言

青藏高原岡底斯成礦帶地處西藏自治區(qū)中部，位于印度河-雅魯藏布江結(jié)合帶與獅泉河-阿索-九子拉-嘉黎結(jié)合帶之間。岡底斯成礦帶東段主要屬其中岡底斯-念青唐古拉板塊和喜馬拉雅板塊的范圍，中跨雅魯藏布江縫合帶(圖1)[1-3]。該區(qū)為西藏人居分布和城鎮(zhèn)建設(shè)發(fā)展的重要地區(qū)，區(qū)內(nèi)降水較為貧乏，地下水類型主要為河谷地帶松散巖類孔隙水。主要水文地質(zhì)問題表現(xiàn)為干旱缺水、礦山開發(fā)潛在的地下水污染問題，局部由于干旱缺水引發(fā)草地退化、土地沙化等環(huán)境地質(zhì)問題[4]，因此開展水文地質(zhì)調(diào)查工作顯得意義重大。

測(cè)井曲線具有連續(xù)性好、精度高，包含豐富的地質(zhì)信息等特點(diǎn)。結(jié)合水文地質(zhì)勘查的需要，水文測(cè)井一般要解決的地質(zhì)問題包括：①劃分地層，確定含水層與隔水層的層位和厚度；②劃分咸淡水界面、估計(jì)地下水的礦化度；③估算水文地質(zhì)參數(shù)，包括含水層的孔隙度、滲透系數(shù)及涌水量等[5-8]。筆者嘗試?yán)脺y(cè)井方法評(píng)價(jià)青藏高原岡底斯成礦帶東段日喀則市幅、拉孜縣幅水文地質(zhì)特征，為水文地質(zhì)勘查提供一定的借鑒作用。

1 含水層地質(zhì)特征

青藏高原岡底斯成礦帶含水巖組類型主要為：①松散巖類孔隙水含水巖組；②碎屑巖類孔隙裂隙水含水巖組；③碳酸鹽巖類及碳酸鹽巖夾碎屑巖類巖溶裂隙含水巖組；④巖漿巖類裂隙水含水巖組；⑤變質(zhì)巖類裂隙含水巖組等類型[9-10]。其中岡底斯成礦帶東段主要為水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)較均一的谷地，以“一江兩河”中部流域?yàn)榇韀11]，為該地區(qū)主要含水巖組之一。含水層為較均一的砂質(zhì)礫石、砂卵礫石、卵礫石夾少量砂層，個(gè)別地段夾有不厚的亞砂土、亞粘土，質(zhì)地純凈、富水性好，厚度大(圖2)。

圖1 工區(qū)水文地質(zhì)略圖Fig.1 Hydrological geological map of Gangdise metallogenic belt

圖2 工區(qū)水文鉆孔剖面Fig.2 Hydrology drilling section of Gangdise metallogenic belt(a)ZK04;(b)ZK05;(c)ZK08;(d)ZK10

青藏高原岡底斯成礦帶地下水礦化度大部分一般小于0.3g/L，水質(zhì)較好，多為HCO3-Ca(或Ca·Mg)型水。其中日喀則市幅含水層礦化度為146 mg/L～402 mg/L；滲透系數(shù)從0.66 m/d～150.4 m/d不等；除個(gè)別孔外，其他孔涌水量較大，一般大于4 000 m3/d。拉孜縣幅含水層礦化度在84 mg/L～730 mg/L之間；滲透系數(shù)和涌水量均較小，滲透系數(shù)基本于20 m/d，涌水量一般小于600 m3/d。

2 水文地質(zhì)參數(shù)測(cè)井評(píng)價(jià)

2.1 泥質(zhì)含量

水文測(cè)井研究的重點(diǎn)是含水層,利用自然伽馬、視電阻率能很好地識(shí)別出含水層與隔水層[12-13]。第四系松散地層以孔隙水為主，主要的富水層位為砂卵礫石層，主要的隔水層為泥質(zhì)含量高的粘土層。因此可以利用自然伽馬計(jì)算堆積物松散層的泥質(zhì)含量：

(1)

(2)

式中：GR為自然伽馬測(cè)井值，API；GRmin為自然伽馬最小值，API；GRmax為自然伽馬最大值，API；GCUR為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，第三紀(jì)地層以上取3.7。

2.2 礦化度

視電阻率具有探測(cè)深度大、反映地下水礦化度靈敏的特點(diǎn)[14-18]。分析可知，工區(qū)測(cè)試的地下水礦化度與測(cè)井電阻率的對(duì)數(shù)值具有較好的相關(guān)性(圖3)。

Cw=-874×ln(lgRt)+709.2

R2=0.626

(3)

式中：Cw為地下水礦化度，mg/L；Rt為視電阻率，Ω·m。

圖3 視電阻率與(測(cè)試)地層水礦化度相關(guān)關(guān)系Fig.3 Related relationship of resistivity and salinity (test)

2.3 孔隙度

利用聲波時(shí)差計(jì)算地層的孔隙度為式(4)[19]

(4)

式中：Δt為聲波時(shí)差測(cè)井曲線值，μs/m；Δtf為流體聲波時(shí)差值，μs/m；Cp為壓實(shí)校正系數(shù)；Δtsh為泥巖段的聲波時(shí)差值，μs/m；φ為孔隙度值，%。

2.4 滲透系數(shù)

滲透系數(shù)是描述含水層介質(zhì)透水能力的一個(gè)重要參數(shù)，它與含水層介質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與地下水性質(zhì)有關(guān)[20]。滲透率是表征流體介質(zhì)滲透性能的參數(shù)，一般它與地層孔隙度具有較好的相關(guān)性，而滲透系數(shù)與滲透率存在如下關(guān)系[21]：

K=k×γ/u

(5)

式中：K為滲透系數(shù)，m/d；k為滲透率，mD；γ為水的容重，9.8 kN/m3；u為粘滯系數(shù)。

基于以上分析，可以建立起岡底斯成礦帶日喀則市幅、拉孜縣幅的滲透系數(shù)與孔隙度的相關(guān)關(guān)系(圖4)：

日喀則市幅：K=10-5×e0.663×φ

R2=0.988

(6)

拉孜縣幅：K=0.253×e0.155×φ

R2=0.811

(7)

圖4 滲透系數(shù)與孔隙度相關(guān)關(guān)系Fig.4 Related relationship of permeability coefficient and porosity

2.5 單井涌水量

利用裘布依公式計(jì)算單井涌水量為式(8)[22-26]：

(8)

式中：Q為單井涌水量，m3/d；K為滲透系數(shù)；M為含水層累計(jì)厚度，m；S為抽水井水位降深，m；R為影響半徑，m；r為抽水井半徑，m。

3 應(yīng)用分析

3.1 單孔水文測(cè)井解釋

以日喀則市幅ZK02號(hào)水文鉆孔為例，該孔120 m以上鉆遇的巖性以灰黃色、松散、不可塑的砂卵礫石為主，抽水試驗(yàn)確定其影響半徑為617 m，滲透系數(shù)為38.1 m/d，涌水量為5 497 m3/d，水樣測(cè)試礦化度為180 mg/L。

利用建立的測(cè)井解釋模型分析ZK02號(hào)孔水文地質(zhì)參數(shù)，測(cè)井解釋8.75 m～118.10 m為砂礫石和粉砂質(zhì)礫石，為含水層段，自然伽馬為97 API ～147 API，平均為121 API；電阻率為35.4Ω·m ～139.3 Ω·m，平均為84 Ω·m；聲波時(shí)差為279 μs/m ～348 μs/m，平均為289 μs/m。測(cè)井解釋地層水礦化度為137 mg/L，孔隙度平均為22.5%，滲透系數(shù)為38.2 m/d，涌水量為3 152 m3/d，測(cè)井解釋結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合度較高(圖5)。

圖5 日喀則市幅ZK02號(hào)孔水文測(cè)井解釋成果圖Fig.5 The chart of hydrologic logging interpretation of ZK02 in Shigatse

孔號(hào)ZK01ZK02ZK04ZK05ZK06ZK07ZK08ZK09ZK10試驗(yàn)測(cè)試礦化度/mg·L-122818014640226084730160346涌水量/m3·d-1584654974724425958384188158516滲透系數(shù)/m·d-1150.438.113.231.10.71.93.016.74.2影響半徑/m625617362492351989833186測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)視電阻率/Ω·m2884562288100163947自然伽馬/API56708863702307444149聲波時(shí)差/s·m-1299289277284260235266297279含水層厚度/m38.3109.496.481.013.979.975.414.795.6測(cè)井分析礦化度/mg·L-1386137221452128103547303260孔隙度/%24.622.520.021.516.511.417.824.220.5滲透系數(shù)/m·d-1150.138.17.419.20.71.54.010.76.0涌水量/m3·d-143353152574120912103291184508

3.2 工區(qū)綜合分析

基于水文地質(zhì)參數(shù)測(cè)井解釋模型，對(duì)青藏高原岡底斯成礦帶東段的日喀則市幅、拉孜縣幅水文鉆孔的礦化度、滲透系數(shù)、涌水量等進(jìn)行分析預(yù)測(cè)(表1)。從表1可以看出，測(cè)井解釋礦化度與水樣測(cè)試礦化度比較接近，誤差范圍在±200 mg/L之間；滲透系數(shù)最大誤差為11.9 mg/L，平均誤差為2.4 mg/L；除ZK04、ZK05號(hào)孔外，其他鉆孔測(cè)井解釋涌水量與抽水試驗(yàn)確定的涌水量基本在同一個(gè)數(shù)量級(jí)范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

1)青藏高原岡底斯成礦帶東段含水層段主要為砂卵礫石等松散巖類，以孔隙水為主，富水性好，厚度大，隔水層主要為粘土、粉土等。

2)根據(jù)建立的測(cè)井解釋模型計(jì)算了水文地質(zhì)參數(shù)，結(jié)果表明，測(cè)井解釋的礦化度、滲透系數(shù)、涌水量與抽水試驗(yàn)和水質(zhì)測(cè)試結(jié)果吻合度高，應(yīng)用效果明顯。

3)實(shí)踐表明測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)能夠較敏感地反映地下水富集情況，對(duì)水文地質(zhì)研究提供了借鑒。

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