水文钻探和水文地质物探课件

第二章水文钻探和水文地质物探吉林大学环境与资源学院地下水科学与工程系梁秀娟水工楼2072.1水文钻探一、水文钻探工作的基本任务水文钻探是直接探明地下水的一种最重要、最可靠的勘探手段，是进行各种水文地质试验的必备工程，也是对地下水资源调查、水文地质物探成果所作地质结论的检验方法。（1）揭露含水层，探明含水层的埋藏深度、厚度、岩性和水头压力；查明含水层之间的水力联系；（2）借助钻孔进行各种水文地质试验，确定含水层富水性和各种水文地质参数；（3）通过钻孔（或在钻进过程中）采集水样、岩土样，确定含水层的水质、水温和测定岩土的物理力学和水理性质；（4）利用钻孔监测地下水动态或将钻孔作为供水井。二、水文钻孔设计1.水文钻孔的特点（1）钻孔的直径（口径）较大（2）钻孔的结构复杂（3）需要过滤器（4）冲洗液质量的要求（5）孔身斜度要求（6）观测项目多图3－1水井结构图2.水文钻孔的设计（1）孔深。一般要求达到揭露或打穿主要含水层；（2）开孔、终孔的直径及孔身变径位置。开孔直径，在松散岩层中，一般应大于450mm；在坚硬岩石中，应大于290mm。为简化水井结构，应尽可能采用“一径到底”。当不得不变径时，井孔直径大小应依据取水泵型确定；（3）不同口径井管的下置深度及所选用的井管材料；（4）钻孔中止水段的位置和止水方法；（5）过滤器的类型和过滤器下置深度；（6）对水井中的非开采含水层段，提出井壁与井管之间隙的回填封堵段的位置、使用材料及要求；（7）钻进方法及技术要求，包括对冲洗液质量、岩芯采取率、岩土水样采集、洗孔及孔斜等的要求，以及对观测和编录方面的技术要求。设计书应附有设计钻孔的地层岩性剖面、井孔结构剖面和钻孔平面位置图。三、钻进过程中的水文地质观测工作1.目的（1）及时发现孔底地层岩石的变化，并进行观测以弥补岩芯采取率的不足；（2）及时发现钻孔是否揭露了某个含水层（带）；（3）帮助确定含水层（带）的埋藏深度、厚度及其富水性；（4）分别取得不同含水层的水头、水温和水化学成分的资料；（5）为最终确定水井的成井结构提供所需地质依据。2.主要观测项目（1）岩性描述（2）水位观测（3）水温观测（4）冲洗液性质及消耗量的观测（5）观测和记录钻孔的涌水、涌砂、涌气现象及其起止深度及数量；（6）观测和记录钻进速度、孔底压力及钻具突然下落（掉钻）、孔壁坍塌、缩径等现象和其深度；（7）按钻孔设计书的要求及时采集水、气、岩、土样品；（8）在钻进工作结束后，按要求进行综合性的水文地质物探测井工作。3.钻孔的编录工作根据钻探班报表，整理岩芯，校正岩芯长度，深度和岩芯采取率。综合岩芯观测资料和钻进中水文地质观测记录确定含水层位及其深度，地层时代和岩性的分层位置。整理有关钻孔施工资料。汇总各种资料，编制水文地质钻孔综合成果图表。1.一般原则（1）布置钻孔时要考虑水文钻探的主要任务，应明确是查明区域水文地质条件，还是确定含水层水文地质参数、寻找富水带、评价地下水资源或进行地下水动态观测；主要任务不同，钻孔布置方案必然有所区别。（2）布置钻孔时要考虑“一孔多用”，如既是水文地质勘探孔，又可保留作为地下水动态观测孔；或者既是勘探孔，又可留用为开采井。（3）在确定其钻孔位置时，均应考虑其代表性和控制意义。（4）为分析、认识区域水文地质条件的变化规律，水文钻孔应布置成勘探线的形式。四、水文勘探钻孔的布置原则（1）为查明区域水文地质条件布置的钻孔，一般都布置成勘探线的形式。（2）主要为地下水资源评价布置的勘探孔，其布置方案必须考虑拟采用的地下水资源评价方法。（3）以供水为勘查目的的勘探孔，按总原则布置钻孔时，应考虑勘探—开采结合，钻孔一般应布置在含水层（带）富水性最好、成井把握性最大的地段。2.区域地下水资源调查和供水水文地质调查2.2水文地质物探物探方法成本低、速度快、用途广泛，是水文地质调查中的重要勘查手段。随着新技术、新方法的不断涌现，解释水平的不断提高，应用前景十分广阔。其基本原理是依据不同类型或不同含水岩石、不同矿化度水体之间存在着物性上（导电性、导热性、热容量、温度、密度、磁性、弹性波传播速度及放射性等）的差异，借助各种物探测量仪器探明这些差异，进而分析判断岩性、构造及其含水性能，为分析水文地质条件和进一步布置勘探工作提供依据。一、地面物探1.电阻率法电阻率是描述物质导电性能的一个电性参数。岩石的电阻率与岩石的矿物成份、结构、孔隙度、含水量及地下水的矿化度有关。通过测量岩石的电阻率值，分析推断地质体的水文地质特征，从而解决有关地质问题。电阻率法可用于查明下列水文地质问题：（1）确定含水层的分布、厚度及埋深、寻找古河道、古冲洪积扇等；（2）寻找断裂破碎带，岩溶发育带的分布、位置、圈定富水带，确定覆盖层及风化层的厚度等；（3）划分咸淡水界面，寻找淡水透镜体；（4）推估水文地质参数等。2.自然电场法自然电场法是以地下存在的天然电场作为场源。由于天然电场与地下水通过岩石孔隙、裂隙时的渗透作用及地下水中离子的扩散、吸附作用有关。因此，可根据在地面测量到的电场变化情况，查明地下水的埋藏、分布和运动状况。主要是用于寻找掩埋的古河道、基岩中的含水破碎带及确定水库、河床及堤坝的渗漏通道，以及测定抽水钻孔的影响半径等。使用条件：主要决定于地下水渗透作用所形成的过滤电场的强度。一般只有在地下水埋藏较浅、水力坡度较大和所形成的过滤电位强度较大时，才能在地面测量到较明显的自然电位异常。3.激发极化法在人工电场的作用下，地质体在其周围会产生二次电场。当停止供电后，二次电场会逐渐衰减，激发极化法就是利用二次场衰减特征来寻找地下水。二次场的衰减特征可用视极化率（ηs）、视频散率（PS）（交流极化法的基本测量参数）、衰减度（D）、衰减时（τ）表示。判断地下水存在效果较好的测量参数，通常是τ和D。τ是指二次场电位差（△Uz）衰减到某一规定数值时（通常规定为50％）所需的时间（单位为s）。D亦是反映极化电场（即二次场）衰减快慢的一种测量参数（用百分数表示）。由于岩石中的含水或富水地段水分子的极化能力较强，又因二次场一般衰减慢，故D和τ值相对较大。激发极化法和电阻率法一样，分为测深法、剖面法和测井法。激发极化测深法用得最多，主要用于寻找层状或似层状分布的各种地下水以及较大的溶洞含水带，并可确定它们的埋藏深度。还可根据含水因素（MS）（含水因素是指衰减时间（s）－极距（AB／2）曲线图上，不同极距区间曲线与横坐标（AB／2）所包围的面积，它反映出不同深度区间岩石的含水性）和已知钻孔涌水量的相关关系，估计设计钻孔的涌水量。这种方法不适用于覆盖层较厚（如大于20m）和工业游散电流较强的地区。电源笨重、工作效率较低、成本较高，是这种方法的不足之处。4.交变电磁场法交变电磁场法是以岩石、矿石（包括水）的导电性、导磁性及介电性的差异为基础，通过对以上物理场空间和时间分布特征的研究，达到查明隐伏地质体和地下水的目的。电磁法是一种相对较新的物探方法。目前已在生产中使用的有甚低频电磁法（利用超长波通讯电台发射的电磁波为场源）、频率测深法（以改变电磁场频率来测得不同深度的岩性）、地质雷达法（利用高频电磁波束在地下电性界面上的反射来达到探测地质对象的目的）等。其中，甚低频法对确定低阻体（如断裂带、岩溶发育带和含水裂隙带）比较有效；而地质雷达则具较高的分辨率（可达数厘米），可测出地下目的物的形状、大小及其空间位置。5.核磁共振找水核磁共振（NMR）技术是当今世界上的尖端技术，采用核磁共振方法直接探查地下水。该方法的基本原理是通过测量地层水中的氢核来直接找水。当施加一个与地磁场方向不同的外磁场时，氢核磁矩将偏离磁场方向，一旦外磁场消失，氢核将绕地磁场旋进，其磁矩方向恢复到地磁场方向。通过施加具有拉摩尔园频率的外磁场，再测量氢核的共振讯号，便可实现核磁共振测量。目前在我国西北干旱地区及岩溶区等地找水，已取得较好效果，但该仪器价格昂贵，抗干扰性差，发射／接收线圈直径较大等，限制了其推广使用。6.地震勘探地震勘探是根据土和岩石的弹性性质，测定人工激发所产生的弹性波在地壳内的传播速度来探测地质结构及含水界面的物探方法。该种方法具有勘探深度大，探测精度高的优点。可用来确定覆盖层和风化层的厚度，潜水面埋藏深度，划分岩层结构，探测断层和岩溶发育带位置。在地热勘探中常使用该方法探明深部地质构造，判断地热层的分布情况。7.天然放射性找水法放射性探测法主要适用于寻找基岩地下水，①不同类型岩石，放射性强度有差异；②岩石中断裂带和裂隙发育带，常是放射性气体运移和聚积的场所，故可形成放射性异常带；③在地下水流动过程中（特别是在出露地段），由于水文地球化学条件的突然改变，可导致水中某些放射性元素的沉淀或富集，从而形成放射性异常。由于地下水中所含放射性物质甚微，所以利用天然放射性找水，并非直接测定地下水的放射性，而是通过测定岩石的放射性差异去判断有无含水的岩层，有无可供地下水赋存的断裂、裂隙（通道）构造。①γ测量法。所测量的是铀、钍、钾等放射性元素及其子体辐射出的γ射线的总强度。本方法使用的仪器轻便，工作效率高，对查明岩层分界线和破碎带有一定效果；但其异常显示不够明显，覆盖土层厚度较大时效果不佳。②放射性能谱测量法。是在γ测量法的基础上新推出的方法。它除能测量出γ射线总强度外，并且可根据所记录的特征谱段的γ射线强度，区分出铀、钍、钾的γ辐射强度。在同一测量剖面线上，四条辐射强度曲线的相互配合，可大大提高地质解释的精度。③射气测量法。该方法是用射气仪（测氡仪）测量土壤中放射性气体（主要是氡气）的浓度，以发现浮土下的放射性异常带。④α径迹测量法和α卡法。这两种方法均是测量土壤盖层中α射线的方法。前者所测得的α射线是氡和其它放射性同位素共同产生的，而后者所测得的仅是氡及其子体所产生的α射线强度。α径迹法是将特制的薄膜（或胶片）放在固体绝缘容器中（一般用陶瓷杯），将容器倒置埋设于地面下0.3－0.6m深度内，经过10－20d后，取出特制薄膜（或胶片），在显微镜下统计出薄膜上被α射线轰击后留下的潜迹（孔），从而确定出α射线强度；α卡法则是将特制的α卡片埋置于地下，使之聚积氡的衰变子体，而后使用α辐射仪测量出α射线强度。这两种方法，由于接收片在地下埋置的时间较长，聚积的放射性元素多，接收到的辐射量大，因而捕捉到的异常突出清晰，测量结果精度较高，且在浮土厚度较大时（数十米）亦不受影响。两种方法的主要缺点是工期较长。⑤210Po法。它和α卡法一样，也是一种长期积累的测氡方法，但它是通过采集土样，经化学处理后，使土样中的210Po元素置换到某种金属片上，再用α辐射仪测量210Po放出的α射线强度。由于210Po是一个长寿命、强辐射的天然同位素，故其探测深度亦较大。不适用于土层经过再搬运的地区。二、地球物理测井法地球物理测井方法可用于钻孔剖面的岩性分层，判断含水层（带）、岩溶发育带和咸淡水分界面位置（深度）及确定水文地质参数等。当采用无芯钻进或钻进取芯不足时，物探测井更是不可缺少的探测手段。物探测井的地质-水文地质解释精度，在确定钻孔中的岩层分界面和出水裂隙段位置的可靠性和精度方面，有时甚至比钻探取芯还高。1.主要测井方法（1）普通视电阻率测井：除划分钻孔地层剖面外，主要用于确定含水层的位置及厚度，测定岩石电阻率参数和岩石孔隙度；（2）井液电阻率测井：其中的扩散法，能可靠的确定钻孔中含水层（出水段）的位置和厚度，比较推断含水层的富水性，求地下水的渗透速度和间接计算渗透系数；（3）自然电位测井：可确定地下水的矿化度和咸淡水界面，估计地层的含泥量；（4）伽玛—伽玛测井：可按密度区分岩性、划分剖面，确定含水层和岩石的孔隙度；（5）中子测井：用于划分岩性，查明含水层，确定孔隙度和测定含水量；（6）放射性同位素测井：同位素示踪法是目前测定地下水流向、流速、渗透系数和水质弥散系数的主要方法，还可用于确定井内出水和套管破裂位置，检查井管外封堵质量和寻找水库（坝下）渗漏通道；（7）声波测井：主要用于测定岩石的孔隙度，也用于划分岩性，作地层对比，划分含水破裂带等；（8）热测井：测地温梯度，测定井内进（漏）水位置。流速（流量）测井：能直接测量出钻孔中各个含水层（或含水段）的厚度、流速和出水量，并能计算出各含水层（段）的渗透系数，确定钻孔中各个含水层之间的补排关系，检查钻孔止水效果和确定过滤器有效长度。三、水文地质人员在物探工作中的任务l.掌握物探方法的使用条件物探方法是一种先进的勘察技术，但它能否取得好效果，还取决于一系列自然与人为因素。当能满足下列使用条件时，才能有较好的效果。（1）探测对象（岩层或含水带）与围岩之间存在比较显著的物性差异；（2）这种物性差异，要有一定的异常幅度，并能在所探测的深度内能被目前使用的物探仪器测量出来；（3）探测对象呈现的异常现象，能与其它自然和人为干扰因素引起的异常现象很好地区别开来；（4）要求被探测对象要有一定的规模（厚度或范围），埋藏不能太深，其它自然和人为干扰因素（地形坡度、切割程度、浮土厚度、工业地电、地下金属管道等）的影响不能太强烈。2.提出水文地质物探工作的探测任务水文地质物探的任务，主要有两个方面：通过地面物探（或航空物探）方法寻找含水层或富水带，确定它们的分布范围、埋藏深度、厚度和产状；通过物探测井方法准确地确定含水层（带）的厚度、深度、富水程度、咸淡水界面位置，或测定某些水文地质参数及完成某些水井工程探测任务（测量井径、井斜和检查钻孔止水效果）等。3.确定物探方法，选定物探测线、测点的布置方案和测量装置对选定的物探方法，要通过现场试验验证后再作决定。如能使用综合物探手段完成同一项任务，则可相互验证，取长补短，以提高成果解释的可靠性和精度。为探测倾角不大的层状含水层，可同时使用电阻率测深法和激发极化测深法；为寻找基岩脉状富水带，可同时使用电剖面法、磁法、γ测量法和射气测量法等找水方法。我国煤炭水文地质部门在北方岩溶区的勘探钻孔中，常使用视电阻率法、自然电位法、井液电阻率法、γ-γ法、中子法、井下电视等多种测井方法，综合确定岩溶发育段位置、含水层位置等，取得了令人满意的效果。使用电阻率测深（或剖面）法，则首先须确定测线的位置、方位、测点间距和测线之间的距离；同时，也要正确地选择供电极距、