论物探找水定井方法、问题及特点.docx
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1、 论物探找水定井方法、问题及特点 郑州地象科技有限公司 寇通 寇伟 摘要:自2012年开始研发MT-VCT大地电磁成像探测仪,最初几年重点研究探水仪及其应用方法。应用MT-VCT探水仪找水定井就像医院拍照CT片一样,能够通过对大地剖切较为精准地获知地下水分布状态,但也要像大夫一样懂得一定水文地质知识并逐渐积累经验才能做出正确的判断。 关键词:物探,找水,定井,断裂构造,MT-VCT 一、常用物探找水定井方法及其问题 1、直流电法找水定井上世纪五六十年代引进使用了直流电法,具体应用到找水定井中的有电阻率法、激发极化法;80年代之又引进使用了高密度电阻率法,由于高密度电阻率法仪价格较高、最大探测深
2、度仅为150米,导致其普及程度及应用很有限。因直流电法应用时间很长、普及率高,迄今为止仍是找水定井业务中应用最多的物探方法。然而,应用最广的并非是效果最好的,直流电法用于找水定井存在几个难以克服的痼疾,导致其找水定井效果不佳:高阻层屏蔽问题,对大地释放的直流电遇到高阻地层就很难穿过下行到深部;低阻区屏蔽问题,当地下存在高导电地层时,绝大部分供电电流会被低阻层“短路”掉而不能流到深部;供电功率限制探测深度,一般使用蓄电池作为直流供电电源时因功率有限,探测深度有限,即便是使用几千瓦大功率供电电源,其有效探测深度也超不过400米;测深效率过低,若是间隔10米/层、测深300米,一天只能探测三四个点。
3、究其原因,直流电法通常把测深点所测信号值认做二分之一供电极间距深度层的电阻率值,即若是两边电极各拉线100米测得的就是地下100米深度层的电阻率值。但是,从电学理论可知:由电池通过正负两极向大地馈电,电荷不可能就像有些人理解的那样沿着所画的半圆外圈流动。电荷由正极流向负极要遵从两个原则:一是会走最近的路,肯定是直线距离最近,通过的电荷最多;随着深度增加所通过的电荷逐渐减少,至半圆处减至最少。二是电荷会走最容易走的路,一旦遇到含水多、电阻率小的地层,电荷就像被短路一样顺着低阻路径都流走了。这就是直流电法产生高阻层和低阻区屏蔽、测深受限且与实际深度不符的根本性原因。 2、大地电磁测深法找水定井 大
4、地电磁测深(MT)法是一种在地面上观测天然交变电磁场来研究地下岩层的电学性质及其分布特征的物探方法。按照国外对大地电磁法的定义,它以自天上到地下穿透地层的天然平面电磁波为场源,依据不同频率的电磁波在导体中具有不同趋肤深度的原理,在地表测量由高频至低频的地球电磁响应序列,经过相关的数据处理和分析来获得大地由浅至深的电导率结构。大地电磁法类的物探仪多为从国外进口:测深较大的MT大地电磁法仪、测深一般的AMT音频大地电磁法仪、测深仅八百多米的EH4电导率成像仪,还有人工场源仿大地电磁原理的CSAMT可控源大地电磁法仪,在地质勘探应用中主要用于查找大的地质构造,用在普通水井的找水定井较少,多用于地热深
5、水井勘探定井业务。 其在找水定井应用中的不利因素为:每个探测点需要对角各拉50米线长埋布4个电极,点间距50米,一般定井没有那么大的面积;需要用水打井的区域电线多,因无法避开电磁干扰导致采集数据误差较大、不能正常勘探;一个探测点需要40分钟左右布线和采集数据、4人以上操作,费时、费工,成本高、效率低;因探测点少、分层间隔过大,看不清地下水分布情况,定井不准、成功率低。总的来讲,使用MT、AMT、CSAMT物探仪找水定井就好像是高射炮打蚊子,既浪费又打不准。 3、天然电场选频法找水定井天然电场选频法仪是1980年由郑州地质学校在河北地矿(保定)四大队的音频大地电磁仪基础上,由采集单一地磁信号变为
6、采集三频点信号改制而成的,1983年郑州地校创办校办工厂专门生产天然电场选频仪,因电路并不复杂容易仿制,国内陆陆续续有人开始仿制生产,到目前生产类似产品的厂家估计有六七十家,其中以长沙和上海做的时间较长、规模较大。目前天然电场选频仪虽然从开始的分立元件、指针式表头改进为集成模块、液晶显示器,但在天然电场信号采集方式、选频测深模式上基本上没有大的改进。观其探测原理和方法基本上是照抄国外大地电磁法,但采集数据和分析方法却与之完全不同。因天然电场选频仪售价仅几千元、推广力度大,购买用户较多,但使用效果较差。其原因为:一是其称采集的是“天电”信号,多为用两个电极插地采集地磁信号,也有用肩背接收器采集信
7、号,受地表电磁干扰影响过大、采集数据中包含地下有用信息较少;二是由带通放大器作为选频电路的幅频特性受限,各频点对应深度层有限、易遗漏地层信息;三是对于探测结果高低值解释不清,尤其是绘制成等值曲线图后都是一片片的蓝色低值、黄色和红色高值,成片蓝色低值不是水、高值也不是,而是要在不低不高测值上定井,实在是不知所以然。之所以购买者众,就是因为便宜,感觉找不准丢了也赔不了多少钱。4、其它物探方法找水定井 (1)VLF甚低频电磁法仪。它是以电磁感应原理为基础,以大功率长波导航台发射频率为525kHz连续电磁波作为一次场场源。在远离导航台的地区,可视此甚低频电磁波为垂直地面传播的平面波,地下不均匀地质体在
8、它的作用下,激发出涡旋电流和相应的二次场,使均匀的一次场发生畸变,可用于寻找固体矿产、岩溶,地下暗河、断层、含水破碎带、岩层界线等。此方法探测深度一般不大于50-60米,且受地形影响大,在地形起伏的地区效果较差,一般仅用于面积性概略找水勘查,不适合具体确定井位。 (2)TEM瞬变电磁法仪。它是通过发射阶跃状方波脉冲在地下激发二次涡旋电流向地下深处移动、由接收器采集形成的二次场电磁信号,来探测地下介质电性分布的。由于其为时间域探测方法,只能像X光机一样透视地下,通过总的测值高低来推断地下赋水性情况,但分辨不出在多深有水、有几层水,故不适合用于找水定井。 (3)NMR核磁共振找水仪。它是利用水中氢
9、核(质子)的弛豫性质差异产生的NMR效应,通过向铺在地面上的发射/接收线圈中供入交变电流脉冲,由小到大地改变激发电流脉冲的幅值和持续时间,在切断激发电流脉冲后用同一线圈拾取不同激发脉冲矩激发产生的NMR信号的幅值大小,来判断探测空间内自由水含量的多少,实现对地下水资源的探测。1997-1999年我国引进了3套核磁共振Numis系统,据说成功进行了找水试验,随后国内某大学也研制出核磁共振探水仪。由于该仪器抗电磁干扰信号的能力低,仪器成本过高,勘查深度不到150米,虽然能够指出地下水的存在并描述不同亚含水层,但提供的导水系数及含水层结构的资料却不甚可靠,所以利用核磁共振仪找水定井很难推广应用。 二
10、、找水定井有必要厘清的几个基本概念 1、凿井后成井与成功的区别 不少人错误地把“找水定井”误解为“找出地下哪里有水”,其实绝大多数地方的地下都有水的存在,无非是水多水少、或深或浅不同而已。我们认为“找水定井定义”应该是:“在特定区域内找出含水量相对最大、能够满足用水需求的最佳位置确定井位”。因此,找水定井是否成功与凿井后能否成井的概念并不完全一致。一般来讲,凿井后只要有一定连续的出水量、不会一抽就干,就可以说是成井了,但不能说就是成功了。成功的概念应该是你在区域内定的井凿井后比别人已打井的出水量只大不小,若是别人打井每小时出水量是30方,你定井凿井后出水量是25方,则只能说是成井、却不能说是成
11、功;若是别人打了几口井都没有水,你定的井凿井后只出了2方水,也可以说是定井成功。 2、地壳表层遍布大大小小的断裂构造 地壳表层在构造运动和应力作用下产生各种大大小小的裂缝,它们形成了地表水的下渗通道,地下无论深浅的含水层都是通过这些裂缝向下渗透汇集而成的,这些张开的裂缝就形成了大大小小的断裂构造。地下水系发育程度取决于张性断裂带构造的规模,断裂构造的规模越大,构造内含水裂隙发育越好、透水通道越畅,渗水量就越大、下渗深度越深。大断裂构造的浅中层是由许多裂隙发育的小断裂构造组成的,越向下含水裂隙越少、越趋向于断裂中心。断裂构造是地表水能够下渗的基本保证,而断裂构造内破碎带的规模、不同地层岩性孔隙度
12、和裂隙的大小所形成的容水空间决定了蓄水量的多少。原则上来讲,找水定井就要找赋水性好的断裂构造。 3、贫水区并不是就打不出水 有不少属于唯地层论的专业人员,仅仅凭借自己的专业知识、经验及掌握的水文地质资料,不需要物探仪器、在实地踏勘后就可以手指定井;还有的仅凭地质图标定的地层情况,大手一挥就说这一带属于贫水区、打不出水,那一带打多深就可以成井。其实是他们过于看重地层岩性的赋水性,看到属于赋水性差的地层就认为这一区域不能定井,看到属于赋水性好的地层就认为只要打到某一层裂隙孔隙发育较好的地层肯定就会出水。贫水区只是说地层岩性的渗水性和赋水性较差,相对而言较难找水定井而已。但是实践证明,在富水区定井位
13、置不合适一样成不了井,在贫水区找到含水断裂构造定井却能成井,关键还是要找到断裂构造精准确定井位。 4、并不是只要打到赋水性好的地层就能成井 水文地质资料通常介绍,砂层、卵石层等松散沉积层内孔隙发育、水的连通性好;还有可溶性岩石中的岩溶水、脆性岩石中的裂隙水,也属于同层流动性较好的地层。此定义虽然准确无可厚非,但容易让人只看到水的存在形式而忽视了水的来源,有不少唯地层论者看了勘查区域的水文地质资料就判定是贫水区或富水区,看到地下某一深度层岩性赋水性好就认为只要打到这一地层肯定能够成井。例如:冀鲁豫京津地区地下多有新进系馆陶组地层,很多人打地热井就认定只要打到馆陶组含水多的砂层肯定成井,结果是有的
14、打到了但出水量有限、有的是深度较浅遇到温度不高,还有的打穿馆陶组也没有遇到砂层。 5、不能仅凭水文地质勘查结果推断定井 地质图上的红色实线只是通过地表勘查结果标定的断裂带,大多是早期地壳活动造成地层错动在地表岩石裸露观察到的岩层变化,有赋水性较好的张性断裂带、也有赋水性较差的压扭性或压性断裂带,有的只是断层接触带,这些只能说明该区域经历过构造运动,不能说明构造的性质及其赋水性。即使是在实地勘查看到岩层变化及倾角,也很难推断出断裂的性质及其赋水性,只能据此缩小找水定井的勘探范围、确定靶区,但不能仅凭推断盲目定井。 5、不能仅凭几个测深点就盲目定井 张性断裂经过多期沉积填充会形成多层V形含水裂隙,
15、断裂构造内所谓的含水层其实是多个V形底处沿断裂带形成的含水通道,定井孔位只有穿过多个含水裂隙V形聚水底部,不仅仅靠含水裂隙供水,更多的是靠流动性好的多个含水通道供水,才能保证出水量更大、且源源不断。若是井孔位只是打在V形构造两侧的斜坡上,仅靠一侧的几个裂隙供水,则出水量不会大、且容易断流。所以,找水定井时若只是凭经验选择几个点进行测深勘探,比较含水相对较好的点就盲目定井,根本就搞不清楚断裂构造中心在哪里、所定井位是在构造的什么位置,凿井后可能会出水、但很难保证出水量的大小、水源长期不会断流。 三、找水定井方法及几个原则性问题 1、去现场前做好水文地质调查工作 在去甲方现场进行勘探定井之前就应该
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