宁2019H18钻井平台地层主要有上三叠统— 下侏罗统香溪群(T₃-J₁xx)及中三叠统雷口坡组(T₂l)(图1), 岩性主要为素填土(Q^4ml)、第四系残坡积层(Q^4(el+dl))(图2)。素填土(0.3~4.6 m)为黄灰— 黄褐色, 松散、稍湿的粉土夹碎石组成, 碎石含量15%~35%, 一般大小2~5 cm, 次棱角状, 成分主要为灰岩, 其余为黄灰— 黄褐色粉土(图2(a))。第四系残坡积层(Q^4(el+dl))(4.6~21.8 m)为黄灰色、黄褐色, 可塑、稍湿的粉质黏土, 韧性中等, 干强度中等, 稍有光泽, 局部偶夹有碎石角砾(图2(b))。上三叠统— 下侏罗统香溪群(T₃-J₁xx)(20~25 m)为黄灰— 黄褐色的全风化砂岩组成, 结构构造特征已破坏, 岩石已风化呈砂土状, 手触即碎(图2(c))。中三叠统雷口坡组(T₂l)(顶部界面 25 m)为灰色— 深灰色的强风化灰岩组成, 微晶结构, 中层状构造, 节理较为发育, 局部表面可见有溶蚀孔洞和裂隙。岩心破碎, 多呈碎块状。其中, 中风化灰岩为灰色— 深灰色, 微晶结构, 中层状构造, 节理较为发育。局部表面可见有溶蚀孔洞和裂隙。岩心较为破碎, 多呈碎块状、短柱状, 节长为10~25 cm。勘探深度范围内未揭穿。溶洞为石灰岩地层中溶蚀形成的溶洞或裂隙, 发育及分布无规律, 纵向高度0.3~5.8 m。

图1

Fig.1

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	图1 研究区区域地质简图 1.第四系; 2.白垩系夹关组; 3.白垩系天马山组; 4.侏罗系沙溪庙组; 5.侏罗系自流井组; 6.三叠系须家河组; 7.三叠系雷口坡组; 8.上二叠统; 9.下二叠统; 10.志留系; 11.奥陶系桐梓组; 12.寒武系; 13.钻井平台位置; 14.地名Fig.1 Regional geological sketch of the study area

图2

Fig.2

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	图2 2019H18钻井平台松散沉积物和灰岩岩心Fig.2 Loose sediment and limestone core of 2019H18 drilling platform

根据地下水赋存条件、含水介质的岩石特征等划分, 本区地下水主要有松散堆积物孔隙水和岩溶水, 主要特征如下。

(1)松散堆积物孔隙水赋存于第四系残坡积层中, 以潜水为主, 水位埋深变化大, 含水层较薄, 分布面积小; 受季节性影响明显, 含水条件和水力联系均较好, 渗透性较强, 与地表水有密切的水力联系, 在不同的地段表现为互补关系。这类地下水主要接受地表水和大气降水补给, 具有地下径流较短、甚至就近补给排泄、水位受季节(丰水期、枯水期)及地表水体影响变化幅度较大等动态特征。

(2)碳酸盐岩岩溶水主要赋存于三叠系中统雷口坡组(T₂l)的灰岩中, 由于地下水的赋存条件和裂隙岩溶发育程度的差异, 各地层中的富水性很不均一。以大气降水补给为主, 由于基岩裂隙分布不均匀, 大多不具有统一水力联系, 在接受大气降水和地表水补给后, 表现出渗流明显受裂隙岩溶控制的特点, 运移带有局限性, 多以下降泉形式排向河谷、沟谷。此类型水的存在可降低岩体的抗剪强度, 加快岩石风化, 降低岩体的稳定性。勘察时未发现碳酸盐岩岩溶水。

(3)岩石的电性特征。根据岩土体的物性经验资料, 不良地质体与围岩的物性分析如表1, 不良地质体与围岩物性差异明显, 具备地球物理工作的前提条件。

表1

Tab.1

表1(Tab.1)

表1 岩土介质的电性特征 Tab.1 Electrical characteristics of geotechnical media 岩土介质 视电阻率(ρ ) /(Ω · m) 介电常数 /ε 横波速度(Vs) /(m· s-1) 素填土 20~100 3~5 50~100 粉质黏土 40~100 3~5 100~400 碎石土 200~1 000 5~15 500~600 砂岩 100~300 4~30 700~1 200 泥岩 20~200 9~23 500~800 灰岩 300~7 000 3~25 700~1 500 溶洞(充填泥或水) 10~100 ≥ 50 100~300 土洞(未充填) 300~5 000 1~3 50~150

表1 岩土介质的电性特征 Tab.1 Electrical characteristics of geotechnical media

本次研究综合采用微动、高精度重力、瞬态面波和等值反磁通多项物探方法, 对场地下伏地质体情况进行了调查(表2)。

表2

Tab.2

表2(Tab.2)

表2 宁2019H18钻井平台工作量统计 Tab.2 Workload statistics of Ning 2019H18 drilling platform 方法 测 线 编号 长度/m 点距/m 物理点/个 微动 10 105 5.0 22 11 105 5.0 22 12 130 5.0 27 13 165 5.0 34 高精度重力 10 100 2.5 41 11 100 2.5 41 12 100 2.5 41 13 100 2.5 41 瞬态面波 12 130 2.5 53 等值反磁通 10 100 2.5 41 11 100 2.5 41 12 100 2.5 41 13 100 2.5 41

表2 宁2019H18钻井平台工作量统计 Tab.2 Workload statistics of Ning 2019H18 drilling platform

2.1.1 微动

微动法勘探深度变化幅度大, 浅层勘探可以在数米之内, 深部勘探现今已有在页岩气勘探中开展微动法并取得一定效果的先例^[21]。此外微动台阵的不同勘探深度也有所不同, 环形台阵勘探深度大约为最大半径的3~5倍, 线形台阵的勘探深度大约为排列长度的0.7~1.0倍。试验中发现在投入相同数量检波器的情况下, 线形台阵反演成果不同深度的异常分布较均匀, 环形台阵深部异常的细节则不够突出, 推测可能与线形台阵检波器分布均匀有关。勘探深度大时, 需要增加采集时间, 还需要加大排列长度或台阵半径, 检波器数量不足会带来细节上的损失, 增加检波器数量又会带来成本上的增加。微动法主要依据是分析计算列阵中心地下的横波速度随深度的变化情况推断异常值。当工作区为单一土层时, 三分量记录曲线的周期彼此相同或接近, 且卓越周期只有一个; 当工作区为多层土且厚度较大时会出现多个峰值, 每个峰值代表该层与上覆层具有某种联系^[16]。本次研究采用的微动点距5 m, 直线形台阵布设。

2.1.2 高精度重力

地面微重力方法不受电磁场等人为干扰和接地条件的影响及工作场地大小等因素的限制, 对于埋藏浅的微小探测对象及其低缓微弱异常具有较高的分辨能力, 并且野外工作方法简单, 成本低, 效率高, 从而弥补了某些物探方法的不足。高精度重力法依据不同岩性、不同年代地层和局部地质体的密度值具有明显的差异来推断异常。但岩溶溶洞引起的重力异常幅值通常在几十微伽级, 为区分局部异常和背景异常, 需参照钻孔剖面正演得到的模型^[17]。高精度重力采用重力点距2.5 m, 读数时间为45 s。

2.1.3 瞬态面波

混合源面波中的被动源勘探深度与微动类似, 主动源面波的勘探深度受震源能量、排列长度等限制, 一般约为20~30 m。被动源面波勘探深度较大, 视投入检波器数量以及所选台阵而不同。该方法能够较为准确地划分第四系, 通过与钻孔分层对比可知该方法划分的第四系黏土层和砂卵砾石层与钻孔的深度误差在5%以内, 该方法划分的基覆界面与钻孔的深度误差在5%左右, 反映该方法探测精度较高。瞬态面波可以通过锤击落重等震源, 产生一定频率范围的瑞利波, 并通过振幅谱和相位谱分析把不同频率的瑞利波分离出来, 得出频谱曲线^[18]。依据不同岩土面波波速绘制频谱曲线, 并结合不同深度地层的瑞利面波对地下介质结构差异进行分析, 从而得出地层结构和特点的分析预测^[19]。本次采用的是多道瞬态地震采集系统sinoX, 运用落锤震源, 偏移距6 m, 道间距2.5 m, 点距5 m, 24道检波器, 时间窗口为300 ms。在被动源面波采集数据过程, 我们改进的增加人工震源这一措施, 只适用于浅层勘探, 此时并非为了增加勘探深度, 而是增加高频信号, 提高浅表的分辨率, 但仍然会存在0.5~1.0 m左右的盲区。

2.1.4 等值反磁通

勘探深度受瞬变电磁法的供电电流、磁矩大小影响, 一般有效的深度在200 m以浅, 采用小发射线框的瞬变仪勘探深度大致在50 m以浅。该方法对于浅部的黏土层识别效果较好, 与钻孔的深度误差较小, 但其识别浅部砂卵砾石层的效果一般; 在其探测深度范围内能够识别出基覆界面, 分层误差在10%以内。等值反磁通瞬变电磁法通过收集地下到地表的磁场变化推断异常值。大地的电导率和局部良导体的埋深影响涡流扩散速度和衰减幅度, 均匀大地介质的电导率一般为常数, 局部地质体出现的电导率、埋深、形态等参数变化会影响到磁场的极大值的扩散速度和衰减幅度改变, 从而识别出异常值^[20]。等值反磁通瞬变电磁点距5 m, 采集频率6.25 Hz。

宁2019H18钻井平台工区共设计微动测线4条, 重力测线4条, 等值反磁通测线4条, 瞬态面波测线1条, 4条测线平行布置, 测线方位角为137° 。测线沿钻井平台基础布设, 宁2019H18钻井平台研究区测线布置工作如图3和表2所示。

图3

Fig.3

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	图3 宁2019H18钻井平台测线布置Fig.3 Layout of Ning 2019H18 drilling platform survey line

(1)微动、重力和等值反磁通方法布设4条测线: 10线、11线、12线和13线, 4条测线均为NE— SW向, 作为综合物探剖面, 研究不同方法在岩溶勘察中的作用。

(2)瞬态面波方法布设1条测线, 即12测线, 测线方向为NE— SW向。

测线L10微重、微动和反磁通量的反演结果如图4所示。在重力异常曲线图中(图4(a)), 26号重力点位的局部重力异常中呈现一处较为明显的局部重力低异常, 在水平位置上与微动反演剖面比较接近, 疑似溶洞或者类似松散体的异常特征。基覆界面介于17~20 m, 从小号点到大号点逐渐增加, 与重力背景场分布比较接近(图4(b))。图4(b)中红色虚线圈所示位置为一低速异常区域, 中心值为500~600 m/s之间, 与该区域溶洞波速接近, 疑似溶洞充填泥沙。等值反磁通结果如图4(c), 从测线75 m 处开始出现两处电阻局部低异常(红色圈闭处), 水平位置和垂直位置均与微动反演结果相似。但并没有在测线40 m附近勘测到低电阻异常区。

ZK1钻孔资料显示, 深度为20.4 m和40.7 m处为2个明显的分界点。0~20.4 m为黄灰色、黄褐色的第四系粉质黏土、粉质砂土和碎石土; 20.4~40.7 m段为全风化砂岩, 且岩石结构特征已被破环, 呈现风化砂土状, 手摸即碎的特征; 40.7 m 以下为中风化灰岩层为主, 勘探深度范围内未揭穿。在深度59.8 m处出现全风化砂岩异常(图2), 推测与测线位置65~70 m、深度50~60 m处的溶洞松散体有关(图4(b))。

图4

Fig.4

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	图4 L10物探结果解译图Fig.4 Interpretation diagram of L10 geophysical exploration results

可见, 反磁通的探测结果在水平位置上稍有误差, 且未探出测线40 m深度20~40 m的全风化砂岩异常。微动和微重的探测结果与ZK1工程钻孔分层结果基本一致, 探测结果较为可靠。

L11测线微动、微重和反磁通量反演剖面如图5所示: 在重力点位23附近的重力局部场有一重力局部低值, 由于该溶洞规模较小, 所以在重力异常上体现不明显, 但仍有响应(图5(a))。基岩面在15~22 m之间, 其趋势和重力区域场相近(图5(b))。在图5(b)中红色虚线圈所示的异常区域, 其波速中心值为250~300 m/s, 低于该区域泥沙充填溶洞的波速值为疑似溶洞, 充填物未知。等值反磁通结果如图5(c), 从测线60 m开始出现电阻局部低异常(红色圈闭处), 较浅的两个电阻异常位置与微动反演一致。但深度在60 m处的电阻异常与微动反演不符合, 这可能是由于等值反磁通法对于深部的探测效果较差而产生的误差。

图5

Fig.5

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	图5 L11物探结果解译Fig.5 Interpretation diagram of L11 geophysical exploration results

ZK3钻孔资料显示, 钻孔总深为60.2 m, 0~21.8 m为黄灰色、黄褐色的第四系松散粉质黏土, 局部偶夹有碎石角砾; 21.8~25.1 m段为全风化砂岩层; 25.1~31.4 m为强风化石灰岩, 岩心破碎, 多层碎块状; 31.4~60.2 m为中风化灰岩层, 节理较为发育, 岩心较为破碎, 在43~60.2 m段, 局部表面可见有溶蚀孔洞和裂隙。

可见, 除了反磁通在测线40~50 m、深度40~ 60 m处的探测结果与ZK03的分层结果不符之外, 微动、微重与反磁通整体的探测结果与ZK3工程钻孔分层结果基本一致, 探测结果较为可靠。

测线L12微动、微重、面波和反磁通量的反演结果如图6所示。ZK5号钻孔位于测线L12上65 m 左侧, 反演结果显示表层覆盖层约20~25 m, 其趋势重力区域场一致(图6(a))。等值反磁通反演结果如图6(d)所示, 该钻孔进钻30 m见溶洞, 溶洞顶板约30 m, 底板约47 m, 在图6(b) 面波反演结果和图6(c)微动反演剖面中表现为相对低速异常区域, 溶洞充填物为泥沙, 其中心值介于400~500 m/s 之间。从测线65 m处开始, 有两处电阻率局部低异常分别位于图中圈闭位置, 在水平位置与垂向位置上与面波和微动反演结果比较接近。

图6

Fig.6

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	图6 L12物探结果解译Fig.6 Interpretation diagram of L12 geophysical exploration results

ZK5钻孔揭露的地层与ZK01相似, 0~24.1 m 为黄灰色、黄褐色的第四系松散粉质黏土, 可塑、稍湿, 局部偶夹有碎石角砾; 24.1~30 m 段为灰色— 深灰色的强风化石灰, 岩心破碎, 多层碎块状; 31.4~60.2 m为灰色— 深灰色的中风化灰岩层, 中层状构造, 节理较为发育, 但在31.4~40.7 m段, 岩心更破碎, 局部表面可见有溶蚀孔洞和裂隙。60.2 m处出现了较为紧密的粉质黏土层(图2), 这可能是溶洞塌陷堆积的松散体形成。

可见, 微动、微重和瞬态面波法的探测结果与ZK5工程钻孔分层结果基本一致, 探测结果较为可靠。

测线L13微动、微重和反磁通量的反演结果如图7所示。基岩面在20~25 m之间, 表层疑似有风化破碎层, 与重力背景场分布接近(图7(a)), 比较明显的速度分界面如红线所示(图7(b)), 图中两处圈闭位置所示的局部波速低异常, 其中心值在400~500 m/s之间, 疑似岩溶。在该测线的等值反磁通反演剖面上共有4处电阻率局部低异常区域, 其中浅层40 m深两个低阻异常在空间位置上与微动剖面低速异常位置接近, 为疑似溶洞区域(图7(c))。

图7

Fig.7

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	图7 L13物探结果解译Fig.7 Interpretation diagram of L13 geophysical exploration results

ZK7钻孔资料显示, 深度17.2 m和23.2 m为两个明显的分层点。0~17.2 m为黄灰色、黄褐色的第四系松散粉质黏土、粉质砂土以及一些碎石角砾; 17.2~23.2 m段为黄灰色、黄褐色的全风化砂岩层, 结构特征已被破坏; 23.2~27.8 m 段为灰色— 深灰色的强风化石灰, 岩心破碎, 多层碎块状; 27.8~68.5 m为灰色— 深灰色的中风化灰岩层, 中层状构造, 节理较为发育, 但在27.8~52.5 m段, 岩心更破碎, 局部表面可见有溶蚀孔洞和裂隙。

可见, 反磁通的探测结果在0~30 m段探测效果不如微动, 未能探出较为浅层的局部异常, 而微动和微重的探测结果与ZK7工程钻孔分层结果基本相符, 探测结果较为可靠。