黄土塬地区是我国油气勘探的难点之一。黄土疏松干燥, 对地震波的吸收严重, 有效地震波激发极难, 因此合理地选择有效激发层是黄土塬地区地震采集资料的基础。研究表明, 在黄土塬区域, 将含水黄土或第三系红土层作为有效激发层, 地震勘探的采集数据效果最好^[1], 所以, 如何快速分辨红土层这种有效激发层便成为一个亟待解决的问题。因此, 引入了探地雷达等经济、高效的电磁地球物理探测技术。由于探地雷达是通过发射高频电磁脉冲波, 利用地下介质电性参数的差异, 根据回波特征来分析和推断介质结构和物性特征的^[2], 因而黄土电性参数的研究是核心和基础。本文依托中石油科技项目“ 基于探地雷达的物性密度建模研究” 进行了科学、系统的陕北黄土塬区电性数据采集分析和红土层、黄土层的分层调查, 以期增加对黄土电特性的认识, 为探地雷达电磁波正反演解释等提供理论基础。

目前, 国内外关于黄土密度、含水率、孔隙比等物性参数及动力学参数的实际资料和调查研究比较多, 电阻率、介电常数等电性参数的实际测量数据及相应研究较少^{[3, 4, 5, 6]}。在黄土电性相关研究方面, B Anggoro^[7]等研究了电阻率和介电常数对土壤中电流频率的影响; 孙玉龙^[8]等探讨了沙性土壤电导率及溶液电导率与土壤水分之间的关系, 给出了相应拟合公式; 巨兆强^[9]研究了中国几种典型土壤介电常数及其与含水量的关系并给出了相应拟合公式; 张鹏^[10]进行了主要因素对土壤介电特性的影响分析研究, 并建立了介电常数与温度、含水率关系模型。目前对黄土的电性特征缺少系统的调查研究。

文中通过对野外实地调研采集的黄土物性参数进行归纳总结, 讨论了不同黄土层的电性特征以及电性参数间的对应关系和主要影响因素, 加深了对陕北黄土电性特征的认识, 为黄土塬地区利用探地雷达等电磁勘探技术分辨红土层提供了理论基础, 同时为黄土研究者提供了可参考的黄土电性资料和地电模型。

为保证研究所用数据的真实有效性, 经过前期调研, 以地处油气勘探区、红土层连贯且分层明显、红土层深度在40 m内且断面易施工等为原则, 选取了陕北地区延长、洛川等地7处典型黄土断面进行了黄土电性参数的实地采集, 利用土壤三参数速测仪进行了黄土断面239个测点的电阻率、介电常数及部分温度、含水率的测量。速测仪的测量原理是采用TDR^[11](时域反射法, frequency domain reflectometry)法, 简明来讲就是利用电磁脉冲在探头起始位置的反射时间差得出电磁波在介质中传播速度, 再利用速度、电性参数、含水率、探针电特性等之间的关系得到所需测量值^{[3, 6, 12]}; 对研究所用的黄土地电数据的野外采集, 均制定了科学合理的采集方案, 每个断面以保证采集数据真实有效、能确定黄土和红土分层情况、采样分布均匀为前提, 按照现场实际情况设计施工方案。下面以长10井黄土断面为例简单介绍其施工设计(图1)。

图1

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	图1 长10井黄土断面测点分布及施工设计

图1所示为一几乎垂直于水平地面的黄土断面。首先, 进行数据稳定性试验, 得出当探槽深度大于35 cm时测量数据基本稳定, 故将35 cm统一定为所有测点探槽深度。其次, 根据长10井断面地势情况, 设计了如图1中所示的梯型开挖路线。在每段梯形开挖路线上设计3个测点, 在水平层上每隔 5 m 设计一个测点, 各水平层上的测点上下对应, 水平层间距大致5 m, 遇到红黄分界线的时候设计加密测点。依以上设计方案, 共在长10井上设计并完成了140个测点。

为了得到黄土层和红土层的介电常数及视电阻率的分布情况并方便对应比较, 利用对应的电参数数据绘制了图2的频数直方图, 得到了对应参数的常见值和主要变化范围; 归纳整理了延长、洛川、宝鸡地区7处典型黄土断面的视电阻率、介电常数测量数据, 统计得到相应参数的平均值、极值, 统计结果见表1。

从图2频数直方图中可以看出每种类型的参数分布均可近似为正态分布。

得到介电常数具有代表性的众数值:黄土层为7.6, 红土层为10; 常见值的范围:黄土层为6~9, 红土层为7~13。

得到视电阻率具有代表性的众数值:黄土层为250 Ω · m, 红土层为150 Ω · m; 常见值的范围:黄土层为120~350 Ω · m, 红土层为100~250 Ω · m。

以上得到的黄土电性统计值, 为科学、真实地建立黄土地电模型提供了依据。可以看出, 黄土层和红土层的电阻率值区分明显, 为利用探地雷达在黄土塬区分辨红土层提供了理论支持, 然而二者的介电常数差值较小, 这为探地雷达资料的处理解释带来了困难。

图2

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	图2 黄土层、红土层介电常数及视电阻率数值频数直方图

综合统计结果(表1)可以看出, 与黄土层相比, 红土层视电阻率值相对小, 介电常数值相对大。

从图3中长5井断面的介电常数和视电阻率的对比曲线可以看出, 在黄土层和红土层中, 视电阻率和介电常数均近似呈反相关, 即在每个土层或每个测点处的高介电常数对应低电阻率, 低介电常数对应高电阻率。长5井断面同时也表现出黄土层电阻率值高于红土层电阻率值, 红土层介电常数值高于黄土层介电常数值, 这与上述统计结果相吻合。另外, 从长5井电参数曲线中可以观察到, 在第二层红土层处, 介电常数值是整个断面的最大值, 对应的电阻率是整个断面的最小值, 究其原因, 一是在现场观察到其胶结程度比较大, 二是含水率较高。

表1

表1

表1 陕北典型黄土断面电性参数统计结果 统计项 红土层 ρs/(Ω·m)ε 黄土层 ρs/(Ω·m)ε 平均值 159.2 9.8 224.6 7 众数 150 10 250 7.6 常见值范围 100~250 7~13 120~350 6~9 最小值 98 5.7 64.9 4.2 最大值 294.1 20.8 370.4 12

表1 陕北典型黄土断面电性参数统计结果

图3

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	图3 长5井黄土断面实景图(a)及介电常数ε 、视电阻率ρ s随深度变化曲线(b)

长10井断面共完成了140个测点, 数据采集最为详实, 红土层与黄土层分界线也划分的最为明显, 故以长10井断面为例, 通过绘制电参数等值线图、建立黄土电参数模型等手段, 对长10井黄土断面进行了精细的电性特征刻画和描述。

图6为利用长10井断面140个测点的介电常数数据绘制的等值线以及图1右侧梯形开挖路线上测点数据绘制的介电常数剖面曲线, 可以看出, 介电常数等值线表现出明显的高低值分层, 并且高值层与在实际黄土断面上划分出的红土层区域对应良好, 低值区域基本分布在实际黄土断面划

分出的黄土层区域。从等值线分布可以看出, 红土层区域介电常数值比较均一且较高, 而黄土层区域高低值分布显杂乱, 说明含水率对红土层介电常数的影响较小; 黄土层区域电阻率普遍较低, 存在由含水率偏高造成的局部异常, 在根据电性区分红、黄土层方面形成了“ 混淆区” , 相较之下, 说明含水率对黄土层的介电常数影响更大。可以看到介电常数曲线与红土层、黄土层分别对应良好, 在3个红土层处曲线均很明显地跳向高值, 在黄土层部分曲线虽有小幅浮动但均处于低值区。

图7为利用长10井断面140个测点的视电阻率数据绘制的等值线以及图1右侧梯形开挖路线上测点数据绘制的视电阻率剖面曲线, 可以看出, 视电阻率等值线同样表现出明显的高低值分层, 并且高值区全部分布在实际黄土断面上划分出的黄土层区域, 低值区域基本分布在实际黄土断面划分出的红土层区域, 存在少部分低值分布在黄土层区域。从等值线可以看出, 黄土层区域电阻率值普遍较高但出现局部低异常, 这是由于黄土层出现局部黄土含水率偏高造成的; 而红土层区域则表现出较为均一的低值, 相较之下同样表明, 含水率对黄土层的电阻率影响更大。图7的剖面曲线与图6的类同, 可以看到电阻率在3个红土层处曲线均很明显地处于低值区, 在黄土层部分曲线虽有小幅浮动但均处于高值区。另外, 电阻率等值线与介电常数等值线也对应良好, 前者的高值区对应后者的低值区, 前者的低值区对应后者的高值区, 与红土层电阻率小、介电常数大及黄土层电阻率大、介电常数小的理论吻合。

图6

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	图6 长10井黄土断面介电常数等值线及曲线

图7

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	图7 长10井黄土断面视电阻率等值线及曲线

总体来讲, 在含水率等因素的影响下, 红、黄土层还是表现出了较为明显的电性差异, 在同一黄土断面上出现了明显的电性分层; 另外, 考虑到黄土断面含水率等影响因素的复杂性以及各断面之间的个体差异性, 建议不做含水率等影响因素的消除。陕北长 10井黄土电性断面图给出了明确的黄土红土分层情况以及具体局部位置的电性数据, 这对相应的探地雷达资料的解释以及建模正演具有辅助作用, 同时为其在黄土塬区域的分辨率、探测深度、红土层的识别能力等的理论研究提供了可供参考的基础电性资料。图8为据上文所述得到的延长地区长10井层状地电模型。

图8

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	图8 长10井层状地电正演模型

本文利用从陕北7处典型黄土断面获得的黄土电性数据, 分析了其电性参数特征、参数之间的关系并以长10井为例进行了精细的电特性刻画和描述, 得到以下认识和结论:

1)与黄土层相比, 红土层电阻率较小, 介电常数值较大。黄土层和红土层的视电阻率和介电常数均近似呈反相关。

2)综合统计结果, 得到介电常数具有代表性的众数值:黄土层为7.6, 红土层为10; 得到视电阻率具有代表性的众数值:黄土层为250 Ω · m, 红土层为150 Ω · m。

3)陕北黄土断面中黄土层和红土层的表现出明显的电性分层, 这为探地雷达能够在黄土塬区分辨出红土层提供了电性基础。

4)黄土介电常数值、黄土土壤体电导率与孔隙水电导率之比均与含水率呈近似正相关, 但含水率差异并不影响红、黄土层的电性分层。

5)根据实测的黄土电性资料, 建立了黄土地电模型, 可为探地雷达和其他电法在黄土塬区分辨红土层的研究提供参考。