鄂尔多斯盆地北部直罗组赋存特征及富水性

孙 魁，苗彦平，陈小绳，王宏科，范立民，杨 磊，马万超，路 波，李 成，陈建平，高 帅

(1.陕西省地质环境监测总站 自然资源部矿山地质灾害成灾机理与防控重点实验室，陕西 西安 710054；2.西安科技大学 地质与环境学院，陕西 西安 710054；3.陕煤集团神木红柳林矿业公司，陕西 神木 719300；4.陕西陕煤陕北矿业有限公司，陕西 榆林 719000; 5.中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州 221116)

鄂尔多斯盆地煤炭资源丰富，煤质优良，分布有黄陇、陕北、神东、宁东4个煤炭基地，主要开采侏罗系延安组煤层，由于煤层赋存稳定且厚度大，高强度开采条件下顶板水害事故时有发生[1-3]。侏罗系直罗组广泛分布于鄂尔多斯盆地，在早期的水文地质勘探中，普遍认为直罗组含水层富水性弱，对煤矿安全的影响一直未受到足够的重视[4]。然而，近十几年来，鄂尔多斯盆地东北部榆神府矿区东部煤层埋藏较浅的锦界煤矿、柠条塔煤矿、红柳林煤矿等，盆地西北部呼尔吉特矿区煤层埋藏较深的母杜柴登煤矿、门克庆煤矿等，频频受到了直罗组地下水的威胁，甚至出现了突水事故[5-9]，直罗组地下水系统、水害防控及水资源保护研究日益成为学界的焦点[3,5,10-11]。

对于直罗组赋存特征的研究，主要借助于不同时期、不同控制程度的勘探钻孔，通过编图等手段对直罗组的分布、物源、砂体厚度、含砂率、隔水岩组厚度等进行研究[12-14]。对于直罗组富水性的研究，主要是选择含水层厚度、含砂率、隔水层厚度、岩性组合类型等空间赋存参数，通过主观和客观确权方法，建立富水性评价模型[15-18]。随着含水层富水性研究的不断深入，一些学者借鉴储层学的研究方法，从微观角度研究砂岩孔隙结构与富水性的关系，并将微观结构特征引入到富水性评价指标体系中，取得了较好的评价效果[19-24]。

笔者根据2 000余个钻孔数据统计结果，剖析直罗组含隔水岩组赋存特征、物性特征及微观孔隙结构特征，并从宏观和微观尺度探讨其对富水性的影响和控制作用，以期在直罗组含水层富水性评价及水害防治研究方面有所裨益。

1 研究区概况

图1 研究区矿井涌水量分布Fig.1 Distribution of mine water inflow within the study area

2 直罗组沉积演化及空间赋存特征

2.1 研究区直罗组沉积演化

燕山运动第II幕使盆地全面抬升，差异性剥蚀改造使得延安组沉积时期温暖潮湿气候下河湖并存、泥炭沉积广泛发育的古地理面貌发生改变，取而代之的是河流为主，河湖为辅的地理景观[2,25-26]。直罗组沉积早期，盆地周缘地貌高差较大，物源充足，对延安期温暖湿润的成煤古气候环境具一定延续性，以辫状河-辫状河三角洲沉积为主。直罗组沉积中晚期，周缘地貌高差减小，区域古气候逐渐变得的干旱炎热，物源供给不足，沉积相向湖泊三角洲和曲流河-曲流河三角洲过渡。受沉积环境的影响，研究区直罗组岩性具有明显的分段性，直罗组下部为粗碎屑岩段，岩性以灰色、灰绿色含砾砂岩和粗砂岩为主，且区域分布稳定，尤其是直罗组底部冲刷构造发育，具有典型的辫状河沉积特征[27-29](图2)；直罗组中部为细碎屑岩段，与下部粗碎屑岩段具有明显的岩性转换面，主要发育灰色、灰绿色泥岩、粉砂岩、细砂岩等，为湖泊三角洲沉积阶段；直罗组上部多发育砖红色、棕红色泥岩、粉砂岩、细砂岩和中砂岩叠置发育的特征，为曲流河沉积阶段。本文结合研究区岩性结构和前人的研究成果，将直罗组划分为上、中、下3段(图3)。

图2 直罗组与延安组分界面粗砾岩Fig.2 Coarse conglomerate at the interface between Zhiluo Formation and Yan’an Formation

图3 SJ10钻孔直罗组沉积柱状Fig.3 Sedimentary histogram of Zhiluo Formation in borehole SJ10

2.2 研究区直罗组含(隔)水层空间赋存特征

2.2.1 直罗组厚度分布特征

直罗组主要分布于研究区的中西部，厚度0～304.17 m。厚度总体变化趋势为由西向东、由南向北逐渐变薄，在柠条塔、红柳林、锦界、大保当井田东部边界一带尖灭。受晚侏罗世燕山Ⅱ幕的影响，直罗组自东向西埋藏深度逐渐增大。自早白垩世中晚期，受区域构造挤压，鄂尔多斯盆地整体隆升，这种隆升格局一直持续到晚白垩世至新生代时期。古近纪早期继承了晚白垩世挤压应力状态，盆地仍处于隆升剥蚀阶段。

上新世以来，盆地演化进入新构造运动阶段，受NW—SE向引张应力作用，山西地堑开始形成和发展，其他断陷盆地沉降速率也明显增大，而鄂尔多斯盆地开始恢复沉降，接受了黏土沉积[2,30]。这种早白垩世以来长期、幕式、差异性整体抬升和强烈不均匀风化，导致研究区东部洛河组、安定组剥蚀殆尽，直罗组遭受长期风化，与上部新近系或第四系之间形成角度不整合面，这种角度不整合面是识别直罗组风化基岩的重要界面(图4)。

根据钻孔揭露资料，直罗组中上段厚度0～162.61 m，绝大多数分布在10～110 m，地层总体展布趋势为由西向东逐渐变薄，在柠条塔井田、红柳林井田西部边界以及锦界井田西北部边界处尖灭。地层厚度高值区主要分布在研究区中部红碱淖、尔林兔勘查区、大保当勘查区一带(图5(a))；直罗组下段分布面积相比中上段较大，厚度0～105.64 m，绝大多数分布在20～80 m，地层总体展布趋势为由西向东逐渐变薄，并在柠条塔井田边界东部、红柳林井田中部以及锦界井田东北部边界处尖灭，其中地层厚度高值区主要分布在研究区中部红碱淖、尔林兔勘查区、中鸡南勘查区、尔林兔东勘查区一带(图5(b))。

2.2.2 直罗组含水岩组空间赋存特征

笔者选择可以表征岩层储水性能的风化基岩厚度和风化程度系数，粗粒、中粒和细粒砂岩累计厚度及砂地比指标，通过编图手段，从区域上分析直罗组含水岩组的空间分布特征。

(1)直罗组风化基岩含水岩组赋存特征。基于前文所述，笔者将直罗组上部安定组缺失且与上部新近系或第四系不整合界面作为直罗组风化基岩分布范围[31]。根据钻孔揭露资料，直罗组风化基岩厚度3.04～83.46 m，平均厚度约26 m，其中厚度高值区主要位于柠条塔井田南翼、红柳林井田西部以及锦界井田北部(图6(a))，受构造因素的影响，研究区东部直罗组下段遭受大面积的风化。直罗组风化基岩含水岩组为一套黄绿、灰黄色中粗粒、细粒砂岩，局部为粉砂岩，受风化作用的影响，岩石松散疏松，裂隙发育，风化程度自上而下逐渐减弱，上部6～10 m一般为强风化层，含水性强于下部正常基岩段，在局部土层缺失区，由于直罗组风化基岩裂隙发育，且直接接受上部第四系松散潜水含水层的下渗补给，补给和径流条件较为通畅。

一般而言，风化程度越强，岩石孔隙、裂隙越发育。为表征风化基岩整体风化程度，构建风化程度系数w[32]：

w=∑(wihi)/∑hi

(1)

式中，wi为各岩性的风化程度，其中,弱赋值为1，中等赋值为2，强赋值为3；hi为不同风化程度基岩厚度。

通过计算，研究区直罗组风化程度系数1.0～3.4，平均2.19，风化程度系数高值区主要位于柠条塔井田南翼、红柳林井田西北部以及锦界井田西北部和东部(图6(b))，风化系数一般在2.20以上。

(2)直罗组砂岩含水岩组空间赋存特征。根据钻孔数据，将直罗组中上、下段粗粒、中粒和细粒砂岩累计厚度作为砂体厚度，统计编绘等值线图(图7)。由图7(a)可知，直罗组中上段砂体厚度0～129.72 m，绝大多数分布在10～50 m，厚度分布不均。砂体厚度高值区主要分布在研究区中部尔林兔勘查区和大保当勘查区一带，厚度高值区总体分布比较分散。由图7(b)可知，直罗组下段砂体厚度0～105.64 m，绝大多数分布在20～80 m，砂体厚度高值区主要分布在研究区中部红碱淖、尔林兔勘查区东北部、尔林兔东勘查区以及红柳林井田西部、锦界井田西北部等，厚度高值区分布较为集中，总体呈现出一条宽约25 km的NW—SE向条带，砂体规模较大。

(3)直罗组砂地比。根据钻孔数据编绘砂地比等值线图(图8)，由图8(a)可知，直罗组中上段砂地比0～1，绝大多数分布在0.1～0.6，区域上砂地比分布极不均匀，砂地比高值区零星分布在研究区中部尔林兔勘查区、尔林兔东勘查区和大保当勘查区一带，北部中鸡勘查区、柠条塔井田北翼也有分布，根据砂地比分布曲线，直罗组上段总体表现曲流河沉积特点。由图8(b)可知，直罗组下段砂地比0～1，绝大多数分布在0.7～1，砂地比高值区主要分布在研究区中部红碱淖、尔林兔勘查区东北部、尔林兔东勘查区以及红柳林井田西部、锦界井田一带，总体呈现出一条宽约25 km的NW—SE向条带，其展布形态与砂体厚度相类似，据此可知，在这一条带，直罗组下段砂体规模巨大且侧向延伸稳定，具有明显的辫状河道沉积特点。

图5 直罗组中上段、下段地层厚度等值线Fig.5 Contour of stratum thickness of middle upper member and lower member of Zhiluo Formation

2.2.3 直罗组隔水岩组空间赋存特征

本文选择可以表征岩层隔水性能的粉砂岩、砂质泥岩和泥岩累计厚度及层数指标，通过编图手段，从区域上分析直罗组隔水岩组的空间分布特征。

由图9(a)可知，直罗组中上段隔水岩组累计厚度0～115.30 m，基本全区分布，大部分区域厚度超过40 m，厚度高值区主要分布在研究区的西北部、南部以及中部尔林兔勘查区和大保当勘查区，在这些区域隔水岩组层数一般超过6层(图10(a))。据此分析，直罗组上段隔水岩组发育，垂向和横向上非均质性强，制约了储水空间的发育。

由图9(b)可知，直罗组下段隔水岩组累计厚度0～66.54 m，厚度一般小于20 m，隔水岩组缺失区分布在研究区中部呈一条宽约25 km的NW—SE向条带，自中部向东北、西南两侧隔水岩组厚度逐渐增大，层数也逐渐增多，但一般不超过4层(图10(b))。由此可知，研究区直罗组下段隔水岩组不发育，尤其是研究区中部隔水岩组缺失条带区域，含水层垂向和横向上均质性强，储水空间较为发育。

3 直罗组物性特征

由2.2节可知，研究区东部直罗组遭受风化，因此，需对正常基岩和风化基岩的物性特征进行讨论。

3.1 直罗组正常基岩物性特征

根据研究区直罗组未遭受风化的正常基岩钻孔的岩心观察和编录资料来看，岩石裂隙不发育。通过对38件直罗组正常基岩岩石样品(中上段样品12件，下段样品26件)进行铸体薄片观察和物性测试，直罗组正常基岩孔隙类型以原生孔隙为主，主要为粒间孔，其次为次生孔隙，主要包括粒间溶孔、长石溶孔、岩屑溶孔和杂基溶孔，部分样品可见铸膜孔、胶结物溶孔和高岭土晶间溶孔(图11)。

图7 直罗组中上段、下段累计砂岩厚度等值线Fig.7 Contour map of cumulative sandstone thickness of middle upper member and lower section of Zhiluo Formation

图8 直罗组中上段、下段砂地比等值线Fig.8 Contour map of sand content ofmiddle upper member and lower section of Zhiluo Formation

图9 直罗组中上段、下段隔水岩组累计厚度等值线Fig.9 Contour map of thickness of water resisting rock formation of middle upper member and lower section of Zhiluo Formation

图10 直罗组中上段、下段隔水岩组累计层数等值线Fig.10 Contour of layers of water resisting rock formation of middle upper member and lower section of Zhiluo Formation

图11 直罗组典型岩石样品孔隙类型Fig.11 Pore types of typical rock samples of Zhiluo Formation

原生孔隙(粒间孔)面孔率2%～15%，平均10.55%，次生孔隙面孔率1.0%～14.5%，平均7.79%。孔隙度、渗透率总体分布区间分别为9.18%～29.52%，0.04×10-15～2 156.52×10-15m2，平均值分别为18.75%，298.60×10-15m2。孔隙度与渗透率总体呈现出正相关关系(R2=0.605 9)，随着孔隙度的增大，渗透率也相应增加，岩石的储水空间以孔隙系统为主(图12)。

图12 直罗组正常基岩孔隙度与渗透率相关性曲线Fig.12 Correlation curve between porosity and permeability of normal bedrock in Zhiluo Formation

通过对直罗组中上段与下段物性特征进行分析。

(1)直罗组中上段砂岩。岩性以中粒、细粒砂岩、粉砂岩和泥岩为主，孔隙度分布区间为9.18%～27.45%。按照国家能源局发布的(SY/T 6285—2011)《油气储层评价方法》中孔隙度、渗透率分级标准，孔隙度类型以低孔(孔隙度10%～15%)为主，占比58.85%，其次为中孔(孔隙度15%～25%)，占比23.08%(图13(a))；渗透率分布区间为0.04×10-15～1 493.06×10-15m2，渗透率类型以超低渗～特低渗(渗透率0～10×10-15m2)为主，占比66.67%，低渗(渗透率10×10-15～50×10-15m2)、中渗(渗透率50×10-15～500×10-15m2)和高渗(渗透率500×10-15～2 000×10-15m2)占比分别为16.67%，8.33%，8.33%(图14(a))，物性条件相对较差。

图13 直罗组中上段、下段孔隙度-频率直方图Fig.13 Histogram of porosity frequency in the upper and middle and lower members of the Zhiluo Formation

(2)直罗组下段砂岩。岩性以粗粒砂岩(含砾)、中粒砂岩为主，孔隙度分布区间7.61%～29.52%，孔隙度类型以中孔(孔隙度15%～25%)为主，占比为76.92%，其次为高孔(孔隙度25%～30%)，占比为19.23%(图13(b))。渗透率分布区间1.08×10-15～2 156.52×10-15m2，渗透率类型以中渗(渗透率50×10-15～500×10-15m2)为主，占比61.53%，其次为高渗(渗透率500×10-15～2 000×10-15m2)和特高渗(渗透率≥2 000×10-15m2)，占比分别为15.38%，3.85%(图14(b))。相比中上段，下段物性条件相对较好。

图14 直罗组中上段、下段渗透率-频率直方图Fig.14 Histogram of permeability frequency in the upper and middle and lower members of the Zhiluo Formation

综上分析可知，垂向上直罗组物性条件存在差异，直罗组下段孔隙度和渗透率相比中上段较好。

3.2 直罗组风化基岩物性特征

通过对研究区内13件直罗组风化基岩岩石样品(中上段样品6件，下段样品7件)进行铸体薄片观察和物性测试。铸体薄片观察发现，与正常基岩相比，风化基岩微裂隙发育，粗中粒岩石遭受强烈的物理风化作用后，碎屑颗粒发生碎裂，微裂隙发育明显(图15(a))。而对于细粒砂岩，遭受风化后暗色不稳定矿物在水岩作用下具有定向排列特征，在薄弱面位置容易形成微裂隙(图15(b))。据统计，微裂隙占整个孔隙的5%左右。

图15 研究区直罗组风化基岩微裂隙发育特征Fig.15 Development characteristics of micro-fractures in weathered bedrock of Zhiluo Formation in the study area

根据物性测试结果，直罗组风化基岩孔隙度、渗透率分布区间分别为13.49%～30.36%，0.17×10-15～2 924.47×10-15m2，孔隙度与渗透率总体呈现出正相关关系(R2=0.806 8)，随着孔隙度的增大，渗透率也相应增加，说明直罗组风化基岩孔隙系统的储水空间较好(图16)。通过对直罗组正常基岩和风化基岩进行物性对比，发现直罗组遭受风化后，粒间孔隙发育，孔隙度和渗透率相比正常基岩较发育。

图16 直罗组风化基岩孔隙度与渗透率相关性曲线Fig.16 Correlation curve between porosity and permeability of weathered bedrock in Zhiluo Formation

按照国家能源局发布的《油气储层评价方法》(SY/T 6285—2011)中孔隙度、渗透率分级标准，低孔(孔隙度10%～15%)、中孔(孔隙度15%～25%)、高孔(孔隙度25%～30%)、特高孔(孔隙度≥30%)样品占比分别为7.69%，30.77%，46.16%，15.38%，孔隙度类型总体以中-高孔为主。根据直罗组不同岩性的孔隙度统计结果，粗粒砂岩孔隙度最大，中粒砂岩次之，细粒砂岩稍差(图17(a))。

图17 直罗组正常基岩与风化基岩物性对比柱状Fig.17 Columnar comparison of physical properties between normal bedrock and weathered bedrock of Zhiluo Formation

超低渗～特低渗(渗透率0～10×10-15m2)、低渗(渗透率10×10-15～50×10-15m2)、中渗(渗透率50×10-15～500×10-15m2)、高渗(渗透率500×10-15～2 000×10-15m2)、特高渗(渗透率≥2 000×10-15m2)样品占比分别为23.08%，7.69%，30.77%，23.08%，15.38%，渗透率类型以中-高渗为主。根据直罗组不同岩性的渗透率统计结果，粗粒砂岩孔隙度最大，中粒砂岩次之，细粒砂岩最差(图17(b))。

4 直罗组微观孔隙结构特征

4.1 孔隙结构分形特征

分形理论是根据物体的自相似性来研究其内部结构的一种方法[33]。以往研究表明，砂岩孔隙结构存在分形特征，利用分形维数可以表征砂岩孔隙结构的复杂性。本文利用压汞实验结果，采用汞饱和度法进行分形研究。

4.1.1 分形方法

汞饱和度法是根据毛细管模型和几何理论，累积进汞饱和度与毛细管压力之间存在如下关系[34-35]：

SHg=aPc-(2-D)

(2)

式中,SHg为累积进汞饱和度，%；Pc为毛细管压力，MPa；D为分形维数；a为常量。

将式(2)两边同时取对数可得

lgSHg=(D-2)lgPc+lga

(3)

根据式(3)，将每个样品测试数据作图，通过直线的斜率即可计算出分形维数。

4.1.2 分形计算

利用汞饱和度法对研究区45块砂岩压汞样品进行分形维数计算，其lgSHg-lgPc曲线拟合相关系数均在0.9以上，表明直罗组砂岩孔喉具有明显的分形特征。根据lgSHg-lgPc曲线形态，可以将其分为2类：第1类为整体分形结构(图18(a))，lgSHg和lgPc的双对数曲线完全或者接近于一条直线。该类分形表明砂岩的大小孔隙结构差异不大，分形维数基本相同，分形维数Df分布范围2.012 6～2.185 1，平均2.063 6。第2类为分段式分形结构(图18(b))，两段分别对应了岩石中相对大孔和相对小孔，表明大孔和小孔的发育相对独立。相对大孔对应的分形维数D1分布范围2.191 4～3.720 3，平均2.908 2，相对小孔对应的分形维数D2分布范围2.055 4～3.180 8，平均2.291 7。D1和D2转折点进汞压力分布范围为2.1～15.1 MPa，孔喉半径0.05～0.35 μm。D2分布比D1分布相对集中，总体分形维数相对较小，说明相对小孔非均质性弱。

图18 汞饱和度法计算的孔隙结构典型分形曲线Fig.18 Typical fractal curves of pore structure calculated by mercury saturation method

本文将两段式分形维数D1，D2根据各段所占饱和度求平均值作为整体分形维数Df。总体来看，直罗组砂岩Df分布范围2.012 6～3.277 4，平均2.218 6。其中2.0≤Df<2.05占比24.44%，2.05≤Df<2.10占比42.22%，2.10≤Df<2.20占比8.89%，2.20≤Df<2.50占比6.67%，2.50≤Df<3.0占比15.56%，Df≥3.0占比2.22%。整体分形维数变化范围大(图19)。说明直罗组砂岩整体上非均质性较强。

4.2 孔隙结构分形维数与孔隙结构的关系

研究区直罗组砂岩分形维数与孔隙结构参数具有良好的相关性。反映孔喉大小特征参数中平均孔喉半径、孔喉半径均值与分形维数呈负相关关系，相关性较好(R2分别为0.894 3,0.920 8)，表明随着分形维数的增大，岩石的孔喉半径整体变小，储集性能变差(图20(a),(b))。

图19 直罗组砂岩孔隙结构分形维数频率分布Fig.19 Fractal dimension frequency distribution of pore structure of Zhiluo Formation sandstone

反映孔喉分布特征的相对分选系数、分选系数与分形维数具有较好的相关性(R2为0.579 3,0.887 4)。其中反映孔喉分布均匀程度的相对分选系数与分形维数呈正相关关系，表明分形维数越大，孔喉分布越不均匀。而反映孔喉分布集中程度的分选系数则与分形维数呈负相关关系，分形维数越大，分选系数越小，孔喉集中程度越高，孔喉更多地集中分布在小孔径范围内，导致孔渗性变低(图20(c),(d))。

反映孔喉联通特征的排驱压力、中值压力与分形维数呈正相关关系，相关性较好(R2为0.913 5，0.825 7)。随着排驱压力与中值压力的增大，孔隙结构逐渐变差，分形维数变大(图20(e),(f))。

由此表明，研究区直罗组砂岩孔隙结构汞饱和度法分形维数与孔隙结构参数之间具有良好的相关性，可以作为孔隙结构特征的整体表征指标。

4.3 孔隙结构分类

研究区直罗组砂岩整体分形维数与孔隙度和渗透率相关性分析显示，整体分形维数与孔隙度呈现明显的负相关关系，相关系数R2为0.743 8(图21(a))，与渗透率也呈现明显的负相关关系，相关系数R2为0.813 9(图21(b))。由此表明孔隙结构分形维数越大，孔隙结构越复杂，物性条件相对越差。分形维数与渗透率相关性更好，表明分形维数对渗透率的影响作用更大。因此，根据研究区内45件样品分形维数与渗透率的相关关系，样品的分区性明显，可以根据分形维数的大小，定量的将研究区内样品划分为4类孔隙结构类型(图21(b))。Ⅰ类孔隙结构分形维数分布范围为2.012 6～2.097 5，Ⅱ类孔隙结构分形维数分布范围为2.117 3～2.602 3，Ⅲ类孔隙结构分形维数分布范围为2.687 3～2.794 2，Ⅳ类孔隙结构分形维数为3.277 4。各样品分类结果见表1。其中直罗组下段主要以Ⅰ类孔隙为主，中上段以孔隙Ⅱ和Ⅲ类为主。

(1)Ⅰ类孔隙结构。该类孔隙结构最好，岩性以中粒、粗粒砂岩为主，孔隙组合类型为溶蚀孔-粒间孔，孔隙度15.56%～30.36%、平均23.31%，渗透率39×10-15～2 924×10-15m2、平均563×10-15m2，排驱压力0.013～0.107 MPa、平均0.049 MPa，平均孔喉半径2.399～11.814 μm，平均孔隙直径82.73～301.97 μm。整体属于低排驱压力、中-高孔、中-高渗孔隙结构类型。该种孔隙结构类型的样品，主要取自直罗组下段砂体。

图20 分形维数与直罗组砂岩孔隙结构参数关系Fig.20 Relationship between fractal dimension and pore structure parameters of Zhiluo Formation sandstone

图21 分形维数与直罗组砂岩物性相关性Fig.21 Correlation curve between fractal dimension and physical properties of Zhiluo Formation sandstone

表1 直罗组砂岩微观孔隙结构与钻孔单位涌水量统计结果

续表

(2)Ⅱ类孔隙结构。该类孔隙结构较好，岩性以细粒、中粒砂岩为主，孔隙组合类型主要为溶蚀孔-粒间孔，孔隙度7.61%～27.84%、平均17.34%，渗透率1.0×10-15～12.90×10-15m2、平均4.90×10-15m2，排驱压力0.048～3.162 MPa、平均0.688 MPa，平均孔喉半径0.401～4.301 μm，平均孔隙直径36.72～190.02 μm。整体属于中排驱压力、中-低孔、特低-低渗孔隙结构类型。该种孔隙结构类型主要分布在直罗组中上段。

(3)Ⅲ类孔隙结构。该类孔隙结构较差，岩性以含泥细粒极细粒砂岩为主，孔隙组合类型主要为微孔，孔隙度11.82%～13.49%、平均12.47%，渗透率0.064×10-15～0.202×10-15m2、平均0.129×10-15m2，排驱压力1.202～6.310 MPa、平均3.360 MPa，平均孔喉半径0.082～0.296 μm，平均孔隙直径9.41～75.49 μm。整体属于高排驱压力、低孔、超低渗孔隙结构类型。该种孔隙类型主要分布在直罗组中、上段。该类孔隙结构类型主要分布在直罗组上段。

(4)Ⅳ类孔隙结构：只有1个样品，该类孔隙结构最差，岩性为含泥细粒极细粒砂岩，孔隙组合类型为微孔，孔隙度9.18%，渗透率0.040 4×10-15m2，排驱压力19.953 MPa，平均孔喉半径0.046 μm，未发现明显孔隙。属于高排驱压力、特低孔、超低渗孔隙结构类型。该种孔隙结构类型分布在直罗组中段。

5 直罗组富水性特征

直罗组含(隔)水层宏观结构特征可以用地层厚度、含水岩组厚度、砂地比、隔水岩组厚度及层数等参数进行表征，这些参数指标从宏观上控制着储水空间的发育程度。直罗组微观结构特征可以用微观孔隙结构类型表征，主要决定了岩层的水理性质。本文在直罗组宏观结构和微观结构特征分析的基础上，结合区内抽水试验钻孔数据，探讨直罗组宏观结构参数及微观孔隙结构参数对富水性的控制作用。

5.1 直罗组宏观结构特征对直罗组正常基岩富水性的控制

为分析直罗组宏观岩性结构特征对富水性的控制作用，本文选择了18个直罗组(均不存在风化层段)抽水试验钻孔，通过数据整理，分析直罗组厚度、砂体厚度、砂地比、隔水岩组累计厚度、隔水岩组累计层数与富水性的相关关系，其中富水性采用单位涌水量(q)表征。

Pearson Correlation Coefficient(PCC)是一种度量变量之间相关关系的统计学方法[36]。通过对18个直罗组抽水试验钻孔数据统计，可以得到18组数据，记为(xi，yi)，其表达式为

(4)

相关系数的取值介于-1～1。其具体判断见表2。

表2 相关系数

样本相关系数的可靠性验证，首先，假设H0是与样本无关的估计。其次，计算检验的统计量，通常情况下采用t分布检验，其表达式为

(5)

最后，根据给定的显著性水平α和自由度df=n-2，利用t分布表查出tα/2(n-2)的临界值(tα/2为t分布的临界值)。若|r|>tα/2|r|，则拒绝原假设H0，表明总体2个变量之间存在显著的线性关系。

基于上述方法，18个直罗组正常基岩抽水试验钻孔直罗组厚度、砂体厚度、砂地比、隔水岩组累计厚度、隔水岩组累计层数与富水性的相关关系计算结果见表3。

表3 相关系数计算结果

由表3可知，直罗组下段砂体厚度、直罗组下段砂地比与富水性之间的相关系数为正值，绝对值0.6～0.8，呈现出强正相关关系。直罗组下段隔水岩组厚度与富水性之间的相关系数为负值，绝对值0.6～0.8，呈现出强负相关关系。其他参数与富水性之间的相关系数绝对值均小于0.5，且显著性水平大于0.05，说明他们与富水性之间弱相关。

综上，根据相关性分析结果，研究区直罗组下段砂体厚度、直罗组下段砂地比以及直罗组下段隔水岩组厚度对富水性具有较强的控制作用，说明直罗组下段砂体对整个直罗组富水性具有一定的控制作用，是整个直罗组地下水的主要“贡献”层段。仔细分析可以发现，3个指标恰恰很好的刻画了直罗组下段砂体的规模和内部结构，砂体厚度越大，砂地比越大，隔水岩组厚度越小，则砂体的规模越大，砂体内部的侧向、垂向连通性越强，宏观非均质性越弱，地下水的储集空间越大。

基于以上分析，笔者依据直罗组下段砂体厚度、直罗组下段砂地比以及直罗组下段隔水岩组厚度对直罗组下段砂体进行分级，一级砂体厚度在60 m以上，砂地比在0.8以上，隔水岩组厚度一般在10 m以内；二级砂体厚度30～60 m，砂地比0.4～0.8，隔水岩组厚度一般为10～30 m；三级砂体厚度0～30 m，砂地比0～0.4，隔水岩组厚度一般大于30 m。直罗组下段砂体分级结果如图22所示。

图22 研究区直罗组下段砂体分级平面Fig.22 Sand body classification plan of the lower member of Zhiluo Formation in the study area

5.2 直罗组微观孔隙结构特征对富水性的影响

孔隙结构代表了砂体的微观层面的储水空间特征。前文研究可知，直罗组下段是整个直罗组地下水的主要“贡献”层段。本节以典型钻孔为例，探讨未风化的直罗组下段砂体微观结构特征对富水性控制。

SJ04钻孔位一级砂体位置，岩性以中粒砂岩为主，孔隙结构类型为Ⅰ类；SJ05钻孔位于二级砂体边缘，岩性结构较为复杂，粗、中、细粒砂岩互层，孔隙结构类型为Ⅰ类和Ⅱ类。总体来看，SJ04钻孔砂体微观孔隙相比SJ05钻孔较好，前者单位涌水量0.056 5 L/(s·m)，后者单位涌水量0.011 3 L/(s·m)，前者富水性强于后者(图23(a)，(b))。

SJ08钻孔位于二级砂体位置，岩性结构较为复杂，粗、中、细粒砂岩和粉砂岩互层，孔隙结构类型主要为Ⅰ类和Ⅱ类。SJ09钻孔位于一级砂体位置，岩性以中粒砂岩为主，孔隙结构为Ⅰ类。总体来看，SJ09钻孔砂体微观孔隙相比SJ08钻孔较发育，前者单位涌水量0.061 5 L/(s·m)，后者单位涌水量0.030 0 L/(s·m)，前者富水性强于后者(图23(c)，(d))。

图23 直罗组正常基岩岩性与富水性柱状Fig.23 Normal bedrock lithology and water-rich column of Zhiluo Formation

综上分析，直观的抽水试验数据表明，孔隙结构从微观尺度上对直罗组富水性具有一定的控制作用。Ⅰ类孔隙结构富水性较强，Ⅱ～Ⅳ类孔隙结构富水性相对较弱。

5.3 风化作用对富水性的改造

由前文研究可知，从宏观层面来看，岩石遭受风化后，对原岩最直接的改造就是对岩石结构的破坏，通过对比发现，直罗组正常基岩岩心较为完整，裂隙一般不发育，而遭受风化后，岩石结构遭到严重破坏，松散疏松，且肉眼可见网状裂隙和垂向裂隙发育，从而使原岩储水空间发生了质的改变。而从微观结构来看，风化基岩与正常基岩相比，粗中粒岩石碎屑颗粒发生碎裂，微裂隙发育明显，细粒砂岩，遭受风化后在薄弱面位置容易形成微裂隙。风化基岩的孔隙度和渗透率相比正常基岩较大，微观储水空间较好。

基于以上分析，本文对研究区只针对直罗组下段进行抽水试验的76个钻孔进行分析，以直罗组下段风化地层厚度、风化砂体厚度以及风化程度系数3个指标与风化基岩单位涌水量(q)进行相关性分析，分析方法仍采用Pearson Correlation Coefficient相关性分析法。通过计算，76个直罗组风化基岩抽水试验钻孔风化地层厚度、风化砂体厚度以及风化程度系数与富水性的相关关系计算结果见表4。

表4 相关系数计算结果

由表4可知，直罗组下段3个指标与富水性均为正相关关系，且均通过了显著性水平检验。其中风化砂体厚度、风化程度系数与富水性的相关系数分布在0.6～0.8，为强相关;风化地层厚度与富水性的相关系数分布在0.2～0.5，为弱相关。由此可以说明，直罗组下段风化砂体厚度越大，整体风化程度越高，富水性越强。

为了进一步论证风化作用对直罗组下段砂体富水性的改善作用，本文对不同砂体级别区域正常基岩与风化基岩抽水试验数据进行了对比，由图24可知，一级砂体、二级砂体、三级砂体区域的单位涌水量呈现出逐渐递减的趋势，而在同一级别砂体条件下，风化基岩单位涌水量远高于正常基岩。

图24 直罗组下段正常基岩与风化基岩单位涌水量箱型图Fig.24 Box diagram of normal bedrock and weathered bedrock per unit water inflow in the lower member of Zhiluo Formation

综上分析，无论是正常基岩还是风化基岩，直罗组下段一级砂体、二级砂体的富水性明显强于三级砂体，且风化作用对直罗组下段砂体富水性具有明显的改善作用。

5.4 直罗组下段富水性评价

5.4.1 富水性评价指标的选择

根据前文研究结果，直罗组下段为辫状河三角洲沉积，砂体规模较大，侧向延伸稳定，是富水性的主要“贡献”层段，因此，笔者对直罗组下段富水性进行评价。对于直罗组正常基岩而言，储水空间以孔隙为主，其富水性与直罗组下段砂体累计厚度、直罗组下段砂地比具有较强的正相关关系。而直罗组遭受风化后，孔隙度增大且裂隙发育，地下水储存空间和运移通道由以孔隙为主转变为以裂隙为主。通过相关性分析，风化基岩富水性与风化砂体厚度和风化程度系数关系密切，可以作为富水性评价的指标。此外，砂体是具有储集空间和渗透能力的地质体，对于地下水运移而言，砂体必须在一定的宏观空间范围内具有连通性，从而构成其导水性能。因此，笔者借鉴了储层研究方法，引入直罗组下段砂体连通概率指标，用来表征砂体的空间连通程度。根据张云峰等[37-38]、雷裕红等[39]以及赵健等[40]研究成果，认为砂体连通性可以通过砂地比来表征，砂体连通概率计算公式为

(6)

基于以上分析，本文选择下段砂体厚度、砂地比及风化砂体厚度作为直罗组下段砂体储水性能主控因素，将砂体连通率、风化程度系数作为评价直罗组下段砂体导水性能的主控因素，对直罗组下段砂体富水性开展评价。

由于确定的主控因素具有不同的量纲，需对原始数据进行标准化处理,即

(7)

式中，Xi为归一化的数值(范围0～1)；X为指标的原始数值；Xmin，Xmax分别为指标原始数据中的最小、最大值。

根据钻孔各主控因素归一化数据，采用ArcGIS软件绘制各主控因素归一化专题图(图25)。

5.4.2 富水性评价模型的建立

(1)层次结构模型建立。笔者采用层次分析法对各富水性指标进行权重计算。将决策目标、中间层、指标层绘制层次结构图(图26)。目标层为直罗组下段富水性评价(A)，准则层为储水性(B1)、导水性(B2)，决策层为直罗组下段砂体厚度(C1)、直罗组下段砂地比(C2)、直罗组下段风化砂体厚度(C3)、直罗组下段砂体几何连通率(C4)、直罗组下段风化程度(C5)。

(2)判别矩阵构造及权重计算[41]。根据SEATY等提出的1～9标度法，将各个指标对决策目标所起的作用大小进行两两比较，按照重要程度评价等级，建立判别矩阵。

进行一致性检验后，求取B层对A层的排序权重向量w，C层对B层的单准则排序权重向量p：

最终计算C层各评价指标对目标层A的排序权向量W，即

图26 层次分析结构模型Fig.26 Hierarchical analysis structure model

由此可知，直罗组下段砂体厚度、直罗组下段砂地比、直罗组风化砂体厚度、直罗组下段砂体几何连通率、直罗组风化程度系数的权重分别为0.209 6，0.156 7，0.233 7，0.171 4，0.228 6。

(3)富水性评价模型的建立。笔者采用富水性指数法对直罗组下段含水层富水性进行评价。评价模型由式(8)表示：

(8)

式中，S为富水性指数；Wk为各影响指标的权重；fk为单个指标的影响函数；x，y为地理坐标，p为指标个数。

5.4.3 直罗组下段富水性预测分区

采用富水性评价模型，基于ArcGIS软件按照各因素权重进行加权叠加分析，形成直罗组下段富水性指数分布。依据ArcGIS自然间断法对富水性指数进行分级，得到分级阈值分别为0.377 2，0.478 2，0.520 5，根据分级阈值，将研究区直罗组下段划分为4个区域。S>0.520 5，富水性相对强；0.520 5

利用研究区内的18个直罗组正常基岩及96个直罗组风化基岩抽水试验钻孔获取的单位涌水量，对富水性分区结果进行对比验证，实测单位涌水量大于0.1 L/(s·m)的钻孔基本位于富水性相对强和较强区(误差率9.13%)，单位涌水量0.01～0.10 L/(s·m)的钻孔基本位于富水性相对中等区(误差率1.75%)，单位涌水量小于0.01 L/(s·m)的钻孔基本位于富水性相对弱区(误差率1.75%)，说明本次富水性分区结果可靠。总体而言，基岩风化区富水性总体强于未风化区域；对于直罗组未遭受风化区域，一级砂体区域富水性强于二级砂体及三级砂体区域；对于直罗组基岩风化区，一级砂体及二级砂体区域富水性强于三级砂体区域。

图27 直罗组下段富水性预测分区Fig.27 Water-rich prediction zoning diagram of lower member of Zhiluo Formation

6 结 论

(1)受沉积环境的控制，直罗组可分为上、中、下3段，主要含水岩组为风化基岩段，层间粗粒、中粒和和细粒砂岩段，主要隔水岩组为粉砂岩、砂质泥岩和泥岩段。风化基岩含水层段呈南北向条带状分布于研究区中部，风化基岩厚度和风化程度从中部向南北两侧逐渐变薄和减弱；直罗组下段砂岩含水岩组厚度、砂地比明显大于中上段，下段砂体展布形态呈现出泛连式，侧向连续性明显好于中上段；直罗组下段隔水岩组累计厚度、层数明显小于中上段，下段含(隔)水岩组非均质性明显弱于中上段。

(2)对于直罗组正常基岩而言，中上段砂岩孔隙度类型以低孔为主，渗透率类型以超低渗～特低渗为主。直罗组下段砂岩孔隙度类型以中孔为主，渗透率类型以中渗为主，相比中上段，下段孔隙度和渗透率较大。风化作用使直罗组物性得到了极大改善，直罗组遭受风化后，岩石微裂隙明显发育。相比正常基岩，风化基岩孔隙度和渗透率较大，孔隙度类型总体以中-高孔为主，渗透率类型以中-高渗为主，储水空间较好。

(3)采用汞饱和度法对直罗组孔隙结构进行分形，划分出4种孔隙结构类型，其中直罗组下段砂体主要以I类孔隙为主，微观储水空间和渗流能力较好。中上段孔隙类型以Ⅱ和Ⅲ类为主，个别中上段样品为Ⅳ类，微观储水空间和渗流能力相比下段较差。

(4)从宏观和微观角度分析了直罗组富水性特征。对于直罗组正常基岩而言，直罗组下段砂体厚度、直罗组下段砂地比以及直罗组下段隔水岩组厚度3项指标从宏观上控制了直罗组富水性，下段是直罗组富水性的主要“贡献”层段；孔隙结构从微观尺度上对直罗组富水性具有一定的控制作用，直罗组下段砂体孔隙结构类型主要为Ⅰ类，富水性较强，而中上段孔隙结构类型主要为Ⅱ～Ⅳ类，富水性相对较弱。风化作用有效增强了直罗组下段砂体富水性，通过相关性分析发现，直罗组下段风化砂体厚度和风化程度对风化基岩富水性控制作用较为明显。

(5)选择直罗组下段砂体厚度、砂地比、风化砂体厚度、砂体连通率、风化程度系数等指标，对直罗组下段富水性开展评价。总体而言，直罗组基岩风化区富水性总体强于未风化区域。对于直罗组未遭受风化区域，一级砂体区域富水性强于二级砂体及三级砂体区域；对于直罗组风化基岩分布区，一级砂体及二级砂体区域富水性强于三级砂体区域。