基于电阻率测井的火山岩含水层孔隙度与水力传导系数估算新方法——以埃塞俄比亚阿瓦什河上游子流域为例

本研究针对火山岩含水层传统表征方法成本高、效率低的问题，创新性地整合电阻率测井数据、Archie定律和Kozeny-Carman方程，通过对335口井的数据分析，成功估算出玄武岩、凝灰岩和熔结凝灰岩的孔隙度（10.02-23.14%）与水力传导系数（2.4-33.1 m/day），为复杂地质区地下水管理提供了经济高效的解决方案。

　　

火山岩含水层因其复杂的结构和高度非均质性，一直是水文地质研究的难点。在埃塞俄比亚阿瓦什河上游子流域，玄武岩、凝灰岩和熔结凝灰岩等火山岩层主导着区域水文地质格局。传统方法如抽水试验在评估这类含水层性质时面临巨大挑战——深层火山岩层难以有效测试，且成本高昂、数据稀疏。更棘手的是，火山岩含水层中地下水主要通过随机分布的裂隙和通道流动，导致导水率(T)在垂向和横向上剧烈波动（2.01-6640 m2/day），常规方法难以捕捉这种异质性。

为突破这些限制，研究人员开发了一种基于电阻率测井的创新方法。通过整合短电位(16NR)和长电位(64NR)电阻率测井数据，结合Archie定律和Kozeny-Carman-Bear方程，建立了孔隙度(?)与水力传导系数(K)的估算模型。研究分析了328口井的电阻率测井、伽马测井数据，以及1230个水质样本和290口井的岩性记录与抽水试验结果，将研究区划分为7个子区域(A-G)进行对比验证。

关键技术包括：1) 电阻率测井技术（短电位16NR和长电位64NR电极系）获取地层电阻率(ρ_o)；2) 自然伽马测井区分含黏土层；3) 应用修正的Archie定律（Humble方程）计算孔隙度：F_i=0.62/?^2.15；4) Kozeny-Carman方程计算水力传导系数：K=(δ_wg/μ)×(d²/180)×(?³/(1-?)²)；5) DBSCAN与K-means聚类分析（轮廓系数0.38-0.49）划分电阻率特征区域。

4.1 电阻率与伽马测井特征
3D电阻率模型揭示出显著的空间异质性：高阻区（>1000 Ω·m）对应致密玄武岩层，低阻区（<50 Ω·m）反映含水裂隙带。伽马测井显示高值区（>150 CPS）与黏土质火山灰层相关，低值区（<50 CPS）指示粗粒火山沉积。这种电阻率-伽马组合特征为识别含水层-隔水层系统提供了可靠依据。

4.2 地层因子与孔隙度
通过1/F_a-ρ_w线性回归获得本征地层因子(F_i)，各岩性差异显著：上部玄武岩40.2、下部玄武岩19.44、凝灰岩14.42、上部熔结凝灰岩35.9、下部熔结凝灰岩26。对应的孔隙度估算显示凝灰岩最高（23.14%），上部玄武岩最低（14.35%），反映原生孔隙结构和后期成岩作用的差异。

4.3 水力传导系数验证
子区域C（凝灰岩主导）测得最高K值（33.1 m/day），与抽水试验结果（0.62-63.6 m/day）高度吻合；而子区域B（致密玄武岩）K值仅2.8 m/day。这种岩性控制的渗透性差异解释了为何传统方法在火山岩区易产生偏差——抽水试验仅反映局部特征，而电阻率测井能捕捉垂向连续变化。

4.4 水质参数关联性
516个水样分析显示总溶解固体(TDS)与电导率(EC)强相关（R2=0.99），经验公式TDS=0.636×EC（单位：μS/cm）为快速水质评估提供工具。值得注意的是，高K值区域（如子区域C）对应较高TDS（平均476.5 mg/L），暗示渗透性控制溶质运移。

这项研究开创性地证明了电阻率测井在火山岩含水层表征中的优势：相比传统方法，它能以更低成本获取连续剖面数据，且精度相当。提出的技术框架可推广至全球类似地质区，尤其适用于资源有限的火山岩地区。未来研究需结合岩相分析优化粒度参数(d)，并探索电阻率与裂隙密度的定量关系，以进一步提升模型在双重孔隙介质中的适用性。论文发表于《Journal of Hydrology: Regional Studies》，为可持续地下水管理提供了新范式。