水文地质物探.doc

第四章 水文地质物探1 水文地质物探方法的基本原理水文地质物探是根据地下岩层在物理性质上的差异，借助于专门的物探仪器，通过测量、分析其物理场的分布、变化规律来进行水文地质调查的一种勘探手段。1物探方法的特点成本低、速度快、用途广泛，是当前水文地质调查中不可缺少的勘查手段。2物探方法的基本原理物探方法之所以能够探明某些地质、水文地质条件，主要是因为不同类型或不同含水量的岩石之间存在着物理性质上的差异（包括导电性、导热性，热容量、温度、密度、磁性、弹性波传播速度及放射性等）。因此，我们可以借助各种物探测试仪器，测定出岩石或水体的某些物理特征值的变化，从而分析、推断出岩性、构造和岩层含水性能的变化。例如，许多岩浆岩和石灰岩的视电阻率（s）常常可达n（102103）欧姆米；而泥岩、粘土的视电阻率值只有十到几十m。（1）在含水量方面：水是一种良导体，因此岩石的含水量及水本身的矿化度，对岩石的视电阻率值有很大的影响。厚层石灰岩的无水地段的s值常常大于500m，比有水地段高很多。（2）在磁性方面：不同种类的岩石之间也有较大差别，如许多岩浆岩中的金属元素含量相对较丰富，磁性较强；多数沉积岩的磁性均较弱。因此，当磁法剖面跨过这两种岩石时，便会有显著的磁力差异。（3）在放射性强度和热辐射强度方面：不同类型的岩石，以及岩石中富水和贫水地段之间，也常有较大的差异。从图4l所示的热行为剖面上可清楚地显示出断裂富水带的平均辐射温度（地面下0.8m）要比断裂两侧贫水地带低7一11。2 物探方法在水文地质调查中的作用在水文地质调查中使用的物探方法有两大类：（1）地面物探方法，（2）地球物理测井。现将各种物探方法在水文地质调查中的作用，即能解决的水文地质问题简介于下。一、采用地面物探方法寻找地下水地面物探方法，已被证明是探测地下岩性、划分地层和确定构造的有效手段之一，几乎所有地面物探方法均可用于寻找地下水和判定某些水文地质特征。但是，绝大多数物探方法并不是直接地测定出地下水的物性显示，而是通过测定出岩石或裂隙、空洞的物性显示，去判断是否有含水层和富水带的存在。当然，岩石本身的物性显示在一般情况下又比水强烈得多，因此，准确地说，多数的物探方法均是间接的找水方法。地面物探方法的种类很多。在水文地质调查中，运用较多的是那些所测得的物性特征在各类岩石中（包括有水的和贫水的地段）差别较显著、显示比较稳定、强烈，且受自然环境和人为因素干扰较小的物探方法。这类方法，首推各种电阻率法，磁法、放射性探测法、和声波探测法也常用到，而地震和重力等方法相对使用较少。在水文地质调查中主要使用的物探方法（传统方法）有：（1）电法勘探；（2）电法测井等。在工程地质调查中主要使用的物探方法（传统方法）有：（1）电法勘探；（2）地震勘探；（3）声波探测等。考虑到一般的电阻率法，在各种地球物理勘探和水文地质物探教材中已有详尽论述，而磁法、重力和地震方法在水文地质勘查中使用较少，故本章将着重介绍目前用于水文地质勘探及寻找地下水较为有效的，已有物探或专水教材中又未深入介绍的各种物探方法。（l）自然电场法。这种方法是以地下存在的天然电场作为场源。由于天然电场主要是与地下水通过岩石孔隙、裂隙时的渗透作用及地下水中离子的扩散、吸附作用有关。因此，可根据在地面测量到的电场变化情况，查明地下水的埋藏、分布和运动状况。这种方法主要是用于寻找掩埋的古河道、基岩中的含水破碎带，及确定水库、河床及堤坝的渗漏通道，以及测定抽水钻孔的影响半径等。这种方法的使用条件，主要决定于地下水渗透作用所形成的过滤电场的强度。一般只有在地下水埋藏较浅、水力坡度较大和所形成的过滤电位强度较大时，才能在地面测量到较明显的自然电位异常。（2）激发极化法。这种方法是根据供电极断电后，由电化学作用引起的岩石和地下水放电电场（即二次场）的衰减特征来寻找地下水。二次场的衰减特征可用衰减度（D）、衰减时（）等参数表示。判断地下水存在效果较好的测量参数，通常是和D。是指二次场电位差（Uz）衰减到某一规定数值时（通常规定为50）所需的时间（单位为s）。D亦是反映极化电场（即二次场）衰减快慢的一种测量参数（用百分数表示）。由于岩石中的含水或富水地段水分子的极化能力较强，又因二次场一般衰减慢，故D和值相对较大。激发极化法和电阻率法一样，分为剖面法、测深法和测井法。其中，激发极化测深法用得最多，主要用于寻找层状或似层状分布的各种地下水以及较大的溶洞含水带，并可确定它们的埋藏深度。由于激发极化所产生的二次场值小，故这种方法不适用于覆盖层较厚（如大于20m）和工业游散电流较强的地区。电源笨重、工作效率较低、成本较高，也是这种方法的不足之处。（3）交变电磁场法。这种方法是以岩石、矿石（包括水）的导电性、导磁性及介电性的差异为基础，通过对以上物理场空间和时间分布特征的研究，达到查明隐伏地质体和地下水的目的。电磁法是近二三十年才推出的新物探方法。目前已在生产中使用的有甚低频电磁法（利用超长波通讯电台发射的电磁波为场源）、频率测深法（以改变电磁场频率来测得不同深度的岩性）、地质雷达法（利用高频电磁波束在地下电性界面上的反射来达到探测地质对象的目的）等。其中，甚低频法对确定低阻体（如断裂带、岩溶发育带和含水裂隙带）比较有效；而地质雷达则具较高的分辨率（可达数厘米），可测出地下目的物的形状、大小及其空间位置。近年来，原苏联科学家又设计出一种新的能直接寻找地下水的电磁法，即核磁找水法。其原理如下：由于水具弱磁性，故在磁场作用下，其磁矩将沿地磁的方向排列。当在垂直地磁场方向施加一定强度和频率的人工磁场时，水分子就会产生核磁共振现象。其磁振动频率将会在地面铺设的金属线圈中产生一定的电感应讯号。测定出这种讯号的强度，就可确定出地下水的埋深和富集程度。（4）放射性探测法（天然放射性找水法）自然界存在三个放射性元素系（铀一镭系、钍系和锕系），但在岩石和水中分布较广泛的，主要有铀（U）、镭（Ra）、氡（Rn）、钍（Th）和钾（40K）。天然放射性元素发生衰变时能放出、射线，而这些射线的强度可利用核辐射探测仪器加以测定。尚须指出，用放射性方法所测量到的射线，主要是氡及其子体产生的，而铀、镭等元素放出的射线是次要的，故氡及其子体是放射性探测法首先重视的对象。放射性探测法主要适用于寻找基岩地下水，这是基于以下原因：不同类型岩石，由于其放射性元素含量不同，其放射性强度常有差异；岩石中断裂带和裂隙发育带，常是放射性气体运移和聚积的场所，故可形成放射性异常带；在地下水流动过程中（特别是在出露地段），由于水文地球化学条件的突然改变，可导致水中某些放射性元素的沉淀或富集，从而形成放射性异常。由于地下水中所含放射性物质甚微，所以利用天然放射性找水，并非直接测定地下水的放射性，而是通过测定岩石的放射性差异去判断有无含水的岩层，有无可供地下水赋存的断裂、裂隙（通道）构造。放射性探测的方法很多，但都是基于测量氡及其子体的射线强度；放射性探测的仪器种类也很多，但从原理上说主要分为、两种辐射仪（这是因为射线穿透力较强，粒子电离本领较强）。现将目前使用较多的方法简介如下。测量法。所测量的是铀、钍、钾等放射性元素及其子体辐射出的射线的总强度。本方法使用的仪器轻便，工作效率高，对查明岩层分界线和破碎带有一定效果；但其异常显示不够明显，覆盖土层厚度较大时效果不佳。放射性能谱测量法。是在测量法的基础上新推出的方法。在同一测量剖面线上，四条辐射强度曲线的相互配合，可大大提高地质解释的精度。射气测量法。该方法是用射气仪（测氡仪）测量土壤中放射性气体（主要是氡气）的浓度，以发现浮土下的放射性异常带。测氡法对于寻找脉状基岩含水带有很好的效果。但其测量结果，也难免受到土壤湿度、温度、气压、土壤密实程度和融冻状态的影响。径迹测量法和卡法。这两种方法均是测量土壤盖层中射线的方法。径迹法是将特制的薄膜（或胶片）放在固体绝缘容器中（一般用陶瓷杯），将容器倒置埋设于地面下0.30.6m深度内，经过10一20d后，取出特制薄膜（或胶片），在显微镜下统计出薄膜上被射线轰击后留下的潜迹（孔），从而确定出射线强度；卡法则是将特制的卡片埋置于地下，使之聚积氡的衰变子体，而后使用辐射仪测量出射线强度。这两种方法，由于接收片在地下埋置的时间较长，聚积的放射性元素多，接收到的辐射量大，因而捕捉到的异常突出清晰，测量结果精度较高，且在浮土厚度较大时（数十米）亦不受影响。两种方法的主要缺点是工期较长。210Po法。它和卡法一样，也是一种长期积累的测氡方法。但它是通过采集土样，经化学处理后，再用辐射仪测量210Po放出的射线强度。由于210Po是一个长寿命、强辐射的天然同位素，故其探测深度亦较大，且不适用于土层已经再搬运过的地区。二、采用地球物理测井方法确定含水层和测定水文地质参数许多地球物理测井方法都可配合钻探取芯和水文地质观测资料，用于钻孔剖面的岩性分层，判断含水层（带）、岩溶发育带和咸淡水分界面位置（深度）及确定水文地质参数等。当采用无芯钻进或钻进取芯不足时，物探测井更是不可缺少的探测手段。物探测井的地质一水文地质解释精度，远比前述的地面物探方法为高。对确定钻孔中的岩层分界面和出水裂隙段位置的可靠性和精度，有时甚至比钻探取芯还高。目前，水文地质钻探中常用的测井方法有五类：（1）电法测井，包括：普通视电阻率测井，井液电阻率测井，自然电位测井；（2）放射性测井，包括：伽玛一伽玛测井，中子测井，放射性同位素测井；（3）声波测井；（4）热测井；（5）流速测井。各种测井方法相互配合，可以提供更多、更可靠的地质一水文地质信息，可使水文地质钻孔发挥更大的勘查效益。上述许多物探测井法，除完成井孔地质剖面的测量任务外，皆可测出（或粗略地测定出）含水层的水文地质参数和岩石的工程力学性质，也可解决某些水井工程的特殊问题（如井径、井斜等）。主要测井方法所解决的水文地质问题：（1）普通视电阻率测井：除划分钻孔地层剖面外，主要用于确定含水层的位置及厚度，测定岩石电阻率参数和岩石孔隙度；（2）井液电阻率测井：其中的扩散法，能可靠的确定钻孔中含水层（出水段）的位置和厚度，比较含水层的富水性，求地下水的渗透速度和间接计算渗透系数；（3）自然电位测井：可确定地下水的矿化度和咸淡水界面，估计地层的含泥量；（4）伽玛一伽玛测井：可按密度区分岩性、划分剖面，确定含水层和岩石的孔隙度；（5）中子测井：用于划分岩性，查明含水层，确定孔隙度和测定含水量；（6）放射性同位素测井：同位素示踪法是目前测定地下水流向、流速、渗透系数和水动力弥散系数的主要方法，还可用于确定井内出水和套管破裂位置，检查井管外封堵质量和寻找水库（坝下）渗漏通道；（7）声波测井：主要用于测定岩石的孔隙度，也用于划分岩性，作地层对比，划分含水破裂带等；（8）热测井：测地温梯度，测定井内进（漏）水位置。此外，还有流速（流量）测井，实质上它属于水文法测井，而非地球物理方法。此法能直接测量出钻孔中各个含水层（或含水段）的厚度、流速和出水量，并能计算出各含水层（段）的渗透系数，确定钻孔中各个含水层之间的补排关系，还可检查钻孔止水效果和确定过滤器有效长度。我国冶金部武汉勘察研究院生产的RM2型地下水流速仪，可测流速范围为0.280cms。3 水文地质人员在物探工作中的任务1掌握物探方法的使用条件物探方法是一种先进的地质调查技术。但它能否取得好效果，还取决于一系列自然与人为因素。当能满足下列使用条件时，才能有较好的效果。（1）探测对象（岩层或含水带）与围岩之间存在比较显著的物性差异；（2）这种物性差异，要有一定的异常幅度，并能在所探测的深度内能被目前使用的物探仪器测量出来；（3）探测对象呈现的异常现象，能与其他自然和人为干扰因素引起的异常现象很好地区别开来；（4）还要求探测对象有一定的规模（厚度或范围），埋藏不能太深，其他自然和人为干扰因素（地形坡度、切割程度、浮土厚度、工业地电、地下金属管道等）的影响不能太强烈。2提出水文地质物探工作的探测任务根据水文地质调查任务，并考虑测区的具体地质及水文地质特点、物理场特点（即何种物理场可能最显著）、可能存在的自然与人为干扰因素及物探仪器性能和精度，水文地质人员应正确地提出水文地质物探的任务。水文地质物探的任务：（1）通过地面物探（或航空物探）方法寻找含水层或富水带，确定它们的分布范围、埋藏深度、厚度和产状；（2）通过物探测井方法准确地确定含水层（带）的厚度、深度、富水程度、咸淡水界面位置，或测定某些水文地质参数及完成某些水井工程探测任务（测量井径、井斜和检查钻孔止水效果）。3确定物探方法，选定物探测线、测点的布置方案和测量装置依据所确定的任务，要求水文地质人员和物探人员一起，共同完成这三项工作。对选定的物探方法，要通过现场试验验证后再作决定。如能使用综合物探手段完成同一项任务，则可相互验证，取长补短，以提高成果解释的可靠性和精度。例如，为探测倾角不大的层状含水层，可同时使用电阻率测深法和激发极化测深法；为寻找基岩脉状富水带，可同时使用电剖面法、磁法、测量法和射气测量法等找水方法。我国煤炭水文地质部门在北方岩溶区的勘探钻孔中，常使用视电阻率法、自然电位法、井液电阻率法、法、中子法、井下电视等多种测井方法。它们对确定岩溶发育段位置、含水层位置等效果十分满意。在选择物探测线、测点的布置方案和选择正确的测量装置时，如使用电阻率测深（或剖面）法，则首先须确定测线的位置、方位、测点间距和测线之间的距离；同时，也要正确地选择供电极距、测量极距和电测剖面装置。要知道，有时虽然选择了正确的物探方法，但由于测线方向布置不正确或测量装置选择不合理，同样不能获得好效果。例如，当测线与欲探测的构造破碎带交角很小时、可能测得的异常就非常不显著。对于厚度不大（如10一20m），而埋藏深度又较大（如顶板深度大干7080m）的含水层，如采用电测深法正常的供电极距，可能在视电阻率曲线上根本没有显著异常显示；如果在含水层可能出现的深度，供电极距按较小的距离（如10m）增加，则可能测量出含水层的异常值（图42）。又如，当采用电剖面法寻找覆盖土层下的陡斜基岩脉状富水带时，如采用的供电极距过小，则探测深度达不到富水带，便无异常显示；若供电极距太大，则因富水带深部富水性变弱，所测得的异常显示也不够显著。因此，供电极距的选择，对物探效果有决定性的影响。 4解释测量成果这项工作也要配合物探人员进行。物探曲线常反映了探测对象本身和其它多种自然或人为因素的综合影响。因此，只有了解了具体的地质一水文地质背景和各种干扰因素的可能影响，才能进行正确的解释。否则，对于测量成果常常可以作出多种或者错误的解释。因为含水层或富水带没有固定不变的异常标志，为了提高测量成果解释的可靠性，最好首先在露头较好地段或已有勘探井旁进行试验，确定出探测对象异常的形态、性质和幅度，从而制定出可靠的解释标志。例如，在视电阻率较高的石灰岩、岩浆岩和砂岩中，一般以低阻异常作为有水的标志；但在视电阻率本来就较低的碎屑岩及结晶片理发育的岩石中，高阻异常带则常常是有水的标志。因此，符合已有水井旁试验得出的解释标志，才是最可靠的解释标志。物探方法在水文与环境地质领域的应用简述 尚浩（山东省地质调查院，山东济南，250000）摘要：本文简述了地球物理探测方法在现代水文工程地质环境领域的应用。进而,简略介绍了水文与环境物探常用方法解释地质问题的能力及工作步骤。关键词：物探方法 水文与环境地质 应用简述工作步骤 当代地球科学已从学科高度分化为主体转向学科间大跨度交叉渗透的综合化、整体化。地球物理与水文、工程、环境学的交叉渗透分别形成了水文地球物理、工程地球物理、环境地球物理等。地球物理学与水文、工程、环境学的交叉渗透是地球物理学与现代地球科学的一小部分学科的交叉,并形成相应的交叉科学。这样一来,发展了水文、工程、环境学科,同时也拓宽了地球物理学。地球物理学是研究地球科学的“千里眼”和“探针”。水文与环境地球物理勘探主要用于确定人类活动频繁区域的地质、水文地质条件和地下水污染空间分布特征调查。地面物探工作布置根据待查的水文地质条件而定，重点布置在地面调查难以判断而又需要解决问题的地段，钻探困难或仅需初步探测的地段。其探测深度应大于钻探深度。根据其所研究地球物理场的不同，物探方法通常可分为以下几大类：(1)以介质弹性差异为基础，研究波场变化规律的地震勘探和声波探测；(2)以介质电性差异为基础，研究天然或人工电场(或电磁场)的变化规律的电法勘探；(3)以介质密度差异为基础，研究重力场变化规律的重力勘探；（4）以介质磁性差异为基础，研究地磁场变化规律的磁法勘探；(5)以介质中放射性元素种类及含量差异为基础，研究辐射场变化特征的核地球物理勘探；(6)以地下热能分布和介质导热性为基础，研究地温场变化的地热勘探等。在水文地质方面所用的物探方法有：地震，电法，重力勘探和磁法，电磁法，放射性，地温测量的方法。以下分别进行介绍：1、 地震折射波法和反射波法仍是主要方法，浅层横波反射法等高分辨率方法受到人们重视；为提高分辨率，并能在现场及时提交成果，近年来又出现了陆上极小偏移距高宽频反射连续剖面法(陆地声纳)；在港口码头、桥位、海底和江底堆积层及淤积等的探查方面，浅地层剖面法等电声方法发挥了作用；声波法在岩体探查、岩土物理力学参数测定等方面得到广泛应用；面波勘探，钻孔透射CT，跨孔法也是有特效和前景的方法。其中稳态和瞬态法面波勘探，利用瑞雷波的频散以及面波波长与深度相关的特点，在浅层勘探和洞穴探查方面的实践中效果良好，正受到人们的青睐；利用天然微震，测量场地地基振动频谱及卓越周期，也是建筑工程勘察的内容之一。地震勘探在水文地质勘查中主要通过地震了解地层构造情况来查明地热、地下水等。2、 电法当地质单元含有地下水后,其电导率与含水饱和度、矿化度、地层孔隙度、渗透率等诸多因素相关。通常,含水层相对隔水层或低饱和地层呈现明显的高导电性,因此电导率异常是地下水地球物理电法勘探的主要依据。除了传统的电测深、电剖面法外，近年来，高密度电法从理论到应用都有很好的进展，高密度电法实际上是集中了电剖面法和电测深法,它采用在剖面或面积上布置小间距的多个电极并进行快速的采集，通过资料整理，可变换成多种装置形式，并作剖面上不同深度或平面成图，提高了分辨率，某些新的装置形式增大了它的探查能力，如用于探查溶洞洞穴顶底深度的五级纵轴测深法、可探测几十米深度内的几十厘米厚薄层的微分电测深法等；渗透电场法在探查水库、水坝漏水及地下水流向方面效果良好。在探查地下水方面，激发极化法是有特效的方法，目前多用时间域法，并利用不同性质含水层在不同大小的激发电流时有不同的激发极化能力的特点，发展出二次时差法，频率域的方法在探查地下水方面也有好的实例，如双频或多频激发极化法展现了好的前景。 在水文电法勘探中，高密度电法和激发激化法是最有效的方法之一。考虑到高密度电法分辨率不高，如果将激发极化法和高密度电法结合起来寻找地下水资源,效果会较好。3、 重力勘探和磁法重力勘探在水、工、环地质调查中的作用，主要是用来配合解决有关地质构造问题，如断层，基岩起伏和隐伏构造等。有时也可用来直接解决某些水文、工程地质问题，如探测溶洞、空洞、储热层、地面塌陷等。磁法勘探是利用地壳内各种岩（矿）石间的磁性差异所引起的磁场变化（磁异常）来寻找有用矿产资源和查明地下地质构造的一种物探方法。过去磁法勘探多用来研究大地构造和寻找磁性矿体。随着工农业生产发展的需要，今年来磁法勘探在水、工、环领域应用越来越广泛。比如在探测地下热源、含水破碎带、地下管线等方面均取得了良好的效果。4、 电磁法电磁法除较早使用的甚低频法、音频大地电场法、频率测深和多频地面电磁法外，瞬变电磁法开始崭露头角。瞬变电磁法(TEM)是利用不接地回线或接地电极向地下发送脉冲式一次电磁场,用线圈或接地电极观测由该脉冲电磁场感应的地下涡流而产生的二次电磁场的空间和时间分布,从而解决有关地质问题的时间域电磁法。利用TEM法在山区查找地下岩溶构造,进而达到查找地下浅层岩溶水,该方法测试工作简单,工作效率较高,能够快速、方便地解决问题,不失为一种找水的好方法。利用钻孔无线电波透视做孔间岩体的视吸收系数剖面进行岩溶探查，是使用较广的有效方法。近年来，探地雷达愈益引起人们的关注，它不仅具有很强的抗干扰性、极高的采样率，而且由于数据处理技术的高度开发，其探测成果已具有崭新的高精度表现能力，它在浅层探查岩溶方面的前景被看好。此外地下管网探查的许多仪器和方法，也是以电磁法为基础的。5、 放射性在地质勘查中，g测量、a卡法、a杯法、氡气测量等是地质填图、查找断裂构造的常用方法；用于对g量子和热中子的吸收或散射，反映了物质的质量和含水量、含氢量，因此是工程质量检测的好方法之一，在混凝土质