水文地质物探讲义（33清楚明了）

1水文地质物物探方法的的基本原理理2物探方法在在水文地质质调查中的的作用3水文地质人人员在物探探工作中的的任务第四章水水文地质质物探§1水文文地地质质物物探探方方法法的的基基本本原原理理水文文地地质质物物探探–––––––是根根据据地地下下岩岩层层在在物物理理性性质质上上的的差差异异，，借借助助于于专专门门的的物物探探仪仪器器，，通通过过测测量量、、分分析析其其物物理理场场的的分分布布、、变变化化规规律律来来进进行行水水文文地地质质调调查查的的一一种种勘勘探探手手段段。。1．物物探探方方法法的的特特点点成本本低低、、速速度度快快、、用用途途广广泛泛，，是是当当前前水水文文地地质质调调查查中中不不可可缺缺少少的的勘勘查查手手段段。。10/27/20222．物物探探方方法法的的基基本本原原理理物探探方方法法之之所所以以能能够够探探明明某某些些地地质质、、水水文文地地质质条条件件，，主主要要是是因因为为不不同同类类型型或或不不同同含含水水量量的的岩岩石石之之间间存存在在着着物物理理性性质质上上的的差差异异（（包包括括导导电电性性、、导导热热性性，，热热容容量量、、温温度度、、密密度度、、磁磁性性、、弹弹性性波波传传播播速速度度及及放放射射性性等等））。。因因此此，，我我们们可可以以借借助助各各种种物物探探测测试试仪仪器器，，测测定定出出岩岩石石或或水水体体的的某某些些物物理理特特征征值值的的变变化化，，从从而而分分析析、、推推断断出出岩岩性性、、构构造造和和岩岩层层含含水水性性能能的的变变化化。。例例如如，，许许多多岩岩浆浆岩岩和和石石灰灰岩岩的的视视电电阻阻率率（（ρs）常常可达n×（102—103）欧姆·米；而泥岩、、粘土的视电电阻率值只有有十到几十Ω·m。§1水文地质物探探方法的基本本原理10/27/2022（1）在含水量方方面：水是一一种良导体，，因此岩石的的含水量及水水本身的矿化化度，对岩石石的视电阻率率值有很大的的影响。厚层层石灰岩的无无水地段的ρs值常常大于500Ω·m，比有水地段段高很多。（2）在磁性方面面：不同种类类的岩石之间间也有较大差差别，如许多多岩浆岩中的的金属元素含含量相对较丰丰富，磁性较较强；多数沉沉积岩的磁性性均较弱。因因此，当磁法法剖面跨过这这两种岩石时时，便会有显显著的磁力差差异。§1水文地质物探探方法的基本本原理10/27/2022（3）在放射性强强度和热辐射射强度方面：：不同类型的的岩石，以及及岩石中富水水和贫水地段段之间，也常常有较大的差差异。从图4—l所示的热行为为剖面上可清清楚地显示出出断裂富水带带的平均辐射射温度（地面面下0.8m）要比断裂两两侧贫水地带带低7一11℃。§1水文地质物探探方法的基本本原理10/27/2022在水文地质调调查中使用的的物探方法有有两大类：（（1）地面物探方方法，（2）地球物理测测井。现将各各种物探方法法在水文地质质调查中的作作用，即能解解决的水文地地质问题简介介于下。§2物探方法在水水文地质调查查中的作用10/27/2022一、采用地面面物探方法寻寻找地下水地面物探方法法，已被证明明是探测地下下岩性、划分分地层和确定定构造的有效效手段之一，，几乎所有地地面物探方法法均可用于寻寻找地下水和和判定某些水水文地质特征征。但是，绝绝大多数物探探方法并不是是直接地测定定出地下水的的物性显示，，而是通过测测定出岩石或或裂隙、空洞洞的物性显示示，去判断是是否有含水层层和富水带的的存在。当然然，岩石本身身的物性显示示在一般情况况下又比水强强烈得多，因因此，准确地地说，多数的的物探方法均均是间接的找找水方法。§2物探方法在水水文地质调查查中的作用10/27/2022地面物物探方方法的的种类类很多多。在在水文文地质质调查查中，，运用用较多多的是是那些些所测测得的的物性性特征征在各各类岩岩石中中（包包括有有水的的和贫贫水的的地段段）差差别较较显著著、显显示比比较稳稳定、、强烈烈，且且受自自然环环境和和人为为因素素干扰扰较小小的物物探方方法。。这类类方法法，首首推各各种电电阻率率法，，磁法法、放放射性性探测测法、、和声声波探探测法法也常常用到到，而而地震震和重重力等等方法法相对对使用用较少少。§2物探方方法在在水文文地质质调查查中的的作用用10/27/2022在水文文地质质调查查中主主要使使用的的物探探方法法（传传统方方法））有：：（1）电法勘探探；（2）电法测井井等。在工工程地质调调查中主要要使用的物物探方法（（传统方法法）有：（（1）电法勘勘探；（（2）地震勘勘探；（（3）声波探探测等。。§2物探方法法在水文文地质调调查中的的作用10/27/2022考虑到一一般的电电阻率法法，在各各种地球球物理勘勘探和水水文地质质物探教教材中已已有详尽尽论述，，而磁法法、重力力和地震震方法在在水文地地质勘查查中使用用较少，，故本章章将着重重介绍目目前用于于水文地地质勘探探及寻找找地下水水较为有有效的，，已有物物探或专专水教材材中又未未深入介介绍的各各种物探探方法。。§2物探方法法在水文文地质调调查中的的作用10/27/2022（l）自然电电场法。。这种方法法是以地地下存在在的天然然电场作作为场源源。由于于天然电电场主要要是与地地下水通通过岩石石孔隙、、裂隙时时的渗透透作用及及地下水水中离子子的扩散散、吸附附作用有有关。因因此，可可根据在在地面测测量到的的电场变变化情况况，查明明地下水水的埋藏藏、分布布和运动动状况。。这种方方法主要要是用于于寻找掩掩埋的古古河道、、基岩中中的含水水破碎带带，及确确定水库库、河床床及堤坝坝的渗漏漏通道，，以及测测定抽水水钻孔的的影响半半径等。。这种方法法的使用用条件，，主要决决定于地地下水渗渗透作用用所形成成的过滤滤电场的的强度。。一般只只有在地地下水埋埋藏较浅浅、水力力坡度较较大和所所形成的的过滤电电位强度度较大时时，才能能在地面面测量到到较明显显的自然然电位异异常。§2物探方法法在水文文地质调调查中的的作用10/27/2022（2）激发极化化法。这种方法是是根据供电电极断电后后，由电化化学作用引引起的岩石石和地下水水放电电场场（即二次次场）的衰衰减特征来来寻找地下下水。二次次场的衰减减特征可用用衰减度（（D）、衰减时时（τ）等参数表表示。判断断地下水存存在效果较较好的测量量参数，通通常是τ和D。τ是指二次场场电位差（（ΔUz）衰减到某某一规定数数值时（通通常规定为为50％）所需的的时间（单单位为s）。D亦是反映极极化电场（（即二次场场）衰减快快慢的一种种测量参数数（用百分分数表示））。由于岩岩石中的含含水或富水水地段水分分子的极化化能力较强强，又因二二次场一般般衰减慢，，故D和τ值相对较大大。激发极化法法和电阻率率法一样，，分为剖面面法、测深深法和测井井法。其中中，激发极极化测深法法用得最多多，主要用用于寻找层层状或似层层状分布的的各种地下下水以及较较大的溶洞洞含水带，，并可确定定它们的埋埋藏深度。。由于激发极极化所产生生的二次场场值小，故故这种方法法不适用于于覆盖层较较厚（如大大于20m）和工业游游散电流较较强的地区区。电源笨笨重、工作作效率较低低、成本较较高，也是是这种方法法的不足之之处。§2物探方法在在水文地质质调查中的的作用10/27/2022（3）交交变变电电磁磁场场法法。。这种种方方法法是是以以岩岩石石、、矿矿石石（（包包括括水水））的的导导电电性性、、导导磁磁性性及及介介电电性性的的差差异异为为基基础础，，通通过过对对以以上上物物理理场场空空间间和和时时间间分分布布特特征征的的研研究究，，达达到到查查明明隐隐伏伏地地质质体体和和地地下下水水的的目目的的。。§2物探探方方法法在在水水文文地地质质调调查查中中的的作作用用10/27/2022电磁磁法法是是近近二二三三十十年年才才推推出出的的新新物物探探方方法法。。目目前前已已在在生生产产中中使使用用的的有有甚甚低低频频电电磁磁法法（（利利用用超超长长波波通通讯讯电电台台发发射射的的电电磁磁波波为为场场源源））、、频频率率测测深深法法（（以以改改变变电电磁磁场场频频率率来来测测得得不不同同深深度度的的岩岩性性））、、地地质质雷雷达达法法（（利利用用高高频频电电磁磁波波束束在在地地下下电电性性界界面面上上的的反反射射来来达达到到探探测测地地质质对对象象的的目目的的））等等。。其其中中，，甚甚低低频频法法对对确确定定低低阻阻体体（（如如断断裂裂带带、、岩岩溶溶发发育育带带和和含含水水裂裂隙隙带带））比比较较有有效效；；而而地地质质雷雷达达则则具具较较高高的的分分辨辨率率（（可可达达数数厘厘米米）），，可可测测出出地地下下目目的的物物的的形形状状、、大大小小及及其其空空间间位位置置。。§2物探方方法在在水文文地质质调查查中的的作用用10/27/2022近年来来，原原苏联联科学学家又又设计计出一一种新新的能能直接接寻找找地下下水的的电磁磁法，，即核核磁找找水法法。其其原理理如下下：由由于水水具弱弱磁性性，故故在磁磁场作作用下下，其其磁矩矩将沿沿地磁磁的方方向排排列。。当在在垂直直地磁磁场方方向施施加一一定强强度和和频率率的人人工磁磁场时时，水水分子子就会会产生生核磁磁共振振现象象。其其磁振振动频频率将将会在在地面面铺设设的金金属线线圈中中产生生一定定的电电感应应讯号号。测测定出出这种种讯号号的强强度，，就可可确定定出地地下水水的埋埋深和和富集集程度度。§2物探方方法在在水文文地质质调查查中的的作用用10/27/2022（4）放射射性探探测法法（天天然放放射性性找水水法））自然界界存在在三个个放射射性元元素系系（铀铀一镭镭系、、钍系系和锕锕系）），但但在岩岩石和和水中中分布布较广广泛的的，主主要有有铀（（U）、镭镭（Ra）、氡氡（Rn）、钍钍（Th）和钾钾（40K）。天天然放放射性性元素素发生生衰变变时能能放出出α、β、γ射线，，而这这些射射线的的强度度可利利用核核辐射射探测测仪器器加以以测定定。尚尚须指指出，，用放放射性性方法法所测测量到到的射射线，，主要要是氡氡及其其子体体产生生的，，而铀铀、镭镭等元元素放放出的的射线线是次次要的的，故故氡及及其子子体是是放射射性探探测法法首先先重视视的对对象。。§2物探方方法在在水文文地质质调查查中的的作用用10/27/2022放射性性探测测法主主要适适用于于寻找找基岩岩地下下水，，这是是基于于以下下原因因：①①不同同类型型岩石石，由由于其其放射射性元元素含含量不不同，，其放放射性性强度度常有有差异异；②②岩石石中断断裂带带和裂裂隙发发育带带，常常是放放射性性气体体运移移和聚聚积的的场所所，故故可形形成放放射性性异常常带；；③在在地下下水流流动过过程中中（特特别是是在出出露地地段）），由由于水水文地地球化化学条条件的的突然然改变变，可可导致致水中中某些些放射射性元元素的的沉淀淀或富富集，，从而而形成成放射射性异异常。。§2物探方法在水水文地质调查查中的作用10/27/2022由于地下水中中所含放射性性物质甚微，，所以利用天天然放射性找找水，并非直直接测定地下下水的放射性性，而是通过过测定岩石的的放射性差异异去判断有无无含水的岩层层，有无可供供地下水赋存存的断裂、裂裂隙（通道））构造。放射射性探测的方方法很多，但但都是基于测测量氡及其子子体的射线强强度；放射性性探测的仪器器种类也很多多，但从原理理上说主要分分为γ、α两种辐射仪（（这是因为γ射线穿透力较较强，α粒子电离本领领较强）。§2物探方法在水水文地质调查查中的作用10/27/2022目前使用较较多的方法法简介如下下。①γ测量量法法。。所测测量量的的是是铀铀、、钍钍、、钾钾等等放放射射性性元元素素及及其其子子体体辐辐射射出出的的γ射线的总强度度。本方法使使用的仪器轻轻便，工作效效率高，对查查明岩层分界界线和破碎带带有一定效果果；但其异常常显示不够明明显，覆盖土土层厚度较大大时效果不佳佳。②放射性能谱测测量法。是在γ测量法的基础础上新推出的的方法。在同同一测量剖面面线上，四条条辐射强度曲曲线的相互配配合，可大大大提高地质解解释的精度。。③射气测量法法。该方法是用用射气仪（（测氡仪））测量土壤壤中放射性性气体（主主要是氡气气）的浓度度，以发现现浮土下的的放射性异异常带。测氡法对于于寻找脉状状基岩含水水带有很好好的效果。。但其测量量结果，也也难免受到到土壤湿度度、温度、、气压、土土壤密实程程度和融冻冻状态的影影响。§2物探方法在在水文地质质调查中的的作用10/27/2022④α径迹测量法法和α卡法。这两种方法法均是测量量土壤盖层层中α射线的方法法。⑤210Po法。它和α卡法一样，，也是一种种长期积累累的测氡方方法。但它它是通过采采集土样，，经化学处处理后，再再用α辐射仪测量量210Po放出的α射线强度。。由于210Po是一个长寿寿命、强辐辐射的天然然同位素，，故其探测测深度亦较较大，且不不适用于土土层已经再再搬运过的的地区。§2物探方法在在水文地质质调查中的的作用10/27/2022二、采用地地球物理测测井方法确确定含水层层和测定水水文地质参参数许多地球物物理测井方方法都可配配合钻探取取芯和水文文地质观测测资料，用用于钻孔剖剖面的岩性性分层，判判断含水层层（带）、、岩溶发育育带和咸淡淡水分界面面位置（深深度）及确确定水文地地质参数等等。当采用用无芯钻进进或钻进取取芯不足时时，物探测测井更是不不可缺少的的探测手段段。物探测测井的地质质一水文地地质解释精精度，远比比前述的地地面物探方方法为高。。对确定钻钻孔中的岩岩层分界面面和出水裂裂隙段位置§2物探方法在在水文地质质调查中的的作用10/27/2022目前，水水文地质质钻探中中常用的的测井方方法有五五类：（1）电法测测井，包包括：①①普通视视电阻率率测井，，②井液液电阻率率测井，，③自然然电位测测井；（2）放射性性测井，，包括：：①伽玛玛一伽玛玛测井，，②中子子测井，，③放射射性同位位素测井井；（3）声波测测井；（4）热测井井；（5）流速测测井。各种测井井方法相相互配合合，可以以提供更更多、更更可靠的的地质一一水文地地质信息息，可使使水文地地质钻孔孔发挥更更大的勘勘查效益益。§2物探方法法在水文文地质调调查中的的作用10/27/2022上述许多多物探测测井法，，除完成成井孔地地质剖面面的测量量任务外外，皆可可测出（（或粗略略地测定定出）含含水层的的水文地地质参数数和岩石石的工程程力学性性质，也也可解决决某些水水井工程程的特殊殊问题（（如井径径、井斜斜等）。。主要测测井方法法所解决决的水文文地质问问题：（1）普通视视电阻率率测井：：除划分分钻孔地地层剖面面外，主主要用于于确定含含水层的的位置及及厚度，，测定岩岩石电阻阻率参数数和岩石石孔隙度度；（2）井井液液电电阻阻率率测测井井：：其其中中的的扩扩散散法法，，能能可可靠靠的的确确定定钻钻孔孔中中含含水水层层（（出出水水段段））的的位位置置和和厚厚度度，，比比较较含含水水层层的的富富水水性性，，求求地地下下水水的的渗渗透透速速度度和和间间接接计计算算渗渗透透系系数数；；§2物探探方方法法在在水水文文地地质质调调查查中中的的作作用用10/27/2022（3）自自然然电电位位测测井井：：可可确确定定地地下下水水的的矿矿化化度度和和咸咸淡淡水水界界面面，，估估计计地地层层的的含含泥泥量量；；（4）伽伽玛玛一一伽伽玛玛测测井井：：可可按按密密度度区区分分岩岩性性、、划划分分剖剖面面，，确确定定含含水水层层和和岩岩石石的的孔孔隙隙度度；；（5）中子测测井：用用于划分分岩性，，查明含含水层，，确定孔孔隙度和和测定含含水量；；（6）放射性性同位素素测井：：同位素素示踪法法是目前前测定地地下水流流向、流流速、渗渗透系数数和水动动力弥散散系数的的主要方方法，还还可用于于确定井井内出水水和套管管破裂位位置，检检查井管管外封堵堵质量和和寻找水水库（坝坝下）渗渗漏通道道；（7）声波测测井：主主要用于于测定岩岩石的孔孔隙度，，也用于于划分岩岩性，作作地层对对比，划划分含水水破裂带带等；（8）热测井井：测地地温梯度度，测定定井内进进（漏））水位置置。§2物探方法法在水文文地质调调查中的的作用10/27/2022此外，，还有有流速速（流流量））测井井，实实质上上它属属于水水文法法测井井，而而非地地球物物理方方法。。此法法能直直接测测量出出钻孔孔中各各个含含水层层（或或含水水段））的厚厚度、、流速速和出出水量量，并并能计计算出出各含含水层层（段段）的的渗透透系数数，确确定钻钻孔中中各个个含水水层之之间的的补排排关系系，还还可检检查钻钻孔止止水效效果和和确定定过滤滤器有有效长长度。。我国国冶金金部武武汉勘勘察研研究院院生产产的RM－2型地下下水流流速仪仪，可可测流流速范范围为为0.2—80cm／s。§2物探方方法在在水文文地质质调查查中的的作用用10/27/20221．掌握握物探探方法法的使使用条条件§3水文地地质人人员在在物探探工作作中的的任务务物探方方法是是一种种先进进的地地质调调查技技术。。但它它能否否取得得好效效果，，还取取决于于一系系列自自然与与人为为因素素。当当能满满足下下列使使用条条件时时，才才能有有较好好的效效果。。（1）探测对象象（岩层或或含水带））与围岩之之间存在比比较显著的的物性差异异；（2）这种物性性差异，要要有一定的的异常幅度度，并能在在所探测的的深度内能能被目前使使用的物探探仪器测量量出来；（3）探测对象象呈现的异异常现象，，能与其他他自然和人人为干扰因因素引起的的异常现象象很好地区区别开来；；（4）还要求探探测对象有有一定的规规模（厚度度或范围）），埋藏不不能太深，，其他自然然和人为干干扰因素（（地形坡度度、切割程程度、浮土土厚度、工工业地电、、地下金属属管道等））的影响不不能太强烈烈。10/27/20222．提出水文地地质物探工作作的探测任务务根据水文地质质调查任务，，并考虑测区区的具体地质质及水文地质质特点、物理理场特点（即即何种物理场场可能最显著著）、可能存存在的自然与与人为干扰因因素及物探仪仪器性能和精精度，水文地地质人员应正正确地提出水水文地质物探探的任务。§3水文地质人员员在物探工作作中的任务10/27/2022水文地质物探探的任务：（（1）通过地面物物探（或航空空物探）方法法寻找含水层层或富水带，，确定它们的的分布范围、、埋藏深度、、厚度和产状状；（2）通过物探测测井方法准确确地确定含水水层（带）的的厚度、深度度、富水程度度、咸淡水界界面位置，或或测定某些水水文地质参数数及完成某些些水井工程探探测任务（测测量井径、井井斜和检查钻钻孔止水效果果）。§3水文地质人员员在物探工作作中的任务10/27/2022依据所确定的的任务，要求求水文地质人人员和物探人人员一起，共共同完成这三三项工作。对对选定的物探探方法，要通通过现场试验验验证后再作作决定。如能能使用综合物物探手段完成成同一项任务务，则可相互互验证，取长长补短，以提提高成果解释释的可靠性和和精度。例如如，为探测倾倾角不大的层层状含水层，，可同时使用用电阻率测深深法和激发极极化测深法；；为寻找基岩岩脉状富水带带，可同时使使用电剖面法法、磁法、γ测量法和射气气测量法等找找水方法。我我国煤炭水文文地质部门在在北方岩溶区区的勘探钻孔孔中，常使用用视电阻率法法、自然电位位法、井液电电阻率法、γ－γ法、中子法、、井下电视等等多种测井方方法。它们对对确定岩溶发发育段位置、、含水层位置置等效果十分分满意。3．确定物探方方法，选定物物探测线、测测点的布置方方案和测量装装置§3水文地质人员员在物探工作作中的任务10/27/2022在选择物探测测线、测点的的布置方案和和选择正确的的测量装置时时，如使用电电阻率测深（（或剖面）法法，则首先须须确定测线的的位置、方位位、测点间距距和测线之间间的距离；同同时，也要正正确地选择供供电极距、测测量极距和电电测剖面装置置。要知道，，有时虽然选选择了正确的的物探方法，，但由于测线线方向布置不不正确或测量量装置选择不不合理，同样样不能获得好好效果。例如如，当测线与与欲探测的构构造破碎带交交角很小时、、可能测得的的异常就非常常不显著。对对于厚度不大大（如10一20m），而埋藏深深度又较大（（如顶板深度度大干70—80m）的含水层，，如采用电测测深法正常的的供电极距，，可能在视电电阻率曲线上上根本没有显显著异常显示示；如果在含含水层可能出出现的深度，，供电极距按按较小的距离离（如10m）增加，则可可能测量出含含水层的异常常值（图4——2）。。又又如如，，当当采采用用电电剖剖面面法法寻寻找找覆覆盖盖土土层层下下