水文地质物探讲义清楚明了

1水文地质物探方法的基本原理2物探方法在水文地质调查中的作用3水文地质人员在物探工作中的任务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。3/14/20232．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（ρs）常常可达n×（102—103）欧姆·米；而泥岩、粘土的视电阻率值只有十到几十Ω·m。§1水文地质物探方法的基本原理

3/14/2023（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ρs值常常大于500Ω·m，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。§1水文地质物探方法的基本原理

3/14/2023（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4—l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℃。§1水文地质物探方法的基本原理

3/14/2023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。§2物探方法在水文地质调查中的作用

3/14/2023一、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。§2物探方法在水文地质调查中的作用

3/14/2023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。§2物探方法在水文地质调查中的作用

3/14/2023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。§2物探方法在水文地质调查中的作用

3/14/2023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。§2物探方法在水文地质调查中的作用

3/14/2023（l）自然电场法。。这种方法是以地地下存在的天然然电场作为场源源。由于天然电电场主要是与地地下水通过岩石石孔隙、裂隙时时的渗透作用及及地下水中离子子的扩散、吸附附作用有关。因因此，可根据在在地面测量到的的电场变化情况况，查明地下水水的埋藏、分布布和运动状况。。这种方法主要要是用于寻找掩掩埋的古河道、、基岩中的含水水破碎带，及确确定水库、河床床及堤坝的渗漏漏通道，以及测测定抽水钻孔的的影响半径等。。这种方法的使用用条件，主要决决定于地下水渗渗透作用所形成成的过滤电场的的强度。一般只只有在地下水埋埋藏较浅、水力力坡度较大和所所形成的过滤电电位强度较大时时，才能在地面面测量到较明显显的自然电位异异常。§2物探方法在水文文地质调查中的的作用3/7/2023（2）激发极化法。。这种方法是根据据供电极断电后后，由电化学作作用引起的岩石石和地下水放电电电场（即二次次场）的衰减特特征来寻找地下下水。二次场的的衰减特征可用用衰减度（D）、衰减时（τ）等参数表示。。判断地下水存存在效果较好的的测量参数，通通常是τ和D。τ是指二次场电位位差（ΔUz）衰减到某一规规定数值时（通通常规定为50％）所需的时间间（单位为s）。D亦是反映极化电电场（即二次场场）衰减快慢的的一种测量参数数（用百分数表表示）。由于岩岩石中的含水或或富水地段水分分子的极化能力力较强，又因二二次场一般衰减减慢，故D和τ值相对较大。激发极化法和电电阻率法一样，，分为剖面法、、测深法和测井井法。其中，激激发极化测深法法用得最多，主主要用于寻找层层状或似层状分分布的各种地下下水以及较大的的溶洞含水带，，并可确定它们们的埋藏深度。。由于激发极化所所产生的二次场场值小，故这种种方法不适用于于覆盖层较厚（（如大于20m）和工业游散电电流较强的地区区。电源笨重、、工作效率较低低、成本较高，，也是这种方法法的不足之处。。§2物探方法在水文文地质调查中的的作用3/7/2023（3）交变电磁场法法。这种方法是以岩岩石、矿石（包包括水）的导电电性、导磁性及及介电性的差异异为基础，通过过对以上物理场场空间和时间分分布特征的研究究，达到查明隐隐伏地质体和地地下水的目的。。§2物探方法在水文文地质调查中的的作用3/7/2023电磁法是近二三十十年才推出的新物物探方法。目前已已在生产中使用的的有甚低频电磁法法（利用超长波通通讯电台发射的电电磁波为场源）、、频率测深法（以以改变电磁场频率率来测得不同深度度的岩性）、地质质雷达法（利用高高频电磁波束在地地下电性界面上的的反射来达到探测测地质对象的目的的）等。其中，甚甚低频法对确定低低阻体（如断裂带带、岩溶发育带和和含水裂隙带）比比较有效；而地质质雷达则具较高的的分辨率（可达数数厘米），可测出出地下目的物的形形状、大小及其空空间位置。§2物探方法在水文地地质调查中的作用用3/7/2023近年来，原苏联科科学家又设计出一一种新的能直接寻寻找地下水的电磁磁法，即核磁找水水法。其原理如下下：由于水具弱磁磁性，故在磁场作作用下，其磁矩将将沿地磁的方向排排列。当在垂直地地磁场方向施加一一定强度和频率的的人工磁场时，水水分子就会产生核核磁共振现象。其其磁振动频率将会会在地面铺设的金金属线圈中产生一一定的电感应讯号号。测定出这种讯讯号的强度，就可可确定出地下水的的埋深和富集程度度。§2物探方法在水文地地质调查中的作用用3/7/2023（4）放射性探测法（（天然放射性找水水法）自然界存在三个放放射性元素系（铀铀一镭系、钍系和和锕系），但在岩岩石和水中分布较较广泛的，主要有有铀（U）、镭（Ra）、氡（Rn）、钍（Th）和钾（40K）。天然放射性元元素发生衰变时能能放出α、β、γ射线，而这些射线线的强度可利用核核辐射探测仪器加加以测定。尚须指指出，用放射性方方法所测量到的射射线，主要是氡及及其子体产生的，，而铀、镭等元素素放出的射线是次次要的，故氡及其其子体是放射性探探测法首先重视的的对象。§2物探方法在水文地地质调查中的作用用3/7/2023放射性探探测法主主要适用用于寻找找基岩地地下水，，这是基基于以下下原因：：①不同同类型岩岩石，由由于其放放射性元元素含量量不同，，其放射射性强度度常有差差异；②②岩石中中断裂带带和裂隙隙发育带带，常是是放射性性气体运运移和聚聚积的场场所，故故可形成成放射性性异常带带；③在在地下水水流动过过程中（（特别是是在出露露地段）），由于于水文地地球化学学条件的的突然改改变，可可导致水水中某些些放射性性元素的的沉淀或或富集，，从而形形成放射射性异常常。§2物探方法法在水文文地质调调查中的的作用3/7/2023由于地下下水中所所含放射射性物质质甚微，，所以利利用天然然放射性性找水，，并非直直接测定定地下水水的放射射性，而而是通过过测定岩岩石的放放射性差差异去判判断有无无含水的的岩层，，有无可可供地下下水赋存存的断裂裂、裂隙隙（通道道）构造造。放射射性探测测的方法法很多，，但都是是基于测测量氡及及其子体体的射线线强度；；放射性性探测的的仪器种种类也很很多，但但从原理理上说主主要分为为γ、α两种辐射射仪（这这是因为为γ射线穿透透力较强强，α粒子电离离本领较较强）。。§2物探方法法在水文文地质调调查中的的作用3/7/2023目前使用较多的的方法简介如下下。①γ测量法。所测量的是铀、、钍、钾等放射射性元素及其子子体辐射出的γ射线的总强度。。本方法使用的的仪器轻便，工工作效率高，对对查明岩层分界界线和破碎带有有一定效果；但但其异常显示不不够明显，覆盖盖土层厚度较大大时效果不佳。。②放射性能谱测量量法。是在γ测量法的基础上上新推出的方法法。在同一测量量剖面线上，四四条辐射强度曲曲线的相互配合合，可大大提高高地质解释的精精度。③射气测量法。该方法是用射气气仪（测氡仪））测量土壤中放放射性气体（主主要是氡气）的的浓度，以发现现浮土下的放射射性异常带。测氡法对于寻找找脉状基岩含水水带有很好的效效果。但其测量量结果，也难免免受到土壤湿度度、温度、气压压、土壤密实程程度和融冻状态态的影响。§2物探方法在水文文地质调查中的的作用3/7/2023④α径迹测量法和α卡法。这两种方法均是是测量土壤盖层层中α射线的方法。⑤210Po法。它和α卡法一样，也是是一种长期积累累的测氡方法。。但它是通过采采集土样，经化化学处理后，再再用α辐射仪测量210Po放出的α射线强度。由于于210Po是一个长寿命、、强辐射的天然然同位素，故其其探测深度亦较较大，且不适用用于土层已经再再搬运过的地区区。§2物探方法在水文文地质调查中的的作用3/7/2023二、采用地球物物理测井方法确确定含水层和测测定水文地质参参数许多地球物理测测井方法都可配配合钻探取芯和和水文地质观测测资料，用于钻钻孔剖面的岩性性分层，判断含含水层（带）、、岩溶发育带和和咸淡水分界面面位置（深度））及确定水文地地质参数等。当当采用无芯钻进进或钻进取芯不不足时，物探测测井更是不可缺缺少的探测手段段。物探测井的的地质一水文地地质解释精度，，远比前述的地地面物探方法为为高。对确定钻钻孔中的岩层分分界面和出水裂裂隙段位置的可可靠性和精度，，有时甚至比钻钻探取芯还高。。§2物探方法在水文文地质调查中的的作用3/7/2023目前，水文地质钻钻探中常用的测井井方法有五类：（1）电法测井，包括括：①普通视电阻阻率测井，②井液液电阻率测井，③③自然电位测井；；（2）放射性测井，包包括：①伽玛一伽伽玛测井，②中子子测井，③放射性性同位素测井；（3）声波测井；（4）热测井；（5）流速测井。各种测井方法相互互配合，可以提供供更多、更可靠的的地质一水文地质质信息，可使水文文地质钻孔发挥更更大的勘查效益。。§2物探方法在水文地地质调查中的作用用3/7/2023上述许多物探测井井法，除完成井孔孔地质剖面的测量量任务外，皆可测测出（或粗略地测测定出）含水层的的水文地质参数和和岩石的工程力学学性质，也可解决决某些水井工程的的特殊问题（如井井径、井斜等）。。主要测井方法所所解决的水文地质质问题：（1）普通视电阻率测测井：除划分钻孔孔地层剖面外，主主要用于确定含水水层的位置及厚度度，测定岩石电阻阻率参数和岩石孔孔隙度；（2）井液电阻率测井井：其中的扩散法法，能可靠的确定定钻孔中含水层（（出水段）的位置置和厚度，比较含含水层的富水性，，求地下水的渗透透速度和间接计算算渗透系数；§2物探方法在水文地地质调查中的作用用3/7/2023（3）自然电电位测井井：可确确定地下下水的矿矿化度和和咸淡水水界面，，估计地地层的含含泥量；；（4）伽玛一一伽玛测测井：可可按密度度区分岩岩性、划划分剖面面，确定定含水层层和岩石石的孔隙隙度；（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3/7/2023此外，还有有流速（流流量）测井井，实质上上它属于水水文法测井井，而非地地球物理方方法。此法法能直接测测量出钻孔孔中各个含含水层（或或含水段））的厚度、、流速和出出水量，并并能计算出出各含水层层（段）的的渗透系数数，确定钻钻孔中各个个含水层之之间的补排排关系，还还可检查钻钻孔止水效效果和确定定过滤器有有效长度。。我国冶金金部武汉勘勘察研究院院生产的RM－2型地下水流流速仪，可可测流速范范围为0.2—80cm／s。§2物探方法在在水文地质质调查中的的作用3/7/20231．掌握物探探方法的使使用条件§3水文地质人人员在物探探工作中的的任务物探方法是是一种先进进的地质调调查技术。。但它能否否取得好效效果，还取取决于一系系列自然与与人为因素素。当能满满足下列使使用条件时时，才能有有较好的效效果。（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）这种物性差异异，要有一定的的异常幅度，并并能在所探测的的深度内能被目目前使用的物探探仪器测量出来来；（3）探测对象呈现现的异常现象，，能与其他自然然和人为干扰因因素引起的异常常现象很好地区区别开来；（4）还要求探测对对象有一定的规规模（厚度或范范围），埋藏不不能太深，其他他自然和人为干干扰因素（地形形坡度、切割程程度、浮土厚度度、工业地电、、地下金属管道道等）的影响不不能太强烈。3/7/20232．提出水文地质质物探工作的探探测任务根据水文地质调调查任务，并考考虑测区的具体体地质及水文地地质特点、物理理场特点（即何何种物理场可能能最显著）、可可能存在的自然然与人为干扰因因素及物探仪器器性能和精度，，水文地质人员员应正确地提出出水文地质物探探的任务。§3水文地质人员在在物探工作中的的任务3/7/2023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3/7/2023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3/7/2023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），而埋藏深度又又较大（如顶板深深度大干70—80m）的含水层，如采采用电测深法正常常的供电极距，可可能在视电阻率曲曲线上根本没有显显著异常显示；如如果在含水层可能