水文地质物探原理与方法

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（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

*（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）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

*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

*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

*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

*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

*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

*（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*（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）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*电磁法是近二三三十年才推出的的新物探方法。。目前已在生产产中使用的有甚甚低频电磁法（（利用超长波通通讯电台发射的的电磁波为场源源）、频率测深深法（以改变电电磁场频率来测测得不同深度的的岩性）、地质质雷达法（利用用高频电磁波束束在地下电性界界面上的反射来来达到探测地质质对象的目的））等。其中，甚甚低频法对确定定低阻体（如断断裂带、岩溶发发育带和含水裂裂隙带）比较有有效；而地质雷雷达则具较高的的分辨率（可达达数厘米），可可测出地下目的的物的形状、大大小及其空间位位置。§2物探方法在水文文地质调查中的的作用*近年来，原苏联联科学家又设计计出一种新的能能直接寻找地下下水的电磁法，，即核磁找水法法。其原理如下下：由于水具弱弱磁性，故在磁磁场作用下，其其磁矩将沿地磁磁的方向排列。。当在垂直地磁磁场方向施加一一定强度和频率率的人工磁场时时，水分子就会会产生核磁共振振现象。其磁振振动频率将会在在地面铺设的金金属线圈中产生生一定的电感应应讯号。测定出出这种讯号的强强度，就可确定定出地下水的埋埋深和富集程度度。§2物探方法在水文文地质调查中的的作用*（4）放射性探测法法（天然放射性性找水法）自然界存在三个个放射性元素系系（铀一镭系、、钍系和锕系）），但在岩石和和水中分布较广广泛的，主要有有铀（U）、镭（Ra）、氡（Rn）、钍（Th）和钾（40K）。天然放射性性元素发生衰变变时能放出α、β、γ射线，而这些射射线的强度可利利用核辐射探测测仪器加以测定定。尚须指出，，用放射性方法法所测量到的射射线，主要是氡氡及其子体产生生的，而铀、镭镭等元素放出的的射线是次要的的，故氡及其子子体是放射性探探测法首先重视视的对象。§2物探方法在水文文地质调查中的的作用*放射性探测法主主要适用于寻找找基岩地下水，，这是基于以下下原因：①不同同类型岩石，由由于其放射性元元素含量不同，，其放射性强度度常有差异；②②岩石中断裂带带和裂隙发育带带，常是放射性性气体运移和聚聚积的场所，故故可形成放射性性异常带；③在在地下水流动过过程中（特别是是在出露地段）），由于水文地地球化学条件的的突然改变，可可导致水中某些些放射性元素的的沉淀或富集，，从而形成放射射性异常。§2物探方法在水文文地质调查中的的作用*由于地下水中所所含放射性物质质甚微，所以利利用天然放射性性找水，并非直直接测定地下水水的放射性，而而是通过测定岩岩石的放射性差差异去判断有无无含水的岩层，，有无可供地下下水赋存的断裂裂、裂隙（通道道）构造。放射射性探测的方法法很多，但都是是基于测量氡及及其子体的射线线强度；放射性性探测的仪器种种类也很多，但但从原理上说主主要分为γ、α两种辐射仪（这这是因为γ射线穿透力较强强，α粒子电离本领较较强）。§2物探方法在水文文地质调查中的的作用*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*④α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*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*目前，水文地质质钻探中常用的的测井方法有五五类：（1）电法测井，包包括：①普通视视电阻率测井，，②井液电阻率率测井，③自然然电位测井；（2）放射性测井，，包括：①伽玛玛一伽玛测井，，②中子测井，，③放射性同位位素测井；（3）声波测井；（4）热测井；（5）流速测井。各种测井方法相相互配合，可以以提供更多、更更可靠的地质一一水文地质信息息，可使水文地地质钻孔发挥更更大的勘查效益益。§2物探方法在水文文地质调查中的的作用*上述许多物探测测井法，除完成成井孔地质剖面面的测量任务外外，皆可测出（（或粗略地测定定出）含水层的的水文地质参数数和岩石的工程程力学性质，也也可解决某些水水井工程的特殊殊问题（如井径径、井斜等）。。主要测井方法法所解决的水文文地质问题：（1）普通通视电电阻率率测井井：除除划分分钻孔孔地层层剖面面外，，主要要用于于确定定含水水层的的位置置及厚厚度，，测定定岩石石电阻阻率参参数和和岩石石孔隙隙度；；（2）井液液电阻阻率测测井：：其中中的扩扩散法法，能能可靠靠的确确定钻钻孔中中含水水层（（出水水段））的位位置和和厚度度，比比较含含水层层的富富水性性，求求地下下水的的渗透透速度度和间间接计计算渗渗透系系数；；§2物探方方法在在水文文地质质调查查中的的作用用*（3）自然然电位位测井井：可可确定定地下下水的的矿化化度和和咸淡淡水界界面，，估计计地层层的含含泥量量；（4）伽玛玛一伽伽玛测测井：：可按按密度度区分分岩性性、划划分剖剖面，，确定定含水水层和和岩石石的孔孔隙度度；（5）中子子测井井：用用于划划分岩岩性，，查明明含水水层，，确定定孔隙隙度和和测定定含水水量；；（6）放射射性同同位素素测井井：同同位素素示踪踪法是是目前前测定定地下下水流流向、、流速速、渗渗透系系数和和水动动力弥弥散系系数的的主要要方法法，还还可用用于确确定井井内出出水和和套管管破裂裂位置置，检检查井井管外外封堵堵质量量和寻寻找水水库（（坝下下）渗渗漏通通道；；（7）声波波测井井：主主要用用于测测定岩岩石的的孔隙隙度，，也用用于划划分岩岩性，，作地地层对对比，，划分分含水水破裂裂带等等；（8）热测测井：：测地地温梯梯度，，测定定井内内进（（漏））水位位置。。§2物探方方法在在水文文地质质调查查中的的作用用*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*1．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）探测测对象象（岩岩层或或含水水带））与围围岩之之间存存在比比较显显著的的物性性差异异；（2）这种种物性性差异异，要要有一一定的的异常常幅度度，并并能在在所探探测的的深度度内能能被目目前使使用的的物探探仪器器测量量出来来；（3）探测测对象象呈现现的异异常现现象，，能与与其他他自然然和人人为干干扰因因素引引起的的异常常现象象很好好地区区别开开来；；（4）还要要求探探测对对象有有一定定的规规模（（厚度度或范范围）），埋埋藏不不能太太深，，其他他自然然和人人为干干扰因因素（（地形形坡度度、切切割程程度、、浮土土厚度度、工工业地地电、、地下下金属属管道道等））的影影响不不能太太强烈烈。*2．提出出水文文地质质物探探工作作的探探测任任务根据水水文地地质调调查任任务，，并考考虑测测区的的具体体地质质及水水文地地质特特点、、物理理场特特点（（即何何种物物理场场可能能最显显著））、可可能存存在的的自然然与人人为干干扰因因素及及物探探仪器器性能能和精精度，，水文文地质质人员员应正正确地地提出出水文文地质质物探探的任任务。。§3水文地地质人人员在在物探探工作作中的的任务务*水文地地质物物探的的任务务：（（1）通过过地面面物探探（或或航空空物探探）方方法寻寻找含含水层层或富富水带带，确确定它它们的的分布布范围围、埋埋藏深深度、、厚度度和产产状；；（2）通过过物探探测井井方法法准确确地确确定含含水层层（带带）的的厚度度、深深度、、富水水程度度、咸咸淡水水界面面位置置，或或测定定某些些水文文地质质参数数及完完成某某些水水井工工程探探测任任务（（测量量井径径、井井斜和和检查查钻孔孔止水水效果果）。。§3水文地地质人人员在在物探探工作作中的的任务务*依据所所确定定的任任务，，要求求水文文地质质人员员和物物探人人员一一起，，共同同完成成这三三项工工作。。对选选定的的物探探方法法，要要通过过现场场试验验验证证后再再作决决定。。如能能使用用综合合物探探手段段完成成同一一项任任务，，则可可相互互验证证，取取长补补短，，以提提高成成果解解释的的可靠靠性和和精度度。例例如，，为探探测倾倾角不不大的的层状状含水水层，，可同同时使使用电电阻率率测深深法和和激发发极化化测深深法；；为寻寻找基基岩脉脉状富富水带带，可可同时时使用用电剖剖面法法、磁磁法、、γ测量法法和射射气测测量法法等找找水方方法。。我国国煤炭炭水文文地质质部门门在北北方岩岩溶区区的勘勘探钻钻孔中中，常常使用用视电电阻率率法、、自然然电位位法、、井液液电阻阻率法法、γ－γ法、中中子法法、井井下电电视等等多种种测井井方法法。它它们对对确定定岩溶溶发育育段位位置、、含水水层位位置等等效果果十分分满意意。3．确定定物探探方法法，选选定物物探测测线、、测点点的布布置方方案和和测量量装置置§3水文地地质人人员在在物探探工作作中的的任务务*在选择择物探探测线线、测测点的的布置置方案案和选选择正正确的的测量量装置置时，，如使使用电电阻率率测深深（或或剖面面）法法，则则首先先须确确定测测线的的位置置、方方位、、测点点间距距和测测线之之间的的距离离；同同时，，也要要正确确地选选择供供电极极距、、测量量极距距和电电测剖剖面装装置。。要知知道，，有时时虽然然选择择了正正确的的物探探方法法，但但由于于测线线方向向布置置不正正确或或测量量装置置选择择不合合理，，同样样不能能获得得好效效果。。例如如，当当测线线与欲欲探测测的构构造破破碎带带交角角很小小时、、可能能测得得的异异常就就非常常不显显著。。对于于厚度度不大大（如如10一20m），而而埋藏藏深度度又较较大（（如顶顶板深深度大大干70—80m）的含含水层层，如如采用用电测测深法法正常常的供供电极极距，，可能能在视视电阻阻率曲曲线上上根本本没有有显著著异常常显示示；如如果在在含水水层可可能出出现的的深度度，供供电极极距按按较小小的距距离（（如10m）增加加，则则可能能测量量出含含水层层的异异常值值（图图4—2）。又又如，，当采采用电电剖面面法寻寻找覆覆盖土土层下下的陡陡斜基基岩脉脉状富富水带带时，，如采