水文地质物探原理与方法

1水文地地质物物探方方法的的基本本原理理2物探方方法在在水文文地质质调查查中的的作用用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*§1水文地地质物物探方方法的的基本本原理理水文地地质物物探–––––是根据据地下下岩层层在物物理性性质上上的差差异，，借助助于专专门的的物探探仪器器，通通过测测量、、分析析其物物理场场的分分布、、变化化规律律来进进行水水文地地质调调查的的一种种勘探探手段段。1．物探探方法法的特特点成本低低、速速度快快、用用途广广泛，，是当当前水水文地地质调调查中中不可可缺少少的勘勘查手手段。。*2．物探探方法法的基基本原原理物探方方法之之所以以能够够探明明某些些地质质、水水文地地质条条件，，主要要是因因为不不同类类型或或不同同含水水量的的岩石石之间间存在在着物物理性性质上上的差差异（（包括括导电电性、、导热热性，，热容容量、、温度度、密密度、、磁性性、弹弹性波波传播播速度度及放放射性性等））。因因此，，我们们可以以借助助各种种物探探测试试仪器器，测测定出出岩石石或水水体的的某些些物理理特征征值的的变化化，从从而分分析、、推断断出岩岩性、、构造造和岩岩层含含水性性能的的变化化。例例如，，许多多岩浆浆岩和和石灰灰岩的的视电电阻率率（ρs）常常可达达n×（102—103）欧姆·米；而泥岩岩、粘土的的视电阻率率值只有十十到几十Ω·m。§1水文地质物物探方法的的基本原理理*（1）在含水量量方面：水水是一种良良导体，因因此岩石的的含水量及及水本身的的矿化度，，对岩石的的视电阻率率值有很大大的影响。。厚层石灰灰岩的无水水地段的ρs值常常大于于500Ω·m，比有水地地段高很多多。（2）在磁性方方面：不同同种类的岩岩石之间也也有较大差差别，如许许多岩浆岩岩中的金属属元素含量量相对较丰丰富，磁性性较强；多多数沉积岩岩的磁性均均较弱。因因此，当磁磁法剖面跨跨过这两种种岩石时，，便会有显显著的磁力力差异。§1水文地质物物探方法的的基本原理理*（3）在放射性性强度和热热辐射强度度方面：不不同类型的的岩石，以以及岩石中中富水和贫贫水地段之之间，也常常有较大的的差异。从从图4—l所示的热行行为剖面上上可清楚地地显示出断断裂富水带带的平均辐辐射温度（（地面下0.8m）要比断裂裂两侧贫水水地带低7一11℃。§1水文地质物物探方法的的基本原理理*在水文地质质调查中使使用的物探探方法有两两大类：（（1）地面物探探方法，（（2）地球物理理测井。现现将各种物物探方法在在水文地质质调查中的的作用，即即能解决的的水文地质质问题简介介于下。§2物探方法在在水文地质质调查中的的作用*一、采用地地面物探方方法寻找地地下水地面物探方方法，已被被证明是探探测地下岩岩性、划分分地层和确确定构造的的有效手段段之一，几几乎所有地地面物探方方法均可用用于寻找地地下水和判判定某些水水文地质特特征。但是是，绝大多多数物探方方法并不是是直接地测测定出地下下水的物性性显示，而而是通过测测定出岩石石或裂隙、、空洞的物物性显示，，去判断是是否有含水水层和富水水带的存在在。当然，，岩石本身身的物性显显示在一般般情况下又又比水强烈烈得多，因因此，准确确地说，多多数的物探探方法均是是间接的找找水方法。。§2物探方法在在水文地质质调查中的的作用*地面物探方方法的种类类很多。在在水文地质质调查中，，运用较多多的是那些些所测得的的物性特征征在各类岩岩石中（包包括有水的的和贫水的的地段）差差别较显著著、显示比比较稳定、、强烈，且且受自然环环境和人为为因素干扰扰较小的物物探方法。。这类方法法，首推各各种电阻率率法，磁法法、放射性性探测法、、和声波探探测法也常常用到，而而地震和重重力等方法法相对使用用较少。§2物探方法在在水文地质质调查中的的作用*在水文地质质调查中主主要使用的的物探方法法（传统方方法）有：：（1）电电法法勘勘探探；；（（2）电电法法测测井井等等。。在在工工程程地地质质调调查查中中主主要要使使用用的的物物探探方方法法（（传传统统方方法法））有有：：（（1）电电法法勘勘探探；；（（2）地地震震勘勘探探；；（（3）声声波波探探测测等等。。§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*考虑虑到到一一般般的的电电阻阻率率法法，，在在各各种种地地球球物物理理勘勘探探和和水水文文地地质质物物探探教教材材中中已已有有详详尽尽论论述述，，而而磁磁法法、、重重力力和和地地震震方方法法在在水水文文地地质质勘勘查查中中使使用用较较少少，，故故本本章章将将着着重重介介绍绍目目前前用用于于水水文文地地质质勘勘探探及及寻寻找找地地下下水水较较为为有有效效的的，，已已有有物物探探或或专专水水教教材材中中又又未未深深入入介介绍绍的的各各种种物物探探方方法法。。§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*（l）自自然然电电场场法法。。这种种方方法法是是以以地地下下存存在在的的天天然然电电场场作作为为场场源源。。由由于于天天然然电电场场主主要要是是与与地地下下水水通通过过岩岩石石孔孔隙隙、、裂裂隙隙时时的的渗渗透透作作用用及及地地下下水水中中离离子子的的扩扩散散、、吸吸附附作作用用有有关关。。因因此此，，可可根根据据在在地地面面测测量量到到的的电电场场变变化化情情况况，，查查明明地地下下水水的的埋埋藏藏、、分分布布和和运运动动状状况况。。这这种种方方法法主主要要是是用用于于寻寻找找掩掩埋埋的的古古河河道道、、基基岩岩中中的的含含水水破破碎碎带带，，及及确确定定水水库库、、河河床床及及堤堤坝坝的的渗渗漏漏通通道道，，以以及及测测定定抽抽水水钻钻孔孔的的影影响响半半径径等等。。这种方法的使使用条件，主主要决定于地地下水渗透作作用所形成的的过滤电场的的强度。一般般只有在地下下水埋藏较浅浅、水力坡度度较大和所形形成的过滤电电位强度较大大时，才能在在地面测量到到较明显的自自然电位异常常。§2物探方法在水水文地质调查查中的作用*（2）激发极化法法。这种方法是根根据供电极断断电后，由电电化学作用引引起的岩石和和地下水放电电电场（即二二次场）的衰衰减特征来寻寻找地下水。。二次场的衰衰减特征可用用衰减度（D）、衰减时（（τ）等参数表示示。判断地下下水存在效果果较好的测量量参数，通常常是τ和D。τ是指二次场电电位差（ΔUz）衰减到某一一规定数值时时（通常规定定为50％）所需的时时间（单位为为s）。D亦是反映极化化电场（即二二次场）衰减减快慢的一种种测量参数（（用百分数表表示）。由于于岩石中的含含水或富水地地段水分子的的极化能力较较强，又因二二次场一般衰衰减慢，故D和τ值相对较大。。激发极化法和和电阻率法一一样，分为剖剖面法、测深深法和测井法法。其中，激激发极化测深深法用得最多多，主要用于于寻找层状或或似层状分布布的各种地下下水以及较大大的溶洞含水水带，并可确确定它们的埋埋藏深度。由于激发极化化所产生的二二次场值小，，故这种方法法不适用于覆覆盖层较厚（（如大于20m）和工业游散散电流较强的的地区。电源源笨重、工作作效率较低、、成本较高，，也是这种方方法的不足之之处。§2物探方法在水水文地质调查查中的作用*（3）交变变电磁磁场法法。这种方方法是是以岩岩石、、矿石石（包包括水水）的的导电电性、、导磁磁性及及介电电性的的差异异为基基础，，通过过对以以上物物理场场空间间和时时间分分布特特征的的研究究，达达到查查明隐隐伏地地质体体和地地下水水的目目的。。§2物探方方法在在水文文地质质调查查中的的作用用*电磁法法是近近二三三十年年才推推出的的新物物探方方法。。目前前已在在生产产中使使用的的有甚甚低频频电磁磁法（（利用用超长长波通通讯电电台发发射的的电磁磁波为为场源源）、、频率率测深深法（（以改改变电电磁场场频率率来测测得不不同深深度的的岩性性）、、地质质雷达达法（（利用用高频频电磁磁波束束在地地下电电性界界面上上的反反射来来达到到探测测地质质对象象的目目的））等。。其中中，甚甚低频频法对对确定定低阻阻体（（如断断裂带带、岩岩溶发发育带带和含含水裂裂隙带带）比比较有有效；；而地地质雷雷达则则具较较高的的分辨辨率（（可达达数厘厘米）），可可测出出地下下目的的物的的形状状、大大小及及其空空间位位置。。§2物探方方法在在水文文地质质调查查中的的作用用*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*（4）放射射性探探测法法（天天然放放射性性找水水法））自然界存在在三个放射射性元素系系（铀一镭镭系、钍系系和锕系）），但在岩岩石和水中中分布较广广泛的，主主要有铀（（U）、镭（Ra）、氡（Rn）、钍（Th）和钾（40K）。天然放放射性元素素发生衰变变时能放出出α、β、γ射线，而这这些射线的的强度可利利用核辐射射探测仪器器加以测定定。尚须指指出，用放放射性方法法所测量到到的射线，，主要是氡氡及其子体体产生的，，而铀、镭镭等元素放放出的射线线是次要的的，故氡及及其子体是是放射性探探测法首先先重视的对对象。§2物探方法法在水文文地质调调查中的的作用*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物探方法在水水文地质调查查中的作用*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*目前使用较多多的方法简介介如下。①γ测量法。所测量的是铀铀、钍、钾等等放射性元素素及其子体辐辐射出的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。。该方法是用射射气仪（测氡氡仪）测量土土壤中放射性性气体（主要要是氡气）的的浓度，以发发现浮土下的的放射性异常常带。测氡法对于寻寻找脉状基岩岩含水带有很很好的效果。。但其测量结结果，也难免免受到土壤湿湿度、温度、、气压、土壤壤密实程度和和融冻状态的的影响。§2物探方法在水水文地质调查查中的作用*④α径迹测量法和和α卡法。这两种方法均均是测量土壤壤盖层中α射线的方法。。⑤210Po法。它和α卡法一样，也也是一种长期期积累的测氡氡方法。但它它是通过采集集土样，经化化学处理后，，再用α辐射仪测量210Po放出的α射线强强度。。由于于210Po是一个个长寿寿命、、强辐辐射的的天然然同位位素，，故其其探测测深度度亦较较大，，且不不适用用于土土层已已经再再搬运运过的的地区区。§2物探方法法在水文文地质调调查中的的作用*二、采用用地球物物理测井井方法确确定含水水层和测测定水文文地质参参数许多地球球物理测测井方法法都可配配合钻探探取芯和和水文地地质观测测资料，，用于钻钻孔剖面面的岩性性分层，，判断含含水层（（带）、、岩溶发发育带和和咸淡水水分界面面位置（（深度））及确定定水文地地质参数数等。当当采用无无芯钻进进或钻进进取芯不不足时，，物探测测井更是是不可缺缺少的探探测手段段。物探探测井的的地质一一水文地地质解释释精度，，远比前前述的地地面物探探方法为为高。对对确定钻钻孔中的的岩层分分界面和和出水裂裂隙段位位置的可可靠性和和精度，，有时甚甚至比钻钻探取芯芯还高。。§2物探方法法在水文文地质调调查中的的作用*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）电法法测井井，包包括：：①普普通视视电阻阻率测测井，，②井井液电电阻率率测井井，③③自然然电位位测井井；（2）放射射性测测井，，包括括：①①伽玛玛一伽伽玛测测井，，②中中子测测井，，③放放射性性同位位素测测井；；（3）声波波测井井；（4）热测测井；；（5）流速测井井。各种测井方方法相互配配合，可以以提供更多多、更可靠靠的地质一一水文地质质信息，可可使水文地地质钻孔发发挥更大的的勘查效益益。§2物探方法在在水文地质质调查中的的作用*上述许多物物探测井法法，除完成成井孔地质质剖面的测测量任务外外，皆可测测出（或粗粗略地测定定出）含水水层的水文文地质参数数和岩石的的工程力学学性质，也也可解决某某些水井工工程的特殊殊问题（如如井径、井井斜等）。。主要测井井方法所解解决的水文文地质问题题：（1）普普通通视视电电阻阻率率测测井井：：除除划划分分钻钻孔孔地地层层剖剖（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；§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*（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）伽玛一伽玛玛测井：可按按密度区分岩岩性、划分剖剖面，确定含含水层和岩石石的孔隙度；；（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。*2．提出水文文地质物探探工作的探探测任务根据水文地地质调查任任务，并考考虑测区的的具体地质质及水文地地质特点、、物理场特特点（即何何种物理场场可能最显显著）、可可能存在的的自然与人人为干扰因因素及物探探仪器性能能和精度，，水文地质质人员应正正确地提出出水文地质质物探的任任务。§3水文地质人人员在物探探工作中的的任务*水文地质物物探的任务务：（1）通过地面面物探（或或航空物探探）方法寻寻找含水层层或富水带带，确定它它们的分布布范围、埋埋藏深度、、厚度和产产状；（2）通过物探探测井方法法准确地确确定含水层层（带）的的厚度、深深度、富水水程度、咸咸淡水界面面位置，或或测定某些些水文地质质参数及完完成某些水水井工程探探测任务（（测量井径径、井斜和和检查钻孔孔止水效果果）。§3水文地质人人员在物探探工作中的的任务*依据所确定定的任务，，要求水文文地质人员员和物探人人员一起，，共同完成成这三项工工作。对选选定的物探探方法，要要通过现场场试验验证证后再作决决定。如能能使用综合合物探手段段完成同一一项任务，，则可相互互验证，取取长补短，，以提高成成果解释的的可靠性和和精度。例例如，为探探测倾角不不大的层状状含水层，，可同时使使用电阻率率测深法和和激发极化化测深法；；为寻找基基岩脉状富富水带，可可同时使用用电剖面法法、磁法、、γ测量法和射射气测量法法等找水方方法。我国国煤炭水文文地质部门门在北方岩岩溶区的勘勘探钻孔中中，常使用用视电阻率率法、自然然电位法、、井液电阻阻率法、γ－γ法、中子法法、井下电电视等多种种测井方法法。它们对对确定岩溶溶发育段位位置、含水水层位置等等效果十分分满意。3．确定物探探方法，选选定物探测测线、测点点的布置方方案和测量量装置§3水文地质人人员在物探探工作中的的任务*在选择物探探测线、测测点的布置置方案和选选择