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物探方法在水文地质调查中的作用

*（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（τ）等参数表示。判断地下水存在效果较好的测量参数，通常是τ和D。τ是指二次场电位差（ΔUz）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τ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。§2物探方法在水文地质调查中的作用

*（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。§2物探方法在水文地质调查中的作用

*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。§2物探方法在水文地质调查中的作用

*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。§2物探方法在水文地质调查中的作用

*（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α、β、γ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。§2物探方法在水文地质调查中的作用

*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：①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；②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；③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。§2物探方法在水文地质调查中的作用

*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γ、α两种辐射仪（这是因为γ射线穿透力较强，α粒子电离本领较强）。§2物探方法在水文地质调查中的作用

*目前使用较多的方法简介如下。①γ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γ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。②放射性能谱测量法。是在γ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。③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。§2物探方法在水文地质调查中的作用

*④α径迹测量法和α卡法。这两种方法均是测量土壤盖层中α射线的方法。⑤210Po法。它和α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α辐射仪测量210Po放出的α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。§2物探方法在水文地质调查中的作用

*二、采吧用地球泛物理测掩井方法萝确定含像水层和贝测定水乔文地质面参数许多地评球物理围测井方塌法都可闯配合钻眉探取芯馋和水文买地质观晴测资料舟，用于绣钻孔剖芹面的岩掠性分层浩，判断撒含水层脑（带）滚、岩溶渠发育带巩和咸淡往水分界翅面位置惯（深度苍）及确羡定水文稍地质参摸数等。浑当采用斥无芯钻远进或钻猴进取芯纽奉不足时废，物探倦测井更股是不可拼缺少的中探测手肆段。物唤探测井座的地质规一水文棕地质解终释精度峰，远比贴前述的厚地面物红探方法庸为高。疯对确定训钻孔中雹的岩层万分界面觉和出水华裂隙段眉位置的般可靠性温和精度咬，有时狗甚至比拣钻探取们芯还高厕。§2物探方俭法在水创文地质分调查中银的作用*目前，崖水文地屑质钻探拣中常用零的测井应方法有顺五类：（1）电法纲测井，话包括：秃①普通家视电阻口率测井叼，②井等液电阻出率测井段，③自浑然电位溉测井；（2）放盟射性届测井筒，包唯括：染①伽皆玛一岸伽玛牵测井终，②排中子架测井爹，③雄放射惯性同父位素笨测井睬；（3）声波蒙测井；（4）热死测井扒；（5）流速宅测井。各种测魄井方法坟相互配旷合，可遇以提供贡更多、污更可靠流的地质弄一水文谅地质信浩息，可厌使水文诊地质钻译孔发挥戒更大的辞勘查效缩慧益。§2物探方攻法在水读文地质密调查中台的作用*上述许钉多物探托测井法热，除完标成井孔陷地质剖燥面的测系量任务弯外，皆沿可测出胃（或粗撤略地测区定出）闷含水层辞的水文很地质参护数和岩摸石的工震程力学此性质，煌也可解旷决某些题水井工默程的特救殊问题城（如井外径、井棵斜等）附。主要愁测井方汤法所解尾决的水粘文地质翠问题：（1）普通详视电阻仔率测井肥：除划脂分钻孔凤地层剖出面外，售主要用宋于确定上含水层律的位置匆及厚度掏，测定国岩石电胜阻率参畏数和岩及石孔隙拾度；（2）井液疮电阻率舟测井：庭其中的秩扩散法邀，能可遮靠的确酒定钻孔姜中含水里层（出辣水段）蹄的位置蛇和厚度姿，比较室含水层顷的富水双性，求叫地下水漫的渗透般速度和纪间接计我算渗透定系数；§2物探兆方法处在水永文地终质调垒查中侧的作角用*（3）自然逐电位测咏井：可度确定地达下水的阶矿化度席和咸淡抹水界面灯，估计家地层的助含泥量务；（4）伽视玛一教伽玛棉测井抄：可圾按密属度区湿分岩咽性、苹划分悦剖面侨，确依定含骑水层拜和岩典石的筐孔隙练度；（5）中子留测井：顽用于划胖分岩性把，查明鄙含水层箱，确定聋孔隙度狸和测定晒含水量您；（6）放射敢性同位皮素测井签：同位层素示踪盛法是目释前测定课地下水续流向、你流速、上渗透系盒数和水生动力弥插散系数征的主要狠方法，泪还可用嚷于确定看井内出损水和套速管破裂鉴位置，舍检查井洋管外封矿堵质量瓜和寻找殊水库（扁坝下）汉渗漏通凤道；（7）声波惜测井：泰主要用攀于测定耍岩石的陕孔隙度竹，也用辱于划分完岩性，色作地层玩对比，喇划分含膛水破裂畜带等；（8）热测披井：测称地温梯讨度，测蹈定井内昼进（漏或）水位独置。§2物探嘴方法渗在水忠文地南质调写查中敞的作忘用*此外，谅还有流午速（流锈量）测骄井，实草质上它会属于水既文法测体井，而披非地球椅物理方较法。此付法能直载接测量赶出钻孔信中各个泉含水层床（或含恰水段）味的厚度瘦、流速肃和出水充量，并浅能计算会出各含委水层（刘段）的代渗透系呢数，确趴定钻孔染中各个填含水层隶之间的躁补排关洋系，还盯可检查犹钻孔止还水效果旅和确定蜡过滤器批有效长香度。我表国冶金热部武汉判勘察研洒究院生败产的RM－2型地夸下水厌流速舍仪，舌可测发流速腾范围修为0.2—80春cm／s。§2物探然方法宜在水宁文地龄质调事查中和的作饭用*1．掌紧握物喘探方串法的角使用率条件§3水文创地质臂人员纱在物翠探工谁作中丝式的任远务物探石方法甲是一跃种先吴进的辱地质对调查糟技术喝。但索它能颗否取博得好秩效果书，还校取决馆于一锣系列集自然江与人福为因她素。汽当能伞满足狱下列苏使用宗条件椅时，赠才能懒有较症好的钉效果目。（1）探测疲对象（国岩层或妨含水带喘）与围马岩之间晴存在比惨较显著侄的物性捡差异；（2）这种验物性差逝异，要忠有一定恰的异常搏幅度，还并能在币所探测畅的深度红内能被坏目前使弄用的物沃探仪器块测量出抬来；（3）探气测对讽象呈翅现的蒸异常压现象拖，能键与其泄他自罗然和纤人为宁干扰击因素狱引起候的异铁常现店象很要好地疼区别较开来斗；（4）还气要求席探测凯对象盾有一员定的督规模仍（厚产度或巨范围存），秋埋藏拢不能巩太深艰，其宇他自稳然和宜人为洁干扰男因素量（地遇形坡祸度、叶切割悔程度起、浮况土厚域度、槐工业结地电派、地票下金偏属管甚道等蚁）的甜影响渣不能黎太强洋烈。*2．提出医水文地耳质物探套工作的奋探测任市务根据水役文地质笔调查任哨务，并嘴考虑测言区的具腹体地质始及水文返地质特弯点、物称理场特硬点（即幕何种物尾理场可攀能最显咏著）、御可能存仁在的自些然与人坟为干扰洗因素及姑物探仪拘器性能世和精度嫂，水文宁地质人猛员应正蹲确地提闯出水文六地质物段探的任睡务。§3水文地贞质人员想在物探已工作中黎的任务*水文地壤质物探朵的任务步：（1）通过直地面物舟探（或毫航空物陕探）方饮法寻找副含水层蚂或富水融带，确杰定它们汪的分布菌范围、纵埋藏深昨度、厚注度和产迅状；（2）通港过物霉探测栗井方代法准灭确地例确定布含水修层（崖带）笛的厚烤度、令深度猜、富袄水程驳度、圆咸淡储水界矛面位敲置，看或测词定某嫂些水距文地结质参续数及掏完成构某些怜水井才工程货探测霉任务仅（测宅量井君径、壁井斜存和检列查钻茎孔止消水效隙果）塞。§3水文串地质惠人员阵在物陈探工纸作中选的任艘务*依据所预确定的晓任务，蜂要求水汪文地质湾人员和现物探人养员一起拥，共同耐完成这郑三项工凑作。对弹选定的能物探方永法，要立通过现域场试验奶验证后保再作决识定。如高能使用穿综合物似探手段禾完成同往一项任蚁务，则糊可相互退验证，谈取长补双短，以躁提高成族果解释舱的可靠烛性和精框度。例点如，为幼探测倾春角不大队的层状随含水层音，可同厕时使用举电阻率嗓测深法钞和激发味极化测写深法；粪为寻找苗基岩脉稠状富水杀带，可验同时使条用电剖专面法、翁磁法、γ测量法插和射气闸测量法基等找水凑方法。亦我国煤泄炭水文两地质部萄门在北浩方岩溶涛区的勘颜探钻孔支中，常蓝使用视义电阻率既法、自弹然电位率法、井厦液电阻刮率法、γ－γ法、中大子法、年井下电驴视等多酱种测井之方法。讲它们对榨确定岩耻溶发育藏段位置店、含水府层位置阁等效果约十分满扎意。3．确定沿物探方俊法，选确定物探坏测线、腿测点的辩布置方覆案和测怕量装置§3水文地岛质人员污在物探叶工作中箭的任务*在选择衫物探测我线、测毕点的布歪置方案秘和选择骗正确的质测量装摧置时，帝如使用计电阻率其测深（凡或剖面盲）法，势则首先猾须确定较测线的皂位置、裂方位、壶测点间详距和测脑线之间剑的距离乒；同时桥，也要肯正确地蔑选择供泪电极距晕、测量岔极距和捆电测剖朱面装置晒。要知离道，有粗时虽然顿选择了专正确的薪物探方厨法，但也由于测颠线方向健布置不诊正确或允测量装滨置选择询不合理扮，同样年不能获辈得好效乎果。例繁如，当滤测线与卵欲探测租的构造命破碎带长交角很港小时、慎可能测扭得的异为常就非亡常不显真著。对赌于厚度婚不大（裳如10一20矩m），构而埋岛藏深偏度又指较大症（如哄顶板冶深度登大干70—80鼓m）的内含水秋层，即如采困用电鹊测深订法正绍常的报供电驻极距拆，可钟能在较视电译阻率怕曲线孕上根晌本没崇有显奏著异厉常显研示；侧如果素在含鸽水层甘可能搏出现碎的深坟度，册供电蒸极距屡按较强小的妹距离月（如10m）增加雅，则可狗能测量额出含水树层的异盒常值（阀图4—2）。乏又如炭，当嚼采用衣电剖野面法须寻找做覆盖贝土层伪下的委陡斜枯基岩讽脉状礼富水碗带时淘，如艰采用沸的供疤电极