水文地質(zhì)物探

1水文地質(zhì)物探方法的基本原理2物探方法在水文地質(zhì)調(diào)查中的作用3水文地質(zhì)人員在物探工作中的任務(wù)水文地質(zhì)物探§1水文地質(zhì)物探方法的基本原理

水文地質(zhì)物探––––是根據(jù)地下巖層在物理性質(zhì)上的差異，借助于專門的物探儀器，通過測(cè)量、分析其物理場(chǎng)的分布、變化規(guī)律來進(jìn)行水文地質(zhì)調(diào)查的一種勘探手段。1．物探方法的特點(diǎn)成本低、速度快、用途廣泛，是當(dāng)前水文地質(zhì)調(diào)查中不可缺少的勘查手段。2/4/20232．物探方法的基本原理物探方法之所以能夠探明某些地質(zhì)、水文地質(zhì)條件，主要是因?yàn)椴煌愋突虿煌康膸r石之間存在著物理性質(zhì)上的差異（包括導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性，熱容量、溫度、密度、磁性、彈性波傳播速度及放射性等）。因此，我們可以借助各種物探測(cè)試儀器，測(cè)定出巖石或水體的某些物理特征值的變化，從而分析、推斷出巖性、構(gòu)造和巖層含水性能的變化。例如，許多巖漿巖和石灰?guī)r的視電阻率（ρs）常?？蛇_(dá)n×（102—103）歐姆·米；而泥巖、粘土的視電阻率值只有十到幾十Ω·m。§1水文地質(zhì)物探方法的基本原理

2/4/2023（1）在含水量方面：水是一種良導(dǎo)體，因此巖石的含水量及水本身的礦化度，對(duì)巖石的視電阻率值有很大的影響。厚層石灰?guī)r的無水地段的ρs值常常大于500Ω·m，比有水地段高很多。（2）在磁性方面：不同種類的巖石之間也有較大差別，如許多巖漿巖中的金屬元素含量相對(duì)較豐富，磁性較強(qiáng)；多數(shù)沉積巖的磁性均較弱。因此，當(dāng)磁法剖面跨過這兩種巖石時(shí)，便會(huì)有顯著的磁力差異?！?水文地質(zhì)物探方法的基本原理

2/4/2023（3）在放射性強(qiáng)度和熱輻射強(qiáng)度方面：不同類型的巖石，以及巖石中富水和貧水地段之間，也常有較大的差異。從圖4—l所示的熱行為剖面上可清楚地顯示出斷裂富水帶的平均輻射溫度（地面下0.8m）要比斷裂兩側(cè)貧水地帶低7一11℃?！?水文地質(zhì)物探方法的基本原理

2/4/2023在水文地質(zhì)調(diào)查中使用的物探方法有兩大類：（1）地面物探方法，（2）地球物理測(cè)井?，F(xiàn)將各種物探方法在水文地質(zhì)調(diào)查中的作用，即能解決的水文地質(zhì)問題簡(jiǎn)介于下?！?物探方法在水文地質(zhì)調(diào)查中的作用

2/4/2023一、采用地面物探方法尋找地下水地面物探方法，已被證明是探測(cè)地下巖性、劃分地層和確定構(gòu)造的有效手段之一，幾乎所有地面物探方法均可用于尋找地下水和判定某些水文地質(zhì)特征。但是，絕大多數(shù)物探方法并不是直接地測(cè)定出地下水的物性顯示，而是通過測(cè)定出巖石或裂隙、空洞的物性顯示，去判斷是否有含水層和富水帶的存在。當(dāng)然，巖石本身的物性顯示在一般情況下又比水強(qiáng)烈得多，因此，準(zhǔn)確地說，多數(shù)的物探方法均是間接的找水方法?！?物探方法在水文地質(zhì)調(diào)查中的作用

2/4/2023地面物探方法的種類很多。在水文地質(zhì)調(diào)查中，運(yùn)用較多的是那些所測(cè)得的物性特征在各類巖石中（包括有水的和貧水的地段）差別較顯著、顯示比較穩(wěn)定、強(qiáng)烈，且受自然環(huán)境和人為因素干擾較小的物探方法。這類方法，首推各種電阻率法，磁法、放射性探測(cè)法、和聲波探測(cè)法也常用到，而地震和重力等方法相對(duì)使用較少。§2物探方法在水文地質(zhì)調(diào)查中的作用

2/4/2023在水文地質(zhì)調(diào)查中主要使用的物探方法（傳統(tǒng)方法）有：（1）電法勘探；（2）電法測(cè)井等。在工程地質(zhì)調(diào)查中主要使用的物探方法（傳統(tǒng)方法）有：（1）電法勘探；（2）地震勘探；（3）聲波探測(cè)等?！?物探方法在水文地質(zhì)調(diào)查中的作用

2/4/2023考慮到一般的電阻率法，在各種地球物理勘探和水文地質(zhì)物探教材中已有詳盡論述，而磁法、重力和地震方法在水文地質(zhì)勘查中使用較少，故本章將著重介紹目前用于水文地質(zhì)勘探及尋找地下水較為有效的，已有物探或?qū)Ｋ滩闹杏治瓷钊虢榻B的各種物探方法。§2物探方法在水文地質(zhì)調(diào)查中的作用

2/4/2023（l）自然電場(chǎng)法。這種方法是以地下存在的天然電場(chǎng)作為場(chǎng)源。由于天然電場(chǎng)主要是與地下水通過巖石孔隙、裂隙時(shí)的滲透作用及地下水中離子的擴(kuò)散、吸附作用有關(guān)。因此，可根據(jù)在地面測(cè)量到的電場(chǎng)變化情況，查明地下水的埋藏、分布和運(yùn)動(dòng)狀況。這種方法主要是用于尋找掩埋的古河道、基巖中的含水破碎帶，及確定水庫(kù)、河床及堤壩的滲漏通道，以及測(cè)定抽水鉆孔的影響半徑等。這種方法的使用條件，主要決定于地下水滲透作用所形成的過濾電場(chǎng)的強(qiáng)度。一般只有在地下水埋藏較淺、水力坡度較大和所形成的過濾電位強(qiáng)度較大時(shí)，才能在地面測(cè)量到較明顯的自然電位異常?！?物探方法在水文地質(zhì)調(diào)查中的作用

2/4/2023（2）激發(fā)極化法。這種方法是根據(jù)供電極斷電后，由電化學(xué)作用引起的巖石和地下水放電電場(chǎng)（即二次場(chǎng)）的衰減特征來尋找地下水。二次場(chǎng)的衰減特征可用衰減度（D）、衰減時(shí)（τ）等參數(shù)表示。判斷地下水存在效果較好的測(cè)量參數(shù)，通常是τ和D。τ是指二次場(chǎng)電位差（ΔUz）衰減到某一規(guī)定數(shù)值時(shí)（通常規(guī)定為50％）所需的時(shí)間（單位為s）。D亦是反映極化電場(chǎng)（即二次場(chǎng)）衰減快慢的一種測(cè)量參數(shù)（用百分?jǐn)?shù)表示）。由于巖石中的含水或富水地段水分子的極化能力較強(qiáng)，又因二次場(chǎng)一般衰減慢，故D和τ值相對(duì)較大。激發(fā)極化法和電阻率法一樣，分為剖面法、測(cè)深法和測(cè)井法。其中，激發(fā)極化測(cè)深法用得最多，主要用于尋找層狀或似層狀分布的各種地下水以及較大的溶洞含水帶，并可確定它們的埋藏深度。由于激發(fā)極化所產(chǎn)生的二次場(chǎng)值小，故這種方法不適用于覆蓋層較厚（如大于20m）和工業(yè)游散電流較強(qiáng)的地區(qū)。電源笨重、工作效率較低、成本較高，也是這種方法的不足之處?！?物探方法在水文地質(zhì)調(diào)查中的作用

2/4/2023（3）交變電磁場(chǎng)法。這種方法是以巖石、礦石（包括水）的導(dǎo)電性、導(dǎo)磁性及介電性的差異為基礎(chǔ)，通過對(duì)以上物理場(chǎng)空間和時(shí)間分布特征的研究，達(dá)到查明隱伏地質(zhì)體和地下水的目的?！?物探方法在水文地質(zhì)調(diào)查中的作用

2/4/2023電磁法是近二三十年才推出的新物探方法。目前已在生產(chǎn)中使用的有甚低頻電磁法（利用超長(zhǎng)波通訊電臺(tái)發(fā)射的電磁波為場(chǎng)源）、頻率測(cè)深法（以改變電磁場(chǎng)頻率來測(cè)得不同深度的巖性）、地質(zhì)雷達(dá)法（利用高頻電磁波束在地下電性界面上的反射來達(dá)到探測(cè)地質(zhì)對(duì)象的目的）等。其中，甚低頻法對(duì)確定低阻體（如斷裂帶、巖溶發(fā)育帶和含水裂隙帶）比較有效；而地質(zhì)雷達(dá)則具較高的分辨率（可達(dá)數(shù)厘米），可測(cè)出地下目的物的形狀、大小及其空間位置?！?物探方法在水文地質(zhì)調(diào)查中的作用

2/4/2023近年來，原蘇聯(lián)科學(xué)家又設(shè)計(jì)出一種新的能直接尋找地下水的電磁法，即核磁找水法。其原理如下：由于水具弱磁性，故在磁場(chǎng)作用下，其磁矩將沿地磁的方向排列。當(dāng)在垂直地磁場(chǎng)方向施加一定強(qiáng)度和頻率的人工磁場(chǎng)時(shí)，水分子就會(huì)產(chǎn)生核磁共振現(xiàn)象。其磁振動(dòng)頻率將會(huì)在地面鋪設(shè)的金屬線圈中產(chǎn)生一定的電感應(yīng)訊號(hào)。測(cè)定出這種訊號(hào)的強(qiáng)度，就可確定出地下水的埋深和富集程度。§2物探方法在水文地質(zhì)調(diào)查中的作用

2/4/2023（4）放射性探測(cè)法（天然放射性找水法）自然界存在三個(gè)放射性元素系（鈾一鐳系、釷系和錒系），但在巖石和水中分布較廣泛的，主要有鈾（U）、鐳（Ra）、氡（Rn）、釷（Th）和鉀（40K）。天然放射性元素發(fā)生衰變時(shí)能放出α、β、γ射線，而這些射線的強(qiáng)度可利用核輻射探測(cè)儀器加以測(cè)定。尚須指出，用放射性方法所測(cè)量到的射線，主要是氡及其子體產(chǎn)生的，而鈾、鐳等元素放出的射線是次要的，故氡及其子體是放射性探測(cè)法首先重視的對(duì)象。§2物探方法在水文地質(zhì)調(diào)查中的作用

2/4/2023放射性探測(cè)法主要適用于尋找基巖地下水，這是基于以下原因：①不同類型巖石，由于其放射性元素含量不同，其放射性強(qiáng)度常有差異；②巖石中斷裂帶和裂隙發(fā)育帶，常是放射性氣體運(yùn)移和聚積的場(chǎng)所，故可形成放射性異常帶；③在地下水流動(dòng)過程中（特別是在出露地段），由于水文地球化學(xué)條件的突然改變，可導(dǎo)致水中某些放射性元素的沉淀或富集，從而形成放射性異常?！?物探方法在水文地質(zhì)調(diào)查中的作用

2/4/2023由于地下水中所含放射性物質(zhì)甚微，所以利用天然放射性找水，并非直接測(cè)定地下水的放射性，而是通過測(cè)定巖石的放射性差異去判斷有無含水的巖層，有無可供地下水賦存的斷裂、裂隙（通道）構(gòu)造。放射性探測(cè)的方法很多，但都是基于測(cè)量氡及其子體的射線強(qiáng)度；放射性探測(cè)的儀器種類也很多，但從原理上說主要分為γ、α兩種輻射儀（這是因?yàn)棣蒙渚€穿透力較強(qiáng)，α粒子電離本領(lǐng)較強(qiáng)）?！?物探方法在水文地質(zhì)調(diào)查中的作用

2/4/2023目前使用較多的方法簡(jiǎn)介如下。①γ測(cè)量法。所測(cè)量的是鈾、釷、鉀等放射性元素及其子體輻射出的γ射線的總強(qiáng)度。本方法使用的儀器輕便，工作效率高，對(duì)查明巖層分界線和破碎帶有一定效果；但其異常顯示不夠明顯，覆蓋土層厚度較大時(shí)效果不佳。②放射性能譜測(cè)量法。是在γ測(cè)量法的基礎(chǔ)上新推出的方法。在同一測(cè)量剖面線上，四條輻射強(qiáng)度曲線的相互配合，可大大提高地質(zhì)解釋的精度。③射氣測(cè)量法。該方法是用射氣儀（測(cè)氡儀）測(cè)量土壤中放射性氣體（主要是氡氣）的濃度，以發(fā)現(xiàn)浮土下的放射性異常帶。測(cè)氡法對(duì)于尋找脈狀基巖含水帶有很好的效果。但其測(cè)量結(jié)果，也難免受到土壤濕度、溫度、氣壓、土壤密實(shí)程度和融凍狀態(tài)的影響?！?物探方法在水文地質(zhì)調(diào)查中的作用

2/4/2023④α徑跡測(cè)量法和α卡法。這兩種方法均是測(cè)量土壤蓋層中α射線的方法。⑤210Po法。它和α卡法一樣，也是一種長(zhǎng)期積累的測(cè)氡方法。但它是通過采集土樣，經(jīng)化學(xué)處理后，再用α輻射儀測(cè)量210Po放出的α射線強(qiáng)度。由于210Po是一個(gè)長(zhǎng)壽命、強(qiáng)輻射的天然同位素，故其探測(cè)深度亦較大，且不適用于土層已經(jīng)再搬運(yùn)過的地區(qū)?！?物探方法在水文地質(zhì)調(diào)查中的作用

2/4/2023二、采用地球物理測(cè)井方法確定含水層和測(cè)定水文地質(zhì)參數(shù)許多地球物理測(cè)井方法都可配合鉆探取芯和水文地質(zhì)觀測(cè)資料，用于鉆孔剖面的巖性分層，判斷含水層（帶）、巖溶發(fā)育帶和咸淡水分界面位置（深度）及確定水文地質(zhì)參數(shù)等。當(dāng)采用無芯鉆進(jìn)或鉆進(jìn)取芯不足時(shí)，物探測(cè)井更是不可缺少的探測(cè)手段。物探測(cè)井的地質(zhì)一水文地質(zhì)解釋精度，遠(yuǎn)比前述的地面物探方法為高。對(duì)確定鉆孔中的巖層分界面和出水裂隙段位置的可靠性和精度，有時(shí)甚至比鉆探取芯還高。§2物探方法在水文地質(zhì)調(diào)查中的作用

2/4/2023

目前，水文地質(zhì)鉆探中常用的測(cè)井方法有五類：（1）電法測(cè)井，包括：①普通視電阻率測(cè)井，②井液電阻率測(cè)井，③自然電位測(cè)井；（2）放射性測(cè)井，包括：①伽瑪一伽瑪測(cè)井，②中子測(cè)井，③放射性同位素測(cè)井；（3）聲波測(cè)井；（4）熱測(cè)井；（5）流速測(cè)井。各種測(cè)井方法相互配合，可以提供更多、更可靠的地質(zhì)一水文地質(zhì)信息，可使水文地質(zhì)鉆孔發(fā)揮更大的勘查效益。§2物探方法在水文地質(zhì)調(diào)查中的作用

2/4/2023上述許多物探測(cè)井法，除完成井孔地質(zhì)剖面的測(cè)量任務(wù)外，皆可測(cè)出（或粗略地測(cè)定出）含水層的水文地質(zhì)參數(shù)和巖石的工程力學(xué)性質(zhì)，也可解決某些水井工程的特殊問題（如井徑、井斜等）。主要測(cè)井方法所解決的水文地質(zhì)問題：（1）普通視電阻率測(cè)井：除劃分鉆孔地層剖面外，主要用于確定含水層的位置及厚度，測(cè)定巖石電阻率參數(shù)和巖石孔隙度；（2）井液電阻率測(cè)井：其中的擴(kuò)散法，能可靠的確定鉆孔中含水層（出水段）的位置和厚度，比較含水層的富水性，求地下水的滲透速度和間接計(jì)算滲透系數(shù)；§2物探方法在水文地質(zhì)調(diào)查中的作用

2/4/2023（3）自然電位測(cè)井：可確定地下水的礦化度和咸淡水界面，估計(jì)地層的含泥量；（4）伽瑪一伽瑪測(cè)井：可按密度區(qū)分巖性、劃分剖面，確定含水層和巖石的孔隙度；（5）中子測(cè)井：用于劃分巖性，查明含水層，確定孔隙度和測(cè)定含水量；（6）放射性同位素測(cè)井：同位素示蹤法是目前測(cè)定地下水流向、流速、滲透系數(shù)和水動(dòng)力彌散系數(shù)的主要方法，還可用于確定井內(nèi)出水和套管破裂位置，檢查井管外封堵質(zhì)量和尋找水庫(kù)（壩下）滲漏通道；（7）聲波測(cè)井：主要用于測(cè)定巖石的孔隙度，也用于劃分巖性，作地層對(duì)比，劃分含水破裂帶等；（8）熱測(cè)井：測(cè)地溫梯度，測(cè)定井內(nèi)進(jìn)（漏）水位置。§2物探方法在水文地質(zhì)調(diào)查中的作用

2/4/2023此外，還有流速（流量）測(cè)井，實(shí)質(zhì)上它屬于水文法測(cè)井，而非地球物理方法。此法能直接測(cè)量出鉆孔中各個(gè)含水層（或含水段）的厚度、流速和出水量，并能計(jì)算出各含水層（段）的滲透系數(shù)，確定鉆孔中各個(gè)含水層之間的補(bǔ)排關(guān)系，還可檢查鉆孔止水效果和確定過濾器有效長(zhǎng)度。我國(guó)冶金部武漢勘察研究院生產(chǎn)的RM－2型地下水流速儀，可測(cè)流速范圍為0.2—80cm／s?！?物探方法在水文地質(zhì)調(diào)查中的作用

2/4/20231．掌握物探方法的使用條件§3水文地質(zhì)人員在物探工作中的任務(wù)

物探方法是一種先進(jìn)的地質(zhì)調(diào)查技術(shù)。但它能否取得好效果，還取決于一系列自然與人為因素。當(dāng)能滿足下列使用條件時(shí)，才能有較好的效果。（1）探測(cè)對(duì)象（巖層或含水帶）與圍巖之間存在比較顯著的物性差異；（2）這種物性差異，要有一定的異常幅度，并能在所探測(cè)的深度內(nèi)能被目前使用的物探儀器測(cè)量出來；（3）探測(cè)對(duì)象呈現(xiàn)的異常現(xiàn)象，能與其他自然和人為干擾因素引起的異?，F(xiàn)象很好地區(qū)別開來；（4）還要求探測(cè)對(duì)象有一定的規(guī)模（厚度或范圍），埋藏不能太深，其他自然和人為干擾因素（地形坡度、切割程度、浮土厚度、工業(yè)地電、地下金屬管道等）的影響不能太強(qiáng)烈。2/4/20232．提出水文地質(zhì)物探工作的探測(cè)任務(wù)根據(jù)水文地質(zhì)調(diào)查任務(wù)，并考慮測(cè)區(qū)的具體地質(zhì)及水文地質(zhì)特點(diǎn)、物理場(chǎng)特點(diǎn)（即何種物理場(chǎng)可能最顯著）、可能存在的自然與人為干擾因素及物探儀器性能和精度，水文地質(zhì)人員應(yīng)正確地提出水文地質(zhì)物探的任務(wù)?！?水文地質(zhì)人員在物探工作中的任務(wù)

2/4/2023水文地質(zhì)物探的任務(wù)：（1）通過地面物探（或航空物探）方法尋找含水層或富水帶，確定它們的分布范圍、埋藏深度、厚度和產(chǎn)狀；（2）通過物探測(cè)井方法準(zhǔn)確地確定含水層（帶）的厚度、深度、富水程度、咸淡水界面位置，或測(cè)定某些水文地質(zhì)參數(shù)及完成某些水井工程探測(cè)任務(wù)（測(cè)量井徑、井斜和檢查鉆孔止水效果）?！?水文地質(zhì)人員在物探工作中的任務(wù)

2/4/2023依據(jù)所確定的任務(wù)，要求水文地質(zhì)人員和物探人員一起，共同完成這三項(xiàng)工作。對(duì)選定的物探方法，要通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證后再作決定。如能使用綜合物探手段完成同一項(xiàng)任務(wù)，則可相互驗(yàn)證，取長(zhǎng)補(bǔ)短，以提高成果解釋的可靠性和精度。例如，為探測(cè)傾角不大的層狀含水層，可同時(shí)使用電阻率測(cè)深法和激發(fā)極化測(cè)深法；為尋找基巖脈狀富水帶，可同時(shí)使用電剖面法、磁法、γ測(cè)量法和射氣測(cè)量法等找水方法。我國(guó)煤炭水文地質(zhì)部門在北方巖溶區(qū)的勘探鉆孔中，常使用視電阻率法、自然電位法、井液電阻率法、γ－γ法、中子法、井下電視等多種測(cè)井方法。它們對(duì)確定巖溶發(fā)育段位置、含水層位置等效果十分滿意。3．確定物探方法，選定物探測(cè)線、測(cè)點(diǎn)的布置方案和測(cè)量裝置§3水文地質(zhì)人員在物探工作中的任務(wù)

2/4/2023在選擇物探測(cè)線、測(cè)點(diǎn)的布置方案和選擇正確的測(cè)量裝置時(shí)，如使用電阻率測(cè)深（或剖面）法，則首先須確定測(cè)線的位置、方位、測(cè)點(diǎn)間距和測(cè)線之間的距離；同時(shí)，也要正確地選擇供電極距、測(cè)量極距和電測(cè)剖面裝置。要知道，有時(shí)雖然選擇了正確的物探方法，但由于測(cè)線方向布置不正確或測(cè)量裝置選擇不合理，同樣不能獲得好效果。例如，當(dāng)測(cè)線與欲探測(cè)的構(gòu)造破碎帶交角很小時(shí)、可能測(cè)得的異常就非常不顯著。對(duì)于厚度不大（如10