【物理论文】地球物理勘查方法在水文地质工程地质中的应用研究

摘要：随着我国国民经济的快速发展, 水资源的需求与保障能力之间的矛盾日益突出,水文地质工程已成为当前地质工作的重要任务。找水文的深度不断增加, 使得找水资源的难度也随之加大, 这就为地球物理勘查方法提供了发展空间。我国是一个人均水资源匮乏，严重缺水的国家。许多地区和城市靠长期过量抽取地下水维持，西北地区及许多山区则因缺水而制约了经济发展，水资源短缺已成为国民经济和社会发展的重要制约因素。此外，地下各种含水构造对采矿、环保、农业、地下工程等部门也有重大意义。因此，地下水的高效率、高精度勘查就成为水资源研究中首先要解决的课题。本文主要叙述了我国目前发展较快的几种主要地球物理勘查方法的发展概况及其在水文地质工程地质中的应用。

关键词：地球物理；水文；地质工程；勘察方法

引言

物探是地球物理勘探的简称，它是根据各种岩石之间的密度、磁性、电性、弹性、放射性等物理性质的差异，利用地球物理的原理，选用不同的物理方法和物探仪器，测量工程区的地球物理场的变化，达到解决地质问题的一种物理勘探方法。当地下岩层（或地质单元）含有地下水后，其电导率将与含水饱和度、矿化度、地层孔隙度、渗透率等诸多因素相关。除此，磁异常、弹性波阻抗异常、放射异常等均可应用于水文地质实际工作中去。可以被水文地质工作所采用的地球物理勘探方法种类很多，本文将对其中几种主要方法进行介绍，如高密度电阻率法、激发极化法、CSAMT、瞬变电磁法和地面核磁共振法等。

1高密度电阻率法

岩石电阻率是由多种因素共同决定的。这些因素包括，矿物成分、颗粒结构、孔隙度、含水量及水的矿化度等。同一岩石含水与否，将会在很大程度上决定电阻率的数值。利用电阻率物探方法进行水文地质勘查就是通过测定含水层的电阻率在其空间的分布规律，发现和探查含水岩层的空间展布，储水条件，从而进行水文地质勘查。该方法是一种间接找水的方法。

高密度电法实际上是电剖面法和电测深法相结合的产物。其基本原理与普通电阻率法相同，通过A、B 电极向地下供电流，然后在M、N 极间测量电位差，从而可求得该点（M、N 之间）的视电阻率值。高密度电阻率法原理如图1所示。

图1高密度电阻率法原理

　　　由于在观实际测中布置了高密度的观测点，因此高密度电阻率法是阵列思想应用于电阻率法的产物。关于阵列电法勘探的思想源于20世纪70年代末期，我国是从20世纪末期开始研究高密度电法及其应用技术，从理论方法和实际应用的角度进行了探讨并完善。高密度电阻率法为地下水资源勘查提供了便捷、有效的工具。它不仅可以利用含水介质与非含水地层之间的电性差异，能够直观地获得含水层位置、富水特性及水循环条件等方面信息；还可以通过建立电阻率与含盐量之间的转换关系，实现含盐量的动态原位监测；此外，基于含水介质导水性与导电特性之间的相似性，高密度电阻率法为水文地质参数的确定及校正提供了一种有效的手段。

2 激发极化法

激发极化法(或激电法)就是以岩、矿石激发极化效应的差异为基础来解决地质问题的一类勘探方法。当对地下地质体供入一直流脉冲ΔV1，在供电电流不变的情况下，可观测到如下现象：地面上两个测量电极的地位差ΔV（t）随时间增加而趋于稳定值（饱和值）。在断开供电电流后，会发现电极间电位差在最初一瞬间快速衰减，到一定数值后，衰减速度变慢，经几秒钟甚至几分钟后可衰减至零。这种在充电和放电过程中产生随时间缓慢变化的附加电场现象，称为激发极化效应。激发极化法是根据岩石、矿石的激发极化效应来寻找金属和解决水文地质、工程地质等问题的一组电法勘探方法。它又分为直流激发极化法（时间域法）和交流激发极化法（频率域法）。

在实际地质应用方面,初期的激电法主要用于勘查硫化金属矿床,后来发展到诸多领域,如氧化矿床、非金属矿床、工程地质问题

等。近年来,激电法找水效果十分显著,被誉为“找水新法”。利用激电法找水或确定地层的含水性,最好与高密度电阻率法相结合,这样可以降低地球物理解释的多解性,提高找水的成功率。高密度电阻率法在确定高阻或低阻地质体具有优越性,但低阻地质体并不代表富含地下水, 可能是由于泥岩引起地层的电阻率下降。这时,可以通过使用激电法来区分含水地层和泥岩,因为激电二次场与岩石的孔隙有关,在纯粹泥岩中极化率比较小,在含水砂砾岩中极化率比较大,此外二次场的衰减速度也与孔隙的大小、形状和宽窄有关,这就是激电法找水的机理所在。

3可控源音频大地电磁法(CSAMT)

可控源音频大地电磁法是在大地电磁法(MT)和音频大地电磁(AMT)基础上发展起来的一种可控源频率测深方法。CSAMT 采用可控制人工场源,测量由电偶极源传送到地下的电磁场分量, 两个电极电源的距离为1~2km, 测量是在距离场源5~10km 以外的范围进行,此时场源可以近似为一个平面波。由于该方法的探测深度较大(通常可达2km),并且兼有剖面和测深双重性质,因此具有诸多优点。

这种方法是通过分析地面或井中观测到的由人工控制的电磁波信号在地球介质中激发的电磁波场来达到勘探地球内部结构的目的。该方法的工作频率一般从0.125 Hz到10kHz，因此，勘探深度一般可从地表至地下几千米。由于该方法采用强大的人工信号源，能压制干扰，可采集到高质量的数据。该方法的基本理论是基于电磁波传播理论和麦克斯韦方程组，导出电场Hy、ρS磁场与视电阻率的关系式为：

　　　CSAMT 法一出现就展示了比较好的应用前景,尤其是作为普通电阻率法和激发极化法的补充,可以解决深层的地质问题,如在寻找隐伏金属矿、油气构造勘查、推覆体或火山岩下找煤、地热勘查和水文工程地质勘查等方面,均取得了良好的地质效果。在地下水资源方面,CSAMT 法适合寻找深部的基岩裂隙水。

4瞬变电磁法(TEM)

瞬变电磁法是利用不接地或接地线源向地下发送一次场, 在一次场的间歇期间, 测量由地质体产生的感应电磁场随时间的变化。根据二次场的衰减曲线特征,就可以判断地下不同深度地质体的电性特征及规模大小等。由于该方法是观测纯二次场,消除了由一次场所产生的装置偶合噪音,具有体积效应小、横向分辨率高、探测深度深、对低阻反映灵敏、与探测地质体有最佳偶合、受旁侧地质体影响小等优点。

与其他测深方法相比，它具有探测深度大、信息丰富、工作效率高等优点.近年来，该方法得到迅速发展，特别是对探测低阻覆盖层下的良导电地质体取得了显著的地质效果。由于上述特点，针对水文地质问题，瞬变电磁法不但可以确定水文地质构造类型，在冲积层地区估算地下水位和基岩的埋深；还可以在滨海及海岛含水层中查明咸淡水界面及绘制人为和自然发生的海水入侵分布图；圈定和监测地下水污染通道及范围。并在国内外取得了令人瞩目的效果。

5地面核磁共振法

地面核磁共振（SNMR）找水方法是近年发展起来的，目前世界上唯一的直接找水的地球物理新方法。它利用不同物质原子核弛豫性质差异产生的SNMR效应。即利用了水中氢核（质子）的弛豫特性差异，在地面上利用核磁共振找水仪，观测、研究在地层中水质子产生的核磁共振信号的变化规律，进而探测地下水的存在性及时空赋存特征。通过由小到大地改变激发电流脉冲的幅值和持续时间，探测由浅到深的含水层的赋存状态。相对于传统的地球物理方法而言，核磁共振方法是一种直接非侵害性的探测地下水的地球物理新技术，具有高分辨力、高效率、信息量丰富和解的唯一性等优点，是一种很有发展前景的找水方法技术。

地面核磁共振找水方法的原理决定了该方法能够直接找水，特别是找淡水。在该方法的探测深度范围内，只要地层中有自由水存在，就有核磁共振信号响应，反之则没有响应；其次，地面核磁共振方法受地质因素影响小。这些优点可用来区分间接找水的电阻率法和电磁测深法视电阻率的异常地质。此外，在淡水电阻率与其赋存空间介质的电阻率无明显差异的情况下，而地面核磁共振方法能够直接探测出淡水的存在。但是，目前该方法尚不能用来探测埋藏深度大于150 m的地下水。此外由于核磁共振系统接受灵敏度高，所以易受电磁噪声的干扰。

6结语

从发展的角度看，从高密度电阻率法、激发极化法到可控源音频大地电磁法(CSAMT)、瞬变电磁法(TEM)，再到地面核磁共振法，地球物理勘探方法总体上在不断进步。尽管如此，在复杂的地质背景下，没有一种方法是万能的，只有根据不同的地质条件和工作要求，针对性地采取某种方法或几种方法的组合，才能提高成果的解译程度，更加精确地完成地球物理勘探工作。多种方法的结合使用已经开始普遍用于地下水的勘探研究，也取得好的结果。随着勘探难度的加大，还有更多的问题需要探索和研究。相信随着人们认识程度的提高，物探在地下水勘察中的作用会越来越明显，水资源勘察也将进入一个新阶段。

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