水文地質(zhì)地球物理勘探方法

水文物探可分為地面物探 (主要是電法勘探和地震勘探)、測井(包括通用測井、井液電阻率測井和流量測井)和孔間物探(主要是無線電波透視)三大類。

是應(yīng)用較廣泛的一種水文物探方法。這首先是由于一些參數(shù)，如巖石的濕度，水的種類(結(jié)合水、自由水、硬水)，水中雜質(zhì)含量、地下水類型(孔隙層狀水、裂隙層狀水、裂隙脈狀水等)，會顯著地改變巖石的電學(xué)特征。

巖石中水溶液的分布狀態(tài)，是決定該巖石電阻率大小的因素之一。如果水溶液在巖石中呈分散和不連通的方式存在，則對巖層電阻率影響較小，而呈互相連通狀態(tài)分布時，則使巖層電阻率大幅度降低。

巖層電阻率與含水孔隙度有明顯的關(guān)系，一般說，孔隙度小的巖石，電阻率較高，?？蛇_(dá)數(shù)百歐姆米甚至數(shù)千歐姆米;而孔隙度大滲透性小的巖石(如粘土等)，其電阻率較低，有數(shù)歐姆米到數(shù)十歐姆米的變化;對于孔隙度大而滲透性強的巖石(如礫巖、砂層等)，其電阻率則隨水文地質(zhì)條件的不同而有較大的變化范圍。當(dāng)它們飽含礦化度高的地下水時，電阻率只有數(shù)十歐姆米甚至數(shù)歐姆米;干燥時，電阻率可達(dá)百歐姆米甚至數(shù)千歐姆米。

巖層電阻率與巖石的裂隙率、喀斯特發(fā)育程度有較大關(guān)系。在喀斯特發(fā)育地帶，地下水面以下的巖層電阻率呈現(xiàn)區(qū)域性降低。在裂隙發(fā)育(如斷層附近)的含水地帶，巖層電阻率呈低阻反映。巖石的透水性決定于滲透系數(shù)，而滲透系數(shù)又與電阻率有相關(guān)關(guān)系，兩個參數(shù)都取決于孔隙通道的單位面積和形狀。

水文電法勘探方法，根據(jù)探測區(qū)水文地質(zhì)條件和工作任務(wù)進(jìn)行選擇。

(1)在潛水分布地段，為劃分含水層，圈定淡潛水和礦化潛水分布面積，研究潛水的動態(tài)，多采用垂向電測深法、垂向電測深一激發(fā)極化法及各種電測剖面法。

(2)在干旱地區(qū)勘探淡水透鏡體，常采用垂向電測深法，頻率電磁測深法、旋轉(zhuǎn)磁場法、航空電法和無線電波法。

(3)在埋深大 (100～300m) 的自流水分布地段，多采用大極距垂向電測深法、偶極電測深法及電磁測深法。

(4)探查裂隙帶、構(gòu)造帶和喀斯特帶水，可采用聯(lián)合電剖面法、線狀或環(huán)形垂向電測深法、垂向電測深一激發(fā)極化法等。

近年來較好地用于水文物探。主要在巨厚新生界覆蓋區(qū)探查新生界厚度和巖層結(jié)構(gòu)，圈定新生界底部含水層分布及其厚度變化，了解基巖頂部風(fēng)化狀況等。在合適地區(qū)，可用地震勘探法探查奧陶系灰?guī)r頂面深度及其與下部煤層間距，大致了解灰?guī)r喀斯特發(fā)育狀況。

視電阻率測井和自然電位測井用于劃分孔內(nèi)巖層界面，確定含水層位置和厚度，劃分咸、淡水界面，測定地下水礦化度。

γ測井其曲線主要反映巖層所含泥質(zhì)的多少，據(jù)此可確定含水層和隔水層。

γ-γ測井通過鑒別巖層的密度差異來劃分鉆孔剖面，確定破碎帶。

中子-γ測井根據(jù)所測得的二次γ射線強度來區(qū)分含氫量不同的巖層。由于巖石中的水是含氫量最多的物質(zhì)，因此可根據(jù)中子-γ曲線變化，確定巖石的含水性質(zhì)和孔隙度。

井液電阻率測井其原理是，將鉆井液鹽化，使其與含水層中地下水的導(dǎo)電性存在一定差異，然后用鉆井液電阻計在不同時間沿鉆孔不同深度測量鉆井液電阻率的變化，用以確定孔內(nèi)各含水層的水文地質(zhì)特點。該法又可進(jìn)一步分為擴(kuò)散法、注入法和提撈法。擴(kuò)散法是在鉆井液鹽化后，觀測在自然狀態(tài)下鉆井液沿鉆孔不同深度電阻率的變化過程。而注入法和提澇法則是在鉆井液鹽化后，在向鉆孔注水或從鉆孔提水的條件下進(jìn)行測量。這樣，根據(jù)鉆井液濃度，即電阻率變化曲線，即可劃分滲透性含水層的界面和厚度，還可計算地下水的滲透速度或確定滲透系數(shù)。

充電法測井用于確定地下水流向和流速，估計含水層的滲透系數(shù);在條件有利時，可以用來探測喀斯特充水裂隙及地下暗河。其原理是，向鉆孔中含水層段投放食鹽，通過在地面測量等電位線隨時間推移而出現(xiàn)的位移，來圈定隨地下水流動的鹽液在鉆孔四周分布形狀的變化。該法適用于非承壓淡水含水層埋藏深度不大 (100m以淺) 的地段。

上述幾種測井方法的缺點是，難于確定滲透性能微弱的含水層;當(dāng)鉆孔涌水量大，含水層層數(shù)多，或有其它復(fù)雜情況時，擴(kuò)散法和注入法效果不好;而且所測定的參數(shù)為概值，測定涌水量誤差較大。

流量測井根據(jù)多含水層混合井流理論建立起來的一種孔中測流技術(shù)。它在鉆孔抽水、注水、涌水、漏水以及含水層間通過鉆孔發(fā)生相互補給等有軸向水流運動的條件下，利用放在孔內(nèi)的傳感器，測量不同深度的流速，進(jìn)而計算其流量，借以劃分含水層和隔水層，測定含水層的厚度、滲透性能變化及有關(guān)參數(shù);在鉆孔揭穿多個含水層時，測定各含水層的分層流量，得到各含水層流量和水位降深關(guān)系曲線，取得分層水位和其它水文地質(zhì)參數(shù)。

根據(jù)施測方法，流量測井又可分為連續(xù)測量、點測、定點持續(xù)測量等三種方法。連續(xù)測量，是在傳感器恒速移動的同時，連續(xù)測量流量。其特點是施測時間短，易進(jìn)行重復(fù)性檢測，資料比較系統(tǒng)、完整，便于選擇計算孔段，記錄儀可以和煤田測井共用。點測，即將傳感器分別靜置在各個測點上，然后觀測各測點上傳感器葉輪所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速，繪出轉(zhuǎn)速隨深度變化曲線。其特點是施工簡單，適應(yīng)性強，不用配備記錄儀，施測儀器簡單。定點持續(xù)測量，測點一般布置在鉆孔孔壁比較完整的隔水層段內(nèi)，并盡量使其條件與儀器標(biāo)定條件相同，以利提高資料解釋精度。定點持續(xù)測量可以保證重點孔段資料的完整性和精度，了解流量的變化過程。

流量測井儀所采用的傳感器有葉輪式、熱敏電阻式及其它形式，而以葉輪式居多。葉輪式傳感器流量測井儀直接測得轉(zhuǎn)速值，然后利用不同孔徑中轉(zhuǎn)速(或幅值) 與流量的標(biāo)定曲線，將其轉(zhuǎn)換成流量值。

近年來多用于在礦井防治水時探查石灰?guī)r地區(qū)的喀斯特和構(gòu)造破碎帶分布特征。其原理是，把發(fā)射機(jī)與接收機(jī)分別置于有限距離的相鄰兩鉆孔中，研究孔間巖石對電磁波的吸收性質(zhì)。由于石灰?guī)r為高電阻，因而根據(jù)鉆孔測量場強曲線的低值異常，就可以確定充填有水和泥砂的溶洞等低電阻體的位置。儀器工作頻率的高低，直接影響透視距離和識別異常的分辨力。頻率增大，分辨力增高，但透視距離減小，反之，透視距離加大，而分辨力減低。因此，要根據(jù)工作區(qū)具體條件，合理確定工作頻率。無線電波透視法主要采用同步法和定點法兩種觀測形式。同步法是指接收機(jī)和發(fā)射機(jī)分別在兩個鉆孔同時移動;定點法是把發(fā)射(或接收)機(jī)固定在孔中某一點，使接收(或發(fā)射)機(jī)在另一鉆孔中移動并測量電磁波場強。一般，先進(jìn)行同步測量，較快地發(fā)現(xiàn)異常，再在異常中心進(jìn)行定點測量，了解異常的形態(tài)特征。

水文物探方法象一般物探方法一樣，是一種探索性較強的勘探手段，具較強的條件性和多解性，在實際應(yīng)用時的特點是，①水文地質(zhì)勘探對象與圍巖之間要存在一定的物性差異，差異愈大，物探異常反映愈明顯，解釋可靠性愈大，這表明應(yīng)根據(jù)具體礦區(qū)的實際條件，選用合適的水文物探方法;②相對于埋深，勘探對象要具有一定規(guī)模，物探儀器才能檢測出地球物理場的變化，并把有用異常從各種干擾中識別出來;③由于儀器、地下水和含水層地球物理條件、解釋方法等多方面的限制，應(yīng)注意采用綜合物探手段取得多種參數(shù)，助長補短，互相驗證;④要從已知到未知，逐步改進(jìn)施工、資料處理與解釋方法。

簡稱物探，它是通過研究和觀測各種地球物理場的變化來探測地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造等地質(zhì)條件的。常用的地球物探方法有直流電勘探、交流電勘探、重力勘探、磁法勘探、地震勘探、聲波勘探、放射性勘探。

勘探地球物理學(xué)是運用地球物理理論和方法研究地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)，進(jìn)行區(qū)域地質(zhì)調(diào)查，金屬與非金屬礦產(chǎn)、油氣資源勘查，水文地質(zhì)與工程地質(zhì)調(diào)查等方面工作。

engineering geophysical exploration

應(yīng)用地球物理學(xué)的原理進(jìn)行工程地質(zhì)、水文地質(zhì)調(diào)查的勘探和測試方法。它是地球物理勘探的一個分支，簡稱工程物探。由于各種巖石或地質(zhì)體在密度、磁性、導(dǎo)電性、彈性、放射性等物理性質(zhì)上存在著差異，人們用不同方法和不同儀器，測量其天然或人工的地球物理場，并分析研究由于這些物理性質(zhì)差異而引起物理場的變異，再經(jīng)推斷解釋，以了解地下地質(zhì)情況；或利用儀器直接測定巖體的物理特性，提供工程設(shè)計需要的參數(shù)。水利工程地質(zhì)勘察中廣泛而正確地運用工程物探，可加快勘測速度，降低成本，還可得到巖體原位的物性參數(shù)，對工程地質(zhì)條件的定量評價起到促進(jìn)作用。中國水利工程地質(zhì)勘察中應(yīng)用工程物探始于20世紀(jì)50年代初。常用的方法主要有地震勘探、電法勘探、彈性波測試和測井，此外還有放射性勘探、微重力勘探、磁法勘探等。

地震勘探 　由人工激發(fā)的地震波，在往地下傳播時碰到密度、彈性不同的兩種介質(zhì)的分界面就要發(fā)生波的反射、透射和折射。其中反射波直接返回地面，透射波即透過界面進(jìn)入下部地層。唯有入射角θ1（射向界面時與界面法線的夾角）等于臨界角i（其值由上、下地層的地震波傳播速度υ1與υ2之比決定）的那部分地震波，在抵達(dá)分界面后將沿入射角平面產(chǎn)生折射，以界面速度（即下部地層的波速υ2）在界面上向前滑行，并在所到之處隨即形成一種新波，此新波以與界面法線呈臨界角i射向地面，稱其為折射波。反射波和折射波返回地面被預(yù)置的檢波器接收，并由地震勘探儀記錄從震源出發(fā)到達(dá)檢波點的傳播時間和振動特性。震源周圍有接收不到折射波的區(qū)域稱為盲區(qū)，傳播時間是由這些波的行程和沿途介質(zhì)的地震波速度決定的。在震源與檢波點間的距離選定后，波的行程就取決于界面深度，故可借此進(jìn)行地質(zhì)勘探。利用反射波的稱為反射波法，利用折射波的稱為折射波法。

由于工程勘察的勘探深度較淺，折射波法比反射波法干擾少，容易識別，且能測定界面速度，從而了解下層的巖性和探查斷層等，因此應(yīng)用比較普遍。但折射波法要求震源強度大，又有盲區(qū)和下層波速必須高于上層的限制。為了避免這些缺點，近年來工程勘察部門對淺層反射波法也在加強研究和實驗。地震勘探在水利工程勘察中主要用來測定地質(zhì)界面的深度和形態(tài)，如覆蓋層、風(fēng)化層、滑坡體的厚度和地下水位，以及探查斷層、破碎帶等（見彩圖）。反射波法還可探查巖溶洞穴。

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電法勘探 　方法種類繁多，水利工程勘察中常用的有下列各種。

①電阻率法是利用地質(zhì)體導(dǎo)電性的差異，建立人工電場并進(jìn)行觀測，求得某個測點下面不同深度或剖面上不同測點的視電阻率后，再進(jìn)行推斷和地質(zhì)解釋。前者稱為電測深法，后者稱為電剖面法。電測深法用以探測比較平緩的巖層和成層地質(zhì)體的垂向分布，如測定覆蓋層、風(fēng)化層厚度等。電剖面法則可探查水平向地質(zhì)情況的變化，如尋找斷層破碎帶、進(jìn)行地質(zhì)填圖等。

②充電法是對良導(dǎo)電體充電，在地面觀測電場的形態(tài)，用來測定地下水的流向流速及追索巖溶暗河等。

③自然電場法是測量地層過濾吸附作用造成的滲透電場，用來進(jìn)行地下水流向測定等水文地質(zhì)調(diào)查工作，還可用于探查水庫的滲漏地段和巖溶。

④激發(fā)極化法是利用離子導(dǎo)體的激發(fā)極化效應(yīng)，測定巖體的視極化率等參數(shù)，可進(jìn)行巖溶調(diào)查、尋找斷層破碎帶、測定含水層位置等有關(guān)地下水資源和水庫滲漏方面的探查工作。

⑤甚低頻法、無線電波透視法和地質(zhì)雷達(dá)法是利用地質(zhì)體對電磁波的傳播、吸收、反射特性，分別用以查找淺部的、兩個鉆孔（或探洞）之間和地下洞室周圍存在的巖溶、斷層破碎帶等。

彈性波測試 　在巖體或土層中激發(fā)彈性波（地震波或聲波），用儀器測定巖土體傳播這些彈性波（包括縱波與橫波） 的速度以及傳播過程中能量的衰減等特征，從而求得巖土體的動態(tài)彈性系數(shù)，評價巖土體的力學(xué)特性。此法與地震勘探不同，它多數(shù)是利用直達(dá)波。彈性波測試可為巖體的工程地質(zhì)分類提供依據(jù)，測定地下洞室圍巖的松弛范圍，進(jìn)行灌漿效果的檢查，壩基建基面和樁基質(zhì)量的無損檢測，還可為工程建筑物的抗震設(shè)計和砂層液化研究提供參數(shù)?！y井 　各種地球物理探測技術(shù)在鉆孔中的應(yīng)用。工程物探采用的測井方法主要有：①電測井，包括電阻率與自然電位測井；②聲測井，包括聲速和聲幅測井；③放射性測井，包括自然伽瑪、伽瑪-伽瑪、中子-伽瑪測井和放射性同位素示蹤等；④溫度測井；⑤超聲成象測井；⑥電磁波測井。此外，還有利用工業(yè)電視設(shè)備對孔壁直接觀察的鉆孔電視以及對鉆孔直徑和井斜的測量等。測井方法的綜合運用，可以詳細(xì)劃分鉆孔地質(zhì)剖面，探測軟弱夾層，確定斷層及裂隙、破碎帶的位置與產(chǎn)狀，測定地層的電阻率、彈性波速度、孔隙度、密度、含泥量、含水量，確定含水層的位置，測定地下水的礦化度和流速、流向等。

此外，水利工程勘察中應(yīng)用還不很普遍的幾種物探方法有：放射性勘探是在地面測量放射線強度以探查斷層或進(jìn)行環(huán)境放射性污染的檢測；微重力勘探是利用微重力儀測量重力場異常以探測巖溶洞穴等地質(zhì)現(xiàn)象；磁法勘探是測量地磁場異常以探查含磁性礦物的地質(zhì)體。

各種物探方法均有各自的特長，也都有其方法原理所決定的局限性，且在很多情況下單一方法的資料有多解性，為了取得比較理想的勘測效果，必須針對具體的工作任務(wù)，因地制宜，選擇幾種有效的方法進(jìn)行綜合物探。