西部地區地下水勘查綜合物探技術(shù)方法展望

  １．引言

 

  西北、西南地區水資源短缺已嚴重制約了區域經(jīng)濟發(fā)展。如何依靠科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，選擇有效的地球物理勘探綜合技術(shù)尋找地下水，是目前水資源開(kāi)發(fā)中的一個(gè)重要問(wèn)題。沙漠地區埋藏于淺層咸水下的深層淡水的尋找以及黃土地區深部孔隙、裂隙、巖溶水的勘查，是西北地區地下水資源勘察工作面臨的主要問(wèn)題。南方巖溶發(fā)育區和紅層分布區尋找含水巖溶及孔隙、裂隙水的物探工作也存在許多急需解決的問(wèn)題。因此，如何針對西部水資源特點(diǎn)，合理地選擇地球物理勘探綜合技術(shù)方法尋找地下水，提高地下水勘查效率，是西部水資源開(kāi)發(fā)工作的重要環(huán)節。

 

  物探方法是依據含水層、含水巖溶管道以及構造裂隙破碎帶的物理性質(zhì)（如電阻率和地震波速）有別于隔水層或圍巖來(lái)進(jìn)行地下水勘查的一種間接方法。它得到的僅是物性層的空間分布情況，其結果必然有多解性。減少與排除多解性的途徑：一是利用目的層與非目的層物性差異的多種參數開(kāi)展綜合物探工作；二是結合有關(guān)的地質(zhì)、鉆探及測井資料，將物探結果與地下水礦化度、巖性及構造等水文地質(zhì)資料綜合分析，最終作出合理的地質(zhì)解釋。雖經(jīng)幾十年來(lái)國內外廣大地球物理工作者的努力，在地下水勘查的物探技術(shù)方法及儀器裝備方面有了長(cháng)足的進(jìn)步，取得了令人矚目的成績(jì)，但西部地區復雜的水文地質(zhì)條件給地下水探測增加了難度，單一方法很難滿(mǎn)足復雜多變的地質(zhì)條件下勘查地下水的要求。因此，有必要發(fā)展系列探測技術(shù)來(lái)完善和提高地下水勘查水平。

 

  各種物探方法都有其自身的適用性和局限性，因而在解決某類(lèi)地下水勘查問(wèn)題時(shí)，選擇最有效、最經(jīng)濟的技術(shù)方法系列，是關(guān)系到勘查效果及效益的首要問(wèn)題?？紤]到各種物探方法在解決各類(lèi)地下水勘查任務(wù)的適用性和經(jīng)濟性以及深淺層（以深度１００左右米為界限）地下水勘查難易程度，在總結國內外的找水經(jīng)驗以及近兩年來(lái)西部缺水地區地下水勘查示范成果的基礎上，初步擬定了針對不同類(lèi)型地下水及不同賦存條件下的地下水勘查物探技術(shù)方法系列，為西部水資源勘察工作提供技術(shù)指導。

 

  ２．淺層孔隙水勘查的綜合物探技術(shù)方法系列

 

  淺層孔隙水是指賦存于第四系松散層以及第三系、白堊系半膠結地層中的地下水，第四系松散層在西北地區廣泛分布，第三系、白堊系地層主要分布于鄂爾多斯、準噶爾盆地等。物探勘查的主要目的是了解含水層結構及其富水性、地下水位埋深和地下水礦化度。淺層孔隙水勘查技術(shù)國內外均已較成熟，一般情況下采用直流電測深法或激電測深法較為適宜，成本低、方法簡(jiǎn)單而普及，視電阻率參數可確定含水層結構和地下水礦化度，激電參數用于了解富水性。但有的地區常規電阻率法工作難度較大，如沙漠區地表極為干燥，電極接地電阻較大，供電困難；對于淺部高礦化度地區，電阻率偏低，導致供電電流過(guò)大，需大功率供電設備，且測量電壓信號小，影響觀(guān)測精度；部分地區地形條件不利，不易開(kāi)展工作。此時(shí)可選擇電磁測深法，如頻率域電磁測深法（ＥＨ－４電導率成像系統）觀(guān)測系統輸入阻抗較高，易于開(kāi)展工作，效率高；瞬變電磁法可采用磁源激勵回線(xiàn)，不涉及接地問(wèn)題。在西北缺水地區地下水勘查示范項目實(shí)施過(guò)程中，塔里木盆地南緣民豐縣安迪爾牧場(chǎng)地表干燥，地形條件復雜，常規電阻率法工作難度較大，采用ＥＨ－４電導率成像系統較為方便地查清了地下淡水體分布特征，經(jīng)鉆探驗證相吻合。對于水文地質(zhì)條件復雜的地區，在其它物探工作基礎上，選擇重點(diǎn)區采用Ｎｕｍｉｓ核磁共振技術(shù)確定含水層的深度、厚度、給水度及水量等多個(gè)參數，在西北黃土塬區應用效果明顯，但該方法成本高，效率較低。

 

  ３．淺層巖溶、裂隙水勘查的綜合物探技術(shù)方法系列

 

  淺層巖溶水主要指西南巖溶石山地區地下巖溶管道水，亦即地下暗河。巖溶區地表水與地下水轉化頻繁，地下水空間分布極不均勻，縱向上具有雙層或多層結構。物探勘查的主要目的是查明巖溶管道的空間分布特征，但受其規模和埋深條件的限制物探找水難度較大，可選擇的物探技術(shù)手段有探地雷達、ＥＨ－４電導率成像系統、瞬變電磁法以及淺層高分辨率地震。探地雷達在其有效勘探范圍內可探明異常體形態(tài)特征；ＥＨ－４系統能夠反映地下裂隙、巖溶發(fā)育情況，但當地表介質(zhì)分布不均勻時(shí)產(chǎn)生靜態(tài)效應，甚至無(wú)法作出合理解釋?zhuān)凰沧冸姶欧ㄓ^(guān)測純二次場(chǎng)，對探測高阻圍巖中的低阻異常體效果較好；淺震技術(shù)可通過(guò)分析同軸錯動(dòng)和相位值幅度變化情況來(lái)確定異常體空間分布特征。當巖溶管道水埋深大于１００米時(shí)，目前可利用的方法有瞬變電磁法、淺震技術(shù)，但應用程度尚不成熟，有待進(jìn)一步試驗、研究。

 

  淺層裂隙水包括構造裂隙水和碎屑巖層裂隙水。在西部缺水地區地下水勘查示范區，構造裂隙水主要指西南紅層構造裂隙水和西北鄂爾多斯盆緣、其它山區基巖構造裂隙水；碎屑巖層裂隙水主要指西南紅層風(fēng)化帶網(wǎng)狀裂隙水和淺層層間承壓裂隙水。上述兩種類(lèi)型地下水勘查中物探技術(shù)的應用程度較為成熟，國內外均已有成功的經(jīng)驗。  對于構造裂隙水，物探勘查的主要目的是了解構造裂隙帶的空間分布特征及其富水性，在實(shí)際工作中，首先快速、準確地查明構造裂隙帶的平面分布特征，可選擇的方法有直流電

 

  阻率剖面法、電磁剖面法、音頻大地電場(chǎng)法、甚低頻法等（其中直流電阻率剖面法效率較低、受地形條件限制大，但該方法較普及）；在此基礎上，選擇有利地段了解構造帶的地下空間展布情況及其富水性，一般情況下，在地質(zhì)背景清楚、條件簡(jiǎn)單的地區，激電測深法較為簡(jiǎn)單、實(shí)用、有效，視電阻率參數可了解構造帶巖性結構變化，激化參數可確定富水部位；在條件復雜的地區，可利用頻率域電磁測深法（ＥＨ－４系統）了解構造產(chǎn)狀及裂隙發(fā)育情況，進(jìn)而采用核磁共振技術(shù)確定含水層段和富水性。內蒙古邊境阿拉善盟蘇宏圖西北部為環(huán)境惡劣、人煙稀少的玄武巖荒漠戈壁，當地軍民長(cháng)期飲用高氟苦咸水，許多部門(mén)及單位都試圖尋找淡水而沒(méi)有成功，１９９７年中國地質(zhì)調查局水文地質(zhì)工程地質(zhì)技術(shù)方法研究所利用音頻大地電場(chǎng)法、激電測深法、ＥＨ－４電導率成像系統等綜合物探技術(shù)找水方法在該地區找到了可飲用水，鉆探結果井深１０５ｍ，出水量５４２．２ｍ３／ｄ，礦化０．７６ｇ／ｌ，屬優(yōu)質(zhì)飲用水。

 

  淺層碎屑巖層裂隙水勘查目的類(lèi)似于淺層孔隙水，即主要了解含水層結構、富水性以及地下水礦化度變化特征。采用的物探方法主要有直流電阻率測深法、頻率域電磁測深法（如ＥＨ－４電導率成像系統）、瞬變電磁測深法，對于水文地質(zhì)條件復雜的地區，在其它物探工作基礎上，選擇重點(diǎn)區采用Ｎｕｍｉｓ核磁共振技術(shù)確定含水層的深度、厚度、給水度及水量等多個(gè)參數。

 

  ４．深層孔隙水勘查的綜合物探技術(shù)方法系列

 

  深層孔隙水主要指西北地區塔里木盆地、柴達木盆地、天山山麓第四系深層孔隙水和鄂爾多斯、準噶爾盆地第三系白堊系碎屑巖類(lèi)膠結半膠結孔隙水。物探勘查的目的與淺層裂隙水勘查類(lèi)同，但在方法選擇上側重點(diǎn)有所不同。該類(lèi)地下水埋深超過(guò)了１００ｍ ，甚至大于３００ｍ，由于直流電阻率測深法受高阻屏蔽分辨率降低，應用效果較差；同時(shí)，瞬變電磁法在進(jìn)行大深度探測時(shí)，需布設大的激勵線(xiàn)圈，不易開(kāi)展工作；此種情況下，最佳的方法選擇頻率域電磁測深法（如ＥＨ－４電導率成像系統）。隨著(zhù)研究程度的深入，地震勘探技術(shù)將用于劃分地層結構和確定巖性孔隙度，存在的問(wèn)題有待于進(jìn)一步試驗研究。  自１９９６年‘西北找水特別計劃’實(shí)施以來(lái)以及近兩年西北缺水地區地下水勘查示范項目的開(kāi)展，在新疆羅布泊、柴達木盆地、鄂爾多斯等地區，深 層地下水勘查取得了重大突破。１９９７年新疆地礦局和中國地質(zhì)調查局水文地質(zhì)工程地質(zhì)技術(shù)方法研究所深入‘生命禁區’羅布泊，利用ＥＨ－４電導率成像系統和淺層地震等物探找水方法，找到了淡水。井深５００余ｍ，出水量４００余ｍ３／ｄ，礦化度小于２ｇ／ｌ。淡水的發(fā)現將使該地區豐富的鉀鹽開(kāi)發(fā)成為可能。

 

  ５．深層巖溶、裂隙水勘查的綜合物探技術(shù)方法系列

 

  深層巖溶、裂隙水主要指西北鄂爾多斯盆地周邊地區深埋碳酸鹽巖巖溶裂隙水。物探勘查的主要目的是了解灰巖界面埋深及巖溶裂隙發(fā)育程度、位置，由于巖性構造的復雜性，單一的物探手段難以取得理想的效果，在寧夏南部地區深埋巖溶水勘查中，采用的主要物探手段有直流電測深法、ＥＨ－４電導率成像系統、淺層地震以及瞬變電磁法。直流電測深法主要用于普查工作，在此基礎上，選擇重點(diǎn)區開(kāi)展其它方法精測工作。ＥＨ－４電導率成像系統進(jìn)行ＥＭＡＰ連續測量工作，可獲得較高的橫向分辨能力，并能夠反映深部構造信息；地震法可較為準確地確定解深部構造錯動(dòng)及破碎情況； 瞬變電磁法由于具有勘探深度大、對低阻目標反映靈敏等優(yōu)點(diǎn)，在勘探深部低阻裂隙含水帶時(shí)能夠取得好的效果。

 

  １９９６年陜西地礦局和中國地調局水文地質(zhì)工程地質(zhì)技術(shù)方法研究所在陜西省富平縣黃土覆蓋下的隱伏巖溶地區，利用ＥＨ－４電導率成像系統等物探找水技術(shù)方法，找到了深埋巖溶水。井深７７８．３２ｍ ，水位降深１２ｍ，出水量１．３３萬(wàn)ｍ３／ｄ，水溫４１。Ｃ，水質(zhì)達到了飲用天然礦泉水標準。這眼井的成功突破了以往認為海平面以下巖溶水賦存條件不好的傳統觀(guān)念，給深埋巖溶水的勘查開(kāi)發(fā)帶來(lái)了生機。

 

  ６．結語(yǔ)

 

  西部地區地下水類(lèi)型復雜多變，近年來(lái)隨著(zhù)國家重視程度的提高和投資力度的加大，西部缺水地區地下水勘查取得了重大突破，如鄂爾多斯周緣深埋巖溶水勘查、深層碎屑巖類(lèi)孔隙裂隙水勘查以及干旱沙漠區淡水體勘查等。隨著(zhù)勘探范圍的擴大和研究程度的深入，許多問(wèn)題急待解決，如西南巖溶管道水勘查技術(shù)、碎屑巖含水孔隙度的確定、基巖裂隙水礦化度的確定以及山地地球物理勘探技術(shù)等。  對于各種類(lèi)型地下水地球物理勘查技術(shù)系列，方法的選擇應考慮其實(shí)用性、有效性和經(jīng)濟性，各種方法有其自身的特點(diǎn)：直流電阻率法成本低、方法簡(jiǎn)單而普及，但效率較低；頻率域電磁測深法工作便捷、效率高，但易受工業(yè)游散電流干擾，不適宜城鎮附近開(kāi)展工作；在干旱沙漠區地表極度干燥，瞬變電磁法不接地回線(xiàn)裝置看似理想，但觀(guān)測的視電阻率值同其它方法相比有一定的偏差，不利于準確地劃分地下水礦化度；地震技術(shù)在油氣勘探方面較為成熟，應用于地下水勘查領(lǐng)域尚屬起步階段，仍需進(jìn)一步應用研究；核磁共振技術(shù)可直接反映含水層位置、厚度和水量，但探測深度較淺（小于１５０米）。針對各種方法的特點(diǎn)及應用條件，結合實(shí)際水文地質(zhì)條件，才能合理地選擇不同類(lèi)型地下水地球物理勘查技術(shù)系列。