如何利用地面物探方法尋找地下水

  地面物探方法，已被證明是探測地下巖性、劃分地層和確定構造的有效手段之一，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，絕大多數物探方法并不是直接地測定出地下水的物性顯示，而是通過(guò)測定出巖石或裂隙、空洞的物性顯示，去判斷是否有含水層和富水帶的存在。當然，巖石本身的物性顯示在一般情況下又比水強烈得多，因此，準確地說(shuō)，多數的物探方法均是間接的找水方法。

 

  地面物探方法的種類(lèi)很多。在水文地質(zhì)調查中，運用較多的是那些所測得的物性特征在各類(lèi)巖石中（包括有水的和貧水的地段）差別較顯著(zhù)、顯示比較穩定、強烈，且受自然環(huán)境和人為因素干擾較小的物探方法。這類(lèi)方法，首推各種電阻率法，磁法、放射性探測法、和聲波探測法也常用到，而地震和重力等方法相對使用較少。

 

  在水文地質(zhì)調查中主要使用的物探方法（傳統方法）有：（1）電法勘探；（2）電法測井等。在工程地質(zhì)調查中主要使用的物探方法（傳統方法）有：（1）電法勘探；（2）地震勘探；（3）聲波探測等。

 

  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(zhù)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，已有物探或專(zhuān)水教材中又未深入介紹的各種物探方法。

 

  （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(guò)巖石孔隙、裂隙時(shí)的滲透作用及地下水中離子的擴散、吸附作用有關(guān)。因此，可根據在地面測量到的電場(chǎng)變化情況，查明地下水的埋藏、分布和運動(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、河床及堤壩的滲漏通道，以及測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(guò)濾電場(chǎng)的強度。一般只有在地下水埋藏較淺、水力坡度較大和所形成的過(guò)濾電位強度較大時(shí)，才能在地面測量到較明顯的自然電位異常。

 

  （2）激發(fā)極化法。這種方法是根據供電極斷電后，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(lái)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）等參數表示。判斷地下水存在效果較好的測量參數，通常是τ和D。τ是指二次場(chǎng)電位差（ΔUz）衰減到某一規定數值時(shí)（通常規定為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)）衰減快慢的一種測量參數（用百分數表示）。由于巖石中的含水或富水地段水分子的極化能力較強，又因二次場(chǎng)一般衰減慢，故D和τ值相對較大。

 

  激發(fā)極化法和電阻率法一樣，分為剖面法、測深法和測井法。其中，激發(fā)極化測深法用得最多，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)游散電流較強的地區。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。

 

  （3）交變電磁場(chǎng)法。這種方法是以巖石、礦石（包括水）的導電性、導磁性及介電性的差異為基礎，通過(guò)對以上物理場(chǎng)空間和時(shí)間分布特征的研究，達到查明隱伏地質(zhì)體和地下水的目的。

 

  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(cháng)波通訊電臺發(fā)射的電磁波為場(chǎng)源）、頻率測深法（以改變電磁場(chǎng)頻率來(lái)測得不同深度的巖性）、地質(zhì)雷達法（利用高頻電磁波束在地下電性界面上的反射來(lái)達到探測地質(zhì)對象的目的）等。其中，甚低頻法對確定低阻體（如斷裂帶、巖溶發(fā)育帶和含水裂隙帶）比較有效；而地質(zhì)雷達則具較高的分辨率（可達數厘米），可測出地下目的物的形狀、大小及其空間位置。

 

  近年來(lái)，原蘇聯(lián)科學(xué)家又設計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。當在垂直地磁場(chǎng)方向施加一定強度和頻率的人工磁場(chǎng)時(shí)，水分子就會(huì )產(chǎn)生核磁共振現象。其磁振動(dòng)頻率將會(huì )在地面鋪設的金屬線(xiàn)圈中產(chǎn)生一定的電感應訊號。測定出這種訊號的強度，就可確定出地下水的埋深和富集程度。

 

  （4）放射性探測法（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(xiàn)，而這些射線(xiàn)的強度可利用核輻射探測儀器加以測定。尚須指出，用放射性方法所測量到的射線(xiàn)，主要是氡及其子體產(chǎn)生的，而鈾、鐳等元素放出的射線(xiàn)是次要的，故氡及其子體是放射性探測法首先重視的對象。

 

  放射性探測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(lèi)型巖石，由于其放射性元素含量不同，其放射性強度常有差異；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(guò)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。

 

  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，并非直接測定地下水的放射性，而是通過(guò)測定巖石的放射性差異去判斷有無(wú)含水的巖層，有無(wú)可供地下水賦存的斷裂、裂隙（通道）構造。放射性探測的方法很多，但都是基于測量氡及其子體的射線(xiàn)強度；放射性探測的儀器種類(lèi)也很多，但從原理上說(shuō)主要分為γ、α兩種輻射儀（這是因為γ射線(xiàn)穿透力較強，α粒子電離本領(lǐng)較強）?，F將目前使用較多的方法簡(jiǎn)介如下。

 

  ①γ測量法。所測量的是鈾、釷、鉀等放射性元素及其子體輻射出的γ射線(xiàn)的總強度。本方法使用的儀器輕便，工作效率高，對查明巖層分界線(xiàn)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放射性能譜測量法。是在γ測量法的基礎上新推出的方法。在同一測量剖面線(xiàn)上，四條輻射強度曲線(xiàn)的相互配合，可大大提高地質(zhì)解釋的精度。

 

  ③射氣測量法。該方法是用射氣儀（測氡儀）測量土壤中放射性氣體（主要是氡氣）的濃度，以發(fā)現浮土下的放射性異常帶。

 

  測氡法對于尋找脈狀基巖含水帶有很好的效果。但其測量結果，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。

 

  ④α徑跡測量法和α卡法。這兩種方法均是測量土壤蓋層中α射線(xiàn)的方法。α徑跡法是將特制的薄膜（或膠片）放在固體絕緣容器中（一般用陶瓷杯），將容器倒置埋設于地面下0.3—0.6m深度內，經(jīng)過(guò)10一20d后，取出特制薄膜（或膠片），在顯微鏡下統計出薄膜上被α射線(xiàn)轟擊后留下的潛跡（孔），從而確定出α射線(xiàn)強度；α卡法則是將特制的α卡片埋置于地下，使之聚積氡的衰變子體，而后使用α輻射儀測量出α射線(xiàn)強度。這兩種方法，由于接收片在地下埋置的時(shí)間較長(cháng)，聚積的放射性元素多，接收到的輻射量大，因而捕捉到的異常突出清晰，測量結果精度較高，且在浮土厚度較大時(shí)（數十米）亦不受影響。兩種方法的主要缺點(diǎn)是工期較長(cháng)。

 

  ⑤210Po法。它和α卡法一樣，也是一種長(cháng)期積累的測氡方法。但它是通過(guò)采集土樣，經(jīng)化學(xué)處理后，再用α輻射儀測量210Po放出的α射線(xiàn)強度。由于210Po是一個(gè)長(cháng)壽命、強輻射的天然同位素，故其探測深度亦較大，且不適用于土層已經(jīng)再搬運過(guò)的地區。