不同地球物理方法在地下水探測中的研究比較

  我國是一個(gè)干旱缺水嚴重的國家。淡水資源總量為28000億立方米，占全球水資源的6％，僅次于巴西、俄羅斯和加拿大，居世界第四位，但人均只有2200立方米，僅為世界平均水平的1／4?？鄢y以利用的洪水涇流和散布在偏遠地區的地下水資源后，中國現實(shí)可利用的淡水資源量則更少，僅為11000億立方米左右，人均可利用水資源量約為900立方米，并且其分布極不均衡。到20世紀末，全國600多座城市中，已有400多個(gè)城市存在供水不足問(wèn)題，其中比較嚴重的缺水城市達110個(gè)，全國城市缺水總量為60億立方米。

 

  自從上世紀90年代以來(lái)，我國各地大力發(fā)展工業(yè)，對水資源的無(wú)節制的獲取和工業(yè)廢水污染進(jìn)一步加劇了水資源短缺的矛盾。 如今，地下水已經(jīng)成為我國諸多城市和農村的最主要的供水水源?？梢?jiàn)，對地下水進(jìn)行適量的開(kāi)采，可以在一定程度上緩解水資源短缺的矛盾。

 

  2目前常用的幾種地下水地球物理勘探方法

 

  就探測地下水而言，可被利用的地球物理方法多種多樣，但是，方法的選擇應綜合考慮探測成本及其場(chǎng)地條件，所以每種方法都有它的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，下面，我們先從原理上就不同方法進(jìn)行簡(jiǎn)要的闡述。

 

  2.1電阻率法

 

  電阻率法分為兩種：傳統的電阻率法和高密度電阻率法。其中電阻率法在探測水資源方面主要應用電剖面法和電測深法。電剖面法主要通過(guò)了解沿剖面方向地下某一深度范圍內不同電性參數來(lái)探測一定深度的地下水資源水平變化的情況，而電測深法則是通過(guò)探測電性不同的巖層沿垂線(xiàn)分布情況的電阻率變化來(lái)確定地下水的分布情況。在通常情況下，點(diǎn)剖面法和電測深法同時(shí)使用可以確定地下水的分布。

 

  而高密度電阻率法是一種在方法和技術(shù)上有很大改進(jìn)的電阻率法，因為它的原理和電阻率法完全相同，仍然以巖礦石的導電性差異為基礎的一類(lèi)電探方法。但它采用了多電極高密度一次布極，并實(shí)現了跑極和數據采集的自動(dòng)化，因此相對電阻率法而言它具有了許多的優(yōu)點(diǎn)：①因為采用電極一次性布極，無(wú)需跑極，這樣就大大降低了由于電極移動(dòng)造成的干擾和誤差，為野外數據的自動(dòng)測量提供了保障；②野外采集數據實(shí)現了半自動(dòng)化，提高了野外工作的效率；③可在一條觀(guān)測剖面上通過(guò)電極變換和數據轉換來(lái)獲得多種裝置的斷面等值線(xiàn)圖，獲得更豐富的地質(zhì)信息；④可對資料進(jìn)行現場(chǎng)預處理和成圖解譯，大致了解地下巖層構造特征；⑤與傳統電阻率法相比，高密度電阻率法成本低，效率高。

 

  目前，國內常用的直流電法儀有DDC—2B型電子自動(dòng)補償儀，ZWD—2型直流數字電測儀，JD—2型自控點(diǎn)位儀，C—2型微測深儀，LZSD—C型自動(dòng)直流數字電測儀，MIR—IB型多功能直流電測儀等。常用的高密度電法儀有德國DMT公司出的RESECS高密度電法儀，日本OYO公司生產(chǎn)的McOHMProfiler-4高密度電法儀以及國內驕鵬公司生產(chǎn)的E60CN型高密度電法儀、E60D型高密度電法儀E60M型高密度電法儀等。

 

  2.2激發(fā)極化法

 

  激發(fā)極化法又稱(chēng)激電法，是以地下巖、礦石在人工電場(chǎng)作用下發(fā)生的物理和電化學(xué)反應的差異為基礎的一種電法勘探方法。此種方法先通過(guò)兩個(gè)供電電極向地下供電，使兩測量電極之間的電位差逐漸增大，直到飽和，然后斷開(kāi)供電電流，測量電極之間的電位差逐漸衰減至零。這樣附加電場(chǎng)會(huì )隨著(zhù)充電放電而逐漸變化，這種現象稱(chēng)之為激發(fā)極化現象（又稱(chēng)激電效應），激發(fā)極化法就是以不同巖、礦石激電效應的差異為基礎，通過(guò)觀(guān)測研究大地激電效應，檢測地下地質(zhì)情況的一種方法。 激發(fā)極化法與其他電法勘探方法相比有一些顯著(zhù)的優(yōu)點(diǎn)：①利用它不僅可以發(fā)現致密狀金屬礦體，還能尋找其他電法難以發(fā)現的侵染狀礦體；②根據異常的明顯程度，可以區分異常是電子導體還是離子導體引起的；③激發(fā)極化法受地形影響也比其他電法小，當起伏地形下有礦體存在時(shí)，僅使異常強度和形態(tài)發(fā)生改變，但異常不會(huì )消失；④對巖溶裂隙水的水位埋深和相對富水帶反映比較直觀(guān)，比較適合在山區找水。在水文地質(zhì)調查中，通常將激發(fā)極化法和電測深法結合起來(lái)運用，即所謂激電測深法。 目前，常用的激發(fā)極化儀器有CTE—2型智能激發(fā)極化儀，SY/T6532-2002激發(fā)極化儀，此外還有地礦部機械電子研究所生產(chǎn)的MIR-1B多功能直流電測儀、重慶奔騰數控技術(shù)研究所研制的WDJD-1多功能數字直流電測儀、山東聊城創(chuàng )通電子信息技術(shù)有限公司生產(chǎn)的CTE-2型智能激發(fā)極化儀及山西平遙水利電探儀器廠(chǎng)生產(chǎn)的JJ-2B型積分式激發(fā)電位儀等。

 

  2.3瞬變電磁法

 

  瞬變電磁法也稱(chēng)時(shí)間域電磁法(Timedomainelectromagneticmethods)，簡(jiǎn)稱(chēng)TEM，它是利用不接地回線(xiàn)或接地線(xiàn)源向地下發(fā)射一次脈沖磁場(chǎng)，在一次脈沖磁場(chǎng)間歇期間，利用線(xiàn)圈或接地電極觀(guān)測二次渦流場(chǎng)的方法。簡(jiǎn)單地說(shuō)，瞬變電磁法的基本原理就是電磁感應定律。衰減過(guò)程一般分為早、中和晚期。早期的電磁場(chǎng)相當于頻率域中的高頻成分，衰減快，趨膚深度??；而晚期成分則相當于頻率域中的低頻成分，衰減慢，趨膚深度大。通過(guò)測量斷電后各個(gè)時(shí)間段的二次場(chǎng)隨時(shí)間變化規律，可得到不同深度的地電特征，從而解決各種地質(zhì)問(wèn)題。 瞬變電磁法探測具有如下優(yōu)點(diǎn)：①由于施工效率高，純二次場(chǎng)觀(guān)測以及對低阻體敏感，使得它在當前的煤田水文地質(zhì)勘探中成為首選方法；②瞬變電磁法在高阻圍巖中尋找低阻地質(zhì)體是最靈敏的方法，且無(wú)地形影響，穿透能力強；③采用同點(diǎn)組合觀(guān)測，與探測目標有最佳耦合，異常響應強，形態(tài)簡(jiǎn)單，分辨能力強；④剖面測量和測深工作同時(shí)完成，提供更多有用信息。

 

  目前，瞬變電磁法常用的儀器有武漢地大華睿地學(xué)技術(shù)有限公司生產(chǎn)的CUGTEM礦用型瞬變電磁儀、CUGTEM-8智能深部勘查型瞬變電磁儀，加拿大Geonics公司生產(chǎn)的PROTEM瞬變電磁儀。由于目前使用廣泛的是加拿大Geonics公司生產(chǎn)的PROTEM瞬變電磁儀，我們對此系列的瞬間電磁儀做進(jìn)一步介紹，PROTEM47的最大探測深度為150m，PROTEM57的最大探測深度為500m，PROTEM67的最大探測深度為1000m—2000m，加強型PROTEM67最大探測深度為2000m，BH43-3鉆進(jìn)內三維瞬變電磁儀可在2000m鉆孔內工作，探測半徑120m。

 

  2.4可控源音頻大地電磁法

 

  可控源音頻大地電磁法（CSAMT）是在大地電磁法（MT）和音頻大地電磁法（AMT）的基礎上發(fā)展起來(lái)的一種人工源音頻測深方法。我們知道，大地電磁場(chǎng)的場(chǎng)源主要與太陽(yáng)輻射有關(guān)的大氣高空電離層中帶電離子的運動(dòng)情況有關(guān)，其頻率范圍從（2410~10??××nn）Hz。由于頻率很低，MT法德探測深度很大，達數十米乃至一百多千米，是研究深部構造的經(jīng)濟和有效手段，不過(guò)對淺層的分辨率較低。為了更好的研究人類(lèi)當前采礦范圍內的的地電構造，在MT的基礎上，人們研究出音頻大地電磁法（AMT）。其與MT的不同之處是主要采用雷電作用產(chǎn)生的音頻（HznHzn3110~10××?）大地電磁場(chǎng)，這樣工作效率得到了很大的提高，不過(guò)，由于天然大地電磁場(chǎng)的強度較弱，人文干擾較大，信噪比很低，使得AMT法德野外觀(guān)測十分困難。為了克服AMT法的上述困難，人們提出觀(guān)測人工供電產(chǎn)生的音頻電磁場(chǎng)。由于所觀(guān)測電磁場(chǎng)的音頻、場(chǎng)強和方向可由人工控制，而其觀(guān)測方式又與AMT法相同，故稱(chēng)這種方法為可控源音頻大地電磁法（CSAMT）。由于CSAMT探測深度適中，故它在地質(zhì)勘探的各個(gè)領(lǐng)域皆有廣闊的應用前景，在水文地質(zhì)方面也取得了良好的效果。

 

  CSAMT法具有以下一些優(yōu)點(diǎn)：①信號強度比天然磁場(chǎng)大得多，因此可以在干擾比較強的城市開(kāi)展工作；②測量參數為電場(chǎng)與磁場(chǎng)之比，得出的是卡尼亞電阻率，由于是比值測量，因此可以減少外來(lái)的隨機干擾，并減少地形的影響；③基于電磁波的趨膚深度深度原理，利用改變頻率進(jìn)行不同深度的電測深，一次發(fā)射，可以同時(shí)完成七個(gè)點(diǎn)的電磁測深，大大提高了工作效率，減輕了勞動(dòng)強度；④勘探深度范圍大，一般可達1—2KM；⑤橫向分辨率高，可以靈敏的發(fā)現新地層；⑥由于接收機在接收電場(chǎng)的同時(shí)還要接收磁場(chǎng)，因此高阻屏蔽作用下，可穿透高阻層?？偟膩?lái)說(shuō)，CSAMT法的探測深度大，工作效率高。

 

  目前，可控源音頻大地電磁法常用的儀器有美國Zonge公司生產(chǎn)的GDP-32及GDP-32Ⅱ多功能電法儀，德國Metronix公司生產(chǎn)的GMS-07e綜合電磁法儀等。

 

  2.5地震勘探法

 

  地震勘探是應用彈性波原理研究地質(zhì)構造,地層層序和巖性的地球物理方法。地震技術(shù)對地表以下有彈性差異的成層性好的地質(zhì)體可以達到高精確度，高分辯力的勘探效果。地震技術(shù)在解決宏觀(guān)地層結構方面具有其它物探方法無(wú)法比擬的優(yōu)勢。在地下水勘查中，為水文地質(zhì)提供地質(zhì)構造，地層劃分和巖性對比方面的資料。在地震數據處理中，通過(guò)速度反演，以及儲層結構的研究，可以預測飽和含水砂巖地層的孔隙度；分析基巖裂隙的富水性。運用恢復反射波真振幅，壓縮振動(dòng)延續時(shí)間，擴展反射波頻帶寬度以及亮點(diǎn)技術(shù)等軟件處理程序，為劃分地層和含水層，查明其空間形態(tài)提供了數據處理的技術(shù)支持。 目前，國內常用的地震儀有重慶地質(zhì)儀器廠(chǎng)生產(chǎn)的DZQ48/24/12型淺層地震儀，日本OYO公司生產(chǎn)的McSEIS-SX48型淺層地震儀等。

 

  2.6熱紅外遙感方法

 

  最初，地學(xué)家們主要是利用航空相片的目視判讀方法，通過(guò)地形和指示性植被判斷地下水的存在，并確定地下水溢出區（泉水和滲漏帶）的位置等。如今，隨著(zhù)熱紅外遙感技術(shù)的發(fā)展，專(zhuān)家們主要將熱紅外遙感技術(shù)應用于地下地熱勘探評價(jià)，將熱紅外遙感技術(shù)應用于地下水資源勘探評價(jià)也作了一些嘗試性的工作，如傅碧宏等利用LandsatTM6熱紅外遙感數據，定量研究了干旱區典型地表覆蓋類(lèi)型的地表溫度與地下水富集帶的關(guān)系?，F在熱紅外遙感技術(shù)應用于地下水探測方面還屬于初步探索階段，并且大部分工作還是驗證性的，而且由于遙感技術(shù)穿透能力的局限性，主要還是應用于沙漠干旱地區的淺層找水。但是，遙感技術(shù)由他特有的優(yōu)點(diǎn)，即：高效、省時(shí)、省力，并且勘探范圍大，這些都是地球物理方法所不能相比的。相信隨著(zhù)我們國家科技水平的提高，遙感技術(shù)也會(huì )得到飛速的發(fā)展，為我國干旱沙漠地帶大范圍找水提供有力的技術(shù)支持，再造出一片片綠洲！

 

  2.7地面核磁共振方法

 

  核磁共振技術(shù)（NuclearMagneticResonance，縮寫(xiě)NMR）是當今世界上的尖

 

  端技術(shù)，用該技術(shù)找水是核磁共振技術(shù)應用的新領(lǐng)域，開(kāi)創(chuàng )了應用地球物理方法直接找水的先河。地面核磁共振（SurfaceNuclearMagneticResonance,縮寫(xiě)SNMR）找水方法利用的是水分子中氫核（質(zhì)子）弛豫性質(zhì)差異產(chǎn)生的NMR效應，其根本原因就是不同核子順磁性物質(zhì)對電磁能量的吸收能力不同。所以，應用NMR技術(shù)的必要條件就是所想要研究的物質(zhì)的原子核磁矩不能為零。而水中氫核是自然界物質(zhì)中豐度最高、核磁比最大的核子，其磁矩不為零，這就充分保證了在找水方面應用核磁共振技術(shù)的有效性。地面核磁共振找水方法的形成僅有30多年的歷史，首先應用此技術(shù)找水的是俄羅斯科學(xué)院西伯利亞分院化學(xué)動(dòng)力學(xué)和燃燒研究所，并且成功研制出核磁共振找水儀Hydroscope，隨后，法國在俄羅斯科學(xué)家研究的基礎上研制出新型的核磁感應系統（NuclearMagneticInductionSystem,縮寫(xiě)為NUMIS）,從此，法國成為研制核磁共振找水儀的第二個(gè)國家。中國原地礦部信息研究院崔霖沛高級工程師最先向國內介紹了前蘇聯(lián)的研究成果。

 

  1992年底，中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）以潘玉玲、張昌達教授等為主的NMR技術(shù)找水科研組對新方法進(jìn)行了國內外調研，開(kāi)始研究用NMR找水，并且取得了可喜的研究成果。

 

  1997年底，我國引進(jìn)第一臺SNMR找水儀——NUMIS開(kāi)始進(jìn)行試驗。從此，我國的核磁共振找水技術(shù)開(kāi)始了快速的發(fā)展。 與其他地球物理方法相比，核磁共振找水方法主要有以下優(yōu)點(diǎn)：①能夠直接找水，特別是淡水。在該方法的探測深度范圍內，只要有水就有核磁共振信號顯示，反之則沒(méi)有信號顯示?？梢岳眠@一優(yōu)點(diǎn)來(lái)識別間接找水的電阻率法找水時(shí)遇到的非水低阻異常。如一些巖溶發(fā)育區，特別是西南巖溶石山缺水地區，當巖溶被泥質(zhì)充填或含水時(shí)，電阻率法測量結果均顯示為低阻異常，是泥是水難以區分。核磁共振方法不受泥質(zhì)充填物干擾，是水就有核磁共振信號。此外，淡水的電阻率從往往與其賦存空間介質(zhì)的電阻率去明顯差異。在這種情況下，電阻率找水是未能為力的；②信息量豐富，具有量化的特點(diǎn)。核磁共振方法可將核磁共振信號解釋為某些水文地質(zhì)參數和含水層的地質(zhì)參數，在探測深度范圍內可以給出定量解釋結果，不打鉆就可以確定出含水層的深度、厚度、含水率，并可提供含水層平均孔隙度的信息；③經(jīng)濟、快速。完成一個(gè)核磁共振探測深點(diǎn)的費用僅為一個(gè)水文地質(zhì)勘探鉆孔費用的1/10，并且可以快速的提供井位及劃定找水遠景區。但是，由于核磁共振找水儀的接收靈敏度高，能夠接收納伏級的信號，所以易受電磁干擾噪聲的影響，這是該方法的一大缺點(diǎn)。

 

  目前，該方法所使用的儀器有法國生產(chǎn)的NUMIS和NUMIS+，國內的有武漢地大華睿地學(xué)技術(shù)有限公司生產(chǎn)CUGNMR-A型等。 3地下水勘查中的水文地質(zhì)問(wèn)題 依據地下水在巖石中的賦存空隙的成因和空間形態(tài),可將我國地下水主要分為孔隙水、裂隙水、巖溶水三種類(lèi)型。

 

  3.1孔隙水主要分布于第四系各種不同成因類(lèi)型的松散沉積物中，其主要特 征是水量在空間上分布相對均勻且連續性好。一般呈層狀分布，是我國地下水開(kāi)發(fā)利用的主要對象，目前我國地下水開(kāi)采量的90%以上為孔隙水。

 

  3.2裂隙水主要賦存于堅硬巖石的裂隙中，裂隙的密集程度、開(kāi)啟程度、連 通情況等直接影像這裂隙水的分布、運動(dòng)和富集。其主要特征是空間分布不均勻，其分布形式呈層狀或是脈狀。在裂隙發(fā)育均勻且開(kāi)啟性和連通性較好的巖層中一般呈層狀分布，而在裂隙發(fā)育不均勻、聯(lián)通性較差的巖層中則一般會(huì )成脈狀分布。

 

  3.3巖溶水主要賦存于以碳酸鹽巖為主的可溶性巖石的巖溶空隙中。巖溶空 隙是由規模較大的溶洞、管道以及各種不同寬度的溶隙網(wǎng)、溶孔共同構成的層狀重疊和形態(tài)復雜的空間結構。其巖溶空隙發(fā)育程度越高，含水量越豐富?？梢?jiàn)，對于一些水資源稀缺的山區地區，巖溶水具有舉足輕重的開(kāi)采價(jià)值。

 

  4常用的地下水探測方法優(yōu)選

 

  綜上所述可以看出，對于不同種類(lèi)的地下水的賦存特點(diǎn)，在開(kāi)采時(shí)我們應該結合不同地球物理勘探方法的優(yōu)點(diǎn)及其局限性進(jìn)行綜合選擇。為此，我們給出以上三種參見(jiàn)地下水探測中最有效的勘探方法：

 

  4.1孔隙水勘探技術(shù) 目前，淺層孔隙水的勘探技術(shù)已經(jīng)較為成熟，在一般平原地區，可采用電測深法通過(guò)測定視電阻率參數來(lái)判斷含水層的結構。但是在較干旱的沙漠地區，電阻率法的工作難度大，通常采用瞬變電磁法。而在淺層高度礦化地區，電阻率偏低，使得供電電流過(guò)大，這時(shí)可以采用大地電磁法進(jìn)行測深。當所測區域的地形條件復雜不利于工作開(kāi)展時(shí)，我們可以采用核磁共振方法來(lái)確定含水層的深度及其含水量。 如今，隨著(zhù)地下水勘探由淺層（小于300m）轉向深層，尤其是在我國西北干旱地區，地下水埋藏較深，深層地下水勘探工作將是主要的勘探對象。由于電測深法受高阻屏蔽作用分辨率降低，信號減弱。在這種情況下，以大地電磁法和高分辨率地震勘探為主的綜合物探技術(shù)成為解決上述問(wèn)題的最好方法。大地電磁法主要用于地層結構的劃分、地下水礦化度的評價(jià)等，而高分辨率地震勘探技術(shù)則用于判斷巖性結構。特別是近年來(lái)新興發(fā)展的三維地震勘探技術(shù)，大大提升了測深精度和分辨能力。

 

  4.2基巖裂隙水勘探技術(shù) 基巖地下水多以脈狀分布，空間分布極不均勻，嚴格受地質(zhì)構造的控制，而且裂隙水大多都分布于山區，地形條件較為復雜，一般的物探方法找水收到很大局限性。因此，開(kāi)發(fā)利用基巖裂隙水的關(guān)鍵就是解決地形影響以及如何準確探明基巖構造的分布對裂隙水的控制作用。為解決上述問(wèn)題，可以采用遙感和物探相結合的方法來(lái)進(jìn)行勘探。首先，可以通過(guò)對大比例尺行片、衛片數據的解釋來(lái)判斷勘探區的巖性構造；然后利用音頻大地電場(chǎng)法快速定性確定基巖構造的水平分布位置以及開(kāi)展受地形影響較小的瞬變電磁法為主的綜合物探定量確定基巖的構造空間分布；最后通過(guò)核磁共振技術(shù)確定含水層段及其富水性。當含水層較深時(shí)，可采用地震勘探技術(shù)對巖性結構進(jìn)行全面細致的分析，再與探測深度大且對低阻目標反應靈敏的瞬變電磁法相結合，即可對有效的探測深度低阻率裂隙水。

 

  4.3巖溶水勘探技術(shù) 巖溶地區地下水的主要特征為：降水量豐富，但地表落水洞、地下洞穴和管道發(fā)育，使得雨水和地表水極易流失到地下，形成“地下水滾滾流，地表水貴如油”及“一場(chǎng)大雨到處淹，十天無(wú)雨遍地旱”的狀況。巖溶地下洞穴、管道等蓄水空間分布極不均勻，巖溶地下水開(kāi)發(fā)利用難度很大。地球物理勘查技術(shù)難點(diǎn)在于：如何區分多層重疊的巖溶管道垂向位置；如何判斷巖溶管道充填物性質(zhì)(泥或水)和查明地下暗河巖溶塌陷區的空間位置；如何了解巖溶發(fā)育位置、規模和形態(tài)特征；如何查明表層巖溶帶的厚度、裂隙發(fā)育特征及其富水性等地質(zhì)問(wèn)題。對于多層重疊的巖溶管道垂向位置的探測，目前尚未有有效的技術(shù)方法。對于巖溶管道充填物質(zhì)的判別，在埋深小于150m的情況下，核磁共振技術(shù)是有效的唯一一種方法，當巖溶深度大于150m時(shí)，可利用瞬變電磁法和淺層地震勘探技術(shù)。對于巖溶溶洞，采用聯(lián)合剖面法、音頻大地電場(chǎng)法來(lái)確定溶洞的位置。對于構造裂隙巖溶水，物探找水的主要目的是查明構造裂隙帶的分布特征及其富水性。最經(jīng)濟有效的方法組合是采用音頻大地電場(chǎng)法和激電測深法。音頻大地電場(chǎng)法可快速確定構造帶的平面位置，而激電測深法的視電阻率、極化率和半衰時(shí)等綜合參數可以了解斷層之破碎、裂隙發(fā)育富水段。

 

  5結束語(yǔ)

 

  通過(guò)研究地下水的類(lèi)型、分布以及應用于地下水探測的各種地球物理探測方法，給出了針對不同的地下水環(huán)境的綜合物探方法。應用物探方法尋找地下水是行之有效的，充分發(fā)揮各種物探手段本身的優(yōu)勢，合理搭配，可以獲得探測深度大，測量精度高的測量資料，產(chǎn)生較好的效果，相信隨著(zhù)物探技術(shù)及其它方法的不斷發(fā)展，物探找水一定會(huì )有更加廣闊的發(fā)展前景。