地球物理技術(shù)在地下水資源勘查中的作用

  地球物理勘探技術(shù)作為地球探測的重要手段已在石油、煤炭、礦產(chǎn)、水文、工程、環(huán)境等領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用。地球物理勘探方法按其觀(guān)測方式劃分不下百十余種，形成探測淺數十公分深達數十千米的勘探系列方法，可用于不同用途和目的地球探測；涉及巖石的物理性質(zhì)則涵蓋了物質(zhì)的電性、磁性、彈性、放射性、溫度等特性。應該說(shuō)地球物理勘探技術(shù)的發(fā)展是人類(lèi)認識地球結構需要促進(jìn)的結果，與此同時(shí)地球物理技術(shù)的提高反過(guò)來(lái)促進(jìn)了人們對地球構造、結構更全面科學(xué)的認識。目前地球物理探測已形成了以地震勘探和電磁法勘探為主要方法的勘探技術(shù)體系，特別是近年發(fā)展起來(lái)的多分量三維地震勘探技術(shù)和高靈敏電磁勘探技術(shù)更是將地球探測的技術(shù)推向與一個(gè)新的高度。伴隨著(zhù)勘探技術(shù)的發(fā)展勘探理論也不斷地創(chuàng )新，勘探工作已經(jīng)從簡(jiǎn)單的構造勘探、地層勘探、發(fā)展到現階段的巖性勘探，其為認識地層結構、分析資源儲藏、研究大地構造演變提供了豐富的信息。

 

  面對全球性水資源匱乏地下水資源的合理開(kāi)發(fā)和保護日益重要，但與石油、煤炭等工業(yè)資源的勘探工作相比，地下水資源的勘探的物探理論與技術(shù)均較落后，這一方面是由于地下水資源本身的特點(diǎn)所致，另一方面也與行業(yè)存在不夠重視等因素有關(guān)。概括地講有以下幾個(gè)方面：

 

  （１）地下水資源為非工業(yè)性資源，受傳統觀(guān)念影響在大規模開(kāi)發(fā)利用階段忽略了它的資源屬性和潛在的經(jīng)濟價(jià)值，至今未形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈，使得地下水勘探投入缺乏應有的保障機制，造成行業(yè)發(fā)展后勁不足、技術(shù)裝備落后、技術(shù)人員匱乏，技術(shù)開(kāi)發(fā)與研究停滯不前的狀況。

 

  （２）由于地下水開(kāi)發(fā)面對的是基層用戶(hù)，其勘探技術(shù)追求實(shí)用、簡(jiǎn)便，從而導致忽視理論發(fā)展和技術(shù)的集成和提煉，未形成真正意義上的水文物探學(xué)科。

 

  （３）水文地質(zhì)界存在著(zhù)對地球物理方法的一些片面觀(guān)念，主要表現在：一是對物探工作的認識仍停留在早期水文地質(zhì)工作的理解階段；二是將物探結果絕對化，簡(jiǎn)單地把物探成果與鉆探結果進(jìn)行比較，從而得出物探方法不可信或不可靠的片面結論；三是對物探成果多解性的誤解，物探成果的多解性主要表現在認識上的多解性而非結果的多解，由于對地質(zhì)條件、巖性特征等資料掌握不足而造成認識的多義性本是符合客觀(guān)認識過(guò)程的，但這往往引起對物探成果客觀(guān)性的誤解。

 

  （４）專(zhuān)業(yè)上存在著(zhù)概念的不一致的問(wèn)題，物性層的劃分（速度層、電性層）與年代地質(zhì)層的劃分依據不同，造成了兩種層界面不一定完全吻合的現象。物探數據是從物性角度分析地質(zhì)結構，具有其合理性，是提高勘探認識主要的依據，應客觀(guān)地對待。

 

  （5）學(xué)科間的相互配合橫向交流不夠。從地下水資源勘查角度看物探工作是勘查工作的一部分，不是孤立的。首先是舞壇資料分析解譯要全面參考已有各類(lèi)地質(zhì)、水文地質(zhì)資料，其次地球物理資料的解譯分析過(guò)程應該與水文地質(zhì)人員共同進(jìn)行以使推斷解釋更接近于實(shí)際。  地下水資源調查、勘查工作性質(zhì)不同地球物理方法所發(fā)揮的作用也有所不同，根據地球物理勘探技術(shù)的特點(diǎn)，其在水文地質(zhì)工作中的應用體現在兩個(gè)層面，一是工作區宏觀(guān)結構性探測；二是確定勘探孔、開(kāi)采孔的具體位置，即通常所說(shuō)的找水技術(shù)。按地球物理反映的水文地質(zhì)調查內容則包括：構造、地層結構、地層巖性、地下水富集程度、地下水水位、地下水水質(zhì)、巖性結構、沉積規律、地下水運移特征等。

 

  １  構造  構造是地質(zhì)工作的基礎，宏觀(guān)上它控制著(zhù)水文地質(zhì)單元的邊界，地下水不同類(lèi)型的分布，其對地下水的形成、演化具有重要影響，是地質(zhì)模型建立的主要因素之一。構造探測可以通過(guò)巖石電阻率、波速、放射性、重、磁等物理參數確定。區域探測常用方法有電阻率測深、音頻大地電磁測深和地震勘探等方法。

 

  斷層構造的位置和性質(zhì)是確定基巖裂隙水、巖溶裂隙孔隙水賦存的主要依據。由于構造擠壓形成的巖石破碎帶是基巖地下水富集的主要場(chǎng)所，其結構特征，物性特征以及地下富集氣體的運移特征均隨之變化，這些都是利用地球物理方法探測地下水的基本前提。國內外在此方面的研究工作較多，應用方法也較多，主要包括：電阻率剖面法、音頻大地電場(chǎng)法、甚低頻電阻率法、電磁剖面法、放射性方法、地震、激發(fā)極化法、核磁共振法、汞蒸氣測量法等。通常是選擇簡(jiǎn)單方法探查斷裂構造的位置、走向、規模，然后用精確方法確定其斷裂性質(zhì)，富水特征等。

 

  ２  地層結構  勘查區的地層結構不僅是刻畫(huà)地質(zhì)模型的基本因素，也是工程設計的主要依據。由于地層的巖性結構、狀況等條件不同，不同的特征的巖層表現出不同的物理性質(zhì)，如電阻率、密度、波速、磁性等均有所不同，根據物性特征的不同，用地球物理方法可以按不同性質(zhì)劃

 

  分地層結構。劃分確定地層結構較有效的方法有測井、地震勘探和電磁測深法，此外也常用電阻率測深和瞬變電磁測深法。

 

  ３  地層巖性  地層巖性劃分是確定含水層、隔水層的基礎，也是分析地層富水性的依據。對不同巖性的地層，其電阻率、波速、放射性含量特征均有所不同，根據它們的特征值范圍并參照地質(zhì)資料可以通過(guò)物探資料確定其巖性特征，主要方法有電阻率法、地震法、測井等。

 

  ４  地層富水性  富水性是地下水開(kāi)采利用、施工設計的主要依據。不同巖性的地層其富水的特征和性質(zhì)不同。對孔隙類(lèi)地層，其含水率隨著(zhù)孔隙度增高而增加，但富水性則隨著(zhù)孔隙度增加先增大，達到某一極值后，又隨孔隙度增加而減??；對致密結構地層，其富水性則與構造裂隙的發(fā)育程度有關(guān)，一般張性裂隙比壓掃性裂隙富水性要好，此外，該類(lèi)裂隙水的富集程度與所處的水文地質(zhì)條件、巖石的可溶性、脆性相關(guān)，一般水文地質(zhì)條件好，可溶性強，脆性巖石的構造裂隙水富水性強。因此，判斷構造裂隙水的富水性要從巖性、水文地質(zhì)條件、構造條件幾個(gè)方面綜合考慮，而巖性與構造特征可通過(guò)視電阻率、密度等參數加以分析。目前能夠直接反映地層中富水特征的地球物理方法有核磁共振法、激發(fā)極化法、介電常數法，其磁共振強度、馳豫時(shí)間、極化率、衰減時(shí)、介電常數均與地下水的貯量及狀況密切關(guān)聯(lián)。

 

  ５  地下水水位  未知區域判斷地下水水位埋藏深度是一項重要任務(wù)，對水文地質(zhì)條件分析、鉆孔設計具有重要的指導意義。目前較常用的方法是激發(fā)極化法，參數以激化率、激發(fā)比為主。在地層條件比較簡(jiǎn)單的松散類(lèi)地區電阻率法和地震法也可以用于確定地下水水位埋藏條件。

 

  ６  地下水礦化度  地下水礦化度是利用地下水的主要參考標準，也是水資源評價(jià)的主要內容之一。影響地下水礦化度的因素包括地層沉積環(huán)境和地下水的運移條件。對于孔隙結構地層，由于地層電阻率主要由地層格架特征和貯存于其中的地下水電阻率決定，通過(guò)地層電阻率值和獲取的地層格架參數可以反算出地下水電阻率，再根據地下水的水化學(xué)類(lèi)型，地下水的溫度值可粗略估算出地下水的礦化度預測值。目前電阻率方法是唯一可用于地下水礦化度分析的地球物理方法，實(shí)際應用中也常用電阻率類(lèi)比法來(lái)判斷水質(zhì)。利用測井方法確定地下水礦化度除用電阻率法以外，自然電位也可判斷咸淡水，基巖裂隙水礦化度的確定目前尚為待攻關(guān)的難關(guān)。

 

  ７  巖性結構  巖性結構主要指巖石的粒度、孔隙度、泥質(zhì)含量、膠結狀況等，是確定地下水富水性、滲透特征的主要參量。確定巖性結構特征主要通過(guò)測井方法，主要有密度測井、伽瑪測井、聲波測井等方法。地面方法中地震勘探技術(shù)可通過(guò)約束條件反演得到地層有效孔隙度剖面，震電效應也可以獲取有關(guān)地層結構信息，目前該類(lèi)技術(shù)已應用于石油勘探工作之中。

 

  ８  沉積特征  地層的物性參數從物理特征的角度的反映了巖石的巖性、結構特征，因此通過(guò)物性的宏觀(guān)和微觀(guān)變化可以獲取地層的沉積特征，如洪積扇、古河道、沉積韻律等，沉積特征在電阻率剖面、波速剖面上其結構特征和參量值均有所反映。石油地震目前最新的研究領(lǐng)域便是通過(guò)地震勘探資料恢復沉積的微環(huán)境特征以此指導石油勘探與開(kāi)發(fā)。地層電阻率值的變化一方面顯示地層巖性的變化，另一方面則顯示了地下水水質(zhì)的變化，這種變化在穩定環(huán)境中與沉積的小氣候環(huán)境密切相關(guān)。

 

  ９  地下水運移特征  地下水資源的一個(gè)主要特征是其具有活動(dòng)性，是一種運動(dòng)著(zhù)的資源形態(tài)。由于水文地質(zhì)條件不同地下水運動(dòng)導致地下水礦化度狀況不同，對于特定的區域物性的變化可以反映地下水運動(dòng)的規律和特點(diǎn)，這對分析地下水的運動(dòng)規律具有很需要的參考價(jià)值。電阻率值可通過(guò)地下水礦化度的變化反映地下水運動(dòng)規律。