[科普中國]-水文地質地球物理勘探

根據地下水、含水層與非含水層自身及它們之間存在的物性差異，利用地球物理方法來間接判斷水文地質特征的一種勘探手段，簡稱水文物探。其優(yōu)點是設備簡單，操作簡便，作業(yè)成本較低，效率較高，能較快地連續(xù)控制測區(qū)概貌，指導專門水文地質勘探工程的設計與施工。它可用于①查明第四系孔隙含水層分布、厚度及埋藏深度，尋找古河道，區(qū)分并圈定咸、淡水范圍;②探測基巖表面的起伏和埋深，確定隱伏構造的位置，查明斷層破碎帶、裂隙發(fā)育帶及喀斯特發(fā)育規(guī)律;③測定地下水流速、流向，分析地下水的補給、排泄和徑流條件，圈出可能的富水地段或強徑流帶;④劃分鉆孔水文地質剖面，確定裂隙或喀斯特發(fā)育位置，劃分咸、淡水界面，測定地下水礦化度，研究地下水運動特征。水文物探目前仍只能用來在特定地區(qū)解決特定的水文地質問題。1

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。

電法勘探是應用較廣泛的一種水文物探方法。這首先是由于一些參數，如巖石的濕度，水的種類(結合水、自由水、硬水)，水中雜質含量、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系，一般說，孔隙度小的巖石，電阻率較高，?？蛇_數百歐姆米甚至數千歐姆米;而孔隙度大滲透性小的巖石(如粘土等)，其電阻率較低，有數歐姆米到數十歐姆米的變化;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條件的不同而有較大的變化范圍。當它們飽含礦化度高的地下水時，電阻率只有數十歐姆米甚至數歐姆米;干燥時，電阻率可達百歐姆米甚至數千歐姆米。

巖層電阻率與巖石的裂隙率、喀斯特發(fā)育程度有較大關系。在喀斯特發(fā)育地帶，地下水面以下的巖層電阻率呈現區(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，而滲透系數又與電阻率有相關關系，兩個參數都取決于孔隙通道的單位面積和形狀。

水文電法勘探方法，根據探測區(qū)水文地質條件和工作任務進行選擇。

(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、構造帶和喀斯特帶水，可采用聯合電剖面法、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。2

地震勘探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構，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。

測井視電阻率測井和自然電位測井用于劃分孔內巖層界面，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的多少，據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，因此可根據中子-γ曲線變化，確定巖石的含水性質和孔隙度。

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，用以確定孔內各含水層的水文地質特點。該法又可進一步分為擴散法、注入法和提撈法。擴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行測量。這樣，根據鉆井液濃度，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。

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;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;當鉆孔涌水量大，含水層層數多，或有其它復雜情況時，擴散法和注入法效果不好;而且所測定的參數為概值，測定涌水量誤差較大。

流量測井根據多含水層混合井流理論建立起來的一種孔中測流技術。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，利用放在孔內的傳感器，測量不同深度的流速，進而計算其流量，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參數;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系曲線，取得分層水位和其它水文地質參數。

根據施測方法，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，易進行重復性檢測，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的轉速，繪出轉速隨深度變化曲線。其特點是施工簡單，適應性強，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，并盡量使其條件與儀器標定條件相同，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速值，然后利用不同孔徑中轉速(或幅值) 與流量的標定曲線，將其轉換成流量值。

孔間無線電波透視法近年來多用于在礦井防治水時探查石灰?guī)r地區(qū)的喀斯特和構造破碎帶分布特征。其原理是，把發(fā)射機與接收機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。由于石灰?guī)r為高電阻，因而根據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，要根據工作區(qū)具體條件，合理確定工作頻率。無線電波透視法目前主要采用同步法和定點法兩種觀測形式。同步法是指接收機和發(fā)射機分別在兩個鉆孔同時移動;定點法是把發(fā)射(或接收)機固定在孔中某一點，使接收(或發(fā)射)機在另一鉆孔中移動并測量電磁波場強。一般，先進行同步測量，較快地發(fā)現異常，再在異常中心進行定點測量，了解異常的形態(tài)特征。

特點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，在實際應用時的特點是，①水文地質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，這表明應根據具體礦區(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，應注意采用綜合物探手段取得多種參數，助長補短，互相驗證;④要從已知到未知，逐步改進施工、資料處理與解釋方法。

本詞條內容貢獻者為:

李兵 - 副教授 - 西南大學