水文地质物探

第四章水文地质物探

§1 水文地质物探方法的基本原理

水文地质物探––––是根据地下岩层在物理性质上的差异，借助于专门的物探仪器，通过测量、分析其物理场的分布、变化规律来进行水文地质调查的一种勘探手段。

1．物探方法的特点

成本低、速度快、用途广泛，是当前水文地质调查中不可缺少的勘查手段。

2．物探方法的基本原理

物探方法之所以能够探明某些地质、水文地质条件，主要是因为不同类型或不同含水量的岩石之间存在着物理性质上的差异（包括导电性、导热性，热容量、温度、密度、磁性、弹性波传播速度及放射性等）。因此，我们可以借助各种物探测试仪器，测定出岩石或水体的某些物理特征值的变化，从而分析、推断出岩性、构造和岩层含水性能的变化。例如，许多岩浆岩和石灰岩的视电阻率（ρs）常常可达n×（102—103）欧姆·米；而泥岩、粘土的视电阻率值只有十到几十Ω·m。

（1）在含水量方面：水是一种良导体，因此岩石的含水量及水本身的矿化度，对岩石的视电阻率值有很大的影响。厚层石灰岩的无水地段的ρs值常常大于500Ω·m，比有水地段高很多。

（2）在磁性方面：不同种类的岩石之间也有较大差别，如许多岩浆岩中的金属元素含量相对较丰富，磁性较强；多数沉积岩的磁性均较弱。因此，当磁法剖面跨过这两种岩石时，便会有显著的磁力差异。

（3）在放射性强度和热辐射强度方面：不同类型的岩石，以及岩石中富水和贫水地段之间，也常有较大的差异。从图4—l所示的热行为剖面上可清楚地显示出断裂富水带的平均辐射温度（地面下0.8m）要比断裂两侧贫水地带低7一11℃。

§2 物探方法在水文地质调查中的作用

在水文地质调查中使用的物探方法有两大类：（1）地面物探方法，（2）地球物理测井。现将各种物探方法在水文地质调查中的作用，即能解决的水文地质问题简介于下。一、采用地面物探方法寻找地下水

地面物探方法，已被证明是探测地下岩性、划分地层和确定构造的有效手段之一，几乎所有地面物探方法均可用于寻找地下水和判定某些水文地质特征。但是，绝大多数物探

方法并不是直接地测定出地下水的物性显示，而是通过测定出岩石或裂隙、空洞的物性显示，去判断是否有含水层和富水带的存在。当然，岩石本身的物性显示在一般情况下又比

水强烈得多，因此，准确地说，多数的物探方法均是间接的找水方法。

地面物探方法的种类很多。在水文地质调查中，运用较多的是那些所测得的物性特征在各类岩石中（包括有水的和贫水的地段）差别较显著、显示比较稳定、强烈，且受自然

环境和人为因素干扰较小的物探方法。这类方法，首推各种电阻率法，磁法、放射性探测法、和声波探测法也常用到，而地震和重力等方法相对使用较少。

在水文地质调查中主要使用的物探方法（传统方法）有：（1）电法勘探；（2）电法测井等。在工程地质调查中主要使用的物探方法（传统方法）有：（1）电法勘探；（2）地震勘探；（3）声波探测等。

考虑到一般的电阻率法，在各种地球物理勘探和水文地质物探教材中已有详尽论述，而磁法、重力和地震方法在水文地质勘查中使用较少，故本章将着重介绍目前用于水文地

质勘探及寻找地下水较为有效的，已有物探或专水教材中又未深入介绍的各种物探方法。

（l）自然电场法。这种方法是以地下存在的天然电场作为场源。由于天然电场主要是与地下水通过岩石孔隙、裂隙时的渗透作用及地下水中离子的扩散、吸附作用有关。因此，可根据在地面测量到的电场变化情况，查明地下水的埋藏、分布和运动状况。这种方法主

要是用于寻找掩埋的古河道、基岩中的含水破碎带，及确定水库、河床及堤坝的渗漏通道，以及测定抽水钻孔的影响半径等。

这种方法的使用条件，主要决定于地下水渗透作用所形成的过滤电场的强度。一般只

有在地下水埋藏较浅、水力坡度较大和所形成的过滤电位强度较大时，才能在地面测量到

较明显的自然电位异常。

（2）激发极化法。这种方法是根据供电极断电后，由电化学作用引起的岩石和地下水放电电场（即二次场）的衰减特征来寻找地下水。二次场的衰减特征可用衰减度（D）、衰减时（τ）等参数表示。判断地下水存在效果较好的测量参数，通常是τ和D。τ是指二次场电位差（ΔU z）衰减到某一规定数值时（通常规定为50％）所需的时间（单位为s）。D 亦是反映极化电场（即二次场）衰减快慢的一种测量参数（用百分数表示）。由于岩石中的含水或富水地段水分子的极化能力较强，又因二次场一般衰减慢，故D和τ值相对较大。

激发极化法和电阻率法一样，分为剖面法、测深法和测井法。其中，激发极化测深法用得最多，主要用于寻找层状或似层状分布的各种地下水以及较大的溶洞含水带，并可确定它们的埋藏深度。

由于激发极化所产生的二次场值小，故这种方法不适用于覆盖层较厚（如大于20m）和工业游散电流较强的地区。电源笨重、工作效率较低、成本较高，也是这种方法的不足之处。

（3）交变电磁场法。这种方法是以岩石、矿石（包括水）的导电性、导磁性及介电性的差异为基础，通过对以上物理场空间和时间分布特征的研究，达到查明隐伏地质体和地下水的目的。

电磁法是近二三十年才推出的新物探方法。目前已在生产中使用的有甚低频电磁法（利用超长波通讯电台发射的电磁波为场源）、频率测深法（以改变电磁场频率来测得不同深度的岩性）、地质雷达法（利用高频电磁波束在地下电性界面上的反射来达到探测地质对象的目的）等。其中，甚低频法对确定低阻体（如断裂带、岩溶发育带和含水裂隙带）比较有效；而地质雷达则具较高的分辨率（可达数厘米），可测出地下目的物的形状、大小及其空间位置。

近年来，原苏联科学家又设计出一种新的能直接寻找地下水的电磁法，即核磁找水法。其原理如下：由于水具弱磁性，故在磁场作用下，其磁矩将沿地磁的方向排列。当在垂直地磁场方向施加一定强度和频率的人工磁场时，水分子就会产生核磁共振现象。其磁振动频率将会在地面铺设的金属线圈中产生一定的电感应讯号。测定出这种讯号的强度，就可确定出地下水的埋深和富集程度。

（4）放射性探测法（天然放射性找水法）

自然界存在三个放射性元素系（铀一镭系、钍系和锕系），但在岩石和水中分布较广泛的，主要有铀（U）、镭（Ra）、氡（Rn）、钍（Th）和钾（40K）。天然放射性元素发生衰变时能放出α、β、γ射线，而这些射线的强度可利用核辐射探测仪器加以测定。尚须指出，用放射性方法所测量到的射线，主要是氡及其子体产生的，而铀、镭等元素放出的射线是次要的，故氡及其子体是放射性探测法首先重视的对象。

放射性探测法主要适用于寻找基岩地下水，这是基于以下原因：①不同类型岩石，由于其放射性元素含量不同，其放射性强度常有差异；②岩石中断裂带和裂隙发育带，常是放射性气体运移和聚积的场所，故可形成放射性异常带；③在地下水流动过程中（特别是在出露地段），由于水文地球化学条件的突然改变，可导致水中某些放射性元素的沉淀或富集，从而形成放射性异常。

由于地下水中所含放射性物质甚微，所以利用天然放射性找水，并非直接测定地下水的放射性，而是通过测定岩石的放射性差异去判断有无含水的岩层，有无可供地下水赋存的断裂、裂隙（通道）构造。放射性探测的方法很多，但都是基于测量氡及其子体的射线强度；放射性探测的仪器种类也很多，但从原理上说主要分为γ、α两种辐射仪（这是因为γ射线穿透力较强，α粒子电离本领较强）。现将目前使用较多的方法简介如下。

①γ测量法。所测量的是铀、钍、钾等放射性元素及其子体辐射出的γ射线的总强度。本方法使用的仪器轻便，工作效率高，对查明岩层分界线和破碎带有一定效果；但其异常显示不够明显，覆盖土层厚度较大时效果不佳。

②放射性能谱测量法。是在γ测量法的基础上新推出的方法。在同一测量剖面线上，四条辐射强度曲线的相互配合，可大大提高地质解释的精度。

③射气测量法。该方法是用射气仪（测氡仪）测量土壤中放射性气体（主要是氡气）的浓度，以发现浮土下的放射性异常带。

测氡法对于寻找脉状基岩含水带有很好的效果。但其测量结果，也难免受到土壤湿度、温度、气压、土壤密实程度和融冻状态的影响。

④α径迹测量法和α卡法。这两种方法均是测量土壤盖层中α射线的方法。α径迹法是将特制的薄膜（或胶片）放在固体绝缘容器中（一般用陶瓷杯），将容器倒置埋设于地面下0.3—0.6m深度内，经过10一20d后，取出特制薄膜（或胶片），在显微镜下统计出薄膜上被α射线轰击后留下的潜迹（孔），从而确定出α射线强度；α卡法则是将特制的α卡片埋置于地下，使之聚积氡的衰变子体，而后使用α辐射仪测量出α射线强度。这两种方法，由