不同地球物理方法在地下水探测中的研究比较

  我国是一个干旱缺水严重的国家。淡水资源总量为28000亿立方米，占全球水资源的6％，仅次于巴西、俄罗斯和加拿大，居世界第四位，但人均只有2200立方米，仅为世界平均水平的1／4。扣除难以利用的洪水泾流和散布在偏远地区的地下水资源后，中国现实可利用的淡水资源量则更少，仅为11000亿立方米左右，人均可利用水资源量约为900立方米，并且其分布极不均衡。到20世纪末，全国600多座城市中，已有400多个城市存在供水不足问题，其中比较严重的缺水城市达110个，全国城市缺水总量为60亿立方米。

 

  自从上世纪90年代以来，我国各地大力发展工业，对水资源的无节制的获取和工业废水污染进一步加剧了水资源短缺的矛盾。 如今，地下水已经成为我国诸多城市和农村的最主要的供水水源。可见，对地下水进行适量的开采，可以在一定程度上缓解水资源短缺的矛盾。

 

  2目前常用的几种地下水地球物理勘探方法

 

  就探测地下水而言，可被利用的地球物理方法多种多样，但是，方法的选择应综合考虑探测成本及其场地条件，所以每种方法都有它的优点和缺点，下面，我们先从原理上就不同方法进行简要的阐述。

 

  2.1电阻率法

 

  电阻率法分为两种：传统的电阻率法和高密度电阻率法。其中电阻率法在探测水资源方面主要应用电剖面法和电测深法。电剖面法主要通过了解沿剖面方向地下某一深度范围内不同电性参数来探测一定深度的地下水资源水平变化的情况，而电测深法则是通过探测电性不同的岩层沿垂线分布情况的电阻率变化来确定地下水的分布情况。在通常情况下，点剖面法和电测深法同时使用可以确定地下水的分布。

 

  而高密度电阻率法是一种在方法和技术上有很大改进的电阻率法，因为它的原理和电阻率法完全相同，仍然以岩矿石的导电性差异为基础的一类电探方法。但它采用了多电极高密度一次布极，并实现了跑极和数据采集的自动化，因此相对电阻率法而言它具有了许多的优点：①因为采用电极一次性布极，无需跑极，这样就大大降低了由于电极移动造成的干扰和误差，为野外数据的自动测量提供了保障；②野外采集数据实现了半自动化，提高了野外工作的效率；③可在一条观测剖面上通过电极变换和数据转换来获得多种装置的断面等值线图，获得更丰富的地质信息；④可对资料进行现场预处理和成图解译，大致了解地下岩层构造特征；⑤与传统电阻率法相比，高密度电阻率法成本低，效率高。

 

  目前，国内常用的直流电法仪有DDC—2B型电子自动补偿仪，ZWD—2型直流数字电测仪，JD—2型自控点位仪，C—2型微测深仪，LZSD—C型自动直流数字电测仪，MIR—IB型多功能直流电测仪等。常用的高密度电法仪有德国DMT公司出的RESECS高密度电法仪，日本OYO公司生产的McOHMProfiler-4高密度电法仪以及国内骄鹏公司生产的E60CN型高密度电法仪、E60D型高密度电法仪E60M型高密度电法仪等。

 

  2.2激发极化法

 

  激发极化法又称激电法，是以地下岩、矿石在人工电场作用下发生的物理和电化学反应的差异为基础的一种电法勘探方法。此种方法先通过两个供电电极向地下供电，使两测量电极之间的电位差逐渐增大，直到饱和，然后断开供电电流，测量电极之间的电位差逐渐衰减至零。这样附加电场会随着充电放电而逐渐变化，这种现象称之为激发极化现象（又称激电效应），激发极化法就是以不同岩、矿石激电效应的差异为基础，通过观测研究大地激电效应，检测地下地质情况的一种方法。 激发极化法与其他电法勘探方法相比有一些显著的优点：①利用它不仅可以发现致密状金属矿体，还能寻找其他电法难以发现的侵染状矿体；②根据异常的明显程度，可以区分异常是电子导体还是离子导体引起的；③激发极化法受地形影响也比其他电法小，当起伏地形下有矿体存在时，仅使异常强度和形态发生改变，但异常不会消失；④对岩溶裂隙水的水位埋深和相对富水带反映比较直观，比较适合在山区找水。在水文地质调查中，通常将激发极化法和电测深法结合起来运用，即所谓激电测深法。 目前，常用的激发极化仪器有CTE—2型智能激发极化仪，SY/T6532-2002激发极化仪，此外还有地矿部机械电子研究所生产的MIR-1B多功能直流电测仪、重庆奔腾数控技术研究所研制的WDJD-1多功能数字直流电测仪、山东聊城创通电子信息技术有限公司生产的CTE-2型智能激发极化仪及山西平遥水利电探仪器厂生产的JJ-2B型积分式激发电位仪等。

 

  2.3瞬变电磁法

 

  瞬变电磁法也称时间域电磁法(Timedomainelectromagneticmethods)，简称TEM，它是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间，利用线圈或接地电极观测二次涡流场的方法。简单地说，瞬变电磁法的基本原理就是电磁感应定律。衰减过程一般分为早、中和晚期。早期的电磁场相当于频率域中的高频成分，衰减快，趋肤深度小；而晚期成分则相当于频率域中的低频成分，衰减慢，趋肤深度大。通过测量断电后各个时间段的二次场随时间变化规律，可得到不同深度的地电特征，从而解决各种地质问题。 瞬变电磁法探测具有如下优点：①由于施工效率高，纯二次场观测以及对低阻体敏感，使得它在当前的煤田水文地质勘探中成为首选方法；②瞬变电磁法在高阻围岩中寻找低阻地质体是最灵敏的方法，且无地形影响，穿透能力强；③采用同点组合观测，与探测目标有最佳耦合，异常响应强，形态简单，分辨能力强；④剖面测量和测深工作同时完成，提供更多有用信息。

 

  目前，瞬变电磁法常用的仪器有武汉地大华睿地学技术有限公司生产的CUGTEM矿用型瞬变电磁仪、CUGTEM-8智能深部勘查型瞬变电磁仪，加拿大Geonics公司生产的PROTEM瞬变电磁仪。由于目前使用广泛的是加拿大Geonics公司生产的PROTEM瞬变电磁仪，我们对此系列的瞬间电磁仪做进一步介绍，PROTEM47的最大探测深度为150m，PROTEM57的最大探测深度为500m，PROTEM67的最大探测深度为1000m—2000m，加强型PROTEM67最大探测深度为2000m，BH43-3钻进内三维瞬变电磁仪可在2000m钻孔内工作，探测半径120m。

 

  2.4可控源音频大地电磁法

 

  可控源音频大地电磁法（CSAMT）是在大地电磁法（MT）和音频大地电磁法（AMT）的基础上发展起来的一种人工源音频测深方法。我们知道，大地电磁场的场源主要与太阳辐射有关的大气高空电离层中带电离子的运动情况有关，其频率范围从（2410~10??××nn）Hz。由于频率很低，MT法德探测深度很大，达数十米乃至一百多千米，是研究深部构造的经济和有效手段，不过对浅层的分辨率较低。为了更好的研究人类当前采矿范围内的的地电构造，在MT的基础上，人们研究出音频大地电磁法（AMT）。其与MT的不同之处是主要采用雷电作用产生的音频（HznHzn3110~10××?）大地电磁场，这样工作效率得到了很大的提高，不过，由于天然大地电磁场的强度较弱，人文干扰较大，信噪比很低，使得AMT法德野外观测十分困难。为了克服AMT法的上述困难，人们提出观测人工供电产生的音频电磁场。由于所观测电磁场的音频、场强和方向可由人工控制，而其观测方式又与AMT法相同，故称这种方法为可控源音频大地电磁法（CSAMT）。由于CSAMT探测深度适中，故它在地质勘探的各个领域皆有广阔的应用前景，在水文地质方面也取得了良好的效果。

 

  CSAMT法具有以下一些优点：①信号强度比天然磁场大得多，因此可以在干扰比较强的城市开展工作；②测量参数为电场与磁场之比，得出的是卡尼亚电阻率，由于是比值测量，因此可以减少外来的随机干扰，并减少地形的影响；③基于电磁波的趋肤深度深度原理，利用改变频率进行不同深度的电测深，一次发射，可以同时完成七个点的电磁测深，大大提高了工作效率，减轻了劳动强度；④勘探深度范围大，一般可达1—2KM；⑤横向分辨率高，可以灵敏的发现新地层；⑥由于接收机在接收电场的同时还要接收磁场，因此高阻屏蔽作用下，可穿透高阻层。总的来说，CSAMT法的探测深度大，工作效率高。

 

  目前，可控源音频大地电磁法常用的仪器有美国Zonge公司生产的GDP-32及GDP-32Ⅱ多功能电法仪，德国Metronix公司生产的GMS-07e综合电磁法仪等。

 

  2.5地震勘探法

 

  地震勘探是应用弹性波原理研究地质构造,地层层序和岩性的地球物理方法。地震技术对地表以下有弹性差异的成层性好的地质体可以达到高精确度，高分辩力的勘探效果。地震技术在解决宏观地层结构方面具有其它物探方法无法比拟的优势。在地下水勘查中，为水文地质提供地质构造，地层划分和岩性对比方面的资料。在地震数据处理中，通过速度反演，以及储层结构的研究，可以预测饱和含水砂岩地层的孔隙度；分析基岩裂隙的富水性。运用恢复反射波真振幅，压缩振动延续时间，扩展反射波频带宽度以及亮点技术等软件处理程序，为划分地层和含水层，查明其空间形态提供了数据处理的技术支持。 目前，国内常用的地震仪有重庆地质仪器厂生产的DZQ48/24/12型浅层地震仪，日本OYO公司生产的McSEIS-SX48型浅层地震仪等。

 

  2.6热红外遥感方法

 

  最初，地学家们主要是利用航空相片的目视判读方法，通过地形和指示性植被判断地下水的存在，并确定地下水溢出区（泉水和渗漏带）的位置等。如今，随着热红外遥感技术的发展，专家们主要将热红外遥感技术应用于地下地热勘探评价，将热红外遥感技术应用于地下水资源勘探评价也作了一些尝试性的工作，如傅碧宏等利用LandsatTM6热红外遥感数据，定量研究了干旱区典型地表覆盖类型的地表温度与地下水富集带的关系。现在热红外遥感技术应用于地下水探测方面还属于初步探索阶段，并且大部分工作还是验证性的，而且由于遥感技术穿透能力的局限性，主要还是应用于沙漠干旱地区的浅层找水。但是，遥感技术由他特有的优点，即：高效、省时、省力，并且勘探范围大，这些都是地球物理方法所不能相比的。相信随着我们国家科技水平的提高，遥感技术也会得到飞速的发展，为我国干旱沙漠地带大范围找水提供有力的技术支持，再造出一片片绿洲！

 

  2.7地面核磁共振方法

 

  核磁共振技术（NuclearMagneticResonance，缩写NMR）是当今世界上的尖

 

  端技术，用该技术找水是核磁共振技术应用的新领域，开创了应用地球物理方法直接找水的先河。地面核磁共振（SurfaceNuclearMagneticResonance,缩写SNMR）找水方法利用的是水分子中氢核（质子）弛豫性质差异产生的NMR效应，其根本原因就是不同核子顺磁性物质对电磁能量的吸收能力不同。所以，应用NMR技术的必要条件就是所想要研究的物质的原子核磁矩不能为零。而水中氢核是自然界物质中丰度最高、核磁比最大的核子，其磁矩不为零，这就充分保证了在找水方面应用核磁共振技术的有效性。地面核磁共振找水方法的形成仅有30多年的历史，首先应用此技术找水的是俄罗斯科学院西伯利亚分院化学动力学和燃烧研究所，并且成功研制出核磁共振找水仪Hydroscope，随后，法国在俄罗斯科学家研究的基础上研制出新型的核磁感应系统（NuclearMagneticInductionSystem,缩写为NUMIS）,从此，法国成为研制核磁共振找水仪的第二个国家。中国原地矿部信息研究院崔霖沛高级工程师最先向国内介绍了前苏联的研究成果。

 

  1992年底，中国地质大学（武汉）以潘玉玲、张昌达教授等为主的NMR技术找水科研组对新方法进行了国内外调研，开始研究用NMR找水，并且取得了可喜的研究成果。

 

  1997年底，我国引进第一台SNMR找水仪——NUMIS开始进行试验。从此，我国的核磁共振找水技术开始了快速的发展。 与其他地球物理方法相比，核磁共振找水方法主要有以下优点：①能够直接找水，特别是淡水。在该方法的探测深度范围内，只要有水就有核磁共振信号显示，反之则没有信号显示。可以利用这一优点来识别间接找水的电阻率法找水时遇到的非水低阻异常。如一些岩溶发育区，特别是西南岩溶石山缺水地区，当岩溶被泥质充填或含水时，电阻率法测量结果均显示为低阻异常，是泥是水难以区分。核磁共振方法不受泥质充填物干扰，是水就有核磁共振信号。此外，淡水的电阻率从往往与其赋存空间介质的电阻率去明显差异。在这种情况下，电阻率找水是未能为力的；②信息量丰富，具有量化的特点。核磁共振方法可将核磁共振信号解释为某些水文地质参数和含水层的地质参数，在探测深度范围内可以给出定量解释结果，不打钻就可以确定出含水层的深度、厚度、含水率，并可提供含水层平均孔隙度的信息；③经济、快速。完成一个核磁共振探测深点的费用仅为一个水文地质勘探钻孔费用的1/10，并且可以快速的提供井位及划定找水远景区。但是，由于核磁共振找水仪的接收灵敏度高，能够接收纳伏级的信号，所以易受电磁干扰噪声的影响，这是该方法的一大缺点。

 

  目前，该方法所使用的仪器有法国生产的NUMIS和NUMIS+，国内的有武汉地大华睿地学技术有限公司生产CUGNMR-A型等。 3地下水勘查中的水文地质问题 依据地下水在岩石中的赋存空隙的成因和空间形态,可将我国地下水主要分为孔隙水、裂隙水、岩溶水三种类型。

 

  3.1孔隙水主要分布于第四系各种不同成因类型的松散沉积物中，其主要特 征是水量在空间上分布相对均匀且连续性好。一般呈层状分布，是我国地下水开发利用的主要对象，目前我国地下水开采量的90%以上为孔隙水。

 

  3.2裂隙水主要赋存于坚硬岩石的裂隙中，裂隙的密集程度、开启程度、连 通情况等直接影像这裂隙水的分布、运动和富集。其主要特征是空间分布不均匀，其分布形式呈层状或是脉状。在裂隙发育均匀且开启性和连通性较好的岩层中一般呈层状分布，而在裂隙发育不均匀、联通性较差的岩层中则一般会成脉状分布。

 

  3.3岩溶水主要赋存于以碳酸盐岩为主的可溶性岩石的岩溶空隙中。岩溶空 隙是由规模较大的溶洞、管道以及各种不同宽度的溶隙网、溶孔共同构成的层状重叠和形态复杂的空间结构。其岩溶空隙发育程度越高，含水量越丰富。可见，对于一些水资源稀缺的山区地区，岩溶水具有举足轻重的开采价值。

 

  4常用的地下水探测方法优选

 

  综上所述可以看出，对于不同种类的地下水的赋存特点，在开采时我们应该结合不同地球物理勘探方法的优点及其局限性进行综合选择。为此，我们给出以上三种参见地下水探测中最有效的勘探方法：

 

  4.1孔隙水勘探技术 目前，浅层孔隙水的勘探技术已经较为成熟，在一般平原地区，可采用电测深法通过测定视电阻率参数来判断含水层的结构。但是在较干旱的沙漠地区，电阻率法的工作难度大，通常采用瞬变电磁法。而在浅层高度矿化地区，电阻率偏低，使得供电电流过大，这时可以采用大地电磁法进行测深。当所测区域的地形条件复杂不利于工作开展时，我们可以采用核磁共振方法来确定含水层的深度及其含水量。 如今，随着地下水勘探由浅层（小于300m）转向深层，尤其是在我国西北干旱地区，地下水埋藏较深，深层地下水勘探工作将是主要的勘探对象。由于电测深法受高阻屏蔽作用分辨率降低，信号减弱。在这种情况下，以大地电磁法和高分辨率地震勘探为主的综合物探技术成为解决上述问题的最好方法。大地电磁法主要用于地层结构的划分、地下水矿化度的评价等，而高分辨率地震勘探技术则用于判断岩性结构。特别是近年来新兴发展的三维地震勘探技术，大大提升了测深精度和分辨能力。

 

  4.2基岩裂隙水勘探技术 基岩地下水多以脉状分布，空间分布极不均匀，严格受地质构造的控制，而且裂隙水大多都分布于山区，地形条件较为复杂，一般的物探方法找水收到很大局限性。因此，开发利用基岩裂隙水的关键就是解决地形影响以及如何准确探明基岩构造的分布对裂隙水的控制作用。为解决上述问题，可以采用遥感和物探相结合的方法来进行勘探。首先，可以通过对大比例尺行片、卫片数据的解释来判断勘探区的岩性构造；然后利用音频大地电场法快速定性确定基岩构造的水平分布位置以及开展受地形影响较小的瞬变电磁法为主的综合物探定量确定基岩的构造空间分布；最后通过核磁共振技术确定含水层段及其富水性。当含水层较深时，可采用地震勘探技术对岩性结构进行全面细致的分析，再与探测深度大且对低阻目标反应灵敏的瞬变电磁法相结合，即可对有效的探测深度低阻率裂隙水。

 

  4.3岩溶水勘探技术 岩溶地区地下水的主要特征为：降水量丰富，但地表落水洞、地下洞穴和管道发育，使得雨水和地表水极易流失到地下，形成“地下水滚滚流，地表水贵如油”及“一场大雨到处淹，十天无雨遍地旱”的状况。岩溶地下洞穴、管道等蓄水空间分布极不均匀，岩溶地下水开发利用难度很大。地球物理勘查技术难点在于：如何区分多层重叠的岩溶管道垂向位置；如何判断岩溶管道充填物性质(泥或水)和查明地下暗河岩溶塌陷区的空间位置；如何了解岩溶发育位置、规模和形态特征；如何查明表层岩溶带的厚度、裂隙发育特征及其富水性等地质问题。对于多层重叠的岩溶管道垂向位置的探测，目前尚未有有效的技术方法。对于岩溶管道充填物质的判别，在埋深小于150m的情况下，核磁共振技术是有效的唯一一种方法，当岩溶深度大于150m时，可利用瞬变电磁法和浅层地震勘探技术。对于岩溶溶洞，采用联合剖面法、音频大地电场法来确定溶洞的位置。对于构造裂隙岩溶水，物探找水的主要目的是查明构造裂隙带的分布特征及其富水性。最经济有效的方法组合是采用音频大地电场法和激电测深法。音频大地电场法可快速确定构造带的平面位置，而激电测深法的视电阻率、极化率和半衰时等综合参数可以了解断层之破碎、裂隙发育富水段。

 

  5结束语

 

  通过研究地下水的类型、分布以及应用于地下水探测的各种地球物理探测方法，给出了针对不同的地下水环境的综合物探方法。应用物探方法寻找地下水是行之有效的，充分发挥各种物探手段本身的优势，合理搭配，可以获得探测深度大，测量精度高的测量资料，产生较好的效果，相信随着物探技术及其它方法的不断发展，物探找水一定会有更加广阔的发展前景。