物探方法在水文地质详查中的应用

吕 英

（山西省水文水资源勘测局 山西太原 030001）

0 引言

物探是地球物理勘探的简称，它是以地下岩土层（或地质体）的物性差异为基础，通过仪器观测自然场或人工物理场的变化，确定地下地质体的空间展布范围（大小、形状、埋深等）并可测定地下岩土层的物性参数，达到解决地质问题的一种物理勘探方法。

按照勘探对象的不同，物探技术分为三大分支，即石油物探、固体矿物探和水工环物探（简称工程物探），水利系统使用的物探属于工程物探。

水文地质详查就是基本查明工作区域水文地质条件，对地下水可采资源及其开发利用作出评价，并为地区发展总体规划及水源地建立提供依据的水文地质勘查阶段。

工程物探技术方法依据原理和设备的不同种类众多，随着科学技术的发展，新方法、新技术、新仪器不断面世。以下介绍实际工作中用的电法勘探技术。

1 电阻率法

岩石电阻率是由矿物成分、颗粒结构、孔隙度、含水量及水的矿化度诸因素决定的，其中含水程度是一主要因素，对同一岩石含不含水，在电阻率数值上有很大差异。采用电阻率法是通过测定地质体的电阻率在其空间的分布规律，查明地质体的层位产状，从而达到探测目的的一种手段。电阻率法找水就是以含水岩层与围岩电阻率的明显不同为依据，发现和探查含水岩层的空间展布，储水条件，来寻找地下水。它是一种间接找水的方法。

电阻率法的装置类型有联合剖面装置、温纳和等比测深装置、对称四级装置等，均是以获得从浅到深不同测深的地下电性（导电性和激电性）变化为目的。

单一的电阻率法，工作成本低，但跑极劳动强度大，工作效率低，同时实际工作中常遇到以下问题：

（1）我省山区占全省面积的72%，地形起伏较大，地表介质不均匀，在地形复杂的太行、吕梁山区勘测时，所测的电测深曲线畸变点很多，不容易确定水的异常。

（2）从电性特征来讲，岩溶含水层是相对的良导体，它与完整石灰岩和岩溶裂隙不发育灰岩比，呈低阻反映，即高阻中找低阻，确定含水层。但引起低阻异常的并不完全是水的反映。如石灰岩夹厚层泥灰岩或角砾状泥灰岩，被壤土碎石充填的古溶洞，断层挤压带等，在电测深曲线上反映都是低阻异常，单从物性推断含水层的埋藏深度及其富水性时，可能错把干扰因素当成水的异常。

此外，含水层的大小，还取决于地质单元的汇水面积、补给来源和渗透通道等综合因素。

2 激发极化法

激发极化法是物探找水中一种应用广泛且行之有效的方法，激发极化法所采用的电极装置与电阻率法相同。当通过供电极AB向地下供以恒定的直流电时，测量电极MN之间就会产生一次场△V1，随着时间的变化该电位不断上升（2～5min）之后趋于饱和，断电后测量电极间仍存在随时间而衰减的微小电位差△V2，并在几分钟后逐渐衰减到零。这种在充电和放电过程中产生随时间而变化的附加电场的现象称为“激发极化效应”简称“二次场”。

由于该法不受纯地形起伏及围岩电阻率不均匀性的影响，具有充分利用时间（或频率）的特性，多个参数对岩溶裂隙水的水位埋深和相对富水带反映较直观，电阻率法提到的干扰因素一般不产生激发极化效应。因为激电二次场与岩石的孔隙度有关，在纯粹的泥岩中极化率比较小，在含水砂砾岩中极化率比较大。实际工作中总结特点如下：

（1）主要参数有极化率η对碳质灰岩、金属颗粒有较强反映。

（2）二次场的衰减度D作为衡量二次场放电快慢的参数，D值越小、说明放电越快，D值越大、说明放电越慢。D参数测深曲线异常峰值常与某些地质界面相对应，具有较高的相关性。

（3）激化比J，取极化率η和衰减度D的乘积，可使异常放大，通常含水层上η和D值均较高，反映更明显，并且该参数对含碳质岩层的影响也有较好的压制。

（4）激发极化法主要研究衰变场离子导体的激发极化特征，而离子体所产生的二次场电位差很微弱。对于交流电等工业信号严重干扰的情况下是无法进行工作的。实际工作经验得知，不含水的土层和岩石激化比J＜0.2%，当AB/2超过300m时，一次电位差只有20～30mV，这时的△V2便小于0.1mV,而工业交流电的干扰电位差往往大于0.1mV，此时所测量的数据是干扰电位。因此激发极化法常用于工业不发达的丘陵山区勘查地下水。

3 高密度电法

高密度电法集中了电剖面法和电测深法两法的特点，其原理与普通电阻率法相同，所不同的是在观测中设置了高密度的观测点，是一种阵列勘探方法。在我省由北向南，展布了一系列“多”字形断陷盆地。高密度电法在太原盆地、大同盆地、运城盆地咸水区找淡水勘查中发挥了重要作用。野外测量时将全部电极（几十至上百根）置于剖面上，利用程控电极转换开关和微机工程电测仪，实现了剖面中不同电极距、不同电极排列方式的数据快速自动采集，同时使得资料中的可利用信息大为丰富。高密度电法实现了野外测量数据的快速、自动和智能化采集，与常规的电阻率相比，高密度电法具有以下优点：

（1）电极布置一次完成，减少了电极设置引起的故障和干扰，提高了效率。

（2）能够选用多种电极排列方式进行测量，获得丰富的地电断面的信息。

（3）野外数据采集实现自动化，提高了采集速度，避免了手工操作误差。

（4）高密度电法资料的电阻率反演解释，从一维和二维发展到三维，极大地提高了地电资料的解释精度。如用二维板状近似断层，三维球体近似溶洞等。

高密度电法勘探装置的选择、资料的解释是两个关键环节。排列装置选择合适与否，直接关系到是否测试出探测目的所反映的异常。实际工作中多采用四级装置，进行剖面勘探，不大适合于勘探深度较大的电测深，同时尽量避免地形的起伏因素，这样受地形因素影响较小，电测剖面形态较好判断。

4 大功率激电测深法

目前，地理条件好，浅层的地球物理勘探基本完工，勘查对象主要为隐伏和深埋地层，这就对地球物理勘探提出了新要求。大功率激电测深法因其发送功率大，勘探深度也加大，信噪比高，获得的数据更加可靠。大功率激电测深采用电阻率法中的各种装置，根据任务要求、工作区的地质、地球物理条件和装置本身的特点，测量电极距MN通常取大于干扰体的直径，取得最大异常，野外勘测时一般按MN/AB=1/30～1/50，AB=(4～10)h关系确定,h为极化体的顶端埋深。

随着极距的扩大，电阻率不均匀、地形起伏、供电极位置等因素的影响也相对加大，往往造成异常畸变。在野外作业时根据已知钻孔资料取得真实深度与相应电极距间的比值关系，结合实践经验选择作业区内“最佳”极距。

5 可控源音频的大地电磁法

可控源音频大地电磁法（简称CSAMT法），基于电磁波传播理论和麦克斯韦方程组建立视电阻率和电磁场比值之间的关系，

式中Ex为沿x方向的电场分量，Hy为与Ex垂直方向上的磁场的水平分量，经过运算就可获得地层的视电阻率ρs。

并且根据电磁波的趋肤效应理论得出电磁波的传播深度（或探测深度）与频率之间的关系：

式中H为探测深度，m；ρ地层电阻率；f为电磁波的发射频率。

这样可以通过改变发射频率来改变探测深度，达到频率测深的目的，属于物探技术中的交流电法。使用专用软件进行资料处理，结合地质情况对异常推断解释。具有以下优点：

（1）使用人工发射的可以控制的场源，测量参数为电场与磁场之比—肯尼亚电阻率，增强了抗干扰能力，探测深度可达2km,并兼有剖面和测深的双重性质,解决了天然电磁场信号微弱、易受自然环境影响的不足。

（2）利用改变频率进行不同深度的电测深，一次发射可同时完成7个点的电磁测深，提高了工作效率。横向分辨率高，可以灵敏地发现地质构造，找到储水断层。

（3）大地电磁法克服了直流电法需人工跑极，劳动强度大的缺点，具有采样密度大，穿透能力强，解释速度快，精度高等优点。不同深度地质体的埋深、厚度、产状等地质参数，通过专用软件对探测数据解释，得出地下岩层的岩性、厚度、颗粒大小、地质构造的产状等物探成果。进一步对物探成果资料进行分析解释，可以推断地下不同地层的的富水性、厚度、埋深、分布范围。

（4）CSAMT法作为普通电阻率法和激发极化法的补充还可以解决深层地质问题，如寻找深部基岩裂隙水，地热勘查等。

6 结束语

随着我国经济建设的高速发展，人们对水资源数量和质量的要求不断提高，水资源问题日益突出,这就对水文水资源详查提出了更高的要求。目前电法勘探正从单一的供水勘查向合理利用地下水资源和环境保护战略方向转变。任何一种物探方法，都存在制约因素，再加上地质的多解性，只有采取多种方法综合探测，互相补充验证，提高成果的解释精度，才能完成探测精度要求的探测任务。在降低工作成本和提高工作效率，注重经济效益和社会效益的前提下，合理地开发利用地下水与水资源保护，为地区发展总体规划及水源地建立提供更加科学的依据，降低盲目打井的风险，使有限的地下水资源得到更加合理的配置。