地球物理勘查方法在水文地质工程中的应用研究

范育典

地下水在人类活动中起着重要作用，它在满足人们日常生活的同时，也与环保、矿业、地下工程、农业等部门息息相关，对这些部门的运行起着至关重要的作用。随着技术的不断进步，水文测量方法也从不同的角度、层次和方向发展，相关工作人员可以利用多种现代技术手段代替传统的常规工具，更加省时方便和快捷，同时也可以提高测量的安全性，降低风险，有效提高测量的效率。

1 地球物理勘查的相关概念

地球物理勘查技术是以物理学理论知识为基础，监测和分析地球物理场及其变化的一种常用勘查方法。物理勘查的方法能有效探测地球及近体空间物质组成和介质结构的演化特征，并对其进行综合分析研究，在地质灾害、考古、工程建设、环境保护、资源勘查等领域发挥了重要作用。此外，地球物理勘查技术在岩石结构密度勘查、物性分析、磁导率和热导率的研究中具有重要意义。通过物理实验，我们可以全面分析和了解地球的物质结构和成分密度。对于一些水文地质工程，还可以利用物勘技术详细调查地下岩石的丰富矿物和含水量，确定地下岩石的电阻率和阻抗值。在水文地质工程勘查中，若岩层缺水差异超过10℃以上，可确认岩层含水量较高，地下水分布较好。此外，通过磁性判断岩层，测量当地水文地质信息数据，利用磁力探测该地区的矿产情况，分析磁性（主要是金属元素的含量和类型），对于了解岩层的物质分布具有重要意义。从这个意义上说，地球物理勘查方法在水文地质工程测量中发挥着重要作用，可以大大提高效率和精度，保障测量数据的准确性。

2 水文地质环境研究的重要性

地质勘探是水文地质工程的重要组成部分。在已有研究成果的基础上，通过水文地质勘探，确定区域地质环境和水文条件，编制相关水文地质报告，可以提前掌控施工时间，尽量减少水文地质条件对项目后期的影响。相关人员在实践中应根据不同区域、不同水文环境进行具体分析，制定出适合该区域的最优水文地质管理方案，使地下水对工程的影响达到最小限度，有效降低地下水对工程的影响。在水利工程建设过程中，由于缺乏水文地质信息和资料，工程建设质量下降的情况并不少见。然而，水文地质环境与一般的普通环境有所不同，水文地质条件对工程勘查的影响往往被忽视。如果水文地质环境研究分析不彻底，将给项目后期建设运营带来一系列问题，甚至危及工程质量、人员和设备的安全。

3 水文地质工程存在的问题

3.1 影响岩土工程

地下水位的变化影响着岩土工程的建设，以及后期岩土工程施工的稳定性和耐久性。在这里笔者主要分析地下水位变化的来源，包括以下几点：第一，地下水位的变化与季节变化有关，夏季雨季水位上升，冬季旱季水位下降；第二，地下水位的变化受区域差异的影响，不同地区地下水位的变化不尽相同，需要具体区域具体分析；第三，除自然灾害外，人为引起的水位变化对岩土工程造成更严重的危害。因此，为了减少地下水位变化对建设项目的影响，有必要对地下水位进行客观分析。

3.2 安全隐患问题

当地下水位急剧下降时，会产生一系列安全隐患。例如石化能源开发地会产生大量地下水，或一些大型水利建设项目造成水位骤降、地面塌陷、地面开裂等现象。除此之外，人类水资源的大量浪费和污染也会对水质、岩土工程乃至人类生活产生严重负面影响。

3.3 妨碍勘测活动

地下水位的变化也会影响相关测量。地下水的不均匀膨胀和地下水位的升降会引起地下环境的变化。同时，地下水位的变化对岩土环境的定量变化影响也很大，即使是一些小建筑也会受到影响，造成地面裂缝。地下水位下，铁、铝的流失会导致土壤疏松，大大降低土壤的承载力，时间一长，将对未来水文地质工程的建设和发展产生影响。

4 地球物理勘查方法的科学依据

物理勘查方法在水文地质勘查中的应用主要是基于地下岩层的物理差异。只有地下岩层的物理差异客观存在，物理勘查方法才可以有效判断地下岩层的水文地质条件。在实践中，需要利用地球物理探测仪器，根据地下岩层和水体的物理性质和变化，分析地下岩层的物理岩性、物理结构和含水量，从而做出真实有效的判断。在应用物理勘查方法时，应充分利用以下三个科学理论基础，水文地质条件才可以有效确定：首先，根据地下岩层的含水量确定水文条件。如果地下水资源丰富，含有大量的矿物质，说明地下岩石具有良好的导电性，因此可以判断水文条件对地下岩石电阻率有一定的影响。例如，如果再用物理勘查方法探测低含水量的厚灰岩，监测到的PS 值则会明显高于500Ω•m，远高于低地段地区；其次，根据地下岩层的磁性确定地质条件。因为岩石中金属元素的种类和数量不同，磁性也会有很大的不同。例如，大多数岩浆岩富含金属元素，磁性很强。相反，许多沉积岩缺乏金属元素，因此磁性较弱。在地球物理勘查中，能够很明显发现仪器存在明显的磁差波动；最后，通过岩体的放射性和热辐射强度可以判断该地区的综合地质和水文条件。在地下地层中，如果有不同类型的岩石，它们表现出不同水平的放射性和热辐射，尤其是富水岩石和贫水岩石之间，表现出明显的差异。一般来说，断层两侧贫水岩带的辐射温度高于断层两侧富水岩带，平均相差7℃～ 11℃。

5 地球物理勘查方法在水文地质工程地质中的应用研究

5.1 地球物理测井方法

地球物理测井技术，简称测井，是通过仪器测量钻孔内的电、声、热、放射性等物理参数，识别地下岩性和流体性质，从而勘查开发油气田的重要手段。利用物理原理和方法，使用专用仪器设备，测量岩石物理参数，包括电阻率、声速、岩体密度、射线捕获和发射能力等。在此基础上，了解地下地质信息和资源分布。通过研究这些信息，工程师们发现并评估资源（包括石油、天然气、煤炭、金属、非金属、地热和地下水源等）的储量和赋存状态。据此，制定合理有效的资源开发方案。也就是说，地球物理测井是勘查和开发油气、煤炭、水资源、金属和非金属等各种资源的重要技术手段。甚至在城市市政规划中，它在基础测量、高速铁路建设和地铁建设中也发挥着重要作用。在应用层面，地球物理测井技术可用于测量水文地质工程地质参数和确定含水层。利用钻井剖面进行岩性分层，再结合钻井取心和水文地质工程地质勘查资料，进行深入分析研究，从而推断出水文地质工程的地下含水层、咸淡水边界、岩溶发育带以及水文地质工程地质参数。如果没有岩芯钻探或岩芯钻探不足，地球物理测井是一种很好的探测手段。并且，在水文地质和工程地质调查中，地球物理测井方法比地面地球物理勘查方法更准确。在某些情况下，地球物理测井中的钻井技术可以准确地确定地下地层的边界和含水断层的位置。

5.2 地面物理勘查法

一般的地面地球物理勘查方法有很多，包括自然电场法、高密度电法、瞬变电磁法、雷达探测法等。自然场法是利用自然电场进行地质勘查，对地下水源分布有一定了解的一种新方法，但这种方法主要是通过地下水的渗透和岩石颗粒的吸附形成自然电场，这表明它实际上与地下水的渗透和颗粒的吸附密切相关。基于这一原理，只要有足够的专业仪器进行检测，就可以在一定程度上科学合理地推断地下水的位置和方向。高密度电法是将整个电极放置在一个截面内，利用专业的测量仪器采集不同电极的数据。事实上，高密度电法在使用中往往有很多优势，比如可以提高工作效率，减少相关设备的故障，甚至在整个检测过程中不受其他因素的影响。其次，高密度电法还可以测量多种不同的电极，在一定程度上获得相对完整的数据。除此之外，高密度电法能够在工作过程中实现自动或半自动工作，可以在一定程度上帮助相关人员减轻工作压力，同时提高工作精度，减少失误。瞬时电磁法的原理是将磁场传递到地面，探测地下地质情况。结合磁场的整体变化，可以了解不同深度的地质条件和水文分布特征。雷达探测法一般采用探地雷达，利用天象来传输信号，然后在地质中快速传输特定的电磁波。反馈后，地质体可以根据频率进一步确定内部分布。虽然这种方法存在一些不足，但我们可以在探索过程中尽量避免这些不足，以弥补雷达本身的不足。这是水文地质工程勘查中几种比较有效的方法，下文将对他们展开具体的阐述。

5.2.1 自然电场法

自然电场法是指利用地下岩石或矿石氧化还原，地下水在岩石颗粒间渗透、扩散、吸附形成的自然电场进行水文地质勘查的方法。这种方法的具体原理是需要通过对地下水渗透和岩石颗粒吸附等作用，形成一种自然地电场。利用地面监测地下水电场变化，探索地下水埋深、位置分布和运动状态。这种方法有利于探测古河道和表层地层是否存在含水破碎带，进而推断河床、水库、大坝的渗流位置和方向，以及适合采用何种半径的抽水孔。

5.2.2 高密度电阻率法

岩体的电阻率受盐度、含水量、矿物成分、颗粒结构、孔隙度等因素的影响。如果同一岩层中没有水，其阻力值将受到很大限制。在水文地质调查中，利用电阻率物理勘查技术对其进行探测，即通过测量其电阻率及其空间分布规律，探索其空间分布和蓄水条件，完成水文地质调查，是一种很常见的手段，也是一种间接寻找水源的方法。其原理与普通电阻法相同，是处理各种地质问题的有效勘查方法。如果电源电流不变，脉冲流进入地面时，随时可以观察到两个测量电极之间的电位差，使其更趋于饱和值。断开供电电流之后，会有电极间电位差急速的发生衰减，在衰减带一定数值当中，如果衰减速度逐渐变慢，在历经一点时间之后，其衰减为零，此类放电与充电现象，形成的附加电磁现象，便是激发极化效应。

就具体的地质应用而言，我国早期主要采用机电法勘查金属硫化物矿床。后来随着这项技术的不断发展，被广泛应用于氧化矿床、非金属矿床、工程地质勘查等领域。由于科学技术的不断进步，激电法在找水方面也有很好的效果，激电法主要是用来测量地层的含水量，被称为现代找水新技术。将激电法与高密度电阻率法相结合，可以大大提高找水的成功率，控制和减少地球物理勘探的一些复杂性问题。

5.2.3 瞬变电磁法

瞬变电磁法的原理，是通过接地设备箱向地下发送磁场，再通过对地质情况所反馈的电磁场变化状况以及间歇期间的变化情况进行测量，然后再结合磁场的衰减曲线的变化程度了解不同深度的地质情况、规模、电性、分布等特征。在瞬变电磁法应用的过程中，可以有效的消除专业设备带来的噪音。除此之外，在实际的应用过程中，瞬变电磁法还具有横向分辨率佳、探测范围光、对地质影响小等优势，因此，被广泛应用在石油、金属矿、煤炭等化石、金属资源的勘探中。如今，瞬变电磁法应用到水文地质工程的勘探中，将给水文地质工程勘探效果带来显著成效。

5.2.4 雷达探测法

雷达探测法的原理是利用天线发出的信号向地质体发射电磁波信号，然后从地质体反馈后接收预定的电磁波信号。通过分析电磁波传播的重要特征，如振幅和频率，可以准确判断地质体的分布状态和形状。在发展初期，探地雷达只能探测几米范围内的目标，应用范围较窄。但是由于这项技术的不断发展，目前100 米以下的深度都可以准确探测，因此这项技术在水文地质工程勘察中的应用越来越广泛。同时，由于探地雷达的高分辨率，获得的信息非常全面和详细，尤其是在浅层地质勘探中，发挥着越来越重要的作用。未来应进一步推广这项技术，使其发挥更大的作用。

5.3 激发极化法

激发极化法是通过分析断电后地下岩石和水资源的电场衰减特性来探测地下水的方法。通过分析研究地下层的衰减程度可以科学地推断地下水的存在，反映地下水放电电场的相关特征。其中，衰变是指放电场中的电位差下降到一定值所需的时间，它能反映极化电场的衰减率。激发极化探测法在日常生活中应用广泛，主要是用于调查地下岩层的岩石状况和分布位置是否有地下水，或者洞穴中是否有大量的含水带，从而推断地下水分布的深度。由于采用激发极化法时产生的极化电场很小，因此不适合用于岩石厚度太大、工业密集的地区。相对于激发极化法的优势，激发极化法也存在一些问题，比如，耗电量大、效率低、成本高，要慎用。

5.4 交变电磁场法

交变电磁场法是利用岩层、矿物和地下水良好的导电性、介电性和磁导率等物理性质的差异来判断地下地质和水文条件。由于交变电磁场法是一种新的物理勘查方法，其在生产过程中的应用相对较少。

5.5 地面核磁共振法

核磁共振法作为一种直接寻找水源的物理勘查方法，技术先进，开发时间短，应用潜力大。地下核磁共振技术的原理是利用各种物质原子核的不同特性触发核磁共振效应，充分利用地面核磁共振成像和反馈水探测仪器，从而研究观察地层中水质子的变化及相应的变化规律，对地下水的位置做出准确判断。地面核磁共振技术可以有效解决各种探测方法的不足，从而更加详细、直观地反映地下水及地下水储量的分布情况。在水文地质工程勘查中，特别是在淡水资源勘查中，该技术具有广阔的应用前景。当地下有自由水时，通过地面反馈核磁共振信号采集勘查范围的信息，可以准确判断地下水的分布。同时，利用核磁共振方法进行勘查时，地质条件不会产生不利影响，可以有效控制异常带来的干扰，从而提高勘查效率和勘查精度。该项技术的应用在地下水资源勘查中，尤其是浅层地下水资源勘查中发挥着非常重要的作用。然而，表面核磁共振方法也存在一些缺点。例如它的地下水探测范围只能在150m 以内，使用时产生的电磁波噪声对调查影响较大，会降低调查效率和质量。因此，当采用核磁共振法时，我们必须足够重视实际调查工作，采取有效措施控制和减少这种干扰造成的不利影响。

6 总结

综上所述，地球物理勘查方法在水文地质工程测量或其他工农业生产创造中的广泛应用和作用不容忽视，为了在不破坏和浪费稀缺水资源的情况下，促进我国经济更快、更好、更强地发展和建设，必须大力发展地球物理勘查技术。必要时，可以从国外引进新的方法和技术，并与之相结合，取其精华，去其糟粕，创造出一套相对完善的勘查方法。

7 结语

随着我国科学技术的快速发展，探测水文地质条件的方法和手段越来越多，出现了大量前沿科学的新方法、新仪器和新技术，这不仅给我们的水文地质勘查带来了极大的便利，还保证了判别的准确性。在本文中，笔者主要就地球物理勘查技术进行论述，可以发现，在地质勘查中，地球物理勘查非常重要，它甚至对科学分析区域条件、预测地下水资源、区域规划和管理等具有非常重要的指导作用。因此，在水文地质勘查中，必须对地球物理方法有深刻的认识，并将其应用于实际环境中，从而提高我国水文地质工程勘查的水平。