地球物理勘查方法在水文地质工程中的应用

翟福勤

安徽惠洲地质安全研究院股份有限公司 安徽 合肥 230088

1 高密度电法

1.1 高密度电法的原理及特点

高密度电法作为电阻率法的一种，基于地下矿石及岩石等介质的导电性不同的特点来满足实际工作中水文地质、环境及工程调查需要。这一方法对地下激发稳定电流场并观察其分布特点及变化规律从而寻找地下电性异常体、滑膜体、岩溶、断层破碎带等电性不均匀地质构造，从而实现发现地质问题及找矿等目的。这一方法的原理成熟，在水文地质环境勘察、军事、考古及地质灾害等多个领域均应用广泛，应用于探测破碎带、断层及岩溶洞穴等的效果理想[1-2]。

1.2 高密度电法的优势与缺陷

高密度电法与直流电阻率法相比，其优势包括：①可一次性完成所有电极的布设，探测时无须更换及多次布设电极，能减少由于反复操作造成的干扰及误差，操作更方便；②可实现半自动化、自动化数据采集，可预处理数据，实时输出剖面曲线形态；③可自由组合电极，使用多种电极排列方式，提供更丰富的地质信息；④与传统电法比较，存在操作简单、探测信息丰富、高效经济、方便解释资料的特点。高密度电法的缺陷在于：①场地条件及地形条件会对探测结果造成影响；②当出现电极极化、电极供电不平衡、坏点时不能及时辨别。

1.3 高密度电法的作业要点

采集装置的选择。高密度电法二维勘探时，温纳装置适合应用于探测地形起伏较大的情况；偶极装置可以灵敏反应垂向电性变化，因此当对垂直、方形或圆形孤立目标体进行探测时适合使用偶极装置。当需要对剖面进行测量时，宜使用数种装置测量，参照检测结果，但是使用过多装置会增加时间消耗，造成成本增加，还可能增加解释难度。

高密度电法采集数据质量会直接影响到结果解释的准确性及勘探工作的质量，这就要求将各项准备工作做到位之后才能开展采集工作，采集数据的过程中要注意各种细节从而确保能高质量、高效率低完成数据采集工作。采集数据时，地形起伏变化、地下存在人工埋设物、地下构造分布等都会对测值造成影响，这就要求作业时尽可能避免电磁干扰、工业游离电流、较强大的电流等的干扰，要尽可能避免在地形崎岖的地方应用这一方法，要确保野外布线时周围的构造物尽可能少。

1.4 常见问题及解决方法

实际勘察时勘探条件复杂，这会造成高密度电法的应用效果受到一定影响。与实际情况相结合，分析高密度电法的应用常见问题及解决方法如下。

1.4.1 地形条件的限制。野外数据采集时，地形变化及地下构造都会影响到电位值测值，当测线横穿坡度超过45°的斜坡或陡崖时就常见电场伪像。实际工作中常见地形起伏，地表陡峭的区段不能排除病害，因此当由于地形条件造成高密度电法的应用受到一定限制时，需要与工区地球物理条件相结合，采用其他物探手段或者物探方法来进行辅助探测，例如可以使用地震反射波侧线、瑞雷面波法侧线等来保证完全覆盖被测区域[3-4]。

1.4.2 合理选择探测深度。高密度电法的探测深度最深可达到百米以上，但实际工作时受到采集系统元件性能及地形的限制，探测深度通常不深。对直流电法勘探而言，最大供电极距与探测深度正相关，一般而言高密度电法的偶极装置及温纳装置的有效探测距离是最大极距的1/8~1/6。

1.4.3 识别异常干扰。实际勘察时常见地表电性不均匀造成靠近地表的视电阻率等值线严重畸变。但低阻异常、高阻异常干扰都有其表现形式，根据形态上的规律可进行识别。除此以外同地质体不均匀也会造成深部假异常，这就需要与其他物探方法相结合使用断面对比或者其他方法来解决。

2 探地雷达

2.1 探地雷达的原理

探地雷达基于高频电磁波理论，对地下介质发射高频电磁波，电磁波在地下传播时由于介质的几何形态差异及电性参数不同会出现散射、反射，电磁波的电磁场强度、波形及传播路径也会出现变化，根据收集到的波形资料判断地质体或地下界面的位置及地下介质的结构。

2.2 探地雷达的优势与缺陷

探地雷达的优势在于：①抗干扰性能强，可应用于城市噪音环境下，探测结果较少受到环境的干扰；②工作效率高：探地雷达的仪器轻便，可迅速完成采样及探测，可一站式完成数据采集至图像处理，可在现场输出剖面图；③可实现无损探测：探地雷达检测时无须钻孔，通过天线系统发射信号及接收信号，不会对介质造成损害；④探地雷达的分辨率高。

探地雷达的缺陷在于：①磁导率、电导率、介电常数等多种因素都会对电磁波的传播造成影响，这增加了探测结果的解释难度；②与低频成分相比，高频成分更容易出现衰减，这造成探测分辨率严重降低。

2.3 探地雷达使用要点

介电常数是围岩的相对介电常数，为理论计算得出，有时会出现与实际存在较大偏差的情况，需要结合经验确定介电常数的合理范围。

选取时窗时根据地层电磁波速度及最大探测深度合理确定时窗，实际工作时对估算的时窗需要增加30%以满足目标深度及地层电磁波速度的变化需求。

天线的中心频率需要考虑到杂波的干扰，以确保最小分辨率的同时保证探测深度可满足要求。实际工作时，当探测深度为0.5m时天线中心频率可取1000MHz；当天线的深度为1.0m时天线中心频率可取1000MHz；当天线的深度为1.0m时天线中心频率可取1000MHz；当天线的深度为2.0m时天线中心频率可取200MHz；当天线的深度为10m时天线中心频率可取50MHz；当天线的深度为50m时天线中心频率可取10MHz[5]。

探地雷达实际探测时需要结合实际情况选择合适的探测方法，充分考虑到实际地质情况及未知目标体的差异来确定，可采用反射、投射及折射三种测量方式。

3 浅层地震波反射波法

3.1 浅层地震波反射波法的原理

浅层地震波反射波法人工激发地震波，地下介质由于弹性作用会出现膨胀、收缩交替变换的弹性振动，地震波遇到波阻抗存在差异的分界面时反射，反射的地震波回到地表引起振动，在地面接收检测波后研究地震波在介质中的传播规律，根据其频率、波形及振幅、不同接受点的距离、波的旅行时间等等推测浅层岩土或地下构造物理力学参数。

3.2 浅层地震波反射波法的适用场合

浅层地震波反射波法的探测深度浅，工作面积小，浅部存在较多干扰因素，适用于小规模探测。这一方法可精确描述弹性波速渐变的地层，即便是横向不均匀、地形条件复杂的情况下也可以给出合适的解释。这一方法适合应用于探测地下不良地质体、查找潜伏构造、探测松软层、测定基岩波速、测定覆盖层厚度等。浅层地震波反射波法要求隐患的性质稳定，隐患的规模或厚度要大于有效波长的1/4，且隐患与周围介质的波阻抗要存在较大差异。当对较小深度进行探测时使用横波反射法比较适合；当探测深度较大时纵波反射法更加适合。

3.3 浅层地震波反射波法的优势与缺陷

浅层地震波反射波法的优势在于包括：①勘探内容丰富；②侧线铺面连续；③检测快速、便捷；④成本低；⑤可准确探测地下构造的微小细节变化。

浅层地震波反射波法的缺陷包括：①震源脉冲持续振动信号造成两种波叠加；②近地表物质不均匀会影响检测结果；③面波干扰比较严重；④折射波初至区可能引起麻烦等。这就需要采取措施消除各种干扰、提高仪器分辨率、改进解释技术、特别注意数据处理及地震脉冲的激发和接收等。

3.4 浅层地震波反射波法的作业要点

浅层地震波反射波法布置侧线时需要充分考虑到地形、地质构造、探测对象及工作任务，尽可能确保侧线与构造或岩层走向垂直，侧线尽可能为直线，从而方便对构造形态进行控制，为整理、分析资料提供便利。侧线要在全测区均匀分布，从而为对比资料及综合分析带来便利。侧线要尽量与钻探勘探线或其他物测探测线保持一致，从而方便结合资料解释[6]。

4 瞬变电磁法

瞬变电磁法通过接地电极或不接地回线对地下发射脉冲电磁场，地下导体内部在电磁场的激励下产生感应电流，在脉冲磁场的间歇期感应电流的二次磁场不随一磁场的消失而立即消失，采用接地电极或线圈对二次磁场进行观测，研究二次磁场与时间的关系从平儿判断地下地质体的空间形态及电性分布。

通过二次磁场的变化情况可以对地下电质体的电性分布进行直接判断。这一方法的特点在于没有高阻屏蔽、分辨率高、勘探深度大、可同时完成剖面测量和测深工作等众多优势，在工程、水温、环境地质勘察、地热、煤田及矿产勘探等多个领域均应用广泛。

瞬变电磁法适用于各种施工区地形，选择合适的装置进行探测可确保分辨能力。数据采集时根据不同的延迟对二次感应电压进行动态测量可得到二次场强度与时间的特性曲线，之后将实测瞬变曲线转换为视电阻率－深度曲线，根据介质的视电阻率与瞬变电磁相应特征判断是否存在病害。

5 工程案例分析

某新建铁路勘察项目采用高密度电法及浅层地震波反射波法作业。高密度电法采集数据时使用60个电极组合的温纳装置进行测量，排列长度280-475m，点距5-10m。野外测量数据实时传输至计算机进行初步处理及推断解释，检查测量突变点、异常点从而为数据可靠性及真实性提供保障。

浅层地震波反射波法作业时使用工程地震仪施工，道距5-10m，sg2格式，记录长度512ms。对地形校正后进行资料处理。对地震记录进行检查及对比分析，使用软件读取同一排列所有记录的初至时间，绘制时距曲线，经时间场数据反演拟合及反演层析成像直观反映勘察区地层起伏形态、速度分布特征及地层厚度。

结果显示两种方法的剖面基本一致，高密度电法的断面图可见150~250m存在低阻条带，地震层析断面图显示50~150m存在低速带，与地质资料结合认为此处存在约100m宽的破碎带，其纵波波速2000~2600m/s，视电阻率250~1200Ω·m。

通过两种方法的应用可见实际工作时要结合需要解决的地质问题及实际地质特征合理选择观测参数，解释时需要与地质资料结合对不同方法的勘探成果进行综合解释从而相互验证勘探结果，这能有效提高不良地质现象、小断裂构造、水文地质及地质构造的规模、分布、勘察精度的可靠性、准确性。

6 结束语

水文地质工程是当前地质工作的主要任务。从我国地球物理勘查的方法看，总体上地球物理勘探方法一直在进步，虽然有很多中地球物理勘查方法，但是没有一种方法是万能的，因此，在进行地质勘查时要根据不同的地质条件和工作要求，有针对性地采用几种方法，从而提高成果的解译程度，更加精确地完成地球物理勘探工作。