[科普中国]-水文地质地球物理勘探

根据地下水、含水层与非含水层自身及它们之间存在的物性差异，利用地球物理方法来间接判断水文地质特征的一种勘探手段，简称水文物探。其优点是设备简单，操作简便，作业成本较低，效率较高，能较快地连续控制测区概貌，指导专门水文地质勘探工程的设计与施工。它可用于①查明第四系孔隙含水层分布、厚度及埋藏深度，寻找古河道，区分并圈定咸、淡水范围;②探测基岩表面的起伏和埋深，确定隐伏构造的位置，查明断层破碎带、裂隙发育带及喀斯特发育规律;③测定地下水流速、流向，分析地下水的补给、排泄和径流条件，圈出可能的富水地段或强径流带;④划分钻孔水文地质剖面，确定裂隙或喀斯特发育位置，划分咸、淡水界面，测定地下水矿化度，研究地下水运动特征。水文物探目前仍只能用来在特定地区解决特定的水文地质问题。1

方法水文物探可分为地面物探 (主要是电法勘探和地震勘探)、测井(包括通用测井、井液电阻率测井和流量测井)和孔间物探(主要是无线电波透视)三大类。

电法勘探是应用较广泛的一种水文物探方法。这首先是由于一些参数，如岩石的湿度，水的种类(结合水、自由水、硬水)，水中杂质含量、地下水类型(孔隙层状水、裂隙层状水、裂隙脉状水等)，会显著地改变岩石的电学特征。

岩石中水溶液的分布状态，是决定该岩石电阻率大小的因素之一。如果水溶液在岩石中呈分散和不连通的方式存在，则对岩层电阻率影响较小，而呈互相连通状态分布时，则使岩层电阻率大幅度降低。

岩层电阻率与含水孔隙度有明显的关系，一般说，孔隙度小的岩石，电阻率较高，常可达数百欧姆米甚至数千欧姆米;而孔隙度大渗透性小的岩石(如粘土等)，其电阻率较低，有数欧姆米到数十欧姆米的变化;对于孔隙度大而渗透性强的岩石(如砾岩、砂层等)，其电阻率则随水文地质条件的不同而有较大的变化范围。当它们饱含矿化度高的地下水时，电阻率只有数十欧姆米甚至数欧姆米;干燥时，电阻率可达百欧姆米甚至数千欧姆米。

岩层电阻率与岩石的裂隙率、喀斯特发育程度有较大关系。在喀斯特发育地带，地下水面以下的岩层电阻率呈现区域性降低。在裂隙发育(如断层附近)的含水地带，岩层电阻率呈低阻反映。岩石的透水性决定于渗透系数，而渗透系数又与电阻率有相关关系，两个参数都取决于孔隙通道的单位面积和形状。

水文电法勘探方法，根据探测区水文地质条件和工作任务进行选择。

(1)在潜水分布地段，为划分含水层，圈定淡潜水和矿化潜水分布面积，研究潜水的动态，多采用垂向电测深法、垂向电测深一激发极化法及各种电测剖面法。

(2)在干旱地区勘探淡水透镜体，常采用垂向电测深法，频率电磁测深法、旋转磁场法、航空电法和无线电波法。

(3)在埋深大 (100～300m) 的自流水分布地段，多采用大极距垂向电测深法、偶极电测深法及电磁测深法。

(4)探查裂隙带、构造带和喀斯特带水，可采用联合电剖面法、线状或环形垂向电测深法、垂向电测深一激发极化法等。2

地震勘探近年来较好地用于水文物探。主要在巨厚新生界覆盖区探查新生界厚度和岩层结构，圈定新生界底部含水层分布及其厚度变化，了解基岩顶部风化状况等。在合适地区，可用地震勘探法探查奥陶系灰岩顶面深度及其与下部煤层间距，大致了解灰岩喀斯特发育状况。

测井视电阻率测井和自然电位测井用于划分孔内岩层界面，确定含水层位置和厚度，划分咸、淡水界面，测定地下水矿化度。

γ测井其曲线主要反映岩层所含泥质的多少，据此可确定含水层和隔水层。

γ-γ测井通过鉴别岩层的密度差异来划分钻孔剖面，确定破碎带。

中子-γ测井根据所测得的二次γ射线强度来区分含氢量不同的岩层。由于岩石中的水是含氢量最多的物质，因此可根据中子-γ曲线变化，确定岩石的含水性质和孔隙度。

井液电阻率测井其原理是，将钻井液盐化，使其与含水层中地下水的导电性存在一定差异，然后用钻井液电阻计在不同时间沿钻孔不同深度测量钻井液电阻率的变化，用以确定孔内各含水层的水文地质特点。该法又可进一步分为扩散法、注入法和提捞法。扩散法是在钻井液盐化后，观测在自然状态下钻井液沿钻孔不同深度电阻率的变化过程。而注入法和提涝法则是在钻井液盐化后，在向钻孔注水或从钻孔提水的条件下进行测量。这样，根据钻井液浓度，即电阻率变化曲线，即可划分渗透性含水层的界面和厚度，还可计算地下水的渗透速度或确定渗透系数。

充电法测井用于确定地下水流向和流速，估计含水层的渗透系数;在条件有利时，可以用来探测喀斯特充水裂隙及地下暗河。其原理是，向钻孔中含水层段投放食盐，通过在地面测量等电位线随时间推移而出现的位移，来圈定随地下水流动的盐液在钻孔四周分布形状的变化。该法适用于非承压淡水含水层埋藏深度不大 (100m以浅) 的地段。

上述几种测井方法的缺点是，难于确定渗透性能微弱的含水层;当钻孔涌水量大，含水层层数多，或有其它复杂情况时，扩散法和注入法效果不好;而且所测定的参数为概值，测定涌水量误差较大。

流量测井根据多含水层混合井流理论建立起来的一种孔中测流技术。它在钻孔抽水、注水、涌水、漏水以及含水层间通过钻孔发生相互补给等有轴向水流运动的条件下，利用放在孔内的传感器，测量不同深度的流速，进而计算其流量，借以划分含水层和隔水层，测定含水层的厚度、渗透性能变化及有关参数;在钻孔揭穿多个含水层时，测定各含水层的分层流量，得到各含水层流量和水位降深关系曲线，取得分层水位和其它水文地质参数。

根据施测方法，流量测井又可分为连续测量、点测、定点持续测量等三种方法。连续测量，是在传感器恒速移动的同时，连续测量流量。其特点是施测时间短，易进行重复性检测，资料比较系统、完整，便于选择计算孔段，记录仪可以和煤田测井共用。点测，即将传感器分别静置在各个测点上，然后观测各测点上传感器叶轮所对应的转速，绘出转速随深度变化曲线。其特点是施工简单，适应性强，不用配备记录仪，施测仪器简单。定点持续测量，测点一般布置在钻孔孔壁比较完整的隔水层段内，并尽量使其条件与仪器标定条件相同，以利提高资料解释精度。定点持续测量可以保证重点孔段资料的完整性和精度，了解流量的变化过程。

流量测井仪所采用的传感器有叶轮式、热敏电阻式及其它形式，而以叶轮式居多。叶轮式传感器流量测井仪直接测得转速值，然后利用不同孔径中转速(或幅值) 与流量的标定曲线，将其转换成流量值。

孔间无线电波透视法近年来多用于在矿井防治水时探查石灰岩地区的喀斯特和构造破碎带分布特征。其原理是，把发射机与接收机分别置于有限距离的相邻两钻孔中，研究孔间岩石对电磁波的吸收性质。由于石灰岩为高电阻，因而根据钻孔测量场强曲线的低值异常，就可以确定充填有水和泥砂的溶洞等低电阻体的位置。仪器工作频率的高低，直接影响透视距离和识别异常的分辨力。频率增大，分辨力增高，但透视距离减小，反之，透视距离加大，而分辨力减低。因此，要根据工作区具体条件，合理确定工作频率。无线电波透视法目前主要采用同步法和定点法两种观测形式。同步法是指接收机和发射机分别在两个钻孔同时移动;定点法是把发射(或接收)机固定在孔中某一点，使接收(或发射)机在另一钻孔中移动并测量电磁波场强。一般，先进行同步测量，较快地发现异常，再在异常中心进行定点测量，了解异常的形态特征。

特点水文物探方法象一般物探方法一样，是一种探索性较强的勘探手段，具较强的条件性和多解性，在实际应用时的特点是，①水文地质勘探对象与围岩之间要存在一定的物性差异，差异愈大，物探异常反映愈明显，解释可靠性愈大，这表明应根据具体矿区的实际条件，选用合适的水文物探方法;②相对于埋深，勘探对象要具有一定规模，物探仪器才能检测出地球物理场的变化，并把有用异常从各种干扰中识别出来;③由于仪器、地下水和含水层地球物理条件、解释方法等多方面的限制，应注意采用综合物探手段取得多种参数，助长补短，互相验证;④要从已知到未知，逐步改进施工、资料处理与解释方法。

本词条内容贡献者为:

李兵 - 副教授 - 西南大学