地球物理方法在地下水勘查中的應(yīng)用

劉輝　 蔡洋洋

摘要：水是生命之源，是人民大眾賴以生活的寶貴資源，如果地表可用水資源越來(lái)越少，就必須對(duì)地下水進(jìn)行開(kāi)發(fā)和利用，因此對(duì)地下水資源尋找方法的探究也就尤為重要，多了解凈化處理水資源的原理和方法，充分利用科學(xué)技術(shù)，一定可以探究出更加豐富而有效的解決措施。

關(guān)鍵詞：地下水；地球物理；勘查

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對(duì)水資源的需求越來(lái)越大，在科學(xué)不斷發(fā)展的今天，專家們研究尋找水資源的一個(gè)大趨勢(shì)是根據(jù)不同種類的地下水分析其特點(diǎn)特征，使用多種方法結(jié)合更有效的達(dá)到尋找水資源、處理地下水的目的。本文主要介紹各種地球物理方法，進(jìn)一步介紹最新的科學(xué)技術(shù)。

1 常規(guī)的地球物理方法概述

1.1 激電法

利用激電二次場(chǎng)的衰弱快慢和大小的不同，來(lái)推斷出巖體的含水狀況，這是激電法的最大特點(diǎn)。而直觀反映巖溶裂隙水的水位埋深與相對(duì)富水帶、受地形影響小，是激電法的最大優(yōu)點(diǎn)。就目前而言，表征巖石激發(fā)極化放電快慢的衰減度和半衰時(shí)的參數(shù)、表征巖石激發(fā)極化的充電率和極化率參數(shù)、激發(fā)比和相對(duì)衰減時(shí)等綜合參數(shù)，是應(yīng)用較為成功的激電參數(shù)。不同的儀器與不同的地質(zhì)體，影響著這些激電參數(shù)的選取。經(jīng)大量的實(shí)驗(yàn)表明，要進(jìn)行溶巖地下水的勘察，衰減度（D）、半衰時(shí)（TH）、極化率（G）有良好的效果。

1.2 放射性ɑ法

通過(guò)利用地質(zhì)體的放射性特性對(duì)地質(zhì)體中氡的A輻射體進(jìn)行收集，同時(shí)根據(jù)收集到的A輻射體的量值大小，來(lái)推測(cè)勘探的巖體富水情況和地質(zhì)體的地下構(gòu)造，這就是放射性ɑ法。

1.3 電測(cè)深法

電測(cè)深法主要用于勘測(cè)巖性、地層在垂直方向上的電性變化、尋找位移變化較為穩(wěn)定的含水層、解決和富水層深度相關(guān)的地質(zhì)問(wèn)題、確定含水層的頂?shù)装迓裆?，其屬于研究垂直地質(zhì)構(gòu)造的地球物理方法。而在勘探熱水資源的電測(cè)深法中，五級(jí)縱軸測(cè)深法擁有十分廣闊的應(yīng)用前景。在確定熱水井位時(shí)，使用分層細(xì)、異常明顯、野外施工受場(chǎng)地條件限制較小的對(duì)稱四極測(cè)深法。

1.4 瞬變電磁法

瞬變電磁法（TEM）是利用接地電機(jī)（或是不接地回線）向地下發(fā)射脈沖式一次電磁場(chǎng)，然后利用接地電極（或是線圈）對(duì)裝置發(fā)射的脈沖電磁場(chǎng)感應(yīng)到的地下渦流而產(chǎn)生的二次電磁場(chǎng)的時(shí)間、空間分布情況進(jìn)行觀測(cè)，是一種時(shí)間域電磁法。

在地形情況復(fù)雜的山區(qū)尋找地下巖溶構(gòu)造，可以利用工作效率高、測(cè)試工作簡(jiǎn)單、方便迅速解決問(wèn)題的瞬變電磁法來(lái)查找地下淺層巖溶水。

在實(shí)際的應(yīng)用當(dāng)中，瞬變電磁法在直升飛機(jī)、飛機(jī)的各個(gè)平臺(tái)中同樣適用，其在向勘測(cè)人員揭示相關(guān)的含水層位置和結(jié)構(gòu)及測(cè)量出勘探區(qū)的磁場(chǎng)以幫助勘測(cè)人員繪出地下巖溶水位置的巖脈和顯著斷層方面優(yōu)勢(shì)突出。目前最新的寬頻帶數(shù)字處理設(shè)備和航空設(shè)備可以廉價(jià)且快速的對(duì)>200m深的含水層進(jìn)行勘探測(cè)量。加上計(jì)算機(jī)的解釋說(shuō)明技術(shù)可以繪制出巖層中的含水層的深度和電導(dǎo)率圖，這對(duì)于對(duì)地下水源的識(shí)別了解及開(kāi)發(fā)利用是非常重要的。

2 地球物理方法在地下水勘察中的應(yīng)用新技術(shù)

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，最近一、二十年里，在地下水勘察領(lǐng)域也出現(xiàn)了如高分辨率淺層地震法、核磁共振法這些找水的新方法新技術(shù)。

2.1 高分辨率淺層地震法

2.1.1 高分辨率淺層地震法的核心原理

反射地震法是目前應(yīng)用最多的水文勘探地震方法。不同巖層彈性參數(shù)之間的差異是該地震勘探法的物探依據(jù)。高分辨率淺層地震法能夠滿足地震勘測(cè)人員在地下水勘察過(guò)程中對(duì)地層劃分、地質(zhì)構(gòu)造、巖性對(duì)比和地層富水性等相關(guān)水文地質(zhì)方面數(shù)據(jù)資料需要。

通常情況下，如果底層分界面的反射系數(shù)比較小，那么在地震剖面上顯示的振幅能也較為微弱。但是圍巖分界面與含水層的頂?shù)捉缑嬷械陌l(fā)射系數(shù)往往超過(guò)反射界面的系數(shù)，其主要原因是其是一個(gè)波阻抗面，非常容易形成具有極強(qiáng)反射振幅的亮點(diǎn)。

2.1.2 高分辨率淺層地震法的技術(shù)特點(diǎn)

高分辨的淺層地震法擁有4大特點(diǎn)：①勘察深度淺到幾十米，深達(dá)數(shù)千米，范圍較大；②擁有分辨能力強(qiáng)、定深精度高的優(yōu)點(diǎn)；③比電磁法要受電磁干擾要小，但是勞動(dòng)強(qiáng)度要比電磁法大；④擁有成熟的數(shù)據(jù)資料處理解釋手段，能夠預(yù)測(cè)基巖構(gòu)造裂隙的富水性和含水層的孔隙度。

2.2 核磁共振法

目前，核磁共振法（NMR）不僅應(yīng)用于水文地質(zhì)勘察工作，還應(yīng)用于礦物質(zhì)成分檢測(cè)、測(cè)井和醫(yī)療等領(lǐng)域當(dāng)中，涉及行業(yè)十分廣泛。通過(guò)已有的國(guó)外研究資料，我們了解到核磁共振法開(kāi)創(chuàng)了地球物理方法應(yīng)用于地下水勘察的先例，并且在工程地質(zhì)監(jiān)測(cè)、地下水勘察、油田管道漏水和煤礦探測(cè)等領(lǐng)域由于十分廣闊的發(fā)展前景。

2.2.1 核磁共振法找水的核心原理

該方法找水的核心原理主要體現(xiàn)在以下幾方面：（1）地下水的氫核由于具有極其微弱的磁性而可以顯示出核子的順磁性，在恒定的地磁場(chǎng)的作用之下，產(chǎn)生宏觀磁矩M；（2）在垂直于地磁場(chǎng)的方向施加一交變磁場(chǎng)脈沖，使質(zhì)子在磁場(chǎng)當(dāng)中進(jìn)動(dòng)的拉摩爾頻率和交變磁場(chǎng)的頻率相等，則交變磁場(chǎng)的脈沖寬度W和交變磁場(chǎng)振幅2T的乘積和下述關(guān)系一致：vTW=θ，其中，θ表示M和地磁場(chǎng)之間的夾角，通過(guò)對(duì)T或（W）進(jìn)行調(diào)整，使θ=π/2，這種情況下，M將代替交變磁場(chǎng)脈沖垂直于地磁場(chǎng)的方向，而交變磁場(chǎng)脈沖停止，宏觀磁矩M將繞地磁場(chǎng)作進(jìn)動(dòng)，從而在地面上產(chǎn)生最強(qiáng)的自由進(jìn)動(dòng)信號(hào)（FID）；（3）這個(gè)脈沖將把π/2稱作脈沖，信號(hào)會(huì)在θ的取值發(fā)生改變的情況下減弱。通過(guò)調(diào)整改變脈沖參數(shù)，并且對(duì)自由進(jìn)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行全面記錄，根據(jù)自由進(jìn)動(dòng)信號(hào)的振幅和弛豫時(shí)間，通過(guò)計(jì)算，我們就可以對(duì)地下不同深度處的滲透率、孔隙度和含水量等情況進(jìn)行了解及掌握。

2.2.2 核磁共振法的技術(shù)特點(diǎn)

核磁共振法具有以下6大技術(shù)特點(diǎn)：①地下水的勘探深度較淺；②屬于尋找淡水的直接找水法；③適合于西北等地表干燥的區(qū)域使用；④容易受到電磁噪聲的干擾；⑤費(fèi)用低廉；⑥信息量十分的豐富。

綜上所述，激電法、放射性ɑ法、電測(cè)身法和瞬變電磁法是目前地下水勘察方面應(yīng)用較廣的地球物理方法，也出現(xiàn)了如高分辨率淺層地震法、核磁共振法之類的新技術(shù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]嚴(yán)正.地球物理方法在地下水勘察中的應(yīng)用[J].地質(zhì)科學(xué)，2016（04）.