地面物探方法在水文地质调查中的应用

地面物探方法的种类很多，目前在水文地质调查中应用最普遍的是电法，磁法、放射性探测法和声波探测法也经常使用。这些物探方法是探测地层岩性、构造和寻找地下水及判定某些水文地质现象的有效手段，但多数的物探方法都是间接的勘查和找水方法。

电法勘探是通过研究天然和人工电场，解决某些地质、水文地质问题的一种方法。电法又可分为很多种，在水文地质工作中的应用亦各有侧重（表4-1），其中直流电法应用较多。

1.电阻率法

电阻率法是当前水文地质物探工作中使用最广，效果较好的方法。该法所测定的电阻率（ρS）可达105Ω·m，超过目前其他任何物探仪器。它可以用来探测含水层的分布及厚度和圈定咸淡水界面等等。目前，电阻率法在我国水文地质物探工作中约占80%以上。

前已述及，视电阻率（ρS）是在探测电场分布范围内各种岩石电阻率的综合效应和影响。在第四纪松散沉积物地区，岩石的颗粒越粗，孔隙越大，透水性越好，地下水循环迅速，矿化度一般较低，因而电阻就高。透水性不好的岩石，矿化度一般较高，所以电阻率就低。即砾石、粗砂的电阻率较高，中细砂次之，粘土最低。在坚硬的基岩地区，岩浆岩的电阻率一般高于沉积岩，致密岩石的电阻率高于松散或破碎（节理、断裂发育）且含水的岩石，脆性岩石（如灰岩、火成岩等）的电阻率高于柔性、塑性岩石（如泥岩、页岩、片岩等）。

表4-1 电法分类及应用情况

图4-1为某地采用四极对称剖面法垂直河道走向实测的一条古河道剖面图。古河道被砂砾石充填，砂砾石电阻率（ρ1）大于下部隔水的粘土层的电阻率（ρ2），当选用的供电极距（

）所对应的勘探深度大于砂砾石厚度（h）时，在电测剖面线上，古河道以相对的高阻异常反映出来。若把垂直古河道走向的多条剖面线所测结果，绘制成ρS平面等值线图（图4-2），可从等值线呈条带状的特点来确定古河道的延伸方向及分布范围。

电测深法是探测某测点地下介质垂向上电阻率的变化。主要用于探测具有电性差异、层位近水平的地质问题。图4-3为云南某地某测线的电测探综合剖面图。该区第四纪（Q）为冲洪积—湖积粘土和砂砾石层，下伏第三纪泥灰岩，砂砾石呈透镜体分布，埋藏较浅，电阻率为40～75Ω·m，是本区的主要含水层，粘土电阻率较低，一般为15Ω·m或更小，泥灰岩电阻率为20～25Ω·m。用电测深圈定的砂砾石的分布范围和厚度，如图4-3所示，以后的钻探结果证明电测深的成果是可靠的。

2.激发极化法

激发极化法是根据供电极断电后，由电化学作用引起的岩石和地下水放电电场（即二次场）的衰减特征来勘查和寻找地下水。二次场的衰减特征可用视极化率（ηS）、视频散率（PS）、衰减度（D）、衰减时（t）表示。通常t和D是勘测地下水效果较好的参数。t是二次场电位差（ΔUZ）衰减到某一规定数值时（通常规定为50%）所需的时间（单位为s），D亦是反映极化电场（即二次场）衰减快慢的一种测量参数。由于岩石中的含水或富水地段水分子的极化能力较强，又因二次场一般衰减慢，故D和t值相对较大。

图4-1 四极对称剖面电测曲线与古河道剖面对比图

图4-2 用对称四极剖面法追索古河道的S剖面平面图

1—测线；2—ρS曲线；3—推断的古河道

激发极化法和电阻率法一样，分为测深法、剖面法等。其中，激发极化测深法用得最多，主要用于寻找层状或似层状的含水层、含水带，确定其地下水分布范围、埋藏深度等。还可根据含水因素和已知钻孔涌水量的相关关系，大致估计设计钻孔的涌水量。

由于激发极化所产生的二次场值小，故这种方法不适用于覆盖较厚（如大于20m）和工业放散电流较强的地区。这种方法的不足之处是电源笨重，工作效率较低，成本较高。

3.自然电场法

自然电场法是以地下存在的天然电场作为场源。自然电场的产生主要与地下水通过岩石孔隙、裂隙时的渗透作用及地下水中离子的扩散、吸附作用有关。例如，岩石固体颗粒吸附了固定的负离子层，而在运动的地下水中集中了较多的正离子，从而形成了在水流方向上为正电位（高电位），相反方向为负电位（低电位）的电场，这种电场称为渗透电场（或称过滤电场），它是自然电场的主要部分。另外，水溶液的浓度差或成分差会形成扩散电场，氧化还原作用也会产生自然电场。因此，可根据在地面测量到的地下天然存在的电场变化情况，查明地下水的埋藏、分布和运动状况。这种方法主要用于寻找掩埋的古河道，基岩中的含水破碎带，及确定水库、河床及堤坝的渗漏通道及隐伏的上升泉，测定抽水钻孔的影响半径等。

自然电场法的使用条件，主要决定于地下水渗透作用所形成的过滤电场的强度。一般只有在地下水埋藏较浅、水力坡度较大和所形成的过滤电位强度较大时，才能在地面测量到较明显的自然电位异常。

图4-4是利用自然电场法确定地下水和地表水关系的实例。当地下水补给地表水时，在地面上能观测到自然电位的正异常，图4-4（a）为灰岩和花岗岩接触带的上升泉，观测到明显的正异常；相反，当地表水补给地下水时，则观测到自然电位负异常，如图4-4（b）为水库渗漏地点上出现的负电异常。

4.交变电磁场法

图4-3 电测深综合剖面图

（a）ρS剖面曲线图（

=25m）；（b）等ρS断面图；（c）地质断面图

1—粘土；2—砂砾石；3—泥灰岩

交变电磁场法简称电磁法，它是以岩、矿石的导电性、导磁性及介电性的差异为基础，通过对以上物理空间和时间分布特征的研究，从而查明有关地质问题和地下水的电探方法。电磁法的种类很多，目前在生产中使用的有甚低频电磁法（利用超长波通讯电台发射的电磁波为场源）、频率测深法（以改变电磁场频率来测得不同深度的岩性）、地质雷达法（利用高频电磁波束在地下电性界面上的反射来达到探测地质对象的目的）、无线电波透视法（通过研究钻孔或坑道间电磁波被介质吸收的情况来研究充水溶洞等地质对象的分布范围和产状等）、核磁找水法［也称核磁共振法（NMR），在一定强度和频率的人工磁场作用下，水分子就会产生核磁共振现象，测定其磁振动频率发出的迅号强度，就可确定出地下水埋深和富集程度］。其中，甚低频法对确定低阻体（如断裂带、岩溶发育带和含水裂隙带）比较有效，而地质雷达则具较高的分辨率（可达数厘米），可测出地下目的物的形状、大小及空间位置，核磁共振找水法是能直接寻找地下水的新方法，该法可获得含水层厚度、埋深、孔隙度、含水量等信息，有较高的准确性，缺点是探测深度比较小（100m左右），抗干扰能力差，仪器昂贵等。

5.放射性探测法（天然放射性找水法）

放射性探测法是利用地壳岩石中天然放射性元素及种类的差异，或在人工放射源激发下岩石核辐射特征的不同，通过测量其放射性活度来研究和勘查地质、水文地质问题的一种物探方法。

放射性探测法主要适用于寻找基岩地下水，因为：①不同类型岩石，由于其放射性元素含量不同，其放射性强度常有差异；②岩石中断裂带和裂隙发育带，常是放射性气体运移和聚积的场所，故可形成放射性异常带；③在地下水流动过程中，特别是在出露地段，由于水文地球化学条件的突然改变，可导致水中某些放射性元素的沉淀或富集，从而形成放射性异常。

由于地下水中所含放射性物质甚微，所以利用天然放射性找水，并非直接测定地下水的放射性，而是通过测定岩石的放射性差异去判断有无含水的岩层，有无可供地下水赋存的断裂、裂隙（通道）构造。水文地质勘查中所使用的放射性探测方法多为天然放射性方法，主要方法有γ测量法和α测量法。

图4-4 用自然电场法确定地下水与地表水的补给关系

（a）地下水补给地表水；（b）地表水补给地下水

（1）γ测量法：也称γ总量测量，它是利用仪器（闪烁辐射仪）测量岩层中铀、钍、钾等放射性核素所辐射出的γ射线总强度，根据射线强度（或能量）的变化，发现γ异常或γ射线强度（或能量）的增高地段，从而查明地质、水文地质问题。本方法使用的仪器轻便、工作效率高，对查明岩层分界线和破碎带有一定效果，但其异常显示不够明显，覆盖层厚度较大时效果不佳。

（2）α测量法：α测量法是通过测量氡及衰变子体产生的α粒子的数量来勘查地质、水文地质问题。在水文地质工作中用的较多的是α径迹测量和α卡法，前者所测得的α射线是氡和其他放射性元素共同产生的，而后者所测的仅是氡及其子体所产生的α射线强度，两种方法的工作原理也基本相同。α测量法用于确定富水构造裂隙带效果较好。

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