地球物理勘查方法在水文地質(zhì)工程中的應(yīng)用研究

范育典

地下水在人類活動中起著重要作用，它在滿足人們?nèi)粘Ｉ畹耐瑫r，也與環(huán)保、礦業(yè)、地下工程、農(nóng)業(yè)等部門息息相關(guān)，對這些部門的運行起著至關(guān)重要的作用。隨著技術(shù)的不斷進步，水文測量方法也從不同的角度、層次和方向發(fā)展，相關(guān)工作人員可以利用多種現(xiàn)代技術(shù)手段代替?zhèn)鹘y(tǒng)的常規(guī)工具，更加省時方便和快捷，同時也可以提高測量的安全性，降低風(fēng)險，有效提高測量的效率。

1 地球物理勘查的相關(guān)概念

地球物理勘查技術(shù)是以物理學(xué)理論知識為基礎(chǔ)，監(jiān)測和分析地球物理場及其變化的一種常用勘查方法。物理勘查的方法能有效探測地球及近體空間物質(zhì)組成和介質(zhì)結(jié)構(gòu)的演化特征，并對其進行綜合分析研究，在地質(zhì)災(zāi)害、考古、工程建設(shè)、環(huán)境保護、資源勘查等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。此外，地球物理勘查技術(shù)在巖石結(jié)構(gòu)密度勘查、物性分析、磁導(dǎo)率和熱導(dǎo)率的研究中具有重要意義。通過物理實驗，我們可以全面分析和了解地球的物質(zhì)結(jié)構(gòu)和成分密度。對于一些水文地質(zhì)工程，還可以利用物勘技術(shù)詳細調(diào)查地下巖石的豐富礦物和含水量，確定地下巖石的電阻率和阻抗值。在水文地質(zhì)工程勘查中，若巖層缺水差異超過10℃以上，可確認巖層含水量較高，地下水分布較好。此外，通過磁性判斷巖層，測量當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)信息數(shù)據(jù)，利用磁力探測該地區(qū)的礦產(chǎn)情況，分析磁性（主要是金屬元素的含量和類型），對于了解巖層的物質(zhì)分布具有重要意義。從這個意義上說，地球物理勘查方法在水文地質(zhì)工程測量中發(fā)揮著重要作用，可以大大提高效率和精度，保障測量數(shù)據(jù)的準確性。

2 水文地質(zhì)環(huán)境研究的重要性

地質(zhì)勘探是水文地質(zhì)工程的重要組成部分。在已有研究成果的基礎(chǔ)上，通過水文地質(zhì)勘探，確定區(qū)域地質(zhì)環(huán)境和水文條件，編制相關(guān)水文地質(zhì)報告，可以提前掌控施工時間，盡量減少水文地質(zhì)條件對項目后期的影響。相關(guān)人員在實踐中應(yīng)根據(jù)不同區(qū)域、不同水文環(huán)境進行具體分析，制定出適合該區(qū)域的最優(yōu)水文地質(zhì)管理方案，使地下水對工程的影響達到最小限度，有效降低地下水對工程的影響。在水利工程建設(shè)過程中，由于缺乏水文地質(zhì)信息和資料，工程建設(shè)質(zhì)量下降的情況并不少見。然而，水文地質(zhì)環(huán)境與一般的普通環(huán)境有所不同，水文地質(zhì)條件對工程勘查的影響往往被忽視。如果水文地質(zhì)環(huán)境研究分析不徹底，將給項目后期建設(shè)運營帶來一系列問題，甚至危及工程質(zhì)量、人員和設(shè)備的安全。

3 水文地質(zhì)工程存在的問題

3.1 影響巖土工程

地下水位的變化影響著巖土工程的建設(shè)，以及后期巖土工程施工的穩(wěn)定性和耐久性。在這里筆者主要分析地下水位變化的來源，包括以下幾點：第一，地下水位的變化與季節(jié)變化有關(guān)，夏季雨季水位上升，冬季旱季水位下降；第二，地下水位的變化受區(qū)域差異的影響，不同地區(qū)地下水位的變化不盡相同，需要具體區(qū)域具體分析；第三，除自然災(zāi)害外，人為引起的水位變化對巖土工程造成更嚴重的危害。因此，為了減少地下水位變化對建設(shè)項目的影響，有必要對地下水位進行客觀分析。

3.2 安全隱患問題

當(dāng)?shù)叵滤患眲∠陆禃r，會產(chǎn)生一系列安全隱患。例如石化能源開發(fā)地會產(chǎn)生大量地下水，或一些大型水利建設(shè)項目造成水位驟降、地面塌陷、地面開裂等現(xiàn)象。除此之外，人類水資源的大量浪費和污染也會對水質(zhì)、巖土工程乃至人類生活產(chǎn)生嚴重負面影響。

3.3 妨礙勘測活動

地下水位的變化也會影響相關(guān)測量。地下水的不均勻膨脹和地下水位的升降會引起地下環(huán)境的變化。同時，地下水位的變化對巖土環(huán)境的定量變化影響也很大，即使是一些小建筑也會受到影響，造成地面裂縫。地下水位下，鐵、鋁的流失會導(dǎo)致土壤疏松，大大降低土壤的承載力，時間一長，將對未來水文地質(zhì)工程的建設(shè)和發(fā)展產(chǎn)生影響。

4 地球物理勘查方法的科學(xué)依據(jù)

物理勘查方法在水文地質(zhì)勘查中的應(yīng)用主要是基于地下巖層的物理差異。只有地下巖層的物理差異客觀存在，物理勘查方法才可以有效判斷地下巖層的水文地質(zhì)條件。在實踐中，需要利用地球物理探測儀器，根據(jù)地下巖層和水體的物理性質(zhì)和變化，分析地下巖層的物理巖性、物理結(jié)構(gòu)和含水量，從而做出真實有效的判斷。在應(yīng)用物理勘查方法時，應(yīng)充分利用以下三個科學(xué)理論基礎(chǔ)，水文地質(zhì)條件才可以有效確定：首先，根據(jù)地下巖層的含水量確定水文條件。如果地下水資源豐富，含有大量的礦物質(zhì)，說明地下巖石具有良好的導(dǎo)電性，因此可以判斷水文條件對地下巖石電阻率有一定的影響。例如，如果再用物理勘查方法探測低含水量的厚灰?guī)r，監(jiān)測到的PS 值則會明顯高于500Ω?m，遠高于低地段地區(qū)；其次，根據(jù)地下巖層的磁性確定地質(zhì)條件。因為巖石中金屬元素的種類和數(shù)量不同，磁性也會有很大的不同。例如，大多數(shù)巖漿巖富含金屬元素，磁性很強。相反，許多沉積巖缺乏金屬元素，因此磁性較弱。在地球物理勘查中，能夠很明顯發(fā)現(xiàn)儀器存在明顯的磁差波動；最后，通過巖體的放射性和熱輻射強度可以判斷該地區(qū)的綜合地質(zhì)和水文條件。在地下地層中，如果有不同類型的巖石，它們表現(xiàn)出不同水平的放射性和熱輻射，尤其是富水巖石和貧水巖石之間，表現(xiàn)出明顯的差異。一般來說，斷層兩側(cè)貧水巖帶的輻射溫度高于斷層兩側(cè)富水巖帶，平均相差7℃～ 11℃。

5 地球物理勘查方法在水文地質(zhì)工程地質(zhì)中的應(yīng)用研究

5.1 地球物理測井方法

地球物理測井技術(shù)，簡稱測井，是通過儀器測量鉆孔內(nèi)的電、聲、熱、放射性等物理參數(shù)，識別地下巖性和流體性質(zhì)，從而勘查開發(fā)油氣田的重要手段。利用物理原理和方法，使用專用儀器設(shè)備，測量巖石物理參數(shù)，包括電阻率、聲速、巖體密度、射線捕獲和發(fā)射能力等。在此基礎(chǔ)上，了解地下地質(zhì)信息和資源分布。通過研究這些信息，工程師們發(fā)現(xiàn)并評估資源（包括石油、天然氣、煤炭、金屬、非金屬、地?zé)岷偷叵滤吹龋┑膬α亢唾x存狀態(tài)。據(jù)此，制定合理有效的資源開發(fā)方案。也就是說，地球物理測井是勘查和開發(fā)油氣、煤炭、水資源、金屬和非金屬等各種資源的重要技術(shù)手段。甚至在城市市政規(guī)劃中，它在基礎(chǔ)測量、高速鐵路建設(shè)和地鐵建設(shè)中也發(fā)揮著重要作用。在應(yīng)用層面，地球物理測井技術(shù)可用于測量水文地質(zhì)工程地質(zhì)參數(shù)和確定含水層。利用鉆井剖面進行巖性分層，再結(jié)合鉆井取心和水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘查資料，進行深入分析研究，從而推斷出水文地質(zhì)工程的地下含水層、咸淡水邊界、巖溶發(fā)育帶以及水文地質(zhì)工程地質(zhì)參數(shù)。如果沒有巖芯鉆探或巖芯鉆探不足，地球物理測井是一種很好的探測手段。并且，在水文地質(zhì)和工程地質(zhì)調(diào)查中，地球物理測井方法比地面地球物理勘查方法更準確。在某些情況下，地球物理測井中的鉆井技術(shù)可以準確地確定地下地層的邊界和含水?dāng)鄬拥奈恢谩?/p>

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，包括自然電場法、高密度電法、瞬變電磁法、雷達探測法等。自然場法是利用自然電場進行地質(zhì)勘查，對地下水源分布有一定了解的一種新方法，但這種方法主要是通過地下水的滲透和巖石顆粒的吸附形成自然電場，這表明它實際上與地下水的滲透和顆粒的吸附密切相關(guān)。基于這一原理，只要有足夠的專業(yè)儀器進行檢測，就可以在一定程度上科學(xué)合理地推斷地下水的位置和方向。高密度電法是將整個電極放置在一個截面內(nèi)，利用專業(yè)的測量儀器采集不同電極的數(shù)據(jù)。事實上，高密度電法在使用中往往有很多優(yōu)勢，比如可以提高工作效率，減少相關(guān)設(shè)備的故障，甚至在整個檢測過程中不受其他因素的影響。其次，高密度電法還可以測量多種不同的電極，在一定程度上獲得相對完整的數(shù)據(jù)。除此之外，高密度電法能夠在工作過程中實現(xiàn)自動或半自動工作，可以在一定程度上幫助相關(guān)人員減輕工作壓力，同時提高工作精度，減少失誤。瞬時電磁法的原理是將磁場傳遞到地面，探測地下地質(zhì)情況。結(jié)合磁場的整體變化，可以了解不同深度的地質(zhì)條件和水文分布特征。雷達探測法一般采用探地雷達，利用天象來傳輸信號，然后在地質(zhì)中快速傳輸特定的電磁波。反饋后，地質(zhì)體可以根據(jù)頻率進一步確定內(nèi)部分布。雖然這種方法存在一些不足，但我們可以在探索過程中盡量避免這些不足，以彌補雷達本身的不足。這是水文地質(zhì)工程勘查中幾種比較有效的方法，下文將對他們展開具體的闡述。

5.2.1 自然電場法

自然電場法是指利用地下巖石或礦石氧化還原，地下水在巖石顆粒間滲透、擴散、吸附形成的自然電場進行水文地質(zhì)勘查的方法。這種方法的具體原理是需要通過對地下水滲透和巖石顆粒吸附等作用，形成一種自然地電場。利用地面監(jiān)測地下水電場變化，探索地下水埋深、位置分布和運動狀態(tài)。這種方法有利于探測古河道和表層地層是否存在含水破碎帶，進而推斷河床、水庫、大壩的滲流位置和方向，以及適合采用何種半徑的抽水孔。

5.2.2 高密度電阻率法

巖體的電阻率受鹽度、含水量、礦物成分、顆粒結(jié)構(gòu)、孔隙度等因素的影響。如果同一巖層中沒有水，其阻力值將受到很大限制。在水文地質(zhì)調(diào)查中，利用電阻率物理勘查技術(shù)對其進行探測，即通過測量其電阻率及其空間分布規(guī)律，探索其空間分布和蓄水條件，完成水文地質(zhì)調(diào)查，是一種很常見的手段，也是一種間接尋找水源的方法。其原理與普通電阻法相同，是處理各種地質(zhì)問題的有效勘查方法。如果電源電流不變，脈沖流進入地面時，隨時可以觀察到兩個測量電極之間的電位差，使其更趨于飽和值。斷開供電電流之后，會有電極間電位差急速的發(fā)生衰減，在衰減帶一定數(shù)值當(dāng)中，如果衰減速度逐漸變慢，在歷經(jīng)一點時間之后，其衰減為零，此類放電與充電現(xiàn)象，形成的附加電磁現(xiàn)象，便是激發(fā)極化效應(yīng)。

就具體的地質(zhì)應(yīng)用而言，我國早期主要采用機電法勘查金屬硫化物礦床。后來隨著這項技術(shù)的不斷發(fā)展，被廣泛應(yīng)用于氧化礦床、非金屬礦床、工程地質(zhì)勘查等領(lǐng)域。由于科學(xué)技術(shù)的不斷進步，激電法在找水方面也有很好的效果，激電法主要是用來測量地層的含水量，被稱為現(xiàn)代找水新技術(shù)。將激電法與高密度電阻率法相結(jié)合，可以大大提高找水的成功率，控制和減少地球物理勘探的一些復(fù)雜性問題。

5.2.3 瞬變電磁法

瞬變電磁法的原理，是通過接地設(shè)備箱向地下發(fā)送磁場，再通過對地質(zhì)情況所反饋的電磁場變化狀況以及間歇期間的變化情況進行測量，然后再結(jié)合磁場的衰減曲線的變化程度了解不同深度的地質(zhì)情況、規(guī)模、電性、分布等特征。在瞬變電磁法應(yīng)用的過程中，可以有效的消除專業(yè)設(shè)備帶來的噪音。除此之外，在實際的應(yīng)用過程中，瞬變電磁法還具有橫向分辨率佳、探測范圍光、對地質(zhì)影響小等優(yōu)勢，因此，被廣泛應(yīng)用在石油、金屬礦、煤炭等化石、金屬資源的勘探中。如今，瞬變電磁法應(yīng)用到水文地質(zhì)工程的勘探中，將給水文地質(zhì)工程勘探效果帶來顯著成效。

5.2.4 雷達探測法

雷達探測法的原理是利用天線發(fā)出的信號向地質(zhì)體發(fā)射電磁波信號，然后從地質(zhì)體反饋后接收預(yù)定的電磁波信號。通過分析電磁波傳播的重要特征，如振幅和頻率，可以準確判斷地質(zhì)體的分布狀態(tài)和形狀。在發(fā)展初期，探地雷達只能探測幾米范圍內(nèi)的目標，應(yīng)用范圍較窄。但是由于這項技術(shù)的不斷發(fā)展，目前100 米以下的深度都可以準確探測，因此這項技術(shù)在水文地質(zhì)工程勘察中的應(yīng)用越來越廣泛。同時，由于探地雷達的高分辨率，獲得的信息非常全面和詳細，尤其是在淺層地質(zhì)勘探中，發(fā)揮著越來越重要的作用。未來應(yīng)進一步推廣這項技術(shù)，使其發(fā)揮更大的作用。

5.3 激發(fā)極化法

激發(fā)極化法是通過分析斷電后地下巖石和水資源的電場衰減特性來探測地下水的方法。通過分析研究地下層的衰減程度可以科學(xué)地推斷地下水的存在，反映地下水放電電場的相關(guān)特征。其中，衰變是指放電場中的電位差下降到一定值所需的時間，它能反映極化電場的衰減率。激發(fā)極化探測法在日常生活中應(yīng)用廣泛，主要是用于調(diào)查地下巖層的巖石狀況和分布位置是否有地下水，或者洞穴中是否有大量的含水帶，從而推斷地下水分布的深度。由于采用激發(fā)極化法時產(chǎn)生的極化電場很小，因此不適合用于巖石厚度太大、工業(yè)密集的地區(qū)。相對于激發(fā)極化法的優(yōu)勢，激發(fā)極化法也存在一些問題，比如，耗電量大、效率低、成本高，要慎用。

5.4 交變電磁場法

交變電磁場法是利用巖層、礦物和地下水良好的導(dǎo)電性、介電性和磁導(dǎo)率等物理性質(zhì)的差異來判斷地下地質(zhì)和水文條件。由于交變電磁場法是一種新的物理勘查方法，其在生產(chǎn)過程中的應(yīng)用相對較少。

5.5 地面核磁共振法

核磁共振法作為一種直接尋找水源的物理勘查方法，技術(shù)先進，開發(fā)時間短，應(yīng)用潛力大。地下核磁共振技術(shù)的原理是利用各種物質(zhì)原子核的不同特性觸發(fā)核磁共振效應(yīng)，充分利用地面核磁共振成像和反饋水探測儀器，從而研究觀察地層中水質(zhì)子的變化及相應(yīng)的變化規(guī)律，對地下水的位置做出準確判斷。地面核磁共振技術(shù)可以有效解決各種探測方法的不足，從而更加詳細、直觀地反映地下水及地下水儲量的分布情況。在水文地質(zhì)工程勘查中，特別是在淡水資源勘查中，該技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景。當(dāng)?shù)叵掠凶杂伤畷r，通過地面反饋核磁共振信號采集勘查范圍的信息，可以準確判斷地下水的分布。同時，利用核磁共振方法進行勘查時，地質(zhì)條件不會產(chǎn)生不利影響，可以有效控制異常帶來的干擾，從而提高勘查效率和勘查精度。該項技術(shù)的應(yīng)用在地下水資源勘查中，尤其是淺層地下水資源勘查中發(fā)揮著非常重要的作用。然而，表面核磁共振方法也存在一些缺點。例如它的地下水探測范圍只能在150m 以內(nèi)，使用時產(chǎn)生的電磁波噪聲對調(diào)查影響較大，會降低調(diào)查效率和質(zhì)量。因此，當(dāng)采用核磁共振法時，我們必須足夠重視實際調(diào)查工作，采取有效措施控制和減少這種干擾造成的不利影響。

6 總結(jié)

綜上所述，地球物理勘查方法在水文地質(zhì)工程測量或其他工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)創(chuàng)造中的廣泛應(yīng)用和作用不容忽視，為了在不破壞和浪費稀缺水資源的情況下，促進我國經(jīng)濟更快、更好、更強地發(fā)展和建設(shè)，必須大力發(fā)展地球物理勘查技術(shù)。必要時，可以從國外引進新的方法和技術(shù)，并與之相結(jié)合，取其精華，去其糟粕，創(chuàng)造出一套相對完善的勘查方法。

7 結(jié)語

隨著我國科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，探測水文地質(zhì)條件的方法和手段越來越多，出現(xiàn)了大量前沿科學(xué)的新方法、新儀器和新技術(shù)，這不僅給我們的水文地質(zhì)勘查帶來了極大的便利，還保證了判別的準確性。在本文中，筆者主要就地球物理勘查技術(shù)進行論述，可以發(fā)現(xiàn)，在地質(zhì)勘查中，地球物理勘查非常重要，它甚至對科學(xué)分析區(qū)域條件、預(yù)測地下水資源、區(qū)域規(guī)劃和管理等具有非常重要的指導(dǎo)作用。因此，在水文地質(zhì)勘查中，必須對地球物理方法有深刻的認識，并將其應(yīng)用于實際環(huán)境中，從而提高我國水文地質(zhì)工程勘查的水平。