地球物理勘探技術在地下水資源探測中的應用研究

摘要：為掌握水資源分布及評估質量，研究地球物理勘探技術在地下水資源探測中的應用。結合待測區域地理地質情況設計勘測剖面，選擇聯合剖面法、高密度電法、天然源面波法獲取其視電阻率、等值線圖及剖面圖，分析地下資源分布，保證地下水資源探測結果的可靠性。測試顯示，3種探測技術均具備較好的探測精度，誤差均低于5%；它們均可準確揭示地質構造和水資源分布，為區域地下資源管理提供可靠依據。

關鍵詞：地球物理勘探技術；地下水資源；聯合剖面法；高密度電法；天然源面波法

中圖分類號：P62 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2025）03-00-05

Research on the Application of Geophysical Exploration Technology in Groundwater Resource Exploration

Zhu Zixiang， Hu Junjie

（Anhui Engineering Investigation Institute Co.， Ltd.， Hefei 230011， China）

Abstract： In order to master the distribution of water resources and evaluate their quality， the application of geophysical exploration technology is researched in groundwater resource exploration. The survey profiles is designed based on the geographical and geological conditions of the area to be tested， the joint profile method， high-density electrical method， and natural source surface wave method are selected to obtain their resistivity， contour map， and profile map， and the distribution of underground resources is analyzed， thus ensuring the reliability of groundwater resource detection results. Tests have shown that all three detection technologies have good detection accuracy， with errors below 5%; they can accurately reveal geological structures and water resource distribution， providing reliable basis for regional underground resource management.

Keywords： geophysical exploration technology; groundwater resources; joint profile method; high-density electrical method; natural source surface wave method

地下水在干旱、半干旱地區至關重要，高效探測地下水資源成為水資源研究的重要課題。地下水資源探測對了解資源分布、評估水質、合理開發和災害分析等具有重要意義[1]。先進的勘測技術可以確定地下水的存在、深度、儲量以及水質，為地下水污染防治和水資源管理提供數據支持，助力科學規劃和可持續利用[2]。地球物理勘探技術基于地質資料及巖層介質差異，通過磁場、電場變化分析地下地質和資源分布[3]，包含重力、磁法、電法等，可按需組合應用[4]。為實現地下水資源的探測，本文研究地球物理勘探技術在地下水資源探測中的應用，并結合實際工程分析其勘測效果。

1 水資源探測方法

以安徽省安慶市岳西縣牛草山一帶地下水勘查為例，該探測區域位于岳西縣青天鄉，距岳西縣城僅45 km，旨在查明斷裂構造分布及發育狀況，結合區域水文地質資料分析地下水含水層的埋藏與分布，為下一步確定水文鉆孔的位置及深度提供科學依據。勘查區所在區域地層屬揚子地層區下揚子分區，分布的地（巖）層主要為新太古-古元古代大別山片麻巖群、中元古代回龍山巖組，另在現代河谷漫灘及山前坡腳地帶分布有第四系地層。

根據勘查區以往的物探資料，第四系覆蓋層視電阻率為低阻-低速反映；下伏片麻巖呈高阻-高速反映，與第四系覆蓋層有明顯的電性、波速差異。完整的基巖電阻率、波速值較高，在構造或基巖裂隙破碎處，為低阻、低速反映。因此，為保證其探測結果的可靠性[5]，該地區采用3種地球物理勘探技術進行探測，即聯合剖面法、高密度電法及天然源面波法。在該區域布設勘測剖面，各個剖面的詳情如表1所示。

1.1 聯合剖面法

聯合剖面法屬于一種典型的電阻率剖面法，通過裝置聯合探測目標，對導電性較好的礦體和含水斷裂破碎帶探測效果好。它利用地下介質電阻率差異反映地質構造[6]、礦體分布、地下水流動等信息，并分析構造走向，為水文地質調查和災害預警提供重要依據。因此，選擇該方法進行地下水資源探測。

1.1.1 方法原理

聯合剖面法主要由2個三極裝置組成，即三極正裝置（AMN∞）和三極反裝置（∞MNB），2個裝置將1個供電電極置于無窮遠的位置，擁有1個共同的無窮遠極，聯合剖面法的原理如圖1所示。其中，O表示測量點，也是MN的中點，C是無窮遠極，位于測線的中垂線上；A、B、M、N均表示電極，并且4個電極按照設定的順序位于相同測線上，測量時，在不改變電極距離的前提下，沿設計的測線逐點移動。采用聯合剖面法進行測試時，2個三極裝置AB/2最大供電極距為200 m，主要采用雙向短脈沖的方式供電，其周期和延遲分別為8 s和200 ms，若AB/2超過100 m的極距，則進行2次測量，重復測量的相對誤差需要小于3%，以保證測量結果的可靠性。

若系統通過電極A和電極C供電，通過電極M和電極N進行測量，則供電電流用IA表示，相應電位差用?UAMN表示，AMN∞的排列視電阻率用ρsA表示；若系統通過電極B和電極C供電，通過電極M和電極N進行測量，則供電電流用IB表示，相應的電位差用?UBMN表示，∞MNB的排列視電阻率用ρsB表示。每個測點同時獲取ρsA和ρsB，分別采用式（1）和式（2）進行計算。其中，KA和KB均表示裝置系數，采用式（3）進行計算。通過式（1）和式（2）即可計算ρsA和ρsB，依據該結果可生成相應的曲線，分析2個曲線的交點、幅值等特征，即可分析地下地質資源和水資源分布。

（1）

（2）

（3）

式中：MN為電極M和電極N的距離；AM為電極A和電極M的距離；AN為電極A和電極N的距離。

1.1.2 方法操作要求

采用聯合剖面法進行地下水資源探測時，應保證2個三極裝置（AMN∞和∞MNB）功能正常，注意操作要點。首先要做好設備檢查。探測前需要檢查2個裝置，校對探測精度，保證結果可靠[7]。探測中需要實時關注絕緣狀態，防漏電，保證絕緣電阻正常。同時，降低接地電阻，提升電極M和電極N的接地效果。對地下水資源進行探測時，獲取探測數據，保留小數點后一位，并計算該測點的電阻率。觀測遇到干擾時，應重復觀測，以確保數據準確[8]。選取最穩定的數據記錄，并計算算術平均值作為最終數據。疑問點需要深入查明并多次觀測驗證。同時，觀測細節和步驟，包括重復觀測及疑問點處理，都應詳細記錄，以便后續分析。

1.2 高密度電法

高密度電法是一種采用電極陣列式分布的電阻率物探技術，原理類似常規電阻率法，但操作便捷，只需要一次鋪設電極覆蓋待測區域，降低故障干擾[9]，顯著提高工作效率和測量精度。勘測時，設測線，埋電極，通過電極轉換裝置實現不同排列組合，一次操作測量多深度電阻率。之后可調整排列方式，多次測量，通過對比分析選擇最佳方式。數據實時存儲，便于計算機處理，包括壞點校正、地形添加及反演計算推導地質信息[10]。

高密度電法野外工作采用的儀器為中地裝（重慶）地質儀器有限公司研發的DUK-4型級聯式高密度電法測量系統，系統由主機和多路電極轉換器組成，在淺部地層探測中具備較好的應用效果。出隊前對儀器的各項技術指標和性能進行系統檢查和測試，整體工作穩定正常，完全滿足生產要求。采用高密度電法對探測區域進行探測時，設計點距為10 m，隔離系數為1～59，電極數為110～120根，長剖面采用滾動測量，各剖面起始點的點號為0，隨著測點與起始點的距離增大，逐一編號。通過上述設備和排列方式進行探測后，對當日觀測的原始資料進行全面檢查、復核，并將觀測數據轉換成二維高密度電法反演程序格式進行存儲，正反演計算、成像采用2DRES高密度電法反演程序處理軟件。

1.3 天然源面波法

微動屬于一種復雜的微弱振動，以面波能量為主，描述地表介質信息。微動信號振幅與頻率隨時空變遷波動，但在限定時空內維持統計穩定，能用平穩隨機過程理論描述。基于此理論，微動探測技術從微動信號中抽取面波頻散曲線，通過逆向解析揭示地下速度結構，是一種有效的地球物理勘探手段。研究區地下水資源探測采用微動探測儀（型號GN201），具備節點式采集站，靈活便捷，提升野外作業效率。系統嚴格篩選元器件，全面調試通道參數，內置高精度模數轉換器，降低量化噪聲，提升信噪比。同時，接收全球定位系統（Global Positioning System，GPS）標準時間信號自動校正時鐘，確保長時間觀測同步誤差在15 ns以內，保持高度同步性。

微動探測后，為獲取微動信號的瑞雷波頻散曲線，常用的2種方法是頻率-波數法和空間自相關法，本文主要選擇空間自相關法進行曲線提取。若探測時間用t表示，采用該時間下位置矢量ζ（r，θ）的函數描述微動探測信號，任意時間段的信號定義為平穩隨機過程的樣本函數x[t，ζ（r，θ）]，則2個探測點A（0，0）、B（r，θ）的信號記錄分別采用式（4）和式（5）進行計算。

（4）

（5）

式中：ω表示角頻率；r表示距離；θ表示波的入射角；k表示一階貝塞爾函數；ψ（ω，φ）表示頻率-方位函數，i表示虛數單位；φ表示方位角；e表示自然對數的底數，約等于2.718 28。

從微動信號中提取各個頻率的成分f，計算中心測點和圓周上格點的空間自相關系數，以獲取k的宗量，結合該宗量結果計算相速度。擴展空間自相關法依據該速度結果獲取頻率和相速度的關系曲線，即頻散曲線。擴展空間自相關法在進行曲線分析時，整個分析流程涵蓋數據預處理、空間自相關系數計算及殘差分析等步驟。分析過程中，數據預處理主要包括4步，一是去趨勢，二是均值消除，三是切割，以提升信噪比，四是時間域歸一化，以削弱大地效應。處理后，通過反演頻散曲線確定地下土層地質，并生成剖面圖。

2 結果分析

2.1 探測精度分析

依據上述小結方法完成地下資源探測后，為測試該方法的探測效果，采用相對誤差?ε作為評價指標，對其探測的精準性進行分析，采用式（6）計算誤差。通過相應方法對各個測點進行探測，隨機抽取50個測點進行檢測，通過上述公式計算各個測點的?ε值，測試結果如表2所示。考慮篇幅關系，這里僅呈現任意10個測點的測試結果。

（6）

式中：y0i和yci分別表示原始數據和探測方法的探測數據；n表示測點數量。

依據表3測試結果可知，通過3種探測技術進行地下水資源探測后，各個技術探測結果的相對誤差均低于5%，因此使用3種探測技術進行區域地下水資源探測，完全滿足其探測標準。

2.2 探測線的地下資源探測結果

為分析探測區域的地下資源情況，通過聯合剖面法、高密度電法及天然源面波法進行該地區的探測后，獲取其探測結果。由于篇幅原因，這里僅呈現其中任意一條測線的探測結果，如圖2所示。

根據測試結果，圖2（a）中，2種極距的電阻率曲線均不規則，呈鋸齒狀跳躍，變化劇烈系基巖裂隙發育，裂隙填充物不同所致；在剖面1 300號點附近，視電阻率保持在2 500～4 000 Ω·m，呈低阻反映，2種極距均出現低阻正交點異常反映，結合地質資料，解釋推測為斷裂構造F1的反映；在剖面1 540號點附近視電阻率在5 000～27 500 Ω·m，呈高低阻反映，兩種極距均出現高低阻接觸帶異常反映，結合地質資料，解釋推測為斷裂構造F2的反映。

圖2（b）中，斷面整體縱向視電阻率表現為低-高的變化趨勢，淺部電阻率呈低阻特征，結合地質資料，解釋推測為第四系的反映；中深部為高阻特征，結合地質資料，解釋推測為新太古-古元古代大別山片麻巖群的反映。在剖面的630號點附近，中深部高程為485～685 m，視電阻率保持在2 000～8 000 Ω·m，呈低阻下凹異常反映，與聯合剖面異常、微動異常相吻合，結合地質資料，解釋推測為水竹河巖組斷裂構造F1的反映；在剖面的910號點附近，中深部高程為620～730 m，視電阻率保持在3 000～12 000 Ω·m，呈高低阻接觸帶異常反映，與聯合剖面異常、微動異常相吻合，結合地質資料，解釋推測為水竹河巖組斷裂構造F2的反映。

圖2（c）中，淺部視橫波速度呈相對低速反映，結合地質資料，解釋推測為第四系（Q）的反映；在剖面1 280～1 340號點高程為600～625 m，視橫波速度為1 300 m/s，呈低速閉合圈異常反映，解釋推測為斷裂構造含水所致；在剖面1 300號點附近，中深部高程為485～600 m，視橫波速度為1 300～2 500 m/s，呈低速下凹異常反映，與聯剖異常相對應，結合地質資料，解釋推測為斷裂構造F1的反映。

3 結論

本文綜合運用聯合剖面法、高密度電法及天然源面波法進行地下水資源探測，通過3種技術的優勢互補實現對地下介質結構的精細探測和全面分析。研究表明，地球物理勘探技術具備測量跨度大、測量時間短、測量精度高、適用性廣等特點，滿足實際區域探測需求，達到最佳勘探效果。

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