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浅谈物理勘探在水文地质中的应用

发表时间：2020/10/27 来源：《基层建设》2020年第19期作者：李明

[导读] 摘要：物理勘探，也就是地质工作中经常提及的“物探”，是一种相对便捷高效的勘探方法，其基本原理就是利用不同传播介质在信号传播中产生各种物理场，对其探测以得出地质特征。

        辽宁省地矿集团能源地质有限责任公司辽宁沈阳 110000
        摘要：物理勘探，也就是地质工作中经常提及的“物探”，是一种相对便捷高效的勘探方法，其基本原理就是利用不同传播介质在信号传播中产生各种物理场，对其探测以得出地质特征。物理探测在很多地方都有应用，是一种使用非常广泛的勘探方法。本文对物理勘探在水文地质中的应用进行探讨。
        关键词：物理勘探；水文地质；高密度电法；电磁法
        1物理勘探方法的重要性
        利用岩石的密度、磁性、弹性以及放射性等特性，地质学专家陆续研制出了很多种物探方法，比如磁法勘探、电法勘探、地震勘探、重力勘探等。地球物理勘察方法在很大程度上为水文地质的研究，提供了强大的助力，有效地促进了水文地质勘探技术的发展。本文着重讨论瞬变电磁法、高密度电阻物探法以及地质雷达法，在矿山水文地质勘查工作中的应用。
        2水文地质勘探的主要内容
        水文地质勘探工作复杂，勘探需要结合勘探地的气候、温度、土壤等条件，具体而言，水文地质勘探过程的主体工作是对勘探地水文地质的调查、钻探、试验等，这些过程是为了确保勘探地及周边的地质水文条件对工程建设等的影响，前期的勘探工作是后续开展工作的基础，可以提前了解勘探地区地下水的补、径、排等方面，并且可以及时根据地下水的情况测量地下水层的渗流等参数，有效避开对工程项目的不利因素。
        2.1地球物理勘察
        水文地质勘探时，采用地球物理勘察的方式首先对该地区的水文地质等进行勘察，这个过程是为了保证抽水试验地点和钻孔位置的精确性，提高工程项目建设测量精度，确保施工的顺利开展，该过程中，一般采用浅层地震与自然电场等方式。
        2.2水文地质试验
        通过水文地质试验，确定该地区的补水、排水等具体参数，结合工程项目建设，确定涌水量，进行地下水资源的综合评价，分析对整体工程项目的有利和不利因素，合理利用有利因素，避开或者应对不利因素，抽水试验是应用最多的试验方式。
        2.3水文地质钻探
        水文地质勘探的钻探区别于传统的矿产资源的钻探，主要在于水文地质勘探中，钻探的孔径超过了矿产钻探孔径，并且在实际的钻探过程中，必须使用清水推进钻进，否则，试验和测量的具体参数会缺乏可靠性。
        3物理探测方法的原理
        3.1瞬变电磁法基本原理
        瞬变电磁法，也就是常说的TEM物探技术，是一种时间域的地球物理探测方法，广泛的应用于各个行业。和一般的地质类物探方法一样，瞬变电磁法是利用地质体性质的差异，从而探测出地质特征，然后，经排除干扰反演得到具体的地质情况。瞬变电磁法其基本原理，主要为利用不接触地线圈或者接地电极向地下发射脉冲式一次电测场，通过不接地线圈或者接地电极接收该脉冲电磁场感应的地下涡旋产生的二次电磁场的时空分布，从而反映地质体分布，解决地质问题。地质体的几何特征和导电性特征，是瞬变电磁场的主要影响因素，对于大型规模的良导地质体，其瞬变场强度更大、衰减时间更长；反之规模小、导电磁能力产的地质体，产生的瞬变电磁场强度低、延迟时间短。
        3.2高密度电阻率法基本原理
        高密度电法，是一种电法勘探的排列组合方法，其本质上属于电法勘探。所以，其基本原理就是利用不同岩石矿物所具有的不同电阻率这一特征，通过供电电极向地下供电，并通过接地的接收电极获取地下电场信息。高密度电法是通过调整不同的供电电极和接收电极的排列组合形式的探测方法。具体工作时，在探测目标的地面均匀布置多根电极棒，既可以作为供电电极又可以作为接收电极，用导线按顺序连接各条电极棒，并与导线末端与主机相连。联结主机后，开始调试个点的联结情况，检查合格后，便可以开始探测，主要通过主机程控式多路电极转换器，改变电极的组合方式以及不同的电极距，不同的组合方式可以得到不尽相同的结果，有利于综合分析，不同的电极距可以测量到不同深度的地质体特征，从而完成野外的测量工作。

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        3.3地质雷达的基本原理
        地质雷达，又被称为探地雷达法，其基本原理就是向地下发射高频脉冲电磁波，通过接收雷达检测地下反射波或者透射波信号，从而达到探测目的。通常所称的地质雷达高频电磁波，其频率在10～1000MHZ范围内，通过发射天线向地下传导，电磁波具有很高的穿透性和分辨能力，电磁波探测的深度与其频率和能量有关，地下导体的性质有关，尤其含水率对于雷达波有很强的阻碍作用。
        4物理探测方法的特点及应用
        4.1瞬变电磁法
        TEM利用地质体的电性差异，通过接收一次场在地质体产生的二次场，达到探测地下地质体地球物理参数的目的。该方法具有如下一些特点：①由于观测的是纯二次场异常，可以消除装置本身的电磁耦合噪声的影响；②对低阻敏感，对低阻环境下的含水层分辨能力较其他的电磁勘探方法好；③能够穿透高电阻率层的影响；④通过多次测量和叠加，可以提高TEM勘探方法的信噪比（SNR）和测量精度；⑤测量深度较大，同时，可以通过增加激发的能力增加勘探深度；⑥方法和装置的适应性强，受地形影响小，应用范围广阔。在正常的情况下，各层位电性在横向上是均一的。当地下存在岩溶构造（充填水、泥），则在电性反映上为相对低阻异常；若地下溶洞不积水或泥为空洞，则呈局部高阻异常。瞬变电磁法的工作方法多种多样，根据探测深度不同，电法勘探选用地面瞬变电磁大定源重叠回线、中心回线两种装置。
        4.2高密度电阻率法
        高密度电阻率法，是一种高效的物理探测方法，具有以下特点：
        ①高密度电阻率法是通过一次性布设电极，这些电极在程控电极转换装置的控制下，可以自行检查和排列，有效节约时间和避免排线错误而导致测量有误。
        ②高密度电法其主要优点之一，就在于布线结束后，在同一地质剖面上，可以使用多种电极排列方式进行探测，丰富地电结构状态和地质信息。
        ③经过主机自查无连接错误点后，主机便自行采集和收录信号数据，不仅速度快，而且不需要人工继续操作，节约时间的同时还避免人工误差。
        ④在采集信号的同时，便可以实现资料的现场处理和成图，图件是实时根据采集的数据点逐层向下生成，有利于分析地质特征，而且可根据处理结果及时调整工作计划。高密度电法在矿上水文地质中，多用于查找地下水、查找采空区、探测岩溶发育情况以及划分地层都有广泛的应用。
        4.3地质雷达法
        地质雷达相比其他探测方法具有以下特点：
        ①由于探地雷达主要以天线发射和接收探地电磁波，其本身不对探测对象进行破坏，该探测方法具有无损性。
        ②探测装备简便，操作方法简单，对探测人员的要求较低，很容易就能上手学习使用，具有便捷性。
        ③地质雷达由于其频率很高，往往具有较高的分辨率，一般可以清楚的分辨地下目标的空间位置和几何特征。
        ④地质雷达只会接收地面直达波和地下反射波，所以有较高的抗干扰能力。地质雷达虽然具有以上优点，但该方法依旧存在一定的问题，地质雷达对浅部的探测精度很高。而探测深部时，其分辨率不一定能够达到探测要求，所以，应当结合探测目标的位置，来选择是否使用该方法。地质雷达对浅部探测，通常在矿上水文地质调查中，配合地面踏勘往往会取得较好的效果。
        结束语
        综上所述，物理勘探方法是一种强大的勘探手段，在矿山水文地质勘探中有众多的优势。各种物理勘探方法有其各自特点，在实际工作中，应该结合地质特征和工作目的选择相应的方法。物理勘探方法在水文地质中已经得到了广泛的使用，对推动水文地质工作的开展有重要的意义。
        参考文献：
        [1]徐刚.地球物理勘查方法在水文地质工程中的运用分析[J].四川水泥，2018，（1）：304.
        [2]刘军，刘生.地球物理勘探方法在水文地质工作中的应用[J].世界有色金属，2017，（11）：226，228.