物探在内蒙地区找水过程中的应用

王飞

内蒙古华泰天诚工程科技有限公司 包头 014030

摘要：找水技术属于地下水勘查技术。地下水作为区域可开发水资源的一种，最初的找水技术是基于地质构造理论来进行的，在地下水资源贫乏的地区寻找地下水。随着找水工作的不断深入，遇到的问题也愈来愈多，环境地质条件的多变性、复杂性对技术提出了更高的要求，促进了各种勘探技术的进步。物探技术以目标地质体与周围介质的物性差异为前提，如电性、磁性、密度、波速、温度、放射性等，通过仪器观测自然或人工物理场的变化，确定地下地质体的空间展布范围的物性参数，达到解决地质问题的目的。物探具有快速、全面、准确、省时和经济、勘探精度高等特点，是一种无损检测的方法。

一、区域自然地理特征

由于经济发展的不均衡性，在干旱半干旱区，特别是经济欠发达的国家和地区的干旱半干旱区，地下水勘查必然是很重要的工作。地下水是水资源的重要组成部分，由于水量稳定，水质好，是农业灌溉、工业和城市用水的重要水源之一。

中国内蒙干旱地区，按《中国综合自然区划》的划分方案，属温带干旱半干旱地区和暖温带干早半干旱。根据其地理位置，以及勘察所得到的水文地质条件，归纳起来中国干早半干旱区具有以下几个自然特征^[1]：

1、气候干燥，年平均降水量一般均在250毫米以下。区内大气降水一般不能满足农作物生长的需要，因而必须依靠灌溉。

2、主要是内陆水系的分布区，且多为季节性河流，有各自的汇水中心并多消失于蒸发或汇聚为盐碱湖泊。

3、除边缘及区内少数高山外，在地貌和自然地理方面多表现为平缓起伏的草原、干草原和沙漠、盐漠、戈壁石漠等荒漠景观。

对于内蒙古地区，地下水资源更是不可多得的重要水源。这种流动着的动态资源，不及时利用就会浪费；同时也可利用其动态特性，改善地下水资源的赋存环境。因此在干旱半干旱区开展地下水勘查工作，物探技术所发挥的作用举足轻重。

二、水文地质物探方法

目前，找水技术已发展成为地质学、地球物理学、遥感、数学等多学科交叉的综合性技术，技术的核心为水文地质物探。水文地质物探是用地球物理方法对含水地质体的水文地质特征进行勘查的技术，依据相应的物理理论，通过地面仪器探测，获得目标区域地质体的相关信息^[2]。

其中具有较高准确度方法包括电阻率法、磁法勘探、地震勘探等，通过学习相关的技术文献，在此对电法勘探中的高密度电阻率法和探地雷达的原理进行初步的介绍^[3]。高密度电阻率法和探地雷达分别使用伏安法和电磁波反射原理，勘查结果可以对区域地下地质介质的分层情况和特殊介质的分布有初步的了解，为后续的抽注水实验和地下水开采工作打下基础。

2.1 高密度电阻率法

高密度电阻率法是一种综合勘探方法，它以地下岩、土导电性存在差异为基础，研究人工施加稳定电流场中地下电流传导的分布规律。

1、在地面打入两个供电电极A、B，用电源向地下供电，在地下建立稳定电流场。

2、用仪器测量电流强度I，再将两个测量电极M、N打入地下，测量得到M、N两电极之间的电位差Δu。

3、按公式ρs=K•Δu/I计算出M、N极间中点O处的视电阻率值ρs(单位：Ωm)。M、N中点并不代表一个地下的某个点，而是以该点为中心的一个水平向均匀区域。

4、然后，所有仪器设备沿测线向前移动，逐点测量、得到所有ρs值，便可获得沿测线第一个面的ρs值变化规律。

5、式中，K是按供电电极A、B与测量电极M、N的间距计算出的一定排列情况下的装置系数，不同的排列方式有不同的K值。把计算公式预置在仪器内，接收到仪器返回数据后，计算机将直接显示最终的ρs值。

6、改变极间距Δx，K随之变化、测量面变窄但测量深度随之加深，所以剖面图像往往成“倒梯形”。每一层的最大测量深度h=1/2•OA，OA为极距AB的一半。

7、每一层对应一个间隔系数n，n随着Δx的增加而同步变化；n也是最大层数，最大层数=总电极数/3-1。

野外测量时只需将全部电极置于观测剖面的各测点上，然后利用程序控制电极转换装置，在所有电极中自动选择测量电极即可得到数据。将测量结果输入计算机后，计算机会对数据进行处理并给出地下电流断面的各种图示结果，再结合工作区及邻区已有的各种地质、物探资料，进行综合分析研究，准确地给出所测区域断面的地质解释。

高密度电阻率法现在已经朝着三维高密度电法的方向不断发展。对于勘查得到的地下电阻异常区域，很有可能是赋存的地下水和有较高含水量的介质区域。包括溶洞、裂隙等，在测量结果上呈现低阻高导的情形，为后续地下水开采和裂隙水发掘提供技术支撑。

2.2 探地雷达

探地雷达（GPR）是利用天线发射和接收高频电磁波，探测地下介质内部物质特性和分布规律的一种地球物理方法。

探地雷达主要由主机（主控单元）、发射机、发射天线、接收机、接收天线五部分组成，其他部件还可能包括定位装置（如GPS）、电源以及手推车等。探测有三个要素：

1、侧向：确定探地雷达的工作方向；

2、测距：沿工作方向的前进距离；

3、介质：寻找地下介质的差异部位。

探地雷达多采用天线向探测目标发射高频脉冲电磁波来进行探测，工作频率范围在1M～1GHz之间，在地下介质中的传播形式以位移电流为主。通过改变电源附加电压可以改变频率，相应的改变测量深度。实际工作中，改变电压增大了工作量；根据厂家设计，可以通过更换天线达到改变频率的目的——一种天线提供一种频率，天线决定频率也同时决定了深度。需要注意的是，不同的地区介电常数（性质）不同，不同的频率在不同地区的测量深度存在差异。

发射和接收天线用于向地下发射和接收地下介质反射的电磁波；发射机根据主机命令向地下发射雷达波、而接收机根据控制命令开始采集数据。经过数据处理和计算机正反演，接收的反射信号会呈现为图像帮助进行地质分析。差异部位因为与周围介质有差异而反射不同的电磁波，因此在图像上显示为不同之处。这应当引起重视，差异部位很有可能就是勘探的目标区域。通过沿侧线不断前进寻找差异部位，并确定埋藏深度。

因为具有探测速度快、探测过程连续、分辨率高、操作方便灵活等优点，地质雷达的应用十分广泛，包括探测地下裂隙带、破碎带和溶洞等^[3]。内蒙地区在地貌和自然地理方面多表现为平缓起伏的草原、干草原和沙漠等，这为探地雷达的施用予以极大的便利。探地雷达配备了电源和手推车，用于记录数据的计算机具有GPS定位功能。不同的频繁变化的地质地貌，广阔平缓的地区能大幅降低测量误差，提高找水的几率和工作效率^[4]。

三、结论

不管是什么勘探方式，其最终目的都是对不可见的地下介质区域进行水文地质参数的测量和水资源可能分布情况的了解，因此与其它勘查手段相比，物探勘查资金投入少、工作效率高，且准确度能够到达一定的标准，能够为随后开展的水文地质钻探提供有效的技术支持，物探也成为地下水勘查工作中具有重要意义的工作环节。

四、参考文献

[1] 阎锡瑞, 段永侯, 贾永瑞. 中国西北和内蒙干旱地区的水文地质特征[J]. 地质学报, 1973 (01): 104-122+142.

[2] 杨外名. 物探技术在缺水地区找水中的研究与应用[D], 吉林大学, 2013. 物探与化探, 2018, 42 (05): 43-48.

[3] 刘伟, 张志夫, 李振刚, 干旱半干旱区找水技术与设备新进展, 牧科所, 206-238.

[4] 樊永刚, 贾大为，赵锁志，等．常规电阻率测深法在阿拉善干旱荒漠区找水中的成功应用[J], 物探与化探, 2018, 42 (5): 896-901.