地球物理勘探方法在水文地质工作中的应用分析

地球物理勘探方法在水文地质工作中的应用分析

王玉宏

江苏省有色金属华东地质勘查局八〇七队  210001

摘  要：我国对于水资源保护工作起步比较晚，造成严重的浪费，近年来已经出现严重匮乏问题，尤其是一些地区的水资源流失同时，还遭到严重污染，当地出现了用水难的问题。水资源短缺不仅制约区域经济发展，对我国的社会经济发展也造成不良影响。所以，要节约水资源，还要使用先进技术合理汲取地下水并高效使用，这就需要开展地球物理勘探工作。在水文地质工作中，地球物理勘探技术是非常重要的手段，其可以对含水层以及隔水层准确划分，确定岩性结构以及地层结构，还能够准确判断地下水的水质情况，对地层结构全面了解，根据所获得的资料深入研究地下水沉积规律，对其运移特征详细分析，本论文着重于研究地球物理勘探方法在水文地质工作中的应用分析

关键词：水文地质环境；地球物理勘探方法；地质工作；应用策略

引言

    地球物理勘探简称“物探”，该技术的应用原理是针对岩石间的各项因素存在的差异进行分析，诸如放射性、磁性、电性、密度以及弹性等等，根据实际需要选择比较适合的物理仪器，结合使用相应的物理方法对目标工程区进行测量，明确地球物理场变化情况，如此能够及时发现地质问题并具有针对性地解决。但是，当地下岩层中有地下水的时候，导电率与诸多因素存在密切相关性，诸如地层孔隙度、饱和度、矿化度以及渗透率等等，在开展水文地质工作的过程中合理应用地球物理勘探技术，快速发现放射异常、磁异常以及弹性波阻异常等状况。从应用方法上来看，直流电阻率法已经发展为交流电磁法，便携式仪器具有很高的分辨率。现在的信息技术高端化方向发展，尤其是3S技术应运而生，在水文地质勘探中的应用，提高了勘探技术水平，勘探结果具有较高的准确性。进行水文地质勘探中应用该技术，工作成本有所降低，工作质量和工作效率提高。同时，在开展这项工作的过程中，注重经济社会效益的同时，还要对地下水合理开发，并保护好水资源，做好地区发展总体规划工作，以此为重要依据进行水源地监理，防止出现盲目操作的问题，有效规避风险，对地下水资源合理配置。

一、建立地质-地球物理模型

    进行水文地质勘探中应用地球物理勘探技术，可以从科学的角度出发对地球物理结果从专业角度合理解释，从而提高了数据解释精度。落实到具体工作中，依然存在不足之处，所以，对于这方面的问题要高度重视并有效解决。为了使地球物理勘探工作有效落实并提高数据解释精度，就需要从专业角度出发深入研究地层岩性与物理性质之间所存在的密切相关性，根据实际需要将地质地球物理模型构建起来。比如，地层的岩性不同，对应的电、磁、地震、核以及重力等等的反射特征也会存在明显差异，不同区域的岩性结构有所不同，地下水类型也不同，含水介质各有不同。之所以存在这种现象，是由于地球物理特征不同。为了对这方面问题充分了解，就要将地质-地球物理模型建立起来，通过运行模型对这些方面的问题进行分析，以避免产生多种地球物理解释结果的问题。

    对于地球物理勘探技术要有效应用，将该模型建立起来是非常必要的。运行模型的过程中可以进行数据反演，针对数据变化的情况详细解释，还可以研究地球物理观测数据与地球模型参数之间所存在的函数关系，对地球物理勘探技术应用中所获得的数据进行解释，确保获得的地球物理参数更加准确可靠，基于此对物理数据进行解释，以了解水文地质情况。对地质-地球物理模型正确使用，才能确保数据解释结不会产生误差，趋于合理性。在应用地球物理勘探技术的时候，对于相关资料有效处理，还能够将地质解释工作做到位。

二、水文地质工作中常用的地球物理勘探方法

    水文地质工作中，为了保证勘探效果良好，就要根据实际需要选用合适的技术。当前，比较常用的地球物理勘探方法主要为五种，即深层地下水勘探，评价地下水水质，地下水文立体勘探模式的构建，获得水文地质参数，获得水文地质参数的地面核磁共振找水技术，具体如下：

（一）深层地下水勘探

    在深部地下水文地质勘探中应用地球物理勘探技术，由于环境复杂，技术曹组难度很大，对各种仪器设备有很高的要求，数据处理过程中，要求技术人员有较高的水平。比如，对塔里木盆地进行水文地质勘探的时候，这里沉积的粉细砂厚度已经超过1000米，盐度也非常高，每升就已经达到几十克。这里地下有淡水水体，但是非常深，已经超过500米。在这种复杂的地质环境中进行水文地质勘探的时候，就要使用高敏感度的勘探设备，而且要求其具有很高的分辨率。如果深层含水层的探测过程中发现有地球物理信号，但是比较微弱，就要采用科学有效的技术手段提取，并且能够做到识别。

    通过对构造岩溶裂隙水进行研究可以明确，多数空间分布尺度不是很大，富水通道也比较狭窄，窄处只有几米，宽处为几十米，这对深部弱信号的提取以及识别是否有效起到了决定性的作用。目前，从地球物理技术的角度来看，应用地球勘探技术有效解决这方面的问题，要选择分辨率比较高的仪器设备，还要结合使用电磁法技术。

    要保证电磁法技术的合理应用，要认识到其包括两种技术，一种为实时电磁测深技术，另一种为频域电磁测深技术，要根据实际需要选择，合理使用以发挥其应有的性能[1] 。其中的时域电磁测深技术所发挥的作用是对纯二次场瞬态电磁进行测量，操作的过程中并不会受到静态变量的影响。如果对深层水文地质环境进行探测，应使用功率比较高的发射机对深层产生弱信号进行处理，但是这项技术的应用中，要对于所获得的数据进行深度解释。应用频域电磁测深技术的时候，要将频率降低，就需要增加深度，此时频率点就会增加，有非常高的采集密度，对底层有很强的分辨率非常强。但是，该技术能够充分发挥自身优势的同时，也有不足之处，即存在近地表电不均匀的问题，因此影响静态图像，就会影响信息的准确性。数据处理技术发展速度不断加快，要有效消除静态图像，可以采用的技术越来越多，也更加先进，采用电磁排列剖面法方法是比较有效的。

（二）评价地下水质

    中国一些地区的降水量非常少，而且大量雨水降落到地表就已经蒸发，地下水资源更是少之又少。这种自然环境下，地质环境必然发生变化，即便是古地理环境也会有所变化。通过对地下水资源环境进行勘探，大多数地区的地下水质量受到列环境的影响不是很好，淡水区非常少，多为盐水区。应用地球物理技术进行勘探，所要完成的主要任务就是寻找人类所需要的淡水水体。应用地球物理技术金鑫勘探，不仅进度可以加快，而且效率高、质量好，所获得的结果可以用于水质评价。

    进行水质评价的过程中，对于物理参数要有所了解，尤其是电参数直观重要，其作为唯一参数，也是非常重要的评价指标，要保证准确。水本身就是一个导电体，在地下水中含有大量的导电离子，同时导电离子数量对地下水质量起到了决定性的作用。在地下水中有大量离子，也就意味着其具有非常好的导电性，这也说明地下水有很低的电阻率。如果地下水中的离子量非常少，就说明其不具有很好的电导率，就说明地下水有很高的电阻率。要提高地下水质量，就要通过测量确保地层电阻率比较低。

    处于特定的条件下，地层中会有很多的孔隙，其孔隙度必然会对地层的耐水性产生一定的影响。如果具有很小的孔隙率，水资源就很容易获得。如果为基岩裂隙中的水或者岩溶水，对于含水介质的孔隙度变化存在随机性，这种情况就很难掌握，更不能把握其规律。如果为同一底层构造，剖面裂缝为不同的发育程度，就很难确定裂缝发育程度。所以，对于这种类型的地下水质量进行评估的难度很大。

（三）地下水文立体勘探模式的构建

    进行地下水文立体勘探的过中，需要根据实际情况建立地下水文三维勘探模型，开展工作的过程中，通过运行模型，所有的信息都在模型中立体化呈现，如此可以实施综合勘探。从现代地下水文环境勘探情况来看，随着各种新科技成果涌现出来，已经不再维持单一的方法，而是多种方法综合运用，即地质勘探技术、地球物理勘探技术、3S技术以及其他应用方法综合使用，达到优势互补的效果，每个技术所存在的缺点得到有效规避。从当前这些方法的应用情况来看，在地下水文环境勘探领域发挥这重要作用，即便如此，在具体应用的过程中也会受到各种因素的影响而存在不足，还需要进一步完善。到目前为止，还没有系统haunted技术方法在应用的过程中获得良好的效果。比如，对某一地区的地下水文环境记性勘探的时候，要考虑到当地的自然环境特点，包括地质环境、气候环境以及水环境等等，据此判断应该采用哪种勘探方式比较有效，最终能够获得什么样的勘探效果，否则，就无法确定哪一种技术是最有效的。建立专属于特定区域范围内的地下水文环境三维勘探模型，基于各种类型的地下水模型进行勘探，还要结合当地的空气环境、地面环境以及井下环境等等，将多种勘探方法结合起来构建三维勘探模型，为后续地下水文环境勘探起到指导作用。具体的研究工作中，所涉及到的内容如下：

    其一，在地下水文环境勘探的过程中，需要使用遥感技术、地球物理勘探技术、测井技术、地面电法技术以及钻探技术等等，这些技术各有特点，对不同类型地下水文环境勘探中，要根据需要合理选择，才能将技术特点充分发挥，此时需要重点考虑技术应用条件、应用范围，所能够反映的含水体特征以及需要解决的问题，明确技术应用中对于问题的解决程度。

    其二，进行地下水文地质环境勘探的过程中，勘探水资源的时候会涉及到很多的参数，诸如地球物理勘探中常用的电磁参数以及放射性参数，遥感采集信息的过程中应用的各项参数等等，同时还要研究地下水含水层反射特征，基于此将地下水多参数评价体系构建起来。

    其三，着重于研究空气环境、地面环境、井下环境，分析所采用的有效方法，明确相关技术之间所存在的相关性，基于此将GIS的各种类型地下水文环境三维勘探模型建立起来。

（四）获得水文地质参数

    其一，要地层孔隙度，合理应用地震技术即可。地震技术的应用过程中，其可以产生反射并不断地传播，这是其所具备的动态特性，其中涵盖的信息比较高，主要为振幅、频率、衰减、反射波、极化内部结构以及外部几何结构。通过对这些地震信息进行分析，就可以将其中有价值的地层信息提取出来，还可以获得岩性信息，对地震序列确定之后就可以进一步分析。另外，将地震波的动态信息充分利用起来，其中包括频率、振幅以及极化等等，结合有关数据，包括钻井信息、速度以及测井所获得的数据等等，将岩性参数以及储层参数提取出来。

    其二，评价含水层渗透性的时候应用频谱诱导极化技术。自二十世纪70年代以来，中国应用电磁勘探技术的过程中，开始频繁使用频谱诱导极化技术。在勘探金属矿床的时候通常会使用该技术，其还有一个重要功能，就是可以对电磁效应与耦合效应有效区分。

    日本的研究人员对光谱诱导极化技术进行研究的过程中，认为骑在水文地质勘探中应用，也可以用于评估含水层渗透性，同时还可以对地下水运动特征进行研究，明确污水入侵程度，所获得结果有较高的精准度。

（五）获得水文地质参数的地面核磁共振找水技术

    要对地下水质环境进行直接探测，并检测水资源，到目前为止，最为先进的技术就是表面核磁共振。如果在勘探深度范围内发现地层中有游离水的时候，就会有NMR信号响应。相反，如果地层中并不存在游离水，就不会有核磁共振信号响应。所以，根据是否存在NMR信号，就可以判定游离水的存在。通过分析水中所含有的质子数量，就可以明确信号强度以及衰减速度，这就可以说明，如果核磁共振信号响应的时候产生很大的振幅，那么，探测空间中会含有很高的游离水含量；如果核磁共振信号响应的时候产生很小的振幅，那么，探测空间中的游离水含量就非常少。所以，采用技术可以实现表面核磁共振水检测。如果为无核磁共振感应衰减信号，就可以在地面上对初始振幅进行观测，同时还要观测相位、质子以及自旋弛豫时间来，对于相互之间的关系进行研究。应用反演计算方法就可以获得各项水文地质参数，诸如孔隙度、含水量、渗透率等等。

三、水文地质工作中地球物理勘探技术的应用

（一）激发极化法的应用

    应用激发极化法可以将流脉冲提供给地下地质体，保证供电电流不变的情况下，要注意观察此时所产生的现象。在地面上对电极之间的电位进行测量，明确两者之间的差值，随着时间的不断增加，就会逐渐趋于稳定。切断供电电流之后，电极之间的电位差是否产生很大的衰减幅度，就要看其衰减的程度，发现其速度不断减慢。经过的几秒钟之后，衰减就会逐渐停止。进行充电和放电的过程，随着时间的推移，就会有附加电场产生，并产生变化现象，此为激发极化效应[2] 。

    进行地球物理勘探技术的应用过程中，需要应用激发极化法则，就是岩矿产生极化效应，基于此寻找矿产资源，对于水文地质勘探中所存在的股份中问题予以解决，此为电法勘察形式。通常而言，这种方法还可以进一步划分为两种方法，一种方法为直流激发极化法，另一种方法为交流激发极化法。需要注意的是，固液介质体不同，激发极化效应也会存在不同，而这种特征在二次场大小以及时间变化中表现出来。二次场的衰减曲线，还会有激发极化性质方面的信息。基于此就可以可以地质构造进行研究，经过分析之后将地下水源找到。进行地质勘探中如果采用传统方法，主要为电法勘探技术，其工作量是非常大的。该技术的应哟很，对地下水勘探技术快速发展起到一定的推进作用。二十世纪末期，高精度激发极化发的应用，找水仪应运而生，这种方法在水文地质勘探领域中应用，取得了一定的成就。

（二）瞬变电磁法的应用

    瞬变电磁法即为“时间域电磁法”，主要使用接地线源或者使用不接地回线，将一次脉冲磁场发射到地下。脉冲磁场会有间隔时间，对于脉冲磁场的测量可以按照时间变化情况进行，通过分析二次场曲线衰减特征，就可以判断地下不同深度地质体的情况以及规模，同时明确电性特征。瞬变电磁法的应用中，主要是观测纯二次场，就可以将一次场所出现的装置耦合噪音清除。将多种合适的技术选择出来联合操作，就可以实现水文地质勘察的有效性。从中可以发现，物探测井技术的应用中，结合使用钻探技术可以获得良好的效果，水文地质特征勘探结果更加准确。

（三）地质雷达法的应用

    应用地质雷达法，所遵循的原理是发挥地面发射天线的作用传播电磁波，使其进入到地下，地面可以接收到信息，达到地下目标之后，目标体就可以将其反射回来，之后分析所接收到的电磁波时频以及振幅等等，评价地质体形态以及所具备的性质。雷达穿透深度与发射电磁波频率存在相关性，但是会存在一些问题，即穿透深度不够，但是分辨率是非常高的。正是由于该技术的这一特点，能够获得准确的解释成果，所以浅层地质勘探中会应用该技术。

（四）地面核磁共振法的应用

地层中水质子磁共振信号变化过程中会形成一定的规律，需要认真观察并深入探索，探测地下水发生时间以及所具备的特征。激发电流脉冲的幅度和持续时间由小变大进行，从浅到深探测含水层的存在。与传统的地球物理勘探方法相比较，磁共振的优点在于，其作为一种直接、无创的水文地质勘探方法，在实际应用中有诸多的优点，即信息丰富、效率高而且有很高的分辨率，非常具有发展前景。地表磁共振水勘探方法的应用张可以直接发现淡水资源，勘探效率提高。这种方法所遵循的严厉是探测深度范围内，地层将富含一定量的游离水。当检测到游离水时，就会出现磁共振信号，否则不会有任何回应。地表核磁共振通常受地质构造影响较小，这些优点可用于区分间接水勘探电阻率法和电磁测深视电阻率法的异常地质。当托管空间介质的电阻率和淡水的电阻率之间的差异非常小时，地面磁共振可以直接找到淡水。这种方法的应用中也存在局限，即探测范围比较小，无法探测埋藏在超过150md深度的地下水，并且由于磁共振系统的灵敏度非常高，当有电子噪声的时候很容易受到影响。

（五）地球物理测井技术的应用

    水文地质物探过程中一个好用地球物理测井技术，就是进行钻孔的过程中将测量电合理应用，发挥其放射性作用，探明水质以及地下岩石情况并针对所获得的信息辨别。该技术的应用过程中，主要采用的方法是钻探取芯，结合水文地质观测过程中所获得的资料，就可以试试测量和勘察[3] 。采用这种方法进行水文地质钻探，测井技术是比较常用的，对其进行细分，包括电法测井技术、放射性测井技术、流速测井技术\热测井技术、声波测井技术。每一种测井技术的应用过程中都可以获得良好的效果。这种测井方法的应用，能够将含水层水文地质参数测出来，还可以测出岩石物性，对工程中存在的特殊问题予以有效解决。

结束语：

    通过上面的研究可以明确，我国经济发展速度不断加快，同时也面临一个重要问题，就是堪称为生命之源的水严重短缺。多年以来，人们在生产生活中大量消耗水资源，导致其严重匮乏，所以，当前的环保护工作中，水资源保护是重点。现在的水资源问题越来越突出，人们对于水的质量更加严格要求，为了彻底解决这方面的问题，就要着力于水文地质勘探。尤其是近年来水文地质勘探工作不断发展，地球物理勘探技术起到了不可替代的作用。为了更好地发挥其作用，电法勘察技术已经不再局限于单一的供水勘察，而是环保化转向，要求对地下水资源合理应用，以更好地使用当前的我国绿色发展战略环境。但是，无论是哪一种物探形式，存在优点的同时，也有制约因素。地质本身就是多解性的，在勘探的时候就要将多种技术措施综合应用，验证的时候可以做到相互补充，对于成果的解释有较高的精度，以满足探测精度要求。地球物理勘探技术的应用过程中，主要是基于地球物理学解释，并不局限于物性资料，而是从实际出发解决水文地质环境的有关问题，比如地下水具有富水性以及比较常见的水质问题等等。地下水文环境勘探过程中，要基于多学科展开，多方位勘探，而且对于技术还要多层次实施，通过应用现代化技术，提高地下水文环境勘探中地球物理勘探技术发挥其应用价值。

参考文献：

[1] 郭强，张晓凯. 地球物理勘探方法在水文地质工程中的应用研究[J]. 区域治理，2019，000(3):218-219.

[2] 李绍铜,胡红岩. 综合地球物理勘探技术在哈尔滨东部新城水源地选址勘探中的应用[J]. 冶金管理，2020，407(21):94-95.

[3] 郭磊. 综合电法勘探在邵阳县地下水资源勘探中的应用研究[J]. 冶金管理，2019，369(7):109-110，112.