浅层地下水物探探测方法选择

王士党，杨冲

(山东省煤田地质局第三勘探队，山东 泰安 271000)

0 引言

浅层地下水探测问题是物探工作关注领域之一，各区域地层差异较大，浅层地下水赋存层位也各不相同，如何选择合适的物探方法尤其重要。本文对几种常用勘探方法进行对比，分析各方法的优缺点，分析在不同条件下综合勘探方法的选择，保证施工质量同时兼顾效率。

1 地球物理特征

浅层地下水主要有第四系松散岩层孔隙水、碳酸盐类地层溶洞水和基岩裂隙水等。第四系松散岩层孔隙水主要岩性为砂岩、砾岩、泥灰岩等岩性，地下水主要赋存层位为砂岩、砾岩等，泥岩(黏土)及泥灰岩为隔水层，由于泥岩及泥灰岩电阻率低于砂岩、砾岩等含水地层，因此在第四系中主要探求相对中高阻区域。

碳酸盐类地层溶洞水主要岩性为灰岩、白云岩等，当溶洞、裂隙发育时，完整岩体破坏，岩体电阻率低于围岩，呈局部低阻异常。

基岩裂隙水岩性主要为花岗岩、片麻岩，岩石致密，地表电阻率相对较高，高阻层屏蔽影响较大，该类区域主要以探测断裂、岩性分界面为工作方向。

2 勘探方法介绍

2.1 电阻率层析成像技术

国内一般称为高密度电阻率法，供电电极向地下岩层供给直流(或超低频流)电流,观测测量电极间电位差,研究探测区岩层介质的视电阻率分布情况[1]。层析成像技术一次布设完毕，施工效率高，成本较低，处理软件采用RES2DINV,suefer等成图，被广泛应用于浅层地下水探测、溶洞探测等领域[2-3]。主要采用温纳装置、施伦贝谢尔排列、温纳-施伦贝谢尔排列等方式进行采集。温纳装置具有较高的垂向分辨率，施伦贝谢尔排列具有较好的水平分辨率。但该方法主受地形影响较大，受限于地形起伏、河流等野外实际地况，测线布设相对困难，从而导致探测深度较浅。

2.2 激电测深

激电测深技术是指在同一测深点上逐次增大供电电极距AB及接收电极MN，随AB,MN的增大，勘探深度逐步增大。该方法起步于20世纪50年代，技术方法成熟，受地形影响小，被广泛应用于水工环地质中，特别是地下水勘探中。发展过程中，地质工作者提出了通过采集视电阻率[4]、极化率(或幅频率)、半衰时、衰减度[5-6]、二次时差法[7]、电反射系数[8]、偏离度[9]等来进行地下水探测工作。目前主要采集视电阻率及极化率参数进行测量。

2.3 瞬变电磁法

瞬变电磁法是通过不接地回线或接地电极回线圈，向地下发送一次脉冲信号，激发地质体感生二次电流，用线圈或接地电极观测由脉冲电磁场感应的地下涡流产生的二次电磁场的空间和时间分布。瞬变电磁法具有勘探深度大、抗干扰能力强、分辨力高、施工效率高等优点，被广泛应用于矿产勘查及水文、工程勘察等领域[1]。瞬变电磁法在地下水探测中的应用主要用于煤矿水害防治等方面[10-11]。

瞬变电磁法采集的是二次场数据，对于地形要求不高，可穿透浅部高阻层。由于一次场对接收线圈的影响，盲区问题相对严重。

2.4 大地电磁法

包含有主要有MT法(大地电磁法)、AMT法(音频大地电磁法)、CSAMT法(可控源音频大地电磁法)、EH4法(电磁成像系统)、EMAP法(电磁排列剖面法)、天然电场选频法等。大地电磁法测量是根据不同频率的电磁波在地下传播具有不同的趋肤深度，通过采集不同频率的接收到的地电信号，从而达到测深的目的。

伍岳[12]利用EH4法在砂岩地区开展地下水勘探工作，认为方法不受地表高阻层影响，能兼顾近地表及深层地质信息。杨天春等[13]利用天然电场选频法在湖南、广西等多地开展地下水勘探工作，选取几个频点数据，探求相对低电位位置为地下水井位。

2.5 甚低频电磁法

甚低频电磁法选用频率为15～25kHz的电台发射的电磁波作为场源，电磁波在传播过程中遇到地质体时,将使其极化而产生二次电流,从而引起感应二次场。一般情况下二次场和一次场合成后的总场与一次场的振幅方向、相位均不相同,即引起了一次场的畸变。通过在地表、空中或地下测量其电磁场的空间分布，从而获得电性局部差异或地下构造信息的一种电磁法。

适用于断裂破碎区域及灰岩岩溶发育地段的地下水探测，该方法操作简单，使用轻便，容易受外界噪声及电磁波干扰。

金培杰等[14]采用17.4kHz的NDT台作倾角法和22.3kHz的NWC台进行波阻抗测量，查清了滑坡面水文地质特征，取得了较好的物探成果。

2.6 地震勘探

地层及岩石都存在自身的弹性参数，泊松比及弹性模量各不相同，地震勘探是利用地层和岩石的弹性差异来探测地质构造、寻找有用矿产资源的重要地球物理勘测方法。目前，地震勘探方法主要包含反射波法、折射波法、瑞雷面波法、钻孔弹性波CT法等。在所有物探方法中，地震勘探抗干扰较强、分辨率高，对于小规模地下异常体的识别具有其独特的优点。

段佳松根据破碎带与完整岩石存在波速差异，采用浅层地震法等对深州市地下水资源进行了评价，查清了地下水储量及圈定富水区域[15]。

3 综合勘探方法的选择

物探找水是一种间接勘探手段，勘探过程中须结合地质及水文资料，对于物探工作的方法选择及测线布设具有非常重要作用。由于地质条件、物性特征、施工效率、经济成本等不同，在地下水探测中的方法选择也是差异较大，如何在保证效率及质量前提下选择最优物探组合方法，显得尤为重要[16-19]。

(1)将干旱缺水区域按照水文地质类型划分为简单型和复杂型，对于水文地质条件简单，周边已有成井区域，为提高涌水量，才采用单一物探手段进行施工，可采用高密度电法、电测深中任一种物探方法进行施工；对于水文地质条件复杂区域则需采用两种及两种以上手段进行施工。

(2)从成本及效率方面考虑，瞬变电磁法及浅层地震勘探施工方便，效率较高，成本相对较低；层析成像技术、电测深、CSAMT及EH4等方法效率一般，施工成本相对较高。

(3)从埋深方面考虑，小于100m，选择层析成像技术、浅层地震、瞬变电磁法、甚低频电磁法、优化点距的电测深等方法；深度大于100m，由于高密度电法、浅层地震探测深度不够，瞬变电磁法盲区效应相对较大，一般选择电测深、CSAMT法测深、EH法等；深度大于500m，由于电测深供电电极布设相对困难，不建议进行开展电测深工作，优选EH4,AMT,CSAMT等组合方式进行勘探。

(4)从地质条件考虑，对于第四系浅地表地下水探测，可采用层析成像技术单独开展工作；对于第四系底界面砾石等赋水层位探测，优选层析成像技术与电测深、电测深与瞬变电磁法组合等方式。对于岩溶发育区域地下水探测，优选层析成像技术与电测深、瞬变电磁法等方法。

根据地质情况，对不同地质条件下的物探方法的选择进行了组合，组合方式如表1所示。

表1 不同组合方法的选择

3.1 CSAMT法与电测深综合应用

采用CSAMT法对泰安市范镇地区地下水进行探测，施工中对目的层位频率进行优化，优化频率组合开展测量工作，施工效率高、对地表为高阻的底层下低阻异常具有较好的分辨性。由于接收信号相对较弱，易受外界电磁干扰。

在泰安东某水厂地质勘探工作中采用了CSAMT法及电测深综合进行探测。横向上，视电阻率等值线呈水平层状，视电阻率曲线平缓，无较大扰动(图1)。

图1 CSAMT法视电阻率反演拟断面图

纵向上，视电阻率等值线呈低—高—低—高，随深度增加视电阻率逐步增大。深度0～10m，视电阻率30～100Ω·m，推测为第四系亚黏土和细中粗砂电性反映。在深度10～70m，视电阻率50～100Ω·m，推测为泥质灰岩。深度70～120m，视电阻率70～120Ω·m，推测为泥质灰岩与砾岩互层电性反映。在深度120m以下，视电阻率大于100Ω·m，推测为奥陶系灰岩电性反映，其中发育有溶洞，造成低阻异常。低阻区域为本次勘探的主要目的层位，其中富含有丰富的水资源。

将桩号70m处开展了单点电测深工作，选用装置为对称四级电测深，生成图2，测深曲线类型“H”型，在深度140～170m，电阻率整体呈低阻反映，本次勘探目的层灰岩溶洞区域。钻孔ZK003在深度154m处钻遇岩溶区，终孔孔深181m，其中溶洞区深度为154～159m，开展了抽水试验，计算出水量为40m3/h。

图2 拟定井位电测深电阻率曲线图

3.2 高密度电法与电测深综合应用

在泰安东某村物探找水中采用了层析成像技术温纳装置进行勘探。测量采用仪器为N2多功能电法仪，供电电压为500V，供电时间1s，断电时间1s，测量视电阻率值。

纵向上，深度5～25m，整体呈现低阻反映，视电阻率小于120Ω·m，横向上差异较小，推测为第四系黏土、砂、砾石等电性反映。深度15m以下，电阻率逐步增大，视电阻率大于150Ω·m，视电阻率随深度增加逐步增大，结合地质资料，该岩性为闪长岩(图3)。

图3 电阻率层析成像视电阻率拟断面图

横向上，在桩号50～110m，视电阻率等值线扭曲，整体呈向大号方向(东南)倾斜，推测该位置为岩性接触面，小号方向为闪长岩，大号方向为第四系黏土等。在桩号125m位置单点电测深工作，布设了钻孔ZK001，设计深度为90m，终孔深度为93m，出水量为11m3/h，满足了村庄生活生产用水需求(图4)。

3.3 电测深在浅层地下水勘探中应用

在临沂莒南某物探项目中采用了对称四极电测深，目的为查明断层走向及倾向，在断层交会区域布设井位。视电阻率呈由浅入深逐渐增大变化趋势。

在桩号0～400m，标高+100m～-800m，视电阻率700～3500Ω·m，整体呈现高阻异常，异常倾向为大号方向，结合地质资料，认为该位置岩性为二长花岗岩。

桩号400～1400m，标高+150m～-500m，视电阻率100～800Ω·m，整体呈现“V”字型异常，在桩号400～800m，视电阻率等值线呈往大号方向倾斜，推测该位置为F1断裂，断层倾向大号方向。在桩号850～1100m，视电阻率小于450Ω·m，推测该位置为F2断层；桩号1000～1200m，推测为F3断层。

在桩号1200m位置布设了ZK002，设计孔深500m，后期经钻探，在35m，175m及368m揭露3个含水层，终孔深度为435m，出水量为21m3/h，钻孔位置为图5中桩号1200m位置。电测深方法成熟，地下水赋存层位多呈现低阻高极化，由于电测深探测深度为AB/2乘以某换算因子K，造成方法效率相对较低。

图5 电测深视电阻率拟断面图

4 结论

(1)本文介绍了电阻率层析成像技术、电测深、大地电磁法、甚低频、浅层地震法等方法在浅层地下水勘探中的应用。分析了每一种方法的优缺点，实例说明这些方法在实践中取得了良好的应用效果。

(2)本文从成本及效率方面考虑，认为瞬变电磁法及浅层地震为成本低效率高方法；电测深、CSAMT方法等效率相对较差；从探测深度角度出发，100m以浅优选层析成像技术、电测深、瞬变电磁法、浅层地震等方法，探测深度较深时优选CSAMT法、EH法等；从地质条件差异，接地较差时选择瞬变电磁法、CSAMT法等，接地较好选择层析成像技术等。

(3)野外采集数据资料是物探工作后期分析解释的前提及必要条件，针对性的选择合适方法在物探勘探中尤为重要。