Question

地面物探方法

Answer 1

地面物探方法已被证明是探测地下岩性、划分地层和确定地质构造的有效手段之一。几乎所有的地面物探方法均可用于寻找地下水和判定地下水的某些特征。但是绝大多数物探方法并不是直接测定出地下水本身的物性显示，而是通过测定出有利于蓄水的岩石、构造或裂隙、空洞等的物性显示间接判断地下水的存在以及它们的分布情况。当然，在岩石物性的显示中也包含有水的作用，但水的作用一般要较岩石矿物、化学组分、可溶盐含量、结构等方面的作用小得多。因此，准确地说，多数物探方法是间接找水的方法。

这些物探方法，首推电阻率法、磁法、放射性方法、热辐射法也常用到，而地震和重力法等相对使用较少。

近年来，随着应用物理技术的发展，人们力求研制出一些对地下水物性反映比较敏感的物探方法，以达到直接进行找水的目的。但是，在这些所谓“直接找水方法”所测得的物性异常中，除了地下水的作用外，仍然不同程度地包含了岩石本身物理性质和裂隙、通道等因素的影响，只不过它们较前述的一般物探方法包含了更多的地下水本身的物性显示。

考虑到一般电阻率法等间接找水的物探方法已在各种地球物理勘探和专门的水文地质物探专著中有详尽的论述，我们仅在此列表简述（表12-1）。我们将在这里着重介绍那些目前在寻找地下水方面较为有效，又有发展前途的地面物探方法。

表12-1 地面物探方法分类表

一、自然电场法

这是一种比较“古老”又行之有效的物探方法。这种方法以地下存在的天然电场为场源。由于天然电场主要与地下水通过岩石孔隙、裂隙通道时的渗透作用和离子扩散、吸附作用有关，因此可根据在地面上测量到的电场变化情况，查明地下水的埋藏、分布和运动状况。这种方法主要用于寻找地下掩埋的古河道、基岩含水破碎带，以及确定水库、河床和堤坝的渗漏通道，也可测定抽水井的影响半径和地下水流速。

自然电场法的使用条件，主要决定于地下水渗透作用形成的过滤电场的强度。一般只有在地下水埋藏较浅、水力坡度较大和所形成的过滤电场强度较大时，才能在地面测量到较明显的自然电位异常。为加强其异常显示，可采用人工场的充电法。

二、激发极化法

这种方法是根据供电极断电后，由电化学作用引起的岩石和地下水放电电场（即二次场）的衰减特征来寻找地下水。二次场的衰减特征可用视极化率（η_s）、视频散率（P_s）（交流极化法的基本测量参数）、衰减度（D）、衰减时（τ）表示。判断地下水存在效果较好的测量参数通常是τ和D。τ是指二次电位场（ΔU_z）衰减到某一规定数值时（通常规定为50%）所需的时间（单位为s）。D亦是反应极化电场（即二次场）衰减快慢的一种测量参数（用百分数表示）。由于岩石中的含水或富水地段水分子的极化能力较强，因此二次场一般衰减较慢，故D和τ值相对较大。

激发极化法和电阻率法一样，分为测深法、剖面法和测井法。其中，激发极化测深法用得最多，主要用于寻找层状或似层状分布的含水层以及较大的溶洞含水带，并可确定它们的埋藏深度。还可根据含水因素（M_s）和已知钻孔涌水量的相关关系，大致估计设计钻孔的涌水量。

由于激发极化所产生的二次场值小，故这种方法不适用于覆盖层较厚（如大于20 m）和工业游散电较强的地区。

三、交变电磁法

电磁法是近20～30年才推出的新物探方法。目前已在生产中使用的有甚低频电磁法（利用超长波通讯电台发射的电磁波为场源）、频率测深法（以改变电磁场频率来测得不同深度的岩性）、地质雷达法（利用高频电磁波束在地下电性界面上的反射来达到探测地质对象的目的）等。其中，甚低频法对确定低阻体（如断裂带、岩溶发育带和含水裂隙带）比较有效。而地质雷达则具较高的分辨率（可达数厘米），可以测出地下目的物的形状、大小及其空间位置。

近年来，前苏联科学家又设计出一种新的能直接寻找地下水的电磁法，即核磁找水法。其原理如下：由于水具弱磁性，故在磁场作用下，其磁矩将沿地磁的方向排列。当在垂直地磁场方向施加一定强度和频率的人工磁场时，水分子就会产生核磁共振现象。其磁振动率将会在地面铺设的金属线圈中产生一定的电流感应讯号。测定出这种讯号的强度，就可确定出地下水的埋深和富集程度。

四、放射性探测法（天然放射性找水法）

放射性探测法，是随着近年来核辐射理论迅速发展而推出的一种崭新的地球物理探测方法。它不用人工场源、测量仪器体积小，操纵方法简单、工效高，使用不受地形条件限制，是一种很有前途的物探方法。

自然界存在三个放射性元素系（铀—镭系、钍系和锕系）和一些不成系的天然放射性元素，但在岩石和水中分布较广泛的，主要有铀（U）、镭（Ra）、氡（Rn）、钍（Th）和钾（⁴⁰K）。天然放射性元素发生衰变时能放出α、β、γ射线，而这些射线的强度可利用核辐射探测仪器加以测定。尚需指出，用放射性方法所测量到的射线主要是氡及其子体产生的，而铀、镭等元素放出的射线是次要的，故氡及其子体是放射性探测法首先重视的对象。

放射性探测法主要适用于寻找基岩地下水。这是基于以下原因：①不同类型岩石，由于其放射性元素含量不同，其放射性强度常有差异；②岩石中断裂带和裂隙发育带，常是放射性气体运移和聚积的场所，故可形成放射性异常带；③在地下水流动过程中（特别是在出露地段），由于水文地球化学条件的突然改变，可导致水中某些放射性元素的沉淀或富集，从而形成放射性异常。

放射性探测的方法很多，目前使用较多的方法有：

（1）γ测量法。所测量的是铀、钍、钾等放射性元素及其子体辐射出的射线的总强度。

（2）放射性能谱测量法。它除能测量出γ射线总强度外，并能区分出铀、钍、钾的γ辐射强度。

（3）射气测量法。该方法是用射气仪（测氡仪）测量土壤中放射性气体（主要是氡气）的浓度，以发现浮土下基岩中的放射性异常带。

（4）α径迹测量法和α卡法。这两种方法均是测量土壤盖层中α射线的方法。

（5）²¹⁰Po法。它和α卡法一样，是一种测量土壤层中氡气长期积累量的化探方法。