地球物理仪器报告(共10页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上地球物理仪器报告-地球物理方法在地下水探测中的应用 姓 名： 学 号: 班 级： 指导老师： 院 系： 地球物理方法在地下水探测中的应用一、前言 水是地球上人类赖以生存的最宝贵的自然资源之一，是我国重要的生产、生活水源。随着经济的快速发展及人民生活水平的不断提高，对水的需求越来越大，水资源供需矛盾也越来越严峻，地下水是水资源的重要组成部分，是干旱、半干旱地区用水的重要来源，有时甚至是唯一的水源。 地下的各种含水构造对采矿、环保、农业、地下工程等部门也有重大的意义。地下水的不合理开发利用可能导致一些地质灾害的发生，进行地下水分布状况的勘探是保证矿山矿区的安全生产的前提条件。 二、 研究意义地下水，是贮存于包气带以下地层空隙，包括岩石孔隙、裂隙和溶洞之中的水。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、工矿和城市的重要水源之一。地下水是一个庞大的家庭，据估算，全世界的地下水总量多达1.5亿立方公里，几乎占地球总水量的十分之一，比整个大西洋的水量还要多！但是在我国，300个城市缺水，其中188个城市严重缺水，许多地区和城市靠长期过量抽取地下水维持，而西北地区及许多山区则因缺水而制约了经济发展,水资源的需求也在不断地扩大，水资源短缺已成为国民经济和社会发展的重要制约因素。而且在一定条件下，地下水的变化也会引起沼泽化、盐渍化、滑坡、地面沉降等不利自然现象。因此合适的探测地下水方法与效果研究是备受关注的，地下水的高效率、高精度勘查就成为水资源研究中首先要解决的课题。三、 研究现状我国的地下水勘探工作从上世纪50年代初开始,至今已有50年,在此期间,物探找水有了很大的发展,取得了一定成就。我国的水文物探主要经历了5个发展阶段:(1) 上世纪50年代和60年代,是我国水文物探成长阶段。主要使用的方法有电阻率法、渗透电场法、井中充电法、井中扩散法等。(2)70年代,出现了一些新方法,如激发极化找水方法及音频大地电场法等,物探技术上了一个新台阶。(3)80年代,从平原找水发展到山区基岩裂隙、岩溶找水,地震折射法、甚低频法、二次时差法、频率域激发极化法、核物探方法、井中的流速测定仪等许多方法进入水文物探领域。特别是计算技术进入直流电法之后,使老方法以新的面貌继续发挥作用。(4)90年代,水文物探稳定发展和相对成熟阶段,在物探寻找地下水方面,我国的技术水平在世界上是先进的。(5)21世纪，传统的地球物理方法一直得到应用,但在地下水勘查工作中采用最多的是直流电阻率法和激发极化法,它比单纯的水文地质分析法前进了一大步,但由于受地形影响及体积勘探效应的限制,成井率很难再有提高。瞬变电磁法(TEM)是近年来国内外发展得较快地质效果较好的一种电法勘探分支方法,地面核磁共振(SNMR)找水方法是在近二十多年里发展起来的直接找水的物探新方法。   在国外,上世纪30年代一些研究者就认识了激发极化现象。到50年代中期,美国和前苏联一些学者开始对激发极化找水特性进行了理论和试验研究，但大都处于室内研究阶段,并未大量推广应用。随着地球物理勘探方法的不断发展,一些新的物探方法如遥感、航测、地质雷达、微重力法、高密度电阻率法、可控源音频大地电磁法、核磁共振法和同位素技术等在地下水勘查领域得到应用。但由于这些方法仪器昂贵、资料处理繁杂,因此这些方法不便普及使用,只能在大面积资源普查时使用。 四、 地下水探测方法 地球物理方法是以各种岩石和矿石的密度、磁性、电性、弹性、放射性等物理性质的差异为研究基础，用不同的物理方法和物探仪器，探测天然的或人工的地球物理场的变化，通过分析、研究所获得的物探资料，推断、解释地质构造和矿产分布情况。 当地质单元含有地下水后，其电导率即与含水饱和度、矿化度、地层孔隙度、渗透率等诸多因素相关。通常，含水层相对隔水层或低饱和地层呈现明显的高导电性，因此电导率异常是地下水地球物理电磁法探测的主要依据。除电导率特征外，含水层通常还有较高的介电常数，所以高饱和地层可以对地质雷达、空间成像雷达等高频设备所发射的电磁波产生明显的响应。另外在某些特殊情况下，磁异常、弹性波阻抗异常、放射性异常等均被间接地用于水文地质研究。近几年发展起来的地面核磁共振方法(SNMR)对地下空间的氢元素敏感，因此可以直接探测地下水参数。 由此可见，与直接用钻探找水具有很大盲目性，且成本高、风险大相比，地球物理方法找水则具有方便、快捷、准确的特点，是最经济、有效的手段，在生产中得到广泛应用。如何因地制宜合理选择及配合应用这些不同的勘探方法，在水源勘察中以较少的工作量获得较理想的探察效果，这是广大地下水勘探工作者的不变追求。1、 电法 （1）电阻率法 电阻率法是电法中找水应用历史较长、理论研究较为完善、应用最为广泛 的一种方法。我国在20世纪60年代初期开始运用此方法在山丘和平原地区进行 电测找水工作，取得了众多成功的找水经验和实例。 （2）激发极化法 激发极化法，简称激电法，是以地下岩、矿石在人工电场作用下发生的物 理和电化学效应（激发极化效应）差异为基础的一种电法勘探方法，地下水探 测中是利用激电二次场的大小与衰减快慢的不同推断岩体的含水情况，其最大 的优点是受地形影响小，对岩溶裂隙水的水位埋深和相对富水带反映都比较直 观。（3）天然电场选频法 天然电场选频法的工作场源是利用大地电磁场，测量大地电磁场在地面的 电性变化特征来推断地下电断面的电性差异、确定地下水径流带等。由于设备 轻便、操作简易、探测速度快、成果反映直观等诸多优点，受到了重视。（4）瞬变电磁法（TEM） 瞬变电磁法(TEM)是利用不接地回线或接地电极向地下发送脉冲式一次电 磁场,用线圈或接地电极观测由该脉冲电磁场感应的地下涡流而产生的二次电 磁场的空间和时间分布，从而解决有关地质问题的时间域电磁法。 （5）地质雷达法（GPR） GPR方法使用不接地天线向地下发射高频(10MHz2000MHz)电磁脉冲；电磁 波遇到电性界面(尤其是介电常数分界面)会发生反射、折射和透射；地面的接 收天线使用感应原理接收地下空间的电磁脉冲响应。目前广泛使用的是小偏移 距的收发天线，类似地震勘探中的自激自收，因此其解释方法也很大程度上借 用地震勘探理论经行同相轴分析。（6）核磁共振法（NMR） 核磁共振找水技术的核心原理是，地下水中的氢核具有微弱的磁性，显现 核子顺磁性，在地磁场这一恒定磁场作用下，产生一宏观磁矩M。若在垂直于地 磁场方向上施加一交变磁场脉冲，交变磁场的频率等于质子在磁场中进动的拉 摩尔频率，脉冲的宽度W与交变磁场振幅2T的乘积有如下关系，TW=，式中 是M与地磁场的夹角，调整W或T使=/2，则宏观磁矩M将转向垂直于地磁场 的方向，此时脉冲停止，M将绕地磁场作进动而在地面上产生最强的自由进动信 号(FID)。这个脉冲称/2作脉冲。取其他值,则信号较弱，改变脉冲参数并 记录FID信号，由其振幅和横向弛豫时间，经过计算，可得到地下不同深度处的 含水量、孔隙度及渗透率等数据。 2、震法 （1）常规地震勘探 主要应用于探测地下含水层、追索古河道,探查地下构造情况,确定破碎带、 查找断层、裂隙带,测定岩土的弹性等。在浅层地震勘探中,探测深度一般是几 米到几十米,探测范围较小。高频地震仪的探测深度一般在大于100m而小于2000 m的深埋范围。 （2）高分辨率浅层地震法 目前用于水文勘探的地震方法以反射地震法为主。地震勘探的物探依据是 岩层弹性参数的差异。高分辨率浅层地震是在常规地震勘探的基础上，通过进 一步提高分辨率来精细解决地质问题。在地下水勘查中，为水文地质提供构造、 地层划分、地层富水性和岩性对比方面的资料。 3、重力 包括地面重力勘探和卫星重力探测。地面重力勘探主要是用重力异常探测大范围的地壳深部构造,划分密度分界面、确定其埋深、厚度和起伏情况等。而当前应用较为广泛的是利用卫星重力探测技术对全球进行长时间的连续观测，可获得地球重力场及其随时间变化的数据资料，通过分析计算可获得高精度时变重力场。虽然重力场的时变量很小，但却包含着重要的地球物理信息，揭示了地球系统内部所有的物质运动、分布及变化，反映了大气、陆地水、海洋及固体地球之间的相互作用。 4、放射性找水法 地下水是一种溶解能力很强的溶剂。在其循环过程中，能把岩石里的放射性元素铀、镭、氡等迁移出来，即通过溶解和溶滤作用，把放射性元素不同程度地带到天然水中，放射性元素在其迁移过程中，因地球化学、水文地质等条件改变，有能从地下水中沉淀出来，形成异常，有利于找蓄水构造。综上所述可以看出可用于地下水探测中的地球物理方法虽然很多，但任何一种地球物理探测方法都有其独特的优点及其局限性，有些方法受到外界因素的影响较大，如激发极化法受大地电流等因素的影响较大、甚低频电磁法、核磁共振法均易受电磁干扰等；有些则理论不够成熟，如瞬变电磁法推测依据经验公式，可靠性低。另外，由于地下水探测往往要面对各种复杂的浅层水文地质条件，单一方法越来越不能胜任高精度、高分辨率、高效率、大数据量、多参数信息的任务要求。因此根据探区地质条件，采用多种地球物理方法相结合，使不同方法之间优势互补，提高地下水探测的准确性。五、 高密度电阻率法在地下水勘探中的应用 高密度电阻率法作为一种高效便捷的勘探手段，目前在工程与环境地球物理探查中得到了广泛的应用。特别是在地下水资源勘察，重大场地的工程地质调查，坝基及桥墩选址，采空区及地裂缝探测，矿井水害防治等众多工程勘察领域均取得了明显的地质效果和显著的社会经济效益。高密度电阻率法采用温纳三电位电极系，在可以布设无穷远电极时可采用温纳联合三极装置。因此它具有温纳四极装置(w-)、温纳偶极装置(w-)、温纳微分装置(w-)、三极装置(w-A)、三极装置(w-B)、二极装置等多种测量形式，同时根据电极距布置的差异还可形成多种对地下结构体成像的测试装置，这为现场数据采集提供了有效的布置方法。文章利用高密度电法进行地下水源勘察实例，进一步阐述其应用效果。 1、工作原理高密度电阻率法的基本原理与普通电阻率法相同,该技术采用三电位电极系 装置,通过连续密集的采集测线的电响应数据,实现地下分辨单元的多次覆盖测量,具有压制静态效应及电磁干扰的能力,对施工场地尤为适应。一条高密度电法测线能了解地下一个面状信息,通过合理布置测线,能三维勾划地质体,从而达到立体勘探。高密度电阻率法是一种阵列勘探方法,野外测量时只需将全部电极置于测点上,然后利用程控电极转换开关和微机工程电测仪便可实现数据的快速、自动采集,当将测量结果送入微机后,还可对数据进行处理并给出关于地电断面分布的各种图示结果。 高密度电阻率法的物理前提是地下介质间的导电性差异。同常规电阻率法一样,它通 过A 、B 电极向地下供电流I ,然后在M、N 极间测电位差,从而可求得该点( M、N 之间)的视电阻率值 (见图1) 。实际上,高密度电阻率法是一种阵列勘探方法,测量时只需要将全部电极(几十至上百根)沿测线按一定的电极间距布设在测点上,然后用多芯电缆线将各电极按一定的顺序连接到电极转换器和多功能直流测仪上,进入正常测量时,利用程控电极转换开关和直流电测仪,便可实现数据的快速和自动采集,观测数据将有序地逐次存入随机存储器内。当测量结果送入微机后,还可以对数据进行处理并给出关于地电断面分布的各种物理解释的结果。测点布设(温纳法) 野外实际测量中,先根据勘测目的、勘测区域的大小及地质条件确定需要采用的电极装置类型及测量布置方案,并按照测量顺序准备好测量电极文件,然后进行电极的布置。安置电极时注意使电极与介质充分接触,尽可能减小接地电阻,同时要注意防止勘测中出现电极极化现象,宜采用不极化电极。 图1 高密度电阻率法工作原理 温纳装置的电阻率测量方式及观测值表示如图2。图中A 、B 为供电电极,M、N 为测量电极,测量点为装置的中点。高密度电阻率法温纳装置实质上是一种组合式的温纳装置。即首先选取基本点距a为极距(电极距离) ,作剖面测量,即极距不变,电极沿测线方向依次顺移一个。然后分别改变A 、M、N 、B 之间相互位置再进行剖面测量,即加大极距,增加测量深度;一般情况下选取AM = MN = NB = na ( n = 2 ,3 ,4)；不论n 等于多少,每次剖面测量时电极向前顺移的距离均为a 。因此对每一个固定的n值来说就是一条剖面,而各重复观测的记录点又相当于一个测深点,所以高密度电阻率法是电剖面法和电测深法的综合,其测量值可以反应被测介质空间(包括水平方向和垂向)上电阻率的变化。 图2 高密度电阻率法温纳装置排列方式及观测值示意2、 高密度电阻法的优缺点 高密度电阻率法较常规电阻率法具有以下优点: 电极布设一次完成,减少了因电极设置而引起的故障和干扰,为野外数据的快速、自动测量奠定了基础; 能有效地进行多种电极排列方式的扫描测量,可以获得较丰富的地电断面结构特征的地质信息; 野外数据采集实现了自动化或半自动化,采集速度快(每一测点需25 s) ,避免了手工操作经常出错的问题; 可对资料进行预处理并显示剖面曲线形态,脱机处理后还可自动绘制、打印各种成果图件; 与传统的电阻率法相比,成本低、效率高、信息丰富、解释方便,勘探能力显著提高。 此外，随着地球物理反演方法的发展，高密度电法资料的电阻率成像技术也从一维和二维发展到三维，极大地提高了地电资料的解释精度。高密度电阻率法将实测数据与便携式微机通讯,可进行现场实时处理,实现了野外数据采集、收录、处理、成图成像自动化。该方法对研究区的浅层地层分布、地质构造均可取得较理想的探查效果,为准确掌握该地区水文地质条件提供了可靠依据。高密度电阻率法虽有其独特的优越性,但也存在局限性和不足之处：测线附近的电力设施、地下管线等都可能引起视电阻率曲线的畸变,影响探测成果的精度,另外采用该法不能了解岩土的力学性质,因此需要与钻探配合方可取得优质高效的勘察成果。3、 水源井勘测应用（应用实例） 地下水资源勘察是高密度电法一个重要的应用方向，山东郯城顺通养殖场位于缺水山区，其取水必须打井获得地下水源，抽取地下水以供养殖用水。该地表层为第四系松散粘土层，厚度为1015m不等，下覆为第四系的松散砂砾层，主要为干旱地区的季节性不稳定河流形成的产物，是地下水的赋存层位，但其厚度及空间稳定性分布情况需用物探方法进一步查明。(1)现场测试 现场调查结合场区位置及现场实际，共设计4 条测线，分别为测线1、测线 2、测线3、测线4.各条测线均采用64 个电极、电极距3m 的数据采集方式。 具体的测线设计情况见图3。图3 场区测线布置示意图 测线1 起点（A点）自场区大门，距大门西门柱1.2m，测线总长189m，该 测线通过水井东侧，距水井中心9m（B点）。测线2和测线1平行。方位200 度，测线在97.5m（C点）和154.5m（D点）位置处横跨围墙，测线总长189m。 测线3布置在水井旁边，为西- 东向，方位100度，测线上91.5m（G点）处和 水井相切，另外在151.5m（H点）处横跨围墙。测线4与测线3相平行。测线 上160.5m(I点)处横跨围墙，该点距墙边（J 点）4.2m。（2） 结果分析 分析各条测线所得的电阻率剖面结果图可以看出，电阻率剖面分布曲线均匀圆滑，真实反应出各地层介质导电性的变化。电阻率值变化范围040 欧姆.米，图中以冷色调到暖色调递变来代表阻值的由低到高。从整个剖面来看，电阻率值明显为两个为部分，即016 欧姆.米的低阻区和1640 欧姆.米的相对高阻区，此为依据来确定基岩界面的埋深和起伏形态，进一步划定局部低阻异常区，低阻区提取结果见图（图6）。 图4 测线1 偶极- 偶极电阻率剖面 图5 测线2 偶极- 偶极电阻率剖面 图6 测线1 偶极- 偶极电阻率剖面提取图 图4、图5为贯穿场区南北的2条平行测线1和测线2电阻率剖面，两剖面阻值一致，形态相似。根据上述电阻率分级原则进行了基岩面和新地层的划分，图中虚线所示。可知基岩面埋深自南向北由浅及深分布，测线范围内基岩界面最浅处为14.5m，最深达4045m。基岩区内阻值较高且相对均匀，不存在相对低阻区，因此可推断基岩段内赋水性差，含水少或不含水。基岩之上的新地层阻值小于16 欧姆.米，在新老地层接触处阻值不均匀，反映受古冲沟起伏地貌约束，冲积而成的不同厚度的砂砾层。该砂砾层接受地表渗流补给，为本区主要地下含水层。通过综合分析，最终确定测线1 的80m 和110m 下方低阻异常或凹地确定为有利含水点。设计水井位于该异常点上。后经80m 处钻探证实，其下30- 40m 段砂砾层富水良好，为较为理想水源井地。4、 总结 高密度电祖率法自动化程度较高，勘探费用低，效率高，因此可以在构造复杂，不良地质体较多的区域会起到很好的探查效果。对于探查目标体来说，如果首先使用高密度电阻率法并辅之于其他物探方法进行普查，再做钻探，以综合勘探的思路，必能起到事半功倍的效果。与此同时，对高密度电阻率法勘探来说，其二维工作方式将更加完善，特别是在数据处理方面。可以相信，高密度电阻率法在水工环等各个领域中将会发挥越来越重要的作用。 专心-专注-专业