地球物理儀器報(bào)告(共10頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上地球物理儀器報(bào)告-地球物理方法在地下水探測(cè)中的應(yīng)用 姓 名： 學(xué) 號(hào): 班 級(jí)： 指導(dǎo)老師： 院 系： 地球物理方法在地下水探測(cè)中的應(yīng)用一、前言 水是地球上人類賴以生存的最寶貴的自然資源之一，是我國(guó)重要的生產(chǎn)、生活水源。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及人民生活水平的不斷提高，對(duì)水的需求越來越大，水資源供需矛盾也越來越嚴(yán)峻，地下水是水資源的重要組成部分，是干旱、半干旱地區(qū)用水的重要來源，有時(shí)甚至是唯一的水源。 地下的各種含水構(gòu)造對(duì)采礦、環(huán)保、農(nóng)業(yè)、地下工程等部門也有重大的意義。地下水的不合理開發(fā)利用可能導(dǎo)致一些地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，進(jìn)行地下水分布狀況的勘探是保證礦山礦區(qū)的安全生產(chǎn)的前提條

2、件。 2、 研究意義地下水，是貯存于包氣帶以下地層空隙，包括巖石孔隙、裂隙和溶洞之中的水。地下水是水資源的重要組成部分,由于水量穩(wěn)定,水質(zhì)好，是農(nóng)業(yè)灌溉、工礦和城市的重要水源之一。地下水是一個(gè)龐大的家庭，據(jù)估算，全世界的地下水總量多達(dá)1.5億立方公里，幾乎占地球總水量的十分之一，比整個(gè)大西洋的水量還要多！但是在我國(guó)，300個(gè)城市缺水，其中188個(gè)城市嚴(yán)重缺水，許多地區(qū)和城市靠長(zhǎng)期過量抽取地下水維持，而西北地區(qū)及許多山區(qū)則因缺水而制約了經(jīng)濟(jì)發(fā)展,水資源的需求也在不斷地?cái)U(kuò)大，水資源短缺已成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重要制約因素。而且在一定條件下，地下水的變化也會(huì)引起沼澤化、鹽漬化、滑坡、地面沉降等不利

3、自然現(xiàn)象。因此合適的探測(cè)地下水方法與效果研究是備受關(guān)注的，地下水的高效率、高精度勘查就成為水資源研究中首先要解決的課題。3、 研究現(xiàn)狀我國(guó)的地下水勘探工作從上世紀(jì)50年代初開始,至今已有50年,在此期間,物探找水有了很大的發(fā)展,取得了一定成就。我國(guó)的水文物探主要經(jīng)歷了5個(gè)發(fā)展階段:(1) 上世紀(jì)50年代和60年代,是我國(guó)水文物探成長(zhǎng)階段。主要使用的方法有電阻率法、滲透電場(chǎng)法、井中充電法、井中擴(kuò)散法等。(2)70年代,出現(xiàn)了一些新方法,如激發(fā)極化找水方法及音頻大地電場(chǎng)法等,物探技術(shù)上了一個(gè)新臺(tái)階。(3)80年代,從平原找水發(fā)展到山區(qū)基巖裂隙、巖溶找水,地震折射法、甚低頻法、二次時(shí)差法、頻率域激發(fā)

4、極化法、核物探方法、井中的流速測(cè)定儀等許多方法進(jìn)入水文物探領(lǐng)域。特別是計(jì)算技術(shù)進(jìn)入直流電法之后,使老方法以新的面貌繼續(xù)發(fā)揮作用。(4)90年代,水文物探穩(wěn)定發(fā)展和相對(duì)成熟階段,在物探尋找地下水方面,我國(guó)的技術(shù)水平在世界上是先進(jìn)的。(5)21世紀(jì)，傳統(tǒng)的地球物理方法一直得到應(yīng)用,但在地下水勘查工作中采用最多的是直流電阻率法和激發(fā)極化法,它比單純的水文地質(zhì)分析法前進(jìn)了一大步,但由于受地形影響及體積勘探效應(yīng)的限制,成井率很難再有提高。瞬變電磁法(TEM)是近年來國(guó)內(nèi)外發(fā)展得較快地質(zhì)效果較好的一種電法勘探分支方法,地面核磁共振(SNMR)找水方法是在近二十多年里發(fā)展起來的直接找水的物探新方法。 在國(guó)外

5、,上世紀(jì)30年代一些研究者就認(rèn)識(shí)了激發(fā)極化現(xiàn)象。到50年代中期,美國(guó)和前蘇聯(lián)一些學(xué)者開始對(duì)激發(fā)極化找水特性進(jìn)行了理論和試驗(yàn)研究，但大都處于室內(nèi)研究階段,并未大量推廣應(yīng)用。隨著地球物理勘探方法的不斷發(fā)展,一些新的物探方法如遙感、航測(cè)、地質(zhì)雷達(dá)、微重力法、高密度電阻率法、可控源音頻大地電磁法、核磁共振法和同位素技術(shù)等在地下水勘查領(lǐng)域得到應(yīng)用。但由于這些方法儀器昂貴、資料處理繁雜,因此這些方法不便普及使用,只能在大面積資源普查時(shí)使用。4、 地下水探測(cè)方法 地球物理方法是以各種巖石和礦石的密度、磁性、電性、彈性、放射性等物理性質(zhì)的差異為研究基礎(chǔ)，用不同的物理方法和物探儀器，探測(cè)天然的或人工的地球物理場(chǎng)

6、的變化，通過分析、研究所獲得的物探資料，推斷、解釋地質(zhì)構(gòu)造和礦產(chǎn)分布情況。 當(dāng)?shù)刭|(zhì)單元含有地下水后，其電導(dǎo)率即與含水飽和度、礦化度、地層孔隙度、滲透率等諸多因素相關(guān)。通常，含水層相對(duì)隔水層或低飽和地層呈現(xiàn)明顯的高導(dǎo)電性，因此電導(dǎo)率異常是地下水地球物理電磁法探測(cè)的主要依據(jù)。除電導(dǎo)率特征外，含水層通常還有較高的介電常數(shù)，所以高飽和地層可以對(duì)地質(zhì)雷達(dá)、空間成像雷達(dá)等高頻設(shè)備所發(fā)射的電磁波產(chǎn)生明顯的響應(yīng)。另外在某些特殊情況下，磁異常、彈性波阻抗異常、放射性異常等均被間接地用于水文地質(zhì)研究。近幾年發(fā)展起來的地面核磁共振方法(SNMR)對(duì)地下空間的氫元素敏感，因此可以直接探測(cè)地下水參數(shù)。 由此可見，與直接

7、用鉆探找水具有很大盲目性，且成本高、風(fēng)險(xiǎn)大相比，地球物理方法找水則具有方便、快捷、準(zhǔn)確的特點(diǎn)，是最經(jīng)濟(jì)、有效的手段，在生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。如何因地制宜合理選擇及配合應(yīng)用這些不同的勘探方法，在水源勘察中以較少的工作量獲得較理想的探察效果，這是廣大地下水勘探工作者的不變追求。1、 電法 （1）電阻率法 電阻率法是電法中找水應(yīng)用歷史較長(zhǎng)、理論研究較為完善、應(yīng)用最為廣泛 的一種方法。我國(guó)在20世紀(jì)60年代初期開始運(yùn)用此方法在山丘和平原地區(qū)進(jìn)行 電測(cè)找水工作，取得了眾多成功的找水經(jīng)驗(yàn)和實(shí)例。 （2）激發(fā)極化法 激發(fā)極化法，簡(jiǎn)稱激電法，是以地下巖、礦石在人工電場(chǎng)作用下發(fā)生的物 理和電化學(xué)效應(yīng)（激發(fā)極化效應(yīng)

8、）差異為基礎(chǔ)的一種電法勘探方法，地下水探 測(cè)中是利用激電二次場(chǎng)的大小與衰減快慢的不同推斷巖體的含水情況，其最大 的優(yōu)點(diǎn)是受地形影響小，對(duì)巖溶裂隙水的水位埋深和相對(duì)富水帶反映都比較直 觀。（3）天然電場(chǎng)選頻法 天然電場(chǎng)選頻法的工作場(chǎng)源是利用大地電磁場(chǎng)，測(cè)量大地電磁場(chǎng)在地面的 電性變化特征來推斷地下電斷面的電性差異、確定地下水徑流帶等。由于設(shè)備 輕便、操作簡(jiǎn)易、探測(cè)速度快、成果反映直觀等諸多優(yōu)點(diǎn)，受到了重視。（4）瞬變電磁法（TEM） 瞬變電磁法(TEM)是利用不接地回線或接地電極向地下發(fā)送脈沖式一次電 磁場(chǎng),用線圈或接地電極觀測(cè)由該脈沖電磁場(chǎng)感應(yīng)的地下渦流而產(chǎn)生的二次電 磁場(chǎng)的空間和時(shí)間分布，從

9、而解決有關(guān)地質(zhì)問題的時(shí)間域電磁法。 （5）地質(zhì)雷達(dá)法（GPR） GPR方法使用不接地天線向地下發(fā)射高頻(10MHz2000MHz)電磁脈沖；電磁 波遇到電性界面(尤其是介電常數(shù)分界面)會(huì)發(fā)生反射、折射和透射；地面的接 收天線使用感應(yīng)原理接收地下空間的電磁脈沖響應(yīng)。目前廣泛使用的是小偏移 距的收發(fā)天線，類似地震勘探中的自激自收，因此其解釋方法也很大程度上借 用地震勘探理論經(jīng)行同相軸分析。（6）核磁共振法（NMR） 核磁共振找水技術(shù)的核心原理是，地下水中的氫核具有微弱的磁性，顯現(xiàn) 核子順磁性，在地磁場(chǎng)這一恒定磁場(chǎng)作用下，產(chǎn)生一宏觀磁矩M。若在垂直于地 磁場(chǎng)方向上施加一交變磁場(chǎng)脈沖，交變磁場(chǎng)的頻率等

10、于質(zhì)子在磁場(chǎng)中進(jìn)動(dòng)的拉 摩爾頻率，脈沖的寬度W與交變磁場(chǎng)振幅2T的乘積有如下關(guān)系，TW=，式中 是M與地磁場(chǎng)的夾角，調(diào)整W或T使=/2，則宏觀磁矩M將轉(zhuǎn)向垂直于地磁場(chǎng) 的方向，此時(shí)脈沖停止，M將繞地磁場(chǎng)作進(jìn)動(dòng)而在地面上產(chǎn)生最強(qiáng)的自由進(jìn)動(dòng)信 號(hào)(FID)。這個(gè)脈沖稱/2作脈沖。取其他值,則信號(hào)較弱，改變脈沖參數(shù)并 記錄FID信號(hào)，由其振幅和橫向弛豫時(shí)間，經(jīng)過計(jì)算，可得到地下不同深度處的 含水量、孔隙度及滲透率等數(shù)據(jù)。 2、震法 （1）常規(guī)地震勘探 主要應(yīng)用于探測(cè)地下含水層、追索古河道,探查地下構(gòu)造情況,確定破碎帶、 查找斷層、裂隙帶,測(cè)定巖土的彈性等。在淺層地震勘探中,探測(cè)深度一般是幾 米到幾十

11、米,探測(cè)范圍較小。高頻地震儀的探測(cè)深度一般在大于100m而小于2000 m的深埋范圍。 （2）高分辨率淺層地震法 目前用于水文勘探的地震方法以反射地震法為主。地震勘探的物探依據(jù)是 巖層彈性參數(shù)的差異。高分辨率淺層地震是在常規(guī)地震勘探的基礎(chǔ)上，通過進(jìn) 一步提高分辨率來精細(xì)解決地質(zhì)問題。在地下水勘查中，為水文地質(zhì)提供構(gòu)造、 地層劃分、地層富水性和巖性對(duì)比方面的資料。 3、重力 包括地面重力勘探和衛(wèi)星重力探測(cè)。地面重力勘探主要是用重力異常探測(cè)大范圍的地殼深部構(gòu)造,劃分密度分界面、確定其埋深、厚度和起伏情況等。而當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的是利用衛(wèi)星重力探測(cè)技術(shù)對(duì)全球進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)觀測(cè)，可獲得地球重力場(chǎng)及其隨

12、時(shí)間變化的數(shù)據(jù)資料，通過分析計(jì)算可獲得高精度時(shí)變重力場(chǎng)。雖然重力場(chǎng)的時(shí)變量很小，但卻包含著重要的地球物理信息，揭示了地球系統(tǒng)內(nèi)部所有的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)、分布及變化，反映了大氣、陸地水、海洋及固體地球之間的相互作用。 4、放射性找水法 地下水是一種溶解能力很強(qiáng)的溶劑。在其循環(huán)過程中，能把巖石里的放射性元素鈾、鐳、氡等遷移出來，即通過溶解和溶濾作用，把放射性元素不同程度地帶到天然水中，放射性元素在其遷移過程中，因地球化學(xué)、水文地質(zhì)等條件改變，有能從地下水中沉淀出來，形成異常，有利于找蓄水構(gòu)造。綜上所述可以看出可用于地下水探測(cè)中的地球物理方法雖然很多，但任何一種地球物理探測(cè)方法都有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)及其局限性，有

13、些方法受到外界因素的影響較大，如激發(fā)極化法受大地電流等因素的影響較大、甚低頻電磁法、核磁共振法均易受電磁干擾等；有些則理論不夠成熟，如瞬變電磁法推測(cè)依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，可靠性低。另外，由于地下水探測(cè)往往要面對(duì)各種復(fù)雜的淺層水文地質(zhì)條件，單一方法越來越不能勝任高精度、高分辨率、高效率、大數(shù)據(jù)量、多參數(shù)信息的任務(wù)要求。因此根據(jù)探區(qū)地質(zhì)條件，采用多種地球物理方法相結(jié)合，使不同方法之間優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提高地下水探測(cè)的準(zhǔn)確性。5、 高密度電阻率法在地下水勘探中的應(yīng)用 高密度電阻率法作為一種高效便捷的勘探手段，目前在工程與環(huán)境地球物理探查中得到了廣泛的應(yīng)用。特別是在地下水資源勘察，重大場(chǎng)地的工程地質(zhì)調(diào)查，壩基及橋墩選

14、址，采空區(qū)及地裂縫探測(cè)，礦井水害防治等眾多工程勘察領(lǐng)域均取得了明顯的地質(zhì)效果和顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。高密度電阻率法采用溫納三電位電極系，在可以布設(shè)無窮遠(yuǎn)電極時(shí)可采用溫納聯(lián)合三極裝置。因此它具有溫納四極裝置(w-)、溫納偶極裝置(w-)、溫納微分裝置(w-)、三極裝置(w-A)、三極裝置(w-B)、二極裝置等多種測(cè)量形式，同時(shí)根據(jù)電極距布置的差異還可形成多種對(duì)地下結(jié)構(gòu)體成像的測(cè)試裝置，這為現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集提供了有效的布置方法。文章利用高密度電法進(jìn)行地下水源勘察實(shí)例，進(jìn)一步闡述其應(yīng)用效果。 1、工作原理高密度電阻率法的基本原理與普通電阻率法相同,該技術(shù)采用三電位電極系 裝置,通過連續(xù)密集的采集測(cè)線的電響

15、應(yīng)數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)地下分辨單元的多次覆蓋測(cè)量,具有壓制靜態(tài)效應(yīng)及電磁干擾的能力,對(duì)施工場(chǎng)地尤為適應(yīng)。一條高密度電法測(cè)線能了解地下一個(gè)面狀信息,通過合理布置測(cè)線,能三維勾劃地質(zhì)體,從而達(dá)到立體勘探。高密度電阻率法是一種陣列勘探方法,野外測(cè)量時(shí)只需將全部電極置于測(cè)點(diǎn)上,然后利用程控電極轉(zhuǎn)換開關(guān)和微機(jī)工程電測(cè)儀便可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速、自動(dòng)采集,當(dāng)將測(cè)量結(jié)果送入微機(jī)后,還可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并給出關(guān)于地電斷面分布的各種圖示結(jié)果。 高密度電阻率法的物理前提是地下介質(zhì)間的導(dǎo)電性差異。同常規(guī)電阻率法一樣,它通 過A 、B 電極向地下供電流I ,然后在M、N 極間測(cè)電位差,從而可求得該點(diǎn)( M、N 之間)的視電阻率值 (見

16、圖1) 。實(shí)際上,高密度電阻率法是一種陣列勘探方法,測(cè)量時(shí)只需要將全部電極(幾十至上百根)沿測(cè)線按一定的電極間距布設(shè)在測(cè)點(diǎn)上,然后用多芯電纜線將各電極按一定的順序連接到電極轉(zhuǎn)換器和多功能直流測(cè)儀上,進(jìn)入正常測(cè)量時(shí),利用程控電極轉(zhuǎn)換開關(guān)和直流電測(cè)儀,便可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速和自動(dòng)采集,觀測(cè)數(shù)據(jù)將有序地逐次存入隨機(jī)存儲(chǔ)器內(nèi)。當(dāng)測(cè)量結(jié)果送入微機(jī)后,還可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并給出關(guān)于地電斷面分布的各種物理解釋的結(jié)果。測(cè)點(diǎn)布設(shè)(溫納法) 野外實(shí)際測(cè)量中,先根據(jù)勘測(cè)目的、勘測(cè)區(qū)域的大小及地質(zhì)條件確定需要采用的電極裝置類型及測(cè)量布置方案,并按照測(cè)量順序準(zhǔn)備好測(cè)量電極文件,然后進(jìn)行電極的布置。安置電極時(shí)注意使電極與介質(zhì)

17、充分接觸,盡可能減小接地電阻,同時(shí)要注意防止勘測(cè)中出現(xiàn)電極極化現(xiàn)象,宜采用不極化電極。 圖1 高密度電阻率法工作原理 溫納裝置的電阻率測(cè)量方式及觀測(cè)值表示如圖2。圖中A 、B 為供電電極,M、N 為測(cè)量電極,測(cè)量點(diǎn)為裝置的中點(diǎn)。高密度電阻率法溫納裝置實(shí)質(zhì)上是一種組合式的溫納裝置。即首先選取基本點(diǎn)距a為極距(電極距離) ,作剖面測(cè)量,即極距不變,電極沿測(cè)線方向依次順移一個(gè)。然后分別改變A 、M、N 、B 之間相互位置再進(jìn)行剖面測(cè)量,即加大極距,增加測(cè)量深度;一般情況下選取AM = MN = NB = na ( n = 2 ,3 ,4)；不論n 等于多少,每次剖面測(cè)量時(shí)電極向前順移的距離均為a 。

18、因此對(duì)每一個(gè)固定的n值來說就是一條剖面,而各重復(fù)觀測(cè)的記錄點(diǎn)又相當(dāng)于一個(gè)測(cè)深點(diǎn),所以高密度電阻率法是電剖面法和電測(cè)深法的綜合,其測(cè)量值可以反應(yīng)被測(cè)介質(zhì)空間(包括水平方向和垂向)上電阻率的變化。 圖2 高密度電阻率法溫納裝置排列方式及觀測(cè)值示意2、 高密度電阻法的優(yōu)缺點(diǎn) 高密度電阻率法較常規(guī)電阻率法具有以下優(yōu)點(diǎn): 電極布設(shè)一次完成,減少了因電極設(shè)置而引起的故障和干擾,為野外數(shù)據(jù)的快速、自動(dòng)測(cè)量奠定了基礎(chǔ); 能有效地進(jìn)行多種電極排列方式的掃描測(cè)量,可以獲得較豐富的地電斷面結(jié)構(gòu)特征的地質(zhì)信息; 野外數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化或半自動(dòng)化,采集速度快(每一測(cè)點(diǎn)需25 s) ,避免了手工操作經(jīng)常出錯(cuò)的問題; 可

19、對(duì)資料進(jìn)行預(yù)處理并顯示剖面曲線形態(tài),脫機(jī)處理后還可自動(dòng)繪制、打印各種成果圖件; 與傳統(tǒng)的電阻率法相比,成本低、效率高、信息豐富、解釋方便,勘探能力顯著提高。 此外，隨著地球物理反演方法的發(fā)展，高密度電法資料的電阻率成像技術(shù)也從一維和二維發(fā)展到三維，極大地提高了地電資料的解釋精度。高密度電阻率法將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與便攜式微機(jī)通訊,可進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)處理,實(shí)現(xiàn)了野外數(shù)據(jù)采集、收錄、處理、成圖成像自動(dòng)化。該方法對(duì)研究區(qū)的淺層地層分布、地質(zhì)構(gòu)造均可取得較理想的探查效果,為準(zhǔn)確掌握該地區(qū)水文地質(zhì)條件提供了可靠依據(jù)。高密度電阻率法雖有其獨(dú)特的優(yōu)越性,但也存在局限性和不足之處：測(cè)線附近的電力設(shè)施、地下管線等都可能引起視

20、電阻率曲線的畸變,影響探測(cè)成果的精度,另外采用該法不能了解巖土的力學(xué)性質(zhì),因此需要與鉆探配合方可取得優(yōu)質(zhì)高效的勘察成果。3、 水源井勘測(cè)應(yīng)用（應(yīng)用實(shí)例） 地下水資源勘察是高密度電法一個(gè)重要的應(yīng)用方向，山東郯城順通養(yǎng)殖場(chǎng)位于缺水山區(qū)，其取水必須打井獲得地下水源，抽取地下水以供養(yǎng)殖用水。該地表層為第四系松散粘土層，厚度為1015m不等，下覆為第四系的松散砂礫層，主要為干旱地區(qū)的季節(jié)性不穩(wěn)定河流形成的產(chǎn)物，是地下水的賦存層位，但其厚度及空間穩(wěn)定性分布情況需用物探方法進(jìn)一步查明。(1)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)合場(chǎng)區(qū)位置及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，共設(shè)計(jì)4 條測(cè)線，分別為測(cè)線1、測(cè)線 2、測(cè)線3、測(cè)線4.各條測(cè)線均采用64

21、 個(gè)電極、電極距3m 的數(shù)據(jù)采集方式。 具體的測(cè)線設(shè)計(jì)情況見圖3。圖3 場(chǎng)區(qū)測(cè)線布置示意圖 測(cè)線1 起點(diǎn)（A點(diǎn)）自場(chǎng)區(qū)大門，距大門西門柱1.2m，測(cè)線總長(zhǎng)189m，該 測(cè)線通過水井東側(cè)，距水井中心9m（B點(diǎn)）。測(cè)線2和測(cè)線1平行。方位200 度，測(cè)線在97.5m（C點(diǎn)）和154.5m（D點(diǎn)）位置處橫跨圍墻，測(cè)線總長(zhǎng)189m。 測(cè)線3布置在水井旁邊，為西- 東向，方位100度，測(cè)線上91.5m（G點(diǎn)）處和 水井相切，另外在151.5m（H點(diǎn)）處橫跨圍墻。測(cè)線4與測(cè)線3相平行。測(cè)線 上160.5m(I點(diǎn))處橫跨圍墻，該點(diǎn)距墻邊（J 點(diǎn)）4.2m。（2） 結(jié)果分析 分析各條測(cè)線所得的電阻率剖面結(jié)果圖可以看出，電阻率剖面分布曲線均勻圓滑，真實(shí)反應(yīng)出各地層介質(zhì)導(dǎo)電性的變化。電阻率值變化范圍040 歐姆.米，圖中以冷色調(diào)到暖色調(diào)遞變來代表阻值的由低到高。從整個(gè)剖面來看，電阻