3-水文地質探查

1、第三章 水文地質探查,第一節(jié) 水文地質物探 第二節(jié) 水文地質化探 第三節(jié) 水文地質鉆探,第一節(jié) 水文地質物探,物探即地球物理勘探。水文地質物探指利用各種地球物理勘探方法進行水文地質勘查，是水文地質勘查的基本方法之一。 水文地質勘查中常用的物探方法有：視電阻率法、激發(fā)極化法、瞬變電磁法、放射性探測等方法，以及電法、放射性、聲波、流速等地球物理測井方法。,物探方法之所以能夠探明水文地質條件，主要是因為不同類型或不同含水量的巖石，或不同礦化程度的地下水體之間存在物性上(如導電性、導熱性、熱容量、溫度、密度、磁性、彈性波傳播速度及放射性等)的差異?？山柚鞣N物探測試儀器，測定出某一方向、某一深度或某一

2、范圍內巖石或地下水體的某些物理特征值的變化，從而分析、推斷出某一方向和某一深度或范圍內的巖層含水性能、地下水體物性的變化。 物探方法成本低、速度快、用途廣，是目前水文地質調查中不可缺少的勘查手段。,影響物探方法效果的因素： 探測對象(含水巖層或含水帶、或地下水體)與圍巖之間存在比較顯著的物性差異； 物性差異要有一定的異常幅度，并在所探測的深度內能被目前使用的物探儀器測量出來； 探測對象呈現的異?，F象，能與其他自然和人為干擾因素引起的異?，F象能很好地區(qū)分開來；,探測對象要有一定的規(guī)模(厚度或范圍)，埋藏深度不能太深，自然和人為干擾因素(地形坡度、切割程度、浮土厚度、工業(yè)地電、地下金屬管線等)的影

3、響不能太強烈； 開展水文地質物探人員，不僅具有良好的地球物理探測知識、經驗，還必須具有較豐富的水文地質知識和經驗，否則所探測的資料解釋就會與實際的水文地質條件出現偏差或謬誤，影響水文地質調查效果，甚至帶來不必要的經濟財產上的損失。,一、電法勘探 二、水文地質測井 工程物探課程已講授。,第二節(jié) 水文地質化探,水文地質化探是根據地下含水層中水化學組分特征及差異來研究地下水埋藏和運移規(guī)律的水文地質勘查方法。 一、水的化學組分 （一）無機組分 根據無機組分在地下水中的分布和含量，可劃分為主要組分、微量組分和痕量組分。,（二）有機組分 有機物種類繁多，主要有氨基酸、蛋白質、糖（碳水化合物）、葡萄糖、有機

4、酸、烴類、醇類、醚類、羧酸、苯酚衍生物、胺等。各種不同形式的有機物主要由C、H、O組成，這三種元素占全部有機物的98.5%，另外還存在有少量的N、P、K、Ca等元素。,（三）氣體成分 地下水中常見的溶解氣體有：O2、CO2、CH4、N2、H2以及惰性氣體Ar、Kr、He、Ne、Xe等。 地下水中的氣體主要來源于大氣，如O2、CO2、N2以及惰性氣體等；其次來源于巖層中的生物化學作用，如CO2、H2S、H2、CH4、CO、N2、NH3等；巖層的變質作用可釋放出CO2、H2S、H2、CH4、重烴和CO、N2、HCl、HF、NH3、SO2等；放射性衰變作用可形成Rn、He、Ne、Ar等。,研究地下水

5、中的氣體成分的意義： 首先，對地下水中氣體成分的研究，有助于對地下水起源、成因判別和解釋； 其次，水中的氣體成分決定著含水層水文地球化學環(huán)境的性質； 再者，某些氣體成分決定著地下水具有一定的特殊性能，如醫(yī)療礦水中的碳酸水和硫化氫水就是由于CO2和H2S在水中的含量較高所決定的。,（四）微生物成分 地下水中重要的微生物主要有三種類型：細菌、真菌和藻類。除光合細菌外，細菌和真菌可以歸入還原者一類微生物，它們能把復雜的化合物分解成比較簡單的物質，并從中提取能量供其繁衍和代謝之需要。藻類能夠利用陽光，把光能轉變?yōu)榛瘜W能貯存起來，因此藻類被歸入為生產者一類微生物。不過，在無陽光條件下，藻類只得利用化學能

6、來滿足其代謝需要。,二、水的物理化學性質 （一）pH值 pH值是衡量水溶液酸堿性質的一個綜合性物理化學指標，它對化學元素在水溶液中的存在形式及地下水與圍巖的相互作用有著重要的影響。水溶液的pH值受溶液的化學成分、溫度、壓力等多種因素的制約。 天然水的pH值一般在6.58.5之間，當pH值過高或過低時，則表示水有可能受到了污染。,（二）氧化還原電位（Eh） 氧化還原電位是表征水體氧化還原狀態(tài)的綜合性物理化學指標，單位為V或mV。 水體的氧化還原條件對元素在其中的存在形態(tài)以及元素的遷移、富集和分散有巨大的影響。 水體的氧化還原電位對環(huán)境因素的變化很敏感，溫度、pH值以及溶解氣體含量的變化都會對其造

7、成很大影響。因此，Eh值一般都是在現場進行測定的。,pH值-氧化還原電位-溫度測量儀,氧化還原測定儀,（三）總溶性解固體（TDS） 總溶性解固體是指水中溶解組分的總量，它包括了水中的離子、分子及絡合物，但不包括懸浮物和氣體，單位為mg/L或g/L?？側苄越夤腆w除了可直接測定外，也可根據水質分析結果進行計算，方法是把所有溶解組分（溶解氣體除外）的濃度加起來再減去HCO3-濃度二分之一。 礦化度的概念來源于前蘇聯，是我國過去常用的術語，其含義與總溶性解固體相同。,（四）全鹽量 全鹽量是指水中各組分的總量，單位是mg/L或g/L。該指標是計算值，它與總溶解固體的區(qū)別在于無需減去HCO3-濃度的二分之

8、一。 全鹽量在灌溉水質的評價以及河流向海洋輸送風化產物的計算中經常用到。,（五）總硬度 水的總硬度反映了水中多價金屬離子含量的總和，這些離子包括了Ca2+、Mg2+、Sr2+、Fe2+、Fe3+、Al3+、Mn2+、Ba2+等。與Ca2+和Mg2+相比，其它離子在天然水中的含量一般很少，因此天然水的硬度往往主要是由Ca2+、Mg2+引起的。 硬度通常以CaCO3的mg/L數來表示，其數值等于水中所有多價離子毫克當量濃度的總和乘以50（CaCO3的當量）。,水的總硬度由碳酸鹽硬度和非碳酸鹽硬度組成。 碳酸鹽硬度是指可與水中的CO32-和HCO3-結合的硬度，當水中有足夠的CO32-和HCO3-可

9、供結合時，碳酸鹽硬度就等于總硬度；當水中的CO32-和HCO3-不足時，碳酸鹽硬度就等于CO32-和HCO3-的毫克當量數之和乘以50，也就是以CaCO3的mg/L數表示的水中CO32-和HCO3-的總量。碳酸鹽硬度通常被稱為暫時硬度，因為這部分硬度可與水中的CO32-和HCO3-結合，當水被煮沸時即可形成CaCO3沉淀而被除去。,總硬度與碳酸鹽硬度之差被稱為非碳酸鹽硬度或永久硬度，它指的是與水中Cl-、SO42-、NO3-等結合的多價金屬陽離子的總量，水煮沸后不能被除去。 水的總硬度隨著地區(qū)的不同通常有很大的變化，一般情況下地表水的硬度要小于地下水的硬度。地下水的硬度往往反映了它所接觸的地層

10、巖性的性質，當表土層較厚且有石灰?guī)r存在時，水的總硬度一般較大，而軟水則一般出現在表土層較薄且石灰?guī)r較少或不存在的地方。,德國度，每一度即相當于每升水中含有10mgCaO 水的硬度通用單位為mmol/L，換算關系為:1mmol/L=2.804德國度（d），那么1德國度=3.5666mg/L CaCO3,（六）溶解氧 溶解氧指溶解于水中的游離氧。天然水中的溶解氧主要來源于空氣中的氧氣，故溶解氧的含量與空氣中氧的分壓、水的溫度有密切的關系。一般情況下空氣中氧的含量變化不大，故水溫是影響溶解氧含量的主要因素，水溫愈低水中溶解氧的含量愈高。在一個大氣壓下，0時大氣氧在淡水中的溶解度是14.6mg/L，3

11、5時的溶解度則大約為7mg/L。,溶解氧是水中有機物進行氧化分解的重要條件，當大量有機物污染水體時，水體的溶解氧可被急劇地消耗，如其消耗速度超過氧氣從空氣中進入水體內的速度，則水中地溶解氧就會不斷地降低，甚至接近于零而呈缺氧狀態(tài)。此時水中的厭氧生物就會大量繁殖，有機物發(fā)生腐敗，使水產生臭味。因此，溶解氧的含量可作為判斷水體是否受到有機污染的間接指標。 由于溶解氧參與了水中有機物的氧化分解活動，所以在同一地表水體不同斷面上測定水中溶解氧的含量，對于說明水體地自然凈化狀況具有重要意義。,雷擊高壓線導致魚塘停電 因缺氧數萬斤魚遭殃,（七）生化需氧量（BOD） 生化需氧量是指在有氧條件下，水體中的有機

12、物在被微生物分解的生物化學過程中所消耗的溶解氧量，以mg/L表示。BOD的測定實質上是一個氧化過程，在該過程中把一定量的有機物氧化為二氧化碳、水和氨氣所需氧的量是確定的。 BOD測試中的氧化反應是生物活動的結果，其完成的程度是由溫度和時間所決定的。為了使測定的BOD值具有可比性，通常采用20下培養(yǎng)5天的測定結果來標定BOD，并將其記為BOD5。,（八）化學需氧量（COD） 化學需氧量是指在一定條件下，采用強化學氧化劑氧化水中有機物所需消耗的氧量，單位為mg/L。在COD的測定過程中，無論有機物能否被生物所分解，它都被氧化劑氧化成了二氧化碳和水，因此COD一般要大于BOD。 COD測定的最大缺點

13、就是它不能對生物可降解與生物不可降解的有機質進行區(qū)分，而且它不能提供可降解有機物在天然條件下達到穩(wěn)定狀態(tài)的任何速度信息。優(yōu)點是測定所需的時間短，只需要三個小時，所以在很多情況下都用COD來代替BOD。,（九）總有機碳（TOC） 總有機碳是水中各種形式有機碳的總量，以mg/L表示。 TOC可通過測定高溫燃燒所產生的二氧化碳來確定，也可用有關測試儀器進行測定。 由于燃燒法的測定程序較為繁瑣，而且難以排除無機碳的干擾，而儀器測試法又比較昂貴，所以在以往的水質分析結果中，TOC的資料很少。,（十）堿度（Alk） 堿度是指水中能與強酸作用的重碳酸鹽、碳酸鹽、氫氧化物、有機堿及其他弱酸強堿鹽的總含量，是表

14、征地下水中和酸能力的一個綜合性指標。 天然水的堿度主要由水中的弱酸鹽類所引起，當然弱堿和強堿對其也有一定的貢獻。 雖然很多物質都對天然水的堿度有影響，但水的堿度主要由三類物質所引起，這些物質是氫氧化物、碳酸鹽和重碳酸鹽。,（十一）酸度（Acidity） 酸度是表征地下水中和堿能力的一個綜合性指標。 組成水中酸度的物質可歸納為三類： 強酸，如HCl、HNO3、H2SO4等； 弱酸，如CO2、H2CO3、HCO3-及各種有機酸等； 強酸弱堿鹽，如FeCl3、Al2（SO4）3等。 水中這些物質對強堿的總中和能力稱為總酸度?？偹岫葎t表示了中和過程中可與強堿反應的全部H+數量，其中包括了已電離的和將要

15、電離的兩部分。已電離的H+數量稱為離子酸度，其負對數值即等于水溶液的pH值。,三、水文地質化探方法 （一）圖示法 1. 圓形圖示法（餅圖法） 把圓形分為兩半，一半表示陽離子，一半表示陰離子，其濃度單位為meq/L，某離子所占的扇形的大小，按該離子毫克當量占陰或陽離子毫克當量總數的比例而定。圓形的大小按陰陽離子總毫克當量數大小而定。這種圖示法可以用于表示一個水點的水化學資料，也可以在水化學平面圖或剖面圖上表示。,2. 柱形圖示法 柱型分兩半，一半為陰離子，一半為陽離子，以毫克當量或毫克當量百分數表示。 柱子的高度與陽離子或陰離子的毫克當量總數成比例。通常是表示6種離子，如超過6種可把性質相近的放

16、在一起，如Na+K等。這種圖示可表示一組數據，其優(yōu)點是簡明清晰。,3. 多邊形圖示法圖 這種圖示法經常用于油田水化學成分的研究，效果較好。,4.三線圖示法,Piper圖解淮河流域江蘇地區(qū)淺層地下水水質演化特征,三線圖最大的優(yōu)點，能把大量的水分析資料點繪在圖上，依據其分布情況可以解釋許多水文地球化學問題。 三線圖示法是最有實用價值的一種圖示法，許多研究論文都使用它。,（二）數學分析法 1. 庫爾洛夫法 為了簡明地反映水的化學特點，可采用化學成分表示式即庫爾洛夫式，將陰陽離子分別標示在一條橫線上下，均按毫克當量百分數自大而小的順序排列，小于10的離子不予表示。橫線前依次表示氣體成分、特殊成分及礦化

17、度（以字母M為代號），三者單位均為g/L，橫線后以字母t表示水的攝氏溫度。,2. 模糊聚類分析法 有些事物或多或少的存在“亦此亦彼”的模糊現象。 對事物按照一定要求進行分類的方法稱為聚類分析，它是一種多元統計分類方法之一。 步驟：選擇要評價的有關指標和標準，求隸屬度并構建模糊矩陣，確定權重值；進行模糊運算；根據水平截集進行聚類分析和評價。,聚類判別礦井突水及應用,第三節(jié) 水文地質鉆探,水文地質鉆探是水文地質勘查的基本方法之一，是查明水文地質條件、地下水賦存狀態(tài)及含水層富水性、隔水層分布及其性能的一種最重要、最直接、最可靠的勘探手段，是進行各種水文地質試驗的必備工程，也是水文地質物探、水文地質化

18、探、水文地質測繪成果所作地質結論的檢驗方法。,一、水文地質鉆探的基本任務 驗證水文地質遙感解譯、地面測繪、物探等手段所取得的認識，研究地質、水文地質剖面，以確定或查明含(隔)水層的數目、層位、厚度、埋藏深度、分布狀況、空隙性及隔水層的隔水性等。 測定各個含水層中的地下水位(包括初見水位和靜止水位)及其動態(tài)變化。 測定含水層在垂直和水平方向上的透水性和含水性的變化。,測定各個含水層之間、地下水與地表水之間的水力聯系以及斷層的導水性。 按規(guī)程要求取水樣，分析研究地下水的物理性質和化學成分。 按規(guī)程要求采取巖樣和土樣，分析研究巖石的水理性質、物理性質和力學性質。 進行水文地質試驗(主要指抽水試驗)，

19、測定鉆孔涌水量和含水層的水文地質參數，為計算評價地下水允許開采量、礦坑涌水量等提供依據。,二、水文地質鉆孔的分類 1、水文地質勘探孔 為查明水文地質條件、按水文地質鉆探要求施工的勘探孔，主要用于水文地質普查。 主要獲取地層的巖性、地質構造和含水層的埋藏深度、厚度、性質及富水性等資料。鉆探要求滿足巖芯采取率、校正孔深、測量孔斜、簡易水文地質觀測、數據編錄和封孔等六項指標。,2、水文地質試驗孔 用于進行抽水、注水、壓水、流速流向和連通等試驗的鉆孔，主要用于初勘階段。 在初步掌握地層巖性、地質構造等資料的基礎上，著重了解地下水的水量、水位、水質、水溫等資料，要求進行分層觀測、分層抽水，單孔或群孔抽水

20、等。,3、水文地質觀測孔 用作地下水動態(tài)觀測或在抽水試驗中用作觀測地下水位（特殊的包括水質、水量、水溫）變化的鉆孔。 主要用于測定地下水埋深和水位的歷時變化，來了解區(qū)域地下水的分布和變化規(guī)律。,4、探采結合孔 在水文地質勘查中既能達到勘查目的、取得所需水文地質資料，又能作為開采井的鉆孔。 主要用于已定水源地的水文地質勘探階段。在已取得水文地質資料的基礎上，結合工農業(yè)生產開采水源的需要布置鉆孔。通過鉆探進一步取得水文地質資料后即可作為開采井使用。鉆探既要滿足獲得有關水文地質資料的要求，又要滿足開采生產井對水質、水量、衛(wèi)生防護等的要求。,三、水文地質鉆孔的結構 水文地質鉆孔的結構主要包括開孔直徑、

21、換徑次數、終孔直徑和鉆孔深度。不同類型鉆孔其結構稍有差異。 勘查孔一般采用直徑146 mm的套管做為孔口管，直徑127 mm的套管做為必要的護孔套管。采用直徑110 mm鉆頭取芯鉆進至終孔，直徑91mm的孔徑只做為備用孔徑，在特殊情況下才用它補取巖芯。在滿足水文地質鉆探質量指標的前提下，在設計鉆孔結構時還要考慮抽水試驗對鉆孔直徑的要求。,觀測孔鉆孔直徑多為150-200 mm，濾水管直徑為50-108 mm。 探采結合孔是在完成勘探任務以后，擴孔成井或在開始就采用大口徑取芯鉆進一次成井。一般多采用直徑146 mm濾水管。 供水井的鉆井直徑較大，一般多為400-500mm。,根據鉆孔深度的不同可

22、分為： 淺井的孔深在l00m以內，其含水層主要是第四系砂卵石、砂層，鉆孔直徑多為500mm左右，鉆孔結構可采用一徑成井。 中深井的孔深在100-300m之間，一般可采用一徑（或二徑）成井，下一種或兩種口徑的井管，井管直徑多為200-300mm。 深井的孔深超過300m，一般可采用兩徑或三徑成井，下兩種直徑的井管。,四、水文地質鉆孔的鉆進方法,五、成孔工藝 成孔工藝是指鉆孔完成后，所進行的換漿、下管、洗井等工藝過程。,六、觀測與編錄 水文地質鉆探成果質量的高低，還取決于鉆探過程中觀測與編錄的質量。一個水文地質鉆孔，即使設計和施工都是正確的，但觀測和編錄草率，也必然達不到高質量的成果。因而在鉆探過

23、程中，必須作好巖芯觀測和水文地質觀測，并對兩者進行認真地編錄。,（一）巖芯描述和采取率 在水文地質鉆探過程中，要求每次提鉆后立即對巖芯進行編號、仔細觀察描述、測量和編錄。 1. 巖芯地質描述 對巖芯觀察描述的內容與地表巖石露頭描述的內容基本相同，但有兩點值得注意： 一是注意對地表見不到的現象進行觀察和描述，如未風化地層的孔隙、裂隙發(fā)育及其充填膠結情況、地層厚度、地下水活動痕跡（溶蝕或沉積）、地表未出露的巖層和構造等。,二是注意分析和判別由于鉆進所造成的一些假象，把它們從自然現象中區(qū)別出來，如某些基巖層因鉆進而造成的破碎擦痕、地層的扭曲、變薄、缺失和錯位，松散層的擾動、結構的破壞等。 2. 巖芯

24、采取率 研究巖芯采取率可判斷堅硬巖石的破碎程度及巖溶發(fā)育強度，進而分析巖石的透水性和確定含水層位。,式中的Ku為巖芯采取率；L0為所取巖芯的總長度，m；L為本回次進尺長度，m。 一般在基巖中要求Ku不得小于70，在構造破碎帶、風化帶和裂隙、巖溶帶中，Ku不得小于50。,3. 裂隙率及巖溶率 基巖的裂隙率或巖溶率，是用來確定巖石裂隙或巖溶發(fā)育程度以及確定含水段位置的可靠標志。鉆探中通常只作線狀裂隙率統計，可用下式計算： 式中的y為線裂隙率或線巖溶率；bi為L段內在平行巖芯軸線上測得的裂隙或巖溶的總寬度，m；L為統計段長度，m，Ku 為L段內的巖芯采取率。 用巖芯來測定裂隙率或巖溶率是比較困難的，因為富含裂隙水或巖溶水段常為裂隙或巖溶