利用綜合物探方法探測地下水流通道

甘伏平，喻立平，2，黎華清，盧呈杰，韋吉益

（1.巖溶地質研究所，廣西桂林541004；2.中國地質大學地球物理與信息技術學院，北京100083）

利用綜合物探方法探測地下水流通道

甘伏平1，喻立平1，2，黎華清1，盧呈杰1，韋吉益1

（1.巖溶地質研究所，廣西桂林541004；2.中國地質大學地球物理與信息技術學院，北京100083）

盡管充電法需要充電點，但對已知進口或出口的淺埋藏地下水流通道，追蹤其走向，該法具有簡單、直觀、快速的優點.自然電位法對隱伏的地下流體表現突出，但干擾異常多，不易分辨.充電法和自然電位法均可對異常進行定性判斷，但不能很好確定地下水流通道的空間分布特征.高密度電法可獲得近地表較為精細的空間電性分布.對斷層控制下形成的地下水流通道，宜采用淺層地震反射法.當場地受限，探測深度大，需要精細探測時，可采用跨孔電磁波透視.但高密度電法、淺層地震反射法、跨孔電磁波透視法不能對異常進行定性判斷.結合探測實例，考慮不同的地質條件和探測成本，對如何選擇最佳的組合方法來探測地下水流通道，確定異常性質及其空間分布特征進行了探討.

自然電位法；充電法；淺層地震反射；跨孔電磁波透視；地下水流通道

水庫持續滲漏會產生嚴重的后果，不僅使設計庫容減少，影響水庫的正常蓄水，而且壩體滲漏可能危及大壩的安全.礦山尾礦壩的尾水，其有毒物質會沿地下管道或巖石破碎區下滲，污染地下水源.在巖溶地區，豐富的地下水常賦存于地下暗河或巖溶管道中，水量分布極不均一，因此追索地下水流通道，在有利地段開發地下水源，對地表缺水地區顯得格外重要［1］.

解決上述工程地質問題，關鍵在于查明地下水流通道.地球物理探測方法雖然具有經濟、快速定位的特點，但各方法都有其局限性或多解性.如何結合場地地質條件，在眾多的方法中尋找有效、快速、廉價的組合，是本文論述的重點.

1 地球物理探測方法

就探測地下水流通道而言，可被利用的地球物理探測方法多種多樣，方法的選擇應綜合考慮有效性、探測成本及場地條件.當地下水流通道有明流出口或入口時，初勘首選簡便、快速、直接的充電法（梯度觀測）進行探測，同時開展自然電位（梯度觀測）的測量.分析充電、自電資料可縮小探測靶區，為進一步的詳勘方法設計提供依據［2-5］.

在地下水流“露頭”上進行充電，帶電的水流可近似等位體或似等位體，充電電流流入圍巖形成電流場，這種電流場的特征可用來解決地下水流速、流向、滲漏通道等地質問題，而無需向地下供電，地下水流也會形成天然的電流場，這是利用自然電位法探測地下水流管道的理論基礎.由于充電法、自然電位法受環境電場變動、地形起伏的影響，很難準確測定異常的寬度、深度和產狀等要素，這就需要結合其他物探方法來進行探測.下面舉例說明詳勘時可采用的3種常規的物探方法.

1.1 高密度電法

場地條件：地下水流通道埋深小于50 m，有一定的規模，覆蓋層小于30 m，場地開闊，較為平坦.

高密度電法裝置種類繁多，但各種裝置對異常的分辨率各有不同.比如維納裝置，信號強，探測深度大，縱向分辨率高；偶極裝置，橫向分辨率較高，但大極距時信噪比低.采用何種裝置可結合實際地質情況決定.高密度電法視電阻率剖面資料，可清楚顯示具有良導特性的地下水流通道地質特征.

1.2 淺層地震反射法

場地條件：地下水流通道埋深大于50 m，有一定的規模，場地較為開闊.

淺層地震反射法特別適宜探測由構造控制發育的地下暗河，對確定諸如斷層的寬度、傾向等要素，效果較好［6-7］.野外數據采集宜采用多道、多次覆蓋技術.但該方法不適合巖溶區基巖裸露的地區.

1.3 跨孔電磁波透視

場地條件：需要符合探測要求的鉆孔，圍巖與水流管道存在電性差異.

跨孔電磁波透視，應用于一般常見的工程地質問題，較少受探測深度的限制，不受地形起伏的影響，吸收系數圖像較直觀、精細地反映地下水流管道的空間分布特征［8-9］.

2 探測應用實例

2.1 實例1：充電法（MALM）-自然電位法（SP）-高密度電法組合

某大泉從灰巖石縫中流出，地表局部基巖裸露，部分被第四系沖洪積黏土夾卵石覆蓋，厚度約5 m，場地平坦、開闊，無工業游散電流、金屬管道等干擾，特別適宜充電、自然電位和高密度電法組合探測.

圖1為2線充電法、自然電位法剖面曲線，點距10 m.充電點為大泉出口，充電曲線在117點有過零點，在95點、120點自然電位曲線有極大值.在120點附近，兩者異常特征點有偏移，這是由于兩者依據不同的物理原理造成的，充電法將地下水流看成似等位體，而地下水的流動形成過濾電場.這種異常多解性需要其他方法進一步甄別.

圖2為2線高密度電法偶極裝置視電阻率反演剖面，電極距為3 m，20層數據.圖中清楚地顯示，126點往大號方向，地下為低電阻反映；126點往小號方向，地下為高電阻反映.部分地段如51點、111點和126點基巖裸露，與地表露頭吻合.圖3為2線綜合地質推斷解釋剖面，126點可解釋為巖性接觸帶或有斷層通過（產狀向小號點方向傾斜），處于巖性接觸帶或斷層附近的巖石破碎，是地下水良好的主要賦存空間.

2.2 實例2：充電法-對稱四極電測深-地震反射法組合

某地下暗河的入口和出口為明流地表河，中間地段為伏流.暗河距地面大約65 m，地面起伏較為平緩，基巖為泥質灰巖，第四系覆蓋層厚度小于5 m.初步設計選擇暗河上部的有利地段，封堵地下暗河使上游河谷形成水庫，用于灌溉和發電.要求需探測暗河的發育寬度、下延深度及延伸方向，為后續施工處理提供資料.利用充電法過零點聯線大致確定了暗河的走向，隨后采用電測深和淺層地震反射法確定其性質、寬度、產狀等要素.

圖4為1線對稱四極電測深視電阻率擬斷面圖，點距10 m，最大AB/2=220 m，圖中顏色由淺到深反映電性的從高到低的變化.較為明顯的電性異常為460點高程265 m的低阻異常、480點高程275 m的高阻異常和500～520點從淺至深的低阻異常.由于500～520點剛好位于水稻田內，為了鑒別異常性質，特增加了淺層地震反射法.采用24道地震儀，15 Hz檢波器，道距5 m，爆炸震源，6次覆蓋技術.圖5為1線疊加反射時間剖面.

圖6為1線綜合地質推斷解釋剖面，460點高程265 m的低阻封閉圈異常為充填泥的溶洞反映.470～480點高程275 m的高阻圈閉，反射時間剖面多次繞射特征明顯為半充填或空洞的反映.500～520點的深部低阻異常不是近地表的電性不均勻引起，反射時間剖面顯示存在一向小號點傾斜的斷層破碎帶.破碎帶寬度約20 m，下延深度不小于75 m，此斷層控制了地下暗河的發育深度和延伸方向.

2.3 實例3：充電法-自然電位法-跨孔電磁波透視組合

某水電站主體基坑由上、下游圍堰和縱向混凝土壩組成.下游圍堰堰頂高程設計為558.5 m，高程540.0 m以下圍堰采用1.4～2.2 m厚的高壓旋噴防滲墻防滲，防滲墻軸線長180.5 m，沖積覆蓋層由細沙、砂礫石、卵石和部分孤石組成.下伏基巖為燕山早期侵入閃長巖，基巖面起伏較為平緩，防滲墻深入基巖0.5 m.防滲墻完工后，基坑排水時發現下游圍堰在524.0 m存在滲水點，滲水量大于設計控制量.物探工作目的為查明滲漏通道的位置及規模，為防滲處理提供依據.

通過多條自然電位法和充電法測線資料，從已知滲漏位置向防滲墻圍堰追蹤，當測線離充電點較近時，充電法過零點、自然電位極大點特征明顯；當測線遠離充電點后（水平距離大于90 m），由于場地施工，工業游散電流干擾嚴重，觀測信噪比低，兩種方法的特征點泛指地下低電阻異常的存在，如滲漏通道、斷層、地下排水管等，異常需要進一步甄別.考慮場地范圍及條件，在異常圈出的可能滲漏通道兩側布置鉆孔，采用跨孔電磁波透視方法來進一步查證.

由自然電位法和充電法資料確定的ZK33鉆孔打到了滲漏通道.圖7為ZK3-ZK2跨孔電磁波透視吸收系數圖像和地質推斷解釋剖面，通過定發射、定接收、水平同步等觀測方式獲取盡可能多的數據，經成像獲得吸收系數剖面.縱坐標為孔深20～60 m，橫坐標為孔距10.6 m，剖面中吸收系數越大，說明導電性越好.ZK3孔深50 m處為一滲漏位置，與驗證鉆探資料吻合，此滲漏區向ZK2孔水平延伸約6 m.兩鉆孔旁的30～45 m區間的條帶狀高吸收異常為灌漿水泥滲入軟弱帶所致.通過綜合方法探測，查明了防滲墻主要的滲漏位置及空間分布.

3 經驗及體會

（1）當地下水流通道有明流出口或入口時，采用梯度觀測的自然電位法和充電法是確定地下水流管道最直接、最經濟的方法.由于受外部電流場的干擾及測線離充點由近到遠，信號由強變弱等影響，其追蹤距離變短.另外在確定異常的深度、發育寬度、產狀等要素方面存在局限，因此需要輔助其他物探方法進一步查證.

（2）當地下水流通道埋深小于50 m，有一定的規模，覆蓋層小于30 m，場地開闊、平坦時，優選高密度電法進一步探測管道的地質特征.探測成本中等.

（3）當地下水流通道埋深大于50 m，有一定的規模，場地較為開闊時，采用淺層地震反射法，效果較好.該方法特別適合探測由構造控制發育的地下暗河，諸如確定斷層寬度、傾向等特征.野外數據采集宜采用多道、多次覆蓋技術.但該方法不適合基巖裸露的地區，探測成本較高.

（4）當場地狹窄，地形起伏劇烈，近地表電性、波速橫向變化大，需查明的地下水流通道埋藏又較深時，宜采用高分辨率的透視方法來探測.該方法的不足是需要符合要求的鉆孔，探測成本高.

［1］郭建強.地質災害勘察地球物理技術手冊［M］.北京：地質出版社，2003.

［2］莊史彬.自然電位法在基坑檢測中的應用［J］西部探礦工程，2004（2）:20—21.

［3］丁云河，晁代超，等.充電法在確定煤礦區涌水巷道中的應用［J］.河北煤炭，2002（4）:51—52.

［4］李黔西.充電法探測充水巖溶裂隙的應用效果［J］.西部探礦工程，2003（3）:9—10.

［5］戴光明，羅延鐘.二維地電條件下充電法地形改正的一種方法［J］.物探化探計算技術，1997，19（1）:36—40.

［6］孫英勛.EH4與地震反射法在高速公路長大深埋隧道勘察中的聯合應用研究［J］.公路交通科技，2005，22（6）:143—146.

［7］甘伏平，馬祖陸，喻立平.巖溶地區復雜條件下的淺層地震方法應用研究［J］.地質與勘探，2005，41（3）:75—78.

［8］Kim J H,Cho S J，Yi M J.Borehole radar survey to explore limestone cavities for the construction of a highway bridge［J］.ExplorationGeophysics，2004，35:80—87.

［9］Wanstedt S，Carlsten S，Tiren S.Borehole radar measurements aid structure geological interpretations［J］.Journal of Applied Geophysics,2000，43:227—237.

Abstract：When an intake or an outfall of a shallow buried groundwater conduit exists,it is a simple,direct and fast way to trace its direction with the mise-a-la-masse method,even though the charging current position is needed.The selfpotential method is good at buried underground flow prospecting,but with too much noise and low resolution.Although lacking for detecting the spatial distribution of groundwater conduits,both mise-a-la-masse and self-potential methods can estimate anomalous features.High density resistivity method can obtain detailed spatial resistivity distribution near the surface.It is wise to introduce shallow seismic reflection method to the exploration of buried groundwater conduits controlled by faults.In case of limited surveying site,great prospecting depth and demanded high resolution,the crosshole electromagnetic wave-penetrating method is suggested in prospecting.However,high density resistivity,shallow seismic reflection and cross-hole electromagnetic wave-penetrating methods cannot give qualitative results to the anomalies.With prospecting examples,this paper shows how the optimum combination of prospecting methods is selected in the detecting of groundwater conduits and defining of the anomalous features and spatial distributions in different geological conditions and prospecting costs.

Key words：self-potential method;mise-a-la-masse method;shallow seismic reflection method;cross-hole electromagnetic wave-penetrating method;groundwater conduit

DETECTION OF GROUNDWATER CONDUITS BY INTEGRATED GEOPHYSICAL METHODS

GAN Fu-ping1,YU Li-ping1,2,LI Hua-qing1,LU Cheng-jie1,WEI Ji-yi1
（1.Institute of Karst Geology,Guiling 541004,Guangxi Autonomous Region,China;2.School of Geophysics and Information Technology,China University of Geosciences,Beijing 100083,China）

1671-1947（2010）03-0262-05

P613

A

2009－12－31；

2010-03-05.張哲編輯.

中國地質大調查項目“西南巖溶地區地下水與環境地質調查綜合研究”（編號200310400043）資助.

甘伏平（1966—），男，高級工程師，1986年畢業于武漢地質學院，1989年畢業于武漢地質學院北京研究生部，獲碩士學位，2007年獲中國地質大學（北京）博士學位，現從事巖溶探測應用研究工作，通信地址廣西桂林市七星路50號巖溶地質研究所，郵政編碼541004，E-mail//ganfp555@163.com