甘伏平，喻立平，2，黎華清，盧呈杰，韋吉益

（1.巖溶地質(zhì)研究所，廣西桂林541004；2.中國地質(zhì)大學(xué)地球物理與信息技術(shù)學(xué)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(zhì)研究所，廣西桂林541004；2.中國地質(zhì)大學(xué)地球物理與信息技術(shù)學(xué)院，北京100083）

盡管充電法需要充電點(diǎn)，但對已知進(jìn)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(yōu)點(diǎn).自然電位法對隱伏的地下流體表現(xiàn)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(jìn)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(xì)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(dāng)場地受限，探測深度大，需要精細(xì)探測時(shí)，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(jìn)行定性判斷.結(jié)合探測實(shí)例，考慮不同的地質(zhì)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(zhì)及其空間分布特征進(jìn)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(xù)滲漏會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的后果，不僅使設(shè)計(jì)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(zhì)會(huì)沿地下管道或巖石破碎區(qū)下滲，污染地下水源.在巖溶地區(qū)，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(fā)地下水源，對地表缺水地區(qū)顯得格外重要［1］.

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

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(yīng)綜合考慮有效性、探測成本及場地條件.當(dāng)?shù)叵滤魍ǖ烙忻髁鞒隹诨蛉肟跁r(shí)，初勘首選簡便、快速、直接的充電法（梯度觀測）進(jìn)行探測，同時(shí)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(qū)，為進(jìn)一步的詳勘方法設(shè)計(jì)提供依據(jù)［2-5］.

在地下水流“露頭”上進(jìn)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(zhì)問題，而無需向地下供電，地下水流也會(huì)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(chǔ).由于充電法、自然電位法受環(huán)境電場變動(dòng)、地形起伏的影響，很難準(zhǔn)確測定異常的寬度、深度和產(chǎn)狀等要素，這就需要結(jié)合其他物探方法來進(jìn)行探測.下面舉例說明詳勘時(shí)可采用的3種常規(guī)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(guī)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(qiáng)，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(shí)信噪比低.采用何種裝置可結(jié)合實(shí)際地質(zhì)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(dǎo)特性的地下水流通道地質(zhì)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(guī)模，場地較為開闊.

淺層地震反射法特別適宜探測由構(gòu)造控制發(fā)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(shù)據(jù)采集宜采用多道、多次覆蓋技術(shù).但該方法不適合巖溶區(qū)基巖裸露的地區(qū).

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(yīng)用于一般常見的工程地質(zhì)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(shù)圖像較直觀、精細(xì)地反映地下水流管道的空間分布特征［8-9］.

2 探測應(yīng)用實(shí)例

2.1 實(shí)例1：充電法（MALM）-自然電位法（SP）-高密度電法組合

某大泉從灰?guī)r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(yè)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(diǎn)距10 m.充電點(diǎn)為大泉出口，充電曲線在117點(diǎn)有過零點(diǎn)，在95點(diǎn)、120點(diǎn)自然電位曲線有極大值.在120點(diǎn)附近，兩者異常特征點(diǎn)有偏移，這是由于兩者依據(jù)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(dòng)形成過濾電場.這種異常多解性需要其他方法進(jìn)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(shù)據(jù).圖中清楚地顯示，126點(diǎn)往大號方向，地下為低電阻反映；126點(diǎn)往小號方向，地下為高電阻反映.部分地段如51點(diǎn)、111點(diǎn)和126點(diǎn)基巖裸露，與地表露頭吻合.圖3為2線綜合地質(zhì)推斷解釋剖面，126點(diǎn)可解釋為巖性接觸帶或有斷層通過（產(chǎn)狀向小號點(diǎn)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(shí)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(zhì)灰?guī)r，第四系覆蓋層厚度小于5 m.初步設(shè)計(jì)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(fā)電.要求需探測暗河的發(fā)育寬度、下延深度及延伸方向，為后續(xù)施工處理提供資料.利用充電法過零點(diǎn)聯(lián)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(zhì)、寬度、產(chǎn)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(diǎn)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(diǎn)高程265 m的低阻異常、480點(diǎn)高程275 m的高阻異常和500～520點(diǎn)從淺至深的低阻異常.由于500～520點(diǎn)剛好位于水稻田內(nèi)，為了鑒別異常性質(zhì)，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(shù).圖5為1線疊加反射時(shí)間剖面.

圖6為1線綜合地質(zhì)推斷解釋剖面，460點(diǎn)高程265 m的低阻封閉圈異常為充填泥的溶洞反映.470～480點(diǎn)高程275 m的高阻圈閉，反射時(shí)間剖面多次繞射特征明顯為半充填或空洞的反映.500～520點(diǎn)的深部低阻異常不是近地表的電性不均勻引起，反射時(shí)間剖面顯示存在一向小號點(diǎn)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(fā)育深度和延伸方向.

2.3 實(shí)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(shè)計(jì)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(xì)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(shí)發(fā)現(xiàn)下游圍堰在524.0 m存在滲水點(diǎn)，滲水量大于設(shè)計(jì)控制量.物探工作目的為查明滲漏通道的位置及規(guī)模，為防滲處理提供依據(jù).

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(dāng)測線離充電點(diǎn)較近時(shí)，充電法過零點(diǎn)、自然電位極大點(diǎn)特征明顯；當(dāng)測線遠(yuǎn)離充電點(diǎn)后（水平距離大于90 m），由于場地施工，工業(yè)游散電流干擾嚴(yán)重，觀測信噪比低，兩種方法的特征點(diǎn)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(jìn)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(cè)布置鉆孔，采用跨孔電磁波透視方法來進(jìn)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(shù)圖像和地質(zhì)推斷解釋剖面，通過定發(fā)射、定接收、水平同步等觀測方式獲取盡可能多的數(shù)據(jù)，經(jīng)成像獲得吸收系數(shù)剖面.縱坐標(biāo)為孔深20～60 m，橫坐標(biāo)為孔距10.6 m，剖面中吸收系數(shù)越大，說明導(dǎo)電性越好.ZK3孔深50 m處為一滲漏位置，與驗(yàn)證鉆探資料吻合，此滲漏區(qū)向ZK2孔水平延伸約6 m.兩鉆孔旁的30～45 m區(qū)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(jīng)驗(yàn)及體會(huì)

（1）當(dāng)?shù)叵滤魍ǖ烙忻髁鞒隹诨蛉肟跁r(shí)，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(jīng)濟(jì)的方法.由于受外部電流場的干擾及測線離充點(diǎn)由近到遠(yuǎn)，信號由強(qiáng)變?nèi)醯扔绊?，其追蹤距離變短.另外在確定異常的深度、發(fā)育寬度、產(chǎn)狀等要素方面存在局限，因此需要輔助其他物探方法進(jìn)一步查證.

（2）當(dāng)?shù)叵滤魍ǖ缆裆钚∮?0 m，有一定的規(guī)模，覆蓋層小于30 m，場地開闊、平坦時(shí)，優(yōu)選高密度電法進(jìn)一步探測管道的地質(zhì)特征.探測成本中等.

（3）當(dāng)?shù)叵滤魍ǖ缆裆畲笥?0 m，有一定的規(guī)模，場地較為開闊時(shí)，采用淺層地震反射法，效果較好.該方法特別適合探測由構(gòu)造控制發(fā)育的地下暗河，諸如確定斷層寬度、傾向等特征.野外數(shù)據(jù)采集宜采用多道、多次覆蓋技術(shù).但該方法不適合基巖裸露的地區(qū)，探測成本較高.

（4）當(dāng)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(shí)，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(qiáng).地質(zhì)災(zāi)害勘察地球物理技術(shù)手冊［M］.北京：地質(zhì)出版社，2003.

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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(zhì)大調(diào)查項(xiàng)目“西南巖溶地區(qū)地下水與環(huán)境地質(zhì)調(diào)查綜合研究”（編號200310400043）資助.

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