地面物探方法已被证明是探测地下岩性、划分地层和确定地质构造的有效手段之一。几乎所有的地面物探方法均可用于寻找地下水和判定地下水的某些特征。但是绝大多数物探方法并不是直接测定出地下水本身的物性显示，而是通过测定出有利于蓄水的岩石、构造或裂隙、空洞等的物性显示间接判断地下水的存在以及它们的分布情况。在岩石物性的显示中也包含有水的作用，但水的作用一般要较岩石矿物、化学组分、可溶盐含量、结构等方面的作用小得多。准确地说，多数物探方法是间接找水的方法。

这些物探方法，首推电阻率法、磁法、放射性方法、热辐射法也常用到，而和重力法等相对使用较少。

近年来，随着应用物理技术的发展，人们力求研制出一些对地下水物性反映比较敏感的物探方法，以达到直接进行找水的目的。在这些所谓“直接找水方法”所测得的物性异常中，除了地下水的作用外，仍然不同程度地包含了岩石本身物理性质和裂隙、通道等因素的影响，只不过它们较前述的一般物探方法包含了更多的地下水本身的物性显示。

考虑到一般电阻率法等间接找水的物探方法已在各种地球物理勘探和专门的水文地质物探专著中有详尽的论述，我们仅在此列表简述（表12-1）。我们将在这里着重介绍那些目前在寻找地下水方面较为有效，又有发展前途的地面物探方法。

表12-1地面物探方法分类表

一、自然电场法

这是一种比较“古老”又行之有效的物探方法。这种方法以地下存在的天然电场为场源。由于天然电场主要与地下水通过岩石孔隙、裂隙通道时的渗透作用和离子扩散、吸附作用有关，因此可根据在地面上测量到的电场变化情况，查明地下水的埋藏、分布和运动状况。这种方法主要用于寻找地下掩埋的古河道、基岩含水破碎带，以及确定水库、河床和堤坝的渗漏通道，也可测定抽水井的影响半径和地下水流速。

自然电场法的使用条件，主要决定于地下水渗透作用形成的过滤电场的强度。一般只有在地下水埋藏较浅、水力坡度较大和所形成的过滤电场强度较大时，才能在地面测量到较明显的自然电位异常。为加强其异常显示，可采用人工场的充电法。

二、激发极化法

这种方法是根据供电极断电后，由电化学作用引起的岩石和地下水放电电场（即二次场）的衰减特征来寻找地下水。二次场的衰减特征可用视极化率（ηs）、视频散率（Ps）（交流极化法的基本测量参数）、衰减度（D）、衰减时（τ）表示。判断地下水存在效果较好的测量参数通常是τ和D。τ是指二次电位场（ΔUz）衰减到某一规定数值时（通常规定为50%）所需的时间（单位为s）。D亦是反应极化电场（即二次场）衰减快慢的一种测量参数（用百分数表示）。由于岩石中的含水或富水地段水分子的极化能力较强，因此二次场一般衰减较慢，故D和τ值相对较大。

激发极化法和电阻率法一样，分为测深法、剖面法和测井法。其中，激发极化测深法用得最多，主要用于寻找层状或似层状分布的含水层以及较大的溶洞含水带，并可确定它们的埋藏深度。还可根据含水因素（Ms）和已知钻孔涌水量的相关关系，大致估计设计钻孔的涌水量。

由于激发极化所产生的二次场值小，故这种方法不适用于覆盖层较厚（如大于20 m）和工业游散电较强的地区。

三、交变电磁法

电磁法是近20～30年才推出的新物探方法。目前已在生产中使用的有甚低频电磁法（利用超长波通讯电台发射的电磁波为场源）、频率测深法（以改变电磁场频率来测得不同深度的岩性）、地质雷达法（利用高频电磁波束在地下电性界面上的反射来达到探测地质对象的目的）等。其中，甚低频法对确定低阻体（如断裂带、岩溶发育带和含水裂隙带）比较有效。而地质雷达则具较高的分辨率（可达数厘米），可以测出地下目的物的形状、大小及其空间位置。

近年来，前苏联科学家又设计出一种新的能直接寻找地下水的电磁法，即核磁找水法。其原理如下：由于水具弱磁性，故在磁场作用下，其磁矩将沿地磁的方向排列。当在垂直地磁场方向施加一定强度和频率的人工磁场时，水分子就会产生核磁共振现象。其磁振动率将会在地面铺设的金属线圈中产生一定的电流感应讯号。测定出这种讯号的强度，就可确定出地下水的埋深和富集程度。

四、放射性探测法（天然放射性找水法）

放射性探测法，是随着近年来核辐射理论迅速发展仪是一种用于记录信号的设备，包含放大器、滤波器、AD转换器、存储器、计算机控制器以及显示器等组件。对于勘探而言，其分辨率与波的主频紧密相关，要求仪具备较宽的通频带，能够覆盖数千赫兹的频率范围。信号的强度在不同深度和地质界面变化很大，因此仪需要有足够大的动态范围，以确保不同强度的信号都能真实记录，为详细划分地层提供准确的客观信息。仪还需具备较高的保真度、计时精度和一定的抗干扰能力。

在野外数据采集过程中，需要关注一系列重要的施工参数，包括测线选择、道间距选择、最大与最小炮检距的选择、最佳窗口的确定、记录长度与时间采样率的选择等。这些参数的选择直接关系到勘探的地质效果。

测线选择需遵循一定的原则，如应为直线以真实反映构造形态、应垂直构造走向以更好地揭示构造特征、应与其他物探测线或钻探勘探线相一致，以便于综合分析。道间距的选择是另一个关键因素，它决定了记录的横向分辨率。最大与最小炮检距的选择原则在于确保目的层的反射波不被干扰波掩盖。

在野外采集数据时，通常采用多次覆盖的观测方法，结合室内处理的水平叠加技术，得到水平叠加剖面。这一过程称为共反射点多次叠加法。通过选择不同的观测系统，可以了解地下构造形态。多次覆盖的具体实施方式包括在不同激发点激发并在多个接收点接收，以追踪各界面上的波。

野外数据采集是一个复杂而精细的过程，需要结合实际地质情况和仪器性能，合理选择各项参数，以确保采集到高质量的数据。通过这样的数据采集与处理过程，我们可以更深入地了解地下的地质结构，为后续的石油、矿产资源勘探或其他工程提供重要的参考信息。这段文本主要介绍了在地质勘探中，特别是在岩溶和洞穴地质调查中的物探方法的应用。文本强调了原始数据质量的重要性，并提到了在野外获取优质数据的重要性。接着，详细描述了针对岩溶地质调查的物探方法，包括法、电法、重力法和射气测量法等。然后，文章进一步探讨了物探方法在岩溶洞穴调查中的应用，特别是在评价与监测由岩溶引起的地面沉陷以及探测矿区的地下硐室和矿山巷道方面的应用。

其中，法包括折射法和高分辨率反射法，它们对于探测浅部的干溶洞效果很好，但探测深度有限。电法则包括电阻率法、电磁法、自然电场法和地质雷达法等，其中电阻率法广泛应用于岩溶探测。重力测量广泛用于岩溶相洞穴等探测，尤其是微重力测量。射气测量法则通过识别低值带和局部最小值来寻找最有利于岩溶发育的部位。

在岩溶区溶洞的发育引起的地面沉陷方面，文章以一个美国北卡罗来纳州的实例说明了地质雷达、折射和微重力等综合物探方法的应用。通过不同测量结果的分析和对比，可以较好地查明覆盖层和基岩中是否存在着已有的或潜在的岩溶特征。通过定期雷达测量，可以对该地区可能发生的地面沉陷进行长期监测。

文章还探讨了物探方法在探测矿区的地下硐室和矿山巷道方面的应用。这篇文章详细阐述了物探方法在地质勘探中的重要作用，特别是在岩溶和洞穴地质调查中的应用。在许多老的矿山基地，由于开采活动留下的地下硐室、洞穴或老窑，可能会导致地面沉陷，对矿区的生产安全、地面公共设施和人民生命财产构成严重威胁。在开采区进行地下硐室的探测成为了一项重要任务。在这一领域，物探方法发挥着重要作用。

国内外的研究资料表明，方法，尤其是高分辨率反射法、电阻率法以及一些放射性方法，已被广泛应用于矿山开采中的地下废巷道、硐室等洞穴的探测，并获得了良好的实际效果。

例如，美国科罗拉多大学的研究团队利用方法对废弃煤矿巷道的探测进行了理论研究和实际探测。研究表明，方法完全适用于洞穴的探测，其中包括三种物理效应：洞穴的直接反射或散射、由洞穴共振诱发的二次反射或散射以及应力诱发的速度效应。这些物理效应在实际探测中得到了验证。

在美国中西部三个煤矿区的实地探测中，利用方法对地下巷道进行了成功的定位。美国堪萨斯州地质调查所等单位也利用浅层高分辨率反射法探测煤层内的洞穴，在东南部浅部采煤区成功确定了洞穴位置。

在我国，煤炭部科学研究院从上世纪80年代开始在北京门头沟地区使用二维自动地电阻率系统探测地下废巷道和洞穴等。针对复杂的地质情况，合理布置测量装置并采用单极-偶极测量装置，使用统计平均剔除法校正地表不均匀的影响。根据处理结果成功确定了老窑分布区域。

除了矿山探测，物探方法还广泛应用于确定水库区、湖区、河床堤坝的渗漏点和泄漏带。在自然电场法和电阻率法的帮助下，可以快速找到渗漏点或圈定泄漏带。在某水库使用自电法成功查明了若干个渗漏点。在美国佛罗里达州中西部的旅游农业人工湖的补救方案中，也使用了电阻率测量来探测泄漏地带。

物探方法在监测无机污染的地下水方面也发挥了重要作用。被无机盐污染的水中离子浓度增高导致电阻率降低。电法可以用于确定污染的范围和程度以及污染的垂直分布和横向范围。利用地面电测监测污染的基本原理是污染水与非污染水电阻率有明显差异。在某烟尘堆积场的实例中，通过电测深成功地监测了地下水污染范围随时间的变化。

工厂废水排入地下不仅污染水源，还可能加速地下岩溶的发育过程。例如，在俄罗斯奥卡河沿岸的化工厂生产硫酸过程中，酸性废水渗入地下溶蚀了石膏质岩石并形成了岩溶洞穴。地面电测和河水电阻率测量可以圈定岩溶水的通道位置并评价岩溶作用的发展情况。通过这些测量方法可以确定废水污染的范围和程度以便采取必要的措施进行治理和保护。在葡萄牙西北的埃斯塔雷亚化工联合企业，废水通过渠道排入6km外的潟湖，其他废料则贮存在附近的人工池内。该地近代风成沙覆盖着潟湖淤泥，下面为薄层第四系沉积，再往下为白垩纪沉积直接覆盖在前寒武系片岩上。共有两个含水层，上层在风成砂内，与渠道内的废水直接接触，下层在第四系沉积的底部。上层水在化工企业附近有严重污染，下层水在西面有咸水侵入，在化工企业附近也受到污染，这在钻孔的水样中有所显示。所做物探工作用于确定污染水的分布和地质控制因素。电磁填图先采用10m线圈距测水平磁场，其探测深度对应于上含水层，然后用20m线圈距测垂直磁场，探测深度对应于下含水层，结果表明上层水污染区电阻率低达20Ω·m，发育于企业的西南侧。下层水污染区的电阻率低至10Ω·m。此次电磁测量结果与20世纪70年代所作电测深加以对比，确定了污染随时间的发展。电阻率-深度断面与钻孔控制资料大体吻合，在化工企业附近及西南侧电阻率低于5Ω·m的地方，水样pH=4，Fe含量625×10-9、Cu含量834×10-9、Pb含量111×10-9、Zn含量2848×10-9、Mn含量710×10-9等，而在电阻率超过200Ω·m的非污染区，上述金属浓度要低很多。折射结果表明，第四系沉积的波速1.6～1.8km/s，白垩系沉积2.2～2.3km/s，前寒武纪片岩2.8～3.4km/s，利用折射法可圈出片岩面的局部构造，后者控制下含水层污染的横向范围。

矿山和油田废水也是地下水和地表水的重要污染源，例如美国全国有成千上万口已废弃的但封闭的不好的油气井，当由于二次回采而使产油层产生过压时，这些井会使注入的油田卤水沿钻孔向上运移而进入浅部用作饮水的含水层。在俄克拉荷马州林肯县产油的普鲁砂层附近曾利用可控源声频大地电磁法（CSAMT）来圈定卤水的污染。20世纪30年代就开始从普鲁砂层采油，从50年代开始注入卤水来提高回采率。瓦穆萨组是该区饮水的主要水源层，淡水层的底部深度变化于40～135m之间，固溶物总量低于500mg/L。1979年所打的试验井表明在油田上含水层的卤水含量异常高。在该区选出的一些部位按一定网格开展了CSAMT测量，图5-19给出一口废井附近典型的视电阻率拟剖面图，它表明深部的良导物质朝地表运移，其他一些测线上也测到另外一些污染体。根据物探结果所打的两口试验井的Br/Cl比值表明，瓦穆萨组的污染源确实是普鲁砂层的卤水。

图5-19废注水井附近的视电阻率数据剖面图

直升机电磁测量也成功地用于调查矿山废水的污染范围。德国威悉河含有大量的卤水通过不来梅市，卤水是由上游的几个钾盐矿山排放的，它使河水电阻率降低到低于6Ω·m。航空电磁测量追索列电阻率低于6Ω·m的污染区，异常的范围远远超出河床本身，说明卤水已侧向浸入沿河的浅部含水层，而该含水层是为城市供水的。为了验证航电的结果，又对浅部含水层进行了钻探取样和分析。打了很多钻孔，花了两年时间，而航电测量只花了两天时间，令人吃惊的是，两种方法所得到的结果完全一样。

归纳总结

环境与工程物探在解决环境与工程地质问题中具有广泛的用途，表5-1为环境与工程物探常用方法及解释地质问题能力一览表，在解决环境与工程地质问题时进行分析选择。

表5-1环境与工程物探常用方法及解释环境与工程地质问题能力一览表

注：★表示直接方法及有效。☆表示间接方法及可以适用。