浅谈地球物理方法在矿山水文地质中的应用

肖 旸

（四川省地质矿产勘查开发局109地质队，四川 成都 610100）

随着工业化的发展，矿业的探采需求越来越大，矿山探采带来了许多环境问题，大量的探采活动带来了污染物的排放和堆积，而且带来了重金属污染、土地退化、生物多样性丧失和农业生产等一系列广泛的环境问题。生态系统和景观破坏严重威胁了人类健康。地球物理勘探技术简称为物探技术，它的主要原理是根据地壳中各种岩、矿石间的物理性质差异（如密度、磁性、电性、弹性、放射性差异等）为物质基础的，利用物理学的原理，通过观测和研究因岩、矿体物理性质差异而引起相应的地球物理场（如重力场、地磁场、电场等）在空间上的局部变化（称为地球物理异常），就可以推断地下地质构造或矿体的赋存状况，达到地质调查目的的一种应用科学。矿业开发和环境污染已成为经济社会发展的主要制约因素。

在我国，随着环境污染的加剧，地下水的质量正在恶化。地球物理探测技术以其低成本、高速度等优点得到广泛地应用，因此，本文介绍了地球物理方法在矿山水文地质中的应用。

1 矿山物理勘探的基本现状

我国的地球物理勘探技术始于1920年[1]，此时中国地球物理学进入快速发展阶段，1950年，新中国地球物理勘探开始利用磁电法在各个区域勘探铁矿。1950年代和1970年代是地球物理勘探行业快速发展的阶段[2]，地质部门相继成立了地球物理勘探队伍。这一时期发现了大量的浅层矿山。这些矿山是第一批地方物探的试验点，基本覆盖了全国。

1980年和1990年初期，第一次区域物探完成，物探逐渐转向地表矿物的勘探。这一时期为我国地球物理勘探的黄金时代[3]，在改革开放的初期阶段，我国引进了大量先进的勘探设备。研究了物探的新方法和新技术，因此这一阶段我国的矿山物理探采技术进步飞快，这一时期也是地球物理勘探数据处理快速发展的阶段。为实现飞跃，需要将现有的地球物理方法系统化和集成化。

1990年随着我国改革的不断深入，地质勘探机构开始逐步向多元化、市场化转型[4]，整个国内的矿业市场停滞不前。然而，地球物理勘探工作显示，这一时期发现了许多重要的矿床。自2003年以来，随着全国矿业市场的回暖和国务院地质工作会议的召开，进入了地质勘查的春天，出现了多种新方法，物理勘探也发展的越来越好[5]。

2 地球物理勘探的应用原理

经过研究发现地球物理测井方法在矿山水文地质勘查工作中发挥了重要作用。地球物理方法不仅可以准确判断矿井地下水水质，还可以提供真实详细的地层资料，使勘探人员充分了解地面水文条件的基本情况，促进矿井有针对性、有效的开发利用，因此分析了地球物理法勘探的基本应用原理。

首先是明确含水层，确定含水层的具体位置、厚度等特征，要促进水文地质调查的顺利开展，需要进行对比分析，主要采用的方法有：声波测井法和油井流体电阻率测井法。

含水层的含水量可以在分析后确定，含水层的电阻率小于围岩的电阻率，密度和孔隙度也更小，结合电阻率差异可以有效区分。确定含水量后需要测量地下水盐度，测量地下水盐度时一般采用自发电位记录法。需要利用自然电位记录曲线的非定常值，总结出地下水的电阻值。然后利用两者之间的反比关系来确定地下水的矿化状态。测量时需要注意地层阻力与地下水矿化程度之间的关系。除此之外，在地下水矿化测量的过程中，超声曲线主要反映了裂缝的变化状态，可以利用超声曲线明确具体的裂缝层结构。这种测量方法也称为伽马测井。若求出自然伽马曲线的幅值，则可结合曲线变化程度判断水分含量。该曲线还可用于预测裂缝发育的状态，裂纹越大，硬化程度越高。

在实际测量中，由于岩石的裂缝密度低，测得的电阻值小，声时差大。据此可以确定，自然伽马测井值越大，裂缝中含泥量越大。因此，该方法可测定岩石裂缝的含泥量。钻井和岩石类型分析可以判断岩体阻抗和密度的差异，在实际勘探工作中，可以结合这种差异对不同类型的岩石进行准确分段。通过钻孔法，可以帮助勘探者进一步明确钻井剖面的具体情况，从而提高钻井作业的效率，提高整体勘探作业质量。另外，井温图可检测矿山的水文地质状态，由于岩石的导热系数比水体小，所以用井温图检测时，岩石和水体都可以提供多种测温曲线，帮助地下水勘探。

3 地球物理方法在矿山水文地质中的应用

3.1 激发极化判断围岩状况

激发极化法主要利用矿体的激发极化反应来进行勘探，通过分析矿体的极化反应频率，记录此时的频率数据来分析此时矿山的地质变化，该方法研究了电阻率随频率的变化，可以准确反映围岩的状况和分布。同时打破空间限制，可同时测量各种参数。在实际水文地质工程勘察过程中，可以将检测效率提升到最高。

3.2 自然电场勘测水体深度

自然电场法是地球物理方法中的一种较为常见的方法，其主要利用了自然电场，记录电场变化的范围，从而得到矿山水文地质信息，该方法起源较早，是一种古老的勘探方法。自然电场法将地下已经吸水的矿物资源看成一个自然电场，通过减少地下水的渗透，实时监测矿产资源和岩石的吸水状态，一旦状态改变，其形成的电场范围自然会改变，因此可以有效勘探地下水的深度和水流变化，该方法的原理图如图1所示。

图1 自然电场法原理图

由图1可知，自然电场法不仅可用于地下水源勘探，还可用于古河流调查，被广泛应用于考古研究。它可以准确推断特定区域内是否存在水资源，以及水资源随时间的分布情况。

3.3 瞬变电磁勘探深部资源

瞬变电磁法主要是利用电磁场来实现地质勘探的，其操作的步骤简单，首先利用瞬变的电磁激发接地磁场，记录磁场第一次接受间歇的时间，根据该间歇时间绘制出电磁曲线，从而进行地质勘探，检测此时勘探地形的内部是否存在矿产资源，除此之外，在记录间歇时间时，如果绘制出的曲线呈衰减状态，则此时地下水的分布可能较深，随着时间的变化逐步绘制出稳定的曲线图，即可实现深层地质的勘探，该方法广泛应用于水文地质工程项目中的石油勘探、煤炭勘探、金属勘探和地热资源勘探等各个领域，具有非常重要的勘探价值。

3.4 地面核磁共振勘探地面游离水

地面核磁共振法是地球物理方法的一种，可以用来勘探矿山中的水资源，也是目前世界上仅有的直接勘探水源的地球物理方法，地面核磁共振法主要利用了材料之间的核磁共振反应，观察勘探过程中的核磁共振变化从而勘探水源，该方法使用了一种勘探水仪来记录核磁共振反应的变化，一旦在勘探时发现了游离水，则勘探水仪可以立即将信号发送到勘探中心，实现水源的探测，但是，地面核磁共振法存在致命缺点，即无法探测到深部地下水，其照射范围限制在150m以内，而且容易受到其他电磁噪声的影响，影响勘探效率。

4 结束语

综上所述，随着我国经济水平的逐步提高，对矿山水文地质勘探的需求不断增加。利用地球物理方法进行探测，不仅可以有效提高勘探工程的整体效率和质量，还可以大大降低勘探成本，在实际矿山水文地质勘探工程中具有很大的适用性，地球物理要回答的问题不能停留在物性资料的解释上，而是要直接回答与水文地质相关的问题。但是现阶段，地球物理探测技术仍存在不足，需要加强深入研究，进一步提高地球物理勘探水平，提升勘探效果，为矿山水文地质勘探工作的开展提供有力的技术支撑，实现最大限度地开采。