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论物探找水定井方法、问题及特点 郑州地象科技有限公司 寇通 寇伟 摘要自2012年开始研发MT-VCT大地电磁成像探测仪，最初几年重点研究探水仪及其应用方法。应用MT-VCT探水仪找水定井就像医院拍照CT片一样，能够通过对大地剖切较为精准地获知地下水分布状态，但也要像大夫一样懂得一定水文地质知识并逐渐积累经验才能做出正确的判断。 关键词物探，找水，定井，断裂构造，MT-VCT 一、常用物探找水定井方法及其问题 1、直流电法找水定井 上世纪五六十年代引进使用了直流电法，具体应用到找水定井中的有电阻率法、激发极化法；80年代之又引进使用了高密度电阻率法，由于高密度电阻率法仪价格较高、最大探测深度仅为150米，导致其普及程度及应用很有限。因直流电法应用时间很长、普及率高，迄今为止仍是找水定井业务中应用最多的物探方法。 然而，应用最广的并非是效果最好的，直流电法用于找水定井存在几个难以克服的痼疾，导致其找水定井效果不佳高阻层屏蔽问题，对大地释放的直流电遇到高阻地层就很难穿过下行到深部；低阻区屏蔽问题，当地下存在高导电地层时，绝大部分供电电流会被低阻层“短路”掉而不能流到深部；供电功率限制探测深度，一般使用蓄电池作为直流供电电源时因功率有限，探测深度有限，即便是使用几千瓦大功率供电电源，其有效探测深度也超不过400米；测深效率过低，若是间隔10米/层、测深300米，一天只能探测三四个点。 究其原因，直流电法通常把测深点所测信号值认做二分之一供电极间距深度层的电阻率值，即若是两边电极各拉线100米测得的就是地下100米深度层的电阻率值。但是，从电学理论可知由电池通过正负两极向大地馈电，电荷不可能就像有些人理解的那样沿着所画的半圆外圈流动。电荷由正极流向负极要遵从两个原则一是会走最近的路，肯定是直线距离最近，通过的电荷最多；随着深度增加所通过的电荷逐渐减少，至半圆处减至最少。二是电荷会走最容易走的路，一旦遇到含水多、电阻率小的地层，电荷就像被短路一样顺着低阻路径都流走了。这就是直流电法产生高阻层和低阻区屏蔽、测深受限且与实际深度不符的根本性原因。 2、大地电磁测深法找水定井 大地电磁测深（MT）法是一种在地面上观测天然交变电磁场来研究地下岩层的电学性质及其分布特征的物探方法。按照国外对大地电磁法的定义，它以自天上到地下穿透地层的天然平面电磁波为场源，依据不同频率的电磁波在导体中具有不同趋肤深度的原理，在地表测量由高频至低频的地球电磁响应序列，经过相关的数据处理和分析来获得大地由浅至深的电导率结构。大地电磁法类的物探仪多为从国外进口测深较大的MT大地电磁法仪、测深一般的AMT音频大地电磁法仪、测深仅八百多米的EH4电导率成像仪，还有人工场源仿大地电磁原理的CSAMT可控源大地电磁法仪，在地质勘探应用中主要用于查找大的地质构造，用在普通水井的找水定井较少，多用于地热深水井勘探定井业务。 其在找水定井应用中的不利因素为每个探测点需要对角各拉50米线长埋布4个电极，点间距50米，一般定井没有那么大的面积；需要用水打井的区域电线多，因无法避开电磁干扰导致采集数据误差较大、不能正常勘探；一个探测点需要40分钟左右布线和采集数据、4人以上操作，费时、费工，成本高、效率低；因探测点少、分层间隔过大，看不清地下水分布情况，定井不准、成功率低。总的来讲，使用MT、AMT、CSAMT物探仪找水定井就好像是高射炮打蚊子，既浪费又打不准。 3、天然电场选频法找水定井 天然电场选频法仪是1980年由郑州地质学校在河北地矿（保定）四大队的音频大地电磁仪基础上，由采集单一地磁信号变为采集三频点信号改制而成的，1983年郑州地校创办校办工厂专门生产天然电场选频仪，因电路并不复杂容易仿制，国内陆陆续续有人开始仿制生产，到目前生产类似产品的厂家估计有六七十家，其中以长沙和上海做的时间较长、规模较大。 目前天然电场选频仪虽然从开始的分立元件、指针式表头改进为集成模块、液晶显示器，但在天然电场信号采集方式、选频测深模式上基本上没有大的改进。观其探测原理和方法基本上是照抄国外大地电磁法，但采集数据和分析方法却与之完全不同。因天然电场选频仪售价仅几千元、推广力度大，购买用户较多，但使用效果较差。其原因为一是其称采集的是“天电”信号，多为用两个电极插地采集地磁信号，也有用肩背接收器采集信号，受地表电磁干扰影响过大、采集数据中包含地下有用信息较少；二是由带通放大器作为选频电路的幅频特性受限，各频点对应深度层有限、易遗漏地层信息；三是对于探测结果高低值解释不清，尤其是绘制成等值曲线图后都是一片片的蓝色低值、黄色和红色高值，成片蓝色低值不是水、高值也不是，而是要在不低不高测值上定井，实在是不知所以然。之所以购买者众，就是因为便宜，感觉找不准丢了也赔不了多少钱。 4、其它物探方法找水定井 （1）VLF甚低频电磁法仪。它是以电磁感应原理为基础，以大功率长波导航台发射频率为5～25kHz连续电磁波作为一次场场源。在远离导航台的地区，可视此甚低频电磁波为垂直地面传播的平面波，地下不均匀地质体在它的作用下，激发出涡旋电流和相应的二次场，使均匀的一次场发生畸变，可用于寻找固体矿产、岩溶，地下暗河、断层、含水破碎带、岩层界线等。此方法探测深度一般不大于50--60米，且受地形影响大，在地形起伏的地区效果较差，一般仅用于面积性概略找水勘查，不适合具体确定井位。 （2）TEM瞬变电磁法仪。它是通过发射阶跃状方波脉冲在地下激发二次涡旋电流向地下深处移动、由接收器采集形成的二次场电磁信号，来探测地下介质电性分布的。由于其为时间域探测方法，只能像X光机一样透视地下，通过总的测值高低来推断地下赋水性情况，但分辨不出在多深有水、有几层水，故不适合用于找水定井。 （3）NMR核磁共振找水仪。它是利用水中氢核（质子）的弛豫性质差异产生的NMR效应，通过向铺在地面上的发射/接收线圈中供入交变电流脉冲，由小到大地改变激发电流脉冲的幅值和持续时间，在切断激发电流脉冲后用同一线圈拾取不同激发脉冲矩激发产生的NMR信号的幅值大小，来判断探测空间内自由水含量的多少，实现对地下水资源的探测。1997--1999年我国引进了3套核磁共振Numis系统，据说成功进行了找水试验，随后国内某大学也研制出核磁共振探水仪。由于该仪器抗电磁干扰信号的能力低，仪器成本过高，勘查深度不到150米，虽然能够指出地下水的存在并描述不同亚含水层，但提供的导水系数及含水层结构的资料却不甚可靠，所以利用核磁共振仪找水定井很难推广应用。 二、找水定井有必要厘清的几个基本概念 1、凿井后成井与成功的区别 不少人错误地把“找水定井”误解为“找出地下哪里有水”，其实绝大多数地方的地下都有水的存在，无非是水多水少、或深或浅不同而已。我们认为“找水定井定义”应该是“在特定区域内找出含水量相对最大、能够满足用水需求的最佳位置确定井位”。因此，找水定井是否成功与凿井后能否成井的概念并不完全一致。一般来讲，凿井后只要有一定连续的出水量、不会一抽就干，就可以说是成井了，但不能说就是成功了。成功的概念应该是你在区域内定的井凿井后比别人已打井的出水量只大不小，若是别人打井每小时出水量是30方，你定井凿井后出水量是25方，则只能说是成井、却不能说是成功；若是别人打了几口井都没有水，你定的井凿井后只出了2方水，也可以说是定井成功。 2、地壳表层遍布大大小小的断裂构造 地壳表层在构造运动和应力作用下产生各种大大小小的裂缝，它们形成了地表水的下渗通道，地下无论深浅的含水层都是通过这些裂缝向下渗透汇集而成的，这些张开的裂缝就形成了大大小小的断裂构造。地下水系发育程度取决于张性断裂带构造的规模，断裂构造的规模越大，构造内含水裂隙发育越好、透水通道越畅，渗水量就越大、下渗深度越深。大断裂构造的浅中层是由许多裂隙发育的小断裂构造组成的，越向下含水裂隙越少、越趋向于断裂中心。断裂构造是地表水能够下渗的基本保证，而断裂构造内破碎带的规模、不同地层岩性孔隙度和裂隙的大小所形成的容水空间决定了蓄水量的多少。原则上来讲，找水定井就要找赋水性好的断裂构造。 3、贫水区并不是就打不出水 有不少属于唯地层论的专业人员，仅仅凭借自己的专业知识、经验及掌握的水文地质资料，不需要物探仪器、在实地踏勘后就可以手指定井；还有的仅凭地质图标定的地层情况，大手一挥就说这一带属于贫水区、打不出水，那一带打多深就可以成井。其实是他们过于看重地层岩性的赋水性，看到属于赋水性差的地层就认为这一区域不能定井，看到属于赋水性好的地层就认为只要打到某一层裂隙孔隙发育较好的地层肯定就会出水。贫水区只是说地层岩性的渗水性和赋水性较差，相对而言较难找水定井而已。但是实践证明，在富水区定井位置不合适一样成不了井，在贫水区找到含水断裂构造定井却能成井，关键还是要找到断裂构造精准确定井位。 4、并不是只要打到赋水性好的地层就能成井 水文地质资料通常介绍，砂层、卵石层等松散沉积层内孔隙发育、水的连通性好；还有可溶性岩石中的岩溶水、脆性岩石中的裂隙水，也属于同层流动性较好的地层。此定义虽然准确无可厚非，但容易让人只看到水的存在形式而忽视了水的来源，有不少唯地层论者看了勘查区域的水文地质资料就判定是贫水区或富水区，看到地下某一深度层岩性赋水性好就认为只要打到这一地层肯定能够成井。例如冀鲁豫京津地区地下多有新进系馆陶组地层，很多人打地热井就认定只要打到馆陶组含水多的砂层肯定成井，结果是有的打到了但出水量有限、有的是深度较浅遇到温度不高，还有的打穿馆陶组也没有遇到砂层。 5、不能仅凭水文地质勘查结果推断定井 地质图上的红色实线只是通过地表勘查结果标定的断裂带，大多是早期地壳活动造成地层错动在地表岩石裸露观察到的岩层变化，有赋水性较好的张性断裂带、也有赋水性较差的压扭性或压性断裂带，有的只是断层接触带，这些只能说明该区域经历过构造运动，不能说明构造的性质及其赋水性。即使是在实地勘查看到岩层变化及倾角，也很难推断出断裂的性质及其赋水性，只能据此缩小找水定井的勘探范围、确定靶区，但不能仅凭推断盲目定井。 5、不能仅凭几个测深点就盲目定井 张性断裂经过多期沉积填充会形成多层V形含水裂隙，断裂构造内所谓的含水层其实是多个V形底处沿断裂带形成的含水通道，定井孔位只有穿过多个含水裂隙V形聚水底部，不仅仅靠含水裂隙供水，更多的是靠流动性好的多个含水通道供水，才能保证出水量更大、且源源不断。若是井孔位只是打在V形构造两侧的斜坡上，仅靠一侧的几个裂隙供水，则出水量不会大、且容易断流。所以，找水定井时若只是凭经验选择几个点进行测深勘探，比较含水相对较好的点就盲目定井，根本就搞不清楚断裂构造中心在哪里、所定井位是在构造的什么位置，凿井后可能会出水、但很难保证出水量的大小、水源长期不会断流。 三、找水定井方法及几个原则性问题 1、去现场前做好水文地质调查工作 在去甲方现场进行勘探定井之前就应该做好前期水文地质调查工作一是在网上进入免费的国家地质资料馆，查阅勘查区所在的水文地质图和地质图及其图例，了解勘查区所在位置的地层、岩性、水文及断裂带等信息；二是在卫星地图上从宏观到微观、从缩小到放大详细观察勘查区的地形地貌，通过地图搜索低高程点查找勘查区内是否存在隐伏断裂；三是根据搜集到的资料和观察结果进行综合分析，初步判断勘查区内勘探靶区位置、大致赋水情况、凿井出水量范围。为了对客户负责，一定要把前期搜集资料和分析结果交给甲方，使甲方对于自己区域地质情况及找水定井的可能结果有个基本的认识，避免盲目决策。 2、实地进行水文地质勘查设计勘探线路 进入现场后首先要与甲方沟通，了解甲方的需求、可能接受的凿井深度、定井范围是否有特殊的限制等。然后进行实地勘查，观察地形地貌、露出岩石；了解当地现有水井分布、凿井深度及出水量；根据前期调查和实地勘查结果，设计初步探测线路，尽可能横切断裂走向。“逢沟必断”的意思是说断裂带都是沿谷沟方向而行的，即使是没有大的断裂，只要是山沟，都有可能隐伏着一定程度的断裂，要想探测出断裂构造的大小、深度、含水层及断裂中心位置，就要垂直于断裂走向勘探。如果是在较平坦的城区或田地勘探，可以根据事先在卫星地图上查找的隐伏断裂走向设计初探线路。 3、利用MT-VCT大地电磁成像探水仪详细勘探、精准定井 一般找水定井工作使用的MT-VCT大地电磁成像探水仪的纵向探测分层精度都是2米/层的，按照客户定井深度需要选用可以观察到500--1200米的机型。初步探测可以根据线路长度设定点间距3--5米，每条线路探测100--300点；详细探测时点间距设定为1--3米之内，每条线路的探测点不少于100点。初步探测的目的是要找到断裂构造并判定其中心位置；详细探测必须看清楚断裂构造的位置和走向、含水裂隙分布等情况，选择V形含水构造内破碎聚水较好、供水通道连续性较好、自上至下可遇含水层较多的位置定井。 4、勘探分析定井报告的几项基本内容 （1）附表列出每条探测线路的MT-VCT彩色成像地质结构压缩剖面图，综合分析评价勘查区内的地质特点、构造位置及赋水特性，并做出基本的描述。 （2）确定勘查区断裂构造存在形式、宽度、延深及水源补给和赋水条件，选择适合定井的最佳探测线路，确定井位点好及坐标。 （3）列出钻孔点位附近区段显示深度层和数据的MT-VCT彩色成像剖面图，在图上标出孔位穿过各含水裂隙层的走向、连通、聚集等情况，并用文字具体列出孔位穿过各个含水裂隙层的深度范围、相对赋水情况。 （4）根据甲方需求和孔位含水层情况，设定开始取水深度层和终孔深度，预测主要出水层的位置及所在深度，预报成井后大致的出水量。 5、勘探找水定井中应坚持的几个原则 （1）必须做好前期勘查工作。在进场之前就应该熟知水文地质概况、地层岩性及深度变化，熟悉地形地貌，初步圈定勘探靶区。不能说是指一小片地方就在此探测几个点随便定井。 （2）看不明白不定井。原则上是要先通过初探找到断裂构造，然后通过多条勘探剖面的探测和分析，把断裂构造的大小、中心位置、断裂走向、赋水性等情况搞明白。若是看不明白就要补充勘探，直到看明白、有把握了再定井。 （3）在探测线路上选择最佳位置定井。若是选定的位置不便打井，可再并行补测一条线再确定井位，不能凭推测移动位置定井，有时偏移几米就可能凿井失败。 （4）明确估测含水层位置及凿井效果。定井报告要明确井孔位置及坐标，要清楚预测凿井可能遇到含水层的数量、深度位置、赋水多少，建议凿井终孔深度，并预测成井后的出水量范围，让甲方清楚凿井施工可能的结果和风险，帮助其分析利弊以做出合理决策。 四、MT-VCT法找水定井原理及应用 1、MT-VCT大地电磁成像探水仪原理 MT-VCT的有效场源是来自于地球内部的动态电磁场，大地电磁场形成电磁波垂直传播到地表，电磁波的电场和磁场在交替传播过程中所携带的信息都可用以独立表征各地层介质的电磁特性。MT-VCT探水仪在地表采集到的频率域电磁波能量序列值，与地下相应波长深度层的电磁波能量值互为镜像关系，即每一个频率点都对应着一个固定的波长（深度层），由此建立了MT-VCT探水仪纵深分层精度为2米的频率（波长）与深度的固定对应关系表。 2、MT-VCT大地电磁成像探水仪的性能特点 MT-VCT探水仪包括一个高性能感应式磁感应器（3公斤探头）、数据采集仪器（3公斤）、数据分析成像软件。其主要性能特点快捷，单点采样时间仅需7秒钟，一天可测深几千点；精准，间隔2米一层采集到的地下各层岩性电磁反应信息可靠性强；方便，一人操作，在水泥地、岩石、山林、田间、冻土上都可以探测；适用，抗干扰能力强，适用于城市工厂和农用电网多的电磁干扰环境；好用，运用独创自动成像技术生成CT彩色剖面图，看水定井。 3、MT-VCT大地电磁成像法对地下水的物性反映 任何物探方法最容易查找的都一样是地下介质物性的高值或低值异常反映。由电磁波传播理论可知，地层介质含水时对于电磁波的吸收衰减性强，在地表测得的剩余能量值就低；而对电磁波吸收衰减性弱的空气、坚硬岩体，在地表测得的剩余能量值就高。MT-VCT大地电磁成像法对地下水的物性反映为明显的低值异常，测值约在0--1范围内；若是在地下容水空间大的含水层内，测值低于0.6的深度层点多、连续性好，就说明该深度层赋水性较好；若是测值低于1的深度层点明显少、且形不成连续的含水裂隙，就说明该深度层赋水性较差、不存在含水裂隙或含水层。 4、MT-VCT分析软件自动成像剖面图 MT-VCT成像分析软件应用的是地象科技公司独创的二维测值色块CT成像剖面图，横轴是由一条探测线路所有的物理采集点组成，纵轴自上而下为从地表到地下深部每个分层，其组成的二维彩图就相当于沿探测线路对大地纵向切下形成的一个剖面图。因采集数据量过于庞大，分析时不可能通过查看数据来查找目标，所以我们用4种颜色及其各自10种色差对点层测值自动涂色成像的CT彩图，使成像结果更真实、更直观、更逼近地下实际岩性结构。在现场把采集完的数据文件拷入电脑，通过MT-VCT成像分析软件导入计算后，点击成图键便会自动显示出要看的线剖面图。因测值0--2范围分别由从深蓝到淡蓝10个色级来表示，找水定井时完全可以做到“看水定井”，即从蓝色块的多少、深浅、连接的数量和厚度，就可以清楚的知道含水层的分布与位置、富水积聚区段及层厚；由呈V形汇聚的含水裂隙找到断裂构造，了解构造内聚水层的数量、位置、赋水程度；从不同线路剖面图还可以看出断裂构造的走向、不同区段赋水性差别。把地下构造及赋水情况都看明白了，就有把握在勘查区域内选择出最佳位置定井，即使是不懂得地质和物探技术的打井人也容易学会、容易掌握。 5、MT-VCT成像剖面图分析判断含水断裂构造的方法 应用MT-VCT探水仪勘探找水判定含水断裂构造不需要先找高值再看低值，而是直接查看剖面图上有可能是水的低值（0--1）蓝色块分布情况，连续斜下渗透的就是含水裂隙，同层聚集的就是含水层，自上而下有多处含水裂隙V形聚水层的点位即可判定为断裂构造中心。呈多个V形聚合的含水裂隙越宽、越长、越深，说明断裂构造规模越大；V形底部含水层越厚、越宽、蓝色块连续性越好，沿断裂带所形成的含水通道蓄水量就越多、同层流动性越好。 6、应用MT-VCT探水仪找水定井应注意的几个问题 （1）认真对待前期资料搜集及分析工作，做到心中有底，不能凭借经验就盲目自信，也不能过于依赖探测结果，要知道相似的剖面图显示结果因地层岩性不同、出水量会大不相同。 （2）初步勘探重点是找断裂构造，找不到赋水性明显好的构造就扩大范围找，尤其是在赋水少的花岗岩、板岩、泥岩及红层岩性地层，必须在断裂构造内定井才有把握。 （3）勘探工作不能偷懒，不能说有经验就只探测一条线、几十个点就匆忙定井。详细探测点间距不得大于3米，每条线不得少于50点，看不明白就不能确定井位。 （4）勘探定井报告一定要把地质构造、井位穿过含水层、预估出水量等情况讲清楚。 五、MT-VCT法找水定井的简单案例 郑州地象科技有限公司是研发销售MT-VCT大地电磁成像探测仪的厂家，对于普通水井的勘探定井业务很少介入，主要是指导和帮助购机用户找水定井。近几年除销售探水仪外，主要做一些2000米之下的深部地热勘探服务项目，偶尔也接一些难度较大的400米之下深水井勘探定井业务。在此简单介绍一个MT-VCT探水仪用于深水井找水定井的案例。 2018年3月郑州地象科技有限公司应邀在郑州市二七区西胡垌村找水定井，因此地为贫水区、已打多口井均未能成井，且甲方准备打一口600--800米的深水井，一般物探找水仪器不能满足要求。我们经过详细勘探工作后在断裂构造内确定井位，甲方凿井深度700米、出水量约30方/小时，完全满足甲方需要。现简单举例介绍如下 1、水文地质概况 根据地质资料、实地勘查和相关水文地质单位人员介绍，初步判定勘查区的地层构成情况为地表向下30-60米为第四系全新统上部浅褐黄色土层、灰白色亚粘土层，其下为第三系地层，岩性为棕红色和灰白色泥质砂岩与砂质泥岩互层，含水性较差，深度约达800米之下。水文地质图显示，勘查区处在北西向3公里宽的贫水区带内，两侧之外都属于赋水性尚好的灰岩地层。 水文地质图，小框内为勘查区，北西向3公里宽度内为贫水带，其外区域赋水性尚好 2、MT-VCT勘探成像剖面图分析 从剖面图分析结果来看，从地表至800米深度段赋水性均不好，应该都处于第三系泥质砂岩地层。因勘探区域内地层泥质砂岩、砂质泥岩的渗水性都比较差、含水裂隙也不发育，属于整体性缺水，因此在勘探区域内找水定井必须重点查找隐伏断裂形成的含水裂隙构造。 按照地象科技公司自创的低高程点连线查找隐伏断裂方法，西胡垌村北部有一条自北向南的隐伏断裂带、到村北沟口一分为二叉开。从使用MT-VCT成像探水仪在勘查区探测的6条线路剖面图可以看出，在北北西向大沟中段赋水性较差，而在大沟两侧的含水裂隙相对发育较好；就村南北比较而言，越向南赋水性越差、构造越不明显，所以把勘探定井的重点放在了村北。在北边坡下和坡下4条东西向探测线路剖面图来看，含水裂隙在西段有明显的V型聚集形成规模不大的断裂构造，构造内300米之上含水层很少，300--700米深度段内有几个连续性较好的含水层，根据展开对几个剖面图综合分析，确定6线84点为凿井孔位，打井深度为700米，预测出水量为20--30吨/小时。 3、预测凿井孔位可能遇到含水层位置及赋水情况 由于勘查区地质变化比较复杂、地下水位较深，浅层第四系地层含水很少，土层下的第三系地层的泥岩和泥质砂岩含水也很少，主要是断裂构造内裂隙含水。从勘查区内6线MT-VCT成像剖面图上来看，在84点孔位凿井可能遇到的含水层及所在深度范围如下 92132米，含水一般； 156176米，含水较差； 214244米，含水较差； 290324米，含水较好； 368374米，含水较差； 402438米，含水好； 496532米，含水一般； 548600米，含水好； 668700米，含水较好。 4、6线40--125点成像剖面图，井孔位84点，连续蓝色块为含水裂隙和含水层 参考文献 【1】寇伟 寇通，重新认知地下水系的形成与分布，基层建设，2019-3 【2】寇伟 寇通，浅议地热资源常用物探方法及功效，工程技术，2018-1 【3】 寇伟 寇通，地下介质的电磁波衰减特性及在VCT大地电磁法中的物性反映，工程技术，2019-11