1 航空物探勘查地下水的應用

 

  1.1 地下水勘查中的航空物探方法簡介

 

  航空物探是把地球物理勘探技術與航空技術結合的一門新技術，是一種獲取并研究巖石 圈，特別是與地殼有關的多種地球物理場信息的方法手段。利用安裝在飛機上的物探設備測 量天然地磁場、放射性和人工發(fā)射的電磁場，通過數(shù)據(jù)處理與分析，推斷出地表及地下地質(zhì) 體、構造等分布特征。常見方法包括航空磁測、航空電磁測量和航空放射性測量。 航空磁測主要通過測量地磁場，推斷地下地質(zhì)構造，一般探測深度較大，可達數(shù)公里或 更大，用于了解控制水文地質(zhì)環(huán)境的地質(zhì)構造，間接尋找地下水和地下熱水。而航空放射性 測量利用水體對放射性能量的吸收呈現(xiàn)低值異常，據(jù)此可用于尋找淺層地下水。

 

  航空電磁測量利用含水層和不含水層，以及不同含鹽度水的電阻率（或電導率）的差別， 通過電磁測量，轉換成電阻率（或電導率）的空間分布，從而確定不同含鹽度的地下水的賦 存，是地下水勘查的主要航空物探方法。

 

  航空電磁測量按激發(fā)場形式的不同可分為頻率域和時間域航空電磁測量兩種，根據(jù)發(fā)射 和接收線圈的安裝方式分為固定翼和直升機吊艙式兩種。由于人工激發(fā)電磁場的方式不同， 各種航空電磁法的探測深度相差較大。實際工作中可根據(jù)地質(zhì)任務、測區(qū)水文地質(zhì)和地形等 條件選擇不同的方法。固定翼頻率域航空電磁測量方法，效率高，成本低，但要求工作地區(qū) 地形起伏較小，探測深度較淺，一般為幾十米；直升機吊艙式頻率域航空電磁測量，探測深 度較大，一般可達100m 左右，對工作地區(qū)地形要求較低，但工作效率稍低，相應成本增高； 且要求工作地區(qū)地形起伏較小；直升機吊艙式時間域航空電磁測量探測深度200m 左右固定 ，中國國土資源航空物探遙感中心副主任、總工 程師，教授級高級工程師，博士生導師。長期從事航空物探、遙感技術應用研究和技術管理工作。

 

  翼時間域航空電磁測量探測深度最大，可達200-300m，甚至達600-700m，但工作成本與固 定翼時間域方法相比探測深度要小一些，但工作成本和對地形起伏要求都較低，是一種很有 發(fā)展前景的方法，不過目前還正在研制之中，尚未用于生產(chǎn)測量。當前國外主要采用直升機 吊艙式頻率域電磁系統(tǒng)和固定翼時間域航空電磁系統(tǒng)；我國主要采用固定翼頻率域航空電磁 測量系統(tǒng)，2002 年新引進的直升機吊艙式頻率域電磁系統(tǒng)，正在試驗之中。

 

  1.2 航空物探在地下水勘查中的主要應用

 

  以往，航空物探主要用于地質(zhì)找礦和填圖、油氣勘查等工作。近年來，由于航空物探工 作效率高，成本較低，便于大面積工作，尤其隨著測量精度的提高，發(fā)現(xiàn)和區(qū)分目標能力增 強，越來越得到水文勘查工作者的青睞。近幾年，在世界各地干旱地區(qū)找尋地下水勘查中， 航空物探方法技術得到廣泛應用。在國外，如美國、澳大利亞、非洲和亞洲等一些國家，在 找水工作中，尤其是在沙漠干旱地區(qū)的找水工作中，航空物探發(fā)揮了重要作用，取得了良好 的效果。我國從20 世紀80 年代中期開始，利用航空電磁測量和航空磁測在江蘇連云港、河北南宮、遼寧大連等地區(qū)進行圈定地下淡水、劃分咸淡水界限等工作，均取得較好的結果， 但總體上講，應用潛力尚未得到充分發(fā)揮，且與國外有較大差距。

 

  1.2.1 國外應用實例

 

  由于近年來航空電磁測量在系統(tǒng)硬件和處理解釋軟件方面都取得了顯著進展，利用航空 電磁測量進行水文地質(zhì)勘查的工作日益增多，已成為水文地質(zhì)勘查工作的重要組成部分。

 

  1.2.1.1 利用DIGHEM

 

  系統(tǒng)尋找淺層淡水及地熱水  DIGHEM 系統(tǒng)是頻率域直升機吊艙系統(tǒng)。在納米比亞干旱地區(qū)，用該系統(tǒng)進行了尋找淺 層淡水測量，通過用5 個頻率電磁數(shù)據(jù)轉換的電導率-深度圖像（CDI）表明，高阻體與淡 水體吻合較好，并且利用多條CDI 剖面立體地查明了淡水體的空間分布特征。另外，富含 礦物質(zhì)的地熱水通常顯示良導特性，當其上涌到淺部時，在航電異常圖上顯示高電磁響應， 因此，航空電磁測量在地熱水勘查方面也能發(fā)揮一定的作用，DIGHEM 公司在這方面也作了 一些工作。

 

  1.2.1.2 利用QUESTEM 系統(tǒng)進行水文地質(zhì)勘查及土地調(diào)查  近幾年，在西澳大利亞地區(qū)利用時間域航空電磁系統(tǒng)進行了大量測量，主要用于解決水 文地質(zhì)和土地管理問題，比如水資源評價、土地含鹽度評價以及預測和處理，并與GIS 技術 結合為農(nóng)業(yè)規(guī)劃服務。在澳大利亞已把航空電磁-磁測量作為政府土地管理工作的一個重要 部分，在昆士蘭和維多利亞等地，也為解決水文地質(zhì)調(diào)查和農(nóng)業(yè)規(guī)劃進行了大量航空電磁- 磁測量。World Geoscience 公司公布了許多實例，顯示了應用航空時間域電磁系統(tǒng)（QUESTEM） 獲得的數(shù)據(jù)能夠通過轉換的電導率填圖監(jiān)測含鹽度。在澳大利亞西部干旱地區(qū)，利用頻率域 航空電磁測量在圈定古河道、尋找淺層淡水方面取得較好效果。

 

  1.2.1.3 利用GEOTEM 系統(tǒng)及航空物探綜合測量進行地下水調(diào)查  美國地調(diào)局于1997 年和1999 年在亞利桑那州南部圣佩德羅河谷一帶進行了航空地球物 理測量飛行。測量使用的是總場磁力儀和60 道時間域GEOTEM 航空電磁（AEM）系統(tǒng)。通過 對磁數(shù)據(jù)進行歐拉反褶積處理，得到了磁源深度，結合重力數(shù)據(jù)，推斷了圣佩德羅河谷下面 的基底起伏和構造。通過電導率深度轉換（CDT）推斷出了沿飛行線的次級水平導體，推論 這個導體是地下水。為提高解釋的可靠性，他們盡量對照附近水井的電測井資料來校準電導 率深度轉換。通過對比表明，探測深度可達400m,在150m 深度以淺，電導率深度轉換值與 電測井曲線吻合，從150m 到大約400m 深度兩者曲線基本吻合。

 

  1.2.2 國內(nèi)應用實例

 

  1.2.2.1 在江蘇連云港地區(qū)區(qū)分咸淡水界限并尋找地下淡水體  該地區(qū)大部分為第四紀覆蓋，僅在東北部有少量老地層出露。航空電磁測量采用520Hz、 2020Hz、8020Hz 三種頻率測量異常的實、虛分量，經(jīng)解釋推斷對全區(qū)劃分了咸淡水界限、 圈定了多個地下淡水體的范圍，并推斷了新構造運動引起的淺斷裂。經(jīng)驗證，推斷圈定的 該地區(qū)南崗地下淡水體的范圍與地質(zhì)調(diào)查的結果一致。

 

  1.2.2.2 在河北南宮地區(qū)尋找古河道中的淡水體  該地區(qū)位于河北南部海河流域沖積平原上，全部為第四紀覆蓋，鹽堿地發(fā)育，地下賦 存有古河道淡水。利用航空電磁測量520Hz、2020Hz、8020Hz 三種頻率測量異常的實、虛 分量值，經(jīng)解釋推斷圈定了地下古河道淡水范圍。

 

  1.2.2.3 在山東黃河口地區(qū)劃分咸淡水界限并圈定地下淡水體范圍  航空電磁測量采用520Hz、2020Hz、8020Hz 三種頻率測量異常的實、虛分量，同時進 行了高精度航空磁測和航空伽瑪能譜測量。利用航空電磁測量的結果，圈出了海侵的程度 和分布界限；按照電阻率的高低，劃分了強海侵、中強海侵、中等海侵、中弱海侵、弱海 侵、淺部弱海侵深部非海侵和非海侵幾種類型區(qū)，并提出了在海侵邊界附近形成了上咸下 淡的雙層結構的過渡區(qū)。這種推斷結果部分已得到水文地質(zhì)成果的佐證；依據(jù)不同頻率電 磁異常的范圍、電磁響應的強弱變化規(guī)律，以及結合當?shù)?a href="http://zyw96.cn/t/水文地質(zhì).html" >水文地質(zhì)情況，推斷了黃河口地 區(qū)地下淺層淡水遠景區(qū)的分布，圈定了淺部淡水、半咸水與咸水的界限，并在淡水中劃分 出三種級別的淺層淡水遠景區(qū)。經(jīng)對部分異常地面查證，表明利用航空電磁測量尋找淺層淡水是有效的，而且可以尋找咸水層下的淡水體。

 

  利用高精度航空磁測的結果研究推斷了黃河口地區(qū)的基底構造和斷裂構造，并通過分析 地下熱水的分布規(guī)律，結合區(qū)內(nèi)已知地下熱水的情況，建立了尋找地下熱水遠景區(qū)模型，認 為強度較高、梯度較大的區(qū)域磁力高反映基底埋深相對較淺，區(qū)域磁場梯度較陡多反映居里 等溫面相對隆起，因此地溫梯度也較高，且區(qū)域磁力高邊緣的梯度帶多反映較大規(guī)模的深斷 裂，有利于地下水深循環(huán)和正常熱傳導，而斷裂交匯部位對形成地下熱水有利，因此區(qū)域性 基底隆起和具有一定活動性規(guī)模較大的深斷裂是形成地下熱水的兩個不可缺少的條件。依據(jù) 這個模型圈定了四片地下熱水遠景區(qū)。

 

  2 遙感技術在地下水勘查中的主要作用  過去的40 多年里在地質(zhì)應用領域，遙感方法以其宏觀、形象、快速、經(jīng)濟和短周期提 供多時相數(shù)據(jù)等技術優(yōu)勢，為地質(zhì)工作者了解地質(zhì)體與地質(zhì)現(xiàn)象的時空分布特征和相互關 系，推斷地質(zhì)作用過程和運動現(xiàn)狀，預測礦產(chǎn)的前景和地質(zhì)災害的發(fā)生等提供了大量真實信 息，為促進地質(zhì)工作的發(fā)展做出了積極貢獻。其中在水文地質(zhì)、工程地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)等領域 也取得了一系列令人鼓舞的成果。

 

  2.1 地表水資源現(xiàn)狀調(diào)查與動態(tài)變化分析  地下水的形成及賦存狀態(tài)與地表水資源有著極其密切的關系。在調(diào)查地表水資源方面， 可以非常方便地利用水體明顯區(qū)別于其它地物的特殊光譜特性，直接從遙感圖像上提取水體 信息；利用不同時相的遙感數(shù)據(jù)，經(jīng)計算機幾何糾正、疊加配準等處理，可以定量地提取江 河、湖泊水體的動態(tài)變化信息，從而推測江河、湖泊岸線的演變規(guī)律；根據(jù)江河、湖泊水量 的變化和對地下水的補給關系分析地下水位的可能變化趨勢。

 

  在1998 年長江、嫩江和松花江發(fā)生特大洪水期間，我中心及時獲取了1998 年8 月14  日、17 日加拿大雷達衛(wèi)星（Radarsat）的SAR 數(shù)據(jù)，與洪水區(qū)1996 年美國陸地衛(wèi)星（Landsat） TM 數(shù)據(jù)進行配準、疊加，形成多光譜與微波的疊合圖像。利用水體吸收微波的特性，在疊 合圖像上提取了洪水泛濫的信息。編制成的長江沙市至安慶段及嫩江、松花江齊齊哈爾至哈 爾濱段的洪水災情遙感影像圖十分清晰直觀，為有關部門及時了解洪水的總體態(tài)勢、洪水淹 沒范圍，進一步部署災情評估、抗災救災及災后重建工作提供了重要依據(jù)。與此同時，還利 用航空、航天遙感資料，結合常規(guī)調(diào)查資料，研究分析了長江中下游的河道變遷現(xiàn)狀和演變 規(guī)律。

 

  鴨綠江是我國和朝鮮的界河。由于兩國人民長期以來友好相處，分界線一直未正式勘定。 但是，河流是一種始終處于動態(tài)中的地質(zhì)體，受地質(zhì)、地貌、水文、氣候和河流本身彎曲狀 態(tài)等因素的控制，河水會不斷地沖蝕某側河岸，而在另一側發(fā)生堆積，致使岸線不斷變動， 主航道中心線（國際公認的分界依據(jù)）經(jīng)常漂移，河道中的島嶼與心灘范圍不斷變化而其歸 屬產(chǎn)生異議。鴨綠江的情況也是如此，因而中朝兩國之間為此常有一些爭議。我中心曾按原 地質(zhì)礦產(chǎn)部的部署，利用多時相的航空和航天遙感圖像，對鴨綠江近30 多年來的江岸變遷 情況進行了分析，發(fā)現(xiàn)了許多一直未被有關部門覺察和重視的問題，為維護我國的領土權益， 更好地利用鴨綠江的水資源和水力資源提供了重要資料。

 

  2.2 地下水資源勘查

 

  2.2.1 應用概況  遙感圖像能夠真實反映地表地形、地貌、巖性、第四紀沉積物、地質(zhì)構造、水系、植被 覆蓋等水文地質(zhì)要素的空間展布特性及相互聯(lián)系。在地下水勘查中運用遙感技術對勘查區(qū)各 類地質(zhì)要素進行解譯和提取，并結合多學科、多信息的綜合分析，可以對區(qū)域的水文地質(zhì)條 件和地下水的分布特征得出系統(tǒng)、客觀的結論。  對第四紀松散層中的孔隙潛水來說，其水文地質(zhì)條件通常與地貌、第四紀地質(zhì)、新構造 和植被覆蓋等要素有著極為密切的聯(lián)系。利用遙感圖像上的色調(diào)、形態(tài)、紋理、結構等影像 特征提取這些要素，對于圈定相對富水地段、判斷含水層的層位和各種邊界條件具有良好的 效果。在此基礎上，綜合常規(guī)勘探資料，可以較準確地評價地下水資源。

 

  對于基巖裂隙水、巖溶水來說，其水文地質(zhì)條件與地貌（含微地貌）、斷裂構造（包括  裂隙發(fā)育程度）、巖性（包括破碎程度和含水性）、地表水補給條件和植被覆蓋等要素密切相 關，而遙感圖像在揭示地貌類型、斷裂構造及植被方面具有特別的優(yōu)勢。通過編制水文地質(zhì) 下墊面圖，并結合多年降水量及入滲系數(shù)等水文地質(zhì)參數(shù)分析，可估算出地下水天然補給量； 綜合分析遙感信息與常規(guī)調(diào)查資料，可以圈定出基巖地區(qū)相對富水區(qū)段，從而獲得比較滿意 的找水效果。

 

  在巖溶石山地區(qū)，遙感圖像可以清晰反映各種巖溶地貌和地質(zhì)構造特征，展示地表徑流 的分布和走勢，從而可用以揭示地表水與地下水之間的空間關系，推測地下暗河的展布，為 進行巖溶發(fā)育規(guī)律的研究和尋找地下富水地段提供直觀依據(jù)。

 

  2.2.2 主要應用實例

 

  近十多年來，我中心利用多種遙感數(shù)據(jù)在西北及其它地區(qū)開展過一系列水文地質(zhì)調(diào)查和 地下水勘查工作，其中主要有：新疆阿克蘇地區(qū)航空遙感水文地質(zhì)普查；甘肅酒泉地區(qū)航空 紅外線找水試驗；內(nèi)蒙河套東部地區(qū)古河道分布及耕地鹽堿化程度調(diào)查；大連地區(qū)沿海航空 紅外掃描成像淡水泉點調(diào)查；河南許昌熱紅外掃描影像水文地質(zhì)解譯；國土衛(wèi)星資料京津唐 地區(qū)水資源評價及合理開發(fā)應用試驗研究；長江中下游河道變遷遙感調(diào)查；中朝界河鴨綠江 河床演變遙感對比研究；機載合成孔徑雷達圖像在探測沙漠腹地故河道中的應用試驗研究； 中巴地球資源衛(wèi)星數(shù)據(jù)在塔里木盆地北緣礦產(chǎn)和地下水資源調(diào)查評價中的應用；塔里木盆地 地下水資源和生態(tài)地質(zhì)環(huán)境遙感調(diào)查；西南巖溶石山地區(qū)石漠化遙感調(diào)查與演變分析等。這 些工作均取得了重要成果，例如：

 

  2.2.1 青海柴達木盆地水文地質(zhì)調(diào)查  利用遙感圖像圈定了地下水的富水地段，并初步確定了該地區(qū)地下水的埋藏深度和地下 水水質(zhì)的等級，劃分了從山前到盆地中心鹽湖區(qū)的補給帶、徑流帶、溢出帶、鹽殼發(fā)育帶、 鹵水溢出帶、鹽湖化學沉積帶等六個分帶；在成都平原地區(qū)，利用遙感資料成功地劃分出了 強富水區(qū)、富水區(qū)、中等富水區(qū)和弱富水區(qū)，用計算機分類處理方法結合鉆孔、水文測試數(shù) 據(jù)資料，分別計算出了地下水天然補給量及開采資源量；在京津唐地區(qū)水資源評價中，利用 遙感圖像進行水文地質(zhì)要素解譯，編制了水文地質(zhì)下墊面圖，結合經(jīng)驗數(shù)據(jù)和公式，進行了 水資源評價，并提出了水資源的進一步開發(fā)利用意見。

 

  2.2.2 塔里木盆地地下水資源和生態(tài)地質(zhì)環(huán)境遙感調(diào)查  針對塔里木盆地近幾十年來由于水資源無序開發(fā)和低效利用現(xiàn)象嚴重，塔里木河干流輸 水量逐年減少，下游約400km 河道斷流，尾閭臺特馬湖干涸，大片胡楊林死亡，區(qū)域環(huán)境日 趨惡化的現(xiàn)實情況，利用上世紀80 年代的MSS 圖像和2000 年前后的TM/ETM、中巴地球資 源一號衛(wèi)星數(shù)據(jù)和航空遙感圖像，進行了地下水補給及水系分布特征、第四紀沉積物特性、 植被覆蓋和土地利用類型等要素的解譯；采用遙感數(shù)字圖像處理方法重點提取了地下水溢出 帶與天然露頭、地下水類型、含水巖組富水性、沖積平原、古河道、含水斷裂構造等反映淺 層地下水特征的地質(zhì)要素。在此基礎上分析了塔里木盆地淺層地下水的分布規(guī)律；圈定了 5m 以淺的淺層地下水的分布范圍；認為區(qū)內(nèi)的地下水主要集中在塔里木河沖積平原、沖積 平原與南天山山前傾斜平原的交界地帶，其次是山前平原區(qū)內(nèi)，北部山地區(qū)和南部塔克拉瑪 干沙漠區(qū)則很少。其中，第四系松散巖類空隙水是區(qū)內(nèi)淺層地下水分布的主體，含水層主要 為全新世沖積層；上更新統(tǒng)洪積層具有多層結構的含水特點；地下淡水和微咸水主要分布于 山前細土平原區(qū)；全新世風積層的淺層地下水貧乏。

 

  2.2.3 巖溶石山地區(qū)地下水資源勘查與生態(tài)環(huán)境評價  2002 年我中心在中國地質(zhì)調(diào)查局“西南地區(qū)地下水資源勘查與生態(tài)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查評價” 實施項目中承擔了“石漠化現(xiàn)狀遙感調(diào)查與演變分析”工作項目，選用1990 年前后和2000 年左右兩期TM/ETM 衛(wèi)星數(shù)據(jù)，進行了我國西南和中南8 個省（市、區(qū)）約76 萬km2 巖溶石 山分布地區(qū)的石漠化現(xiàn)狀遙感調(diào)查演變趨勢分析，采用計算機自動識別和自動成圖技術，編 制了工作區(qū)“碳酸鹽巖分布圖”、“巖溶地貌分類圖”、“石漠化現(xiàn)狀圖”和“石漠化演變趨勢。