1 航空物探勘查地下水的應(yīng)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(shù)與航空技術(shù)結(jié)合的一門新技術(shù)，是一種獲取并研究巖石 圈，特別是與地殼有關(guān)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(shè)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(gòu)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(gòu)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(gòu)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(dǎo)率）的差別， 通過電磁測量，轉(zhuǎn)換成電阻率（或電導(dǎo)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(wù)、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(yīng)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(dǎo)師。長期從事航空物探、遙感技術(shù)應(yīng)用研究和技術(shù)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(yīng)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(shù)得到廣泛應(yīng)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(jié)果， 但總體上講，應(yīng)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(yīng)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?zé)崴?/a>  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(zhuǎn)換的電導(dǎo)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?zé)崴?/a>通常顯示良導(dǎo)特性，當其上涌到淺部時，在航電異常圖上顯示高電磁響應(yīng)， 因此，航空電磁測量在地?zé)?/a>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(yù)測和處理，并與GIS 技術(shù) 結(jié)合為農(nóng)業(yè)規(guī)劃服務(wù)。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(yīng)用航空時間域電磁系統(tǒng)（QUESTEM） 獲得的數(shù)據(jù)能夠通過轉(zhuǎn)換的電導(dǎo)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(jié)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(gòu)造。通過電導(dǎo)率深度轉(zhuǎn)換（CDT）推斷出了沿飛行線的次級水平導(dǎo)體，推論 這個導(dǎo)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(dǎo) 率深度轉(zhuǎn)換。通過對比表明，探測深度可達400m,在150m 深度以淺，電導(dǎo)率深度轉(zhuǎn)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(yīng)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(gòu)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(jié)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(jié)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(jié)構(gòu)的過渡區(qū)。這種推斷結(jié)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(yīng)的強弱變化規(guī)律，以及結(jié)合當?shù)?a href="http://www.hnsfzikao.com/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(jié)果研究推斷了黃河口地區(qū)的基底構(gòu)造和斷裂構(gòu)造，并通過分析 地下熱水的分布規(guī)律，結(jié)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(dǎo)，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(shù)在地下水勘查中的主要作用  過去的40 多年里在地質(zhì)應(yīng)用領(lǐng)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(shù)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(guān) 系，推斷地質(zhì)作用過程和運動現(xiàn)狀，預(yù)測礦產(chǎn)的前景和地質(zhì)災(zāi)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(lǐng)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(guān)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(guān)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(zāi)情遙感影像圖十分清晰直觀，為有關(guān)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(zāi)情評估、抗災(zāi)救災(zāi)及災(zāi)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(jié)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(cè)河岸，而在另一側(cè)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(guān)部門覺察和重視的問題，為維護我國的領(lǐng)土權(quán)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(yīng)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(gòu)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(shù)對勘查區(qū)各 類地質(zhì)要素進行解譯和提取，并結(jié)合多學(xué)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(jié)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(gòu)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(jié)構(gòu)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(chǔ)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(gòu)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(guān)，而遙感圖像在揭示地貌類型、斷裂構(gòu)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(jié)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(gòu)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(guān)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(xué)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(jié)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(jié)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(gòu)造等反映淺 層地下水特征的地質(zhì)要素。在此基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)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(fēng)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?。ㄊ?、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(shù)，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。