地球物理探測於地下水資源調查之適用性探討

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  發刊期數:第0112期/ 發布日期:2015/03/06

圖1 地層極化反應示意圖_pic

  地下水資源調查多半利用鑽探與地球物理互相搭配的方式來進行,因鑽探為獲得單點一維地層資料,但卻是可獲知最準確之地層狀況,而地球物理方法能快速且大範圍獲得二維甚至三維地層資料,但其缺點為解析度低,必需要搭配鑽探來判釋。目前地下水資源調查最常見的地球物理調查方法為「地電阻剖面影像法(Electrical Resistivity Tomography)」。採用地電阻法之主要因素為該方法屬「電學性質」,而控制電學性質主要有導電度(conductivity)、電阻率(resistivity)、介電度(dielectric constant),簡單來說導電度為電流通過量測物質的比例大小,導電度高表示通過物質之電流較多,即物質之電阻率較低,因此導電度和電阻率互為倒數關係;介電度為控制電磁波傳遞之速度,上述三種參數皆與材料之含水量息息相關,而電學性質方法尚有感應極化法(Induced Polarization)與透地雷達法(Ground Penetration Radar),本計畫將針對地電阻法、感應極化法、透地雷達法三種方法進行地下水調查之適用性探討。
  地電阻法與感應極化法皆利用地層極化原理,微觀來看,在地層中因外部電流激發而引起物質內部出現電荷分離,產生「超電壓(over voltage)」現像,如圖1所示物體內部正負電荷分部左右兩側;巨觀來看當外部電流經由電流極A、B向地下供給直流電,電流流經物質時產生電化學反應並被極化,而此物質也產生電流,稱為「二次電流」,二次電流產生二次電場,經由電壓極M、N量測物質電壓差,此稱為二次電壓。地電阻影像法為穩態持續供予低頻電流,量測電流通過時電位差,經由靜電學理論計算出視電阻率  (Apparent resistivity)。感應極化法,主要受到導電度影響,其原理為供電流使受測物產生二次電場時,斷電後量測受測物因極化反應產生的電位差,此稱為極化率。透地雷達主要受到介電度影響,其原理為利用瞬間電壓,並利用不同頻率之天線產生數十至至千MHz的電磁波進入受測物中,因地質材料之介電度不同因此所反射之電磁波強度不同,藉由不同反射接收之電磁波來進行辨識。圖1 地層極化反應示意圖(如右上)
  上述各項方法於烏日國小內進行現地試驗,如圖2所示,該處分別有地調所200m深與水規所60m深鑽探成果,並有自計式水位計觀測資料,測線離鑽探孔位約60m,依據鑽探柱狀圖得知0~46m皆為棕灰色卵礫石夾粉土及細,由水利署自記式水位井得知平均地下水位約於地表下2.5m,顯示該區域地下水豐富。地電阻法與感應極化法施測排列採Dipole-Dipole與Wenner法二種,透地雷達法採頻率250MHz施作。
圖2 烏日國小試驗場址分布圖
   圖2 烏日國小試驗場址分布圖
  圖3、圖4為地電阻法(簡稱ERT)與感應極化法(簡稱IP)施測成果,本次調查深度約10~13m,由電阻率來說明,地表下1m呈現相對低電阻約10~20ohm-m,地表下1m~10m呈現相對高電阻約為300~650 ohm-m,由Loke(2003)得知礫石層電阻率值約103~106 ohm-m,但剖面整體電阻率值皆低於1000 ohm-m,因此推測該地層含水量偏高導致電阻率較低,而地表下1m相對低電阻區域推測為回填黏土夾粉土,因黏土層(約1~100 ohm-m)受到電離子影響電阻率值偏低。而由極化率來說明因地表下1m推測為回填黏土夾粉土,因受黏土本身帶電影響,極化率相對較高約8~14mV/V,而地表下1m~10m推測為礫石層且富含水,因此極化率相對較低約0~4 mV/V,因此由圖3、圖4顯示地下水位分界約在2m處,與烏日國小自計式水位計資料相符。
圖3  Dipole-Dipole  ERT與IP施測成果
圖3  Dipole-Dipole  ERT與IP施測成果

圖4  Wenner  ERT與IP施測成果
圖4 Wenner  ERT與IP施測成果
  透地雷達以頻率250MHz施作,結果如圖5所示,於測線6m、14m、37~46m、51m、65m皆有「倒V」反射訊號,根據文獻推測為操場埋設地下管線處,由套繪之地下水位面顯示水位界面不明顯。
圖5  GPR-250MHz 施測成果

圖5 GPR-250MHz 施測成果
  由上述於烏日國小內試驗得知,地電阻法由電阻率之高低能明顯看出地層材料分層,而感應極化法由極化率之高低能明顯看地層含水特性,二者綜合判釋後能明顯看出地下水位位置,因此初步建議未來於地下水資源調查時,以地電阻法與感應極化法同時進行調查與判釋,能獲得更準確資訊。
 

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