地球物理勘探方法及应用范围

M D 模型空间数据空间地球物理探测空间变换示意图球物理探测方法简介及应用范围地球物理学是用物理学的原理和方法，对地球的各种物理场分布及其变化进行观测，探索地球本体及近地空间的介质结构、物质组成、形成和演化，研究与其相关的各种自然现象及其变化规律。

在此基础上为探测地球内部结构与构造、寻找能源、资源和环境监测提供理论、方法和技术，为灾害预报提供重要依据。

地球物理学的研究内容总体上可分为应用地球物理和理论地球物理两大类。

应用地球物理(又称勘探地球物理)主要包括能源勘探、金属与非金属勘探、环境与工程探测等。

勘探地球物理学利用地球物理学发展起来的方法进行找矿、找油、工程和环境监测以及构造研究等，方法手段包括地震勘探、电法勘探、重力勘探、磁法勘探、地球物理测井和放射性勘探等，通过先进的地球物理测量仪器，测量来自地下的地球物理场信息，对测得的信息进行分析、处理、反演、解释，进而推测地下的结构构造和矿产分布。

勘探地球物理学是石油、金属与非金属矿床、地下水资源及大型工程基址等的勘察及探测的主要学科。

从数学角度讲，地球物理勘探的过程可以抽象成从模型空间通过某种映射关系，映射成可以感知的数据空间，再通过逆映射变换到模型空间，其映射关系见右图。

这种映射关系遵循地球物理学的两大模型原理：滤波器模型原理和场效应模型原理。

因此地球物理数据处理：一是基于信号分析理论的信号处理技术，主要目的是去杂、增益、提取有效信号；二是基于物理场效应理论的反演技术。

地球物理反演，就是在模型空间寻找一组参数向量，这组向量通过某种映射关系，能再现数据空间的观测数据，因此在一定的假设条件下，反演问题可以表示为某种误差泛函的极小化问题min ‖G cal (M)-D obs ‖2也就是地球物理反演是利用模型参数和模型正演来获取合成数据，再通过合成数据与观测数据的匹配估算出最佳M参数。

由此可见，地球物理反演实质上是正演与反演相互验证的过程。

上式也表明：地球物理反演的核心问题包括参数模型的建立、模型正演及极小问题的求解。

从数学的角度看，可能关心的是极小问题解的存在性、唯一性及稳定性；从地球物理学上讲，可能关心的是模型正演的物理机制；而从应用来看，可能更关心建立的参数模型是否满足地质要求。

工程地球物理探测属于应用地球物理的一个分支，相对资源勘探，研究对象主要针对地球浅表介质，利用的是物理场近场，研究介质也更加复杂。

方法手段主要包括地震或声波勘探、电（磁）法勘探及电磁波勘探。

从观测方法看，又分为地面(包括水上)与地下方法，如间、井间，硐、硐间的探测就属于地下方法。

目前工程地球物理探测广泛使用的主要为以下技术方法。

●电法勘探研究地层电学性质及电场、电磁场变化规律，根据研究对象的电性差异，经仪器测量电场分布，进而研究电场的分布规律，以了解地下深处地质体的状况，从而达到勘探结果。

电法勘探的方法电法勘探分为传导类电法和感应类电磁法，主要有：电测深法、K剖面法、电剖面法、高密度电法、激发极化法、自然电场法、充电法、可控源音频大地电磁测深法、瞬变电磁法。

ａ、电测深法在同一测点上逐次扩大电极距使探测深度逐渐加深，观测测点处在垂直方向由浅到深的电阻率变化，并依据目的体与周边介质电阻率的差异，探测地下介质分布特征的一种电法勘探方法。

ｂ、K剖面法反射系数K剖面法是以电磁场和波动场为理论基础的一种电法勘探方法，它从现场数据采集到解释方法理论上突破了常规的视电阻率量板法的思路，建立了一整套的数值解释处理方法。

早期的K剖面解释中只应用了一次微分K、二次微分K等几个基本的参数，且大部分只能进行单支曲线的求解。

经过多年来的完善，当前应用的K剖面法已发展成利用曲线的一次微分K、二次微分K及相关参数推导出直接与岩体的孔隙率相关的广义充填系数K，以及与软弱界面相关的广义界面系数v J。

利用这些参数更能v较好地反映岩土体中包含不同电阻率地质体及构造体的相对概念，这对解决岩溶、构造破碎带、滑坡体物质分区及滑面探测等工程地质问题更为有效。

它的优点在于利用了相对精度提高的似真电阻率z ρ为基础的v K 参数来解决地质异常问题，而传统的电法勘探是直接以视电阻率s ρ来解决地质问题的，因此，大大提高了勘探精度。

ｃ、电剖面法 将某一装置极距保持不变，沿测线观测地下一定深度内大地电阻率沿水平方向的变化，依据目的体与周边介质的电阻率差异，探测地下介质特征的一种电法勘探方法。

ｄ、高密度电法 电测深与电剖面方法的组合，其观测点密度高，可同时探测水平和垂直方向上电性变化的一种电法勘探方法。

ｅ、激发极化法 依据目的体与周边介质的激发极化效应差异，探测地下介质分布特征的一种电法勘探方法。

ｆ、自然电场法 通过观测地下介质的电化学作用、地下水中微粒子的过滤作用、岩体水中盐的扩散和吸附作用等产生的自然电场规律和特点，了解水文工程地质问题的一种电法勘探方法。

ｇ、充电法 通过向被探测目的体供电，提高被探测目的体与周边介质的电位差并形成充电效应，探测目的体分布特征的一种电法勘探方法。

ｈ、可控源音频大地电磁测深法(CSAMT) 根据不同频率电磁波具有不同穿透深度的特点，利用人工可控源产生音频电磁信号，探测地面电磁场的频率响应从而获得不同深度介质电阻率分布信息和目的体分布特征的一种电法勘探方法。

ｉ、瞬变电磁法(TEM) 利用不接地回线或接地电极向地下发送脉冲电磁波，测量由该脉冲电磁场感应的地下涡流而产生的二次电磁场，探测地下介质特征的一种电法勘探方法。

电法勘探各方法的主要应用范围ａ、电测深法或K 剖面法 可用于探测覆盖层厚度和下伏基岩面起伏形态，进行地层分层和风化分带，探测地下水位埋深等，也可用于探测构造破碎带、岩性分界面、喀斯特、洞穴、堤坝隐患等：还可用于测试岩土体电阻率。

ｂ、 电剖面法 可用于解决非水平板状或球状电性异常体探测问题，也可用于探测构造破碎带、岩性分界面、喀斯特和洞穴等。

ｃ、 高密度电法 可用于探测构造破碎带、岩性分界面；喀斯特、洞穴、堤防和防渗墙隐患等；也可用于探测覆盖层厚度，进行地层分层和风化分带、岩性分层等。

ｄ、自然电场法可用于探测地下水流向，进行堤防和防渗墙探测，也可用于探查地下金属管道、桥梁、输电线路铁塔的腐蚀情况等。

ｅ、充电法可用于测试地下水流速流向，也可用于探测黏土或水充填的喀斯特洞穴、含水断层破碎带等低阻地质体的分布情况。

ｆ、激发极化法可用于地下水探测，圈定含水的古河道、古洪积扇、喀斯特、构造破碎带等，确定含水层的埋深，评价含水层的富水程度。

ｇ、可控源音频大地电磁测深法可用于探测隐伏断层破碎带、覆盖层厚度、地下古河道、喀斯特、洞穴等，也可用于堤防和防渗墙隐患探测，地下水和地热资源探测等。

ｈ、瞬变电磁法可用于探测覆盖层、构造破碎带、喀斯特、洞穴等；也可进行地层分层、风化分带，地下水和地热水资源调查，圈定和监测地下水污染情况，探测堤防和防渗墙隐患等。

●探地雷达法(GPR)属电磁波勘探类，是利用高频电磁波以宽频带短脉冲形式，由地面发射天线定向送入地下，经存在电性差异的地下地层或目标体反射返回地面，被发射天线附近的接收天线接收。

电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度与波形将随所通过的介质的电性及状态而变化。

当发射与接收天线以固定间距沿测线同时移动时，就可以得到反映测线地下介质界面分布情况的地质雷达图像。

完整致密、性质相对均一的介质，反射波较弱；当存在岩溶破碎带时，这部分区域与周围介质之间的介电差异增大，反射波增强。

探地雷达法主要应用范围：ａ、雷达剖面法可用于浅层覆盖层分层，探测喀斯特、构造破碎带、滑坡和塌陷等地质灾害、堤坝隐患和地下管线等，进行隧道施工掌子面超前预报。

也可用于检测公路施工质量、地下洞室围岩与混凝土衬砌结合部状况、混凝土内部缺陷等。

ｂ、雷达透射法可用于孔间探测及其他二度体空间探测。

ｃ、雷达宽角法可用于估算介质的电磁波传播速度或确定反射界面的深度。

ｄ、孔中雷达可探测钻孔周边一定范围内的地质异常或进行地层分层，孔间雷达也可较精确地探测孔间的地质异常体。

●地震波勘探依据的物性基础是岩体的弹性，通俗的讲就是岩体的波阻抗差异。

地震波勘探采用人工激发弹性波，沿测线的不同位置用地震勘探仪器检测大地的振动，检测的信号以数字形式存储，以便通过计算机处理来提高信噪比，提取有意义的信息，并以易于地质解释的形式显示其结果。

地震波在介质中传播时，其旅行时、路径、振动强度和波形将随所通过介质的弹性性质及几何形态的不同而变化，利用这些变化规律，根据接收到的波的旅行时间和速度资料，可推断波的传播路径和介质的结构，而根据波的振幅、频率及地层速度等参数，则有可能推断岩石的性质，从而达到勘探的目的。

地震波的传播路径所遵循的规律与几何光学极其相似。

波在传播过程中，当遇到弹性分界面时，将产生反射和折射，接收利用其中不同的波，就构成不同的地震勘探方法；当利用直接穿越地质目标体的地震波时就形成透射波勘探。

这些主要是利用地震纵波，地震波在地层传播过程中，还会产生不同类型的转换波，如：横波、瑞雷波，相应的形成地震横波、瑞雷波勘探。

地震波勘探的方法ａ、浅层地震反射波法利用地震波的反射原理，对浅层具有波阻抗差异的地层或构造进行探测的一种地震勘探方法，简称浅层反射波法。

地震映像法也属此类。

反射波法是在离震源较近（相当于零偏移距）的若干测点上，测定地震波从震源到不同弹性的地层分界面上反射回到地面的旅行时间，当地层倾角不大时，反射波的全部路径几乎是垂直地面的，因此，在测线的不同位置上法线反射时间的变化就反映了地下地层的构造形态。

实际的观测中根据勘探目的和物探条件，为达到相干，增益抑噪，会派生出多种地震反射波勘探方法，但最终的结果都是把共反射点的波形叠加、归位、偏移到零偏移距上。

ｂ、浅层地震折射波法利用地震波的折射原理，对浅层具有波速差异的地层或构造进行探测的一种地震勘探方法。

地震折射波勘探的前提条件是下层介质的波速必须大于上层介质的波速，当地震波以临界角入射到界面时，以下层介质波速沿界面滑行，通过滑行界面附近质点的振动带动上层介质的振动，将地震波返回地面，这种波称为首波或折射波。

此一通过地面人工激震，地震波从上层介质入射——下层介质顶界面滑行——上层介质出射至地面，通过仪器采集信号进行分析处理的过程，就是折射地震波勘探。

首波到达不同观测点的时间包含着速度界面的深度和速度的信息，虽然它得不到象反射波法那样多的资料和那样高精度的构造图，但它的界面速度数据却比反射波法容易给出岩性解释。

ｃ、瑞雷波法利用瑞雷波在层状介质中的几何频散特性进行分层的一种地震勘探方法，按激振方式分为稳态和瞬态。

地震勘探主要应用范围：ａ、浅层折射波法可探测地层厚度及其分层、基岩面起伏形态及风化带厚度、隐伏构造破碎带、松散层中的地下水位以及滑坡体厚度等，对探测岩体卸荷和洞室围岩松弛范围亦很有价值，也可测试岩土体纵波速度，不宜探测高速屏蔽层下部的地层。