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、环境与项目探测等。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、项目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、地下水资源及大型项目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。

项目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。目前项目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v 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项目地质问题更为有效。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

ρ来解决地质问题决地质异常问题，而传统的电法勘探是直接以视电阻率

s

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，了解水文项目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。