国内外工程物探技术现状

工程与环境物探在国内外的发展

工程与环境物探技术包括方法和仪器两方面。方法是物探工作的基础，包

括探测的基本原理、观测方式、资料处理方法及解释原理。仪器是物探数据采

集设备系统，包括发射、接收、模数转换、存储和处理等单元。在工程与环境

物探技术的发展中方法起主导作用，在很大程度上物探方法带动仪器的发展。

在这里从方法和仪器两个方面，回顾一下国内外工程与环境物探技术的发展现状。

在目前国内外的物探领域应用的地球物理技术从原理上分三类，即波动场

方法、感应场方法和谐和场方法。因对探测的可靠性和分辨率的要求高，所以

目前工程与环境物探领域主要使用波动类方法，配合少量的感应场方法和谐和

类方法。波动类方法包括弹性波方法和电磁波方法。波动类方法是以波的传播

速度、时间、传播规律等信息作为探测基础的，确定目标的位置、大小、和性质。

目前的工程与环境物探中使用的波动类方法包括弹性波方法和电磁波方法，前者包括地震波、声波、超声波，后者主要指雷达波。工程与环境物探领域习

惯上将电磁波和电磁感应和静电场等方法归在一起，称为电磁方法。近年来超

声波技术进展很快，发展起相控阵超声成像和超声导波检测技术。工程病害诊

断技术要求分辨率高、可靠性好，常使用地震CT、声波CT、电磁波CT和高密

度电法。有些方法可以在不同用途中选用，没有明显的界限。现分别进行评述。

1. 工程与环境物探中的弹性波方法及其发展现状

弹性波方法是目前工程与环境物探技术的主体，包含地震波、声波和超声

等方法。它们之间没有本质差别，都是利用弹性波的传播规律进行探测，差异

仅在于使用的振动频率、传播距离、分辨率不同。频率低于200HZ的弹性波为

地震波，200HZ和20KHZ之间的为声波，高于20KHZ的为超声波。因此，在这

里可以对三种波一并分析。

弹性波探测的理论基础是弹性波的传播规律，最基本的规律是反射、散射、折射定律。弹性波有代表压缩变形的纵波和剪切变形的横波，两种波在遇到界

面时要发生相互转换，在有自由界面存在的条件下产生表面波。弹性波在层状

介质内传播的基本规律是很简单的，即反射和折射定律。但是在具有边界、表面、内部界面、缺陷等不同结构存在的条件下，弹性波的传播特性变得十分复杂，会发生透射、反射/散射波、波型转换和导波；介质表面传播的Rayleigh

波和Love波，分层界面间的Stonely波，板中的Lamb波等；在板、柱、管等

有自由边界的结构内，弹性波存在多模态和频散现象，形成各类导波。此外，

不同尺度大小的异常结构，对不同波长的散射效应是不同的；了解波的这些传

播规律，是应用弹性波进行勘探和检测的基础。

由于研究对象的差异、观测条件的限制和研究精度的不同要求，需要采取不同

的观测方式和资料处理方法，由此在工程与环境物探中形成了几种不同的勘测

方法与技术。目前较常用的有8种，即反射波法、折射波法、散射波法、面波法、CT成像法、声波测速、相控阵扫描成像法和超声导波法等等。他们在观测

方式上各不相同，资料处理基于不同的原理、方法和处理流程，根据不同的参

数进行解释。

以地震波为手段的反射地震、折射地震、散射地震成像、地震面波等方法

主要用于场地和线路的工程勘查；以声波和超声为手段的反射与透射、声波散

射成像、声波CT、相控阵成像、超声导波等技术主要用于工程检测；地震CT

和声波CT主要用于工程病害诊断。现对各种方法的应用现状作以简单介绍。

地震反射波法

地震反射波法是地球物理学中发展最早的探测方法，理论基础是Snell定律。该方法假定介质近乎层状，横向变化小于纵向变化，反射面横向尺度远大

于波长（D＞3 ）。在石油与煤炭资源勘查中广为应用，已发展起以CDP/CMP为核心的资料处理技术，应用到3D地震勘探。工程勘查中借鉴这种石油勘探技术，在我国东部平原和古老山地工程场地与线路勘察中应用效果良好，但在西部造

山带地区因地质条件复杂，横向变化较大，应用效果很不理想。

地震折射波法

地震折射是发展最早的地震勘探方法之一，主要用于工程勘查。工作原理

是地震波在高速界面超临界角入射时的全反射理论。主要用于松散层与基岩接

触界面的追踪，勘探深度不大，对于基岩界面起伏不大的场合效果较好，工作

效率高。对于造山带地区基岩界面起伏较大的场合，勘探结果误差较大大。同时，对于有低速层的场合不适用。由于勘探精度较差，分辨层位较少，目前应

用减少。

地震散射波法

地震散射成像是近年发展起来新的观测与资料处理方法，它基于波动传播

的惠更斯原理，当弹性波入射到异常体时，异常体作为新的震源向周围介质散

射能量。根据接收到的散射波的运动学与动力学特征可确定异常体的位置与性状。散射方法在观测方案、资料处理方法等方面均与反射法不同，它以偏移成

像代替CDP叠加，以叠加能量最大原理代替速度谱分析。SSP地表地震剖面法

是基于地震散射，用于工程勘察。TST隧道超前预报技术也是建立在地震散射

理论基础之上的，在云南、重庆、四川隧道超前预报与地震边坡勘查中有很多

成功的应用。声波与超声散射方法主要用于工程检测，如相控阵声波与超声成

像技术都是建立在散射基础上的。散射方法可探测到尺度小于和等于波长的异

常体，在使用相同波长的条件下，散射成像技术可以比反射技术分辨出更细小

的异常体，分辨率提高一个数量级。

地震面波法

地震面波是工程勘查中常用的方法，特别是瞬态面波法。该方法是基于层

状介质自由表面面波的传播规律。当波动在自由表面附近传播时，能量随深度