地球物理勘探与工程物探

地球物理勘探与工程物探

一、地球物理勘探分类

（一）地球物理学

地球物理学是运用物理学的原理和方法来研究地球的学问，是一门横跨物理学和地质学的边缘、交叉科学。地球物理学所研究的对象极为广泛，上达数百公里高空的游离层，下至地球深处，包括重力、电场、地磁、地震和放射性等物性特征，都属于其研究的领域和对象。

（二）地球物理勘探

将研究地球的各种物理方法用来寻找地下矿藏，或者用来探测岩体的赋存状况，以满足工程建设的需求，就产生了应用地球物理学，或称为地球物理勘探，简称物探。地球物理勘探是以地下岩体的物理性质的差异为基础，通过探测地表或地下地球物理场、分析其变化规律，来确定被探测地质体在地下赋存的空间范围(大小、形状、埋深等)和物理性质，达到寻找矿产资源或解决水文、工程、环境问题为目的的一类探测方法。

（三）地球物理勘探分类

（1）按探测对象、应用领域的不同，物探可分为： ① 石油物探 ② 煤田物探

③ 金属非金属物探 ④ 放射性物探 ⑤ 水文物探 ⑥ 工程物探 ⑦ 环境物探

（2）按工作环境的不同，物探可分为： ① 地面物探 ② 航空物探 ③ 海洋物探 ④ 地下物探

二、地球物理勘探方法

根据所探测对象（如岩溶、构造、矿体等各类目的体以及地层等）的物理性质的不同，可将地球物理勘探分为重力勘探、磁法勘探、电法勘探、放射性勘探、地震勘探、地球物理测井和地热勘探等多种方法。

（一）重力勘探

重力勘探是研究由地下岩层与其相邻层之间、各类地质体与围岩之间的密度差而引起的重力场的变化(即“重力异常”)来勘探矿产、划分地层、研究地质构造的一种物探方法。重力异常是由密度不均匀引起的重力场的变化，并迭加在地球的正常重力场上。

重力观测方法主要有动力法和静力法两种。

⑴ 动力法是观测物体的运动，直接测定的量是时间。

⑵ 静力法是观测物体的平衡，直接测定的量是线位移或角位移。静力法只能用于重力的相对测

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定，是目前重力勘探中用于重力测定的唯一方法。

（二）磁法勘探

磁法勘探是研究由地下岩层与其相邻层之间、各类地质体与围岩之间的磁性差异而引起的地磁场强度的变化(即“磁异常”)来勘探矿产、划分地层、研究地质构造的一种物探方法。磁异常是由磁性矿石或岩石在地磁场作用下产生的磁场迭加在正常场上形成的，与地质构造及某些矿产的分布有着密切的关系。

磁法勘探按观测磁场的方式可以分为地面磁测和航空磁测两类基本方法。

（三）电法勘探

电法勘探是以岩石、矿物等介质的电学性质为基础，研究天然的或人工形成的电场、磁场的分布规律，勘探矿产、划分地层、研究地质构造、解决水文工程地质问题的一类物探方法，也是物探方法中分类最多的一大类探测方法。按照电场性质的不同，可分为直流电法和交流电法两类。本手册电法勘探指的是直流电法，交流电法则称为电磁法勘探。

直流电法勘探主要包括电剖面法、电测深法、充电法、激发极化法及自然电场法等。前几种方法是探测、分析人工向地下供入直流电形成的电场，而自然电场法则是探测天然电场。

⑴ 电剖面法：电极之间的距离保持不变、电极装置沿测线的不同测点进行观测。由于电极间距离不变，因而勘探的深度也是不变的。用此方法可以探明同一深度内岩层沿水平方向电性的变化，以了解地下相应深度范围内地质体的分布情况。按电极排列方式不同，电剖面法可分为四极对称剖面法、联合剖面法、中间梯度法、偶极剖面法和纯异常剖面法等。

⑵ 电测深法：用改变电极距的方法探测同测点在不同深度视电阻率的变化，以研究和确定不同电性岩层的电阻率值和埋藏深度。根据供电电极和测量电极之间的相对位置和电极排列方式的不同，电测深法可分为四极对称测深(又名垂向电测深)、不对称测深、轴向和偶极测深等装置类型。

⑶ 充电法：直接向天然出露或人工揭露的良导电性勘探对象供电，使之成为新电流源，在地面或钻孔内观测这种充电体的电场，根据电场的分布特点来研究充电体本身以及周围的地质分布情况。例如，将食盐盐包(其水溶液为低阻体)放在地下水中并使它带电，则可以根据地面上电场的分布形态了解地下水的流向和流速。充电法在地面上观测电场的方法通常有电位法、电位梯度法和直接追索等位线法三种。

⑷ 激发极化法：是基于研究岩石或矿石在外电场作用下所产生的次生极化(激发极化)电场，来勘探金属矿产、查找地下水、研究地质构造的一种电探方法。激发极化法可以采用电阻率法的各种装置进行，实际工作中经常采用中间梯度装置。

⑸ 自然电场法：是基于研究地壳内因各种物理和化学作用形成的自然电场，从而达到勘探矿产和解决水文工程地质问题的一种电探方法。

电剖面法和电测深法是以研究岩石电阻率为基础的电探方法，故统称为电阻率法。充电法、激发极化法以及自然电场法，则是以研究电位为基础的电探方法。

（四）电磁法勘探

电磁法勘探，即交流电法勘探，主要包括感应法、大地电流法、无线电波透视法、无线电波法、频率测深法、强度法和无限长导线法等。

⑴ 感应法：用专门的振荡器产生高频的交变电磁场，地壳中的良导矿体在此磁场的作用下感应出二次电流，该电流又产生二次磁场。感应法就是用接收装置来观测、研究二次磁场，以确定产生感应电流的矿体的位置。

⑵ 大地电流法：地磁的连续变化在地壳中能感应出交变的大地电流，通过观测地下电性不均匀体引起的大地电流的相应变化，便可查明地下地质结构构造的分布。

⑶ 无线电波法：是基于不同岩层对无线电广播电台发射的电磁波的吸收作用及感应产生的二次强度的不同，通过测量其电磁波的强度，便可查明地质构造、划分地层界线。

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⑷ 无线电波透视法(阴影法)：当地质体位于发射和接收装置之间(如在坑道、地面、钻孔之间)，观测不同位置电磁场强度的分布，由电磁波强度急剧减弱的部位（即所谓 “阴影”区）确定地质体的空间位置和大小。

⑸ 频率测深法：在地面用专门的振荡器向地下发送不同频率的电磁波，测出各测点的电磁波强度，研究不同频率的电磁场分布，以了解组成地壳的地层在垂直方向上的变化。

⑹ 强度法：研究低频电流场产生磁场的垂直分量和水平分量，将观测结果与在均匀介质中磁场分布图进行比较，研究磁场的畸变，从而确定引起畸变的地质对象。

⑺ 无限长导线法：将低频电流经布置在地面上的长直导线输入地下，在导线部位沿垂直于导线的测线上用类似于强度法的装置测量磁场的水平分量。

（五）地震勘探

地震勘探是一种使用人工方法激发地震波，观测其在岩体内的传播情况，以研究、探测岩体地质结构和分布的物探方法。地震波自震源向各方传播，在存在波速或波阻抗差异的岩层、各类目的体分界面上会发生反射和折射，然后返回地面，引起地面振动。通过仪器设备（地震仪、检波器等）记录振动（地震记录），通过分析解释地震记录的特性(传播时间、振幅、相位及频率等)，就能确定分界面的埋藏深度、岩石的组成成分和物理力学性质。

弹性波的传播，实际上是介质中弹性应变的传播，包括两种基本应变——体变和切变。与体变相应的波称为纵波(以符号P表示)；与切变相应的波称为横波(以符号S表示)。根据广义虎克定律及牛顿第二定律建立的波动方程可推导出：

VPλ2Gρ4KG3ρE(1μ)

ρ(1μ)(12μ)(1.4-1)

VSGE

2(1)(1.4-2)

式中：E为杨氏弹性模量， Pa；

G为剪切模量，Pa； K为压缩模量，Pa； μ为泊松比； λ为拉梅系数； ρ为密度，kg/m3； VP为纵波速度，m/s； VS为横波速度，m/s。

纵横波速度比Vp/Vs有式(1.4-3)的关系。对于自然界的大多数岩石来说，μ近于0.25，此时纵波的传播速度一般近似为横波传播速度的1.73倍（见式(1.4-4)）。因为μ最小为零，故Vp/Vs最小近似为1.41（见式(1.4-5)），由此可见，纵波速度永远大于横波速度。

VP2(1) VS12(1.4-3)

0.25,VP31.73 VS(1.4-4)

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0,VP21.41 VS(1.4-5)

在无限介质中，震源处的振动(扰动)以地震波的形式传播并引起介质质点在其平衡位置附近运动。按照质点运动的特点和波的传播规律，地震波常可以分为体波和面波。体波包括纵波和横波两种。面波主要有瑞雷波和勒夫波等类型。

根据所利用弹性波的类型不同，地震勘探的工作方法可分为：反射波法、折射波法、穿透波法和瑞雷波法。

⑴ 反射波法：由地面测线上的各测点观测接收各类波阻抗界面反射波旅行时，根据旅行时与地面各接收点间的位置关系(时距曲线)，确定波在介质中的传播速度、反射界面的埋深和形态，以解决与地层、构造、岩溶等有关的地质问题。

⑵ 折射波法：由震源产生向地下半无限空间入射的地震波，当地震波遇到上覆介质波速低于下伏介质波速的界面时，其中，有一组地震波的入射方向满足以下条件：

isin1(V1) (1.4-6) V2式中，i为临界角，°；

V1为入射介质波速，m/s；

V2为界面下伏介质的波速，m/s。

该组波沿界面滑行，使界面上的质点发生振动并返回地面，这种波称为折射波。界面滑行波使界面附近的V1介质中的质点发生振动，并返回地面，这种波称为折射波(refraction wave)，或称首波(head wave)。根据旅行时与地面各接收点间的位置关系，便可求得形成折射波的地层界面的埋藏深度和起伏形态。

⑶ 穿透波法：一般在两钻孔、平洞或平行的两侧壁之间使用，可以测定钻孔、平洞或平行的两侧壁之间地质体的形状、位置和波速。

⑷ 瑞雷波法：是在层状介质中传播时因频散现象而形成的面，其传播速度取决于相邻地层的横波传播速度、频率和层厚等。假定层厚一定，则对于不同频率就会出现不同的瑞雷波速度（频散现象），研究其变化规律便能了解地层的瑞雷波速度和厚度分布情况。

（六）地球物理测井

地球物理测井，简称为测井，就是通过研究钻孔中岩石的物理性质，诸如电性、电化学活动性、放射性、磁性、密度、弹性以及孔隙度、渗透性等等来解决钻孔中有关地质问题的一类物探方法。

测井方法包括电测井、磁测井及电磁测井、声波测井、地震测井、放射性测井、热测井、孔内电视录像，以及井径测量、井斜测量、井温测量以及井中流体测量。

（七）放射性勘探

地壳内的天然放射性元素蜕变时会放射出α、β、γ射线，这些射线穿过介质便会产生游离、荧光等特殊的物理现象。放射性勘探，就是借助研究这些现象来寻找放射性元素矿床和解决有关地质问题、环境问题的一种物探方法。

γ值高出正常场的叫γ异常。根据岩石含放射性的不同对于异常的要求也不同。一般沉积岩地区含放射性低且稳定，因而当γ强度超过正常场的1.5～2倍时，即是异常；火成岩地区放射性含量较高，故要求γ强度超过正常场的2～3倍时，才是有效异常。

放射性勘探方法按阶段及解决的地质任务不同，可分为普查、详查和环境测量；按所采用的仪器及工作方式的不同，可分为射气测量、氡气法、γ测量法。

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（八）地热勘探

地热勘探（thermal survey），是研究组成地壳岩石中的天然温度场分布情况、查明地下可供使用的热源。岩石中温度场的形成，取决于组成地壳岩石的温度特性和产状，并在很大程度上与地层中地下水的活动有关。地热探测的主要方法有热测井、面积测量和在平洞坑道掘进时进行观测。

⑴ 热测井：是地球物理测井的内容之一，它是沿着钻井连续地观测温度随深度的变化。热测井主要应用于划分地质剖面；确定永久冻土带的下界；确定钻井地下水的渗漏点和估计地下水的渗透速度和确定钻孔中的地下水位等水文工程地质问题。

⑵ 面积测量：是根据钻井和坑道内的温度观测资料，可以绘制温度平面图和剖面图，通过对这些图件的解释结果，可以用来研究地质构造；常年冻土带的分布和发育情况；地下水的运动和分布情况等水文工程地质问题。

⑶ 洞内测量：在平洞掘进时利用超前炮眼系统地测量岩石或地下水的温度，把得到的温度和温度梯度值与预先计算出的正常地温场进行比较，可以预测掌子面接近充水带的程度、为工程安全评价提供相关依据。

三、工程物探

（一）工程物探的发展沿革

我国开展工程物探是新中国成立以后的事情，水电系统早在1954年10月北京东郊定福庄原燃料工业部水电总局勘测总队地质大队就成立了第一支物探队，并于年底在官厅水库坝区开展了用磁法探测断层的试验。1955年夏天，在北京西郊石景山模式口水电站用电测深法探测覆盖层厚度，拉开了水电系统开展工程物探工作的序幕。1958年前后，各大区和流域委院勘测设计院也都相继成立了物探队(组)，铁道、城市工民建、公路交通等许多行业也陆续成立相应的工程物探机构、开展相应业务。半个多世纪来，工程物探专业为我国水利电力、铁路、交通、工业民用建筑、军工等领域的各类工程的前期勘察、参数测试、质量检测等方面做出了很大的贡献。

（二）工程物探的应用范围

目前，工程物探已从初创时期的以勘探为主的方法技术，发展为以勘探应用为主的工程地球物理勘探、以检测应用为主的工程地球物理检测和以监测为主的工程地球物理监测等相互交叉又各具特点的三方面内容。 （1）工程地球物理勘探

工程地球物理勘探是以地下各类介质的物性差异为基础，通过观测地下各类地球物理场的变化规律，来查明目的层或地质体的分布情况(大小、形状、埋深等)，达到解决工程和水文工程地质问题的目的。

（2）工程地球物理检测

工程地球物理检测是以被检测物体的物理力学性质或其他物理性质为基础，运用地球物理学的原理和方法，为各类工程的质量和稳定性进行评价和分析提供数据和依据的动力法无损检测技术。 （3）工程地球物理监测

工程地球物理监测是以被监测物体的某些物理性质为基础，运用物探技术对某些工程部位的物理状态、稳定性和可靠性进行监测、分析和评价的一些专项无损检测技术。

目前，工程物探监测的应用有： ⑴ 爆破质点振动监测； ⑵ 场地微地震监测； ⑶ 滑边坡活动性监测； ⑷ 地基沉降监测；

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⑸ 基坑变形监测等。

（三）工程物探方法的特点

（1）物探方法的科学性与多解性

地球物理勘探方法是间接的勘探方法，是根据物理现象对各类地质体和目的层做出合理的解释推断。地球物理勘探方法的科学性主要表现在：

⑴ 被探测目的体与围岩介质相比较具有不同的物理特性，为合理选择使用地球物理方法提供了可靠的物性前提。

⑵ 在地表等处观测到的地球物理场，受到各种地下地质体的不同影响，带有地下地质体的有益（或者说有效）信息，如果能够准确认识、科学识别，就能够准确解析出地下地质体的物理分布。

⑶ 地球物理勘探方法建立在科学的理论基础之上，历经几十年的发展，具有客观性、系统性、严密性。

⑷物探设备都是非常先进的设备，其精确性、稳定性、可靠性完全能够满足对地球物理场的探测和细微异常的识别。

采用地球物理方法研究或勘探地质体，是根据测量数据或所观测的地球物理场求解场源体的问题，是地球物理场的反演问题，而反演的结果一般是多解的。因此，地球物理勘探具有其科学性的同时，存在多解性的问题。为了获得更准确更有效的解释结果，应注意以下几点：

⑴ 选择适合的方法。各种探测目的、探测对象的物性特征不尽相同、常常是各具特色，所采用的探测手段应有针对性、适用性。

⑵ 尽可能通过多种物探方法配合，相互对比，去伪存真。 ⑶ 注重与地质调查和地质理论相结合，进行综合分析判断。 （2）物探方法的特点及发展方向

物探专业是一个较为年轻的同时飞速发展的专业学科，从它的产生到发展，均受到了地质科学、地球科学、物理学、电子学、数学等许多学科的影响、带动和促进。近年来，工程建设应用领域也对物探专业提出了越来越新、越来越高的要求，使其逐渐呈现出以下特点：

⑴ 地球物理勘探方法不断深化对现代电子技术的运用，在信号采集、数字处理、数据分析方面有长足进展，有利于进一步压制干扰、提高分辨能力、提取更多的有用信息、发展反演理论和技术，改善了地球物理信号的采集效果，提高了地球物理数据处理的工作效率和图像处理技术，促进了各类工程或水文工程地质问题的有效解决。

⑵ 地球物理勘探仪器设备逐渐向向轻便化、高精度、多功能、数字化、系列化和智能化的方向发展，大大提高了现场和室内工作效率。同时采集信号的数字存储，使采集信号的永久保存、重新处理和解释成为可能。

⑶ 现代地质学理论的发展，使深部地质问题的研究愈显重要。应用于这方面研究的地震反射、大地电磁测深、重力、磁法、地热等地球物理勘探方法，已显示出其潜力和优越性。

⑷ 近年来，物探应用的范围和领域，无论是深度还是广度，都在不断地得到挖掘和拓展。在工程、水文、环境方面的地球物理应用，尤其是工程方面，呈现持续、高速发展的态势。 （3）工程物探的特点

工程物探方法因应用领域、使用目的特殊性，除了具有科学性、多解性等物探方法的一般特性外，还具有以下明显的特点：

⑴ 由于各类建设工程的需要，工程物探的探测对象更偏向于浅、小，探测深度以从几十厘米到数百米为主，要求探测精度较高。

⑵仪器设备更为轻便。

⑶ 受地形影响较大，地质、地球物理条件更为复杂，物性的不均匀性和各向异性更加明显。 ⑷ 探测成果时效性强，往往需要及时提供、经常被立即验证，对探测结果的明确性要求也较高。 ⑸ 除了传统的勘探类应用以外，检测以及监测类应用已占据相当大的比例，成为重要的工程质

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量检验和验收手段。

⑹ 为了满足工程需要，工程物探各方面，无论是方法技术，还是应用领域，以及仪器设备，都呈现高速发展和进步的态势，在工程建设方面越来越多地发挥出其独特的作用。

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