地球物理勘探 engineeringgeophysicalexploration套用地球物理學的原理進行工程地質、水文地質調查的勘探和測試方法。
基本介紹
- 中文名：地球物理勘測
- 外文名：engineeringgeophysicalexploration
- 原理：套用地球物理學
- 作用：工程地質、水文地質調查的測試
簡史,分類介紹,
簡史
簡史早在17世紀人們便嘗試用羅盤尋找磁鐵礦，20世紀初，各種物探方法才廣泛地用於找礦勘探與工程勘察。60年代以來，由於物理學、數學、特別是電子技術、計算機技術的發展，大大促進了各種物探方法以及儀器設備的發展與改革。例如，50年代工程物探常用的光點地震儀已被信號增強型地震儀以及輕便的數字磁帶地震儀所替代。地球物理場的觀測空間已從地面發展到地下（如地下物探）、水域（如海洋物探）、低空（如航空物探）以至空間的遙感技術等。
分類介紹
電法勘探通過對人工或天然電場（或電磁場）的研究，獲得岩石不同電學特性的資料，以判斷有關水文地質及工程地質問題。目前，最常用的是直流電法勘探，主要研究岩石的電阻率和電化學活動性，可分為電阻率法、自然電場法和激發極化法等。
電阻率法自然界中各種岩石的導電性能不同。一般情況下，岩漿岩、變質岩和沉積岩中的緻密灰岩的電阻率都很高，超過10～歐姆·米，只有當它受風化,構造破碎時，由於含泥量增多，水分增加時，其電阻率值才降到102)歐姆·米級或更小。含泥質沉積物或含高礦化度地下水的砂礫石層,其電阻率較低(10～102)歐姆·米級)。電阻率法常用於探測風化殼的厚度，覆蓋層下新鮮基岩面的起伏、盆地結構形態、儲水構造，追索古河道，圈定岩溶發育帶，確定斷層位置等。電阻率法的工作原理如圖1所示,通過A、B兩個電極向地下供入電流(IAB),並通過M、N兩個電極測量供電所形成的電位差(ΔUMN)。代入ρ=K·ΔUMN/IAB式,便可計算出電阻率ρ。式中K為裝置係數，由各電極間的相互距離確定。一般地下並非單一均勻地層,由上式計算的電阻率並不代表某一地層的真電阻率，故稱為視電阻率ρs。電極排列方式（裝置）不同,其探測效果亦異。例如,固定裝置，沿剖面測線逐點測量視電阻率值，可獲得沿剖面線的視電阻率曲線，它反映岩性沿剖面線變化的情況，稱為電剖面法（圖2）。若固定測點，不斷擴大供電電極A、B的距離，使電流在地下分布空間不斷擴大，相應的勘探深度則越來越深。其相應於不斷增加的電極距(AB/2)的視電阻率曲線（電測深曲線），反映了電阻率隨深度變化的情況，即為電測深法。用量板或電腦程式對曲線作解釋，可劃分出不同深度、具有不同電阻率的地層。
自然電場法當地下水在孔隙地層中流動時，毛細孔壁產生選擇性吸附負離子的作用，使正離子相對向水流下游移動，形成過濾電位。因此作面積性的自然電位測量，可判斷潛水的流向。在水庫的漏水地段可出現自然電位的負異常，而在隱伏上升泉處則可獲得自然電位的正異常。
充電法在井孔的含水層段注入鹽水，並對其充電形成隨地下水流動而運移的帶電鹽水體。在地表觀測到的等電位線形狀與帶電鹽水體的分布形態有關。根據不同時間觀測的等電位線可以判斷地下水的流向並估算其實際流速。充電法還可以用作岩溶區地下暗河的連通性試驗或探查地下埋設的金屬管道等。
激發極化法實驗室研究表明，含水砂層在充電以後，斷電的瞬間可以觀測到由於充電所激發的二次電位，該二次電位衰減的速度隨含水量的增加而變緩。在實踐中利用這種方法圈定地下水富集帶和確定井位已有不少成功的實例。但它在理論和觀測技術方面還有待改進。
地震勘探通過研究人工激發的彈性波在地殼內的傳播規律來勘探地質構造的方法。由錘擊或爆炸引起的彈性波，從激發點向外傳播，遇到不同彈性介質的分界面，將產生反射和折射，利用檢波器將反射波和折射波到達地面所引起的微弱振動變成電信號，送入地震儀經濾波、放大後,記錄在像紙或磁帶中（圖3）。經整理、分析、解釋就能推算出不同地層分界面的埋藏深度、產狀、構造等。常用於探測覆蓋層或風化殼的厚度，確定斷層破碎帶，在現場研究岩土的動力學特性等。可分為折射波法和反射波法兩種。
折射波法當地震波遇到上下速度v1、v2)不同的界面時，有一部分波將透過界面形成透射波,其透射角β與入射角α的關係符合斯涅耳定律sinα/sinβ=v1/v2)。對於sinα=v1/v2)的入射波可產生透射角β=90°的透射波，並以v的速度沿界面滑行。這種滑行波又引起第一個介質中質點的振動而產生可傳到地面的折射波(也稱首波)。圖4是折射波的傳播示意圖，在B點以前不形成折射波，稱為盲區。因v大於v1在C點以外，折射波可比直達波先到達檢波器。根據折射波時距曲線，可算出v1及v,從而推算出界面的深度、產狀等。v的變化反映了界面以下岩性的變化，配合地震波振幅衰減的資料，可確定界面以下岩層軟弱帶或斷層破碎帶。但是折射波法在盲區得不到記錄，因此需要加大檢波距。當下層速度v2)小於上層速度v1時，不可能形成折射波。
反射波法反射波形成的條件是界面兩側的波阻抗(地層速度與密度的乘積)有差異，差異越大反射波越強。圖5是反射波傳播示意圖。由S點激發的地震波遇到RR′界面時將產生反射波。根據反射波從激發點到檢波器的傳播時間，以及地層的速度，便可計算從激發點S到反射界面RR′的垂直距離以及界面的傾向和傾角。目前由於採用信號疊加技術以及輕便的可控振動器做振源，已經可以獲得深度約50米，甚至更淺的淺層反射記錄。
以上所涉及的激發方式主要產生縱波(壓縮波)。在測定岩石動彈性模量時，常用垂直於測線方向水平激發的方式產生橫波（剪下波）。水是不傳遞橫波的，故在水文地質、工程地質勘察中發展橫波技術是有前景的。
鑽孔地震波測速法在鑽孔中利用直達波測定地層波速的方法。有單孔法和跨孔法兩種。單孔測速法是在孔口附近激振，在鑽孔內的不同深度上安置探頭測定直達波的初至時間。探頭是由兩個互為正交的水平檢波器和一個垂直檢波器組成。利用氣壓附壁裝置，可使探頭緊貼井壁。測定縱波速度(vp)時，須作垂直激振。測定橫波速度(vs)時，須作水平激振，通常是在壓有重物的厚木板兩端作水平振擊以激發橫波。根據直達波穿過某地層所需的時間及該地層的厚度可算出地層速度。跨孔法（圖6）是在一個鑽孔中激振，在相隔一定距離的另一個鑽孔中觀測直達波的到達時間。對於淺孔，可用木桿插入井底，在地面敲擊木桿的一端進行激振。在較深的鑽孔中可用“附壁式井下錘”激發橫波。已知激振點到檢波器的距離以及直達波的行進時間便可算出地層波速。
聲波探測利用聲波（或超音波）對岩體進行探測的方法。由於頻率高、波長短，因此解析度高。主要用於測定岩體的物理力學參數、確定洞室岩石應力鬆弛範圍、探測溶穴及檢查水泥灌漿效果等。但是，由於岩石對高頻波的吸收、衰減和散射比較嚴重，因而探測的距離不大。聲波探測可分為主動和被動兩種方式。
主動方式由聲源信號發生器（發射機）向壓電材料製成的換能器發射一電脈衝激勵晶片振動，產生聲波向岩石發射。聲波在岩體中傳播，經接收換能器接收並轉換成電信號送至接收機，放大之後在示波管螢幕上顯示波形圖。從波形圖上可直接讀出聲波的初至時間，再根據已知的探測距離，計算出聲波速度。
被動方式觀測岩體由於受力變形過程中所釋放出來的應變能引起的聲波。可用以了解岩體內部應力狀態等。
地球物理測井地球物理方法在鑽井中的套用。工程物探中常用的有視電阻率測井、自然電位測井、天然放射性測井、聲波測井等。綜合分析幾條測井曲線可劃分鑽孔地層岩性剖面。用中子－伽瑪測井或聲波測井方法可以測定地層的孔隙度。自然電位測井方法還可以在泥漿鑽孔中分層測定地下水的礦化度。利用井液電阻率測井或井中流速儀可以研究鑽井中地下水的運動。井中攝影和井中光學電視可以獲得鑽井剖面的實際圖像，而超聲電視測井則可以在泥漿中獲得清晰的孔壁圖像，可區分岩性、查明裂隙、溶穴、套管的裂縫等，甚至可以確定岩層的產狀。不同測井方法的井下探測器各有其特點。但是所測量的參數均將轉換成電訊號，通過電纜傳輸到地面測井儀中並記錄在像紙、紙帶或磁帶上。
井中無線電波透視法無線電波是指頻率在幾十萬赫至幾十兆赫電磁波。當它在地下介質中傳播遇到低阻的地質體時常被強烈吸收而大大衰減。在岩溶地區，用它探測溶洞效果甚好。工作時，將發射機和接收機分別置於相隔一定距離的兩個鑽孔內，若兩孔之間都是均質的高阻灰岩時，沿井軸各點接收到的無線電波信號較強，如果在透視剖面上有低阻的充水溶洞等存在時，則在低阻體的背面形成一個無線電波信號被強烈衰減的陰影。運用“交會法”即可圈定被測異常體的位置和輪廓。
磁法勘探根據岩石的磁性差異所形成的局部磁性異常來判斷地質構造的方法。在工程勘察中，主要用於圈定岩漿岩體，特別是磁性較強的基性岩漿岩體，尋找有岩漿岩活動的斷裂接觸帶，追索第四紀沉積物覆蓋下的岩性界線等。大面積航空磁測資料可提供有關區域性的斷裂構造、結晶基底的起伏等，為評價區域穩定性及尋找有利的儲水構造提供依據。
重力勘探根據岩體密度差異所形成的局部重力異常來判斷地質構造的方法。常用以探測盆地基底的起伏和斷層構造等。採用高精度重力探測儀有可能探測一些埋深不大並且具有一定體積的地下空洞。
放射性勘探不同岩石所含放射性元素的含量不同。因此通過探測由放射性元素在蛻變過程中產生的у射線強度，可以區分岩性。近年來利用天然放射性測量探測基岩裂隙地下水（如用測量у強度、能譜、α徑跡法等找水）獲得成功。此外，放射性同位素常用作研究地下水及其溶質運動的示蹤劑。
遙感技術根據電磁波輻射(發射、吸收、反射)的理論，套用各種光學、電子學探測器對遠距離目標進行探測和識別的綜合技術。航空攝影地質是最早的一種遙感地質方法，至今仍然是遙感地質中一個重要的組成部分。60年代以來，在運載工具、感測器及圖像處理、解釋方法上都有了迅速發展。除可見光波段攝影黑白像片和彩色像片外，還發展了紅外線，多波段、雷達、雷射等技術。利用地物反射人工發射的電磁波進行遙感的稱為主動遙感；利用地物反射太陽輻射的或由地物自身發射的電磁波進行遙感的稱為被動遙感。遙感技術可以提供有關地貌、岩性、地層、褶皺、斷層、構造、岩漿岩以及隱伏構造和深部構造的資料。紅外遙感技術在水文地質勘察中具有特別重要的意義。遙感技術不僅能克服地麵點、線調查的局限性及視野的阻隔，使人們能從整體上巨觀地進行地質研究，而且還能提供各種電磁波的地質信息，其中微波能穿透植被和第四紀地層，提供一定深度範圍的地質信息。此外，還可以對一個地區反覆成像，以取得最新的精確的地質動態資料。
電阻率法自然界中各種岩石的導電性能不同。一般情況下，岩漿岩、變質岩和沉積岩中的緻密灰岩的電阻率都很高，超過10～歐姆·米，只有當它受風化,構造破碎時，由於含泥量增多，水分增加時，其電阻率值才降到102)歐姆·米級或更小。含泥質沉積物或含高礦化度地下水的砂礫石層,其電阻率較低(10～102)歐姆·米級)。電阻率法常用於探測風化殼的厚度，覆蓋層下新鮮基岩面的起伏、盆地結構形態、儲水構造，追索古河道，圈定岩溶發育帶，確定斷層位置等。電阻率法的工作原理如圖1所示,通過A、B兩個電極向地下供入電流(IAB),並通過M、N兩個電極測量供電所形成的電位差(ΔUMN)。代入ρ=K·ΔUMN/IAB式,便可計算出電阻率ρ。式中K為裝置係數，由各電極間的相互距離確定。一般地下並非單一均勻地層,由上式計算的電阻率並不代表某一地層的真電阻率，故稱為視電阻率ρs。電極排列方式（裝置）不同,其探測效果亦異。例如,固定裝置，沿剖面測線逐點測量視電阻率值，可獲得沿剖面線的視電阻率曲線，它反映岩性沿剖面線變化的情況，稱為電剖面法（圖2）。若固定測點，不斷擴大供電電極A、B的距離，使電流在地下分布空間不斷擴大，相應的勘探深度則越來越深。其相應於不斷增加的電極距(AB/2)的視電阻率曲線（電測深曲線），反映了電阻率隨深度變化的情況，即為電測深法。用量板或電腦程式對曲線作解釋，可劃分出不同深度、具有不同電阻率的地層。
自然電場法當地下水在孔隙地層中流動時，毛細孔壁產生選擇性吸附負離子的作用，使正離子相對向水流下游移動，形成過濾電位。因此作面積性的自然電位測量，可判斷潛水的流向。在水庫的漏水地段可出現自然電位的負異常，而在隱伏上升泉處則可獲得自然電位的正異常。
充電法在井孔的含水層段注入鹽水，並對其充電形成隨地下水流動而運移的帶電鹽水體。在地表觀測到的等電位線形狀與帶電鹽水體的分布形態有關。根據不同時間觀測的等電位線可以判斷地下水的流向並估算其實際流速。充電法還可以用作岩溶區地下暗河的連通性試驗或探查地下埋設的金屬管道等。
激發極化法實驗室研究表明，含水砂層在充電以後，斷電的瞬間可以觀測到由於充電所激發的二次電位，該二次電位衰減的速度隨含水量的增加而變緩。在實踐中利用這種方法圈定地下水富集帶和確定井位已有不少成功的實例。但它在理論和觀測技術方面還有待改進。
地震勘探通過研究人工激發的彈性波在地殼內的傳播規律來勘探地質構造的方法。由錘擊或爆炸引起的彈性波，從激發點向外傳播，遇到不同彈性介質的分界面，將產生反射和折射，利用檢波器將反射波和折射波到達地面所引起的微弱振動變成電信號，送入地震儀經濾波、放大後,記錄在像紙或磁帶中（圖3）。經整理、分析、解釋就能推算出不同地層分界面的埋藏深度、產狀、構造等。常用於探測覆蓋層或風化殼的厚度，確定斷層破碎帶，在現場研究岩土的動力學特性等。可分為折射波法和反射波法兩種。
折射波法當地震波遇到上下速度v1、v2)不同的界面時，有一部分波將透過界面形成透射波,其透射角β與入射角α的關係符合斯涅耳定律sinα/sinβ=v1/v2)。對於sinα=v1/v2)的入射波可產生透射角β=90°的透射波，並以v的速度沿界面滑行。這種滑行波又引起第一個介質中質點的振動而產生可傳到地面的折射波(也稱首波)。圖4是折射波的傳播示意圖，在B點以前不形成折射波，稱為盲區。因v大於v1在C點以外，折射波可比直達波先到達檢波器。根據折射波時距曲線，可算出v1及v,從而推算出界面的深度、產狀等。v的變化反映了界面以下岩性的變化，配合地震波振幅衰減的資料，可確定界面以下岩層軟弱帶或斷層破碎帶。但是折射波法在盲區得不到記錄，因此需要加大檢波距。當下層速度v2)小於上層速度v1時，不可能形成折射波。
反射波法反射波形成的條件是界面兩側的波阻抗(地層速度與密度的乘積)有差異，差異越大反射波越強。圖5是反射波傳播示意圖。由S點激發的地震波遇到RR′界面時將產生反射波。根據反射波從激發點到檢波器的傳播時間，以及地層的速度，便可計算從激發點S到反射界面RR′的垂直距離以及界面的傾向和傾角。目前由於採用信號疊加技術以及輕便的可控振動器做振源，已經可以獲得深度約50米，甚至更淺的淺層反射記錄。
以上所涉及的激發方式主要產生縱波(壓縮波)。在測定岩石動彈性模量時，常用垂直於測線方向水平激發的方式產生橫波（剪下波）。水是不傳遞橫波的，故在水文地質、工程地質勘察中發展橫波技術是有前景的。
鑽孔地震波測速法在鑽孔中利用直達波測定地層波速的方法。有單孔法和跨孔法兩種。單孔測速法是在孔口附近激振，在鑽孔內的不同深度上安置探頭測定直達波的初至時間。探頭是由兩個互為正交的水平檢波器和一個垂直檢波器組成。利用氣壓附壁裝置，可使探頭緊貼井壁。測定縱波速度(vp)時，須作垂直激振。測定橫波速度(vs)時，須作水平激振，通常是在壓有重物的厚木板兩端作水平振擊以激發橫波。根據直達波穿過某地層所需的時間及該地層的厚度可算出地層速度。跨孔法（圖6）是在一個鑽孔中激振，在相隔一定距離的另一個鑽孔中觀測直達波的到達時間。對於淺孔，可用木桿插入井底，在地面敲擊木桿的一端進行激振。在較深的鑽孔中可用“附壁式井下錘”激發橫波。已知激振點到檢波器的距離以及直達波的行進時間便可算出地層波速。
聲波探測利用聲波（或超音波）對岩體進行探測的方法。由於頻率高、波長短，因此解析度高。主要用於測定岩體的物理力學參數、確定洞室岩石應力鬆弛範圍、探測溶穴及檢查水泥灌漿效果等。但是，由於岩石對高頻波的吸收、衰減和散射比較嚴重，因而探測的距離不大。聲波探測可分為主動和被動兩種方式。
主動方式由聲源信號發生器（發射機）向壓電材料製成的換能器發射一電脈衝激勵晶片振動，產生聲波向岩石發射。聲波在岩體中傳播，經接收換能器接收並轉換成電信號送至接收機，放大之後在示波管螢幕上顯示波形圖。從波形圖上可直接讀出聲波的初至時間，再根據已知的探測距離，計算出聲波速度。
被動方式觀測岩體由於受力變形過程中所釋放出來的應變能引起的聲波。可用以了解岩體內部應力狀態等。
地球物理測井地球物理方法在鑽井中的套用。工程物探中常用的有視電阻率測井、自然電位測井、天然放射性測井、聲波測井等。綜合分析幾條測井曲線可劃分鑽孔地層岩性剖面。用中子－伽瑪測井或聲波測井方法可以測定地層的孔隙度。自然電位測井方法還可以在泥漿鑽孔中分層測定地下水的礦化度。利用井液電阻率測井或井中流速儀可以研究鑽井中地下水的運動。井中攝影和井中光學電視可以獲得鑽井剖面的實際圖像，而超聲電視測井則可以在泥漿中獲得清晰的孔壁圖像，可區分岩性、查明裂隙、溶穴、套管的裂縫等，甚至可以確定岩層的產狀。不同測井方法的井下探測器各有其特點。但是所測量的參數均將轉換成電訊號，通過電纜傳輸到地面測井儀中並記錄在像紙、紙帶或磁帶上。
井中無線電波透視法無線電波是指頻率在幾十萬赫至幾十兆赫電磁波。當它在地下介質中傳播遇到低阻的地質體時常被強烈吸收而大大衰減。在岩溶地區，用它探測溶洞效果甚好。工作時，將發射機和接收機分別置於相隔一定距離的兩個鑽孔內，若兩孔之間都是均質的高阻灰岩時，沿井軸各點接收到的無線電波信號較強，如果在透視剖面上有低阻的充水溶洞等存在時，則在低阻體的背面形成一個無線電波信號被強烈衰減的陰影。運用“交會法”即可圈定被測異常體的位置和輪廓。
磁法勘探根據岩石的磁性差異所形成的局部磁性異常來判斷地質構造的方法。在工程勘察中，主要用於圈定岩漿岩體，特別是磁性較強的基性岩漿岩體，尋找有岩漿岩活動的斷裂接觸帶，追索第四紀沉積物覆蓋下的岩性界線等。大面積航空磁測資料可提供有關區域性的斷裂構造、結晶基底的起伏等，為評價區域穩定性及尋找有利的儲水構造提供依據。
重力勘探根據岩體密度差異所形成的局部重力異常來判斷地質構造的方法。常用以探測盆地基底的起伏和斷層構造等。採用高精度重力探測儀有可能探測一些埋深不大並且具有一定體積的地下空洞。
放射性勘探不同岩石所含放射性元素的含量不同。因此通過探測由放射性元素在蛻變過程中產生的у射線強度，可以區分岩性。近年來利用天然放射性測量探測基岩裂隙地下水（如用測量у強度、能譜、α徑跡法等找水）獲得成功。此外，放射性同位素常用作研究地下水及其溶質運動的示蹤劑。
遙感技術根據電磁波輻射(發射、吸收、反射)的理論，套用各種光學、電子學探測器對遠距離目標進行探測和識別的綜合技術。航空攝影地質是最早的一種遙感地質方法，至今仍然是遙感地質中一個重要的組成部分。60年代以來，在運載工具、感測器及圖像處理、解釋方法上都有了迅速發展。除可見光波段攝影黑白像片和彩色像片外，還發展了紅外線，多波段、雷達、雷射等技術。利用地物反射人工發射的電磁波進行遙感的稱為主動遙感；利用地物反射太陽輻射的或由地物自身發射的電磁波進行遙感的稱為被動遙感。遙感技術可以提供有關地貌、岩性、地層、褶皺、斷層、構造、岩漿岩以及隱伏構造和深部構造的資料。紅外遙感技術在水文地質勘察中具有特別重要的意義。遙感技術不僅能克服地麵點、線調查的局限性及視野的阻隔，使人們能從整體上巨觀地進行地質研究，而且還能提供各種電磁波的地質信息，其中微波能穿透植被和第四紀地層，提供一定深度範圍的地質信息。此外，還可以對一個地區反覆成像，以取得最新的精確的地質動態資料。
