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。

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。

ｂ、浅层反射波法不受地层速度逆转限制，可探测高速层下部地层，划分沉积地层层次和探测有明显断距的断层，可探测地层厚度及其分层、基岩面起伏形态及风化层厚度、隐伏断层构造等，探测松散层中的地下水位以及滑坡体厚度，也可测试岩土体纵波速度。水上可采取地震映像成像，在浅部松散含水地层探测时，可使用具有较强分层能力的横波反射法。

ｃ、瑞雷波法是一种颇具发展潜力的地震勘探方法，可进行浅部覆盖层分层，饱和砂土液化判定，地基加固效果评价，在测定岩土体密度，地基承载力等地基力学参数测试方面也作了许多有意义的工作。

ｄ、垂直反射法利用弹性波的反射原理，采用极小等偏移距的观测方式对目的体进行探测，根据反射信息的相位、振幅、频率等变化特征进行分析和解释的一种弹性波勘探方法。在项目质量检测中应用较广。

●弹性波测试利用弹性波运动学和动力学特征对岩土体或混凝土进行波速测试或缺陷探测的方法。弹性波测试实际上就是弹性波勘探法在岩土体或混凝土质量检测中的运用，分声波法和地震波法两种，声波法包括单孔声波、穿透声波、表面声波、声波反射、脉冲回波法；地震波法包括地震测井、穿透地震波测试、连续地震波测试等。

弹性波测试主要应用范围：

ａ、单孔声波可用于测试岩体或混凝土纵波、横波速度和相关力学参数，探测不良地质结构、岩体风化带和卸荷带，测试洞室围岩松弛圈厚度，检测建基岩体质量及灌浆效果等。

ｂ、穿透声波可用于测试孔间或其他二度体空间的岩土体或混凝土波速，探测不良地质体、岩体风化和卸荷带，测试洞室围岩松弛圈厚度，评价混凝土强度，检测建基岩体质量及灌浆效果等。

ｃ、表面声波可用于大体积混凝土、基岩露头、探槽、竖井及洞室的声波测试，评价混凝土强度和岩体质量。

ｄ、声波反射可用于检测隧洞混凝土衬砌质量及回填密实度，检测大体积混凝土及其他弹性体浅部缺陷。

ｅ、脉冲回波可用于检测地下洞室明衬钢管与混凝土接触状况，也可用于检测混凝土衬砌厚度和内部缺陷。

ｆ、地震测井可用于测试地层波速，确定裂隙和破碎带位置。

ｇ、地震穿透波速测试可用于测试岩土体纵波、横波速度，也可圈定大的构造破碎带、喀斯特等速度异常带，检测建基岩体质量和灌浆效果等。

ｈ、地震连续波速测试可用于洞室、基岩露头、探槽、竖井等岩体纵波、横波速度测试，也可检测建基岩体质量，探测风化带和卸荷带。

●层析成像利用弹性波或电磁波的透射原理，对被测区域进行断面扫描，重建介质的波速或能量吸收图像的方法；分地震波CT、声波CT、电磁波CT。层析成像(CT)就是对物体进行逐层剖析成像，若一张物体的切片图像是两个空间变量（x，y）的函数，称之为图像函数，记作f（x，y），用不同方向的入射波“照射”物体，测到的波场信息至少是入射波方向θ和观测点位置ρ两个变量的函数称之为投影函数，记作u(ρ，θ)。1971年，奥地利数学家J·Radon 证明：已知所有入射角θ的投影函数u(ρ，θ)，可以恢复唯一的图像函数（x，y）。这个定理就是层析成像的理论基础——Radon变换。

层析成像(CT)主要应用范围：

ａ、声波CT 适用于岩体和混凝土体的声波速度或衰减系数成像，主要用于不良地质体探测，灌浆效果检测，建基岩体质量检测，混凝土粱柱及坝体质量检测等。

ｂ、地震波CT适用于岩土体地震波速度成像，可进行岩体质量分级，圈定构造破碎带、裂隙密集带、喀斯特及洞穴等速度异常地质体。

ｃ、电磁波CT适用于岩土体电磁波吸收系数成像，可探测喀斯特等具有一定电性差异的地质体，圈定构造破碎带和风化带等。

●水声勘探利用声波反射原理专门探测水底地形地貌和进行水下地层分层的一种勘探方法。发射探头向水底发射声波脉冲，接收探头接收来自水底和地层分界面的反射波，当测船航行时可获得连续的地层剖面记录，根据该记录可探测水底地形并进行水底地层分层。可探测水库、河道、湖泊和浅海深水区的水下地形，探测坝址、桥基、港口项目水下地层剖面。

●综合测井采用两种或两种以上的地球物理测井技术，以测量钻孔中介质的物理特性的综合探测方法。主要方法有电测井、声波测井、地震测井、放射性测井、电磁波或雷达测井、井中流体测量、磁化率测井、孔壁超声成像、钻孔电视观察、温度测井、井径测量、井斜测量等。

综合测井的方法

ａ、电测井利用地层与目的层之间的电性差异，电化学的渗透过虑和扩散吸收特性进行地质单元划分。

ｂ、声波测井利用地层的声速、声幅不同进行声波纵波速度或横波速度测试和地质单元划分。

ｃ、地震波测井利用地层的地震波速、波幅不同进行地震波纵波速度或横测试波速度和地质单元划分。

ｄ、放射性自然γ测井利用岩层放射γ射线的强度不同进行地质单元划分，γ－γ测井是利用岩层对人工γ射线的散射作用进行地质单元划分。

ｅ、电磁波或雷达测井利用岩层与目的层之间对电磁波吸收的不同进行地质单元划分。

ｆ、井中流体测量利用钻孔流量计或人工投放溶质（盐或放射性同位素），测试钻孔中的流体运动速度（井轴方向或水平方向）来寻找含水层，确定钻孔中含水层之间的水力联系，测量含水层渗流速度。

ｇ、磁化率测井来测量钻孔剖面视磁化率，经校正及转换后可得到钻孔剖面岩、矿石的磁化率。

ｈ、超声成像利用井壁地层或目的层反射特性的差异，获得钻孔孔壁的展视图片；地层对超声波的反射特性是由波阻抗决定的，在图片上可得到孔壁不同介质的波阻抗反映。

ｉ、钻孔电视观察是用录像的方法来观察孔壁岩体情况。

综合测井主要应用范围：

ａ、电测井主要用于划分地层，区分岩性，确定软弱夹层、裂隙和破碎带位置及厚度，确定含水层的位置、厚度，划分咸淡水分界面，也可用于测试岩层电阻率。

ｂ、声波测井主要用于划分地层，区分岩性，确定裂隙和破碎带位置及厚度，也可利用测试的声波速度与其它参数，计算地层岩土体的力学参数和孔隙度。

ｃ、地震测井主要用于划分地层，区分岩性，确定破碎带的位置及厚度，也可进行地层波速测试。

ｄ、自然γ和γ－γ测井、磁化率测井均可用于划分地层，区分岩性，确定软弱夹层、裂隙和破碎带，γ－γ测井还可以测试岩层密度和孔隙度。

ｅ、电磁波或雷达测井可用于划分地层和破碎带，也可用于探查近孔壁的不良地质体。

ｆ、孔壁超声成像主要用于确定钻孔中岩层、裂隙、破碎带、软弱夹层的位置及大致产状，也可用于检查灌浆质量、混凝土浇筑质量，粗测钻孔直径。

ｇ、钻孔电视观察主要用于划分地层，区分岩性，确定岩层节理、裂隙、破碎带、软弱夹层的位置和产状，观察钻孔揭露的喀斯特洞穴的情况，也可用于检查灌浆质量、混凝土浇筑质量，及观察井下物体等。

ｈ、井中流体测量可用于确定含水层位置及厚度，测试地下水在钻孔中的运动状态和涌水量。在有利条件下，可估算地下水渗透速度等。

ｉ、温度测井可用于测试含水层位置及地下水运动状态，还可测试灌浆和水泥固井时水泥回返高度。

j、井径测量可用于测试钻孔的井径变化

k、井斜测量可用于测试钻孔的倾斜方位和顶角。

●放射性测量利用介质的天然或人工放射性特性进行勘探的方法，包括自然γ测量、α射线测量、环境氡浓度测量和同位素追踪。同位素追踪是采用人工放射性同位素标记天然流场或人工流场中的地下水流，用示踪或稀释原理来测试地下水流向、流速的一种放射性测量方法。

放射性测量主要应用范围：

ａ、γ测量可通过测量地表γ场的分布来寻找隐伏断层破碎带和地下储水

构造，辅助地质填图和环境放射性检测等。

ｂ、α射线测量可通过测量覆盖层中空气或土样的氡浓度来查明水文项目地质问题，可以解决的项目地质问题与γ测量相同。

ｃ、环境土壤氡浓度测量可用于调查地基土的氡浓度背景值。

ｄ、环境空气氡浓度测量可用于地下建筑物和室内的空气检测、监测，评价氡及其子体对环境的影响。

ｅ、同位素追踪可用于测试地下水流速、流向、渗透系数，了解地下水的变化规律。

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