1、地球物理勘探與工程物探一、地球物理勘探分類（一）地球物理學地球物理學是運用物理學的原理和方法來研究地球的學問，是一門橫跨物理學和地質學的邊緣、 交叉科學。地球物理學所研究的對象極為廣泛，上達數百公里高空的游離層，下至地球深處，包括 重力、電場、地磁、地震和放射性等物性特征，都屬于其研究的領域和對象。（二）地球物理勘探將研究地球的各種物理方法用來尋找地下礦藏，或者用來探測巖體的賦存狀況，以滿足工程建 設的需求，就產生了應用地球物理學，或稱為地球物理勘探，簡稱物探。地球物理勘探是以地下巖 體的物理性質的差異為基礎，通過探測地表或地下地球物理場、分析其變化規律，來確定被探測地 質體在地下賦存的空間范

2、圍（大小、形狀、埋深等）和物理性質，達到尋找礦產資源或解決水文、工程、 環境問題為目的的一類探測方法。（三）地球物理勘探分類（1）按探測對象、應用領域的不同，物探可分為：石油物探煤田物探金屬非金屬物探放射性物探水文物探工程物探環境物探（2）按工作環境的不同，物探可分為：地面物探航空物探海洋物探地下物探二、地球物理勘探方法根據所探測對象（如巖溶、構造、礦體等各類目的體以及地層等）的物理性質的不同，可將地 球物理勘探分為重力勘探、磁法勘探、電法勘探、放射性勘探、地震勘探、地球物理測井和地熱勘 探等多種方法。（一）重力勘探重力勘探是研究由地下巖層與其相鄰層之間、各類地質體與圍巖之間的密度差而引起的重

3、力場 的變化（即“重力異常”）來勘探礦產、劃分地層、研究地質構造的一種物探方法。重力異常是由密度 不均勻引起的重力場的變化，并迭加在地球的正常重力場上。重力觀測方法主要有動力法和靜力法兩種。動力法是觀測物體的運動，直接測定的量是時間。靜力法是觀測物體的平衡，直接測定的量是線位移或角位移。靜力法只能用于重力的相對測 定，是目前重力勘探中用于重力測定的唯一方法。（二）磁法勘探磁法勘探是研究由地下巖層與其相鄰層之間、各類地質體與圍巖之間的磁性差異而引起的地磁 場強度的變化（即“磁異常”）來勘探礦產、劃分地層、研究地質構造的一種物探方法。磁異常是由磁 性礦石或巖石在地磁場作用下產生的磁場迭加在正常場上

4、形成的，與地質構造及某些礦產的分布有 著密切的關系。磁法勘探按觀測磁場的方式可以分為地面磁測和航空磁測兩類基本方法。（三）電法勘探電法勘探是以巖石、礦物等介質的電學性質為基礎，研究天然的或人工形成的電場、磁場的分 布規律，勘探礦產、劃分地層、研究地質構造、解決水文工程地質問題的一類物探方法，也是物探 方法中分類最多的一大類探測方法。按照電場性質的不同，可分為直流電法和交流電法兩類。本手 冊電法勘探指的是直流電法，交流電法則稱為電磁法勘探。直流電法勘探主要包括電剖面法、電測深法、充電法、激發極化法及自然電場法等。前幾種方 法是探測、分析人工向地下供入直流電形成的電場，而自然電場法則是探測天然電場

5、。電剖面法：電極之間的距離保持不變、電極裝置沿測線的不同測點進行觀測。由于電極間距 離不變，因而勘探的深度也是不變的。用此方法可以探明同一深度內巖層沿水平方向電性的變化， 以了解地下相應深度范圍內地質體的分布情況。按電極排列方式不同，電剖面法可分為四極對稱剖 面法、聯合剖面法、中間梯度法、偶極剖面法和純異常剖面法等。 電測深法：用改變電極距的方法探測同測點在不同深度視電阻率的變化，以研究和確定不同 電性巖層的電阻率值和埋藏深度。根據供電電極和測量電極之間的相對位置和電極排列方式的不同， 電測深法可分為四極對稱測深（又名垂向電測深）、不對稱測深、軸向和偶極測深等裝置類型。 充電法：直接向天然出露

6、或人工揭露的良導電性勘探對象供電，使之成為新電流源，在地面 或鉆孔內觀測這種充電體的電場，根據電場的分布特點來研究充電體本身以及周圍的地質分布情況。 例如，將食鹽鹽包（其水溶液為低阻體）放在地下水中并使它帶電，則可以根據地面上電場的分布形態 了解地下水的流向和流速。充電法在地面上觀測電場的方法通常有電位法、電位梯度法和直接追索 等位線法三種。激發極化法：是基于研究巖石或礦石在外電場作用下所產生的次生極化（激發極化）電場，來 勘探金屬礦產、查找地下水、研究地質構造的一種電探方法。激發極化法可以采用電阻率法的各種 裝置進行，實際工作中經常采用中間梯度裝置。自然電場法：是基于研究地殼內因各種物理和化

7、學作用形成的自然電場，從而達到勘探礦產 和解決水文工程地質問題的一種電探方法。電剖面法和電測深法是以研究巖石電阻率為基礎的電探方法，故統稱為電阻率法。充電法、激 發極化法以及自然電場法，則是以研究電位為基礎的電探方法。（四）電磁法勘探電磁法勘探，即交流電法勘探，主要包括感應法、大地電流法、無線電波透視法、無線電波法、 頻率測深法、強度法和無限長導線法等。 感應法：用專門的振蕩器產生高頻的交變電磁場，地殼中的良導礦體在此磁場的作用下感應 出二次電流，該電流又產生二次磁場。感應法就是用接收裝置來觀測、研究二次磁場，以確定產生 感應電流的礦體的位置。 大地電流法：地磁的連續變化在地殼中能感應出交變的

8、大地電流，通過觀測地下電性不均勻 體引起的大地電流的相應變化，便可查明地下地質結構構造的分布。無線電波法：是基于不同巖層對無線電廣播電臺發射的電磁波的吸收作用及感應產生的二次 強度的不同，通過測量其電磁波的強度，便可查明地質構造、劃分地層界線。無線電波透視法（陰影法）：當地質體位于發射和接收裝置之間（如在坑道、地面、鉆孔之間）， 觀測不同位置電磁場強度的分布，由電磁波強度急劇減弱的部位（即所謂“陰影”區）確定地質體 的空間位置和大小。 頻率測深法：在地面用專門的振蕩器向地下發送不同頻率的電磁波，測出各測點的電磁波強 度，研究不同頻率的電磁場分布，以了解組成地殼的地層在垂直方向上的變化。強度法：

9、研究低頻電流場產生磁場的垂直分量和水平分量，將觀測結果與在均勻介質中磁場 分布圖進行比較，研究磁場的畸變，從而確定引起畸變的地質對象。 無限長導線法：將低頻電流經布置在地面上的長直導線輸入地下，在導線中央部位沿垂直于 導線的測線上用類似于強度法的裝置測量磁場的水平分量。（五）地震勘探地震勘探是一種使用人工方法激發地震波，觀測其在巖體內的傳播情況，以研究、探測巖體地 質結構和分布的物探方法。地震波自震源向各方傳播，在存在波速或波阻抗差異的巖層、各類目的 體分界面上會發生反射和折射，然后返回地面，引起地面振動。通過儀器設備（地震儀、檢波器等） 記錄振動（地震記錄），通過分析解釋地震記錄的特性（傳播

10、時間、振幅、相位及頻率等），就能確定 分界面的埋藏深度、巖石的組成成分和物理力學性質。彈性波的傳播，實際上是介質中彈性應變的傳播，包括兩種基本應變一一體變和切變。與體變 相應的波稱為縱波（以符號P表示）；與切變相應的波稱為橫波（以符號S表示）。根據廣義虎克定律及 牛頓第二定律建立的波動方程可推導出：(1.4-1)v-J2GK + 3 G:ETV = = 、= p P P P(1 + ( 1 2)(1.4-2)式中：E為楊氏彈性模量，Pa；G為剪切模量，Pa；K為壓縮模量，Pa；p為泊松比；人為拉梅系數；p為密度，kg/m3；Vp為縱波速度，m/s；VS為橫波速度，m/s。縱橫波速度比Vp/Vs

11、有式（1.4-3）的關系。對于自然界的大多數巖石來說，“近于0.25,此時縱波 的傳播速度一般近似為橫波傳播速度的1.73倍（見式（1.4-4）。因為“最小為零，故Vp/Vs最小近似 為1.41 （見式（1.4-5），由此可見，縱波速度永遠大于橫波速度。,2(1)(1.4-3)p =1 2 旦S (1.4-4)(1.4-5)在無限介質中，震源處的振動（擾動）以地震波的形式傳播并引起介質質點在其平衡位置附近運 動。按照質點運動的特點和波的傳播規律，地震波常可以分為體波和面波。體波包括縱波和橫波兩 種。面波主要有瑞雷波和勒夫波等類型。根據所利用彈性波的類型不同，地震勘探的工作方法可分為：反射波法、

12、折射波法、穿透波法 和瑞雷波法。反射波法：由地面測線上的各測點觀測接收各類波阻抗界面反射波旅行時，根據旅行時與地 面各接收點間的位置關系（時距曲線），確定波在介質中的傳播速度、反射界面的埋深和形態，以解決 與地層、構造、巖溶等有關的地質問題。折射波法：由震源產生向地下半無限空間入射的地震波，當地震波遇到上覆介質波速低于下 伏介質波速的界面時，其中，有一組地震波的入射方向滿足以下條件：i = sin-1 （V1）（1.4-6）2式中，i為臨界角，；V1為入射介質波速，m/s；V2為界面下伏介質的波速，m/s。該組波沿界面滑行，使界面上的質點發生振動并返回地面，這種波稱為折射波。界面滑行波使 界面

13、附近的V1介質中的質點發生振動，并返回地面，這種波稱為折射波（refraction wave），或稱首波 （head wave）。根據旅行時與地面各接收點間的位置關系，便可求得形成折射波的地層界面的埋藏深 度和起伏形態。穿透波法：一般在兩鉆孔、平洞或平行的兩側壁之間使用，可以測定鉆孔、平洞或平行的兩 側壁之間地質體的形狀、位置和波速。瑞雷波法：是在層狀介質中傳播時因頻散現象而形成的面，其傳播速度取決于相鄰地層的橫 波傳播速度、頻率和層厚等。假定層厚一定，則對于不同頻率就會出現不同的瑞雷波速度（頻散現 象），研究其變化規律便能了解地層的瑞雷波速度和厚度分布情況。（六）地球物理測井地球物理測井，簡

14、稱為測井，就是通過研究鉆孔中巖石的物理性質，諸如電性、電化學活動性、 放射性、磁性、密度、彈性以及孔隙度、滲透性等等來解決鉆孔中有關地質問題的一類物探方法。測井方法包括電測井、磁測井及電磁測井、聲波測井、地震測井、放射性測井、熱測井、孔內 電視錄像，以及井徑測量、井斜測量、井溫測量以及井中流體測量。（七）放射性勘探地殼內的天然放射性元素蛻變時會放射出a、8、丫射線，這些射線穿過介質便會產生游離、 熒光等特殊的物理現象。放射性勘探，就是借助研究這些現象來尋找放射性元素礦床和解決有關地 質問題、環境問題的一種物探方法。Y值高出正常場的叫Y異常。根據巖石含放射性的不同對于異常的要求也不同。一般沉積巖

15、地 區含放射性低且穩定，因而當Y強度超過正常場的1.52倍時，即是異常；火成巖地區放射性含量 較高，故要求Y強度超過正常場的23倍時，才是有效異常。放射性勘探方法按階段及解決的地質任務不同，可分為普查、詳查和環境測量；按所采用的儀器及 工作方式的不同，可分為射氣測量、氡氣法、Y測量法。（八）地熱勘探地熱勘探（thermal survey）,是研究組成地殼巖石中的天然溫度場分布情況、查明地下可供使用 的熱源。巖石中溫度場的形成，取決于組成地殼巖石的溫度特性和產狀，并在很大程度上與地層中 地下水的活動有關。地熱探測的主要方法有熱測井、面積測量和在平洞坑道掘進時進行觀測。熱測井：是地球物理測井的內容

16、之一，它是沿著鉆井連續地觀測溫度隨深度的變化。熱測井 主要應用于劃分地質剖面；確定永久凍土帶的下界；確定鉆井地下水的滲漏點和估計地下水的滲透 速度和確定鉆孔中的地下水位等水文工程地質問題。面積測量：是根據鉆井和坑道內的溫度觀測資料，可以繪制溫度平面圖和剖面圖，通過對這 些圖件的解釋結果，可以用來研究地質構造；常年凍土帶的分布和發育情況；地下水的運動和分布 情況等水文工程地質問題。洞內測量：在平洞掘進時利用超前炮眼系統地測量巖石或地下水的溫度，把得到的溫度和溫 度梯度值與預先計算出的正常地溫場進行比較，可以預測掌子面接近充水帶的程度、為工程安全評 價提供相關依據。三、工程物探（一）工程物探的發展

17、沿革我國開展工程物探是新中國成立以后的事情，水電系統早在1954年10月北京東郊定福莊原燃 料工業部水電總局勘測總隊地質大隊就成立了第一支物探隊，并于年底在官廳水庫壩區開展了用磁 法探測斷層的試驗。1955年夏天，在北京西郊石景山模式口水電站用電測深法探測覆蓋層厚度，拉 開了水電系統開展工程物探工作的序幕。1958年前后，各大區和流域委院勘測設計院也都相繼成立 了物探隊（組），鐵道、城市工民建、公路交通等許多行業也陸續成立相應的工程物探機構、開展相應 業務。半個多世紀來，工程物探專業為我國水利電力、鐵路、交通、工業民用建筑、軍工等領域的 各類工程的前期勘察、參數測試、質量檢測等方面做出了很大的

18、貢獻。（二）工程物探的應用范圍目前，工程物探已從初創時期的以勘探為主的方法技術，發展為以勘探應用為主的工程地球物 理勘探、以檢測應用為主的工程地球物理檢測和以監測為主的工程地球物理監測等相互交叉又各具 特點的三方面內容。（1）工程地球物理勘探工程地球物理勘探是以地下各類介質的物性差異為基礎，通過觀測地下各類地球物理場的變化 規律，來查明目的層或地質體的分布情況（大小、形狀、埋深等），達到解決工程和水文工程地質問題 的目的。（2）工程地球物理檢測工程地球物理檢測是以被檢測物體的物理力學性質或其他物理性質為基礎，運用地球物理學的 原理和方法，為各類工程的質量和穩定性進行評價和分析提供數據和依據的動

19、力法無損檢測技術。（3）工程地球物理監測工程地球物理監測是以被監測物體的某些物理性質為基礎，運用物探技術對某些工程部位的物 理狀態、穩定性和可靠性進行監測、分析和評價的一些專項無損檢測技術。目前，工程物探監測的應用有：爆破質點振動監測；場地微地震監測；滑邊坡活動性監測； 地基沉降監測；基坑變形監測等。（三）工程物探方法的特點（1）物探方法的科學性與多解性地球物理勘探方法是間接的勘探方法，是根據物理現象對各類地質體和目的層做出合理的解釋 推斷。地球物理勘探方法的科學性主要表現在：被探測目的體與圍巖介質相比較具有不同的物理特性，為合理選擇使用地球物理方法提供了 可靠的物性前提。 在地表等處觀測到的

20、地球物理場，受到各種地下地質體的不同影響，帶有地下地質體的有益 （或者說有效）信息，如果能夠準確認識、科學識別，就能夠準確解析出地下地質體的物理分布。地球物理勘探方法建立在科學的理論基礎之上，歷經幾十年的發展，具有客觀性、系統性、 嚴密性。物探設備都是非常先進的設備，其精確性、穩定性、可靠性完全能夠滿足對地球物理場的探 測和細微異常的識別。采用地球物理方法研究或勘探地質體，是根據測量數據或所觀測的地球物理場求解場源體的問 題，是地球物理場的反演問題，而反演的結果一般是多解的。因此，地球物理勘探具有其科學性的 同時，存在多解性的問題。為了獲得更準確更有效的解釋結果，應注意以下幾點：選擇適合的方法。各種探測目的、探測對象的物性特征不盡相同、常常是各具特色，所采用 的探測手段應有針對性、適用性。盡可能通過多種物探方法配合，相互對比，去偽存真。注重與地質調查和地質理論相結合，進行綜合分析判斷。（2）物探方法的特點及發展方向物探專業是一個較為年輕的同時飛速發展的專業學科，從它的產生到發展，均受到了地質科學、 地球科學、物理學、電子學、數學等許多學科的影響、帶動和促進。近年來，工程建設應用領域也 對物探專業提出了越來越新、越來越高的要求，使其逐漸呈現出以下特點：地球物理勘探方法不斷深化對現代電子技術的運用，在信號采集、數字處理、數據分析方面