工程地球物理勘探

工程地球物理勘探工程地球物理勘探（engineeringgeophysicalexploration）解決土木工程勘察中工程地質(zhì)、水文地質(zhì)問題的一種物理勘探方法，簡(jiǎn)稱工程物探。它是以研究地下物理場(chǎng)（如重力場(chǎng)、電場(chǎng)等）為基礎(chǔ)的。不同的地質(zhì)體在物理性質(zhì)上的差異，直接影響地下物理場(chǎng)的分布規(guī)律。通過觀測(cè)、分析和研究這些物理場(chǎng)，并結(jié)合有關(guān)地質(zhì)資料，可判斷與工程勘察有關(guān)的地質(zhì)構(gòu)造問題。簡(jiǎn)史早在17世紀(jì)人們便嘗試用羅盤尋找磁鐵礦，20世紀(jì)初，各種物探方法才廣泛地用于找礦勘探與工程勘察。60年代以來，由于物理學(xué)、數(shù)學(xué)、特別是電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，大大促進(jìn)了各種物探方法以及儀器設(shè)備的發(fā)展與改革。例如，50年代工程物探常用的光點(diǎn)地震儀已被信號(hào)增強(qiáng)型地震儀以及輕便的數(shù)字磁帶地震儀所替代。地球物理場(chǎng)的觀測(cè)空間已從地面發(fā)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(shù)等。優(yōu)點(diǎn)工程物探具有“透視性”、效率高、成本低以及可以在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行原位巖土物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)試等優(yōu)點(diǎn)，在工程勘察中日益得到重視和發(fā)展。但是各種物探方法都具有條件性和局限性，多數(shù)方法還存在多解性，因此正確選擇和運(yùn)用各種物探方法，進(jìn)行綜合物探，并與現(xiàn)有的地質(zhì)、鉆探資料作對(duì)比，才能獲得好的地質(zhì)效果。

電法勘探通過對(duì)人工或天然電場(chǎng)（或電磁場(chǎng)）的研究，獲得巖石不同電學(xué)特性的資料，以判斷有關(guān)水文地質(zhì)及工程地質(zhì)問題。目前，最常用的是直流電法勘探，主要研究巖石的電阻率和電化學(xué)活動(dòng)性，可分為電阻率法、自然電場(chǎng)法和激發(fā)極化法等。電阻率法自然界中各種巖石的導(dǎo)電性能不同。一般情況下，巖漿巖、變質(zhì)巖和沉積巖中的致密灰?guī)r的電阻率都很高，超過10?歐姆?米，只有當(dāng)它受風(fēng)化，構(gòu)造破碎時(shí)，由于含泥量增多，水分增加時(shí)，其電阻率值才降到102）歐姆?米級(jí)或更小。含泥質(zhì)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(jí)）。電阻率法常用于探測(cè)風(fēng)化殼的厚度，覆蓋層下新鮮基巖面的起伏、盆地結(jié)構(gòu)形態(tài)、儲(chǔ)水構(gòu)造，追索古河道，圈定巖溶發(fā)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(gè)電極向地下供入電流（IAB）,并通過M、N兩個(gè)電極測(cè)量供電所形成的電位差（△UMN）。代入p=K3UMN/IAB式，便可計(jì)算出電阻率p。式中K為裝置系數(shù)，由各電極間的相互距離確定。一般地下并非單一均勻地層，由上式計(jì)算的電阻率并不代表某一地層的真電阻率，故稱為視電阻率ps。電極排列方式（裝置）不同，其探測(cè)效果亦異。例如，固定裝置，沿剖面測(cè)線逐點(diǎn)測(cè)量視電阻率值，可獲得沿剖面線的視電阻率曲線，它反映巖性沿剖面線變化的情況，稱為電剖面法（圖2）。若固定測(cè)點(diǎn)，不斷擴(kuò)大供電電極A、B的

距離，使電流在地下分布空間不斷擴(kuò)大，相應(yīng)的勘探深度則越來越深。其相應(yīng)于不斷增加的電極距(AB/2)的視電阻率曲線(電測(cè)深曲線)，反映了電阻率隨深度變化的情況，即為電測(cè)深法。用量板或計(jì)算機(jī)程序?qū)η€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(chǎng)法當(dāng)?shù)叵滤诳紫兜貙又辛鲃?dòng)時(shí)，毛細(xì)孔壁產(chǎn)生選擇性吸附負(fù)離子的作用，使正離子相對(duì)向水流下游移動(dòng)，形成過濾電位。因此作面積性的自然電位測(cè)量，可判斷潛水的流向。在水庫的漏水地段可出現(xiàn)自然電位的負(fù)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，并對(duì)其充電形成隨地下水流動(dòng)而運(yùn)移的帶電鹽水體。在地表觀測(cè)到的等電位線形狀與帶電鹽水體的分布形態(tài)有關(guān)。根據(jù)不同時(shí)間觀測(cè)的等電位線可以判斷地下水的流向并估算其實(shí)際流速。充電法還可以用作巖溶區(qū)地下暗河的連通性試驗(yàn)或探查地下埋設(shè)的金屬管道等。激發(fā)極化法實(shí)驗(yàn)室研究表明，含水砂層在充電以后，斷電的瞬間可以觀測(cè)到由于充電所激發(fā)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(shí)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(shí)例。但它在理論和觀測(cè)技術(shù)方面還有待改進(jìn)。地震勘探通過研究人工激發(fā)的彈性波在地殼內(nèi)的傳播規(guī)律來勘探地質(zhì)構(gòu)造的方法。由錘擊或爆炸引起的彈性波，從激發(fā)點(diǎn)向外傳播，遇到不同彈性介質(zhì)的分界面，將產(chǎn)生反射和折射，利用檢波器將反射波和折射波到達(dá)地面所引起的微弱振動(dòng)變成電信號(hào)，送入地震儀經(jīng)濾波、放大后，記錄在像紙或磁帶中（圖3）。經(jīng)整理、分析、解釋就能推算出不同地層分界面的埋藏深度、產(chǎn)狀、構(gòu)造等。常用于探測(cè)覆蓋層或風(fēng)化殼的厚度，確定斷層破碎帶，在現(xiàn)場(chǎng)研究巖土的動(dòng)力學(xué)特性等?？煞譃檎凵洳ǚê头瓷洳ǚ▋煞N。折射波法當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅缴舷滤俣葀1、v2）不同的界面時(shí)，有一部分波將透過界面形成透射波，其透射角§與入射角a的關(guān)系符合斯涅耳定律sina/sin§=v1/v2）。對(duì)于sina=v1/v2）的入射波可產(chǎn)生透射角§=90°的透射波，并以v的速度沿界面滑行。這種滑行波又引起第一個(gè)介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)而產(chǎn)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(diǎn)以前不形成折射波，稱為盲區(qū)。因v大于v1在C點(diǎn)以外，折射波可比直達(dá)波先到達(dá)檢波器。根據(jù)折射波時(shí)距曲線，可算出v1及v,從而推算出界面的深度、產(chǎn)狀等。v的變化反映了界面以下巖性的變化，配合地震波振幅衰減的資料，可確定界面以下巖層軟弱帶或斷層破碎帶。但是折射波法在盲區(qū)得不到記錄，因此需要加大檢波距。當(dāng)下層速度v2）小于上層速度v1時(shí)，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(cè)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(qiáng)。圖5是反射波傳播示意圖。由S點(diǎn)激發(fā)的地震波遇到RR'界面時(shí)將產(chǎn)生反射波。根據(jù)反射波從激發(fā)點(diǎn)到檢波器的傳播時(shí)間，以及地層的速度，便可計(jì)算從激發(fā)點(diǎn)S到反射界面RR'的垂直距離以及界面的傾向和傾角。目前由于采用信號(hào)疊加技術(shù)以及輕便的可控振動(dòng)器做振源，已經(jīng)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(fā)方式主要產(chǎn)生縱波（壓縮波）。在測(cè)定巖石動(dòng)彈性模量時(shí)，常用垂直于測(cè)線方向水平激發(fā)的方式產(chǎn)生橫波（剪切波）。水是不傳遞橫波的，故在水文地質(zhì)、工程地質(zhì)勘察中發(fā)展橫波技術(shù)是有前景的。鉆孔地震波測(cè)速法在鉆孔中利用直達(dá)波測(cè)定地層波速的方法。有單孔法和跨孔法兩種。單孔測(cè)速法是在孔口附近激振，在鉆孔內(nèi)的不同深度上安置探頭測(cè)定直達(dá)波的初至?xí)r間。探頭是由兩個(gè)互為正交的水平檢波器和一個(gè)垂直檢波器組成。利用氣壓附壁裝置，可使探頭緊貼井壁。測(cè)定縱波速度（vp）時(shí)，須作垂直激振。測(cè)定橫波速度（vs）時(shí)，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(fā)橫波。根據(jù)直達(dá)波穿過某地層所需的時(shí)間及該地層的厚度可算出地層速度?？缈追ǎ▓D6）是在一個(gè)鉆孔中激振，在相隔一定距離的另一個(gè)鉆孔中觀測(cè)直達(dá)波的到達(dá)時(shí)間。對(duì)于淺孔，可用木桿插入井底，在地面敲擊木桿的一端進(jìn)行激振。在較深的鉆孔中可用“附壁式井下

錘”激發(fā)橫波。已知激振點(diǎn)到檢波器的距離以及直達(dá)波的行進(jìn)時(shí)間便可算出地層波速。聲波探測(cè)利用聲波（或超聲波）對(duì)巖體進(jìn)行探測(cè)的方法。由于頻率高、波長(zhǎng)短，因此分辨率高。主要用于測(cè)定巖體的物理力學(xué)參數(shù)、確定洞室?guī)r石應(yīng)力松弛范圍、探測(cè)溶穴及檢查水泥灌漿效果等。但是，由于巖石對(duì)高頻波的吸收、衰減和散射比較嚴(yán)重，因而探測(cè)的距離不大。聲波探測(cè)可分為主動(dòng)和被動(dòng)兩種方式。主動(dòng)方式由聲源信號(hào)發(fā)生器（發(fā)射機(jī)）向壓電材料制成的換能器發(fā)射一電脈沖激勵(lì)晶片振動(dòng)，產(chǎn)生聲波向巖石發(fā)射。聲波在巖體中傳播，經(jīng)接收換能器接收并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)送至接收機(jī)，放大之后在示波管屏幕上顯示波形圖。從波形圖上可直接讀出聲波的初至?xí)r間，再根據(jù)已知的探測(cè)距離，計(jì)算出聲波速度。被動(dòng)方式觀測(cè)巖體由于受力變形過程中所釋放出來的應(yīng)變能引起的聲波?？捎靡粤私鈳r體內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)等。地球物理測(cè)井地球物理方法在鉆井中的應(yīng)用。工程物探中常用的有視電阻率測(cè)井、自然電位測(cè)井、天然放射性測(cè)井、聲波測(cè)井等。綜合分析幾條測(cè)井曲線可劃分鉆孔地層巖性剖面。用中子一伽瑪測(cè)井或聲波測(cè)井方法可以測(cè)定地層的孔隙度。自然電位測(cè)井方法還可以在泥漿鉆孔中分層測(cè)定地下水的礦化度。利用井液電阻率測(cè)井或井中流速儀可以研究鉆井中地下水的運(yùn)動(dòng)。井中攝影和井中光學(xué)電視可以獲得鉆井剖面的實(shí)際圖像，而超聲電視測(cè)井則可以在泥漿中獲得清晰的孔壁圖像，可區(qū)分巖性、查明裂隙、溶穴、套管的裂縫等，甚至可以確定巖層的產(chǎn)狀。不同測(cè)井方法的井下探測(cè)器各有其特點(diǎn)。但是所測(cè)量的參數(shù)均將轉(zhuǎn)換成電訊號(hào)，通過電纜傳輸?shù)降孛鏈y(cè)井儀中并記錄在像紙、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(dāng)它在地下介質(zhì)中傳播遇到低阻的地質(zhì)體時(shí)常被強(qiáng)烈吸收而大大衰減。在巖溶地區(qū)，用它探測(cè)溶洞效果甚好。工作時(shí)，將發(fā)射機(jī)和接收機(jī)分別置于相隔一定距離的兩個(gè)鉆孔內(nèi)，若兩孔之間都是均質(zhì)的高阻灰?guī)r時(shí)，沿井軸各點(diǎn)接收到的無線電波信號(hào)較強(qiáng)，如果在透視剖面上有低阻的充水溶洞等存在時(shí)，則在低阻體的背面形成一個(gè)無線電波信號(hào)被強(qiáng)烈衰減的陰影。運(yùn)用“交會(huì)法”即可圈定被測(cè)異常體的位置和輪廓。磁法勘探

根據(jù)巖石的磁性差異所形成的局部磁性異常來判斷地質(zhì)構(gòu)造的方法。在工程勘察中，主要用于圈定巖漿巖體，特別是磁性較強(qiáng)的基性巖漿巖體，尋找有巖漿巖活動(dòng)的斷裂接觸帶，追索第四紀(jì)沉積物覆蓋下的巖性界線等。大面積航空磁測(cè)資料可提供有關(guān)區(qū)域性的斷裂構(gòu)造、結(jié)晶基底的起伏等，為評(píng)價(jià)區(qū)域穩(wěn)定性及尋找有利的儲(chǔ)水構(gòu)造提供依據(jù)。重力勘探根據(jù)巖體密度差異所形成的局部重力異常來判斷地質(zhì)構(gòu)造的方法。常用以探測(cè)盆地基底的起伏和斷層構(gòu)造等。采用高精度重力探測(cè)儀有可能探測(cè)一些埋深不大并且具有一定體積的地下空洞。放射性勘探不同巖石所含放射性元素的含量不同。因此通過探測(cè)由放射性元素在蛻變過程中產(chǎn)生的y射線強(qiáng)度，可以區(qū)分巖性。近年來利用天然放射性測(cè)量探測(cè)基巖裂隙地下水（如用測(cè)量y強(qiáng)度、能譜、a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(zhì)運(yùn)動(dòng)的示蹤劑。遙感技術(shù)根據(jù)電磁波輻射（發(fā)射、吸收、反射）的理論，應(yīng)用各種光學(xué)、電子學(xué)探測(cè)器對(duì)遠(yuǎn)距離目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)和識(shí)別的綜合技術(shù)。航空攝影地質(zhì)是最早的一種遙感地質(zhì)方法，至今仍然是遙感地質(zhì)中一個(gè)重要的組成部分。60年代以來，在運(yùn)載工具、傳感器及圖像處理、解釋方法上都有了迅速發(fā)展。除可

見光波段攝影黑白像片和彩色像片外，還發(fā)展了紅外線，多波段、雷達(dá)、激光等技術(shù)。利用地物反射人工發(fā)射的電磁波進(jìn)行遙感的稱為主動(dòng)遙感；利用地物反射太陽輻射的或由地物自身發(fā)射的電磁波進(jìn)行遙感的稱為被動(dòng)遙感。遙感技術(shù)可以提供有關(guān)地貌、巖性、地層、褶皺、斷層、構(gòu)造、巖漿巖以及隱伏構(gòu)造和深部構(gòu)造的資料。紅外遙感技術(shù)在水文地質(zhì)勘察中具有特別重要的意義。遙感技術(shù)不僅能克服地面點(diǎn)、線調(diào)查的局限性及視野的阻隔，使人們能從整體上宏觀地進(jìn)行地質(zhì)研究，而且還能提供各種電磁波的地質(zhì)信息，其中微波能穿透植被和第四紀(jì)地層，提供一定深度范圍的地質(zhì)信息。此外，還可以對(duì)一個(gè)地區(qū)反復(fù)成像，以取得最新的精確的地質(zhì)動(dòng)態(tài)資料。詳細(xì)資料engineeringgeophysicalexploration應(yīng)用地球物理學(xué)的原理進(jìn)行工程地質(zhì)、水文地質(zhì)調(diào)查的勘探和測(cè)試方法。它是地球物理勘探的一個(gè)分支，簡(jiǎn)稱工程物探。各種巖石或地質(zhì)體在密度、彈性、放射性、磁性等物理性質(zhì)上存在著差異。人們用不同方法和不同儀器，測(cè)量其天然或人工的地球物理場(chǎng)，并分析研究由于這些物理性質(zhì)差異而引起物理場(chǎng)的變異，再經(jīng)推斷解釋，以了解地下地質(zhì)情況；或利用儀器直接測(cè)定巖體的物理特性，提供工程設(shè)計(jì)需要的參數(shù)。水利工程地質(zhì)勘察中廣泛而正確地運(yùn)用工程物探，可加快勘測(cè)速度，降低成本，還可得到巖體原位的物性參數(shù)，對(duì)工程地質(zhì)條件的定量評(píng)價(jià)起到促進(jìn)作用。中國(guó)水利工程地質(zhì)勘察中應(yīng)用工程物探始于20世紀(jì)50年代初。目前常用的方法主要有地震勘探、電法勘探、彈性波測(cè)試和測(cè)井，此外還有放射性勘探、微重力勘探、磁法勘探等。地震勘探由人工激發(fā)的地震波，在往地下傳播時(shí)碰到密度、彈性不同的兩種介質(zhì)的分界面就要發(fā)生波的反射、透射和折射。其中反射波直接返回地面，透射波即透過界面進(jìn)入下部地層（圖1）。唯有入射角01（射向界面時(shí)與界面法線的夾角）等于臨界角i（其值由上、下地層的地震波傳播速度U1與u2之比決定）的那部分地震波，在抵達(dá)分界面后將沿入射角平面產(chǎn)生折射，以界面速度（即下部地層的波速u2）在界面上向前滑行，并在所到之處隨即形成一種新波，此新波以與界面法線呈臨界角i射向地面,稱其為折射波（圖2）。反射波和折射波返回地面被預(yù)置的檢波器接收，并由地震勘探儀記錄從震源出發(fā)到達(dá)檢波點(diǎn)的傳播時(shí)間和振動(dòng)特性。震源周圍有接收不到折射波的區(qū)域稱為盲區(qū)，圖2中用盲區(qū)半徑來表示它的范圍。傳播時(shí)間是由這些波的行程和沿途介質(zhì)的地震波速度決定的。在震源與檢波點(diǎn)間的距離選定后，波的行程就取決于界面深度，故可借此進(jìn)行地質(zhì)勘探。利用反射波的稱為反射波法，利用折射波的稱為折射波法。由于工程勘察的勘探深度較淺，折射波法比反射波法干擾少，容易識(shí)別，且能測(cè)定界面速度，從而了解下層的巖性和探查斷層等，因此應(yīng)用比較普遍。但折射波法要求震源強(qiáng)度大，又有盲區(qū)和下層波速必須高于上層的限制。為了避免這些缺點(diǎn)，近年來工程勘察部門對(duì)淺層反射波法也在加強(qiáng)研究和實(shí)驗(yàn)。地震勘探在水利工程勘察中主要用來測(cè)定地質(zhì)界面的深度和形態(tài)，如覆蓋層、風(fēng)化層、滑坡體的厚度和地下水位，以及探查斷層、破碎帶等（見彩圖）。反射波法還可探查巖溶洞穴。

電法勘探方法種類繁多，水利工程勘察中常用的有下列各種。電阻率法是利用地質(zhì)體導(dǎo)電性的差異，建立人工電場(chǎng)并進(jìn)行觀測(cè)，求得某個(gè)測(cè)點(diǎn)下面不同深度或剖面上不同測(cè)點(diǎn)的視電阻率后，再進(jìn)行推斷和地質(zhì)解釋。前者稱為電測(cè)深法，后者稱為電剖面法。電測(cè)深法用以探測(cè)比較平緩的巖層和成層地質(zhì)體的垂向分布，如測(cè)定覆蓋層、風(fēng)化層厚度等。電剖面法則可探查水平向地質(zhì)情況的變化，如尋找斷層破碎帶、進(jìn)行地質(zhì)填圖等。充電法是對(duì)良導(dǎo)電體充電，在地面觀測(cè)電場(chǎng)的形態(tài)，用來測(cè)定地下水的流向流速及追索巖溶暗河等。自然電場(chǎng)法是測(cè)量地層過濾吸附作用造成的滲透電場(chǎng)，用來進(jìn)行地下水流向測(cè)定等水文地質(zhì)調(diào)查工作，還可用于探查水庫的滲漏地段和巖溶。激發(fā)極化法是利用離子導(dǎo)體的激發(fā)極化效應(yīng)，測(cè)定巖體的視極化率等參數(shù)，可進(jìn)行巖溶調(diào)查、尋找斷層破碎帶、測(cè)定含水層位置等有關(guān)地下水資源和水庫滲漏方面的探查工作。甚低頻法、無線電波透視法和地質(zhì)雷達(dá)法是利用地質(zhì)體對(duì)電磁波的傳播、吸收、反射特性，分別用以查找淺部的、兩個(gè)鉆孔（或探洞）之間和地下洞室周圍存在的巖溶、斷層破碎帶等。彈性波測(cè)試在巖體或土層中激發(fā)彈性波（地震波或聲波），用儀器測(cè)定巖土體傳播這些彈性波（包括縱波與橫波）的速度以及傳播