工程地球物理勘探

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。

工程物探具有“透視性”、效率高、成本低以及可以在現場進行原位岩土物理力學性質測試等優點，在工程勘察中日益得到重視和發展。但是各種物探方法都具有條件性和局限性，多數方法還存在多解性，因此正確選擇和運用各種物探方法，進行綜合物探，並與現有的地質、鑽探資料作對比，才能獲得好的地質效果。

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，可獲得沿剖麵線的視電阻率曲線，它反映岩性沿剖麵線變化的情況，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，使電流在地下分佈空間不斷擴大，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。用量板或計算機程序對曲線作解釋，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佈形態有關。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、放大后，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（剪切波）。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，可用木杆插入井底，在地面敲擊木杆的一端進行激振。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（或超聲波）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，放大之後在示波管屏幕上顯示波形圖。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應用。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。

地下管線探測

主要檢測內容：

（1）金屬管線探測

地下金屬管線適宜用管線探測儀和探地雷達進行探測，管線儀對於金屬管線探測具效率高、儀器輕便、結果準確等優點；探地雷達可用於埋深較大和密集管線的探測。

（2）非金屬管線探測

目前地下非金屬管線探測的首選方法是探地雷達。探地雷達具有連續無損探測、高效、高精度、易反演解釋等優點。

使用探地雷達具有獨特的天線陣技術，可以極大提高探測結果的精度和有效性。

考古探測

利用地下古代遺物與周邊物質的物性差異，採用地球物理勘探手段對它們的平面位置、埋深、分佈範圍進行調查。利用雷達多天線陣列技術，探測的精度高，在小面積精確定位方面有無可比擬的優勢；磁法探測能更快、更大面積地揭示地下遺址的面貌，結合已經為考古發掘與考古調查所認識的部分，加以典型影像校正，能更完整地認識遺址的全貌。

主要應用於找出遺址內土城牆、壕溝、坑、柱洞、房屋、墓穴等的位置及分佈情況。

根據電磁波輻射（發射、吸收、反射）的理論，應用各種光學、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、激光等技術。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面點、線調查的局限性及視野的阻隔，使人們能從整體上宏觀地進行地質研究，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。

engineering geophysical exploration

應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。它是地球物理勘探的一個分支，簡稱工程物探。由於各種岩石或地質體在密度、磁性、導電性、彈性、放射性等物理性質上存在著差異，人們用不同方法和不同儀器，測量其天然或人工的地球物理場，並分析研究由於這些物理性質差異而引起物理場的變異，再經推斷解釋，以了解地下地質情況；或利用儀器直接測定岩體的物理特性，提供工程設計需要的參數。水利工程地質勘察中廣泛而正確地運用工程物探，可加快勘測速度，降低成本，還可得到岩體原位的物性參數，對工程地質條件的定量評價起到促進作用。中國水利工程地質勘察中應用工程物探始於20世紀50年代初。目前常用的方法主要有地震勘探、電法勘探、彈性波測試和測井，此外還有放射性勘探、微重力勘探、磁法勘探等。

地震勘探 由人工激發的地震波，在往地下傳播時碰到密度、彈性不同的兩種介質的分界面就要發生波的反射、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入下部地層（圖1）。唯有入射角θ1（射向界面時與界面法線的夾角）等於臨界角i（其值由上、下地層的地震波傳播速度υ1與υ2之比決定）的那部分地震波，在抵達分界面后將沿入射角平面產生折射，以界面速度（即下部地層的波速υ2）在界面上向前滑行，並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置的檢波器接收，並由地震勘探儀記錄從震源出發到達檢波點的傳播時間和振動特性。震源周圍有接收不到折射波的區域稱為盲區，圖2中用盲區半徑來表示它的範圍。傳播時間是由這些波的行程和沿途介質的地震波速度決定的。在震源與檢波點間的距離選定后，波的行程就取決於界面深度，故可藉此進行地質勘探。利用反射波的稱為反射波法，利用折射波的稱為折射波法。

由於工程勘察的勘探深度較淺，折射波法比反射波法干擾少，容易識別，且能測定界面速度，從而了解下層的岩性和探查斷層等，因此應用比較普遍。但折射波法要求震源強度大，又有盲區和下層波速必須高於上層的限制。為了避免這些缺點，近年來工程勘察部門對淺層反射波法也在加強研究和實驗。地震勘探在水利工程勘察中主要用來測定地質界面的深度和形態，如覆蓋層、風化層、滑坡體的厚度和地下水位，以及探查斷層、破碎帶等（見彩圖）。反射波法還可探查岩溶洞穴。

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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。

①電阻率法是利用地質體導電性的差異，建立人工電場並進行觀測，求得某個測點下面不同深度或剖面上不同測點的視電阻率后，再進行推斷和地質解釋。前者稱為電測深法，後者稱為電剖面法。電測深法用以探測比較平緩的岩層和成層地質體的垂向分佈，如測定覆蓋層、風化層厚度等。電剖面法則可探查水平向地質情況的變化，如尋找斷層破碎帶、進行地質填圖等。

②充電法是對良導電體充電，在地面觀測電場的形態，用來測定地下水的流向流速及追索岩溶暗河等。

③自然電場法是測量地層過濾吸附作用造成的滲透電場，用來進行地下水流向測定等水文地質調查工作，還可用於探查水庫的滲漏地段和岩溶。

④激發極化法是利用離子導體的激發極化效應，測定岩體的視極化率等參數，可進行岩溶調查、尋找斷層破碎帶、測定含水層位置等有關地下水資源和水庫滲漏方面的探查工作。

⑤甚低頻法、無線電波透視法和地質雷達法是利用地質體對電磁波的傳播、吸收、反射特性，分別用以查找淺部的、兩個鑽孔（或探洞）之間和地下洞室周圍存在的岩溶、斷層破碎帶等。

彈性波測試 在岩體或土層中激發彈性波（地震波或聲波），用儀器測定岩土體傳播這些彈性波（包括縱波與橫波）的速度以及傳播過程中能量的衰減等特徵，從而求得岩土體的動態彈性係數，評價岩土體的力學特性。此法與地震勘探不同，它多數是利用直達波。彈性波測試可為岩體的工程地質分類提供依據，測定地下洞室圍岩的鬆弛範圍，進行灌漿效果的檢查，壩基建基面和樁基質量的無損檢測，還可為工程建築物的抗震設計和砂層液化研究提供參數。測井 各種地球物理探測技術在鑽孔中的應用。工程物探目前採用的測井方法主要有：①電測井，包括電阻率與自然電位測井；②聲測井，包括聲速和聲幅測井；③放射性測井，包括自然伽瑪、伽瑪-伽瑪、中子-伽瑪測井和放射性同位素示蹤等；④溫度測井；⑤超聲成象測井；⑥電磁波測井。此外，還有利用工業電視設備對孔壁直接觀察的鑽孔電視以及對鑽孔直徑和井斜的測量等。測井方法的綜合運用，可以詳細劃分鑽孔地質剖面，探測軟弱夾層，確定斷層及裂隙、破碎帶的位置與產狀，測定地層的電阻率、彈性波速度、孔隙度、密度、含泥量、含水量，確定含水層的位置，測定地下水的礦化度和流速、流向等。

此外，水利工程勘察中應用還不很普遍的幾種物探方法有：放射性勘探是在地面測量放射線強度以探查斷層或進行環境放射性污染的檢測；微重力勘探是利用微重力儀測量重力場異常以探測岩溶洞穴等地質現象；磁法勘探是測量地磁場異常以探查含磁性礦物的地質體。

各種物探方法均有各自的特長，也都有其方法原理所決定的局限性，且在很多情況下單一方法的資料有多解性，為了取得比較理想的勘測效果，必須針對具體的工作任務，因地制宜，選擇幾種有效的方法進行綜合物探。