地球物理勘探的應用

  解決土木工程勘察中工程地質(zhì)、水文地質(zhì)問(wèn)題的一種物理勘探方法，簡(jiǎn)稱(chēng)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)的分布規律。通過(guò)觀(guān)測、分析和研究這些物理場(chǎng)，并結合有關(guān)地質(zhì)資料，可判斷與工程勘察有關(guān)的地質(zhì)構造問(wèn)題。
 
  早在17世紀人們便嘗試用羅盤(pán)尋找磁鐵礦，20世紀初，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(lái)，由于物理學(xué)、數學(xué)特別是電子技術(shù)、計算機技術(shù)的發(fā)展，大大促進(jìn)了各種物探方法以及儀器設備的發(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(chǎng)的觀(guān)測空問(wèn)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。
 
  工程物探具有“透視性”、效率高、成本低以及可以在現場(chǎng)進(jìn)行原位巖土物理力學(xué)性質(zhì)測試等優(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，多數方法還存在多解性，因此正確選擇和運用各種物探方法進(jìn)行綜合物探，并與現有的地質(zhì)、鉆探資料作對比，才能獲得好的地質(zhì)效果。
 
  (1)電法勘探：通過(guò)對人工或天然電場(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(wèn)題。目前，最常用的是直流電法勘探，主要研究巖石(2)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。
 
  (2)電阻率法：自然界中各種巖石的導電性能不同。一般情況下，巖漿巖、變質(zhì)巖和沉積巖中的致密灰巖的電阻率都很高，超過(guò)10 Ωm，只有當它受風(fēng)化、構造破碎時(shí)，由于含泥量增多、水分增加時(shí)，其電阻率值才降到10 m級或更小。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（5- 10 Ωm級)。電阻率法常用于探測風(fēng)化殼的厚度，覆蓋層下新鮮基巖面的起伏、盆地結構形態(tài)、儲水構造，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6-1所示，通過(guò)A,B兩個(gè)電極向地下供人電流(IAB)，并通過(guò)M.N兩個(gè)電極測量供電所形成的電位差。代入p=KU／J式’便可計算出電阻率p。式中K為裝置系數，由各電極間的相互距離確定。一般地下并非單一均勻地層，由上式計算的電阻率并不代表某一地層的真電阻率，故稱(chēng)為視電阻率Ps電極排列方式（裝置）不同，其探測效果亦不同。例如，固定裝置，沿剖面測線(xiàn)逐點(diǎn)測量視電阻率值，可獲得沿剖面線(xiàn)的視電阻率曲線(xiàn)，它反映巖性沿剖面線(xiàn)變化的情況，稱(chēng)為電剖面法。若固定測點(diǎn)，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(lái)越深。
 
  其相應于不斷增加的電極距(AB12)的視電阻率曲線(xiàn)（電測深曲線(xiàn)），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(xiàn)作解釋?zhuān)蓜澐殖霾煌疃?、具有不同電阻率的地層?br style="padding:0px;margin:0px;white-space:normal;" /> 
  (3)自然電場(chǎng)法：當地下水在孔隙地層中流動(dòng)時(shí)，毛細孔壁產(chǎn)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(dòng)，形成過(guò)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。
 
  (4)充電法：在井孔的含水層段注入鹽水，并對其充電形成隨地下水流動(dòng)而運移的帶電鹽水體。在地表觀(guān)測到的等電位線(xiàn)形狀與帶電鹽水體的分布形態(tài)有關(guān)。根據不同時(shí)間觀(guān)測的等電位線(xiàn)可以判斷地下水的流向并估算其實(shí)際流速。充電法還可以用做巖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。
 
  (5)激發(fā)極化法：實(shí)驗室研究表明，含水砂層在充電以后，斷電的瞬間可以觀(guān)測到由于充電所激發(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(guān)測技術(shù)方面還有待改進(jìn)。
 
  (6)地震勘探：通過(guò)研究人工激發(fā)的彈性波在地殼內的傳播規律來(lái)勘探地質(zhì)構造的方法。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地面所引起的微弱振動(dòng)變成電信號．送入地震儀經(jīng)濾波、放大后記錄在相紙或磁帶中，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、構造等。常用于探測覆蓋層或風(fēng)化殼的厚度，確定斷層破碎帶，在現場(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。
 
  (7)鉆孔地震波測速法：在鉆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，在鉆孔內的不同深度上安置探頭測定直達波的初至時(shí)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。測定縱波速度(p)時(shí)，須作垂直激振。測定橫波速度(s)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。根據直達波穿過(guò)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ㄊ窃谝粋€(gè)鉆孑L中激振，在相隔一定距離的另一個(gè)鉆孔中觀(guān)測直達波的到達時(shí)間。對于淺孔，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波的行進(jìn)時(shí)間便可算出地層波速。
 
  (8)聲波探測：利用聲波（或超聲波）對巖體進(jìn)行探測的方法。由于頻率高、波長(cháng)短，其分辨率高。主要用于測定巖體的物理力學(xué)參數、確定洞室巖石應力松弛范圍、探測溶穴及檢查水泥灌漿效果等。但是，由于巖石對高頻波的吸收、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(dòng)和被動(dòng)兩種方式。
 
  主動(dòng)方式：由聲源信號發(fā)生器（發(fā)射機）向壓電材料制成的換能器發(fā)射一電脈沖激勵晶片振動(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換成電信號送至接收機，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時(shí)間，再根據已知的探測距離，計算出聲波速度。
 
  被動(dòng)方式：觀(guān)測巖體由于受力變形過(guò)程中所釋放出來(lái)的應變能引起的聲波?？捎靡粤私鈳r體內部應力狀態(tài)等。
 
  (9)地球物理測井：地球物理方法在鉆井中的應用。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(xiàn)可劃分鉆孑L地層巖性剖面。用中子一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鉆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鉆井中地下水的運動(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，而超聲電視測井則可以在泥漿中獲得清晰的孔壁圖像，可區分巖性、查明裂隙、溶穴、套管的裂縫等，甚至可以確定巖層的產(chǎn)狀。不同測井方法的井下探測器各有其特點(diǎn)，但是所測量的參數均將轉換成電訊號，通過(guò)電纜傳輸到地面測井儀中并記錄在相紙、紙帶或磁帶上。
 
  (10)井中無(wú)線(xiàn)電波透視法：無(wú)線(xiàn)電波是指頻率在幾十萬(wàn)赫至幾十兆赫電磁波。當它在地下介質(zhì)中傳播遇到低阻的地質(zhì)體時(shí)常被強烈吸收而大大衰減。在巖溶地區，用它探測溶洞效果甚好。工作時(shí)，將發(fā)射機和接收機分別置于相隔一定距離的兩個(gè)鉆孔內，若兩孔之間都是均質(zhì)的高阻灰巖，沿井軸各點(diǎn)接收到的無(wú)線(xiàn)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，則在低阻體的背面形成一個(gè)無(wú)線(xiàn)電波信號被強烈衰減的陰影。
 
  運用“交會(huì )法”即可圈定被測異常體的位置和輪廓。
 
  (11)磁法勘探：根據巖石的磁性差異所形成的局部磁性異常來(lái)判斷地質(zhì)構造的方法。
 
  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，追索第四紀沉積物覆蓋下的巖性界線(xiàn)等。大面積航空磁測資料可提供有關(guān)區域性的斷裂構造、結晶基底的起伏等，為評價(jià)區域穩定性及尋找有利的儲水構造提供依據。
 
  (12)重力勘探：根據巖體密度差異所形成的局部重力異常來(lái)判斷地質(zhì)構造的方法。
 
  常用以探測盆地基底的起伏和斷層構造等。采用高精度重力探測儀有可能探測一些埋深不大并且具有一定體積的地下空洞。
 
  (13)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(guò)探測由放射性元素在蛻變過(guò)程中產(chǎn)生的Y射線(xiàn)強度，可以區分巖性。近年來(lái)利用天然放射性測量探測基巖裂隙地下水（如用測量7強度、能譜、a徑跡法等找水）獲得成功。此外，放射性同位素常用做研究地下水及其溶質(zhì)運動(dòng)的示蹤劑。
 
  (14)遙感技術(shù)：根據電磁波輻射（發(fā)射、吸收、反射）的理論，應用各種光學(xué)、電子學(xué)探測器對遠距離目標進(jìn)行探測和識別的綜合技術(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。20世紀60年代以來(lái)，在運載工具、傳感器及圖像處理、解釋方法上都有了迅速發(fā)展。除可見(jiàn)光波段攝影黑白相片和彩色相片外，還發(fā)展了紅外線(xiàn)、多波段、雷達、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(chēng)為主動(dòng)遙感；利用地物反射太陽(yáng)輻射的或由地物自身發(fā)射的電磁波進(jìn)行遙感的稱(chēng)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、構造、巖漿巖以及隱伏構造和深部構造的資料。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(xiàn)調查的局限性及視野的阻隔，使人們能從整體上宏觀(guān)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地層，提1共一定深度范圍的地質(zhì)信息。此外，還可以對一個(gè)地區反復成像，以取得最新的、精確的地質(zhì)動(dòng)態(tài)資料。