地球物理勘探
一、物探及其分類
二、物探方法簡介
三、物探方法的特點:
四、物探方法的應用範圍與應用條件
五、物探在工程勘探中的應用
一、物探及其分類
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1、地球物理勘探
地球物理勘探，簡稱物探，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範圍（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。
物理性質：巖體的物理性質主要有密度、磁性、電性、彈性、放射性等。主要物性參數密度、磁場強度、磁化率、電阻率、極化率、介電常數、彈性波速、放射性伽馬強度等。
地球物理場：物理場可理解為某種可以感知或被儀器測量的物理量的分布。地球物理場是指由地球、太空、人類活動等因素形成的、分布於地球內部和外部近地表的各種物理場。可分為天然地球物理場和人工激發地球物理場兩大類。
天然場；天然存在和形成 的地球物理場主要有地球的重力場、地磁場、電磁場、大地電流場、大地熱流場、核物理場（放射性射線場）等
人工場：由人工激振產生彈性波在地下傳播的彈性波場、向地下供電在地下產生的局部電場、向地下發射電磁波激發出的電磁等，發球人工激發的地球物理場。人工場源的優點是場源參數書籍、便於控制、解析度高、探測效果好，但成本較大。
地球物理場還可分為正常場和異常場。
正常場：是指場的強度、方向等量符合全球或區域範圍總體趨勢、正常水平的場的分布。
異常場：是由探測對象所引起的局部地球物理場，往往疊加於正常場之上，以正常場為背景的場的局部差異和變化。例如富存在地下的磁鐵礦體或磁性巖體產生的異常磁場，疊加在正常磁場之中；鉻鐵礦的密度比圍巖的密度大，鹽丘巖體的密度比圍巖的密度小，分別引起重力場局部增強或減弱的異常現象。
2、地球物理勘探分類
地球物理勘探分類簡表
分類方法
分類
分類方法
分類
按探測方法或探測物理性質
重力勘探
按探測對象應用領域
資源類物探
石油物探
煤田物探
金屬非金屬物探
放射性物探
磁法勘探
電法勘探
（直流）電法勘探
電磁法勘探
地震勘探
折射波法
水工環物探
水文物探
反射波法
工程物探
透射波法（直達波法）
環境物探
瑞雷波法
深部物探
放射性勘探
地球物理測井
按工作環境
地面物探
航空物探
彈性波測試
地震波法
海洋物探
聲波法
地下物探
二、物探方法簡介
1、重力勘探
重力勘探是研究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，併疊加在地球的正常重力場上。
2、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性疊加在正常場上形成的，與地質構造及某些礦產的分布有著密切的關係。
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。
3、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、電磁場的分布規律，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。按照電場性質不同，可分為直流電法和交流電法兩類
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。
交流電法勘探，即電磁法勘探，按場源的形式可分為人工場源（或稱主動場源）和天然場源兩大類。人工場源類電磁法主要有無線電波透射法、甚低頻法、瞬變電磁法、可控源間頻大地測深法、地質雷達法等。天然場源類電磁法包括天然音頻大地電磁法、大地電磁法等。
4、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。確定分界面的埋藏深度、巖石的組成成分和物理力學性質。
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、折射波法、透射波法和瑞雷波法。
5、放射性勘探
地殼內的天然放射元素蛻變時會放射出α、β、γ射線，這些射線穿過介質便會產生游離、螢光等特殊的物理現象。放射性勘探，就是藉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。
6、地球物理測井
地球物理測井，簡稱為測井，就是通過研究鑽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、彈性以及隙度、滲透性等來解決鑽孔中有關地質問題的一類物方法。
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、鑽孔全孔壁數字成像、鑽孔電視，以及井徑測量、井斜測量、井溫測量以及井中流體測量。
三、物探方法的特點:
1、探測地質體與圍巖之間的具有較為明顯的物性差異；
2、採用相應的儀器設備觀測和測量地球物理場的信息，並用數據處理技術進行處理，對異常進行識別和解釋；
3、成本低，效率高；
4、多解性
物探解釋結果是根據物探儀器觀測到的地球物理數據求解場源體的反演過程，反演具有多解性；同時物探理論是建立在一定的數學模型基礎之上，具有確定的條件（物性，地質、地形等)，但實際上難以完全滿足，也影響了物探解釋的精度。
為了獲得更加準確的物探成果，應注意以下幾點：
1、選擇適合的方法。應根據探測目的層與相鄰地層的物性特徵、地質條件、地形條件等因素綜合分析，有針對性的選擇物探方法。
2、儘可能採用多種物探方法配合，相互對比、相互補充、相互驗證、去偽存真。
3、物探剖面儘可能通過鑽孔、探井等已知點，對物探解釋提供參數和驗證。
4、注重與地質調查和地質理論相結合，進行綜合分析判斷。
四、物探方法的應用範圍與應用條件
1、應用範圍
（1）區域地質調查及礦產勘查
劃分地層、探測地質構造，尋找礦體及與成礦有關的地層或構造
主要方法：重力、磁法、電法，地震（石油、煤田）、放射性（鈾礦）、測井
（2）水文地質勘察及找水
劃分地層、探測地質構造，尋找儲水地層或構造，確定含水層的埋深、厚度、含水量，劃分鹹淡水界面等
主要方法：電法（電阻率、激電、電磁法），測井、地震、放射性、
（3）工程地質勘察、環境地質勘察
探測覆蓋層、基巖風化帶厚度及其分布；隱伏構造、巖溶裂隙發育帶等。
主要方法：電法（電阻率、激電、電磁法），測井、地震、放射性
（4）工程測試與檢測
土壤電阻率測試、巖體質量檢測、巖土力學參數測試、混泥土質量檢測、放射性檢測、樁基檢測、地下管線探測等。
主要方法：電法（電阻率、探地雷達），地震波及聲波測試(測井)、放射性測試
2、應用條件
（1）探測目的層與相鄰地層或目的體與圍巖之間的具有明顯的物性差異；
（2）探測目的層或目的體相對於埋深具有一定的規模；
（3）探測目的層與相鄰地層的巖性、物性及產狀較為穩定；
（4）滿足各方法的地形條件要求；
（5）不能有較強的幹擾源存在。
3、常用工程物探方法的應用範圍與應用條件
常用工程物探方法的應用範圍及適用條件
方法名稱
物性參數
應用範圍
適用條件
電法勘探
電阻率法
電剖面法
電阻率
探測地層在水平方向的電性變化，解決與平面位置有關的地質問題，如探測隱伏構造破碎帶、斷層、巖層接觸界面位置及巖溶等
目標地質體具有一定的規模，傾角大於30°，與周圍介質電性差異顯著；地形平緩
電測深法
電阻率
探測地層在垂直方向的電性變化，適宜於層狀和似層狀介質，解決與深度有關的地質問題，如覆蓋層厚度、基巖面起伏形態、地下水位，以及測定巖（土）體電阻率
目標地層有足夠厚度，地層傾角小於20°；相鄰地層電性差異顯著，水平方向電性穩定；地形平緩
高密度電法
電阻率
電測深法自動測量的特殊形式，適用於詳細探測淺部不均勻地質體的空間頒布，如洞穴、裂隙、墓穴、堤壩隱患等
目標地質體與周圍介質電性差異顯著，其上方無極高阻或極低阻的屏蔽層；地形平緩
充電法
電位
用於鑽孔或井中測定地下水流向、流速，以及了解低阻地質體的頒布範圍和形態
含水層埋深小於50m，地下水流速大於1m/d；地下水礦化度小，覆蓋層電阻率均勻
自然電場法
電位
用於探測地下水的活動情況，也可用於探查地下金屬管道、橋梁、；輸電線路鐵塔的腐蝕情況
地下水埋藏較淺，流速足夠大，礦化度較高
激發極化法
極化率
探測地下水，測定含水層的埋深和分布範圍，評價含水層的富水程度
測區地層存在激電效應差異，無遊散電流幹擾
電磁法勘探
頻率測深法
電阻率
探測斷層、破碎帶、巖溶及地層界面
目標地質體與周圍介質電性差異顯著，覆蓋層電阻率不能太低
瞬變電磁法
電阻率
探測斷層、破碎帶、巖溶及地層界面，調查地下水和地熱水源，圈定和監測地下水汙染，探查堤壩隱患和水庫滲漏
目標地質體具有一定的規模，且相對呈低阻，無極低阻屏蔽層；測區電磁幹擾小
可控音頻大地電磁測深入法
電阻率和阻抗相位
探測中淺部斷層、破碎帶、巖溶等隱伏構造和地層界面
目標地質體具有一定的規模，與周圍介質電性差異顯著；測區地形平緩，測區電磁幹擾小
探地雷達
介電常數和電導率
適用於探測淺部斷層、構造破碎帶、巖溶、地質災害（滑坡、塌陷等）、堤壩隱患和覆蓋層分層，以及隧道施工地質超前預報等
目標地質體與周圍介質的介電常數差異顯著
電磁波CT
吸收係數
適用於探測由鑽孔、平洞、地面等包圍的斷層、破碎帶、巖溶等不良地質體
目標地質體具有一定的規模，與周圍介質的電性差異顯著
地震勘探
直達波法
波速
測定巖土體的縱、橫波速度，計算巖土層的動力學參數
適用於表層或鑽孔、平洞、探坑、探槽等巖土體
反射波法
波速
探測覆蓋層厚度及不同深度的地層界面
地層之間具有一定的波阻抗差異
折射波法
波速
探測覆蓋層厚度及下伏基巖波速
下伏地層波速大於上覆地層波速
瑞雷波法
波速
探測覆蓋層厚度與不良地質體，覆蓋層分層
目標地層或地質體與圍巖之間存在顯著的波速差異
地震CT
波速
劃分風化和破碎巖體、探測斷層、破碎帶、風化帶、巖溶等不良地質體的位置與規模
目標地層或地質體與圍巖之間存在顯著的波速差異
聲波探測
聲波測試
聲速
測定巖體或混凝土的聲波波速，計算動力學參數，測定巖體鬆弛厚度，評價巖體的完整性和巖體灌漿效果
適用於表層或鑽孔、平洞、探坑、探槽等裸露的巖體或混凝土
聲波CT
聲速
劃分風化和破碎巖體，檢查建基巖體質量和灌漿效果，檢測混凝土件及壩體部的缺陷
目標體與圍巖之間存在顯著的聲速差異
放射性探測
α射線測量
α射線
探測隱伏構造破碎帶和地下水
適用於探測具有較好透氣性和滲水性的構造破碎帶
自然γ測量
γ射線
探測隱伏構造破碎帶和地下水
適用於探測具有較好透氣性和滲水性的構造破碎帶
γ-γ測量
γ射線
測試巖（土）層的原狀密度和孔隙度
適用於鑽孔內測量
綜合測井
電測井
電阻率或電位
劃分地層，區分巖性，確定軟弱夾層、裂隙破碎帶的位置及厚度；確定含水層的位置、厚度，劃分鹹、淡水分界面；測定地層電阻率
無套管，有井液孔段
聲波測井
聲速
區分巖，判斷巖體完整性，確定軟弱夾層、裂隙破碎帶的位置及厚度；測定地層的聲波速度，估算巖體動彈性參數
無套管孔段
鑽孔電視
圖像
區分巖性，確定層軟弱夾層、裂隙破碎帶的位置及厚度；了解巖溶發育情況；測定結構面產狀
無套管，幹孔或清水孔段
放射線測井
γ射線
劃分地層，區分巖性，鑑別軟弱夾層、裂隙破碎帶；測定巖層密實度和孔隙度
全孔段
井上雷達
介電常數和電導率
探測鑽孔周邊斷層、巖溶洞、破碎帶及巖層界面的位置及規模，判斷含水帶位置
無金屬套管
井徑測量
直徑
測理鑽孔直徑，輔助劃分地層
全孔段
井斜測量
方位與傾角
測量鑽孔的方位角和傾角
無磁性套管
（1）直流電阻率法
將直流電通過電極接地供入地下，建立穩定的人工電場，在地表觀測某點垂直方向（電測深法）或沿某一測線的水平方向（電剖面法）的電阻率變化，從而了解巖土介質的分布或地質構造特點的方法，稱電阻率法。
為解決不同的地質問題，常採用不同的電極排列形式和移動方式（稱為裝置），根據裝置的不同，可將電阻率法分為電測深法、電剖面法和高密度電阻率法。
·電阻率法的應用範圍與條件
·應用範圍
1）電測深法主要用於解決與深度有關的地質問題，包括分層探測如基巖面、地層層面、地下水位、風化層面等的埋藏深度以及電性異常體探測如構造破碎帶、喀斯特、洞穴等。
2）電剖面法主要用於探測地層、巖性在水平方向的電性變化，解決與平面位置有關的地質問題，如斷層、破碎帶、巖層接觸界面、喀斯特洞穴位置等。
3）高密度電法具有電測深和電剖面的雙重特點，探測密度高、信息量大、工作效率高。
·應用條件
1）被探測目的層的分布相對而言於裝置長度和埋深近水平無限，被探測目的相對於裝置長度和埋深有一定的規模。被探測目的層與相鄰地層或目的體與周邊介質有電性差異。電性界面與地質界面對應。
2）地形起伏不大。採用電極接地測量方式時要求被探測目的層或目的體上方沒有極高電阻屏蔽層。採用線框或天線測量方式時要求被探測目的層或目的體上方沒有極低電阻屏蔽層。
3）各地層及目的體電性穩定，異常範圍和幅值等特徵可以被測量和追蹤。
4）測區內沒有較強的工業遊散電流、大地電流或電磁幹擾。
5）水上工作時，水流速度較緩。
6）電測深法要求地下電性層次不多，被探測各層與供電極距相比水平無限，且具有一定厚度，電性標誌層穩定；適用於層狀和似層狀介質的勘探，下伏基巖面或被探測目的層層面與地面交角應小於20°；有一定數量的中間層電阻率資料；在各種測量裝置中，四極對稱裝置能更準確並經濟地解決問題，應用羅為廣泛，其他裝置的應用條件則相對較為嚴格。
7）電剖面法探測的地質界面或構造線與地面交角應大於30°。
（2）音頻大地電磁測深入法（AMT）
音頻大地電磁法（AMT）的頻率範圍約為0.1～10kHz，甚至100 kHz，勘探深度為幾米至幾公裡，在礦產勘查和工程勘探中應用廣泛。
·應用範圍
1）探測第四紀覆蓋層厚度。
2）探測地層分層。
3）探測隱伏巖溶及構造（斷層、裂隙層、破碎帶）。
4）探測塌滑體厚度。
5）探測地下水，確定含水層厚度。
·應用條件
1）被探測目的體或目的層與圍巖之間存在明顯的電性差異電性界面與地質界面對應。
2）被探測目的層或目的體位於探測盲區以下。
3）各地層及目的體電性穩定。
4）測區內沒有較強的工業遊散電流、大地電流或電磁幹擾。
5）被追蹤地層應具有一定的厚度，被追蹤地質體具有一定規模。
6）天然電磁場信號強度微弱，極化不穩定，受各種噪聲影響強烈，通常需要多周期的疊加才能獲得有交的功率譜，因此野外記錄時間應足夠長。
·優點和局限性
（1）主要優點。
1）使用電磁波頻率豐富，探測深度範圍較大，可從幾十米至上千米。
2）不高阻屏蔽，對低阻解析度高，對勘測場地範圍要求低。
3）受地形影響小。
（2）主要局限性。
1）抗電磁幹擾能力差。
2）雖然探測深度較深，但深部是低頻信號的反映，因此在加大探測深度的同時，也降低了異常解析度，在使用該方法進行深部探測時，應充分考慮到深度與解析度的關係。
3）對於硬質出露地區，裸露巖石緻密堅硬，會大大限制電偶極子場源送入地下的電流強度，並導致測量電極接地電阻過高，幹擾信號過強，有效信號太弱等不利影響，因此在硬體質基巖裸露地區不宜使用此類方法。
（3）淺層折射波法
淺層折射波法，是利用人工激發的地震波在巖土界面上產生的折射現象，對淺部具有速度差異的地層或構造進行探測的一種地震方法，是目前工程地震勘探中技術最成熟、應用最廣泛的方法。
·應用範圍
1）探測第四紀覆蓋層厚度及其分層，或探測基巖面埋藏深度、埋藏深槽、古河床及其起伏形態。
2）探測風化卸荷帶厚度。
3）探測隱伏構造（斷層、裂隙帶、破碎帶）。
4）探測塌滑體厚度。
5）探測鬆散層中的地下水位，確定含水層厚度。
6）測試巖土體縱波速度，用速度對巖體進行完整性分類。
7）檢測巖體質量。
·應用條件
1）適用於層狀和似層狀介質的探測。
2）被追蹤地層的速度應大於上覆各層的速度，且各層之間存在明顯的波速差異。
3）被追蹤地層應具有一定的厚度，中間層厚度宜大於其上覆層厚度。
4）沿測線被追蹤地層的視傾角與折射波臨近角之和應小於90° 。
5）被追蹤地層界面起伏不大，折射波沿界面滑行時無穿透現象。
6）被探測的目的體（斷層、洞穴等）與周邊介質之間存在明顯的波速差異，並具有一定的規模。
·優點和局限性
（1）折射波法的優點。
1）初至折射波比較容易識別。
2）探測深度範圍廣，從幾米至幾十米乃至一二百米皆可。
3）不僅可得到折射波的旅行時，遙相呼應得到能反映巖性及巖體完整性的界面速度。
4）解決的地質問題面較廣，從探測覆蓋層厚度及其分層到解決構造問題，地質效果一般較好。
（2）折射波法的局限性。
1）受速度逆轉限制，不能探測高速層下部的地質情況。
2）分層能力弱，一般限於3～4層。
3）因為存在折射波盲區以及旁側影響，要求勘探場地較開闊。
4）所需激發能量大。當鬆散層厚度超過10m時，一般使用炸藥震源；當探測深度大於40m時，需使用較大的炸藥包，在居民區、農、林、漁區難於開展工作。
（4）淺層反射波法
淺層反射波法是利用人工激發的地震波在巖土界面上產生反射的原理，對淺層具有波阻抗差異的地層或構造進行探測的一種地震勘探方法。在工程勘察中，淺層反射波法主要用於探測覆蓋層厚度和進行地層分層，確定幾十米內的較小的地質構造以及尋找局部地質體等。
·應用範圍
淺層反射波法適用於層狀和似層狀介質勘探，，不受地層速度逆轉限制，可以探測高速地層下部的地質情況。其應用範圍與折射波法相近，主要有：
1）探測第四紀覆蓋層厚度及其分層或探測基巖面的埋藏深度及其起伏形態。
2）劃分沉積地層層次。
3）探測風化帶厚度（全風化、強風化）。
4）探測有明顯斷距的隱伏斷層構造。
5）探測滑坡體厚度。
6）探測喀斯特溶洞。
7）探測鬆散層中的地下水位和確定含水層厚度。
8）巖土體縱橫波速測試。
通常多選用效率較高、探測深度較大的縱波反射法解決上述工程地質問題，僅在探測淺部（＜30m）鬆散含水地層時，宜採用具有較強分層能力 的橫波反射法。
·應用條件
1）被追蹤地層應是層狀和似層狀介質。
2）被追蹤地層與其相鄰層之間應存在明顯的波阻抗差異。
3）被追蹤地層應具有一定的厚度，且應大於有效波長的1/4。
4）地層界面較平坦，入射波能在界面上產生較規則的反射波。
5）被探測的斷層應有明顯的斷距。
·方法優點及局限性
（1）反射波法的優點
1）不受地層速度逆轉限制，可探測高速地層下部的地質情況。在軟基勘探中橫波反射法有較強的分層能力。
2）水平疊加時間部面圖、等偏移時間部面圖、地震映象波形圖、地震深度剖面圖能較直觀反映地層的起伏形態和地層的尖滅點及斷層的位置、斷距。
3）所需震源能量較小，在勘探深度小於四五十米時，一般可使用錘擊震源（與垂直疊加信號增強配合使用）從而免除使用爆炸震源時購買、運輸、保管、使用雷管炸藥的諸多麻煩，確保生產安全，並可在居民區、農田、果園等不允許進行爆破作業的測區開展反射波法勘探。
4）所需勘探場地較小，可在較狹窄的河谷、山谷開展工作。
（2）反射波法的局限性（缺點）
1）反射波法所受幹擾波多（包括面波、聲波、直達波、淺層折射波、多次反射波、背景噪音以及各反射波組間的相互幹擾），野外數據採集、資料處理比折射波法複雜，工作效率低，尤其探測深度小於20m時，淺層反射法的工作效率較低（因為要求檢波點距較小）。
2）探測基巖面埋藏深度時，因為不能較準確求得基巖波速，有時識別基巖頂板反射波同相軸較困難（尤其基巖面較平坦時），需藉助折射波法資料或鑽孔資料確定。
3）橫波（SH波）反射法激發工作效率較低，勘探深度較小（一般小於四五十米）。
（5）瑞雷波法（面波法）
面波是人工激發的彈性波沿界面附近傳播的波，水平偏振的面波為勒夫波，垂直偏振的面波為瑞雷波，目前的面波勘探方法主要是瞬態激發、多道接收、利用基階瑞雷波進行探測。
·應用範圍
1）工程地質勘察：探測覆蓋層厚度、劃分鬆散地層沉積層序、確定地層中低速帶或軟弱夾層、探查基巖埋深和基巖界面起伏形態，探測滑坡體的滑動帶和滑動面起伏形態，巖體風化分帶，探測構造破碎帶。
2）巖土的物理力學參數原位測試：飽和砂土層的液化差別。
3）地下隱埋體探測，包括地下空洞、古墓遺址、非金屬地下管道、礦區廢棄礦井和採空區以及各種地下掩埋物的空間位置的探測。
·應用條件
1）探測場地地表不宜起伏太大，並避開溝、坎等複雜地形的影響，相鄰檢波器之間的高差應控制在1/2道距長度範圍之內，且被探測地層應是層狀和似層狀介質。
2）被探測地層與其相鄰層之間應存在大於10%的瑞雷波速度差異。
3）被探測異常體（透鏡體、洞穴、巖溶、垃圾坑等）在水平方向的分布範圍應不小於瑞雷波排列長度的1/4。
4）單點瑞雷波勘探時地層界面應較平坦，否則將增大探測誤差工。
5）被探測的斷層應有明顯的斷距。
·優點與局限性
（1）瑞雷波法的優點。
1）不受地層速度逆轉限制，可探測高速地層下部的地質情況。
2）具有較高的地質薄層解析度（分辨能力可以達到0.1～0.5m），在進行連續瑞雷波勘探（點距小於30m）時，能較直觀反映地層的起伏形態、異常體頒布情況及滑動面分布特徵。
3）所需震源能量較小，勘探深度小於50m時一般可使用錘擊震源或落重。
4）所需勘探場地較小，探測深度與測點排列長度基本相當，可在較狹窄的河谷、山谷開展工作。
5）測點瑞雷波資料經過反演處理可以得到巖土介質的剪切波速度、縱波速度和泊松比，以及介質的其他動參數。
（2）瑞雷波法的局限性（缺點）。
1）因瑞雷波勘探是對整個瑞雷波排列長度範圍內地層的綜合反映，對於地表或地層界面起伏較大或水平方向地層變化較大容易加大單點瑞雷波探測誤差，這種情況下需要減小 點距、加大連續剖面探測工作量。
2）在進行瑞雷波速度反演計算時，需藉助測區鑽孔資料或孔內波速檢層（橫波速度）資料才能 進行定量分析。
五、物探在工程勘探中的應用
1、覆蓋層探測
·探測內容
（1）覆蓋層厚度探測。
（2）覆蓋層分層。
（3）覆蓋層物性參數測試。
·探測方法的選擇
覆蓋層厚度探測與分層常採用的物探方法主要有淺層地震勘探（折射波法、反射波法、瑞雷波法）、電法勘探（電測深法、高密度電法）、電磁法勘探（大地電磁測深入、瞬變電磁測深、探地雷達）、水聲勘探、綜合測井、彈性波CT等。覆蓋層巖（土）體物性參數測試常採用的物探方法主要有地球物理測井、地震波CT、速度檢層等。
覆蓋層厚度探測與分層應結合測區物性條件，地質條件和地形特徵等綜合因素，合理選用一種或幾種物探方法，所選擇的物探方法應能滿足其基本應用條件，以達到較好的地質效果。
（1）覆蓋層厚度探測物探方法的選擇。
1）根據覆蓋層厚度選擇物探方法。覆蓋層厚度較薄時（小於50m），一般可選擇地震勘探（折射波法、瑞雷波法）、電法勘探（電測深法、高密度電法）和探地雷達等物探方法；覆蓋層厚度時（50～100m），一般可選擇電測深法、地震反射波法、電磁測深等方法；當覆蓋層厚度深厚時（一般大於100m），一般可選擇地震反射法、電磁測深等物探方法。
2）根據測區地形條件選擇物探方法。當場地相對平坦、開闊、無明顯障礙物時，一般可選擇地震勘探（折射波法、反射波法、瑞雷波法）、電法勘探（電測深法、高密度電法）等物探方法；當場地相對狹窄或測區內有居民區、農田、果林、建築物等障礙物時，一般可選擇以點測為主的電測深法、瑞雷波法和電磁測深等物探方法。
3）在水域進行覆蓋層厚度探測時，可根據工作條件選擇物探方法。在河谷地形、河水面寬度不大於200m、水流較急的江河流域，一般選擇地震折射波法和電測深法等物探方法；在庫區、湖泊、河水面寬度大於200m、水流平緩的水域，一般選擇水聲勘探、地震折射波法等物探方法。
4）根據物性條件選擇物探方法。當覆蓋層介質與基巖有的波速、波阻抗差異時，可選擇地震勘探，但當覆蓋層介質中存在調整層（大於基巖波速）或速度倒轉層（小於相鄰波速）時，則不適宜採用地震折射波法；當覆蓋層介質與基巖有明顯的電性差異是，可選擇電法勘探或電磁法；當布極條件或接地條件較差時，如在沙漠、戈壁、凍土等地區可選電磁法勘探。
（2）覆蓋層分層物探方法的選擇。
1）根據覆蓋層介質的物性特徵選擇物探方法。當覆蓋層介質呈層狀或似層狀分布、結構簡單、有一定的厚度、各層介質存在明顯的波速或波阻抗差異時一般可選擇地震折射波法、地震反射波法、瑞雷波法等，其中瑞雷波法具有較好的分層效果；當覆蓋層各層介質存在明顯的電性差異時，可選擇電測深法；當覆蓋層各層介質較薄、存在較明顯的電磁差異、且探測深度較淺時，可選擇探地雷達法。
2）根據覆蓋層介質飽水程度選擇物探方法。地下水位往往會構成良好的波速、波阻抗議和電性界面，當需要對覆蓋層飽水介質與不飽水介質分層或探測地下水位時，一般可選擇地震折射波法、地震反射波法和電測深法，但地震折射波法不對地下水位以下的覆蓋層介質進行分層；瑞雷波法基本不受覆蓋層介質飽水程度的影響，當把地下水位視察為覆蓋層介質分層的影響因素時，可採用瑞雷波法。
3）利用鑽孔進行覆蓋層分層。一般選擇綜合測井、地震波CT、速度檢層等。
4）探測覆蓋層中軟夾層和砂夾層時，在有條件的情況下可藉助鑽孔進行跨孔測試或速度檢層測試；在無鑽孔條件下，對分布範圍較大、且有一定厚度的軟夾層和砂夾層，可採用瑞雷波法。
（3）覆蓋層物性參數的測試。
1）在地面進行覆蓋層物性參數的測試。一般採用地震折射波法、反射法、瑞雷波法進行覆蓋層各層介質的縱波速度和剪切波速度測試；採用電測深法進行覆蓋層各層介質的電阻率測試。
2）在地表、斷面或人工坑槽處進行覆蓋層物性參數的測試。一般可採用地震波法和電測深法對所出露地層進行縱波速度、剪切波速度、電阻率等參數的測試。
3）在鑽孔內進行覆蓋層物性參數的測試。一般採用地球物理測井、速度檢層等方法測定鑽孔中覆蓋層的密度、電阻率、波速等參數，確定各層厚度及深度，配合地面物探了解物性層與地質層的對應關係，提供地面物探定性及定量解釋所需的有關資料。
2、隱伏斷層探測
·探測內容
（1）斷層位置、產狀
（2）破碎帶寬度。
（3）斷層物性參數（電阻率、波速、密度、孔隙度）測試。
·探測方法選擇
探測陷伏構造的物探方法較多，應根據探測任務（內容）層的埋深、規模、覆蓋層性質、斷巖與圍巖物性差異、地形條件、幹擾因素等選擇一種或兩種地質效果比較確切的物探方法。以一種方法為主，另一種方法為輔。解決唯一地質問題一般不必同時並列使用幾種方法。
（1）隱伏構造（斷層破碎帶）位置、規模和延伸情況探測。
可選用折射波法、反射波法、電剖面法、高密度電法、電測深、瞬變電磁法、大地電磁測深和孔間CT、瑞雷波法、放射性測量等。其中：
1）當覆蓋層厚度小於30m，尤其是探測火成巖和變質巖中的斷層時，選用淺層折射波法，一般都可取得較好的地質效果。
2）探測沉積巖層中具有明顯垂直斷距的斷層時，且選用淺層反射法。
3）當覆蓋層厚度小於30m、沿測線地形比較平緩時，宜選擇聯合剖面法作普查、高密度電法作詳查、電測深作輔助方法。
4）當覆蓋層厚度大於50m時，宜採用可控源音頻大地電磁測深法。
5）探測兩鑽孔間的斷層位置、規模和延伸情況可採用孔間CT或電磁波CT。
6）當斷層破碎帶具有較好的透氣性和滲水性，有放射性氣體沿斷裂帶上升到地面時，可採用放射性測量。
（2）斷層物性參數測試。
當鑽孔打穿了斷層時，可選用地球物理測井方法測試斷層的物性參數。
1）測試斷層的電阻率可採用電阻率測井。
2）測試斷層的波速可採用聲速測井，此外折射波法變亦可依據界面速度提供較大斷層的波速。
3）測試斷層的密度可採用γ-γ測井。
4）測試斷層的孔隙度可採用聲速井和γ-γ測井。
·工作布置
（1）測線方向宜垂直斷層的走向，或者根據勘探的需要與地質勘探線一致。
（2）在山區布置測線時，宜沿地形等高線或順山坡布置；河谷區測線宜順河流方向或垂直河流方向布置。測線應避開幹擾源。
（3）在斷層走向不明的測區，試驗階段且布置十字形測線。
3、巖溶探測
·探測內容
1）地表喀斯特中溶溝、溶槽、溶蝕窪地的巖面起伏、形態和覆蓋層厚度以及漏鬥、落水洞等的發育位置、規模和形態。
2）地下喀斯特的發育位置、規模、形態與延伸以及巖溶水的賦存情況。
·探測方法的選擇
根據喀斯特的各項物理特性，結合此類地區性的特殊地質條件可進行以下選擇。
1）當基巖裸露時，主要使用探地雷達，可選用瞬變電磁法、淺層反射波法探測中、淺部地下喀斯特。
2）當覆蓋層較薄時：
①地表喀斯特探測主要使用高密度電法，可選用瞬變電磁法、淺層折射波法。
②中、淺部地下喀斯特探測主要使用高密度電法、淺層反射波法，可選用電剖面法、探地雷達、瞬變電磁法。
③中、深部地下喀斯特探測主要使用音頻大地電磁測深和可控源音頻大地電磁測深。
3）當地表覆蓋層較厚時，主要使用音頻大地電磁測深和可控源音頻大地電磁測深法探測地下喀斯特及規模較大的地表喀斯特。
4）探測隧洞及鑽孔周圍0～20m範圍的喀斯特使用探地雷達，探測鑽孔0～2m範圍內的喀斯特使用聲波法。
5）詳細探測喀斯特的位置、規模、延伸、充填情況CT探測。
6）探測孔壁地層溶蝕情況、暗河或泉水在鑽孔中的位置、喀斯特地下水位等使用綜合測井。
喀斯特與圍繞巖之間存在著明顯的物性差異，但其體態不具備層狀特徵，存在空間上的不均一性和水文地質條件的複雜性，尤其常常伴隨複雜的地形地質條件，實際工作中應根據其發育特點，合理選擇相適應能力的方法，當地球物理條件較理想時，可有針對性地選擇效果較好的單一方法，當地球物理條件不理想時，儘可能使用多種方法進行綜合探測，以取得較好的地質效果。
受工作條件、探測精度及其他方法特點的限制，地面探測一般用於工程前期勘測階段，以普查和了解喀斯特發育規律為主，為整體方案的可行性提供依據；孔內方法和探地雷達等精度較高、探測範圍相對較小的方法則主要用於工程在建期間，有針對性性地查明重點部位喀斯特發育情況，為施工處理方案的制定提供依據。
·工作布置
（1）測線、測點按先面後點、先疏後密、先地面後地下、先控制後一般的原則布置。
（2）測線一般垂直於喀斯特發育帶，如需追蹤其延伸，可平平行布置垂直於延伸方向的多條測線，。
（3）測線應與其他勘探線或有已知資料的地段重合，便於解釋計算過程中獲取參數，減少誤差。當使用綜合方法進行探測時，各種方法的測線應重合，以獲得綜合分析解釋推斷。
（4）測線間距主要根據任務要求和溶洞大小與埋深等因素決定。
（5）當發現或預計有可能存在危害工程的洞隙時，應加密測點。
4、地下水勘察中的應用
1）確定覆蓋層厚度及基巖起伏形態，確定含水層（砂卵石）的分布、厚度、埋深，選用高密度電法、電測深法、電磁法。
2）探測地層富水性能，用激發極化法。
3）古河道、山前洪積扇地下水的調查，選用高密度電法、電阻率測深、電阻率剖面、瞬變電磁法與可控源音頻大地電磁測深法。
4）在砂泥巖地層分布中探測砂巖孔隙、裂隙水，選用電阻率法和激發極化法。
5）探測基巖構造裂隙水，尋找構造位置，選用電磁法、電法、放射性法、地震法。
6）探測基巖風化殼厚度及富水性，選用高密度電法、電測深法與激發極化法。
7）巖溶地下水的探測，選用電阻率測深法、激發極化法、電磁法、探測斷裂構造，可選擇電法、地震及放射性綜合物探方法。
·工作布置原則
1）在平原區和河谷地區，剖面方向應垂直於河流方向布置
2）山前洪積扇地區，剖面方向應垂直於地下水徑流方向布置
3）探測儲水構造剖面應垂直於構造走向布置，剖面長度應大於構造寬度
4）一般應有3條平行剖面來探查古河道、構造的走向及含水層的分布特徵。
5）點距一般為10—20m，巖溶5—10m
5、工程測試應用
·巖土體物理力學參數測試
測試參數：縱波速度VP、橫波速度VS、瑞雷波速度VR
測試方法：波速測試：單孔法、跨孔法、面波法
聲波測井：單孔法、跨孔法
相關參數：
土層等效波速
場地卓越周期：
動泊松比 μd
動剪切模量
動彈模量 VSe
風化速度比 Kw=VP /VPr
完整係數
應用
場地土類型和場地類別劃分
場地土類型劃分
場地土類型
堅硬場地土
中硬場地土
中軟場地土
軟弱場地土
土層剪切波速
VS＞500
500≥VSe＞250
250≥VSe＞140
VSe≤140
場地類別劃分
場地土類型
覆蓋層厚度d0v
0
0＜d0v≤3
3＜d0v≤9
9＜d0v≤80
d0v＞80
堅硬場地土
Ⅰ
中硬場地土
Ⅰ
Ⅰ
Ⅱ
Ⅱ
中軟場地土
Ⅰ
Ⅱ
Ⅱ
Ⅲ
軟弱場地土
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
場地卓越周期
場地類別
土的名稱
卓越周期
Ⅰ
穩定巖石
0.1～0.2
Ⅱ、Ⅲ
一般土層
0.15～0.4
Ⅳ
鬆軟土層
0.3～0.7
洞室圍巖類別
圍巖類別
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
Ⅵ
縱波速度（km/s）
＞4.50
3.5～4.5
2.5～4.0
1.5～3.0
1.0～2.0
＜1.0
巖石的風化程度
風化帶
未風化
微風化
中風化
強風化
全分化
波速比Kw
0.9～1.0
0.8～0.9
0.6～0.8
0.4～0.6
0.2～0.4
巖石完整性
完整程度
完整
較完整
較破碎
破碎
極破碎
完整性指數Kv
＞0.75
0.75～0.55
0.55～0.35
0.35～0.15
＜0.15
李林元 2016/10/18 10:29:59
s 探地雷達(GPR)技術應用研究
探地雷達是利用超高頻脈衝電磁波（廣譜電磁波--1 MHz~l GHz）探測地下介質的一種地球物理方法，由於具有解析度較高、高效、直觀、連續無破壞性等優點，已成為諸多工程地球物理勘探方法中進行淺層或超淺層精細探測的最有效手段。我國利用GPR開展對巖溶工程地質勘察始於二十世紀八十年代初（李瑋等，1995），經過二十多年的不斷探索、總結和提高，該方法已日漸成熟，同時也積累了許多實例和經驗。隨著信號處理技術和電子技術的發展，探地雷達儀器在不斷更新，其應用範圍也在不斷擴大。目前，在工程地質勘察、工程質量監測、環境汙染調查與監測、災害調查與監測、考古調查、採礦工程等諸方面得到了普遍的應用，在地下障礙物、公路滑坡調查、巖溶、破碎帶、裂隙等複雜地質體以及公路路基填方量檢測等領域也有不少成功的範例（探地雷達中文文獻10餘篇，填寫編號！！！）。國外也很重視用GPR解決巖溶工程地質勘察問題，10餘年來，美國、法國、日本、俄羅斯等先後用GRE技術開展巖溶找水、巖溶塌陷等工程物探工作，取得了一定效果（文獻）。
在公路工程巖溶探測中應用GPR需攻克的關鍵技術問題：
h工程場地特有地球物理特徵研究；
h探地雷達工作參數優化選取試驗研究；
h高頻電磁波在有耗介質中傳播規律研究；
h複雜模型體（裂隙帶、滑坡面、滑體邊界、溶洞等）探地雷達圖像數值模擬和識別研究；
h探地雷達(GPR)多次覆蓋觀測和基於電磁波機制的數據處理方法研究。
具體技術措施：
充分了解勘察場地的地球物理特徵，可做到知己知彼、對症下藥。通常，巖溶與其周圍的介質存在著較明顯的物性差異（介電常數、電磁波傳播速度等），尤其是溶洞內的充填物與可溶性巖層之間存在的物性差異更明顯。這些充填物一般是土壤、水和空氣等，這些介質與可溶性巖層本身由於介電常數不同形成電性界面，電性介面的存在及強弱是能否精確實施GPR探測的重要前提。一般說來巖石和土壤的電導率與其含水量、溼度、密度及礦物成份等有著密切的關係，兩種介質間的相對介電常數差別越大，則反射的電磁波能量越多。因此，將加強對工程場地特有地球物理特徵的試驗研究，收集可能的鑽探取芯、電化學分析等資料。
巖溶常常是隱伏的，可溶性巖層上有時覆蓋有粘性土、砂性土、卵礫石土及混凝土等情況。為此，將注意利用其他物探方法，進行對覆蓋層的巖性、厚度、含水量的研究，以判定是否滿足雷達探測的要求；另一方面，裸露巖石也將考慮巖石的潮溼、風化、完整程度等因素，為實際施工中的優化參數設計打下基礎。
高頻電磁波在有耗介質中傳播十分複雜，將從雷達波的運動學和動力學特徵上來建立數學物理模型，進行理論和實際試驗研究。事實上，電磁波在地下介質中傳播，其能量將因介質的吸收而損耗，特別是在高電導巖性介質中，如在含水多、含鹽度高的巖石或土壤中損耗更大。依託已完成的國家自然科學基金項目有關電磁場傳播理論成果，我們將進行探地雷達的多次覆蓋觀測和基於電磁波機制的數據處理方法研究，土（巖）層對電磁波的吸收，將影響GPR信號的信噪比和穿透深度，將考慮借用反射地震中的多次覆蓋觀測技術，在巖溶區試驗用展開法進行GPR觀測，獲得多偏移距數據，研究大偏移距速度分析和動校正問題。基於電磁波在地下介質中傳播時實際服從的是有傳導電流項的麥克斯維方程(而不是聲波方程)，將進行直接用麥克斯維方程正演模擬和處理地質雷達數據的研究。
研究中將本著從已知到未知的原則，先對已知區的異常進行分析，了解不同條件下巖溶的雷達波組特徵，建立工區的典型異常解釋模型，從而推斷隱伏區的巖溶發育情況。此外，在項目研究中將重點開展複雜模型體（裂隙帶、滑坡面、滑體邊界、溶洞等）探地雷達圖像數值模擬和巖溶地區探地雷達的圖像特徵識別研究，包括裂隙發育帶的識別標誌、滑坡面和滑體邊界的圈定準則等。探地雷達圖像的特徵可分為溶洞本身和與溶洞有地質聯繫的兩種類型，前者發生在基巖中，視其中的充填情況而具有反射或多次反射及波的強吸收特徵；後者則與溶蝕巖上方的覆蓋層有關，圖像特徵比較複雜。因此，在巖溶地區進行地質雷達探測，將結合具體的地質和水文條件，加強理論數值模擬和實際試驗對比研究。
注重多種物探方法的綜合應用研究，利用地質雷達只能獲得被測目的體的頂板反射波，一般情況下難以獲得目的體的底界反射，擬綜合利用物探方法實現方法間的互補，最大限度地克服地質雷達方法的局限性。
在探地雷達時間剖面中，巖溶的雷達反射波組與基巖之間差異較大，雷達不僅能拾取溶洞等形態較大反射波，有時對溶蝕現象也有不同程度的反應。總之，地質雷達作為一種非接觸式的物理探測方法，已被廣泛地用於公路工程方面，車載天線一天可以檢測300公裡以上，與幾年前檢測公路主要靠打鑽取樣的效率形成天壤之別，擬利用我校已有的地質雷達裝備，在快速檢測階段用剖面法進行高效GPR測量，在精細探測階段研究巖溶的三維雷達成像。GSSI推出的 Path Finder本身就是三維成像雷達，集兩個發射天線和四個接收天線於一體，構成一個三維體探測系統可進行全方位暗穴探測；課題組從事的地震勘探中三維勘探的理論與方法，將為GPR的3D採集、處理和解釋提供技術基礎，必將提供描述巖溶的立體信息。