工程地球物理

中文名

工程地球物理

外文名

engineering geophysics

所屬學(xué)科

物理學(xué)

應(yīng)用學(xué)科

地球物理

應(yīng)用領(lǐng)域

工程地球物理

將地球物力方法用于獲得民用工程的資料。海洋測(cè)探、地震反射和折射、側(cè)向掃描聲納、重力、磁法、電法及取樣法都可以使用。常用淺層折射來(lái)求基巖深度。在水區(qū)可用大功率回聲探測(cè)儀、電火花、空氣槍及別的高頻地震反射(高至5kHz)法來(lái)取得淺層界面反射，由此可列斷基巖及充填液體的性質(zhì)。這些方法也可用來(lái)確定海底或探埋海底的大型管線位置，只要探清它們所產(chǎn)生的主繞射。

engineering geophysical exploration

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(chēng)工程物探。由于各種巖石或地質(zhì)體在密度、磁性、導(dǎo)電性、彈性、放射性等物理性質(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?zhuān)粤私獾叵碌刭|(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。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(guò)界面進(jìn)入下部地層。唯有入射角θ1（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υ1與υ2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υ2）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(chēng)其為折射波。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?chē)薪邮詹坏秸凵洳ǖ膮^(qū)域稱(chēng)為盲區(qū)，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(chēng)為反射波法，利用折射波的稱(chēng)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(lái)工程勘察部門(mén)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(lái)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(jiàn)彩圖）。反射波法還可探查巖溶洞穴。

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電法勘探 　方法種類(lèi)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(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(chēng)為電測(cè)深法，后者稱(chēng)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。

②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(lái)測(cè)定地下水的流向流速及追索巖溶暗河等。

③自然電場(chǎng)法是測(cè)量地層過(guò)濾吸附作用造成的滲透電場(chǎng)，用來(lái)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(kù)的滲漏地段和巖溶。

④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(kù)滲漏方面的探查工作。

⑤甚低頻法、無(wú)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?chē)嬖诘膸r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） 的速度以及傳播過(guò)程中能量的衰減等特征，從而求得巖土體的動(dòng)態(tài)彈性系數(shù)，評(píng)價(jià)巖土體的力學(xué)特性。此法與地震勘探不同，它多數(shù)是利用直達(dá)波。彈性波測(cè)試可為巖體的工程地質(zhì)分類(lèi)提供依據(jù)，測(cè)定地下洞室圍巖的松弛范圍，進(jìn)行灌漿效果的檢查，壩基建基面和樁基質(zhì)量的無(wú)損檢測(cè)，還可為工程建筑物的抗震設(shè)計(jì)和砂層液化研究提供參數(shù)?！y(cè)井 　各種地球物理探測(cè)技術(shù)在鉆孔中的應(yīng)用。工程物探采用的測(cè)井方法主要有：①電測(cè)井，包括電阻率與自然電位測(cè)井；②聲測(cè)井，包括聲速和聲幅測(cè)井；③放射性測(cè)井，包括自然伽瑪、伽瑪-伽瑪、中子-伽瑪測(cè)井和放射性同位素示蹤等；④溫度測(cè)井；⑤超聲成象測(cè)井；⑥電磁波測(cè)井。此外，還有利用工業(yè)電視設(shè)備對(duì)孔壁直接觀察的鉆孔電視以及對(duì)鉆孔直徑和井斜的測(cè)量等。測(cè)井方法的綜合運(yùn)用，可以詳細(xì)劃分鉆孔地質(zhì)剖面，探測(cè)軟弱夾層，確定斷層及裂隙、破碎帶的位置與產(chǎn)狀，測(cè)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(cè)定地下水的礦化度和流速、流向等。

此外，水利工程勘察中應(yīng)用還不很普遍的幾種物探方法有：放射性勘探是在地面測(cè)量放射線強(qiáng)度以探查斷層或進(jìn)行環(huán)境放射性污染的檢測(cè)；微重力勘探是利用微重力儀測(cè)量重力場(chǎng)異常以探測(cè)巖溶洞穴等地質(zhì)現(xiàn)象；磁法勘探是測(cè)量地磁場(chǎng)異常以探查含磁性礦物的地質(zhì)體。

各種物探方法均有各自的特長(zhǎng)，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(cè)效果，必須針對(duì)具體的工作任務(wù)，因地制宜，選擇幾種有效的方法進(jìn)行綜合物探。

物探方法的理論基礎(chǔ)是物理學(xué) 。將物理學(xué)原理和方法應(yīng)用于地學(xué)，發(fā)展成了地球物理學(xué)；而其應(yīng)用于找礦和勘探，又發(fā)展成了應(yīng)用地球物理學(xué)。具體說(shuō)來(lái)其基礎(chǔ)理論包括：地磁場(chǎng)、地電場(chǎng)、重力場(chǎng)、彈性波、放射性同位素等理論。地球物理勘探方法研究的是地球物理場(chǎng)或某些物理現(xiàn)象，而不是直接研究巖石或地層，這是完全不同于地質(zhì)方法的。地球物理勘探方法不僅可了解地表或近地表的地質(zhì)現(xiàn)象，而且通過(guò)場(chǎng)的研究，還可獲得深部地質(zhì)現(xiàn)象的信息。主要要有重力勘探、磁法勘探、電法勘探、地震勘探、放射性勘探以及某些參數(shù)的物理測(cè)井的方法。

早在17世紀(jì)人們便嘗試用羅盤(pán)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(lái)，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。