⑴ 面波技術
一、緒言
1885年Rayleigh爵士第一次證明了面波的存在。與近地表地震有關的面波類型有兩種，即瑞雷波和勒夫波。斯通利波是第三種類型的面波，但它只能在地下界面上觀測到，在地表自由界面處是觀測不到的。面波的簡單數學推導已由Grant 和West在1965年給出。一般我們認為上面定義的這兩種波是獨立存在的，但是在某些特定的邊界條件和距離以及觀測系統下它們的水平分量可以相互轉化。此問題已超出了這門課所涉及的范圍，此處不做詳細討論。
實際上，面波振幅隨著深度增加大致上呈指數衰減。這種振幅隨深度增大而急劇衰減的性質正是它們被稱之為面波的原因所在。在界面處它們的振幅隨著傳播距離的加大近似的以的關系衰減。
面波研究的下面兩個結果表明，地球為層狀且是非均勻的。
1）理論上，勒夫波的存在必須滿足下列兩條件之一：即速度必須是單調遞增的或者在界面之上必須存在低速層。圖2-3-1表示了一個發育較好的勒夫波在低速層中的傳播的情況。該地震記錄使用重錘作為震源，水平檢波器作為接收裝置。S波折射表明這個低速層僅有幾英尺厚。勒夫波初至在記錄的下半部分中最為顯著。
圖2-3-1 低速層中的勒夫面波
2）事實上，勒夫波和瑞雷波均能發生頻散現象。因為波長大的波穿透深度深，而通常深層的速度較高，所以最大波長的波最先到達檢波器。當速度隨著深度的增加而增加的幅度越大，則頻散現象就越厲害。例如：圖2-3-2 中的左半部分頻散較右半部分頻散要小，深入觀察圖的左半部分，我們發現面波中存在兩個清晰的層位。偏移距1 m處記錄時間為30 ms到偏移距為20 m處記錄時間為230 ms的波至可以證明上層為一低速層，其相速度約為100 m/s。而偏移距1 m處記錄時間約為100 ms到偏移距為25 m記錄時間為150 ms的波至可以證明下層為一高速層，其相速度約為480 m/s。這兩個波列在5～15 m偏移距的距離之間相互干涉，在此范圍之外長波長的波率先到達。
圖2-3-2 不同面波頻散情況的對比圖
要注意的是，這些相速度分別為直達波和折射S波速度的90%左右。有時這兩種不同的面波波列會出現在記錄上，每一種產生於不同的地層。圖2-3-2的左半部分是說明此問題的一個很好的例子。
根據先前的例子我們發現，通過研究地震記錄上的面波和簡單計算有時可以獲得有用的地質信息。然而，面波通常被勘探地震學家認為是無用的雜訊。但不管怎麼說，土木工程師已經開始運用面波（尤其是瑞雷面波）來研究淺層地表的工程力學性質。利用面波譜分析法（Spectral analysis of surface waves，簡寫為SASW），通過正演模型或反演面波速度的方法，可以獲得近地表物質的剛度系數剖面。運用這些頻帶較寬的瑞雷波，可得到不同深度上的結果。
通常科學文獻中都普遍認為面波速度約為介質S波速度的0.92倍，但它忽略了與面波有很大聯系的頻散現象。從某種程度上說，對於泊松比為0.25的介質（典型的堅硬岩石，如：花崗岩、玄武岩和灰岩）0.92倍關系是成立的，但事實上這種層是不存在的；對於泊松比為0.0的介質，面波速度應為S波速度的0.874倍；而對於泊松比為0.5的介質，則應是0.955倍；對疏鬆物質，泊松比常介於0.40～0.49之間，一般假設瑞雷波速度為S波速度的0.94倍，這種假設誤差小於1%。
盡管我們常常認為瑞雷波速度與P波速度不相關，但是別忘了P波速度是決定泊松比的諸多因素之一。只是，瑞雷波速度對泊松比的依賴性較小，因此對P波速度的依賴也較小。
面波的頻率一般比體波要低，尤其在近地表研究中，由於體波的傳播路徑相對深層來說比較短，高頻成分還沒有被衰減掉。結果利用簡單的低截頻濾波器，就可以將面波從近地表的反射中消除。圖2-3-2是一個極好的S波和面波的頻率不同的例子。直達波和折射S波的主頻在60Hz以上。淺層中的勒夫波的主頻為40Hz以下，而穿透底下高速層的勒夫波的主頻在25Hz以下。
像管風琴有許多振型一樣，面波也有許多振型。然而，通常基振型是最為重要的。Rix et al（1990）通過實驗證明，16Hz時測區質點位移的73%由基振型提供，而在50Hz時則有87%為基振型所提供。
二、面波類型
1.瑞雷面波
瑞雷波為垂直極化，其質點的運動軌跡在極化平面內為逆進橢圓。也就是說，在橢圓路徑的頂部，質點位移的方向指向震源。對於一個離爆炸點數百米以外的觀察者來說，幾十磅葯量的高能炸葯所產生的瑞雷波，波的通過會讓人產生一種「地滾動」的感覺，因此，瑞雷波常常被稱為「地滾波」，實際上面波大都如此。
在大多數情況下，面波在地面的傳播僅限於一個波長范圍之內。在某一深度處瑞雷波的振幅為零。當大於這個深度時，質點將會產生較小的反方向運動，並且呈順時針橢圓運動方向。振幅為零點所在的面被稱為波節面，其深度大小取決於泊松比的大小，例如：泊松比為0.25時，波節面位於地表以下0.19倍波長處，而當泊松比為0.45時，波節面則位於地表以下0.15倍波長處（從Grant and West，1965，所呈現的圖上計算得出）。
一般認為瑞雷波的運動主要是垂直方向，這是由於其與在野外工作時一般採用垂直檢波器能夠觀測到的地滾波有關。然而水平運動分量也同樣是存在的，它是在與炮點和檢波點所在平面相互垂直的平面內來回振動，向外傳播。在所有深度上的水平和垂直運動之比同樣也取決於泊松比。例如，對於我們經常使用的地表或近地表的檢波器來說，泊松比為0.25的介質，瑞雷波的垂直和水平振幅之比為1.25，而對於泊松比為0.45的介質，比值則為1.7。
前面兩段中我們所給出的數字，是在假設介質為彈性半空間介質時得到的。而實際上，它們在均勻介質的厚度達到地震記錄上最大波長的4～5 倍時仍可使用。當檢波器的埋置具有一致性，並且調節這些檢波器方向的裝置工作是正常時，泊松比可直接由瑞雷波水平和垂直分量的相對振幅決定。表層不均勻和均勻層厚度較小的情況比較復雜，此處不做詳細討論。
在地震記錄上，零偏移距處瑞雷波振幅亦並非為零。1904年，蘭姆證明了在自由界面處體波的彎曲波前的繞射可以產生瑞雷波。結果導致在體波到達地表並在炮點上方一小塊體積上開始繞射之前，瑞雷波是不能向外傳播的。所以減小瑞雷波的一種方法就是增加震源的深度。同樣，由於需要一個彎曲的初始波前面，因此在平面波波動方程的求解中，瑞雷波是不會出現的。
圖2-3-3 瑞雷波的頻散實例
在無限半空間均勻介質中，瑞雷波速度僅取決於介質的性質，此時無頻散現象。當地下為層狀介質或存在速度梯度時，這時瑞雷波速度隨波長的變化而變化。因此，面波的頻散就意味著地下為層狀介質或存在速度梯度。
圖2-3-3是頻散瑞雷波在低速層中傳播的一個例子，從圖中也可看到直達波和縱波。值得注意的是在大偏移距處瑞雷波的穿透深度隨著波長的加大而加大。
先前我們已經注意到，查看地震記錄可以發現一些有用的地質信息。圖2-3-3中的地震記錄右邊三分之一的折射波初至受到干擾，並且這種干擾也影響了瑞雷波，在圖中作為附加例子標明。雖然地滾波在地質性質劇烈變化地區附近將表現出明顯的擾動，但是有時即使在沒有什麼明顯變化的前提下，也會存在明顯擾動，原因是地形變化引起的靜校正有時會產生同樣的效果。數據中這些擾動的重要性有時通過檢查沿測線的地形測量數據可以得到確定。
圖2-3-4是一個相對無頻散瑞雷波的例子，波自炮點向外傳播24m，記錄時間從15ms開始到145ms結束。注意波傳播過的介質是均勻的。
2.勒夫波
勒夫波猶如「通道波」，它僅在水平方向運動，並且運動方向與波傳播方向垂直。勒夫波其本質是多樣的，它源於表層為低速層時 S 波的全反射。沒有低速層勒夫波便不能傳播。圖2-3-5 中右半部分地震記錄采自於堪薩斯州，曼哈頓附近，穿過TuttleCreek水庫的泄洪道，檢波器置於剛因洪水沖刷而裸露出來的灰岩之上。灰岩層厚約2m，上覆有頁岩與灰岩層序交替變化的厚層岩石。注意到整個記錄都沒有相乾的勒夫面波鏈出現。圖中左半部分地震記錄采於堪薩斯州的勞倫斯附近一個具有相似厚度的頁岩與灰岩交替變化層，檢波器置於頂部的風化頁岩之上。注意勒夫波中頻散的走向。
圖2-3-4 均勻介質中無頻散實例
圖2-3-5 低速層中的勒夫面波及其頻散特性示意圖
過去，勒夫波在很大程度上被天然地震學家用於測量地殼結構。現今，一些人已經嘗試著將勒夫波用於橫波（S波）勘探中的近地表靜校正之中（Mari，1984；Song et al，1989）。Lee和McMechan（1992）曾利用勒夫波後向散射回波對近地表非均勻介質進行了成像。
勒夫波與瑞雷波相同在非零偏移距處振幅亦不為零。由於勒夫波來源於低速層底部的反射，所以從炮點到界面並最終被地表檢波器所接收需要一段時間。勒夫波的這種特性或許可用來評價近地表地質狀況，但據我們所知，有關這方面的研究很少。
一般地，在地震記錄的每個部分中都可看到勒夫波，這一事實可很好的證明地球是層狀的，並且許多地方勒夫波速度都是隨深度增加而增加的。由於勒夫波必須在層狀介質中傳播，並且有頻散現象，所以可以根據這種性質來提取有關上覆層厚度、速度及層數的信息。最短波長的勒夫波速度與速度最低層中的S波速度成正比，而最大波長的勒夫波與最深層介質中的S波速度成正比。頻散現象使得勒夫波振幅隨距離的增大衰減稍加變快，約為。
三、頻散曲線
瑞雷波勘探的直接成果是瑞雷波頻散曲線，頻散曲線的特徵及其變化與地下條件，如各層的厚度，波速等密切相聯系。此處給出這種變化的大致規律，並討論影響瑞雷波頻散現象的因素和幾種常見異常曲線產生的原因。
1.層狀介質中的頻散曲線特徵
對於無限半空間均勻介質，瑞雷波速度僅取決於介質的性質，此時無頻散現象，瑞雷波速度隨波長（或頻率）的變化呈一條直線，如圖2-3-6。
當地下為層狀介質或存在速度梯度時，這時瑞雷波速度隨波長（或頻率）的變化而變化，即存在頻散現象。圖2-3-7是瑞雷波在二層介質中傳播時的頻散曲線，圖2-3-8是多層介質中的頻散曲線。從圖中我們不難看出，曲線變化在「整體上」大致呈單調變化，即相速度隨波長的增加而增加，隨頻率的增加而減小，但存在著「局部」的變化，往往這些局部變化中，包含了豐富的層位信息。
圖2-3-6 無限半空間均勻介質
圖2-3-7 二層介質頻散曲線
2.影響頻散曲線的因素
正如前文所述，瑞雷波勘探的直接成果為瑞雷波頻散曲線，頻散曲線質量的高低又影響著反演結果，所以在此我們有必要討論一下影響頻散曲線的因素。
通俗地說，頻散曲線是從野外地震記錄中面波信息的提取而得到的。所以，野外面波勘探中地震記錄的好壞直接影響著頻散曲線質量的高低。對某一測區而言，vR與採集方式和參數無關，只同介質特性有關，它的頻率特性同地球介質的不均勻性有關，數值上接近於剪切波速度。因此，一般而言，vR的變化范圍是一定的，影響波長大小的因素很大程度上取決於面波的頻率成分。低頻面波的傳播特徵反映了深層的信息，高頻分量的特徵則反映了淺層信息。這表明，頻率成分是影響瑞雷波勘探的決定性因素，數據採集時應針對不同勘探目的層深度盡可能地選取不同激發方式和採集參數，以增強相應頻段的面波能量。如果勘探深度很淺（如公路路面檢測），則要求頻率盡可能高（數百周左右），如果勘探深度較大（大於10 m），則要盡可能保留低頻成分。在瞬態瑞雷波勘探中，影響面波頻率成分的因素主要有以下幾個方面。
圖2-3-8 多層介質頻散曲線
（1）震源的激震頻率
最好使用寬頻帶的脈沖震源，特別是在進行較深目的層勘探時，要求能激發出特別低頻的能量。
（2）接收檢波器的頻響特性
在理想情況下，面波勘探用檢波器的頻響特性應有從零到數百甚至上千周的寬頻特性，這是常用地震勘探檢波器所達不到的，因此應開發適用於面波勘探的寬頻檢波器。
（3）記錄系統的頻率響應
目前的地震數據採集系統一般都有幾周到幾千周的頻率響應特性，因此基本上能滿足面波勘探要求，但在採集時應注意濾波檔的選擇。
（4）時間采樣率的影響
根據采樣定理
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時間采樣率愈高，滿足假頻定理的高頻成分也就愈高，同時傅氏變換後頻率域的頻率解析度也愈低，即時間域的Δt愈小，頻率域的Δf愈大。我們已經講過，在一定的深度范圍內相速度的變化范圍是固定的，且往往不會超過一個數量級，但面波的頻率成分則從幾周到數百周，在極淺層勘探中甚至達到千周以上。因此由（2.3.1）式可知，當f以等間隔Δf增加時，低頻段不同f對應的λR數值相差很大，而高頻段不同f對應的λR數值相差則很小，這就產生了通常瞬態瑞雷波勘探中λR-vR曲線上頻散點分布極不均勻的曲線特徵：即高頻段點很密，而低頻段點特別稀少，十分不利於深層勘探的處理和解釋。
這就要求數據採集時根據不同的勘探目的層確定時間采樣率，對於淺層和極淺層勘探來說，宜採用較高的時間采樣率，而對於較深目的層的勘探則應採用低采樣率，以增加頻散曲線上低頻段的頻點數提高深層勘探的解析度。此外解決這一問題的另一種方法是FFT變換時增加點數，從而實現增加頻散曲線上低頻段f的頻點數，或者專門進行細化處理。
除了上述與頻率直接有關的因素對瞬態瑞雷波影響之外，以下因素對瞬態瑞雷波勘探也有較大的影響。
（5）空間采樣率的影響
眾所周知，在反射地震勘探中，空間采樣率不僅同橫向解析度有關，同時也與縱向解析度有關。瑞雷波勘探中，頻散效應反映的是兩個接收點之間介質的平均效應，這表明，空間采樣率越小對介質橫向變化的特性刻畫越仔細，即橫向解析度愈高；另一方面，空間采樣定理要求滿足
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如果不滿足上式，在波數域數據處理時就會出現空間假頻；再者，即使我們不做波數域的數據處理，單從相移計算的可靠性來說，也要求滿足Δx≤λR，否則所求兩道間的相移就不是同一頻率面波之間的相位差，從而得出錯誤的頻散曲線。這就說明，空間采樣率對垂直解析度有影響，因此在設計採集參數時這一點要特別引起注意，特別是對淺層目標進行探測時（如高速公路路面檢測），勘探深度可能只有幾十公分，而速度又較高，就容易出現不滿足（2.3.2）式或Δx≤λR的情況，這時Δx要根據下面的原則確定。根據半波長的經驗依據以及空間采樣定理（2.3.2）式或Δx≤λR，則要求Δx滿足Δx≤h或Δx≤2h，才能分辨h深（或厚度）的地層。
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（6）多道接收時道一致性的影響
根據瞬態瑞雷波勘探的原理，只有相鄰道檢波器接收的信號有較好的相關性時，才有可能取得好的勘探效果，因此要求接收用檢波器要有良好的振幅和相位一致性，否則，道間相關性差（包括幅度和相位）就會引起頻散曲線計算上的誤差，並引起解釋上的錯誤。
（7）非勘探目標物體的影響
如場地周圍的建築及表土以下很淺處的障礙物（如牆壁基礎）會產生反射面波，影響頻散曲線的計算值。
上面的幾個因素都有可能引起多道面波記錄中道與道之間相關性變差（包括幅度和相位），這種道間的不一致在計算頻散曲線時會產生計算的錯誤。
3.幾種異常曲線分析
1）圖2-3-9所示頻散曲線中，λR等於常數或近似於常數的一段頻散曲線，顯然是一種異常情況。由λR=vR/f得，，對於A段曲線來說，由於λR等於常數，則f成為vR的線性函數，又因為：Δφ=，則對於A段頻散曲線而言，Δφ對於所有的f都等於常數。由此我們可以知道出現頻散曲線中A段異常的原因是相移Δφ等於常數產生的，顯然這是不正確的。
2）圖2-3-10所示頻散曲線中，隨著頻率降低vR值迅速減小，是一直受干擾極為嚴重的結果。它的特點是面波速度明顯低於正常地層波速。產生這種結果的原因肯定是相移Δφ計算誤差造成的，而Δφ計算的誤差又是由面波受到嚴重干擾或兩個檢波器不一致造成的。
3）圖2-3-11a、b中頻散曲線中的斜直線段。圖2-3-11a的頻散曲線完全是一個斜直線段為主的曲線；而圖2-3-11b則是由正常頻散曲線和斜直線段同時出現構成的。下面我們分析出現這種情況的原困。我們可以用下面的函數關系描述斜線段：
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這里，K、vR0為常數，又λR=vR/f，則vR=vR0+K·，變換後得=vR0，又根據vR=得
圖2-3-9 異常頻散曲線段A
圖2-3-10 異常頻散曲線
圖2-3-11 規則干擾產生的頻散曲線
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（2.3.5）式表明：Δx與f成正比。根據傅立葉分析理論我們知道，如果信號f2（t）僅僅是f1（t）的延遲形式，那麼在它們的互功率譜中，共同頻率分量之間的相位差剛好與它們的頻率成正比，而它們的幅度是一樣的。由（2.3.5）式知，Δφ也與頻率成正比，即產生斜直線段的兩個記錄是相同的非頻散的。因為地震記錄中直達波、折射波是非頻散的，所以出現斜直線頻散曲線的原因是直達波、折射波能量太強，因此要在數據採集時注意消除和削弱這種波。
其他一些方法對於提高頻散曲線質量也是可用的，包括有f-K濾波（Al-Husseini et al.，1981），窄頻帶濾波（Mari，1984；Herrmann，1973），和p-ω法（McMechan and Yedlin，1981；Mokhtar et al.，1988）。
四、面波譜分析方法（SASW）
瑞雷波的使用最具發展前景的是利用面波譜分析法去進行工程地質場地評價（Stokoe et al.，1994）。此法已被運用在公路質量評價和土木工程中對地下幾米深內物質剛度測量之中。通過使用不同的范圍的波長，可以對不同深度的介質進行采樣。
SASW法是從穩態瑞雷波法中演化而來，這種穩態瑞雷波使用一個給定頻率的激振器作為震源，將單個垂直檢波器自震源點逐步向外移動，最終被埋置在連續的同相位處。此時，地震波與檢波器間的距離為一個波長。如果已知頻率和波長，便可得對應此頻率的速度。
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因為不同波長反映不同深度的性質，所以通過改變頻率不斷測量波長，來建立一條速度剖面，這是可能的。但此技術的缺點就是很耗時間。
利用掃描頻率和多道接收的技術在1994年已經開始被使用。信號通過快速付氏變換到頻率域，在頻域中計算各種頻率的相位差，旅行時間差通過下式給出：
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對於各種頻率而言，其中φ（f）是相位差，單位為弧度；f是頻率，單位是赫茲；
當已知檢波器間的距離d時，各種頻率的瑞雷波速度可由下式計算得到
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瑞雷波波長為：
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對於各種頻率，這些計算結果將被畫成v-λ圖。
通過與正演模型所得理論曲線的比較和匹配，並且經過一定的反演程序來提取出剛度參數模型。
五、多道面波分析技術（MASW）
多道面波分析是一個相對較新的技術，Miller et al.和Xia et al.等已經成功地使用了此技術解決了一些生產實例。該技術包括以下幾方面的優點。
1）震源具有攜帶型，可重復使用的性質，並可產生有效能量為寬頻帶的（2～100Hz）瑞雷面波。
2）用來提取、分析一維瑞雷波頻散曲線的處理程序具有穩定，靈活，好用和准確的特點。
3）利用廣義線性迭代反演方法結合最少的假設求得的一維近地表橫波速度剖面，具有演算法穩定、靈活等特點（Tian G.et al.，1997 and Xia J.et al.，1999）。
4）構建了一個二維橫波速度場。
5）其觀測系統與CDP方法類似，為一次勘探中同時利用體波反射和面波信息提供了基礎（Gang Tian et al.，2003）。
利用掃描震源（如可控震源）或脈沖震源（如重錘）來獲取面波是很容易的。對於多道分析，原始不相關的數據是最合適的，因此，如果當頻率和振幅能達到勘探目的需要時，使用掃描震源則更為可取。另一方面，脈沖震源數據需要被分解成掃描頻率格式來顯示頻散地滾波的相速度和頻率的關系。MASW方法基本的野外裝置和採集程序與傳統的反射波法勘探中的共中心點（CMP）測量是一致的，且在一些原則上具有相同性。MASW與傳統的瑞雷波勘探在原理上是相同或相似的，只是在野外工作時採取不同的裝置，以及室內處理採取不同的計算和解釋方法。以下簡單介紹一下MASW法中所使用的一些參數的選取原則。
1.近偏移距（Near offset）
好的地震波記錄要求野外裝置和採集參數適合於記錄基振型瑞雷波，而不適合於其他類型的聲波。由於近區場的影響，瑞雷波自震源向外傳播某一距離後才可以被認為是水平旅行的平面波。
面波以平面形式傳播並不是在任何情況下都能發生，它必須滿足最小偏移距（x1）大於最大需求波長（λmax）的一半，即
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以掃描頻率格式顯示的多道記錄中，近區場效應使得低頻處相位的連貫性較差，而且這種連貫性隨著頻率的增加而降低，如圖2-3-12（b）。不同研究者給出不同x1和zmax的比例關系。通常為人們所接受的是面波的穿透深度約等於波長（λ），而對於能計算出合理vS的最大勘探深度zmax則認為是最大波長（λmax）的一半。因此，公式（2.3.10）應改為
圖2-3-12 用可控源得到的不同質量的面波記錄
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可見，公式（2.3.11）提供了一個很好的選擇小偏移距的原則。
2.遠偏移距（Far-offset）
隨著各種聲波在地下的傳播，面波中的高頻部分很快被衰減，如果最大偏移距太大，則面波能量中的高頻部分將在頻譜中不佔主導地位，尤其是存在體波時，由於大偏移距處高頻面波的衰減造成的體波干擾被稱為遠區場效應。此效應限制了最高頻率處相速度的測量，當根據半波長原理確定初始層數量模型之後，對於特定相速度，頻率的最大值（fmax）成分通常顯示出最頂層的圖像。
公式（2.3.12）可以用於粗略估計最淺層的最小厚度，如果想發現更小的h1，則需要減小檢波器排列或偏移距（減小偏移距x1或減小道間距dx）。為了避免產生空間假頻，dx不能小於最短波長的一半。
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式中：vRmin和λmin表示最小相速度和最小波長，與最大頻率fmax相對應，雖然最終反演的vS剖面可能具有比h1更淺層，但是通常認為對於這些層的vS值是不可靠的（Rix and Leih，1991）。
它們分別是：①連貫性較好；②近區場效應；③遠區場效應。其中偏移距：①27m、②1.8m、③89m。
3.掃頻記錄（A swept-frequency record）
掃頻記錄可以通過直接或間接方式獲得。在准備一條掃頻記錄時有三個參數需要考慮：最低記錄頻率f1、最高記錄頻率f2和頻率—時間坐標的長度T或拉伸函數。而這些參數的選取又必須滿足一定的原則。
最低頻率f1決定著勘探的最大深度，即
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式中vR1是頻率f1所對應的相速度。
最低頻率（f1）通常受到檢波器固有頻率和震源類型的限制，如果zmax不能滿足勘探深度的需要，則需要採用可產生豐富低頻成分的震源或採用更低固有頻率的檢波器。
最高頻率（f2）一般取地滾波視頻率的幾倍，但小於雜訊分析所得頻率的最佳值。
掃頻記錄的長度（T）必須足夠長。近地表性質隨深度變化劇烈時，較長的記錄長度是必要的。而一般情況下，當f1和f2選擇適當時，10s長的記錄便可達到處理需要。
4.拉伸函數（Stretch function）
利用重錘或落重方式獲得的脈沖記錄r（t）可以通過拉伸函數s（t）與r（t）的卷積運算轉化成掃頻記錄rs（t），即
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其中：「*」代表褶積運算。拉伸函數是一個正弦函數，它是時間的函數。s（t）通常選用與可控源勘探相似的線性掃描函數：
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式中f1，f2和T分別表示最低頻率、最高頻率和s（t）的長度。
在實際工作中，這些參數通過一些預先設計好的程序是可以得到合理選取的。
5.頻散曲線（Dispersion curve）
對於獲得精確的vS剖面而言，得到頻散曲線是最關鍵的一步。頻散曲線被畫在相速度—頻率坐標系中（圖2-3-13），兩者的關系通過計算掃頻記錄上各頻率成分線性范圍內的相速度來建立。頻散曲線的精度可以通過分析和去除面波數據中的雜訊來得以提高。從面波地震記錄中利用多道一致性可很好的分離出每種頻率成分，脈沖數據則變換到頻率域進行計算，進而得到頻散曲線。
圖2-3-13 堪薩斯某水壩面波記錄的頻散曲線
6.反演（Inversion）
利用迭代法反演vS曲線（圖2 3 14）需要知道頻散曲線數據、泊松比及密度。廣義最小二乘法使得反演方法可以自動進行，在整個反演過程中，泊松比、密度、層數和 P波速度可以是常數，只有 S 波速度是變數，進行迭代。在迭代法反演中，初始模型作為反演的起始點需要被具體化，它由 S 波速度、P波速度、密度和層數構成。在這四個參數中，橫波速度對迭代法中收斂性影響最大，已經有幾種方法可以確保初始vS剖面計算後收斂的可靠性和精確性。vS剖面中，必須詳細說明在某一頻率時橫波速度（vS）與相速度（vR）的關系（vS=1.09vR），此頻率所對應的深度與波長的關系為
圖2-3-14 迭代反演vS曲線
圖2-3-15 系數 a隨頻率變化情況
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式中a是隨頻率改變僅有很微小變化的系數，它基於圖2-3-15這種廣義模型。
將反演得到的不同距離上的一系列一維vS曲線值，利用繪圖程序（例如Surfer等），可以得到一個二維的vS剖面。圖2 3 16為筆者在堪薩斯大學水壩上所獲得的一條反演橫波速度剖面。
圖2-3-16 某水壩上所得到的橫波速度剖面
⑵ 簡述瑞雷波、拉夫波和斯通利波的特點
瑞雷波是彈性面波的一種，沿自由表面傳播，在近地表的淺部其質點的振動軌跡為逆時針的橢圓，橢圓的長短軸之比為3：2。基本特性有：
1、地層瑞雷波相速度與橫波速度相近。可以利用瑞雷波的波速來求取橫波波速，進而計算岩土層的各種力學參數。
2、振幅隨深度按指數衰減，影響深度約為一個波長，其能量主要集中在半個波長范圍內，故某個波長相速度基本上等於半個波長內各地層的橫波相速度加權平均值。
3、瑞雷波在不均勻的介質中傳播時發生頻散現象。體波在傳播過程中是以極化群形式出現，不發生頻散現象，這一特性是提取瑞雷波信號的先決條件。
拉夫波是由拉夫從數學上給以證明的，該類型的波被稱為拉夫波(LoVe WaVe)。G-wave 一種長周期（40—300秒）的拉夫波。通常只限於海上傳播
斯通利波是一種沿井壁傳播的聲波，當聲波脈沖與井壁和井內流體的界面相遇時就會產生斯通利波。近十幾年來，由於長源距和偶極子陣列聲波儀在測井中的廣泛應用和全波形陣列聲波測井資料中各組分波的處理分析方法的進步，可將斯通利波分離出來單獨研究並應用於測井資料分析。斯通利波技術是評價裂縫及其滲透性的有效方法斯通利波在流體和固體交界處位褽最大,在固體介質中斯通利波有效傳播深度為 GC倍波長,而在流體介質中斯通利波衰減較快...海洋中流體B土層(飽和土)B岩石體系也磂在斯通利波,對該體系斯通利波進行全胑 研究.
⑶ 用matlab編程阻尼最小二乘法反演瑞雷波頻散曲線
沒編出來，用的Fortran
⑷ 瞬態瑞雷波探測原理
瑞雷波沿地表由震源向外傳播，其波陣面是圓柱面。瑞雷面波探測的核心問題是要准確地獲得不同頻率面波的相速度vR，同一頻率的vR在水平方向的變化反映出地質條件的橫向不均勻性，不同頻率的瑞雷波速度vR的變化則反映出介質在深度方向的不均勻性。由於面波相對於體波而言其能量較強、速度較低、頻率較低，容易分辨，因此在揭示地下地層結構的物探方法中具有一定的優越性。
（一）時間差法
在最簡單的情況下，面波以單頻f的諧波形式傳播，距震源為x處的垂向位移可表示為
環境與工程地球物理勘探
式中：ω=2πf是角頻率；φ為相位。沿波的傳播方向，在地面放置距離為Δx的兩個檢波器1和2如圖3-48所示，如上面兩條曲線的第一個峰值代表該波的同一個相位，測出它到達兩個檢波器的時差Δt後，由同相含義有
環境與工程地球物理勘探
這樣
環境與工程地球物理勘探
一般把Δx調整為小於一個波長的長度。
圖3-48 面波法勘查原理
（二）相位差法
如果在同一時刻t觀測到單頻諧波在兩個檢波器處的相位差Δφ，則有
環境與工程地球物理勘探
則
環境與工程地球物理勘探
因而
環境與工程地球物理勘探
（三）穩態方法和瞬態方法
當震源在地面上以一固定頻率f做垂向簡諧振動時，瑞雷波將以單頻（穩態）諧波的形式傳播，根據上述方法可確定相應頻率的相速度vR（f）。改變頻率f，重復測量和計算，即可得到不同頻率及其相應的面波速度，從而獲得vR-f曲線，或者根據波速、頻率、波長的關系（vR=λf）換算成vR-λ曲線。使用穩態（或諧振）震源的方法稱為穩態瑞雷波法。
用瞬態沖擊力作震源也可以激發面波，這種方法稱為瞬態瑞雷波法。地表在脈沖荷載作用下，在離震源稍遠處，P波、S波在地表產生的位移和瑞雷波相比幾乎可以忽略，感測器記錄的基本上是瑞雷波的垂直分量。瞬時沖擊可以看作許多單頻諧振的疊加，因而記錄到的波形也是諧波疊加的結果，呈脈沖型的面波，如圖3-48下面兩條波形曲線所示。對記錄信號做頻譜分析和處理，把各單頻面波分離並獲得相應的相位差，可同樣計算並繪制vR或vR-λ曲線。
⑸ 探測與監測
一、礦井物探技術應用
隨著礦井開采深度的增加和開采強度的加大，煤層底板突水的頻率也日益增加，焦作礦區除了加強水文地質預測預報及井下鑽探工作外，還大力開展了物探技術的推廣與應用，先後引進了礦井直流電法儀、無線電波坑透儀、瑞雷波儀、音頻電透儀、加拿大GEONICS公司TEM47瞬變電磁儀、地質雷達和超低頻遙感地質探測儀，應用效果非常顯著。這里主要研究的是礦井物探技術在防治水方面的應用，另外介紹了超低頻遙感地質探測儀的應用，它和其他物探儀器原理差別較大。
礦井物探技術在礦井防治水方面主要用於探測工作面頂、底板含水層貧富水區域劃分；巷道頂底板及側幫構造帶和富水區；巷道掘進頭前方構造帶和富水區；放水孔或底板注漿孔孔位確定；工作面內部隱伏構造帶、夾矸及薄煤帶位置；煤層厚度快速探測等。以下就各類物探技術的特點和應用效果加以綜述。
1.直流電法
礦井下通常應用三極測深法和對稱四極測深法。根據探測目的不同，直流電法工作裝置形式有多種形式。三極測深法工作裝置形式為A—M-O-N—B（∞），四極測深法工作裝置形式為A—M-O-N—B。兩種方法M、N均為測量電極，用於探測地電場電壓，根據測出的電流、電壓值結合裝置系數就可以換算出地層視電阻率值；A、B均為供電電極，用於向岩層供電。直流電法一般供電極距越長，供電電場分布范圍越廣，探測深度和兩邊輻射范圍越大。通過對不同地點、不同深度地層的視電阻率值進行全方位探測和綜合分析，就可以達到研究岩層、礦體或構造等的目的。
直流電法探測是以煤、岩層的導電性差異為基礎，通過人工向地下供入穩定電流，觀測大地電流場的分布規律，從而確定岩、礦體物性分布規律或地質構造特徵。
直流電法具有方法靈活、理論成熟、抗干擾能力強、儀器簡便的優點，可用於劃分岩層貧富水區域、探測巷道附近構造破碎帶位置、工作面採煤時的易煤層底板突水地段或確定放水孔孔位等。以下為幾個探測實例。
圖3-23為焦作礦區某工作面回風巷直流電法探測富水性區域斷面圖。直流電法探測結果認為，該工作面切巷往外0～100m段採煤時煤層底板極易發生煤層底板突水災害。在生產工程中，實際採煤時到65m處底板發生煤層底板突水，煤層底板突水量達160m3/h。對此及時進行了預測預報，礦井提前採取了防治水措施，該工作面得以安全採煤。該工作面切巷向外0～220m段採煤時煤層底板極易發生煤層底板突水災害。通過對地質資料分析也認為，此段L8灰岩可能與下伏L2灰岩甚至O2灰岩導通，煤層底板突水水源補給充分。井下數據採集重復了3次，結果雷同，因此建議此段跳采。焦作煤業集團公司有關領導研究直流電法探測結果後，決定在220m處重開切巷向外採煤，目前已按新方案安全採煤。
圖3-23 焦作礦區某工作面回風巷直流電法探測富水性區域斷面圖
該圖中較深藍色代表低阻區，可以看出低阻區距巷道底板距離較遠，L8灰岩含水層導高較小。直流電法探測結果認為，該工作面採煤時煤層底板不會發生煤層底板突水災害。實際生產過程中採煤非常順利，證明直流電法探測結果是正確的。
圖3-24 焦作礦區某工作面低阻異常中心區域放水孔布置圖
圖3-24為焦作礦區某工作面低阻異常中心區域放水孔布置圖。根據直流電法探測結果，在該工作面低阻異常中心區域布置了4＃放水孔，鑽孔涌水量為82m3/h。
2.無線電波坑透
無線電波坑透儀可以探測工作面內部隱伏構造帶、夾矸及薄煤帶等異常體，從而為工作面採煤設計提供依據。無線電波坑透技術的原理主要如下：將發射機和接收機分別放置於採煤工作面兩條相對巷道（運輸巷和回風巷）中，利用發射機發出的無線電波在煤層中傳播時被與煤層電性不同的地質體如斷層、陷落柱、夾矸或其他地質體等吸收，造成衰減系數的差異，從而形成接收信號的陰影區。交替變換發射機和接收機的位置，就可以對陰影區進行交會，從而確定異常體位置和大小。
圖3-25為焦作礦區某工作面無線電波坑透探測成果圖。無線電波坑透探測結果認為，工作面切巷到回風巷43號測點和運輸巷41號測點連線處圈定區域為異常區，結合地質資料分析為薄煤帶。經鑽探驗證確實為薄煤帶，因此根據無線電波坑透探測結果，改變原來設計方案，在回風巷39號點和運輸巷40號點連線處（圖中紅線）重開切巷，再開始生產。
圖3-25 焦作礦區某工作面無線電波坑透探測成果圖
圖3-26為焦作礦區某工作面無線電波坑透探測成果圖。無線電波坑透探測結果認為，圈定的回風巷裡段斷層位置與工作面採煤時實際揭露情況完全吻合。
圖3-26 焦作礦區某工作面無線電波坑透探測成果圖
3.瑞雷波
瑞雷波技術探測優點是快速，全方位，施工靈活，定位誤差小。瑞雷波技術探測的原理主要如下：根據不同頻率的瑞雷波沿深度方向衰減的差異，通過測量不同頻率成分（反映不同深度，高頻反映淺，低頻反映深）瑞雷波的傳播速度來探測不同深度煤層和頂、底板岩層及其中的斷層、喀斯特等地質異常體。
圖3-27為焦作礦區某巷道瑞雷波超前探測成果圖。在巷道迎頭瑞雷波技術超前探測時，發現前方20.78～25.28m段為斷裂破碎區，實際鑽探證實為20.35m見斷層，誤差僅為0.43m。
圖3-27 焦作礦區某巷道瑞雷波超前探測成果圖
4.音頻電透
音頻電透視技術是根據CT掃描工作原理，利用兩條相對巷道（如工作面回風巷和運輸巷）交替進行發射和接收，記錄發射電流和接收的一次場電位差，結合工作面幾何參數（寬度、長度等位置關系）計算出每個發射點對應的每個接收點的視電導率值（視電阻率值的倒數），通過多重交會，繪制出工作面內部一定深度范圍內岩層視電導率值的平面等值線圖，從而得知此范圍內富、導水區域平面分布的位置與特徵。音頻電透視技術是以煤、岩層的導電性差異為基礎，通過人工向地下供入音頻范圍內的低頻電流，觀察大地電流場的分布規律，從而確定岩、礦體物性分布規律或地質構造特徵。一般情況下，工作頻率為15Hz時，探測深度大約為工作面寬度的一半，選用的工作頻率越低則電場穿透深度越大。
圖3-28為焦作礦區某工作面音頻電透探測成果圖。音頻電透探測結果認為，該圖中藍線視電導率值為6所圈藍色區域為煤層底板相對富水區，應為煤層底板注漿改造重點區域，需要加密鑽孔；其他區域可少布鑽孔；工作面回風巷116號點與運輸巷19號點連線往外可以不進行煤層底板注漿改造。實際在煤層底板注漿改造時，布置在高導異常區內的鑽孔平均出水量為86.3m3/h，低導正常區內鑽孔平均出水量是37.5m3/h，前者水量是後者的2倍多。工作面回風巷116號點與運輸巷19號點連線往外段打了4個鑽孔，平均水量是8.6m3/h，為相對不富水區。鑽探證實揭露情況與音頻電透探測結果相吻合。
圖3-28 焦作礦區某工作面音頻電透探測成果圖
5.瞬變電磁
瞬變電磁儀具有布置靈活、探測方向性強、對低阻區敏感、施工快速的優點，可以全方位探測巷道各個方向或工作面內部的相對富水區位置及形態、頂底板構造破碎區，確定工作面採煤時容易發生煤層底板突水地段、煤層底板注漿改造重點注意區域、放水孔位置等。
圖3-29瞬變電磁技術原理圖可以說明，瞬變電磁技術原理是利用不接地回線或接地線源向地下發射一次脈沖磁場，當脈沖結束、發射回線中電流突然斷開後，地下介質中就要激勵起感應渦流場，以維持在斷開電流以前存在的磁場，此二次渦流場呈多個層殼的環帶型，隨著時間的延長，由發射回線附近介質逐步向下及向外擴展，不同時間到達不同深度和范圍。二次渦流場僅僅與地下介質的電性有關，因此利用線圈或接地電極觀測二次場即可了解地下介質的電阻率分布情況，從而達到探測目標體的目的。
圖3-29 瞬變電磁技術原理圖
圖3-30為焦作礦區某巷道瞬變電磁視電阻率圖。在煤層底板L8灰岩中開拓疏水巷時，在迎頭處利用瞬變電磁法，超前探測到迎頭前方33～42m段為相對低阻區，該方法判斷為相對富水區並得到鑽探證實。
圖3-31為焦作礦區瞬變電磁視電阻率斷面圖。利用該方法探測到巷道底板存在隱伏斷裂構造。通過在此布置放水孔，鑽孔涌水量為60m3/h此隱伏斷裂的含水性得到了證實。
圖3-30 焦作礦區某巷道瞬變電磁視電阻率圖
圖3-31 瞬變電磁視電阻率斷面圖
圖3-32焦作礦區某巷道瞬變電磁視電阻率斷面圖。在某運輸巷向下幫側（平行岩層傾向）探測距離110m處有無平行運輸巷走向、斷距為25m的斷層（該斷層為原地質勘探報告推斷結論），利用該方法否定了此處該斷層的存在（110m處為相對高阻），並得到鑽探證實。
圖3-32 焦作礦區某巷道瞬變電磁視電阻率斷面圖
圖3-33焦作礦區某工作面瞬變電磁視電阻率斷面圖。該圖為某工作面運輸巷瞬變電磁45°斜下方探測結果。探測時0～430m段已經完成煤層底板注漿改造，大部分區域顯示為相對高阻，但0～100m段下部阻值不高，認為是注漿改造效果差，需補打少量鑽孔；460～590m段因尚未注漿改造，顯示為相對低阻區，為煤層底板注漿改造重點區域。
圖3-33 焦作礦區某工作面運輸巷瞬變電磁視電阻率斷面圖
6.地質雷達
地質雷達是在礦井井下利用電磁波的傳播時間來確定所需探測反射體（斷層、陷落柱、喀斯特等地質異常體）的距離，它是礦井井下用於超前探測的有力工具。
7.超低頻遙感地質探測儀
北京大學課題組在國家863計劃資助下，研製了超低頻遙感地質探測儀，並於2002年5月成功申請專利，該裝置在石油天然氣勘探和水文工程地質勘探領域獲得較好應用。在煤田瓦斯方面，課題組研究成員已經在河南伊川鄭煤集團公司暴雨山煤礦和登封金嶺煤礦，進行了超低頻遙感地質探測試驗，探測曲線解釋基本正確，反映明顯，具有推廣應用價值。之後在鄭煤集團公司大平礦、超化礦進行超低頻遙感地質探測試驗。目前在鄭州礦區和將在焦作礦區應用。
8.綜合應用評述
直流電法技術主要用於劃分岩層貧富水區域，探測巷道附近構造破碎帶位置，工作面採煤時的易突水地段或確定放水孔孔位等。該方法優點是儀器簡便、理論成熟、抗干擾能力強、方法靈活；缺點是井下數據採集時必須保證電極接地條件良好，體積效應影響資料解釋時對異常區具體方位的准確判斷。
無線電波坑透技術主要用於探測工作面內部陷落柱形態，隱伏斷層構造帶位置，富水性區域，夾矸和薄煤帶等地質異常體。該儀器優點是儀器簡便，對異常區定位效果好，施工快速；缺點是同象異質現象明顯，井下數據採集時需斷開測區內電纜，避免電磁干擾，資料解釋時對異常區的定性判斷仍需與地質資料結合。
瑞雷波技術主要用於全方位探測巷道附近的喀斯特、岩層界面及斷層帶、富水區、裂隙發育區等地質異常體。該儀器優點是全方位、快速、定位誤差小、施工靈活；缺點是資料解釋時「定量」易而定性難，較易引起多解性，井下工作時需多次重復探測，提高結果的可靠性，探測深度較淺，一般不超過40m。
音頻電透技術主要用於探測整個工作面富水性的橫向變化情況和頂、底板岩層岩性。該方法優點是井下抗干擾能力較強，儀器精度高；缺點是資料解釋時對異常區的縱深位置不易准確判斷。
瞬變電磁技術主要用於全方位探測巷道各方向或工作面內部的頂底板相對富水區位置及形態、構造破碎區，確定工作面採煤時的易突水地段或放水孔位置，劃定煤層底板注漿改造重點區域等。該方法優點是適用於各種角度和方位探測，探測方向性強，對低阻區敏感，布置靈活，施工高效；缺點是井下工作時需注意盡量避開大的金屬干擾體，在某些理論問題上需要進一步研究。
礦井地質雷達探測技術的最大優點，既是礦井井下超前探測（探距30～40m）的有力工具，又具有施工點面積小，垂直、水平方向探測均可，探測的精度也比較高；缺點是抗干擾差。
物探技術經過幾十年發展，呈現出應用廣泛、技術豐富、儀器多樣的特點，但各種儀器和技術方法都有自己的適用范圍和優缺點。焦煤集團公司在多年推廣應用上述各種物探技術的實踐中，深感應充分了解各種物探儀器和技術的特點，針對性地使用的重要性。
總之，實際應用時應盡可能採用綜合物探手段，優缺互補，相互取長補短，多種方法並用，對目標體做出正確判斷，盡可能消除多解性，這樣才能滿足礦井生產多方面的需求，使得物探工作快速准確向著定性又定量的方向發展。應當指出，礦井物探技術的發展是幾十年來焦作礦區防治水工作者們積極探索的結果，這和前輩們與地測處防治水中心同行們的集體努力分不開。作者參加了部分實驗與研究工作。
二、焦作礦區井下水位監測系統
隨著礦井水平的延伸和采區的推進，目前大量的水文觀測孔被破壞，部分觀測孔因長期銹蝕而失去觀測價值，使一些生產地區沒有地下水水位資料，直接影響著這些地區的安全生產。往往花費幾十萬元施工的水文觀測孔，僅投入使用1～2個月就被破壞。如果在地面施工水文觀測孔，不僅需花費高額的資金，而且地面觀測孔容易遭受人為破壞。因此，建立井下水位監測系統已成為當務之急。
焦作煤業集團公司採取了許多行之有效的防治水措施，其中地下水位觀測系統的建立就是有效的防治水措施之一。地下水位觀測系統為工程技術人員及時准確地掌握地下水水位變化情況，制訂切實可行的防治水措施提供了依據。特別是當煤層底板突水發生後，地下水位動態變化能為准確判斷煤層底板突水水源，預測煤層底板突水水量的變化趨勢，採取相應的防治水措施提供依據。焦作礦區積極開展防治水工作，通過各種途徑同煤層底板突水災害作斗爭，到目前為止，已連續20年未發生淹井事故，礦井涌水量也由過去的650m3/min減少至目前的280m3/min。
1.水位監測系統
（1）水位監測系統在焦作礦區的發展歷史：20世紀80年代中、後期，焦作礦區就開始建立地面水文觀測孔水位遙測監測系統，但儀器供電電源為電池供電，沒有及時更換電池，而使儀器損壞。另外，野外遙測系統也容易遭受破壞。不易保護。因此，該系統沒有得到推廣應用。
20世紀90年代，因地面觀測孔的急劇減少，又缺乏資金在地面施工水文觀測孔，為滿足安全生產的需要，就在井下施工放水測壓孔，以了解地下水位的動態變化。水位的觀測部分礦井使用壓力表，另一部分礦井使用水位自動記錄。水位自動記錄儀雖然比用壓力表觀測井下水位先進得多，但水位自動記錄儀供電電源為充電電池，數據的存儲模塊必須上井後才能傳輸到微機，才能輸出水位數據，使用起來不方便，且使用壽命短。
21世紀初期，隨著信息技術迅猛發展，現代感測技術的日趨成熟，採用先進的自動監測方法已是大勢所趨。焦煤集團公司與煤科總院撫順分院合作，於2001年成功地在演馬庄礦建立起一套井下水位監測系統，該系統將計算機測控技術、計算機網路技術、遠程數據通信技術融為一體，強有力地實現了遠距離的井下水位數據採集、傳輸、實時數據集中監測、處理。該系統克服了以前水位監測系統的缺點，供電電源採用井下防爆供電電源，實現了全自動實時對井下水位進行監測，具有投資少，精度高，使用壽命長，操作方便的優點。
（2）水位監測系統組成及主要功能：系統由主站（地面監測中心站）和N個分站（井下水壓觀測站點）構成。
主站：由計算機、列印機、遠程數據通信設備及系統應用軟體（含系統控制、數據通訊、數據處理等），設在地面監測中心機房。
主站是通過遠程數據通信設備對井下分站進行遠程式控制制，實時獲取井下各觀測點的水壓數據，同步監測井下各水壓觀測點的水壓變化情況。並通過系統應用軟體將水壓數據進行整理、輯錄、顯示。根據需要利用系統應用軟體生成相關數據報表、繪制各類曲線、圖形、列印輸出等，同時還可以在網上，將相關數據傳輸。
分站：由高精度水壓感測器（或高精度壓力變送器）、數據採集器、數據通訊介面、遠程數據通信裝置、防爆電源、安全保護罩等組成。安裝在井下水壓觀測點。
分站完成水壓數據採集，實現水壓數據的遠距離傳輸。分站系統是通過壓力感測器反映水壓變化的物理量轉換為電壓（電流）形式的模擬量。該模擬量經由放大、模數轉換電路處理後再將其轉換為數字信號，通過數據採集器內置計算機系統對該數字信號進行處理並記錄到存儲器中，完成數據採集。與此同時數據採集器內置遠程通信介面設備也在不斷檢測主站信息。當檢測到主站要求發送數據指令信息時則由數據採集器內置計算機控制，通過遠程數據通信設備將數據採集器記錄的水壓數據發送至主站。
（3）系統主要技術指標
主站：硬體配置：intel P4 2.53 G/256 M DDR/80 G/16 倍 DVD/17 英寸液晶/56 K/100 M/A3幅面激光及彩色噴墨列印機；系統運行環境：Windows98 se/windows Me/win dows2000/windows XP；操作方式：全中文菜單式；觀測方式：實時監測；數據記錄方式：自動、手動任選；測量時間間隔：任意設置；暫存數據：≥1000組。
分站：防爆類型：本質安全型；壓力測量范圍：0～10MPa；感測器精度：±0.3%F·S；解析度：2.0cm；通訊距離：＞500m；傳輸速率：＞300pbS；分站個數：1～255（255Max）；環境溫度：0～+40℃。
2.井下水位監測系統使用情況
焦作礦區演馬庄礦於2001年12月建立了井下水位監測系統，由於資金等原因，當時僅設立了兩個分站，即在該礦25采區下山施工兩個測壓孔（L8灰岩含水層），安裝SY1151壓力感測器，SY-1型數據採集器，數據通訊口，防爆電源。水壓數據經通訊電纜傳輸到地面主站，再根據用戶的需要，利用系統應用軟體生成相關數據報表（如日報、月報、年報），繪制各類曲線、圖形（如月曲線圖、月柱狀圖、年曲線圖、年柱狀圖），對水位進行實時監測。通過近幾年的使用，井下水位監測系統具有投資低、操作方便、數據准確可靠，使用壽命長等優點，克服了過去地面觀測孔測水位難，數據不準確，觀測孔易遭破壞等缺點。即使發生淹井事故，井下無供電電源，系統亦能利用本身電池正常工作一個月。2002年5月10日，井下水位監測系統顯示L8灰岩含水層水位下降，就立即與井下聯系，得知25031工作面煤層底板突水，根據井下水位監測系統顯示的水位平穩下降趨勢，且沒有發現L8灰岩含水層水位有反彈現象，判斷該煤層底板突水點水源為L8灰岩，煤層底板突水點涌水量不會急劇增大，對安全生產不會造成大的影響。由此可見，井下水位監測系統能了解地下水位的動態變化，為判斷煤層底板突水水源，採取相應的防治水措施提供依據。
該系統於2003年底已建成投入使用，井下的水文孔資料直接在各礦計算機上顯示。目前焦作煤業集團公司和北京龍軟公司合作，將各礦與集團公司網路聯系起來，只要在集團公司的任何一部上網計算機上，進入水文監測系統網站，就能查閱到各生產礦井下各含水層的水位資料。目前正在進入試運行階段。
可以認為井水位監測系統是一項經實踐證明了的成熟技術。井下水位監測系統具有投資少、操作方便、數據准確可靠、使用壽命長等優點，能夠代替地面水文觀測網。井下水位監測系統具有推廣應用前景。探測和監測技術是高承壓水上採煤水害綜合控制技術的重要組成部分。
⑹ 三峽庫區地質災害勘察物探技術方法應用
李洪濤孫黨生楊勤海楊進平
（中國地質調查局水文地質工程地質技術方法研究所，河北保定，071051）
【摘要】本文簡要敘述了在三峽庫區地質災害勘察中經常使用的物探技術方法以及一些典型的工程實例，以求為今後的工作帶來一定示範效應，進一步為地質災害勘察提供先進有效的測試手段。
【關鍵詞】三峽庫區地質災害勘察物探技術方法
1前言
從1997年至2004年，中國地質調查局水文地質工程地質技術方法研究所承擔了三峽庫區移民遷建新址重大地質災害防治研究與論證綜合地球物理勘查，奉節三馬山小區物探勘察，巴東黃土坡滑坡、萬州官塘口滑坡物探勘察，重慶14區縣庫岸調查等一批應用研究課題及物探勘察任務。先後在三峽庫區的巴東、巫山、奉節、萬州及豐都、石柱等地進行了大量的綜合地球物理勘察。本文為地球物理勘探技術方法在三峽庫區地質災害防治工程中的應用實踐經驗總結和體會，以求為今後的工作帶來一定示範效應，進一步為地質災害勘察提供先進有效的測試手段。
2地球物理勘探技術方法
2.1淺層高解析度地震勘探
2.1.1工作技術方法
（1）展開排列法
考慮到庫區地形地質條件的復雜性，在奉節和巫山兩地，在布置地震剖面之前，作為一種重要的試驗方法，都採用了展開排列法。其作用是了解測區地震波波組中各種波的時序排列關系，進行震相分析，從而確定數據採集的儀器參數和觀測系統，採取合適的激發與接收措施，進行地層介質速度參數的估算。展開排列法觀測系統採用0m、10m、20m、30m、40m、50m等不同偏移距，道距2m或3m。
（2）共深度點多次水平疊加法（CDP)
CDP水平疊加法是在不同激發點和接收點上採集來自相同反射點的反射波，在得到的多張地震記錄中抽出界面上共反射點道集，經過速度掃描、動靜校正之後，進行疊加處理，以時間剖面的形式給出地質界面及構造信息，這種方法可以提高信噪比，對壓制干擾波有顯著的作用。CDP剖面觀測系統中的偏移距的選擇，是根據面波、聲波等干擾波與目的層反射波的關系確定，分別採用30m、40m和69m。道距採用2m、3m和5m。水平疊加次數大部分為6次，部分用3次。
（3）地震高密度映像法
高密度映像技術採用單次激發、單次接收等偏移距信號採集，其工作模式與水域中聲納法類似，故又稱為陸地聲納法。採集的信號經幅度壓縮、彩色調制，以彩色映像的方式顯示。高密度映像法的偏移距用2m，點距1m。
2.1.2野外數據採集設備
地震勘探採用北京水電物探研究所的SWS—1A型多功能面波儀與瑞典ABEM公司MARK6輕便多道地震儀。接收檢波器用38HZ高靈敏數字檢波器配CDP輕便覆蓋電纜。根據探測目的層的深度，以及測區施工條件，分別採用錘擊與炸葯爆破兩種震源。錘擊震源錘重24磅，錘墊厚20mm。為增加有效信號，壓制隨機干擾，採用垂直疊加，疊加次數一般為5次。炸葯震源一般在炮孔中激發，孔深1～2m，葯量100～200g。
2.1.3資料數據處理
CDP剖面資料的數據處理採用CSP.3.3地震數據處理系統。針對本區地形坡度大且起伏劇烈的特點，在疊前和疊後均作了地形校正。處理內容還包括增益控制、噪音和干擾波切除、濾波、速度分析、動校正與水平疊加等，最終輸出含有地形線的CDP水平迭加雙程反射波時間剖面圖，成果地質解釋圖是在AutoCAD14.0下完成的。處理流程如圖1。
圖1淺層地震數據處理流程圖
2.2面波勘探
採用瞬態面波（瑞雷波）勘探。在地表用震源豎向激震時，一般會產生直達縱波、折射縱波、反射縱波和瑞雷波以及各種轉換波。理論分析和實驗表明，所有這些波中，瑞雷波的能量最強，約佔67%。瑞雷波是一種沿地表傳播的表面波，其傳播的波陣面為一個圓柱體，傳播的深度約為一個波長。利用瑞雷波的頻散特性，即不同波長的瑞雷波傳播特徵反映不同深度地質體的特徵，進行地質介質結構的探測。
2.2.1儀器設備
面波勘探採用北京水電物探研究所的SWS—1A型多功能面波儀，接收檢波器採用4Hz低頻檢波器，面波剖面採用12道排列，道距1m，點距5m，偏移距分別為0m、5m、10m、15m和20m。
2.2.2資料處理
面波剖面採用 FKSWSA面波處理系統，通過多道三維傅里葉變換，在時間—空間（T—X）域和頻率—波數（F—K）域內進行速度和波數（波長）濾波，消除非面波信號，有效地提取面波信息，繪制面波頻散曲線，進行面波資料的反演解釋。
FKSWSA面波處理系統的特點是可以進行擬合處理，即設定的地層結構參數與計算的地層參數，通過相關系數判斷，確定最佳地層結構反演結果。
2.3地震層析成像（CT）
地震層析成像和其他科學技術領域的成像技術類似，是一種邊界投影反演方法。從地震波的運動學與動力學特徵出發，地震層析可分為射線層析和波動方程層析兩類。它們分別測定地震波的走時、振幅、相位、周期等信息變化，反演地質介質三維速度結構或衰減特性，並以圖像表示其結果。
地震 CT數據採集採用井間與井地結合的方式。井地方式是在兩孔之間沿地面上激發彈性波，孔中接收；井間方式是在一孔內激發，另一孔內接收。接收點距2m和1m，炮距2m或視井中條件確定，構成上下交叉的觀測系統，以保證射線覆蓋測試區域，提高成像精度。
2.3.1儀器
SWS—1A多功能面波儀或 MARK6輕便多道地震儀。
接收採用串聯式氣囊檢波器與井壁耦合。
採用爆炸震源，電雷管激發。
2.3.2數據處理
數據處理採用CST for Windows地震層析成像系統。每個成像區域均按2m×2m單元剖分，每個單元塊上的射線節點密度為10個×10個。成果以波速等值線色譜圖展示，圖像輸出是通過Winsurf6.04實現的。處理流程如圖2。
圖2地震層析成像數據處理流程
2.4EH—4電導率成像
EH—4電導率成像方法屬部分可控源與天然場相結合的一種大地電磁測試法。不同於直流電法，它不是通過延長電纜和加大極距來增加勘探深度，而是在測點上，通過其變頻獲得深度信息。EH—4在奉節縣寶塔坪三萬塘地面塌陷坑調查中，在坑底布置了一條南北向剖面，點距5m，電偶極距15m，與剖面方向一致。在塌陷坑南側地表布置了一條剖面，點距5m，電偶極距10m。
2.4.1儀器設備
EH—4電導率成像系統是由美國 GEOMETRLCS和EMI公司聯合生產。是目前國際上較為先進的一種電磁法勘探儀器。
2.4.2EH—4的資料處理
包括現場數據處理和後續處理兩大部分。現場數據處理主要是一維分析，用於檢查野外採集的數據質量和調整參數。後續處理包括數據分析、一維數據處理和顯示及擬二維處理。數據分析軟體用於識別雜訊源，估計和調整發射機的信號電平，分析數據採集質量。一維數據處理和顯示是在經過數據分析後得到新的功率譜後的資料再處理，可刪除雜訊嚴重的數據以減少發散，增加信號的相關度。二維處理是採用EMAP法進行擬二維反演，有效地消除靜態效應，構造電阻率斷面圖，在現場給出解釋結果灰度圖，通過計算機二維反演，進行彩色成圖。
2.5聲波測井技術
聲波測井是以測定岩、礦的聲波速度和幅度為基礎，在劃分基岩岩性、風化破碎程度，確定破碎帶位置、基岩與覆蓋層分界面以及在覆蓋層、基岩內確定低速層等方面是一種較為有效的方法。
單孔全波列聲波測試是採用一發雙收探管，發射—接收源距50cm，間距30cm。在鑽孔內（裸孔）沿井壁發射、接收聲波信息，測井時將探管下至井底，按一定點距向上測試，由計算機完成全波列數據採集與數據存儲，室內通過回放和資料處理拾取縱、橫波，在全波列採集波形中根據波形干涉點、幅度、頻譜分析，確定縱橫、波初至走時，計算縱波、橫波速度繪製成果圖。
測試使用的儀器為SSJ—4D全波列聲波測井儀（中國地質調查局水文地質工程地質技術方法研究所）。
井下探頭分採用干孔貼壁式和水耦合兩種類型。
3應用成果分析
3.1滑崩堆積體
滑崩堆積體是一種多成因、多期次的鬆散堆積體。其大部分是在構造和重力卸荷及岩溶作用下形成的滑坡體、崩塌體、泥石流堆積體和岩溶塌陷堆積體。地球物理勘探的目的是了解堆積體厚度及深部結構特徵，採用的主要工作方法是展開排列法、CDP剖面與面波法。
3.1.1巫山新城址凈壇路—祥雲路—集仙路深部結構特徵
該區由於地形起伏較大，加上沖溝人工回填等因素，給地震探測帶來了很大困難。圖3（剖面F）反映了凈壇路—祥雲路—集仙路方向的深部結構特徵。可以看出完整基岩埋深達40～50m，而在祥雲路至集仙路之間形成深達30m的深槽。圖4（剖面 H）橫切頭道溝，沖溝形態明顯。在時間剖面上，凡是在沖溝部位，由於切割、風化呈多同相軸形態，反映沖溝堆積物的復雜性。探測結果明顯反映了堆積體的順層特徵。
3.1.2滑崩堆積體精細結構特徵
為了進一步提示滑崩堆積體精細結構特徵，採用了面波探測來了解淺部的地質結構。圖5列出典型的頻散曲線及其地質解釋結果，可以看到面波勘探能夠很好地提供淺部地層細節及其速度分布資料。結果表明，滑崩堆積體內部可劃分為3層：
圖3巫山新址凈壇路—集仙路（剖面F）淺層地震勘探結果
第一層：0～3.15m，為含礫石粘土層，橫波速度330～470m/s。
第二層：3～8m，為碎石夾土層，橫波速度470～770m/s。
第三層：8～16m，為破碎岩層，橫波速度770～970m/s。
3.1.3成果解釋
滑崩堆積體埋深約40m，但是祥雲路至集仙路之間存在深達70m的凹槽。滑崩堆積體底面明顯順岩層方向，傾角達30°。在滑崩堆積體中，可細分為3層，其波速不超過1000m/s，說明其岩體完整性較差。
3.2 滑坡
滑坡勘查採用的技術方法主要是 CDP剖面法，勘查對象有巴東縣新城區黃土坡滑坡、巫山秀峰寺滑坡、重慶市萬州區關塘口滑坡、萬州區長江大橋—上沱口段庫岸滑坡等。本文僅對其中一部分有代表性的成果分述如下。
3.2.1巴東縣新城區黃土坡滑坡
（1）地震時間剖面波組特徵
巴東黃土坡滑坡共做了9條剖面，本文列舉2條剖面予以分析。從圖6(D剖面）、圖7(C剖面）中的時間剖面可以看出均存在一至二組反射波同相軸，其中T1波組較穩定，時間在30～60ms左右，其深度為30～51m，這一層可以認為是第四系滑坡堆積體與下伏基岩的分界面，T2波組時間在50～90ms左右，其深度為52～76m，這一層可認為是基岩風化岩層與完整基岩的分界面。從圖6(D剖面）及圖7(C剖面）可見均未發現有大的斷層形跡的顯示，但裂隙（節理）較發育，形成岩體破碎，從反射波的特徵來看，形成了雜亂弱反射或波組的錯斷標志。
圖4巫山新址祥雲路（剖面H）淺層地震勘探結果
圖5巫山新址凈壇路—集仙路面波勘探結果
圖6巴東黃土坡滑坡（D剖面）淺層地震勘探時間剖面
圖7巴東黃土坡滑坡（C1、C2剖面）淺層地震勘探時間剖面
（2）地質解釋
巴東黃土坡滑坡地震勘探結果基本查明了工作區內第四系鬆散堆積體的厚度及空間分布范圍、滑坡堆積體的厚度及分布范圍。推斷地質解釋圖直觀反映了基岩埋深及起伏形態，其埋藏深度分布范圍一般在50～90m左右。查明了工作區內基岩軟弱結構面的異常分布帶及位置，共解釋推斷基岩破碎帶及裂隙發育帶共計21處。
3.2.2巫山秀峰寺滑坡
（1）地震時間剖面的波組特徵
巫山秀峰寺滑坡共做了8條淺層地震剖面，本文列出其中典型的地震剖面1條見圖8，從時間剖面可以看出，均存在一至二組反射波同相軸，其中一組比較穩定，時間在50ms左右（消除地形影響後）。這一層可以認為是滑坡堆積體與下伏基岩的分界面，其深度一般為30m左右。對一些不同結構特徵的界面，如風化岩體也有所反映。時間一般為75ms左右，推斷為完整基岩與風化岩體或碎塊石層的分界面。另外，在圖8中，CDP點120～140反射波同相軸向下凹陷甚至尖滅，結合現場地質情況，這一位置為一古寺廟所處位置，在地震反射波中出現這一現象，可能是由於古代工程人工開挖造成地層波阻抗界面差異所致。
圖8巫山秀峰寺 D3淺層地震勘探結果
（2）地質解釋
巫山秀峰寺滑坡所完成的8條淺層地震剖面，基本查明了滑坡堆積體的厚度和空間形態，推斷地質圖直觀反映了基岩的形態和覆蓋層的厚度變化。除基岩面之外，CDP剖面上還有一些同相軸，它們都是地震波地質信息的真實反映，如D3線所反映的同相軸不連續現象與舊寺廟位置相吻合。秀峰寺滑坡的8條剖面展示了秀峰寺滑坡堆積體厚度約在25～35m之間。
3.2.3重慶萬州區長江大橋——上沱口段庫岸滑坡勘查
（1）地震剖面的波組特徵
萬州長江大橋上沱口段庫岸滑坡勘查共做了5條CDP淺地震剖面。圖9、圖10是其中兩條典型剖面，從圖7、圖8可見地震反射波的波組特徵較明顯，一般延續1～2個相位，從波的相位、能量、波形、連續性等方面來對比，其中T1波組為第四系滑坡堆積層與下伏基岩（風化層）的分界面，該層反射波的連續性和相位特徵是分析判斷崩滑堆積層厚度變化的主要依據。T2反射層推斷為基岩內部的反射，是推斷基岩埋深及起伏形態的主要依據，它反映了基岩風化殼及軟弱岩層的岩性橫向的變化特徵。
（2）地質解釋
長江大橋上沱口段庫岸滑坡所完成的5條淺層地震剖面，基本查明了滑坡堆積體的厚度和空間形態。推斷地質圖直觀反映第四系崩滑堆積層的厚度及分布范圍，崩滑堆積層平均厚度為3.5～9m。基本確定了工區范圍內的基岩風化殼的厚度，基岩風化殼平均厚度為14～17m左右。確定了基岩埋深及起伏形態。對工區內基岩結構面的異常分布及結構特徵也作出了相應的地質推斷與解釋，共解釋推斷基岩破碎帶及裂隙發育帶共計11處。
3.2.4重慶萬州區關塘口滑坡群和巴東縣新城址滑坡體聲波測井
重慶萬州關塘口滑坡群、巴東縣新城址滑坡體進行聲波測井勘探，旨在結合地質調查，評估劃分岩性、完整性，確定滑帶、破碎帶位置。
圖9萬州長江大橋—上沱口段庫岸（塌岸）防護工程C—C′淺層地震勘查成果
圖10萬州長江大橋—上沱口段庫岸（塌岸）防護工程D—D′淺層地震勘查成果
萬州關塘口滑坡群總計對13口鑽孔進行了觀測，巴東黃土坡滑坡對12口鑽孔進行了觀測，圖11為關塘口 ZK3典型的聲（波）速—孔深曲線，它是由原始記錄聲波波列及其提取出的聲時時差—孔深曲線和計算後繪出的聲速—孔深曲線。由此，可對基岩及上覆層的界線明確地做出劃分，同時還可看出：基岩部分聲速在3500m/s以上，裂隙發育帶聲速有所低；上部覆蓋層可分為平均聲速1800m/s、2200m/s兩層，其速度變化說明塊石與土的含量、塊石岩性、地層結構均有不同程度的變化。圖12為聲波測試曲線圖與鑽孔柱狀圖的對比圖，20.5～24m之間曲線頻率低、聲波幅度小，為岩體疏鬆的反映。鑽孔20.5～24m表明完整岩體內部存在裂隙破碎帶（見圖12）。圖13為巴東ZK1典型的聲（波）速—孔深曲線，66.0～67.5m、77.5～84.5m兩段波速值明顯增高到3800m/s，認為已進入基岩，其間所夾68.0～77.0m段，從變面積圖像看接收波形頻率變低，速度變低，認為是一層軟弱夾層，並在後期治理工程中得到了驗證。
圖11官塘口滑坡勘察ZK3聲波測井成果圖
圖12ZK7聲波測試曲線圖與鑽孔柱狀圖的對比圖
圖13巴東黃土坡ZK1孔聲波測井成果圖
萬州關塘口滑坡群的13口鑽井聲波測試結果統計出不同地層岩性的聲速平均值如表1、表2。
表1關塘口滑坡群主要岩性波速
表2黃土坡滑坡主要地層岩性波速
根據測井資料、鑽孔資料分析推斷關塘口滑坡存在一個以上的滑帶。依據測試成果，本次推斷解釋的滑帶，其位置為上部覆蓋層與下伏基岩的岩性分界部位。從測試鑽孔整體分布位置分析，滑坡體的前後緣較淺，前緣埋深為20m，後緣埋深為30m，滑坡體的中間部位埋深在55m位置。
聲波測井在劃分基岩岩性、風化破碎程度、確定破碎帶位置、基岩與覆蓋層分界面以及在覆蓋層、基岩內確定低速層等方面是一種較為有效的方法。
3.3岩溶與洞穴
3.3.1岩溶塌陷
奉節縣寶塔坪小區趙家梁子西側三萬塘溝底緩坡處，於1997年5月30日下午2:30分發生塌陷，形成長短軸20～25m，深約20m的塌陷坑。剖面呈漏斗形，體積約6000～7000m3，東北側地面裂縫離新遷移民房不足4m。塌陷引起社會各界，特別是縣委各級領導的高度重視。為進一步查明塌陷坑的深度及延伸發育情況，課題組進行了專門的調研，並運用了先進的EH—4電導率成像系統、高分辨地震勘探、高密度電阻率法、音頻大地電場法及井間地震層析成像等綜合物探。
（1)EH—4電導率成像
圖14為塌陷坑底 EH—4勘測剖面。
圖14奉節寶塔坪塌陷坑底電法勘探剖面
從圖中可以看出，完整基岩界面自坑底向下深約55m，加上坑底至地表的距離，塌陷坑底界面距地表深度約70m，同時該剖面還反映了塌陷坑南北兩側基岩風化破碎程度的差異，北側粘土層覆蓋層厚，基岩風化破碎強烈，南側有一破碎基岩段，底部邊界距地表約55m，其下可能為岩溶發育通道。此解釋結果與地震 B剖面結果是吻合的。
（2）高解析度地震勘探
圖15反映了沿寶塔坪塌陷沖溝的深部結構特徵。剖面起自塌陷坑，測線長約200m，近南北向。該區地質結構可劃分為4層：
第一層：埋深0～40m，以塊碎石夾粘土層為主。
第二層：埋深40～70mm，為破碎松動的岩體。
第三層：埋深70～100mm，為較完整的岩體。
第四層：埋深100m以下，為完整岩體。
另外從順沖溝作了兩條近東西向的橫切剖面 B、C（圖16、圖17）。探測結果表明其地層結構與圖15所揭示的類似，但是，在塌陷坑南側反射界面呈現向上彎曲的拱狀，類似繞射波的特點，且局部不連續，推斷可能為岩溶異常點。其連線方向與沖溝方向一致。發育深度 B為55～60m,C剖面為60～65m。
（3）地震波 CT剖面
為了進一步查明塌陷坑的延伸與發育情況，有針對性地布置了3條地震 CT剖面，根據地震CT成像剖面圖的波速圖像特徵、波速等值線分布結合鑽孔資料綜合分析如下（見圖18）。
圖15奉節寶塔坪 A線淺層地震勘探結果
圖16奉節寶塔坪B線淺層地震勘探結果
圖17奉節寶塔坪 C線淺層地震勘探結果
圖18奉節寶塔坪淺震1線鑽孔 CT成像圖
a.整個工作區縱波速度分布較低，均在0.8～3.8km/s之間。其上部（50～60m）碎塊石土的波速分布在0.8～1.6km/s之間，基岩部分的波速僅為2.0～3.8km/s，即為鑽孔所揭露的破碎岩體段。
b.CT成像的速度分布呈現不均一狀，說明工作區基岩部分的節理裂隙發育，岩體破碎。上部碎塊石土堆積形態不一，結構復雜。
c.由圖18可以看到一系列由 NW向 SE傾的界面特徵，推測為地層產狀或岩性接觸面。這一點與淺震B、C剖面（圖16、圖17）解釋結果相一致。
綜上所述，寶塔坪趙家梁子塌陷坑附近，在CT剖面所處位置，基岩部分未發現較大的溶洞。但是高分辨地震與音頻大地電場顯示的結果都表明，在塌陷坑的下遊方向，順溝發育有一SN向構造破碎異常帶，形成地下水通道，對地層介質起到溶蝕、遷移作用，其深度在50～60m。3.3.2 溶洞
為配合「重慶巫山新城地質災害防治與利用示範研究」專題中有關淺部岩溶發育狀況研究，在巫山新城周家包統建房基礎作了三對地震波CT。圖19為巫山縣周家包ZB5—ZB6鑽孔CT成像圖。其速度分布在0.71～3.40km/s之間，與完整灰岩相比偏低，淺部岩溶極為發育。310m高程以下岩體相對完整，但其波速依然不高，推斷解釋為裂隙或小溶洞較多，尤其是ZB5—ZB6剖面的底部有一直徑3m左右的紅色區域，推斷為溶洞。從ZB5孔310m高程至ZB6孔280m高程有6個串珠狀分布的相對獨立閉合的紅色區域推斷為受構造影響形成的溶洞。
圖19巫山縣周家包ZB5—ZB6鑽孔CT成像圖
4結束語
地質災害受天然和人為的多種復雜因素影響和控制，其分布、形成、發生、發展和變化都十分復雜，特別是在三峽庫區，地質地理條件復雜、地質災害繁多、分布廣、發生頻繁。單純藉助傳統地質技術方法已不能完成勘查、監測、預報和防治的任務，新技術方法是改善常規地質勘查方法、實現地質工作現代化的有力武器，是地質工作取得新進展和突破的有力手段。在此次三峽庫區移民遷建的整個過程中，由於地質問題的復雜性，給移民遷建帶來了巨大的壓力，也為勘查新技術的應用提供了一個廣闊的用武之地。
在庫區地質災害勘查防治與合理開發利用的全過程中，地球物理勘查得到了較為廣泛的應用。尤其在地質災害調查中，勘查新技術的應用無論從涉及的地質災害類型、選擇的方法種類及其適宜性和投入的工作都是前所未有的，所取得的成果也是多方面的、突出的，歷年來我所採用先進的CT層析成像、淺層地震探測、面波勘探、高密度映像、聲波探測、EH—4等方法，對三峽庫區岩溶分布規律、塌陷坑、滑坡體結構、人防工程分布等進行了示範研究，為地質災害的預防提供了科學的依據，具有重要的實用價值與指導意義。然而由於物探方法理論基礎所決定的地質解釋多解性的局限，以及三峽庫區復雜的地質條件、惡劣的工作環境，某些物探工作成果中往往不免存在一些差強人意之處。這要求我們以鍥而不舍的精神，通過合理有效地利用地球物理勘探新技術（包括根據不同的地質條件和目的，正確地選擇物探方法及其最佳組合形式）對現有物探方法的工作布置方式、數據採集和解釋處理方法提出改進，以適應三峽庫區特殊的工作環境。
⑺ 地面物探技術
(1)重力探測技術
重力測量儀器主要有機械式的石英彈簧重力儀、金屬彈簧重力儀與超導重力儀，儀器精度由10μGal(微伽)提高到1μGal。現在正在研製和使用的重力儀已經超過了60種。當今世界最先進的重力儀器以CG-5和LCR-D/G系列的數字化智能型高精度重力儀為代表，其讀數解析度達1μGal，重復觀測精度小於5μGal。我國目前主要以引進為主，現已開始數字重力儀的研發。
重力測量儀器研製的另一發展方向是重力梯度儀。20世紀90年代，美國和澳大利亞開始研究用於重力梯度儀的藍寶石諧振器加速度計。目前已走出或將要走出實驗室的重力梯度儀是美國的旋轉加速度計重力梯度儀、超導重力梯度儀和法國的靜電加速度計重力梯度儀。
(2)磁力探測技術
加拿大、美國等國的磁力儀產品代表了當今世界的最高水平。其發展趨勢表現為，高精度、小型化、自動化和智能化；與GPS一體化；輸出方式多樣化，包括數據輸出、視頻輸出和聲頻輸出、現場數據處理、模擬與解釋等，適用於多個應用領域；多探頭配置；多參數測量。如加拿大Scintrex公司研製的CG-3自動重力儀與MP-4 磁力儀探頭相連，進行同點重磁觀測。
(3)電法/電磁法探測技術
國外電磁法探測技術不僅在方法理論上取得較大進展，在電磁法儀器的研製與商品化生產上以及在資源勘查中獲得找礦效果方面，更是成果突出。特別是近20年來，國外相繼推出了多種類型的電磁法探測儀器系統，如加拿大鳳凰公司研製的V5、V5-2000、V-6、V-8系統；美國Zonge公司研製的GDP-16、GDP-32、GDP-32Ⅱ系統，EMI公司研製的 EH-4、MT-24 陣列式大地電磁系統；德國METRONIX公司研製的GMS-05、GMS-06 和GMS-7系統。近些年來，加拿大Quantec Geoseience公司推出了TITAN24陣列MT+IP測量系統，澳大利亞推出了BHP MiMDAS陣列MT連續剖面測量系統和Geoferret EM陣列TEM系統。縱觀電磁法探測儀器的發展趨勢，在由以前的單一方法的電磁儀器向多種方法儀器集成發展，在變革有線多道集中式儀器向分布式陣列同步觀測新型儀器發展。
隨著陣列式電磁與激電綜合測量系統的發展，綜合電磁、激電二維可視化反演技術和電阻率成像及三維形體反演技術也日趨成熟。目前反演技術研究重點已由一維、二維轉向三維反演。開展電磁與激電融合多參數互約束反演技術研究，也是陣列電磁與激電融合方法反演技術的重要發展方向。
(4)地震探測技術
地震勘探技術方法門類眾多，包括反射波法、折射波法、瑞雷波法、地震映像法、垂直地震剖面法等，其中應用最廣的是反射波法。地震探測技術主要應用於能源礦產(石油、天然氣、煤炭)等勘查領域。
近10年來，加拿大、澳大利亞和南非等國家十分重視金屬礦地震探測法的技術研究，相繼開展了金屬礦岩石波阻抗及反射系數研究、金屬礦(塊狀硫化物)散射波場模擬研究、反射地震直接探測金屬礦體的試驗研究、井中地震成像和3D金屬礦地震成像研究等，較好地解決了沉積礦產勘查中的地質問題及非沉積礦產勘查中的地質構造、岩性填圖、侵入體和蝕變帶的圈定以及塊狀硫化物礦體分布等地質問題，取得了較好的勘查效果，顯示出其廣闊的應用前景。
近年來，三維地震勘探成為地震勘探技術研究的新熱點。三維地震勘探具有很高的信噪比和解析度，獲得的信息量豐富，對地下的地質構造形態可直接或間接反映出來，其解決地質問題的效果和能力，是以往常規二維地震勘探無法比擬的。三維地震勘探技術在頁岩氣開發中發揮了重要作用，被認為是開發初期最常用的技術手段。
當今世界上地震勘探技術研究的另一個熱點是多波勘探技術。近年來，隨著油氣勘探開發難度的加大、地震技術裝備水平的提高，多波(多分量)地震勘探日益受到重視，並已逐漸進入工業化生產，成為石油資源、煤炭資源勘探與開發領域中最活躍、最有潛力的地震勘探方法之一。但多波地震勘探技術應用仍處於初期階段，其採集、處理和解釋等技術還有待於進一步發展。
(5)放射性地球物理勘查技術
20世紀80年代以來，國內外發展較快的放射性地球物理勘查技術主要有：中微子在地球科學中的應用、應用核技術探測納米級微粒和氣體、應用核技術原位測品位並計算線儲量(包括射線熒光輻射取樣、中子活化輻射取樣和伽馬射線輻射取樣)、地面伽馬能譜測量、射線熒光測井、水底和海底天然放射性方法測量、水底和海底中子活化方法測量、水下射線熒光測量、核磁共振方法、在工程中應用核技術、反射宇宙中子法，以及在環境科學中應用核技術等。
⑻ 瑞雷波法
彈性波主要有兩大類，在介質內部傳播的波叫體波，如人們所熟知的縱波（P波）、橫波（S波）等；沿介質自由表面傳播的波叫表面波（Surface Wave），簡稱面波。表面波與體波不同，它沿界面傳播，是波動現象集中在一個波長范圍內的另一類彈性波。
英國人瑞雷首先以數學方法論證了表面波的存在，並說明了它的性質。根據瑞雷的理論，這個表面波是在彈性分界面處，由滿足應力的邊界條件而產生的波動現象，其涉及的范圍集中於界面附近，所以在界面處波的振幅最大，離開界面，振幅迅速減小，這種波被命名為瑞雷波。樂夫則提出，當半無限彈性體表面存在另一密度、另一彈性常數的介質時，做水平振動傳播的波有頻散現象，這一頻散波被稱作樂夫波。研究表明，瑞雷波是由P波和SH波干涉生成的表面波，而樂夫波是SH波的多次反射波在界面干涉生成的表面波。對於不均勻介質，樂夫波和瑞雷波都具有頻散特性。對於炸葯震源或沖擊振源，樂夫波的能量遠小於瑞雷波的能量，往往難於觀測到，所以面波勘探主要研究瑞雷波。
12.2.1基本原理
瑞雷波勘探是利用人工或機械震源激勵，通過測量不同頻率瑞雷波的傳播速度來探測不同深度的岩土介質性質。瑞雷波有如下特性：在分層介質中傳播的瑞雷波具有明顯的頻散特性；瑞雷波的波長不同，其穿透深度也不同；瑞雷波傳播速度與橫波速度有相關性。
利用瑞雷波的前兩種特性，可以研究介質的物性變化，對沉積地層進行物性分層，探查地下空洞和掩埋物體；利用後一特性可以得到岩土層橫波速度，進而計算出介質的物理力學參數。
在工程地質及地質災害勘查中，瑞雷波勘探主要應用於以下幾方面：
（1）工程地質勘查：利用實測的瑞雷波頻散曲線，通過定量解釋，可以得到各地質層的厚度及彈性橫波的速度。速度的大小直接反映了地層的「軟」「硬」程度，因此，可對第四系地層進行劃分，確定地基的持力層。低速度帶反映了地下賦存有軟弱夾層，這類「軟」地層對建築物易造成危害，瑞雷波勘探可劃分出軟弱層的埋深及范圍。
（2）地基加固處理效果評價：軟地基的加固處理，就是通過不同的方法，如強夯、擠密置換化學處理等，使軟地基變「硬」。瑞雷波法評價加固效果，是通過實測地基加固前後的波速差異，了解地基處理前後土體的物理力學性質的改善程度，同時可對處理後場地在水平方向的均勻性做出評價，並確定加固影響的深度和范圍。
（3）岩土的物理力學參數原位測試：波速的大小與介質的物理力學參數密切相關，如密度、剪切模量、壓縮模量、泊松比等。因此，通過對實測資料的反演擬合解釋，可以得到岩、土層的橫波速度、縱波速度、密度等參數，進而計算出其他物理力學參數。
（4）地下空洞及掩埋物探測：有時需要准確查明地下土洞、溶洞、廢棄礦井以及各種地下掩埋物在地下的空間位置。用瑞雷波進行勘探時，當勘探深度達到這些物體的深度時，頻率和速度關系曲線就會出現異常，據此可以確定其埋深及范圍。
（5）公路、機場跑道疲乏質量無損檢測：利用人工激發的高頻瑞雷波，可以測得路面、路基的波速以及各結構層的厚度，進而推算出路面的抗剪、抗壓強度及路基的載荷能力。該方法可用於機場跑道和高等級公路疲乏的檢測，並可實現質量隨年代變化的連續監控。
（6）飽和砂土層的液化判別：根據場地內飽和砂土層的埋深，地下水位等地質條件，可以計算出該飽和砂土層的液化臨界波速值，判別其液化的可能性。實測波速大於該臨界值，則為非液化層，小於該臨界值則為液化層。
（7）其他方面的應用：瑞雷波勘探還可用於場地土類型、類別劃分，滑坡、邊坡調查，堤壩隱患危險性預測，基岩的完整性評價，樁基沉沒入土深度測量等。
12.2.2觀測方法
瑞雷波沿地面表層傳播，在地面沿波的傳播方向，以一定的道間距△x設置N+1個檢波器，就可以檢測到瑞雷波在N△x長度范圍內的傳播過程。設瑞雷波的頻率為fi，相鄰檢波器記錄的瑞雷波到達的時間差為△t或相位差為△φ，則相鄰道△x長度內瑞雷波的傳播速度為：
地質災害勘查地球物理技術手冊
在 N△x范圍內的平均波速為
12.2.2.1穩態瑞雷波勘探
地質災害勘查地球物理技術手冊
穩態瑞雷波勘探的原理是使用穩態的電磁激振器在地面進行豎向激振，通過改變激振頻率，可以得到一組與fi相對應的vRi值，測得一條vR—f曲線，由
圖12-3穩態法原理示意圖
12.2.2.2瞬態瑞雷波勘探
瞬態法與穩態法的區別之一是震源不同，瞬態法採用沖擊振源或炸葯震源產生一定頻率范圍的復頻波，不同頻率的瑞雷波疊加在一起，以復頻波的形式向前傳播。瞬態法記錄的信號要經過頻譜分析和相位分析，求得各個頻率分量的瑞雷波，並用互譜法求得相鄰檢波器間相位移△φi，則相鄰道距△x內瑞雷波的傳播速度vRi即可求得。分析全部頻率的瑞雷波，進而得到一條vR—f曲線或vR—AR曲線。瞬態面波勘探法如圖12-4所示。
圖12-4瞬態法原理示意圖
12.2.3技術要求
12.2.3.1觀測方式
面波勘探一般採用縱觀測系統，即激振點和檢波器排列在一條直線上，以一定間隔布點。觀測方式有以下幾種：
（1）一端激震，兩道或多道觀測。檢波點距應小於最小波長，最小偏移距可與檢波點距相等。
（2）兩端分別激震，兩道或多道觀測。
（3）對於兩道觀測，當探測的目的地層為速度分層時，可採用定距測量方式，即兩個檢波器之間的道距不變，完成一個物理點測量。當探測目標體是地下空洞等地下埋設物時，可採用變距測量方式，即固定震源和一個檢波器的位置不變，以一定的間距移動，另一個檢波器進行測量。也可以定距、變距、兩種測量方式結合進行，一般可大致確定空洞的中心位置和頂底面埋深。
（4）兩道觀測方式信噪比較低，在沒有開發出更好的觀測技術之前，建議採用多道觀測方式。多道觀測方式有以下優點：①可以在時間剖面上准確識別面波所在的時間窗位置，從而為合理設計面波觀測「窗口」提供依據。②可以在多道採集的有效面波記錄上，根據波形的時序關系分析波的來源，判斷採集到的面波、繞射波以及其他干擾波是直接還是間接來自激發振源，據此正確選定布設測線的方向、振源位置以及選擇激發時刻。③在多道採集的面波記錄上可以區分開基本振型和高階振型的面波，從而為合理選用不同振型的面波，解決不同地質問題創造條件。
12.2.3.2瑞雷波的激發
（1）穩態激振的頻率范圍和頻率間隔與勘探深度、解析度以及地質條件等因素有關，勘探深度H與波長λR成正比（H＝βλR）。β為波長深度轉換系數，一般取0.65。
（2）穩態激振的優點是不同頻點的能量分布比較均勻，激發高頻比較容易做到；缺點是設備笨重，如果要求勘探深度達到60m，設備的重量就要超過1000kg。
（3）瞬態激振可採用不同重量和不同材質的手錘或落錘進行垂向激振，也可採用炸葯等其他激振方式，以滿足不同探測深度和不同探測精度的要求。
12.2.3.3數據採集
（1）穩態激振器的安置應與地面均勻、緊密耦合，並使其保持豎直狀態，開始先給激振器一定頻率的電流使之起振，當激振器工作穩定後，方可進行採集與接收。
（2）應根據勘探深度和解析度選用固有頻率不同的檢波器，檢波器的振幅和相位一致性要好，安置檢波器時應注意與地面垂直並緊密耦合，不同接觸條件可採用不同的耦合方式，如生石膏、橡皮泥和黃油等，對於泥土地面可直接插入土中。
（3）合理確定采樣率。根據不同的勘探目的層確定采樣率，對於淺層宜採用較高的采樣率，而對於較深的目的層則應採用較低的采樣率，以增加低頻段的頻點數，提高深層的解析度。
（4）發揮多道採集數據的優勢，通過試驗，合理選擇觀測「窗口」和排列走向，以避開或減小干擾波的影響。
12.2.4數據處理
12.2.4.1穩態面波勘探
（1）瑞雷波傳播速度的計算方法有兩種，一種為時間差法，一種為互相關分析法。前者是利用同相位目視對比取值計算，精度差、效率低，後者通過計算機對全部記錄進行處理，有利於提高效率和vR的計算精度。
（2）測得各頻點的瑞雷波速度，即可繪制vR—f曲線，但頻率f不能直接表示深度，在實際應用中，一般繪制vR—βλR曲線，β為波長深度轉換系數。
（3）解釋方法多採用半波長法，但此方法有時不夠精確，實際應用中需作修正或改進。推斷地層厚度的方法，目前有一次導數極值點法和拐點法。計算層速度的方法有漸近線法、H極值法和近似計演算法以及層厚度、層速度等綜合解釋法等。
（4）由深度—波速曲線計算瑞雷波層速度時，當地層的平均速度隨深度增加而增大時，應用公式計算速度：
地質災害勘查地球物理技術手冊
式中：Hn為第n點深度（m）;Hn-1為第n-1點深度（m）;vRn-1為第n-1點深度以上的平均速度（m/s）;vRn為Hn～Hn-1深度間隔的層速度（m/s）。
當地層平均速度隨深度增加而減小時，應按（公式12.4）計算層速度：
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當不考慮地層平均速度隨深度變化趨勢時，可用（公式12.5）計算層速度
地質災害勘查地球物理技術手冊
瑞雷波速度與橫波速度有一定差異，其大小與地層泊松比有關，可按表12-2進行修正。
表12-2瑞雷波與橫波速度比值隨泊松比變化一覽表
12.2.4.2瞬態面波勘探
（1）屏幕上顯示了多道面波記錄，確定面波的時間—空間域窗口，經過富氏變換，將數據由時間—空間域轉換到頻率—波數域，得到二維振幅譜圖像。在振幅譜圖像上選取帶通濾波的窗口，進行二維濾波拾取面波信息，由此得出面波頻散曲線。
（2）根據面波頻散曲線可進行地層分層。首先根據已知地質資料和頻散曲線形狀，給出地層分層的初始模型和擬和誤差，擬和程序應利用最優化演算法計算出理論頻散曲線，反復修改各層厚度和波速參數，使理論頻散曲線與實測頻散曲線得到最好的擬合，求得各層厚度和速度值。
12.2.5成果的表達形式
無論是穩態面波勘探還是瞬態面波勘探，都需求出不同頻率（即不同波長）的瑞雷波速度，得到一條面波相速度頻散曲線，在此基礎上進行波速分層和解釋。在實際應用中，一般繪制vR—βλR曲線，β為波長深度轉換系數，即以vR為橫坐標，βλR為縱坐標。因為βλR直接代表著深度，所以，vR—βλR曲線的變化直接反映了瑞雷波隨深度的變化情況。圖12-5是典型的瑞雷波勘探成果圖。
圖12-5瑞雷波法勘探成果圖（孫黨生等實測）
12.2.6展望
瑞雷波法可用於解決淺部工程地質和地質災害問題，例如洞穴、掩埋物、堤壩隱患探測、公路和機場跑道檢測、地層分層、地基加固處理效果檢查等，雖然在國內只有短短十幾年時間，但該方法以其淺層解析度高、應用范圍廣、方便、快速等優點，已引起科研、生產部門的高度重視。隨著該方法的理論和應用研究的不斷深入，除可應用瑞雷波的波速外，瑞雷波的衰減特性、橢圓率的變化等各種信息的綜合利用，必將開拓瑞雷波勘探更加廣泛的應用領域。應用天然源的面波勘探也是今後發展方向。
12.2.7儀器設備
穩態面波勘探儀器設備見表12-3。
表12-3GR-810儀器系統的配置（穩態）
續表
瞬態面波勘探儀器設備見表12-4。
表12-4瞬態面波勘探系統
⑼ 物化探手段在北京應用的突出成果
盧惠華錢佩娟
(北京市國土資源局)
在2009年第21屆地質學史學術年會上，盧惠華曾發表「科學技術深刻改變了北京地勘工作的面貌」一文。文中講述了十大地質科技對北京地勘工作產生的重大影響。這十大地質科技是：①物化探技術顯威力；②探礦技術有大突破；③遙感技術令人耳目一新；④電腦在各方面工作中起大作用；⑤綜合方法在區調中發揮大效益；⑥採用新學說提高地質研究水平；⑦水工環地質工作拓寬了地質工作的領域；⑧地下熱水勘查開發效益好；⑨淺層地熱能和熱泵技術正大力推廣；⑩多參數立體地質調查開創新局面。
2009年的文章，只是十大地質科技的概略介紹。本文將重點介紹第一項，物化探技術在北京應用的突出成果。
眾所周知，新中國成立前，我國的地勘事業十分落後，僅有少數人員從事地質工作。工作方法和手段十分簡單，地質工作就靠那三大件(鐵錘、羅盤和放大鏡)，別的就沒有什麼了。因此新中國成立初期，物化探是一片空白的局面；故此，物化探方法的採用給地質工作帶來了新的勘探手段。
北京很重視物化探新技術。從20世紀50年代開始，地礦、石油、冶金、水電、煤炭、航空航天、建設、核工業、武警黃金、國家地震局、河北地質局、北京市地質局等約幾十個部門和單位，都在北京地區投入了物化探工作。北京市地質局還成立了專業的物化探隊，承擔了其中的大部分工作。
北京地區的物化探工作由7個方面組成：①區域性物探(包括航空物探、區域重力測量、區域電測深測量、區域地面磁法測量、區域地質調查中的物化探)；②礦產物探；③水文物探；④地熱物探；⑤考古物探、工程物探和環境物探；⑥井中物探；⑦深部構造物探。
60年的地質工作，物化探手段在北京得到廣泛應用，效果突出，現分十大方面闡述如下。
一、促進了區調工作的發展和變化
20世紀50年代末至60年代初，北京開展了第一輪大面積的1：5萬區調。當時，只有地質觀測一種手段，方法單一，一般用4年時間完成一個圖幅。80年代，第二輪1：5萬區調較廣泛採用了物化探技術，獲得大量的、多方面的地質信息。特別是遙感技術，使多幅聯測可行，擴大了工作區域(一般2～3幅)，加快了工作進度。據報道，北京市地勘局物探隊先後在青龍橋、清水、沿河城、周口店、昌平等11個圖幅進行工作，收集整理前人物化探資料，對圖幅內航磁異常及區域化探進行了踏勘檢查和評價，補做了必要的工作，編繪了物化探成果圖，並提交獨立的物化探報告。
據查，第二輪區調最初的雙圖幅聯測(昌平、小湯山圖幅)，平均2～5年完成一個圖幅。有了經驗後，圖幅聯測速度加快，完成一個圖幅，平均只要一年多；3個圖幅聯測，平均半年多就完成一圖幅。聯測大大地改變了區調工作的慢節奏，做到了又好又快又多地完成任務。
進入21世紀，地質調查工作進入了新的階段。2003～2007年，由北京市地勘局下屬單位(市地質調查研究院、市水文地質工程地質大隊、市地質勘查技術院、市地質研究所)共同承擔《北京市多參數立體地質調查》工作。項目由國土資源部與北京市政府共同出資進行。以北京面臨和亟待解決的城市地質問題為工作主要內容，其目的是為首都可持續發展服務。以地學理論為指導，借鑒國內外先進經驗開展工作，在充分研究和利用已有資料的基礎上，綜合運用現代各種勘查技術(包括地質、水工環地質、鑽探、物化探等)，特別是大量採用鑽探和各種物化探手段(表1至表3)進行工作，從而獲得大量多方面的地質信息。
表1 北京地區地質調查工作演化
表2 多參數立體地質調查使用鑽探工作量表
表3 多參數立體地質調查使用物探手段和工作量表
續表
項目組提出北京平原區「三圈三層」三維地質結構的調查思路。所謂「三圈三層」三維地質結構，「三圈」是指面上工作區分為一般區、六環路以內區和重點區，「三層」是指垂直方向上分為新生界層、工程建設層(0～50m)和基岩層。通過這樣的調研，查明了不同尺度下北京平原區地層結構的空間展布規律。利用數字可視化技術，採用地質鑽孔與地質剖面結合的方法，建立前新生代地層、新生代地層和工程建設層的地層三維結構數字模型。
課題包括3項專題、8個子課題。
3項專題是：①北京城市活動斷裂及地殼穩定性調查；②奧運公園地區專項地質調查；③城市地質信息管理與服務系統建設。
8個子課題是：①北京市平原區新生界立體地質調查；②北京市平原區工程建設層立體地質調查；③北京市平原區基岩立體地質調查；④北京市平原區土壤環境地球化學調查；⑤北京城市生活垃圾處置現狀及選址地質環境調查；⑥北京市平原區地下水環境地球化學調查；⑦北京市地下水資源潛力評價；⑧北京市地熱資源潛力評價。
工作結束後提交了項目報告，專家評審給《北京市多參數立體地質調查》報告高度評價：總體達國際水平，部分達國際領先水平，並認為項目起到示範作用。多參數立體地質調查是地質調查工作的新發展。
回顧地質調查工作的歷程，20世紀50～60年代，是工作手段比簡較單的地質調查過程，僅僅是地表面的觀察研究，重點是基礎地質和找礦；20世紀後期，研究對象不局限於地質和找礦，領域向外有所延伸；進入21世紀，手段多了，視域寬了，觀察深度大了，主要研究的是城市地質問題，地質調查已發展到多參數立體地質調查階段，這是客觀的需要，是科學技術的進步，是地質與各種科技手段密切結合的結果。
二、在找鐵礦中貢獻巨大
磁法(包括航空磁法和地面磁法)找鐵礦是有效的方法手段。自20世紀50年代以來，北京共做過6次系統航空物探測量，覆蓋了北京全區，包括1：2.5萬、1：5萬和1：10萬航磁。自1958年開始至20世紀70年代末，在北京開展了系統性的地磁測量，山區共完成了1：5萬磁法5500km2，還有其他1：2.5萬、1：1萬、1：5000、1：2000比例尺的大量地面磁法測量。圈出礦異常265處，涉及鐵、鉻、釩、鈦等黑色金屬礦。劃分了3個磁場區，11個磁異常區，81個磁異常群，257個局部磁異常。其中，28個磁異常已作過勘探或鑽探驗證，占總異常數的 10.9%；作過面積性詳查的 22個，占異常數的8.5%；作過踏勘檢查的64個，占總異常數的24.9%；其餘143個磁異常未能作查驗。
磁測作用十分明顯，找礦線索突出，在圖上有清晰的異常表現，對找礦幫助很大。至今，北京地區的鐵礦分布、產狀、規模已基本查明，探明儲量10×108(大型礦1個，中型22個，小型20個)。多年來，探明儲量位居全國第11位。磁法資料不但給出明確的找礦線索，而且還顯示出鐵礦本身的許多信息。
以密雲沙廠鐵礦為例，①該礦均有航磁、地磁異常顯示；②磁異常資料顯示礦區為向斜構造；③Ⅱ號異常帶顯示有隱伏礦。經鑽孔驗證，這些信息都是正確的，沙廠鐵礦區構造確實是向斜構造，Ⅱ號異常確實有隱伏礦。礦區儲量由此大幅增加，由3000 多萬噸(中型)猛增至1.4×108t(大型)。
三、在找金礦中立大功
20世紀60～70年代，北京開展大規模金礦普查，盡管花了很大的力氣，做了很大的努力，但是，效果不顯著，只找到了一些小礦，這種局面一直延續到20世紀80年代中期。後來，通過總結找礦經驗教訓，從找礦指導思想、找礦理論、找礦方法等多方面進行反思。端正了思想，堅定了信心，在工作中大力採用綜合手段和綜合方法，特別是化探方法，從而打開了找礦的新局面。
1.懷柔楊樹底下金礦的發現
1987年，北京市地質調查所區調隊在開展1：5萬區測過程中，在楊樹底下開展化探測量，在已控制的鉬礦坑道中進行檢查取樣，發現金礦品位較高，從而發現此區鐵帽是以含金為主的金礦體。緊接著，該所正式在此地開展勘查工作，1989年底，查明該礦黃金儲量4.8t(接近中型礦)。
2.懷柔德田溝金礦的發現
20世紀90年代初，北京地質調查所101隊與北京市地勘局物化探隊聯合組成普查隊，對德田溝至崎峰茶一帶的物化探異常開展普查。采化探樣232件，進行地表揭露，大致圈定了礦化范圍，並初步圈定了Ⅱ號礦體的規模。後來又開展化探次生暈、原生暈剖面測量及激電剖面、電測井、井中物探試驗工作。地質與物化探的密切結合，終於查明了一個中型金礦，黃金儲量達5.09t。
這兩個金礦的發現，是北京地區金礦找礦的重大突破，是區調與找礦相結合和地質與物化探相結合的成果，物化探在其中發揮了重要的作用。
四、在找水中顯威力
我國是一個水資源嚴重不足的國家，全國各地都在努力打井找水。多年的工作證明，水文物探已成為地球物理勘探的一種重要方法。目前，這種方法已在全國各地找水中普遍應用，效果顯著。水文地質與水文物探方法相結合在北京找到了大量地下水(1982年和1987年，先後兩次開展水資源計算評價。結果，可采地下水資源量均為26.33×108m3)，為保障首都供水安全發揮了重大作用。
20世紀60～70年代，水文物探主要為郊區農田抗旱供水服務，在昌平、門頭溝、通縣等地開展大比例尺(1：2000或1：1000)水文物探工作。進入80年代，以開展1：5萬水文物探為主，主要方法是電剖面、電測深和電磁測深等。
例如，1982年3月至1990年5月，北京市地勘局先後對北京平原6422km2進行了電剖面和電測深工作。此項工作，重新編繪了平原區基岩地質圖，不但提高了北京平原區的基礎地質研究，而且依據第四系電性的特徵，圈定了測區第四系的富水區。如永定河沖積扇及古河道富水區、大石河沖積扇及古河道富水區、錯河沖積扇及古河道富水區、潮白河古河道富水區等等，還劃分了沖洪積扇、洪積扇裙及古河道，編制了北京平原區第四系(10～100m)涌水量分布圖。這些成果對區域水文地質條件評價、農田水利建設、水井位置選擇及計算涌水量等提供了依據。
北京山區面積大，許多地方水資源缺乏，人畜飲水困難，北京地勘局所屬各單位自20世紀60年代開始至今，不斷派人深入山區開展技術指導，為鄉村找水、定井位、鑿井數百眼。其中，水文物探同樣是重要的勘查方法手段。
五、在地熱勘查中功效獨特
物探方法在地熱勘查和確定地熱井位中發揮極其重要作用。
歷史上北京城區沒有地熱開采利用的記錄。20世紀70年代初，北京水文地質工程公司在李四光部長的指導下進行地熱普查。一炮打響，在北京氧氣廠、天壇公園、北京火車站先後打出了30～50℃的地下熱水，初步圈出約30km2的地熱異常區。
之後，經過40年的勘查，目前已查明平原區隱伏4個地熱異常遠景帶，包括10個地熱田，總面積已超1400km2。計算地熱能源遠景儲量(E級)，摺合標准煤89326.213×104t。
地熱資源深埋地下，肉眼觀察的功能受到很大的限制。地熱普查的主要方法是地熱物探，包括物化探多種方法手段，利用它們圈定地熱帶和熱儲層隆起區。
至今，北京地區地熱開發利用成效顯著，已打成地熱井約160眼，正常開采井110多眼。地下熱水開采量控制在1000×104m3以下，主要用於採暖、洗浴、醫療、水產、養殖、溫室種植、康樂保健、飲用礦泉水、旅遊等方面，這些對招商引資和創匯起到很好的作用。
近年來地熱勘查採用微動測深技術，即瑞雷波法(測深3000m)，克服了電測深法(測深1600m)可探深度較淺的缺陷。此方法的一大優點是可應用於大城市的環境，解決了因人口過密、建築物密集、交通繁忙、工業干擾嚴重，以致常規物探手段難以施工的問題，為城市地熱勘查提供了一個比較有效的手段。
微動測深技術(1992年)首先在豐台世界公園應用。當時，該地區沒有地熱井資料參考，採用電測深法只能測1600m，此深度不足以確定熱儲層埋深。後採用瑞雷波法，推測薊縣系埋深為2000m左右。鑽孔證實，該地層頂板為1940m，與瑞雷波法預測結果十分吻合。最後打成一個孔深2500m、出水溫度69℃的地熱井。
2001年，北京市地質勘察院開展「綜合物探系統(組合)在北京市進行深部地熱勘探研究」。調研表明：「重力、磁法、直流電阻率測深、微動測深、可控音頻大地電磁測深(CSAMT)以及大地電磁測深(MT)等方法適合北京地區地熱勘查，應用效果較好」。
六、在探測北京深部地殼構造中發揮關鍵作用
唐山地震後，中國地震局地球物理勘探中心等單位在華北地區開展了大量的人工地震測深工作。這項工作，首次揭示出北京地區地殼上地幔深部結構構造具有縱向分層和橫向分塊的基本特徵。北京及其鄰區，地殼速度結構大致可分為上地殼和下地殼兩大部分(徐錫偉，2002)。上地殼包括沉積蓋層及其下的結晶基底，厚度變化不大，總的趨勢是東南薄西北厚。在三河、寶坻一帶為20～21km，北京附近為22km，張家口一帶加厚至23～24km。下地殼也由兩層組成，其厚度也由東南向西北逐漸增厚。在東南部的天津附近，下地殼厚10km，到西北部張家口一帶最厚達19km。
人工地震測深剖面的地殼速度結構和莫霍面的三維構造形態分析，均顯示在橫向上北京及其鄰區的不同地質構造單元速度結構有明顯的差異，可以劃分出華北斷陷、燕山斷塊、太行山斷塊、山西斷陷盆地等不同的速度塊體，不同塊體之間的接觸帶常常是各種地球物理資料(如地殼厚度、重磁場特徵)的變異帶。其中，張家口-渤海構造帶和太行山山前斷裂帶是區內兩條最明顯的深部構造變異帶。這兩條深部構造變異帶均與現今地震活動關系密切。
地殼結構構造與地震活動息息相關。在北京及其鄰區，地震活動和主要地震帶的空間展布與地殼厚度變化和區域重磁場所反映的構造帶走向、構造分區邊界的延伸是一致的。如北西向的張家口-渤海斷裂帶，北東向的太行山山前斷裂帶，以及華北平原內的若干北東向構造帶等。據研究，在這些帶內，地震多發生在重、磁異常梯級帶附近，正負異常的交界處，以及不同方向重、磁異常帶交會處或異常帶的轉折處等部位。這些地方往往是地殼磁性基底與弱磁性基底的接觸帶，或基底隆起與凹陷的變化過渡帶，或地殼厚度的變異處，並伴有深大斷裂的發育。
七、給土壤進行全面「體檢」為首都現代化農業騰飛「把脈」
幾十年來，首都許多單位的地質工作者配合區調或礦產勘查開展地球化學勘查。20世紀80年代，地礦局物化探隊開展了山區1：20萬水系沉積物測量；與地礦部地化勘查研究所共同開展了北京市1：5萬土壤環境地球化學調查，定量分析了銅、砷、鉛、鎘、鋅、鉻、鎳、汞、氟等22項元素及指標，查明了土壤養分和營養元素豐缺狀況及主要農作物中有害元素的富集規律，發現並圈定了一些有重要意義的異常區，評價了土壤綜合肥力等級和主要農作物的安全性，為農業種植規劃調整提供了重要依據。此外，還對延慶縣、大興區生態農業地質進行了調查評價。
平原區的農業是全市農業的關鍵地區。2006～2007年，北京市地質勘查技術院首次對其進行了大規模(6400km2)土壤環境地球化學調查評價，基本查明了平原區土壤環境質量總體狀況，對其進行了分級和安全性評價，總結出城市生態系統、農田生態系統的影響因素、變化情況及演化趨勢，為城市環境保護、污染治理、農作物合理種植，提供了科學依據。
八、進行國土資源調查 為城市規劃提供依據
遙感技術是航空物探的一種重要手段。自20世紀80年代以來，北京大力推廣遙感技術在各方面地質工作中的應用，成果十分突出。有關遙感的成果，特別要提及「8301工程」。「8301工程」是「北京市航空遙感綜合調查」項目，是由地質部、城鄉建設環境保護部和北京市政府共同組織的重大工程，有41項課題。工作從1983年起至1986年，由地質部遙感中心和北京市地勘局共同負責完成。項目獲豐碩成果，有23項成果填補了空白，2項達國際先進水平，7項達國際同等水平，14項達國內先進水平。該項目獲國家科技進步獎一等獎。
其中的「航空遙感在昌平縣山區農業建設規劃中的應用」項目，首先在昌平區黑山寨試點，進而在全區開展，取得了很好效果。基本查明了農、林、土地、果木等各類資源的狀況，取得了山川水系、坡度、土地利用等大量資料，研究了各類野生資源以及果木的生長條件，為昌平進行農業建設規劃提供了重要依據。該項目受到當地政府好評，獲地礦部科技成果獎二等獎。此後，遙感技術進一步在平谷、延慶等區、縣農業建設規劃中推廣應用，均取得好效果。
2002年3月至2004年12月，北京市地質研究所又進行了一次「北京市國土資源遙感綜合調查」工作，完成1：25萬地土利用現狀、礦產資源、地質災害、地質旅遊遙感解譯，面積1.68×104km2；1：10萬環境地質現狀解釋，面積3514km2；1：5萬環城綠化現狀解譯，面積km2；1：2.5萬奧運主場區綜合環境的遙感解譯，面積156km2。上述成果，已提供給北京市有關部門為城市規劃利用。
九、地質災害調查評價效果顯著
地質災害是北京自然災害中的一種重要的災害，古今都給北京造成過大災害。
1)北京市地質研究所應用遙感技術對首都的地質災害做了大量的調研工作。1989～1991年，北京市地質研究所開展了「北京地區地質災害調查」工作。該項工作對北京歷年發生的自然災害的資料進行了分析，利用航片進行解譯並配合地面調查，初步查明北京地區主要地質災害分布現狀及發育特徵。山區以泥石流和礦山地面塌陷為嚴重；平原區則以地面沉降最為突出。調查表明，崩塌、滑塌、泥石流北山比西山發育。通過工作，提交了「北京地區地質災害調查報告」，預測了災害可能發生的地區。
1991年6月10日，京北山區發生暴雨，在預測區內發生了百年不遇的泥石流災害，懷柔北部山區有113條溝發生泥石流，死亡28人，重傷8人，直接經濟損失2.65億元。隨後，北京市地質研究所又對其他的山區縣進行了調研，編寫了報告(表4)。
表4 應用遙感技術調查地質災害成果
2)一系列的調研報告為領導決策提供了依據，北京市政府於1993年制定了北山地區險村「久安」搬遷計劃，由市政府撥出專款，自1993年開始實施，用3年時間搬遷了危險村374處、18422戶、60451人。此後，山區自然災害造成的生命財產損失明顯減少。
3)北京市地勘局制定了突發性地質災害應急預案，成立了指揮領導小組(下設應急調查隊)，由正、副局長擔任組長。突發災害發生後，應急調查隊在30min內集結，1h內完成准備工作，並奔赴現場開展調查工作。
4)配合突發性地質災害應急預案，2003～2004年，北京市地勘局與氣象局合作制定了《北京市汛期突發性地質災害氣象預報預警實施方案》。2004～2007年期間，北京市地勘局完成汛期預警預報值班500餘班次，製作預警產品12期，發布預警信息11次，向各區縣國土局轉達臨時地質災害預警信息數十次。預警預報信息的發布，使北京市人民群眾增強了地質災害的防範意識，有利於防災和抗災工作的順利進行。
十、在地質環境調查評價中廣泛應用，效果突出
物化探在地質環境調研中應用廣泛，特別是遙感技術的應用研究。如：
1)北京市區重要水源地綜合地質環境調查，由北京市地質研究所承擔，2002年初開始工作，2003年6月提交報告。重點應用遙感技術，進行1：1萬～1：10萬遙感解譯3514km2；1：10萬水土流失調查，3514km2；1：5萬綜合地質環境調查，3514km2；1：5萬礦山環境調查63個礦區3000km2；1：1萬重點礦山環境調查4個礦區。這些工作，為地方政府制定礦山規劃、礦山整頓、環境治理提供了依據。
2)北京市密雲水庫及其上游地區地質環境調查及防治對策研究，由北京市地質工程設計研究院承擔，主要應用遙感技術。2002年3月開始，2004年12月提交報告。主要調查密雲水庫及其上游的地質環境，查明了區內礦山數量、采選狀況、污染情況；調查了河流與水庫的水質、地質災害，人類不合理活動對環境的影響，並對有關的環境影響因素提出了實際可行的防治措施。
3)城市「熱島效應」研究。城市化發展的結果是，市區的溫度比郊區高，低溫的郊區包圍著高溫的城區，氣象學稱此為「熱島效應」。據氣象部門近40多年的統計，北京城區平均氣溫一般比郊區高出2.77℃。這個平均數據，氣象學稱其為「熱島強度」。熱島強度分為3種類型，即弱熱島型(城區較郊區地表溫度高2.5～4.5℃)、較強熱島型(城區較郊區地表溫度高4.5～6.5℃)、強熱島型(城區較郊區地表溫度高6.5℃以上)。
「熱島效應」明顯影響市區氣溫，它使京城氣溫一般比郊區高，而且使季節變更提前。據氣象部門資料，2000年以前，北京入春的時間(平原區)大多在4月3～5日之前(山區在4月中旬)；2000年之後，入春時間多數提前至3月下旬，2006年、2007年、2009這3年，甚至提前到3月中旬。
從歷史資料看，京城入夏的時間一般在5月27～29日。進入夏天的物候學標志是「刺槐進入盛開期」。2010年，由於「熱島效應」，北京入夏提前到5月中旬(5月19日)。
據報道，2010年7月全球平均氣溫再創新高，7月是歷史上有氣溫紀錄最高的一個月。本市熱環境遙感監測顯示，7月京城六區形成明顯熱島效應，且大部地區已達強「熱島」狀態。7月5日13時58分衛星遙感圖示，本市大部分平原區地表溫度都在48℃以上，其中，城區、豐台大部、石景山中南部、房山東部、大興西北部以及除延慶之外的其他區縣在城鎮及其周邊地區，地表溫度都超過了50℃，少部地區超過了54℃。但是，大部分山區地表溫度都在43℃以下。由於郊區大部農田收獲小麥後種上了玉米，植被覆蓋率較低，導致平均地表溫度較高，大部分在48℃左右。
高溫酷暑，空調運行，導致2010年(7月)北京電網負荷頻創歷史紀錄(1666×104kW)。據統計，電網負荷的1/3為空調負荷。
以上10個方面的突出成果，說明物化探是一種十分獨特的勘探工作手段，其方法多種多樣，應用廣泛，效果明顯，成果突出。它促進了地質勘查工作的快速發展和變化，與其他勘探手段密切配合，提高了地質勘探方法的整體探測能力，為社會經濟建設作出了越來越大的貢獻。
⑽ 用射氣測量、瑞雷波法在城市尋找洞穴
1.射氣測量
作為綜合物探方法之一，射氣測量法可用於工程地質調查的各個階段，也可應用於研究岩溶發育帶、溶洞和硐室等 中國地質科學院礦床地質研究所，1986。工程地球物探專輯，國外礦床地質，第二期。
經驗表明，岩溶發育帶上存在著帶狀的射氣場。利用觀測到的射氣場的低值帶和局部極小值可劃出岩溶發育的部位和溶洞。
早在20世紀70年代中期，莫斯科地質勘探學院曾利用射氣測量進行岩溶區劃。岩溶區位於莫斯科東部莫斯科河的古沖積階地上，岩溶發育在中石炭世灰岩中，其上覆蓋有5m厚的侏羅紀泥質岩石、30～35m厚的第四紀砂泥質沉積和5m厚的土壤。
射氣測量比例尺為1:500，線距為10～20m，點距為2.5～5m。工作結果表示在等愛曼圖上，從圖中可看出，低濃度帶和高濃度帶交替出現，經鑽探驗證，極小值帶反映了岩溶陷落和溶洞。
圖5-4-19是莫斯科一個街區的觀測結果。高濃度背景上出現低值帶和局部極小值，低值帶對應著岩溶強烈發育的地段，極小值對應著溶洞及其上面的陷落漏斗。
圖5-4-20為前蘇聯多里斯克市某工程勘查區的射氣測量和鑽探探測硐室的結果。射氣異常低值帶對應著地下硐室的位置，經鑽探驗證，在異常低值帶發現硐室的存在，在低值帶外則未有任何發現。
圖5-4-19 通過中心溶洞的地質物探剖面
1—第四紀砂沉積；2—第四紀泥質沉積；3—中石炭世灰岩；4 射氣濃度曲線；5—溶洞輪廓；6—驗證鑽孔；7 陷落漏斗
2.用瑞雷波法探測空洞
當空洞位於瑞雷波法的可能勘測的深度內，其直徑大於埋深的1/10時，用瑞雷波法可探測出空洞的位置。
圖5-4-21是日本利用瑞雷波探測某幼兒園地下空洞的實際例子。幼兒園的地下為關東亞砂土層，部分夾砂礫石。由探測結果可看出，在無空洞的地方，速度曲線基本上保持一定的角度往深度方向延伸，速度值逐漸加大，在有空洞的地方，速度曲線上，在4.5～6m之間出現異常，速度數據分布不規則，在6m以下，速度曲線特徵與無空洞的一樣，推斷4.5～6m之間為空洞位置（圖5-4-22）。
圖5-4-20 地下硐室上射氣測量結果
1—射氣濃度曲線；2—地下硐室的位置；3—亞粘土；4—灰岩；5—鑽孔及編號
圖5-4-21 空洞位置圖