绪论
一、地球物理勘探的概念
地球物理勘探，简称物探，是一种对天然存在的或人工建立的地球物理场进行观测，借以查明地下岩体的地质构造，寻找矿产或解决各种水文、工程地质和环境地质问题的勘探方法[1，2]。
所谓地球物理场，指的是存在于地球及其周围的具有物理作用的空间。例如，具有重力作用的空间称为重力场，具有磁力作用的空间称为磁场，具有电流作用的空间称为电场，等等。众所周知，组成地壳的各种岩（矿）体在某些物理性质方面往往有明显的差异。例如，相对于周围的岩体而言，磁铁矿的磁性强，金属硫化物的导电性好，放射性矿体的放射性强，等等。这些差异会引起相应的地球物理场的局部变化，这种变化称为地球物理异常。地球物理异常按物理场的性质可分为重力异常、磁力异常、电性异常、放射性异常等。用专门的仪器测量物理场的分布状况，通过分析和研究物理场异常变化规律，并结合当地的地质资料，推断出地下一定深度范围内地质体的分布规律，从而达到地质勘探的目的。
地球物理异常是相对于其正常场的偏差。正常场是由具体物理参数均一的岩体所决定的地球物理场。其均一性与研究范围大小有关。地球物理异常按范围大小可分为大陆异常、区域异常（几千至几万平方公里）和不同级别的局部异常（小于几千平方公里）。在进行具体物探时，常利用的是区域异常和局部异常。在研究局部异常时，可将地球正常场、大陆异常和区域异常之和视为正常场，作为背景值，认为它们对研究范围内的影响是稳定的。有了这样的概念，就可能根据异常的级别划分出场的某些假定的正常场水平，从而突出有用的异常。
必须指出，我们观测到的地球物理场都是由正常场、各种异常场和干扰场叠加而成的。所谓干扰，是指能使地球物理场的测量结果发生畸变，致使解释推断困难的所有因素。例如，由于上覆岩层和下伏岩层的影响，断面上部的不均匀性、局部地形等引起的干扰是地质成因的干扰；而场的短期变化、游散电流等的干扰则是非地质成因的干扰。干扰可以是随机的，也可以是非随机。有的干扰可以通过技术和计算手段消除，有的干扰是无法消除的。在物探工作中，必须从干扰背景上划分出由被探测地质目标所引起的异常，并对其作出定性的和定量的解释。
由此可见，物探方法与一般地质勘探方法不同，它具有一定的透视性。它并不直接观测研究出露于地表的岩（矿）体和地质构造，而是凭借仪器观测地球物理场的变化，以查明地下的地质问题。透视性、效率高、成本低是物探方法的最大优点。在工程地质勘察中，合理地应用综合物探，不仅可以指导钻探的布置，减少钻探和野外工作量，缩短勘察周期，降低成本，而且可以填补难以进行钻探工作地段的地质“空白”。但是，也必须认识到物探技术的应用具有一定的条件性和局限性，解释成果有时具有多解性的缺点。例如石灰岩和花岗岩，它们的纵波速如果都是5000m/s的话，用地震勘探就不能区分它们。但这两种岩石的磁性不同，用磁法勘探测得花岗岩一侧磁场较强，达1000γ，石灰岩一侧磁场较弱，仅200γ，很容易将它们区分出来。如果是一个深埋地下的小溶洞，虽然洞中水的电阻率比石灰岩低得多，但它的存在不足以改变电场在地面上的分布状态，电法勘探就不能发现它。这反映了物探的条件性。此外，同一物理现象，可以由多种不同因素所引起，例如地震波初至时间的延长，可以由地震波行经距离的延长引起，也可以由地层弹性波速度的降低引起。这反映了物探的多解性。
工程物探的特点是：探测的地质目标埋藏浅、形体小；干扰因素多，要求精度高；要求与地质、钻探、工程施工相配合，工作周期短，提交成果要快；要提供岩土体物理力学参数及某些工程特性参数。在工作中要想取得较好的地质效果，需要根据具体的地质条件，合理地选用综合物探方法，按一定的地质-物理模型和最优化工作程序进行工作，并与地质、钻探、实验等勘察手段密切结合，进行综合研究，以利于更好地解决各种地质问题。
二、地球物理勘探的分类
地球物理勘探是一门应用科学，它利用的物性参数多，场源、装置形式多，观测内容或测量要素多，应用范围广。为实现不同探测目标，适应多种地质条件，物探方法、种类十分繁多。随着物探应用领域不断地扩大和科学技术地发展，还会涌现出许多新的方法。
（一）按地球物理场的性质分类
1.电法勘探
电法勘探是以岩（矿）体电性差异为基础的一大类物探方法。目前，在电法勘探中已经利用的岩（矿）体的电学性质有导电性、电化学活动性、介电性及导磁性。岩（矿）体的任何一种或数种电学性质的差异或改变，均能引起与其有关的电场或电磁场（天然存在的或人工形成的）在空间分布状态方面发生相应的变化。因此，人们便可在地面、空中、海洋、钻孔或地下坑道中，用仪器观测电场或电磁场的分布特点和变化规律，查明地质目标在地壳中的存在状态（大小、形状、产状和埋藏深度）及电学参数值的大小，从而实现电法勘探的地质目的。按照所观测的电场来源类型，电法勘探的基本方法及其应用范围见表0-1。
表0-1 电法勘探分类简表
2.地震勘探
地震勘探是以岩（矿）体弹性差异为基础的一类物探方法。它根据人工激发所产生的地震波在地下传播过程中遇到弹性性质不同的分界面时所产生的面波、反射波、透射波或折射波等，利用地震仪在地面接收记录地震波的传播时间，再结合波的传播速度资料，就能确定界面的埋藏深度和产状。此外，还可以根据波速、波形、振幅、频率等方面的资料进行岩性的研究，提供岩体力学参数。
地震勘探也有许多分支方法，目前比较常用的是反射波法和折射波法。
岩体声波探测法是利用频率较高的声波或超声波来测定岩体弹性性质的一种物探方法。由于其波长较短，易被岩体吸收，探测范围较小，所用仪器和工作方法也与地震法不同，独立成为工程地质勘察中不可缺少的测试手段。它能对岩体质量、混凝土构件质量、水泥灌浆效果作出评价[3]。
3.重力勘探
重力勘探是以岩（矿）体密度差异为基础的物探方法。岩（矿）体密度的差异会使地球重力场发生变化，从而引起重力异常，用仪器观测并分析研究重力异常，就能探查地下地质结构、地质构造和矿床、地热田分布情况。
微量力勘探是通过测量重力场的微小变化（微伽）来研究地质构造和工程地质问题的一种方法。它能探测地下的断层破碎带和洞穴，检查水泥灌浆效果，监测地震和岩体的稳定性等。
4.磁法勘探
磁法勘探是以岩（矿）体磁性差异为基础的物探方法。借助于专门仪器进行地磁测量，获得磁异常的资料，分析磁异常与地下磁性地质体的对应关系，可反推磁性地质体在地下的分布和产状特征。磁法勘探主要用于找矿、找热水、地质填图和研究深部地质构造问题。
5.放射性勘探
放射性勘探是以岩（矿）体放射性差异为基础的一类物探方法。它主要是测量地壳内天然放射性元素放出的射线强度和气态放射性元素氡（Rn）的浓度，以达到解决有关地质问题的目的。放射性勘探有很多种方法，如自然伽玛法、中子法、伽玛-伽玛法、中子-伽玛法、静电α卡法、α径迹法、210Po法、同位素示踪法等。放射性勘探除用于寻找放射性矿和油气田外，还用于地质填图、划分岩层界线、确定含水层位置、寻找基岩地下水、探测地热和地下热水、测定岩土体的密度、测定河水泥沙含量、研究大坝渗流问题等方面。
（二）按观测场所分类
根据观测场所的不同，地球物理勘探可以分为：①航空物探；②地面物探；③海洋物探；④地下物探（将仪器置于地下坑道、钻孔中进行观测）。此外，利用卫星在宇宙中进行重磁法、无源无线电法、红外探测的就称为卫星地球物理勘探。
（三）按应用范围分类
地球物理勘探按在生产实践中应用的范围，可以分为：①区域物探；②固体矿产物探；③油气田物探；④工程及水文物探。
物探方法地质效果的好坏，不仅取决于方法的种类，还与地形地质条件的复杂程度、仪器性能、干扰水平及人的主观作用等因素有关[4]。实践证明，只有充分发挥人的作用，选择最佳探测方法组合，优化工作程序，选择适当的观测方法，与地质密切相结合，才能确保物探的地质效果，发挥物探的独特优势。
三、工程物探的主要任务
1.区域稳定性评价和工程选址
在杭州湾核电站选址的地球物理调查中，先后进行了大中小比例尺的重力、电磁、地震、α径迹、汞气测量、声波和岩土动力参数等的测定，并广泛收集了区域地质地震资料，查明杭州湾位于江南断槽带，它是重磁力升高区（图0-1），为前震旦系深变质岩组成的稳定断块。莫霍面呈平板状，埋深29～30km，无明显梯级带。从由卫星重力测量计算结果编制的地幔对流应力场得知，杭州湾是一个远离孕震活动带的地幌对流平稳区。对电站半径8km范围内长度大于1.5km的断层，特别是第四系断层、全新世断层的位置、形状、产状、活动性的调查表明，核岛区是一个新构造运动不强烈、第四系活动断层不发育的稳定地区[5]。
图0-1 沪杭区重磁向上延拓等值线图
A—航磁图（向上延拓30km，单位为nT）；B—重力图（向上延拓25km，单位为mGal）；1—正负重磁等值线；2—地壳断裂；3—基底断裂；4—策层断裂
在工程选址方面，我们以黄河小浪底竹峪坝址选择为例。原先认为该坝址地质条件较好，覆盖层不厚，施工条件较理想，是个好坝址。浅层地震勘探查明覆盖厚达50m，钻探结果证明物探精度达99%。最后改变了竹峪坝址的勘探布置，节省了费用。这说明物探为坝址比较发挥了侦察兵的作用。
2.覆盖层和风化层的探测
在坝址、厂址、码头及其他地基勘察中要分别探测覆盖的总厚度，各分层厚度和埋深，各层的密度、干容重、孔隙度和透水性，覆盖层中古河道的位置，河谷深槽和基岩起伏等，主要采用电法勘探、地震勘探、水声勘探和各种测井方法。
在坝址和主要建筑物区探测基岩风化层，主要使用初至折射波法和电测深法，辅助使用浅层反射波法和对称四极电剖面法。图0-2为浅层折射波法在叶甸工区获得的覆盖层厚度分布结果。在条件有利时，可用电阻率测井、地震波测井、声波测井及放射性测井，在钻孔和平洞中对风化岩体进行详细的分带。
图0-2 叶甸工区表层结构调查的覆盖层厚度H0等值图
3.隐伏断层破碎带的探测
要查明隐伏断层破碎带的位置、规模、分布和延伸情况等，主要用地震勘探、电法勘探中的电阻率法、激电法、充电法、自然电场法、甚低频法、微重力法、静电α卡法等。
4.喀斯特探测
喀斯特探测主要是探测建筑区岩溶漏斗、溶洞、暗河的平面分布和岩溶地下水的分布等情况，主要使用电法勘探中的电测深和电测剖面法、自然电场法、激发极化法、甚低频法、PS（Petro-Sonde）岩性测深法、无线电波透视法、声波透视法、地质雷达、微重力法等。这些方法也可用于探测煤矿采空区、废弃坑道及其他洞穴。图0-3为广西德保县那甲乡多凌屯的高密度电阻率法中微分测量装置的电阻率反演结果，可以发现，在20m以上为覆盖层，在23～30电极之间深度为42.5m以下有1个低电阻率异常体，即灰岩中的溶洞。此外，用测温法可查明水下和地表下地下暗河的出露点。
图0-3 那甲乡多凌屯某测线的微分测量装置的电阻率剖面
5.地下水的勘查和水文地质参数的测定
地下水的勘查包括大面积的区域地下水调查；个别地区和厂矿企业的水煤勘查；查找古河道、洪积扇、基岩储水构造；确定含水层的埋深和厚度，地下水的赋存、运动、补给关系；区分咸淡水；勘查地下水污染情况以及库坝渗漏情况等。其主要采用电阻率法、激发极化法、地震勘探、甚低频法、PS岩性测深法、放射性勘探、遥感以及各种测井方法。水文地质参数的测定主要是测定地下水流向、流速、渗透速度、影响半径，在条件有利时配合水文地质实验确定含水层导水系数、渗透系数、桶水量等，主要采用各种测井法、自然电场法、充电法、同位素示踪法、电阻率法等。
地下热水的勘查主要采用测温法、电阻率法、激发极化法、自然电场法、重磁法、静电α卡法等。
6.环境地质勘测
这方面的探测内容很多，面广量大，如对水域面积、江河湖海岸及滩涂变迁，沙漠、冰川冻土、森林和植被覆盖、可耕地的变化，以及区域滑坡、泥石流、黄土崩塌、水土流失、地面塌陷、水域水质变化等进行普查、勘查、动态监测和预测。使用的方法是多种多样的。如用高密度电阻率法对襄十高速公路武许段某边坡的稳定性进行评价（图0-4）。当滑坡体上有钻孔时，可以用充电法确定滑动方向和滑动速度。又如1986年9月在杭州玉皇山脚下开凿隧洞，引钱塘江水更换西湖湖水时，就用自动测井仪在换水过程中测量水电阻率的变化，确定了更换水（混合流）的运动方向、路线、速度、分布形态，揭示了湖水更换的基本规律，为换水效果和经济合理的换水方案提出了依据。这是用物探方法开展环境保护和治理的成功例子。
图0-4 襄十高速公路武许段某边坡的电阻率剖面
（湖北省神龙地质工程勘察院提供）
对工程的主要工程部位、生活设施、建筑材料等进行环境放射性检测，主要使用自然伽玛测量、射气测量、静电α卡法、伽玛测井等方法。图0-5为莫斯科某街区射气（或氡气）浓度检测结果，对应溶洞上部的氡气浓度值明显偏低。
7.岩土体物理力学参数的测定
测定的内容主要包括电阻率、纵波速度、横波速度、密度、容重、动泊松比、动弹性模量、动剪切模量、动抗力系数、孔隙率、各向异性系数、地基承载力等工程设计所需参数，主要采用地面地震勘探、地震测井、地震跨孔原位测试、声波测试、声波测井、密度测井、电阻率测井等方法。例如，要修缮至今已有八百多年历史的杭州六和塔，但无建塔资料，于是用浅层地震法和跨孔地震法测定了塔基岩土体的物理力学参数，用直达波初至法测定了塔身的波速，计算了塔身自重和地基承载力，论证了地基是稳定的，可以承载。
8.建筑物和地基处理工程质量的无破损检验
其内容包括：①土木工程施工过程中的物理探测，如隧洞洞周和开挖面前方隐伏不良地质现象的探测，围岩松弛带的探测（图0-6）；②施工影响的检测，如大坝坝基开挖和边坡开挖中爆破对岩体影响的探测；③施工质量的检验，如大坝混凝土强度的检测，桩基质量检测，地基加固处理效果的检测，灌浆质量的检测等，主要采用地震测试、声波测试和测井等方法。
图0-5 莫斯科某街区射气浓度检测结果
（广东省地科所，1988年）
图0-6 某地下工程围岩松弛带的探测[6]
9.其他
在地基和建筑物卓越周期检测，地下古墓、古矿坑道、地下电缆和金属管道探测，石雕风化深度和防风化保护浆液渗入深度的探测等方面，都可以用工程物探方法取得良好的效果。
工程物探使用的方法在不断发展中，应用领域也将会不断扩大，工程物探在国民经济建设中必将发挥更大的作用。
四、我国工程物探的发展概况
电法勘探的兴起已有一个半世纪的历史[7，8]。在中华人民共和国成立之前，我国电法勘探的基础极其薄弱。仅有少数人，如丁毅在20世纪30年代、顾功叙在40年代试用电法找铁矿。中华人民共和国成立之初，随着国家建设迅猛发展，采用电探方法大规模地开展了地质勘探。1957年试用了激发极化法，20世纪70年代初陕西第一物探队首创激电衰减时找水法，石油部门用激电法找油气亦获成功。接着又先后引进了频率域（即“交流”）激电法、频谱激电法，并研制了相应的观测仪器，使激电法不断发展。电磁法的应用始于60年代，研究工作断续进行了近30年，仍处于实验研究阶段，没有在生产中推广应用。但用于工程物探的甚低频电磁法、磁偶源频率测深法、无线电波透视法，用于煤田勘探的电偶源频率测深法以及用于油气田和深部地质构造研究的大地电磁法却发展较快。至今已发展到有相当规模，并取得了令人信服的地质效果。对直流电法的地形改正，我国在60年代进行了多种物理模拟实验研究，在70年代初又提出了“坐标网模拟转换法”，用微机进行二维地形影响校正。从70年代中期开始发展电测资料的数字（电算法）自动解释，现已普及，使推断解释水平大为提高。
目前，高密度电法（或阵列电阻率成像法）、超高密度电法、单孔或井间直流电阻率成像法、探地雷达、瞬变电磁法、电磁场正演数值模拟和电阻率反演等是研究热点。
地震勘探始于20世纪20年代[9]。我国从1951年起运用地震法勘探石油，1957年开展工程地震勘探。这段时期以折射波法和透射波法为主。70年代浅层反射法才逐渐兴起，但发展较快，与发达国家同时进入实用阶段。80年代初，落后的多道光点示波地震仪被信号增强型工程地震仪所取代，采集数据记录在磁带（盘）上，在电子计算机上进行处理，提高了解释精度。浅层反射波技术在工程中的应用在近几年已逐渐增多。例如在龙羊峡水库对覆盖层的分层、三峡新滩滑坡勘察、上海地铁、黄浦江和武汉长江过江隧洞、南京过江管道工程、江阴和铜陵长江大桥选址、风陵渡黄河大桥工程选址等工程中，浅层反射法都取得令人满意的效果。1989年地震波速层析成象（CT）技术在二滩电站岩体质量研究中首获成功。同时，跨孔法、水声法、面波法、常时微动测量等新技术也相继得到应用。
目前，水域弹性波勘探、井间弹性波勘探、隧道超前预报（TSP）、高分辨率地震采集技术、高分辨率地震处理及解释技术、三维地震波场正演数值模拟和叠前地震及全波反演等是研究热点。
地球物理测井简称测井，1927年始于法国，1929年电阻率测井作为商业性服务很快被石油工业所承认[10]。
测井工作在我国起步较晚。1954年在平顶山进行了第一个煤田钻井测井，1955年后相继开展了工程物探测井、金属和非金属矿测井，使用的是半自动模拟记录仪。60—70年代末期发展了井中激发极化法、超声成像法、跨孔电磁波等新方法，研制出JH-1型全自动模拟综合测井仪，可作视电阻率、自然电位、自然伽玛等十余种测井。80年代，测井的数据采集系统跨入数字化阶段，方法和仪器逐步实现了系列化和组合化。JZS-1型车载数字综合测井系统、JXW-1型微机测井系统、JBS-1型轻便数字测井系统、JWT-4型跨孔电磁波仪就是代表。我国井中磁测在理论和方法技术上居世界领先地位。
目前，已经形成了电阻率测井系列、三孔隙度测井系列、弹性波测井系列、放射性测井系列、水文参数测井系列、成像测井系列和套后测井系列，其中电阻率成像测井、声波成像测井、核磁共振测井、交叉偶极子声波测井、随钻测井等是研究热点。
其他物探方法（如重磁、放射性勘探）在我国的发展也是从无到有，至今已取得了巨大发展。种类繁多的氡气测量技术已处于世界前列。