工程物探概述

工程物探通过使用物探仪器观测重、磁、电、震等物理场数据来研究工程地质相关地层的物性（密度、磁强度、电导率、磁导率、介电常数、极化率等）和岩性（地层类型、结构、空隙、构造、含水性等），评价地层岩石的质量等级、工程施工的造价、安全性、环境效应和工程的长期稳定性。为了提高评价的可靠性，需要研制和不断更新高质量的仪器；需要通过理论和室内外实验研究地球物理场和地层物性之间的定性定量关系以及如何由观测场与研究的定量关系反推（反演）地层的物性；需要研究物性和岩性之间的关系（以经验关系为主）以及如何由地球物理场的特征和推断的物性反推地层的岩性。

工程物探发展简史

工程物探有许多分析，各个分支发展的起始时间、发展程度和水平、解决工程地质勘察的能力在各个年代是不同的。国际上早在第二次世界大战期间，物探已用于军事工程和民用工程的地质勘察。战备军用和民用工程的工程物探发展迅速，在评价工程的造价、安全性、稳定性时普遍在施工前进行工程物探探测。在中国，工程物探始于1950年，北京官厅水库施工前采用电法勘察了坝址的地质情况。其后直至现在工程物探在我国的发展大致经历了三个时期。

第一时期以上世纪50年代开始到60、70年代。这一时期我国国民经济基本建设对工程物探的依赖很大，主要是消化、引进、实践国外先进的工程物探仪器、方法和技术。在地矿、铁道、公路、水电、水库等工程建设中，使工程物探有了长足的进步。

第二时期是从改革开放到上世纪末，是我国工程物探的迅速发展时期。在改革开放之初，我国在50-60年代修建的水库和江河堤坝逐渐老化，存在漏水隐患和垮坝风险，国家投入大量资金用地球物理方法寻找隐患和风险位置。改革开放以后，我国的世界工程建设项目日益增多，例如三峡大坝、南水北调引水隧道、高速铁路和高速公路超长隧道、高放核废料地质处置库选择等。此外，采矿、采煤、采油工程等都需要工程物探事先进行地质勘察。所有这些勘察的地质目标埋深较浅，一般处在浅层和近地表层，这里的地质情况比较复杂，物性的不均匀性和各向异性严重，浅层工程物探探测在地质解释上的难度很大。同时期，国外也遇到相似问题，加大了对浅层勘探方法的研究。因此，美国的勘探地球物理杂志上多次出现浅层地球物理（shallow geophysics）和近地表地球物理（near surface geophysics）的栏目专门刊载对浅层勘探方法的研究结果。我国的工程物探工作者针对国家工程建设的需求边干边学边超，迅速赶上了国外的先进水平。在地面工程物探方面比较有效的有多道浅层地震、高密度直流电法、探底雷达、面波勘探、可控源音频大地电磁（CSAMT）、瞬变电磁（TEM）等，浅层浅地表工程物探要求勘探精度高、分辨率高、可靠性高，在这些要求的促进下，也发展了井中、井间、井地、巷道间以及掌子面上的工程物探方法，并达到了一个较高的水平，例如陆地声呐法、TEM法、井间地震、井间电法等。

第三时期为新世纪开始至今，在这一时期，许多建设工程的埋深越来越深，同时在资源勘探领域，到更深的第二成矿带深度资源已成为资源探测的战略选择，自然相应的采矿采油工程涉及的深度也越来越深，不仅探测目标深而且探测的精度和分辨率不容降低。这就加大了工程物探的新难度。我国的物探工作者不畏艰、不畏难在两个方面取得了重要进展和重大突破。第一方面是国外有的我们需要迅速赶上和超过，第二方面，国外没有的，为了解决国内的问题，我们也要创造自己的新方法。第一方面，可举页岩气人工液压开裂开采工程中的水平随钻物探探测装备研制和方法研究以及多道瞬变电磁勘探方法（MTEM，详见方法）为例，正在中国科学院地质与地球物理研究所开展研发。第二方面是我国自主研发的世界上首个极低频电磁勘探法也正在我国研发之中（WEM，详见方法）。

工程物探方法

工程物探有许多分支，按场源种类分有天然场法（被动源法）和人工场法（主动源法）；按勘探地质任务分有采矿工程物探（采矿、采油、采气、采煤、采热等）、水利交通工程物探、隧道工程物探等；按观测方式分有地面工程物探、海地工程物探、地下工程物探、井间工程物探、井地工程物探、掌子面工程物探等；按场的性质分有地震波工程物探（声波，弹性波）、直流电法工程物探（电测剖面法，电测深法）、电磁波法工程物探（电源电磁法、磁源电磁法、无源电磁法、高频电磁法、激发极化法等）等。下面将提及第二时期第三时期使用的比较有效的典型方法和正在研发的潜在新方法。

1、重力勘探法，利用介质的密度差异和相对密度差异产生的重力场或重力异常场进行工程勘探的方法，主要用于探测第四纪厚度和基岩面的埋深和起伏。有时也用于浅层地层内的局部密度体的探测（例旧陵古墓内部结构探测）和深大断裂探测（后者主要用于研究工程的长期稳定性和地震预测中的活动断层评估）。

2、磁力勘探法，利用介质的磁化强度差异或相对磁化强度差异产生的磁场或磁场异常场进行工程勘探的方法，主要用于探测第四纪厚度或基岩面的埋深和起伏。也用于探测地层内的局部磁化强度体的探测，探测居里面的埋深和起伏和深部张性断层，后者可用于长期稳定性评估，活动断层评估，采矿工程设计等。

3、放射性方法，用于探测介质是否存在放射性源，用于活动断层评估。

4、探地雷达法，利用介质的介电常数或相对介电常数差异产生的高频雷达波场进行工程勘探的方法，逆反射地震勘探方法勘探地层介质的介电常数分布，从而实现对地层岩性勘探的目的。他具有极高的分辨率，可用于评估高速公路、隧道壁内钢筋网存在与否以及分布，评估公路隧道的工程质量。

5、浅层折射波法，利用声波介质的密度（）和拉曼系数（）的差异产生的远场纵波（P）或利用弹性波介质的密度（）和拉曼系数（）的差异产生的远场纵横波（P、S）进行工程勘探的一种方法。主要用于探测第四纪的厚度和平均波速以及基岩的埋深和起伏。也可用于反射波法和静校正。横波速度Vs可用于岩石质量分级的指标。

6、浅层折射波法，利用声波介质的密度（）和拉曼系数（）的差异产生的近场纵波（P）或利用弹性波介质的密度（）和拉曼系数（）的差异产生的近场纵横波（P、S）进行工程勘探的一种方法。主要用于探测第四纪的厚度和基岩内部精细结构的探测。陆地声呐法也可归在地震波声波法中，属于高频声波勘探。

7、瑞利波法，利用介质的纵横波的频散特性或瑞利波速度的频散特性进行工程勘探的一种方法。主要用于探测第四纪的厚度和地层内部的结构，例如洞穴等。

8、高密度电法，利用介质的电导率差异产生的电场测量电极间的直流电位差）进行工程勘探的方法，有单极法、偶极法、四极法等不同的方法。其中A极供电（B极在无穷远处），M极测量（N极在无穷远处）的单极法时最基本的，其余的装置测量可由单极装置测量转换而得，主要探测浅层的电导率分布，并由此推断原弱地层结构断层或破碎带及其含水性。

9、CSAMT法，属人工源音频电磁波法，和高密度电法类比，主要利用介质的电导率异常产生的人工电源频率域远场电磁波场。包括电场分量Ex和磁场分量Hy（或Ey，Hx等组合）进行工程勘探的方法，Ex和Hy的场资料转换和卡尼亚视电阻率，作为资料进行进行反演和地质解释。主要用于探测地层的电导率分布，进而推导地层的岩性和原弱地层结构及含水性。

10、TEM法，属于人工源时间域电磁波法。主要利用介质的电导率异常产生的断电后的时间域近场电磁波场进行工程勘探点方法。一般采用磁源，由于采用近场，一般比CSAMT法有更高的分辨率，特别可用于掌子面前方地质结构的勘探。和CSAMT法一样，主要用于探测地层的电导率分布转而推断地层的岩性和地质结构及含水性。

11、激电法，利用介质极化率差异断电后产生的二次场进行工程勘探的方法，分为时间域直流激电法，频率域变频激电法，频率域频谱激电法（或复电阻率法）观测断电后的二次场来处理反演介质的电极化率。这种方法在确定介质的薄弱电性结构和含水性方面比较有效，有较高的分辨率。但探测深度偏浅，因此国内外利用天然源电磁测深（MT）资料和人工源（CSAMT）资料开展激电频率变电阻率法研究。因这而生，我国地矿系统、石油系统需要很多研究。在工程领域和使用尚少不过在解决大深度工程勘探中，这个方法将具有很大潜力。

12、广域电磁法，广域电磁法是由中南工业大学何继善原始科研团队研究成功的有我国自主知识产权的电磁勘探新方法，也研制成功了适用于广域电磁法的仪器。广域电磁法摒弃了CSAMT观测电场和磁场的卡尼亚视电阻率作为资料而采用只观测电场的装置视电阻率作为资料。使它不仅能使用远场资料也可使用过渡场资料，扩大了有效资料采集的空间范围，扩大了推测深度，可用于6公里深度范围内电导率结构探测，已成功用于油气和页岩气探测。它对大深度工程前的地质勘探存在潜在的应用价值。

13、WEM法，极低频电磁勘探法，是船舰研究院陆建勋院士研究团队（包括船舰研究院722所、国家地震局地质研究所、中国科学院地质与地球物理研究所）借助国家级基础工程项目极低频探地工程正在研发的一种电磁勘探新方法，是世界上首先开始研发的，研究成功后，将有我国自主知识产权，目前的应用目标是长时间的地震监测，这是工程的长期稳定性研究所必须的，还包括10公里深度范围内的资源探测。以及一个子项目是滑坡稳定性检测，属于工程勘探范畴。

14、MTEM方法，是国外已经研究成功的用于油气资源勘探和采油工程中使用的新方法。它是多道时间域瞬变电磁法。在我国，中国科学院地质与地球物理研究所以朱日祥院士和底青云研究员为首的团队正在研创相关的仪器装备和研发相应的方法。其中编码源和采集设备已研制成功，用于页岩气采气工程的随钻设备研制进展顺利。预期项目完成可赶上国外MTEM方法的现有水平。可在大深度工程的地质勘探中发挥重要的作用。