Ⅰ 什麼是正演模型定義和使用方法
在地球物理磁法勘探的理論研究中，根據磁性體的形狀、產狀和磁性數據，通過理論計算、模擬計算或模型實驗等方法，得到磁異常的理論數值或理論曲線，統稱為正演問題。在異常推斷和鑽探驗證的基礎上，常常根據已掌握的磁性體的資料進行正演計算，用來修正推斷的結果，使其更符合客觀實際。
希望對你有用！
Ⅱ 地震物理模型正演在准噶爾腹部侏羅系研究中的應用
馬麗娟1趙群2
（1.中國石化石油勘探開發研究院，北京100083；2.中國石化石油勘探開發研究院南京石油物探研究所，南京210014）
摘要 本文針對准噶爾腹部復雜地質體，採用地震物理模型正演方法研究了砂岩儲層的地震響應特徵，通過處理方法的研究，分析其波形特徵及屬性特徵。研究表明，頂部有煤層的砂泥岩互層的地震解析度明顯低於無煤層影響地層，砂岩含油、氣的地震反射波振幅變小、頻率降低，含油氣層的AVO特徵是反射振幅近炮檢距隨距離增加振幅緩慢減弱，遠炮檢距反射振幅隨距離增加而遞增，為儲層的識別和流體的預測提供了可靠的參數，對該區下一步的勘探至關重要。
關鍵詞 地震物理正演模型 准噶爾腹部 三工河組 儲層預測
The Application of Seismic Physical Simulation in Jurassic in Hinterland of Junggar Basin
MA Li-juan1，ZHAO Qun2
（1.Exploration and Proction Research Institute，SINOPEC，Beijing100083；2.Institute of Geophysical Prospecting，SINOPEC，Nanjing210014）
Abstract Using seismic physical forward to model the seismic response of reservoir to complex geologic bodies in Hinterland of Junggar Basin.The waveform characters and attributes characters were analyzed based on processing of seismic data.The result of study shows that the seismic resolution of sand/mud interbed with above coal bed is obviously worse than strata without coal bed.The seismic amplitude and frequency of sand with oil and gas are low.The AVO characteristics of oil and gas-bearing sand oil and gas layers，reflection amplitude diminishing slowly with near offset increase and reflection amplitude intensifying with increase of far offset distance，provide assured parameters for reservoir distinguish and fluid predication and are very important to the next step exploration of this district.
Key words seismic physical forward modeling Hinterland of Junggar basin sangonghe formationreservoir prediction
雖然地球物理以求解反問題為主，但是從整個地球物理問題出發仍然是兩類問題：即正和反問題。許多理論研究問題和實際方法研究課題，需要從正問題入手，同時許多反問題求解方法是通過正問題研究來實現的。求解地球物理的正問題，常稱為正演模擬［1］。
地下介質的岩性研究對於地震勘探和油氣的開發有著重要的意義。在實際的地層中，大部分儲層含有孔隙，孔隙中又含有流體，儲層在幾何形態、岩性不同或是含不同流體的情況下，其在地震記錄上總會有反映和變化，但是這些變化的信息非常復雜和隱蔽，如何從非常復雜的地震記錄中提取能夠反映物性、岩性及含油氣性等參數預測儲層及其含油氣性，是地球物理學家們不斷追求的目標。正演模型則是地質與地球物理的橋梁，它不僅可以作為一種認知手段研究地震波在各種復雜介質中的傳播規律，同時可以作為一種檢驗手段，檢驗各種處理和解釋技術的適用條件。
准噶爾腹部侏羅系是隱蔽型圈閉勘探的主要目的層段［2，3］，侏羅系自下而上是八道灣組、三工河組、西山窯組、頭屯河組和齊古組，儲層主要發育在三工河組和頭屯河組。由於西山窯組內部發育了一套或幾套煤層，煤層的發育導致了地震波在傳播時間、振幅、頻率等方面的變化或異常，特別是在盆地沉積序列中，在煤層的下部發育的砂泥岩地層是勘探開發主要目的層時，煤層的存在致使砂泥岩地層在地震記錄上反射不好。在准噶爾腹部地區儲層識別及含油氣預測是油氣勘探的關鍵。因此，開展正演模型的研究，不僅可對地震成像的處理技術提供參考依據，而且可為儲層的識別和流體的預測提供可靠的參數，對該區下一步的勘探至關重要。
1 准噶爾腹部概況
准噶爾盆地腹部總體為一凹兩「隆」的構造格局［4］，腹部地區主要勘探目的層為侏羅系、三疊系、二疊系和石炭系。受印支運動的影響，三疊系沉積末期，准噶爾盆地抬升遭受強烈剝蝕，之後開始了侏羅系的沉積［5］。准噶爾中腹部侏羅系從下往上主要有八道灣組、三工河組、西山窯組和頭屯河組，腹部侏羅系殘余厚度一般在1000～1400m 左右，地層對比表明，由於車-莫古隆起的影響，南部西山窯組和頭屯河組被剝蝕殆盡。與上覆白堊系之間為區域性角度不整合接觸。區域上八道灣組為水進—水退的完整旋迴沉積，下部八道灣組三段（J1b3）為一套充填的粗碎屑沉積，以灰色砂礫岩、中細砂岩夾煤層為特徵，屬於三角洲前緣沉積；三工河組為此次研究的主要層系［6］，該組自上而下劃分為3段，即三工河組一段（J1s1）、三工河組二段（J1s2）和三工河組三段（J1s3）；厚度一般為450～650m；主要發育以泥岩為主的濱淺湖沉積。下部發育一套分布穩定、厚度巨大的三角洲前緣沉積砂岩；中部發育以泥岩為主的濱淺湖沉積，上部為曲流河三角洲沉積的砂泥岩互層，西山窯組區域上同時期湖沼沉積非常發育，地層普遍含煤，腹部地區上部遭受削蝕。頭屯河組岩性主要為一套褐紅色、棕紅色泥岩和薄層粉砂質泥岩。
2 模型的建立
地質模型的建立，依據目的層岩性變化、物性變化和形態變化等因素，在每種參數改變時（以單參數變化），其他參數採用該區標准值。在設計模型時，由收集到的沉積環境、鑽井岩心、地質露頭、測井數據、地震剖面、沉積相及地震相等信息，考慮不同沉積相的沉積特徵和岩性特徵等，侏羅系三工河組儲層發育段沉積相主要以辮狀河三角洲前緣水下分流河道砂體為主，岩性主要為砂、泥岩互層、粗砂、細砂、礫岩等，儲層的橫向形態變化大，厚度橫向變化大，在模型的設計中由簡單的模型逐漸向復雜的模型過渡。依據地質、測井及岩心分析，准噶爾腹部侏羅系儲層以辮狀河三角洲前緣亞相沉積模式建立地震正演模型。正演模擬需要解決以下問題：
（1）薄層儲層的地震響應問題，在主頻一致的情況下，不同相位的地震反射特徵不同。
（2）地震解析度的研究，由於本區辮狀河三角洲前緣亞相分流河道儲層埋藏深，一般在4000m左右，且厚度大多小於10m，5～10m儲層在常規地震上的響應如何，是識別薄儲層的關鍵。
（3）儲層流體性質對地震響應的影響，為定量識別流體解析度提供識別模式。
（4）在儲層的上部發育煤層，由於煤層的傳播速度低，導致其對下伏地層有屏蔽作用，煤層對下伏地層地震響應的影響如何，是儲層精細描述和預測的關鍵。
針對上述問題，為了從不同角度研究儲層的地震響應特徵，建立以下模型類型：
地震物理模型模擬實驗觀測了一條二維線，圖1a為莫西庄地區地層結構物理模擬示意圖。由於莫西庄地區西山窯組沉積時期湖沼沉積非常發育，地層普遍含煤，庄103井—庄1井以北為煤層沉積中心，目前區內以庄3井揭示西山窯組地層最厚，達217m，含煤3層，厚12.5m。庄4井含煤2層，厚14m，其他如庄5井、庄106井、庄103井和庄102井僅見下部的一套煤層，厚6～9m。庄1井西山窯組地層厚僅30m，未見有煤層，因此模型設計時在砂岩上部增加煤層段，在中間部位尖滅。其次莫西庄地區J1s2儲層發育穩定，三工河二段又可細劃為
3 物理模擬及處理效果分析
3.1 物理模擬的地震特徵
物理模擬實驗的模體是依據實際地層尺度按比例縮小的，採集的實驗參數是模擬野外採集的參數，即：道間距20m，炮間距40m，采樣間隔1ms。
圖1 准噶爾腹部地球物理模型示意圖
圖2 無煤層的物理模擬試驗數據疊加剖面圖
對觀測數據疊前和疊後分析及處理結果進行了分析對比發現，在砂泥互層的地層上部若沒有煤層（圖2），其地震反射非常清晰，剖面反演地震屬性的振幅、波形、頻率所反映的現象與模擬區的地質認識基本吻合，三工河組二段砂岩上傾尖滅在地震剖面上一般表現為地震反射層能量變弱或相位變化，砂體疊置則表現為地震反射層的疊置。模擬在細節上豐富了對本區沉積體系的認識，與反射面對應的反射波組部位主體為波峰。從能量特徵看，反射能量為中等到強，局部較弱，地震反射能量變化較大；頻率普遍具有中低頻特徵，整體連續性好。圖3是在儲層段上部有煤層的模擬數據水平疊加剖面，從波組特徵的穩定性看，模擬薄煤層反射較為穩定，且波組具「三峰」特徵，但在煤層的下部儲層反射特徵較沒有煤層的反射變差，由於煤層反射系數大，下覆地層的反射信號和能量將會受到非常強烈的影響，所以，上覆煤層對下面地層的影響是存在的。模型第三層（模擬三工河組二段的砂岩底部與下伏地層呈角度不整合接觸）波組特徵相對不穩定。
圖3 有煤層的物理模擬數據疊加剖面
從地震物理模擬結果分析：地震反射同相軸波形的變化包含豐富的地層現象和岩性變化信息。波形及振幅的細微變化往往是識別薄層及岩性變化的重要條件。頻譜分析模擬侏羅系三工河組（J1s）目的層段反射主頻為45Hz左右，時頻分析在45Hz有強振幅趨勢。因此通過對試驗研究採取不同的方法處理儲層對地震響應的影響。
小波變換是一種信號的時間-尺度（時間-頻率）分析方法。它具有多分辨分析的特點，而且在時頻兩域中都具有表徵信號局部特性的能力，是一種窗口大小固定不變但形狀可改變、時間窗和頻率窗都可以改變的時頻局部化分析方法。這種方法很適合於探測正常信號中夾帶的瞬態反常現象，並展示其成分，故被譽為分析信號的顯微鏡。這正符合低頻信號變化緩慢而高頻信號變化迅速的特點，也正是小波變換優於經典的傅立葉變換和短時傅立葉變換的地方。利用小波變換的多解析度成像技術進行分頻處理，對分辨後成像優良的頻段進行增益控制，增強有效波、壓制干擾波、補償地層對地震波高頻成分的吸收，恢復地震記錄的理想狀態，從而可以達到提高地震記錄解析度和信噪比的目的。從小波分頻瞬時振幅分析剖面看，煤層的存在影響其下伏地層反射頻率橫向追蹤對比（圖4），頂部有煤層的砂泥岩互層的解析度明顯低於無煤層影響地層。對小波屬性進行解釋是憑借信號時頻分布特徵來描述砂體分布。由於砂體對地震反射信號產生了時間和頻率的影響，而小波變換正好能反映信號時間和頻率成分。因而利用小波變換中時頻成分的差異性質來檢測砂體的縱橫向分布特徵可以達到檢測的目的。
另外，對數據進行多參數、多種方法處理分析可以提高分辨能力。不同方法處理結果能展示其不同的著重點。褶積方法提高縱向解析度，時頻分析強振幅趨勢圖能較好地反映其主頻響應，瞬時相位剖面對不整合端點能有清楚的反映。
圖4 小波分頻瞬時振幅分析剖面
3.2 物理模擬的含油氣特徵
模擬層
當含油氣砂體厚度在λ/4與λ/2（15～30m）之間時，其地震響應特徵為上負下正的低頻中振幅反射（但波谷為強振幅），其正波峰相位較為豐富，中部有錯開呈兩個相位的復波，即波峰明顯分開，但波峰之間一般無波谷。由於氣層較厚，速度降低較大，因此氣層頂底時間增大，表現為反射波同相軸下拉，而且在氣層下面也出現速度下拉的現象。圖5中黃圈內為上負下正的低頻中振幅反射，其波峰明顯出現復波，波谷為強振幅，其波峰同相軸有微下拉現象。這一現象是一個比較典型的含氣砂岩層地震波傳播運動學和動力學特徵［7］。
經實踐證實AVO是唯一可以用來定量預測岩性和油氣的地球物理技術。為了從各個不同的方面進行AVO的定性分析乃至定量解釋，並通過對地震資料的處理獲取更豐富的地層參數，對模型設計的油氣層進行AVO處理。圖6為從圖1a中庄1井位置得到的疊前道集AVO分析圖。圖中3條曲線明顯表明：層位①和②反射振幅隨炮檢距增大而減弱；層位③反射振幅近炮檢距隨距離增加緩慢減弱，遠炮檢距反射振幅隨距離增加而遞增。該部位正是模擬含油氣砂體層，而疊加剖面對應部分是局部的弱反射區。
圖5 偏移剖面
圖6 圖1中庄1井位置不同層位同一橫向點AVO分析圖
①，②，③為層位
圖7為不同位置上的CDP道集記錄，圖中（a）為J1s組砂體不含氣，（b）為J1s組砂體含氣，（c）為J1s組砂體含油。圖中箭頭所指的同相軸在地震波波形、波峰到波谷的時間間隔及振幅上有著明顯的差異。圖7（b）的AVO隨偏移距增加而增大，圖7（c）中波形明顯拉寬。儲層物性和充填在其中的流體性質發生變化，造成了地震反射波速度、振幅、相位、頻率等相應的變化，這些變化正是進行儲層橫向預測的主要依據。
圖8為對應於圖7 位置上地震波記錄波譜（左為分付氏普，右為伯格譜）分析圖，從圖中看出不含油氣地層反射的（a）譜簡單，最大峰值為3.6mV，主頻在46Hz；（b）譜為多峰，最大峰值1.7mV，對應主頻42Hz，次峰值為1.35mV，對應主頻68Hz；（c）譜也為多峰，最大峰值1.7mV，對應主頻72Hz，次峰值為1.5mV，對應主頻43Hz。因此，在薄互層反射波中研究其波的運動學和動力學特徵有著重要的現實意義。
圖7 不同位置的CDP道集記錄
圖8 對應圖7位置CDP道集分付氏譜和伯格譜分析圖
4 結論
通過物理模擬和地震處理的結果分析可見，地震屬性參數（疊前或疊後）是表徵和研究儲層的分布、岩性變化、物性特徵和流體含量的基礎。本區砂體的厚度一般小於調諧厚度，來自頂底面的反射波發生相長性干涉，形成復合波組。其視時間厚度不是地層的真實厚度。另外，利用波形分類、小波分頻技術及地震屬性中的平均瞬時頻率、平均波峰振幅和反射波能量等手段進行砂體的橫向預測效果較好。其次當砂岩中含有油氣時，地震反射波速度、振幅、相位、頻率等相應的變化，表現明顯的是振幅、頻譜降低。
致謝 研究工作得到了中國石化石油勘探開發研究院南京石油物探研究所馬中高的幫助，表示衷心的感謝。
參考文獻
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Ⅲ 正演地球的膨脹和收縮
在壓縮力或膨脹力作用下的地球球殼的應力與應變如何求？首先，必須搞清以下兩點。
——地球是否可以被當作薄壁球殼來分析。
如果分析的對象僅僅是地殼，毫無疑問，地球完全可以被當成薄壁球殼來處理。但是，地球具有分層結構，而且各層的物態物性也存在差異。所以，分析地球膨脹和收縮應該將目標放在各個圈層上，而不是局限於地殼，地殼的改變數實際上是地球各圈層改變數的綜合。
也可以將地球各圈層的改變當作一個灰箱，僅僅考慮地殼在灰箱狀態下的改變，這時，分析對象被作為一個實心的球體。
——壓縮力和膨脹力是否可以被直接引入計算式。
如果把地球作為一個整體來考慮，則地球所受的最大膨脹力和最大壓縮力分別為1.34×1014N和8.63×1013N。顯然，它是不能被直接引人計算式的，因為：第一，量綱不一致；第二，如果誤將它當作壓力代入，地球的體積將發生幾千倍的變化，這與事實不符。
如果將膨脹力或壓縮力除以受力面積，使量綱一致，那麼這將是一個非常小的數據，小到與地殼岩石所受靜壓相比可以忽略不計。
綜合前述，地球在地史上肯定發生過膨脹和收縮，地質作用力與之具有很好的對應。因此，地球的膨脹和收縮關系式可按如下公式建立
地球原動力
各式中△L——周長的改變數；
△D——直徑的改變數；
△V——體積的改變數；
△S——表面積的改變數。
其次，舉例分析。
曾融生等在青藏高原通過利用遠地地震波形反演Moho界面深度，綜合近年來地球物理觀測結果作出喜馬拉雅－祁連山的地殼構造圖，定量估算出，自50Ma陸－陸碰撞以來，印度次大陸和羌塘塊體向特提斯喜馬拉雅和拉薩塊體地殼擠入的長度約為937km。Dewey和Le Pichon等人估計，自50Ma迄今，印度次大陸向北推移的水平長度約為2500km。等等。
運用待定系數法，在求得了某一次或某幾次地殼構造運動的改變數數據後，結合利用地球在軌道幾個特殊位置的脹縮力F，分別將數據代入式（4—30）至式（4—33）求出K值。由此，建立起了由脹縮力計算地球改變數的理論計算公式。
這樣，根據公式即可計算地球在任意時間段後的任何時刻的所求改變數，從而完成以地球原動力為依託的地球改變數的預測，並使地學進入嶄新的里程。
Ⅳ 環境與工程地球物理
楊進
1 緒論
環境與工程地球物理是應用物理學的理論和方法，通過環境工程物理性質的差異或其形成的物理場來研究、解決環境工程問題，以達到人類與自然和諧協調發展的學科。環境與工程地球物理不同於常規的地球物理方法，它具有獨到的特點：勘探目標的淺表層是一種特殊的地質地球物理環境；勘探方法具有抗干擾性和靈活性；物性差異小探測信號弱，需較好的信號提取技術；需要不同時間連續跟蹤動態檢測；建立專用的物理-地質模型。環境與工程地球物理的基本任務是從聲、光、熱、電、磁等物理場的變化來認識地球，其主要應用領域有資源勘探、環境保護、災害防治及國家重大工程建設等。環境與工程地球物理涉及組成要素包括岩石圈、水圈、生物圈、大氣圈，涉及物性包括物理性質、化學性質和生物性質，涉及人類活動空間包括聚落空間、區域空間、地球空間及星際空間。
2 環境工程問題
2.1 環境問題
環境與工程地球物理對環境問題的研究內容是自然成因和人為成因的環境問題，既包括聚落環境，也包括全球環境變化。其主要研究內容：①自然力引起的環境災害與變化，如地震、火山、滑坡、塌陷、地裂縫、地面沉降以及空間環境變化的觀測和研究預測。②人類生活與生產排放的廢氣、廢水和固體廢物引起的大氣圈、水圈和岩石圈（含土壤）污染的探測和監測。③經濟建設和交通等引起的輻射、雜訊、振動等能量場污染的測量與研究。④人為物質與能量污染引起的全球變化，如氣候、旱澇災害的研究和預測。
2.1.1 世界環境問題
隨著人口增加、生產規模不斷擴大，所需的生活、生產資料急劇增長、排放「三廢」（氣體、液體、固體污染物）相應增加。人類活動空間擴大，改造自然、破壞生態日益加劇，已經威脅到人類的生存和持續發展：①資源匱乏，資源是人類生存和發展所必須的物質條件。隨著人口增加，資源需求與日俱增。不可再生的礦產資源（包括能源資源）日益短缺，而且破壞環境造成污染。②森林資源面積縮小，使全球氣候調節功能降低；水土流失，土地沙化，耕地退化；淡水資源短缺，成為人類生存和發展的嚴重障礙。③環境污染日益嚴重，主要表現在三個方面：一是有毒有害氣體，大量排放，造成大氣污染，引起「溫室效應」、「臭氧層破壞」、酸雨范圍擴大；二是土面積生態破壞、表現為大面積森林破毀，草場退化、土壤流失和沙化；三是突發環境事件，范圍大、危害嚴重，其特徵是：第一，造成全球性危害，第二，污染源多樣，既來自工農業，也來自人類生活。既來自發達國家，也來自發展中國家。第三，污染事件多發影響面大。
2.1.2 中國的主要環境問題
中國幅員遼闊，自然環境千差萬別、多種多樣，面臨較突出的環境問題不盡相同，但總體來看，優先考慮的七個環境問題包括：
（1）水污染（以有機污染為主）；
（2）城市大氣污染（以總懸浮物和SO2為主）；
（3）工業有毒、有害廢渣和城市垃圾對大氣、水和土地的污染；
（4）北方地表水資源相對貧乏，許多城市嚴重缺水；
（5）分布廣泛而嚴重的水土流失；
（6）森林覆蓋率低，天然林面積小，林木蓄積量相對較小，草原退化嚴重；
（7）原生環境面積縮小，物種資源減少。
2.2 工程問題
環境與工程地球物理對工程問題的研究主要在鐵路、公路、水利、電力、油氣、城市建設等領域。目前服務范圍及可望解決的地質問題或提供的參數主要包括以下方面：①探測工程區及場址區的覆蓋層厚度並分層，了解基岩起伏形態、劃分風化厚度、查明隱伏構造等，為工程選線、選址提供基本資料。②測定基岩、洞室圍岩動彈性參數，為岩體工程地質分類和質量評價提供科學依據。③岩基快速測試技術是利用岩體彈性波速、回彈值及岩石點荷載試驗值作為地質評價的定量或準定量手段，為工程基礎開挖、建基面驗收、施工質量監測等提供數據。④地球物理測井可提供多種物理力學參數，為鑽孔岩層劃分、了解地下含水層特性；判斷地基液化及劃分場地類別等提供定量化指標。⑤層析成像技術通過測定孔與孔、洞與洞、孔與洞之間地震（聲波）速度重建波速場的分布特徵，使地質勘查達到由點或線到面的飛躍。⑥工程質量檢測。工程構築物的質量檢測、地下埋設物檢測。⑦地下管線探測，可查明管線類型、埋深、走向和位置等，為城市建設和發展提供基礎資料。⑧考古調查和研究：包括古文化遺址的發掘和研究，文物表面腐蝕程度評價以及古代人文活動規律的評定等。⑨工程地質災害防治。國家建設中特別是西部地區，經常遇到滑坡、溶洞、地面下沉、水庫壩基漏水等工程地質問題。
3 環境與工程地球物理方法
環境與工程地球物理方法研究環境工程問題的機制是目標體在物性發生變化時（污染、破碎、擠壓等），會產生相應的地球物理場效應，即物質的電導率、介電常數、密度、磁導率和彈性等會發生變化，根據目標體與周圍介質物性的差異，藉助專門的儀器和一定的測量方式，觀測地球物理瑒的分布特徵和分布規律，結合有關地質資料對地下目標做出地質解釋，達到勘探的目的。目前環境與工程地球物理方法在研究解決環境工程問題時，幾乎使用了當前地球物理的所有方法。但是在解決環境工程問題的過程中，有些任務是傳統地球物理方法難以完成的，因此近些年來又發展起一些獨具特色的、專用於環境工程勘察的新方法，如地震面波法、高精度地震反射法、高密度電阻率法、探地雷達、天然聲輻射測量等等。對於同一種方法，應用於不同領域時，其方法原理雖然相同，但由於工作目的和探測對象的不同，在工作方式上往往有較大的差異，並形成各自的特點。
電（磁）法是以岩土介質的導電性差異為基礎，通過觀測和研究人工電流場的變化和分布規律，進而探查地質目標和解決環境工程問題的一類傳導類電法勘查方法。它是勘查地球物理方法中方法種類最多、應用面最廣的一類方法。地震勘查方法主要是研究人工激發的地震彈性波在岩、土介質中的傳播規律，用以確定介質的結構及其力學性質的差異，了解不同介質層的地下分布。目前用於工程環境檢測、災害調查的彈性波方法主要有以淺層為主的折射波法、反射波法和面波法，以及層析技術。環境重力方法是以物質重力差異為基礎，藉助重力儀器解決環境地質問題的方法。利用重力勘探解決的環境工程地球物理問題主要有地震預報、滑坡探測、地面沉降災害等。磁法勘探是一種研究地質構造、尋找礦產資源的方法，也可用來尋找帶有磁性的地下污染物等。環境工程地磁方法是以物質磁性差異為基礎，藉助一定的儀器和觀測方法獲取地球磁場信息，通過分析研究磁場信息的變化，達到研究在自然環境演化和人類活動過程中引起的環境工程變化問題。放射性測量方法，也就是核地球物理方法，是近代物理學中核物理理論在地球科學中的應用。核地球物理所涉及的范圍很廣，從空間上來講，已用於星際、航空、地面及海底。從應用對象上講，它不但應用於金屬、油氣等的勘查，更廣泛地應用於環境工程領域。如檢查大氣中的污染物、處理廢棄物、尋找基岩地下水以及地質災害的監測、預報與防治等。
下面給出目前應用於環境工程地球物理中的各種分支方法。
電（磁）法類主要有電阻率法、激發極化法、電磁感應法（瞬變電磁法、甚低頻法）、探地雷達、地面核磁共振法、激光技術與激光雷達方法；環境工程地震勘探方法有折射波法、反射波法、高解析度淺層地震勘探、瞬態瑞雷波法；重力勘探；環境工程地磁方法、高精度磁測；放射性測量方法；層析成像技術（地震層析成像技術、電磁波層析成像技術）。
4 環境與工程地球物理的應用
目前，環境與工程地球物理的應用領域概括起來主要包括地球物理場的環境效應調查、環境污染的監測和防治、天然和人為災害的監測和防治、基礎性建設的工程勘查（包括西氣東輸、南水北調、三峽工程、高速等級公路的建設等）。廣泛的應用領域為環境與工程地球物理的理論、方法、技術及進一步的深化發展提供了廣闊的空間，逐步形成了具有獨特技術方法的研究領域。環境工程地球物理在這些領域中已經有不可勝數的成功實例，但仍處於形成和發展中，它的研究和應用領域有待於擴展、完善。
地球物理場的環境效應調查包括：天然核輻射環境效應的調查，解決氡氣災害遠景的區域預測、室內氡濃度監測和新建築規劃區的選址和設計；天然電磁場環境效應的調查，研究電磁場的生物效應和對人文設施的影響；人工彈性波場環境效應的調查，研究人工振動對工程建築的破壞和地基承載力的影響。環境污染的監測主要是放射性污染的監測、水資源污染的監測、地下固體廢料污染的監測。放射性污染的監測重點調查區域性自然放射性背景、核事故污染、礦山探采和選冶污染、採煤和燃煤的污染、石油開采及運輸中的放射性污染、建築材料的放射性污、核廢料處理場地的選址；水資源污染的監測主要工作是調查地下水無機污染、地下水有機污染、地下水污染通道、多個含水層之間交叉污染等狀況；地下固體廢料污染的監測重點是探測固體廢料埋藏場地的位置、范圍、厚度、隔離層、滲漏通道和污染范圍、廢料堆放場的選址。地質災害的監測主要是調查滑坡、泥石流、岩溶、洞穴、地裂縫、地面沉陷、土地鹽鹼化災害、海水入侵、煤層自燃、礦井地質災害（如岩爆、陷落柱、突水、瓦斯突出、井噴）等。工程問題主要有地下管線的探測、區域性的地質調查、建築工程質量無損檢測、建築物質量無損檢測、高等級公路、機場跑道路基路面質量的無損檢測、地基加固效果檢測、大型工程地基勘查等。
例如採用高密度電阻率法、瞬變電磁法、探地雷達法、地溫法及化學分析法在北京某垃圾填埋場進行滲漏檢測。用美國SIR-10A探地雷達儀，100MHz屏蔽天線，時窗400ns。地溫法採用日本UV-15精密測溫儀。化學分析樣取1.5m深土樣，實驗室用氣相色譜分析三氯甲烷、四氯化碳、三氯乙烯和四氯乙烯等有機污染物。這三種方法的測量結果，都沒有異常顯示。說明該區地表粘土層比較緻密，滲透性不好。而高密度電阻率法，使用E60B儀器，電極距3m，斯倫貝格排列，同時沿剖面布置60個電極。數據經預處理後，進行二維反演。結果表明，垃圾滲漏液由局部透水層滲入深部。被污染的土壤和地下水呈低電阻率特徵，視電阻率在10Ω·m左右可定性為被滲漏液污染，垃圾場滲出液的實測電阻率均在0.40Ω·m左右，而自來水的電阻率均在32Ω·m左右。垃圾滲漏液污染已經鑽井證實，並且已於2002年開始施工，做地下水泥防滲牆處理。
例如陝-京天然氣輸氣工程涿縣-北京段的地下管線探測中，查清天然氣管道鋪設沿線地下管線的分布情況。工作中採用金屬管線探測儀和探地雷達進行探測。在探測過程中，遇到的多為軍用電纜，並與天然氣管道溝呈不同角度相交，這種電纜如按常規探測易產生漏測，為解決這個問題，採用從遠處已知電纜位置追蹤的方法向天然氣管道溝方向逼近，同時在管道溝沿線採用「環形」布線的探測技術來進一步詳查。在數據採集時，採用發射機與接收機保持在同一條水平線上，保證儀器經過地下管線上方時，接收到有用信號，防止有用信號丟失。上海某地質勘查院應用探地雷達方法完成了滬閔路污水管和浦東楊高路地下雨水管等項目的探測。在浦東楊高路地下雨水管探測中，採用天線距1m，測點距0.1m，中心頻率100 MHz。所探測目的體在雷達圖像上的反映信號清晰，反映的上頂面深度為1.6m，管徑1.6m，後開挖驗證雨水管上頂面埋深1.54m，管徑1.6m，效果頗佳。
5 環境與工程地球物理進展
5.1 儀器的更新換代
具有代表性的有：①GPR發展理性化、系統化和快速化。GPR近年來發展很快。超寬分離天線及雙靜態多頻天線等的研製成功，使探地雷達的工作頻寬達0.1～100 MHz，時距在0～20000 ns。另外，儀器的體積變小，重量變輕，價格變低，但性能卻變得更好。②淺層地震方法與儀器有新的發展。尤其是三維高解析度地震勘探技術的推廣應用，使得研究人員可以藉助計算機對地質體進行三維立體研究，從而大大提高對環境分析的准確度。跨井地震成像技術、地震剖面偏移處理技術等也都有所發展。攜帶型震源的出現改變了以往地震法儀器龐大、勘探費用高等缺點，大大提高了工作效率。③高靈敏度近地表磁梯度儀器的出現。目前美國已經研製出一種G-858銫光泵磁力儀，具有穩定性強、靈敏度高、圖形、數字、聲音實時顯示、操作方便等優點，並能同時測量總場和水平及垂直梯度。
5.2 方法技術的更新
環境與工程地球物理技術除了常用的電法和電磁法（電阻率法、激發極化法、自然電位法、音頻大地電磁法、甚低頻法）、位場法（磁梯度測量的方法、微重力測量）、淺層地震方法（地震折射法、地震反射法）、放射性方法外，新近出現了高密度電法、探地雷達、面波勘探和核磁共振法。這些新方法不同程度地提供了最佳的解析度，且能降低近地表信號衰減、地層非均質性和某些類型雜訊的影響。
5.3 資料處理技術的提高
環境與工程地球物理的發展，也促進了數據處理、正反演解釋和成像技術的發展。頻譜分析、小波分析和統計方法廣泛應用於數據的去噪和弱信號的提取。反射地震和探地雷達資料的偏移成像等，採用包括解析方法、有限單元、有限差分等方法，研究的介質從各向同性向各向異性介質的方向發展，正演擬合也逐步趨於真實的介質，反演方法也從線性方法向非線性方法發展。但從目前的軟體來看，還有很大的發展空間，如多道面波技術的頻散曲線反演主要是一維，還沒有二維反演方法和軟體；電磁法的反演也大多集中在一維和二維，廣泛應用的三維反演軟體開始研發；淺層反射地震和探地雷達反演軟體逐步向標准化、商業化方向發展。計算機技術的迅猛發展推動了地球物理處理方法的發展，眾多對地球物理數據進行處理的軟體也隨之出現。在這些數據處理程序中，許多新理論、新演算法被採用，最近發展起來的混沌理論、分形理論、小波理論、模式識別等或多或少都有所體現。例如我國的研究者提出的基於小波變換的地震記錄分頻處理技術（Frequency Division Process，簡稱FDP）可將薄層的可識別度減小到1/16～1/64波長，大大提高了地震記錄的信噪比和解析度。這些理論的應用使得分析過程更與自然環境下的情況接近，提高了研究結果的可信度。
5.4 應用領域的擴大
環境與工程地球物理應用於解決更廣泛的各類問題，新的應用領域仍在持續不斷地擴大。在最近幾年的進展中，有些是隨著儀器的更新和計算機技術的進步而出現的，有些是受到了社會需求的刺激而出現的，有些則是受各種法律規定的強制因素而產生的。雖然環境與工程地球物理目前已有許多用途，但也存在著許多潛在的用途。如確定水文地質特徵，對基岩頂面和塌方底面成圖，勘探煤、金屬和其他礦物，民用、采礦和天然地震工程，確定地基加固程度和處理後的改善程度，探測和對地下設施成圖，確定岩石的可剝離性，監測大地運動和物理性質隨時間的變化，監測大壩和大堤的強度，確定溝渠充填物的性質，調查污染物的羽狀化，檢測未爆炸的軍火，勘探考古現場。
6 環境與工程地球物理幾個重要的發展趨勢
（1）環境與工程地球物理方法逐步向高解析度、高精度的質量檢測和監測方法方向發展，表現在環境與工程應用領域的擴大（例如，有關農業利用土地的物理和化學的性質，公共衛生和安全方面如污染治理以及本領域各類工程的質量檢測等）、儀器技術水平的提高和資料處理技術的進步（最近數十年或數年發展起來的混沌理論、分形理論、小波理論、模式識別等）。
（2）地下水有機污染的研究是研究的重要領域。地下水是人類生活用水的重要來源，地下水一旦受到污染將對人類的健康造成極大的危害。環境地球物理方法用於地下水研究，目的是對地下水質量的監測及保護，而不是地下水的供應與開發。
（3）地質災害預報和環境污染監測是研究的主要內容，重點解決地質災害預報、環境污染長期的地球物理監測。
（4）採用綜合地球物理的方法研究環境工程問題。工程與環境問題種類較多，性質各不相同，涉及的范圍和領域也比較廣泛，應採用綜合地球物理方法才能取得更好地地質效果。
（5）特殊環境下的環境與工程地球物理技術有待發展。加強對礦山地球物理技術的研究，發展水下地球物理勘探技術。
（6）環境工程問題的時間剖面地球物理勘探，對目標體進行動態、連續、長期的檢查是環境工程地球物理的發展方向。
（7）生態環境研究是環境與工程地球物理學研究的新熱點。
（8）環境與工程地球物理信號採集、數據傳輸、資料處理及地質解釋的數字化、可視化及網路化是新的發展趨勢。
總之，環境與工程地球物理是一個新興的學科，研究和應用領域正在不斷拓展。其方法技術具有快速、經濟、可靠的特點。特別是在當前自然和人為災害不斷困擾著整個人類的情況下，地球物理技術在環境工程問題諸方面的應用都取得了新進展，在國民經濟建設中起到了重要作用，成為解決環境工程問題不可缺少的重要手段。
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Ⅳ 地球物理反演基本概念及研究內容
自從有了地球物理勘探以來，就有了地球物理反演。地球物理反演是地球物理資料處理解釋的關鍵一環。地球物理反演是一門應用科學，它是地球物理學和其他最優化方法的具體結合。因此本書除了講述地球物理反演的普遍共性規律內容，也會講述一些具體的物探反演方法。
本書是在參考了前人關於「地球物理反演」[13]「數學及最優化理論」[4-8]「地球物理學」[9-25]等方向的專業書籍及期刊文獻基礎上編寫的。為了適應本科教學的要求，本書略去了大量復雜的理論推導，著重基本概念和理論體系的確立，偏重於實際應用，為進一步深入研究反演奠定基礎。
地球物理反演的概念是和地球物理正演分不開的。地球物理正演——已知測量方式和地球模型的物性及幾何參數求地球物理場的響應，即觀測結果。地球物理反演——已知觀測結果和測量方式求地球模型的物性及幾何參數。
人們通常在地面進行地球物理勘探獲得觀測數據，這個過程實際上可以看成正演(雖然通常正演都是在計算機上進行的)，然後根據觀測結果計算推斷地下地球模型的物性及幾何參數，這個過程實際上就是反演。
例如我們在地面上測得一條磁異常剖面曲線，我們可以大致推斷地下磁異常體的規模和產狀。
例如我們在地面上進行直流電測深勘探，由測量的電位差及電流強度可以計算視電阻率斷面圖;然後我們可以通過反演的方法獲得地下的真電阻率斷面圖。這就基本上用電阻率描繪了一幅地下的地質結構圖像。以之為基礎結合地質信息我們就可以獲得地下的地質推斷圖。
例如我們進行折射波勘探獲得相遇時距曲線，利用這個時距曲線我們可以推斷地下界面的起伏及各層波速。
正演和反演可以用如下公式表示:
用m表示模型參數(m為向量)，d表示觀測數據(d也是向量)，F是聯系它們的函數，正演的過程可以表示為如下公式:
d=F(m) (1.1)
在連續反演中，m、d都是無限維的向量，但在離散反演中它們都是有限維數的，觀測數據有限，模型也用有限的參數表示。以三層水平大地電測深為例，模型參數為各層的電阻率和厚度，共有5個，觀測數據為視電阻率個數為M，則
地球物理反演教程
對應的反演過程為
m=F-1(d)(F-1表示反函數) (1.3)
正、反演也可以用圖1.1表示。
圖1.1 模型空間和觀測數據空間映射示意圖
一般來說，模型參數和觀測值之間的函數F是很復雜的，寫不出解析表達式，因此正演計算一般要採用數值模擬的方法進行，如有限單元法、邊界單元法、有限差分法等。
同樣它的反函數F-1也無法獲得，因此我們不能利用式(1.3)進行反演計算。最常用的反演方法是採用觀測數據擬合迭代法進行計算。迭代計算過程如下:
(1)給出一個初始模型;
(2)進行正演計算，獲得理論觀測數據;
(3)對比理論和實測觀測數據;
(4)判斷兩個數據的擬合精度是否滿足要求:若擬合精度不滿足要求，則修改模型參數，重復(2)，(3)，(4);若擬合精度滿足要求，則轉到(5);
(5)輸出模型參數作為反演結果，反演結束。
那麼可以不做迭代也能獲得地下的物性參數和幾何參數嗎?也就是說觀測數據或者經過簡單計算的觀測數據就是地下的物性參數嗎?答案幾乎是否定的。只有在極少數非常簡單的情況下由觀測數據可以直接獲得地下的模型參數。
例如在均勻半空間進行電法勘探，利用視電阻率公式計算的就是地下的真電阻率參數，不需要從視電阻率到真電阻率的反演過程。但這里要反演的參數只有一個，就是均勻半空間的電阻率。
另外可以把觀測結果近似為一些簡單地質模型所產生的異常，由它們的解析正演公式推導地下的模型參數。如把重力異常剖面曲線看成是由一個均勻球體產生的，通過球體的重力異常解析公式可以由觀測的重力異常曲線計算出球體的平面位置、埋深及剩餘質量。這種由觀測數據通過一次簡單計算，而不需要多次迭代計算獲得地球模型的方法我們稱它為直接反演法。
在大多數情況下，地下模型是復雜的，例如地面不是水平的而是起伏的，地下物性也不是均勻的而是由多個復雜的具有不同物理參數的地質體構成的。在這種情況下，一般要採用觀測數據擬合反演方法，通過多次正演計算，每一次獲得一個響應更接近實測數據的地下模型的結果，直到滿足預設的觀測數據擬合精度要求為止。
下面以二維直流電測深為例說明反演的必要性。
設有如圖1.2所示的二維起伏地形地電模型，模型具有一個山峰，一個山谷，在電阻率為100Ω·m的均勻大地中有一個電阻率為10Ω·m的低阻體和一個電阻率為1000Ω·m的高阻體。在如圖1.2模型的地面進行直流電測深，測量裝置為對稱四極裝置，計算機正演模擬所得視電阻率等值線斷面圖(觀測數據)如圖1.3所示。
圖1.2 二維起伏地形地電模型(模型1)
圖1.3 模型1的電測深視電阻率(Ω·m)等值線斷面圖
從圖1.3可見，由於地形起伏及不均勻性的影響，視電阻率等值線圖無法准確描述如圖1.2所示的地電模型，甚至還出現很多假異常。在這樣復雜的地電條件下直接利用視電阻率資料進行地質推斷是很困難的。對於地形起伏，我們可以採用比值法進行地形校正，在一定程度上消除地形對視電阻率的影響。地形校正公式如下[9]:
地球物理反演教程
其中:ρs改為經過地形校正後的視電阻率;ρs為實測視電阻率;ρs純地形為純地形的視電阻率;ρ0為圍岩電阻率。
圖1.4為模型1純地形的視電阻率等值線斷面圖，就是在模型1的基礎上刪掉兩個異常體後正演計算所得(圍岩電阻率取為1Ω·m)。從圖1.4可見，在山峰處有低阻假異常，在山谷處有高阻假異常。這些地形影響會掩蓋和扭曲真正異常體的視電阻率異常。
圖1.4 模型1純地形的視電阻率(Ω·m)等值線斷面圖
圖1.5為採用公式(1.4)進行地形校正後的視電阻率等值線斷面圖。從圖中可見基本消除了地形影響，可以識別出兩個異常體的大致位置，但是異常體在垂向的分布范圍難以確定。
圖1.5 地形校正後的視電阻率(Ω·m)等值線斷面圖
圖1.6為加入地形起伏的地形校正後的視電阻率斷面圖。圖1.6的縱坐標為高程h與AB/4之和(注意AB/4取負值)。圖1.6比圖1.5更加容易識別異常體位置，但是異常體在垂向的分布范圍仍然難以確定。
圖1.6 地形校正後的視電阻率(Ω·m)等值線斷面圖(加入地形起伏)
圖1.7是模型1的反演電阻率等值線斷面圖。從圖1.7可見，反演等值線斷面圖很好地反映了地下異常體的分布，低阻體和高阻體的位置的大致范圍都反演得比較准確。由於帶地形進行反演，消除了地形影響所導致的假異常。
圖1.7 模型1的反演電阻率(Ω·m)等值線斷面圖
地形影響是非常復雜的，用比值法並不能完全消除。從圖1.7及圖1.6可見，反演效果要比地形校正效果好，因此在進行地質推斷解釋時最好進行反演計算。
觀測數據擬合反演方法一般把響應與模型近似為線性關系，所以這種方法有時又稱為線性反演方法。所以我們有定義:
線性反演法——觀測數據和模型之間有線性關系或在一定條件下能近似為線性關系的反演方法。
用m表示模型參數(m為向量)，d表示觀測數據(d也是向量)，F是聯系它們的函數。線性關系要滿足以下兩個公式[1]:
d=F(m1+m2)=F(m1)+F(m2) (1.5)
d=F(αm)=αF(m)=d (1.6)
最常用的線性反演法是最小二乘法，本書將以一維直流電測深反演為例詳細介紹。
此外，由於反演的多解性，反演所求出來的解實際上是以某種標准從無窮多個解中選出來的，這個解到底有何性質，還必須對解進行評價分析。本書還會詳細介紹離散線性反演解的評價方法。
非線性反演法——大多數的地球物理問題是非線性的，通過各種途徑直接解非線性反問題，實現數據空間到模型空間的映射，而不是把非線性問題近似為線性問題的方法。
實踐證明，非線性問題線性化的辦法簡單易行，在許多情況下也可以取得較好的結果。但是在目標函數具有多個極值的情況下，在反演迭代中容易陷入局部極小，而且反演結果很大程度上取決於初始模型，也可能使反演出現不穩定甚至無解。圖1.8形象地說明了這種情況[13]。
圖1.8 目標函數的全局極小與局部極小示意圖[13]
不少非線性反演法在模型全空間進行搜索，不依賴於初始模型，能在一定程度上減少陷入局部極小值的可能。常見的非線性反演方法有:梯度法、蒙特卡洛法、模擬退火法、神經網路法、遺傳演算法等。這些都會在本書中介紹。
Ⅵ 地球脹縮的正演演算法
本節內容主要參考了材料力學中薄壁球殼的有關方法，經過適當發展而成。
1.作用力下的球體應力應變
記錄了地球構造運動的岩石圈，總共厚度0～60km，而地殼則只有0～40km厚。在地球繞銀核運行的漫長歲月里，地殼在壓縮力和膨脹力的作用下，如何發生膨脹效應和收縮效應？地球所受的膨脹力和壓縮力是否足以使地殼岩石破碎，是否足以使地球表面積增大以至形成裂谷，使地表面積縮小以至陸塊被褶皺成山？
材料力學理論認為，當薄壁球殼承受內壓力作用時，在球殼材料中將產生三個互相垂直的主應力——環向應力、縱向應力、徑向應力，相當於岩石力學的б1、б2、б3。只要壁厚與它的內徑之比小於二十分之一，則可相當精確地認為環向和縱向應力沿球壁厚度為常數，且所產生的徑向應力的大小與環向應力和縱向應力相比小到可以忽略不計。由於球對稱，內壓力作用產生的應力將是兩個等值的互相垂直的環向應力及一個徑向應力。
因為徑向應力與環向應力之比可以忽略不計，所以，薄壁球殼的應力系統屬於等值二向應力狀態（如圖4-25）。
地球動力與運動
內力=бH×πd×t（t為壁厚）
地球動力與運動
薄壁球殼的體積改變=原體積×體積應變而
圖4-25受內壓力作用的半個薄壁球
地球動力與運動
所以：
地球動力與運動
上述各式中的符號意義：
p——球殼所受壓強（Pa）;
d——球體直徑（m）;
t——球殼厚度（m）;
E——彈性模量；
v——泊松比；
V——體積（m3）。
2.正演地球的膨脹和收縮
在壓縮力或膨脹力作用下的地球球殼的應力與應變如何求？
首先，必須搞清以下兩點：
（1）地球是否可以被當作薄壁球殼來分析
如果分析的對象僅僅是地殼，毫無疑問，地球完全可以被當成薄壁球殼來處理。但是，地球具有分層結構，而且各層的物態物性也存在差異。所以，分析地球膨脹和收縮應該將目標放在各個圈層上，而不是局限於地殼，地殼的改變數實際上是地球各圈層改變數的綜合。
也可以將地球各圈層的改變當作一個灰箱，僅僅考慮地殼在灰箱狀態下的改變，這時，分析對象被作為一個實心的球體。
（2）壓縮力和膨脹力是否可以被直接引入計算式
如果把地球作為一個整體考慮，則地球所受的最大膨脹力和最大壓縮力分別為1.34×1014（N）和8.63×1013（N）。顯然，它是不能被直接引入計算式的，因為：第一，量綱不一致；第二，如果誤將它當作壓力代入，地球的體積將發生幾千倍的變化，這與事實不符。
如果將膨脹力或壓縮力除以受力面積，使量綱一致，那麼這將是一個非常小的數據，小到與地殼岩石所受靜壓相比可以忽略不計。
綜合前述，地球在地史上肯定發生過膨脹和收縮，地質作用力與之具有很好的對應。
因此，地球的膨脹和收縮關系式可按如下公式建立：
周長的改變數
地球動力與運動
直徑的改變數
地球動力與運動
體積的改變數
地球動力與運動
表面積的改變數
地球動力與運動
其次，舉例分析：
曾融生等在青藏高原通過利用遠地地震波形反演莫霍界面深度，綜合近年來地球物理觀測結果作出喜馬拉雅－祁連山的地殼構造圖，定量估算出，自50Ma陸－陸碰撞以來，印度次大陸和羌塘塊體向特提斯喜馬拉雅和拉薩塊體地殼擠入的長度約為937km。Dewey和Le Pichon等人估計，自50Ma迄今，印度次大陸向北推移的水平長度約為2500km。等等。
運用待定系數法，在求得了某一次或某幾次地殼構造運動的改變數數據後，結合利用地球在軌道幾個特殊位置的脹縮力F，分別將數據代入式（4-23）至式（4-26）求出K值。
當K值求出後，即建立起了由脹縮力計算地球改變數的理論計算公式。
這樣，根據公式即可計算地球在任意時間段後的任何時刻的所求改變數。從而完成以地球原動力為依託的地球改變數的預測。使地學進入嶄新的里程。
Ⅶ 地球物理異常的正反演它們之間的聯系如何
某種意義上說：反演其實是無數次正演的過程。我們做的無非是根據已知條件，不斷縮小正演的范圍和次數，用計算機一次次迭代或應用其他方式來擬合實際數據。當數據擬合達到要求時，得到的模型就是所謂的反演結果。在反演過程中，了解正演的過程及參數，對反演的速度和准確度是至關重要的。