哪些是海洋科考中常用的地球物理調查手段

⑴ 地球物理探測方法

常用的地球物理方法與探測垃圾填埋場所使用的方法基本相同，有直流電阻率法（DC）和甚低頻電磁法（VLF-EM），瞬變電磁法（TEM），激發極化法（IP）。探地雷達（GPR），淺層地震反射，井中CT（跨孔電阻率成像法）等方法的應用也逐漸增加。從國內外大量成功事例來看，直流電阻率法（含高密度電阻率法）仍然是應用最廣泛，效果最顯著的方法之一。電阻率法是測量地下物體電性特徵的方法，它與孔隙度、飽和度、流體的導電性密切相關，電阻率法已被廣泛應用於地下水、土的污染調查。特點是垂向解析度高，探測深度有限。

實例一

土耳其某垃圾場地下水污染電阻率法調查。場地地質情況：露天垃圾堆放場位於土耳其某市東南，這一地區是土耳其重要的水源地之一。第四紀的沖積層厚達100 m，主要以滲透性良好的卵礫石、沙和粘土組成，是當地的主要含水層，地勢西南高，東北低。垃圾未經任何處置，直接露天堆放在上面。垃圾堆下面也沒有任何的滲漏液收集系統。據調查，有2/3的含水層已受到不同程度的污染。水中NO₃的含量是世界衛生組織限定的飲用水標準的5倍以上。電法勘察的目的是調查污染的范圍，為布置監測孔提供最佳的位置。採用的方法有電阻率法（DC）和甚低頻電磁法（VLF-EM）。在垃圾場的下游垂直地下水流向的方向布置了11條剖面，每條剖面200～250 m長不等（圖8.3.4）。剖面間隔40 m，斯倫貝格排列，試驗了從0.5～30 m 6種電極距的效果。從圖8.3.5看出，0.5 m極距的視電阻率測量結果以很高的視電阻率為特徵，主要反應的是表層的較大的卵礫石層，含水量少。極距為1 m和5 m的視電阻率結果主要反應了飽氣帶內地下水不飽和情況的電場特徵，與0.5 m也沒有太大差別，只是在橫向上有一點不同。10～25 m電極距反應了地下污染源的電場特徵，在圖的東北角，視電阻率降為10 Ω·m，是污染的發源地，而表層的視電阻率在1000 Ω·m以上，視電阻率差異十分顯著。

圖8.3.4 測線布設位置示意圖

圖8.3.5 不同極距的視電阻率測量平面圖

實例二

中國北方某市的兩處垃圾填埋場滲出液的實測電阻率分別為0.39 Ω·m和0.40 Ω·m，遠遠低於自來水的電阻率23 Ω·m（表8.3.7）。與日本Boso Peninsula垃圾場的測量

表8.3.7 垃圾填埋場滲漏液電阻率測試結果

結果很相近。與清潔的自來水電阻率32.040 Ω·m相比，二者相差80多倍。含水土層的視電阻率在10 Ω·m左右，與上述土耳其的例子相當，這就為電阻率測量提供了充分依據。測量裝置見圖8.3.6，計算公式如下：

環境地球物理學概論

式中：S為水樣的橫截面積；I為電流；V為電壓；L為MN間的距離。

（1）北京阿蘇衛垃圾填埋場滲漏檢測

這是北京興建的第一個大型垃圾衛生填埋場，位於北京市昌平縣沙河鎮北東約6 km，地處燕山山脈以南的傾斜平原地帶，山前沖洪積扇的中上部位，是城區地下水及地表水的上游部位。該區基底為第四紀洪積層，有粘土、粉質粘土、沙土、中細沙層。粘土層滲透系數為1.0×10^-8 cm/s～9.42×10^-7cm/s，隔水性好，但局部有滲透系數達1.84×10^-3cm/s的粉沙土透水層，區域地下水由北西流向南東。日處理垃圾2000 t，全機械化操作，屬現代化衛生填埋場，底部為不透水的粘土層，厚度0.4～1.4 m不等，反復壓實作為隔水層，設有滲瀝液收集系統，周圍設有觀測井。堆場向下深4 m，計劃垃圾堆高40 m。

在北京市政管理委員會的支持下，第一次利用地球物理探測方法進行滲漏檢測，在同一條剖面上選用了高密度電阻率法、瞬變電磁法、探地雷達法、地溫法及化學分析法。

測線布置在地下水下遊方向，填埋場的南側，南圍牆外面，並與南牆平行，相距8 m，測線長660 m（圖8.3.7，彩圖）。

用美國SIR-10A探地雷達儀，100 MHz屏蔽天線，時窗400 ns。地溫法採用日本UV-15精密測溫儀，儀器精度0.1℃。化學分析樣取1.5 m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。

高密度電阻率法，使用E60B儀器，電極距3 m，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。勘測深度15 m。視電阻率的水平距離深度剖面見圖8.3.8（彩圖）。

由圖可見，在4～8 m深度有一層高阻（＞30 Ω·m）層，但並不連續，反應了本區粘土層的特徵。垃圾滲瀝液由局部透水層滲入深部。在220～240 m處9 m深度以下的低阻（＜10 Ω·m）體，經鑽井證實為垃圾滲漏液污染的結果。已於2002年開始施工，做地下水泥防滲牆處理。

圖8.3.6 測定垃圾滲漏液電阻率的裝置

（2）北京某垃圾填埋場的滲漏探測

垃圾填埋場是近年興建的大型衛生填埋場，底部鋪設有塑膠襯底的防漏層，有滲瀝液收集裝置，有效填埋面積19.6×10⁴ m²（300畝強），日填埋垃圾2500 t，設計封頂高度為30m。基底為第四紀鬆散沉積物，厚度在100 m左右，第一含水層頂深10～20 m，厚度5～10 m，粗沙到細沙；第二含水層頂深20～30 m，厚度9～25 m，沙礫石層，滲透系數40～200 m/d。第三含水層頂深38～60 m，厚度8～15 m，以中粗沙和礫石為主。地下水由西北流向東南。現已下降形成漏斗。淺層水質較差，不能飲用。

根據滲瀝液的電阻率值差異，主要使用高密度電阻率、瞬變電磁法以及探地雷達方法。考慮到地下水流方向，三條測線布置在填埋場的東南方向，測線I位於東側，距填埋場平均27.5 m（長400 m）；測線Ⅱ和測線Ⅲ在填埋場南側，測線Ⅱ距填埋場平均35.5 m（長741 m）；測線Ⅲ距填埋場15 m左右（長700 m）。測線Ⅱ高密度電阻率法距離深度剖面結果示於圖8.3.9（彩圖）。垃圾填埋場地表深5～10 m主要是干砂質粘土層，電阻率比較高，向下測到的電阻率低（＜15 Ω·m），應當是垃圾滲漏液。根據阿爾奇法則ρ_土=ρ_液·a·φ^-m，式中：a=1；m=2；ρ_液=0.39。土壤孔隙度φ取30%，則ρ_土=4.4與剖面中ρ_視=5是很接近的。說明低阻區是滲漏液的地下分布。在垃圾場東邊，剖面I10～15 m以下有滲漏區（A1.1；A1.2）。在垃圾場南邊，10 m以下有滲漏區，剖面Ⅱ（圖8.3.9）中可劃分出3個較大的異常段（A2.0，A2.1，A2.2）及幾個小異常體。滲漏液異常分布清晰可見。

電磁法（EM）：電磁法一般用來圈定淡水和鹹水的界限，對地下水研究應用較多的是瞬變電磁法（TEM法）和探地雷達法（GPR法）。在我國北方某市垃圾填埋場滲出液檢測證明TEM是有效的，瞬變電磁法沿測線Ⅱ進行的，儀器為長沙白雲儀器開發公司研製的MSD-1脈沖瞬變電磁儀，採用20 m×20 m供電線圈工作，目的在於了解較深部情況。測量結果如圖8.3.10（彩圖）所示。在深40 m以下，有三個異常區段，即A2.0（0～15 m）；A2.1（50～60 m）；A2.2（80～100 m）。揭示了滲漏液污染范圍在向深部擴展。

實例三

廢棄物填埋場為了防止滲漏，常用塑料作為襯底，形成隔離層，比單純的依靠粘土層作為隔離層要有效。但由於廢棄物中常混有尖硬物質或在堆放廢棄物時層層壓實，遇到局部軟（硬）土而受力不均，使污水由漏洞流出。常規的標准方法是污水示蹤，或監測污水壓力變化，這樣做時間長，而且要大流量時，才是有效的，也很難提供進行修補的確切位置。

應用適當布置電極位置的電阻率法，可以准確測定漏洞位置（Willianl Frongos，1997）。有塑料膜襯底的廢物填埋場，正在使用，兩個供電電極，一個放在填埋場內（A），一個放在塑料膜之外（B），可以放置在足夠遠處，如圖8.3.11所示。驅動電流流過漏洞，漏洞就是電流源。填埋場內廢物的電阻率由於正在填埋，很不穩定，一般為2～10 Ω·m。面積為1 m²，厚度為1 mm埋入地下的聚乙烯膜的電阻率為10000 Ω·m，襯底外土壤是導電的，電阻率為20 Ω·m。對於一個漏孔的平麵塑料膜而言，在均勻半空間的表面上，點源用格林函數可以描述通過漏孔流過電流引起的電位。如果孔徑不大，則電流（U）可寫為

環境地球物理學概論

式中：I為通過漏孔的電流（為總電流的一個分量）；ρ為基底土壤電阻率，R是漏孔與源之間的距離；c為常數，代表參照電極的任意電位。

圖8.3.11 漏洞探測觀測系統工作原理圖

圖8.3.12 點源（漏孔）電流歸一化電點陣圖

圖8.3.12是漏孔上的電位函數的圖示，其觀測網為30 m×24 m，觀測點間距1 m。孔位（點源）：x=14 m，y=11 m，z=0，電極進深0.5 m。

用這個方法在斯洛伐克一個填埋場，發現6個漏洞，其中5個較小，屬點源異常；一個較大的裂口，6個異常都被開挖證實。進行了修補（修補後異常消失），觀測確定的漏孔位置平均誤差約為30 cm。

如果填埋場襯底塑料膜不是一層，而且漏洞不在同一位置，要測定每層塑料膜漏洞位置，難度要大一些。如圖8.3.11所示，可以分層跨層分別布置電極，如在測第一層塑料膜漏洞時應當將B電極放在第一層與第二層塑料膜之間的導電物質之中。

實例四

澳大利亞北部有一個鈾礦山，1980年開始開采，計劃於2005年關閉。在開采過程中，大量的廢渣和廢液被滯留在尾礦壩中。現在發現尾礦壩中富含Mg²⁺和的廢水，沿著地下裂隙和斷裂，發生滲漏，在周圍一些地表的植物中已檢測出上述離子濃度有明顯增加。從鑽孔水文調查結果發現，廢液的滲漏是廣泛和無規律的。這已對當地的自然環境構成嚴重危害。礦業公司為調查滲漏情況，採用了多種物探方法：自然電位法（SP）（也稱氧化 還原法）、激發激化（IP）法、直流電阻率法（DC）、瞬變電磁法（TEM）。研究區的地質構造情況和測線布置見圖8.3.13。已有的測量結果表明：在河床地帶的片麻岩的電阻率在1900～8300 Ω·m，地表沉積物的厚度在2～5 m之間，粉砂質粘土和粘土的電阻率在0.1～600 Ω·m范圍。對當地的水文地質情況的調查結果發現，主要有兩個含水層：第一含水層是地表粘土和風化後的岩石，厚度在20 m；第二含水層實際就是基岩中的斷裂帶。兩套含水系統是互相連通的。地下水位的升降隨季節而變化，在乾燥季節，水位的日下降幅度在12～14 mm。在豐水季節，地下水位的日上升幅度在14～40 mm之間。枯水期與豐水期地下水位的相對落差為2～3 m。

圖8.3.13 研究區位置及主要的地質構造分布

在測線1、測線2、測線3分別進行了自然電位、直流電阻率法、激發激化法測量，並重點分析了測線的直流電阻率法、激發激化法測量結果以及二維（2D）自然電位的結果。

激發激化法測量：斯倫貝格排列，31個接收電極，由一根電纜與接收機相連。極距10 m，一個發射電極距測線1.7 km（視為無窮遠），另一個發射電極置於兩接收電極之間，隨測線一同向前移動。電極排列見下圖8.3.14，剖面布置見圖8.3.15（彩圖）。發射電極AB和接收電極MN以n×a的距離同時向兩邊移動，獲得測線上電阻率隨深度的測深剖面。

在圖 8.3.16（彩圖）中，有三個比較大的近地表異常，中心位置分別是 8370 E，8525 E，8650 E。前兩個異常是由粘土和粉砂質粘土層引起的，第三個異常緊鄰南北向的2 a斷裂，認為是滲漏引起的異常。其次，可以看出，從西到東，激電異常有增加的趨勢，從距測線1（距測線3約150 m）的鑽孔地下水的化驗結果發現地下水中Mg²⁺和的濃度向東逐漸升高，證實了激電的結果。

圖8.3.17（彩圖）是電阻率觀測結果，在8250E、8300E和8350E處呈低電阻率異常。前一個異常與片麻岩和眼球狀片麻岩地質單元的交界處對應，視為地層差異引起的異常。8300E異常正好位於一個灌溉用的水管下面。8350E和8500E的低阻異常都與當地的灌溉有關。8550E處的高阻異常正好對應於片麻岩地層。

從激電法和直流電阻率法的測量結果來看，激電法對地表污染（2～5 m）的反應沒有電阻率法靈敏，這是由於在很小的極距下（10 m）地表污染還不足以產生明顯的激電效應，相對於地下含有高濃度的污染物而言，被污染的粘土層和地下水更容易產生明顯的激電效應。

圖8.3.14 斯倫貝格排列

圖8.3.18（彩圖）是在不同的時間觀測到的自然電場變化，盡管圖形在形狀上略有差異，但基本上保持了很好的一致性。為了避免其他方法的干擾，測量是在激電法和直流電阻率法結束後進行。對自然電法的解釋需結合實際進行，因為自然電場的場源不固定，受地下水水力梯度，水中離子濃度的綜合影響。在靠近斷層的地方，顯示高電位。其次，還進行了電磁法測量：50 m單線圈，25 m點距。視電阻率的反演精度小於1%（圖8.3.19，彩圖），與電阻率法、自然電位法有良好的對應關系。

⑵ 海洋地球物理勘探的勘探方法

海洋地球物理勘探主要使用重力、磁力、地震和熱流測量 4種方法。電法和放射性測量在海洋地區現仍處於理論探討和方法試驗階段，沒有投入實際應用。 根據震源產生的形式分為天然地震和人工地震兩大類。
海洋地區的天然地震測量，是通過布設在島嶼上或海底的地震台站，觀測天然地震所產生的體波、面波和微震，來研究海洋底部的構造活動、地殼厚度和低速層的展布等。
海洋地區的人工地震測量，是利用炸葯或非炸葯震源激發地震波，觀測在不同波阻抗界面上反射，或在不同速度界面上折射的地震波。折射波法主要用來研究地殼深部界面和上地幔的結構，也稱為深地震測深。它要求有強大的低頻震源（例如使用大炸葯量爆炸或使用大容積的空氣槍激發），在運動中依次產生地震波，而在相當的距離之外觀測地殼深部界面上的折射波和廣角反射波（動爆炸點法）。至於淺層折射，除利用聲吶浮標獲取沉積層中速度資料之外，現已很少使用。反射波法在近海油氣勘探中獲得廣泛的應用。
現代海洋地震勘探廣泛採用組合空氣槍作震源，用等浮組合電纜裝置在水下接收地震波，通過數字地震儀將地震波記錄於磁帶上。這樣不僅能夠在觀測船行進中實現快速和高效率的共深點反射的連續觀測，而且能夠使用電子計算機充分利用所獲取的地震信息，精確地查明沉積岩不同層位的產狀、構造及其岩性，以闡明沉積盆地及其中的局部構造和沉積環境，甚至給出烴類顯示，為直接尋找油氣提供依據。而根據反射地震波傳播方案，採用高頻頻段觀測的回聲測深儀、地層剖面儀和側掃聲吶等，則是現代調查海底地形、地貌、淺層沉積物結構及其工程地質性質的重要手段。 亦稱海底不穩定性或災害性調查，是開發海洋的前期工程。通過回聲測深、側掃聲吶、地層剖面儀以及高解析度地震調查，結合海底取樣和淺鑽，提供基礎資料。同樣內容的觀測和資料，也是海洋沉積、海底地形地貌、第四紀地質和固體礦產調查所需要的。

⑶ 海洋地球物理勘探的應用范圍

在海洋范圍內應用各種地球物理勘探方法研究地質構造和尋找有用礦藏。簡稱海洋物探。物探是研究海洋地質最基本的調查手段。它以海底岩石和沉積物的密度、磁性、彈性、導熱性、導電性和放射性等物理性質的差異為依據，用多種物探方法和儀器，觀測並研究各種地球物理場的空間分布和變化規律，進而闡明海洋底的地質構造及其演化，查明各地質年代沉積物的分布，尋找石油和天然氣以及固體礦產資源。
海洋地球物理勘探所觀測的有地球本身固有的地球物理場，如重力、磁力、熱流和天然地震，也有用人工方法激發的地球物理場，如人工地震和電法等。由於海洋水體是運動的，上述觀測必須採用一系列不同於陸地地球物理勘探的儀器和方法。海洋地球物理勘探在早期階段，採取多種密封防水、彈性減震以及獲取靜態觀測的措施。現在則充分利用海洋的特點進行動態觀測，不僅可以快速和連續作業，而且適於將幾種物探設備和導航定位儀器集中在一條工作船上，實現電子計算機控制的綜合觀測。

⑷ 什麼是地球物理測量技術

是指運用先進的儀器測量地球某些物理性質的變化，從而得出海底以下的地質構造和礦產分布的一種測量技術。在海上，使用最廣的物探方法有地震勘探、重力測量、磁力測量和熱量測量等。重力的變化能反映地質或地理位置的變化。
重力測量在海洋礦產資源勘探、天然地震預報和地震災害預測、衛星空間軌道設計及軌道預報方面都有重要意義。其設備如德國產的KSS25和KSS230型海洋重力儀，其中KSS25型屬於杠桿型重力儀，KSS230型屬於彈簧垂直荷載型重力儀。
海洋磁力測量是勘測水域磁場的分布和隨時間的變化或發現異常磁場。目前海洋磁力勘探主要用核子旋進磁力儀，其中美國森尼維爾大地測量公司G801海洋質子核子旋進式磁力儀應用較多。
海底熱力測量不僅可以發現地熱資源，而且可以應用其得到的海底地熱資料詳細考察海底地殼、地幔、板塊構造及熱過程（如岩漿侵入、熱液環流）。海洋有源電磁探測系統測量可以直接測定地殼內熔融物質的存在和溫度及岩石的孔隙度，用於熱液或岩漿活動的海洋擴張中心的地質作用過程的調查和研究。幾十年來，我國先後研製和生產了重力儀、結構核子旋進式磁力儀、質子磁力梯度儀及多種地質取樣設備，在國際海洋地質調查和地球物理勘探中發揮了重要作用，尤其是海洋石油地球物理勘探技術和資源綜合評價方面已基本達到國際先進水平，並在地震勘探作業方面具備了國際市場的競爭能力。
20世紀80年代以來隨著科學的發展，許多新技術包括三維勘探、高解析度勘探、子波處理和波動理論等反演技術，也逐漸被應用在測量技術上，使信號質量、信息的准確性、分辨能力和穿透力等方面都有了明顯的提高，也使得物探技術有了較大的進展。近年來，人們還研究海底聲學特徵和沉積物理特徵之間的直接聯系，並通過聲速、聲吸收、聲反射率與海底沉積物類型、顆粒度和孔隙度的關系，建立起海底地質聲學模型，從而為判斷和分類海底地質結構提供定量分析的依據。其中精密回聲測深儀、深淺地層剖面儀、旁側聲吶先進儀器的應用最為廣泛。我國在水聲技術研製方面也取得重大進展，現已研製成功具有世界先進水平的唯一可在2米淺海作業的高解析度淺地層剖面儀和彩色雙頻率垂直魚探儀，還有走航式聲字多普勒海流剖面儀，這些技術廣泛應用在海洋科學研究、海洋資源勘探和開發以及軍事活動等各個領域。