Ⅰ 什么是正演模型定义和使用方法
在地球物理磁法勘探的理论研究中，根据磁性体的形状、产状和磁性数据，通过理论计算、模拟计算或模型实验等方法，得到磁异常的理论数值或理论曲线，统称为正演问题。在异常推断和钻探验证的基础上，常常根据已掌握的磁性体的资料进行正演计算，用来修正推断的结果，使其更符合客观实际。
希望对你有用！
Ⅱ 地震物理模型正演在准噶尔腹部侏罗系研究中的应用
马丽娟1赵群2
（1.中国石化石油勘探开发研究院，北京100083；2.中国石化石油勘探开发研究院南京石油物探研究所，南京210014）
摘要 本文针对准噶尔腹部复杂地质体，采用地震物理模型正演方法研究了砂岩储层的地震响应特征，通过处理方法的研究，分析其波形特征及属性特征。研究表明，顶部有煤层的砂泥岩互层的地震分辨率明显低于无煤层影响地层，砂岩含油、气的地震反射波振幅变小、频率降低，含油气层的AVO特征是反射振幅近炮检距随距离增加振幅缓慢减弱，远炮检距反射振幅随距离增加而递增，为储层的识别和流体的预测提供了可靠的参数，对该区下一步的勘探至关重要。
关键词 地震物理正演模型 准噶尔腹部 三工河组 储层预测
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
虽然地球物理以求解反问题为主，但是从整个地球物理问题出发仍然是两类问题：即正和反问题。许多理论研究问题和实际方法研究课题，需要从正问题入手，同时许多反问题求解方法是通过正问题研究来实现的。求解地球物理的正问题，常称为正演模拟［1］。
地下介质的岩性研究对于地震勘探和油气的开发有着重要的意义。在实际的地层中，大部分储层含有孔隙，孔隙中又含有流体，储层在几何形态、岩性不同或是含不同流体的情况下，其在地震记录上总会有反映和变化，但是这些变化的信息非常复杂和隐蔽，如何从非常复杂的地震记录中提取能够反映物性、岩性及含油气性等参数预测储层及其含油气性，是地球物理学家们不断追求的目标。正演模型则是地质与地球物理的桥梁，它不仅可以作为一种认知手段研究地震波在各种复杂介质中的传播规律，同时可以作为一种检验手段，检验各种处理和解释技术的适用条件。
准噶尔腹部侏罗系是隐蔽型圈闭勘探的主要目的层段［2，3］，侏罗系自下而上是八道湾组、三工河组、西山窑组、头屯河组和齐古组，储层主要发育在三工河组和头屯河组。由于西山窑组内部发育了一套或几套煤层，煤层的发育导致了地震波在传播时间、振幅、频率等方面的变化或异常，特别是在盆地沉积序列中，在煤层的下部发育的砂泥岩地层是勘探开发主要目的层时，煤层的存在致使砂泥岩地层在地震记录上反射不好。在准噶尔腹部地区储层识别及含油气预测是油气勘探的关键。因此，开展正演模型的研究，不仅可对地震成像的处理技术提供参考依据，而且可为储层的识别和流体的预测提供可靠的参数，对该区下一步的勘探至关重要。
1 准噶尔腹部概况
准噶尔盆地腹部总体为一凹两“隆”的构造格局［4］，腹部地区主要勘探目的层为侏罗系、三叠系、二叠系和石炭系。受印支运动的影响，三叠系沉积末期，准噶尔盆地抬升遭受强烈剥蚀，之后开始了侏罗系的沉积［5］。准噶尔中腹部侏罗系从下往上主要有八道湾组、三工河组、西山窑组和头屯河组，腹部侏罗系残余厚度一般在1000～1400m 左右，地层对比表明，由于车-莫古隆起的影响，南部西山窑组和头屯河组被剥蚀殆尽。与上覆白垩系之间为区域性角度不整合接触。区域上八道湾组为水进—水退的完整旋回沉积，下部八道湾组三段（J1b3）为一套充填的粗碎屑沉积，以灰色砂砾岩、中细砂岩夹煤层为特征，属于三角洲前缘沉积；三工河组为此次研究的主要层系［6］，该组自上而下划分为3段，即三工河组一段（J1s1）、三工河组二段（J1s2）和三工河组三段（J1s3）；厚度一般为450～650m；主要发育以泥岩为主的滨浅湖沉积。下部发育一套分布稳定、厚度巨大的三角洲前缘沉积砂岩；中部发育以泥岩为主的滨浅湖沉积，上部为曲流河三角洲沉积的砂泥岩互层，西山窑组区域上同时期湖沼沉积非常发育，地层普遍含煤，腹部地区上部遭受削蚀。头屯河组岩性主要为一套褐红色、棕红色泥岩和薄层粉砂质泥岩。
2 模型的建立
地质模型的建立，依据目的层岩性变化、物性变化和形态变化等因素，在每种参数改变时（以单参数变化），其他参数采用该区标准值。在设计模型时，由收集到的沉积环境、钻井岩心、地质露头、测井数据、地震剖面、沉积相及地震相等信息，考虑不同沉积相的沉积特征和岩性特征等，侏罗系三工河组储层发育段沉积相主要以辫状河三角洲前缘水下分流河道砂体为主，岩性主要为砂、泥岩互层、粗砂、细砂、砾岩等，储层的横向形态变化大，厚度横向变化大，在模型的设计中由简单的模型逐渐向复杂的模型过渡。依据地质、测井及岩心分析，准噶尔腹部侏罗系储层以辫状河三角洲前缘亚相沉积模式建立地震正演模型。正演模拟需要解决以下问题：
（1）薄层储层的地震响应问题，在主频一致的情况下，不同相位的地震反射特征不同。
（2）地震分辨率的研究，由于本区辫状河三角洲前缘亚相分流河道储层埋藏深，一般在4000m左右，且厚度大多小于10m，5～10m储层在常规地震上的响应如何，是识别薄储层的关键。
（3）储层流体性质对地震响应的影响，为定量识别流体分辨率提供识别模式。
（4）在储层的上部发育煤层，由于煤层的传播速度低，导致其对下伏地层有屏蔽作用，煤层对下伏地层地震响应的影响如何，是储层精细描述和预测的关键。
针对上述问题，为了从不同角度研究储层的地震响应特征，建立以下模型类型：
地震物理模型模拟实验观测了一条二维线，图1a为莫西庄地区地层结构物理模拟示意图。由于莫西庄地区西山窑组沉积时期湖沼沉积非常发育，地层普遍含煤，庄103井—庄1井以北为煤层沉积中心，目前区内以庄3井揭示西山窑组地层最厚，达217m，含煤3层，厚12.5m。庄4井含煤2层，厚14m，其他如庄5井、庄106井、庄103井和庄102井仅见下部的一套煤层，厚6～9m。庄1井西山窑组地层厚仅30m，未见有煤层，因此模型设计时在砂岩上部增加煤层段，在中间部位尖灭。其次莫西庄地区J1s2储层发育稳定，三工河二段又可细划为
3 物理模拟及处理效果分析
3.1 物理模拟的地震特征
物理模拟实验的模体是依据实际地层尺度按比例缩小的，采集的实验参数是模拟野外采集的参数，即：道间距20m，炮间距40m，采样间隔1ms。
图1 准噶尔腹部地球物理模型示意图
图2 无煤层的物理模拟试验数据叠加剖面图
对观测数据叠前和叠后分析及处理结果进行了分析对比发现，在砂泥互层的地层上部若没有煤层（图2），其地震反射非常清晰，剖面反演地震属性的振幅、波形、频率所反映的现象与模拟区的地质认识基本吻合，三工河组二段砂岩上倾尖灭在地震剖面上一般表现为地震反射层能量变弱或相位变化，砂体叠置则表现为地震反射层的叠置。模拟在细节上丰富了对本区沉积体系的认识，与反射面对应的反射波组部位主体为波峰。从能量特征看，反射能量为中等到强，局部较弱，地震反射能量变化较大；频率普遍具有中低频特征，整体连续性好。图3是在储层段上部有煤层的模拟数据水平叠加剖面，从波组特征的稳定性看，模拟薄煤层反射较为稳定，且波组具“三峰”特征，但在煤层的下部储层反射特征较没有煤层的反射变差，由于煤层反射系数大，下覆地层的反射信号和能量将会受到非常强烈的影响，所以，上覆煤层对下面地层的影响是存在的。模型第三层（模拟三工河组二段的砂岩底部与下伏地层呈角度不整合接触）波组特征相对不稳定。
图3 有煤层的物理模拟数据叠加剖面
从地震物理模拟结果分析：地震反射同相轴波形的变化包含丰富的地层现象和岩性变化信息。波形及振幅的细微变化往往是识别薄层及岩性变化的重要条件。频谱分析模拟侏罗系三工河组（J1s）目的层段反射主频为45Hz左右，时频分析在45Hz有强振幅趋势。因此通过对试验研究采取不同的方法处理储层对地震响应的影响。
小波变换是一种信号的时间-尺度（时间-频率）分析方法。它具有多分辨分析的特点，而且在时频两域中都具有表征信号局部特性的能力，是一种窗口大小固定不变但形状可改变、时间窗和频率窗都可以改变的时频局部化分析方法。这种方法很适合于探测正常信号中夹带的瞬态反常现象，并展示其成分，故被誉为分析信号的显微镜。这正符合低频信号变化缓慢而高频信号变化迅速的特点，也正是小波变换优于经典的傅立叶变换和短时傅立叶变换的地方。利用小波变换的多分辨率成像技术进行分频处理，对分辨后成像优良的频段进行增益控制，增强有效波、压制干扰波、补偿地层对地震波高频成分的吸收，恢复地震记录的理想状态，从而可以达到提高地震记录分辨率和信噪比的目的。从小波分频瞬时振幅分析剖面看，煤层的存在影响其下伏地层反射频率横向追踪对比（图4），顶部有煤层的砂泥岩互层的分辨率明显低于无煤层影响地层。对小波属性进行解释是凭借信号时频分布特征来描述砂体分布。由于砂体对地震反射信号产生了时间和频率的影响，而小波变换正好能反映信号时间和频率成分。因而利用小波变换中时频成分的差异性质来检测砂体的纵横向分布特征可以达到检测的目的。
另外，对数据进行多参数、多种方法处理分析可以提高分辨能力。不同方法处理结果能展示其不同的着重点。褶积方法提高纵向分辨率，时频分析强振幅趋势图能较好地反映其主频响应，瞬时相位剖面对不整合端点能有清楚的反映。
图4 小波分频瞬时振幅分析剖面
3.2 物理模拟的含油气特征
模拟层
当含油气砂体厚度在λ/4与λ/2（15～30m）之间时，其地震响应特征为上负下正的低频中振幅反射（但波谷为强振幅），其正波峰相位较为丰富，中部有错开呈两个相位的复波，即波峰明显分开，但波峰之间一般无波谷。由于气层较厚，速度降低较大，因此气层顶底时间增大，表现为反射波同相轴下拉，而且在气层下面也出现速度下拉的现象。图5中黄圈内为上负下正的低频中振幅反射，其波峰明显出现复波，波谷为强振幅，其波峰同相轴有微下拉现象。这一现象是一个比较典型的含气砂岩层地震波传播运动学和动力学特征［7］。
经实践证实AVO是唯一可以用来定量预测岩性和油气的地球物理技术。为了从各个不同的方面进行AVO的定性分析乃至定量解释，并通过对地震资料的处理获取更丰富的地层参数，对模型设计的油气层进行AVO处理。图6为从图1a中庄1井位置得到的叠前道集AVO分析图。图中3条曲线明显表明：层位①和②反射振幅随炮检距增大而减弱；层位③反射振幅近炮检距随距离增加缓慢减弱，远炮检距反射振幅随距离增加而递增。该部位正是模拟含油气砂体层，而叠加剖面对应部分是局部的弱反射区。
图5 偏移剖面
图6 图1中庄1井位置不同层位同一横向点AVO分析图
①，②，③为层位
图7为不同位置上的CDP道集记录，图中（a）为J1s组砂体不含气，（b）为J1s组砂体含气，（c）为J1s组砂体含油。图中箭头所指的同相轴在地震波波形、波峰到波谷的时间间隔及振幅上有着明显的差异。图7（b）的AVO随偏移距增加而增大，图7（c）中波形明显拉宽。储层物性和充填在其中的流体性质发生变化，造成了地震反射波速度、振幅、相位、频率等相应的变化，这些变化正是进行储层横向预测的主要依据。
图8为对应于图7 位置上地震波记录波谱（左为分付氏普，右为伯格谱）分析图，从图中看出不含油气地层反射的（a）谱简单，最大峰值为3.6mV，主频在46Hz；（b）谱为多峰，最大峰值1.7mV，对应主频42Hz，次峰值为1.35mV，对应主频68Hz；（c）谱也为多峰，最大峰值1.7mV，对应主频72Hz，次峰值为1.5mV，对应主频43Hz。因此，在薄互层反射波中研究其波的运动学和动力学特征有着重要的现实意义。
图7 不同位置的CDP道集记录
图8 对应图7位置CDP道集分付氏谱和伯格谱分析图
4 结论
通过物理模拟和地震处理的结果分析可见，地震属性参数（叠前或叠后）是表征和研究储层的分布、岩性变化、物性特征和流体含量的基础。本区砂体的厚度一般小于调谐厚度，来自顶底面的反射波发生相长性干涉，形成复合波组。其视时间厚度不是地层的真实厚度。另外，利用波形分类、小波分频技术及地震属性中的平均瞬时频率、平均波峰振幅和反射波能量等手段进行砂体的横向预测效果较好。其次当砂岩中含有油气时，地震反射波速度、振幅、相位、频率等相应的变化，表现明显的是振幅、频谱降低。
致谢 研究工作得到了中国石化石油勘探开发研究院南京石油物探研究所马中高的帮助，表示衷心的感谢。
参考文献
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［6］况军，姚根顺，朱国华等.准噶尔盆地腹部地区侏罗系三工河组相对优质储集层的成因［J］.石油勘探与开发，2001，28（6）：34～37.
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Ⅲ 正演地球的膨胀和收缩
在压缩力或膨胀力作用下的地球球壳的应力与应变如何求？首先，必须搞清以下两点。
——地球是否可以被当作薄壁球壳来分析。
如果分析的对象仅仅是地壳，毫无疑问，地球完全可以被当成薄壁球壳来处理。但是，地球具有分层结构，而且各层的物态物性也存在差异。所以，分析地球膨胀和收缩应该将目标放在各个圈层上，而不是局限于地壳，地壳的改变量实际上是地球各圈层改变量的综合。
也可以将地球各圈层的改变当作一个灰箱，仅仅考虑地壳在灰箱状态下的改变，这时，分析对象被作为一个实心的球体。
——压缩力和膨胀力是否可以被直接引入计算式。
如果把地球作为一个整体来考虑，则地球所受的最大膨胀力和最大压缩力分别为1.34×1014N和8.63×1013N。显然，它是不能被直接引人计算式的，因为：第一，量纲不一致；第二，如果误将它当作压力代入，地球的体积将发生几千倍的变化，这与事实不符。
如果将膨胀力或压缩力除以受力面积，使量纲一致，那么这将是一个非常小的数据，小到与地壳岩石所受静压相比可以忽略不计。
综合前述，地球在地史上肯定发生过膨胀和收缩，地质作用力与之具有很好的对应。因此，地球的膨胀和收缩关系式可按如下公式建立
地球原动力
各式中△L——周长的改变量；
△D——直径的改变量；
△V——体积的改变量；
△S——表面积的改变量。
其次，举例分析。
曾融生等在青藏高原通过利用远地地震波形反演Moho界面深度，综合近年来地球物理观测结果作出喜马拉雅－祁连山的地壳构造图，定量估算出，自50Ma陆－陆碰撞以来，印度次大陆和羌塘块体向特提斯喜马拉雅和拉萨块体地壳挤入的长度约为937km。Dewey和Le Pichon等人估计，自50Ma迄今，印度次大陆向北推移的水平长度约为2500km。等等。
运用待定系数法，在求得了某一次或某几次地壳构造运动的改变量数据后，结合利用地球在轨道几个特殊位置的胀缩力F，分别将数据代入式（4—30）至式（4—33）求出K值。由此，建立起了由胀缩力计算地球改变量的理论计算公式。
这样，根据公式即可计算地球在任意时间段后的任何时刻的所求改变量，从而完成以地球原动力为依托的地球改变量的预测，并使地学进入崭新的里程。
Ⅳ 环境与工程地球物理
杨进
1 绪论
环境与工程地球物理是应用物理学的理论和方法，通过环境工程物理性质的差异或其形成的物理场来研究、解决环境工程问题，以达到人类与自然和谐协调发展的学科。环境与工程地球物理不同于常规的地球物理方法，它具有独到的特点：勘探目标的浅表层是一种特殊的地质地球物理环境；勘探方法具有抗干扰性和灵活性；物性差异小探测信号弱，需较好的信号提取技术；需要不同时间连续跟踪动态检测；建立专用的物理-地质模型。环境与工程地球物理的基本任务是从声、光、热、电、磁等物理场的变化来认识地球，其主要应用领域有资源勘探、环境保护、灾害防治及国家重大工程建设等。环境与工程地球物理涉及组成要素包括岩石圈、水圈、生物圈、大气圈，涉及物性包括物理性质、化学性质和生物性质，涉及人类活动空间包括聚落空间、区域空间、地球空间及星际空间。
2 环境工程问题
2.1 环境问题
环境与工程地球物理对环境问题的研究内容是自然成因和人为成因的环境问题，既包括聚落环境，也包括全球环境变化。其主要研究内容：①自然力引起的环境灾害与变化，如地震、火山、滑坡、塌陷、地裂缝、地面沉降以及空间环境变化的观测和研究预测。②人类生活与生产排放的废气、废水和固体废物引起的大气圈、水圈和岩石圈（含土壤）污染的探测和监测。③经济建设和交通等引起的辐射、噪声、振动等能量场污染的测量与研究。④人为物质与能量污染引起的全球变化，如气候、旱涝灾害的研究和预测。
2.1.1 世界环境问题
随着人口增加、生产规模不断扩大，所需的生活、生产资料急剧增长、排放“三废”（气体、液体、固体污染物）相应增加。人类活动空间扩大，改造自然、破坏生态日益加剧，已经威胁到人类的生存和持续发展：①资源匮乏，资源是人类生存和发展所必须的物质条件。随着人口增加，资源需求与日俱增。不可再生的矿产资源（包括能源资源）日益短缺，而且破坏环境造成污染。②森林资源面积缩小，使全球气候调节功能降低；水土流失，土地沙化，耕地退化；淡水资源短缺，成为人类生存和发展的严重障碍。③环境污染日益严重，主要表现在三个方面：一是有毒有害气体，大量排放，造成大气污染，引起“温室效应”、“臭氧层破坏”、酸雨范围扩大；二是土面积生态破坏、表现为大面积森林破毁，草场退化、土壤流失和沙化；三是突发环境事件，范围大、危害严重，其特征是：第一，造成全球性危害，第二，污染源多样，既来自工农业，也来自人类生活。既来自发达国家，也来自发展中国家。第三，污染事件多发影响面大。
2.1.2 中国的主要环境问题
中国幅员辽阔，自然环境千差万别、多种多样，面临较突出的环境问题不尽相同，但总体来看，优先考虑的七个环境问题包括：
（1）水污染（以有机污染为主）；
（2）城市大气污染（以总悬浮物和SO2为主）；
（3）工业有毒、有害废渣和城市垃圾对大气、水和土地的污染；
（4）北方地表水资源相对贫乏，许多城市严重缺水；
（5）分布广泛而严重的水土流失；
（6）森林覆盖率低，天然林面积小，林木蓄积量相对较小，草原退化严重；
（7）原生环境面积缩小，物种资源减少。
2.2 工程问题
环境与工程地球物理对工程问题的研究主要在铁路、公路、水利、电力、油气、城市建设等领域。目前服务范围及可望解决的地质问题或提供的参数主要包括以下方面：①探测工程区及场址区的覆盖层厚度并分层，了解基岩起伏形态、划分风化厚度、查明隐伏构造等，为工程选线、选址提供基本资料。②测定基岩、洞室围岩动弹性参数，为岩体工程地质分类和质量评价提供科学依据。③岩基快速测试技术是利用岩体弹性波速、回弹值及岩石点荷载试验值作为地质评价的定量或准定量手段，为工程基础开挖、建基面验收、施工质量监测等提供数据。④地球物理测井可提供多种物理力学参数，为钻孔岩层划分、了解地下含水层特性；判断地基液化及划分场地类别等提供定量化指标。⑤层析成像技术通过测定孔与孔、洞与洞、孔与洞之间地震（声波）速度重建波速场的分布特征，使地质勘查达到由点或线到面的飞跃。⑥工程质量检测。工程构筑物的质量检测、地下埋设物检测。⑦地下管线探测，可查明管线类型、埋深、走向和位置等，为城市建设和发展提供基础资料。⑧考古调查和研究：包括古文化遗址的发掘和研究，文物表面腐蚀程度评价以及古代人文活动规律的评定等。⑨工程地质灾害防治。国家建设中特别是西部地区，经常遇到滑坡、溶洞、地面下沉、水库坝基漏水等工程地质问题。
3 环境与工程地球物理方法
环境与工程地球物理方法研究环境工程问题的机制是目标体在物性发生变化时（污染、破碎、挤压等），会产生相应的地球物理场效应，即物质的电导率、介电常数、密度、磁导率和弹性等会发生变化，根据目标体与周围介质物性的差异，借助专门的仪器和一定的测量方式，观测地球物理玚的分布特征和分布规律，结合有关地质资料对地下目标做出地质解释，达到勘探的目的。目前环境与工程地球物理方法在研究解决环境工程问题时，几乎使用了当前地球物理的所有方法。但是在解决环境工程问题的过程中，有些任务是传统地球物理方法难以完成的，因此近些年来又发展起一些独具特色的、专用于环境工程勘察的新方法，如地震面波法、高精度地震反射法、高密度电阻率法、探地雷达、天然声辐射测量等等。对于同一种方法，应用于不同领域时，其方法原理虽然相同，但由于工作目的和探测对象的不同，在工作方式上往往有较大的差异，并形成各自的特点。
电（磁）法是以岩土介质的导电性差异为基础，通过观测和研究人工电流场的变化和分布规律，进而探查地质目标和解决环境工程问题的一类传导类电法勘查方法。它是勘查地球物理方法中方法种类最多、应用面最广的一类方法。地震勘查方法主要是研究人工激发的地震弹性波在岩、土介质中的传播规律，用以确定介质的结构及其力学性质的差异，了解不同介质层的地下分布。目前用于工程环境检测、灾害调查的弹性波方法主要有以浅层为主的折射波法、反射波法和面波法，以及层析技术。环境重力方法是以物质重力差异为基础，借助重力仪器解决环境地质问题的方法。利用重力勘探解决的环境工程地球物理问题主要有地震预报、滑坡探测、地面沉降灾害等。磁法勘探是一种研究地质构造、寻找矿产资源的方法，也可用来寻找带有磁性的地下污染物等。环境工程地磁方法是以物质磁性差异为基础，借助一定的仪器和观测方法获取地球磁场信息，通过分析研究磁场信息的变化，达到研究在自然环境演化和人类活动过程中引起的环境工程变化问题。放射性测量方法，也就是核地球物理方法，是近代物理学中核物理理论在地球科学中的应用。核地球物理所涉及的范围很广，从空间上来讲，已用于星际、航空、地面及海底。从应用对象上讲，它不但应用于金属、油气等的勘查，更广泛地应用于环境工程领域。如检查大气中的污染物、处理废弃物、寻找基岩地下水以及地质灾害的监测、预报与防治等。
下面给出目前应用于环境工程地球物理中的各种分支方法。
电（磁）法类主要有电阻率法、激发极化法、电磁感应法（瞬变电磁法、甚低频法）、探地雷达、地面核磁共振法、激光技术与激光雷达方法；环境工程地震勘探方法有折射波法、反射波法、高分辨率浅层地震勘探、瞬态瑞雷波法；重力勘探；环境工程地磁方法、高精度磁测；放射性测量方法；层析成像技术（地震层析成像技术、电磁波层析成像技术）。
4 环境与工程地球物理的应用
目前，环境与工程地球物理的应用领域概括起来主要包括地球物理场的环境效应调查、环境污染的监测和防治、天然和人为灾害的监测和防治、基础性建设的工程勘查（包括西气东输、南水北调、三峡工程、高速等级公路的建设等）。广泛的应用领域为环境与工程地球物理的理论、方法、技术及进一步的深化发展提供了广阔的空间，逐步形成了具有独特技术方法的研究领域。环境工程地球物理在这些领域中已经有不可胜数的成功实例，但仍处于形成和发展中，它的研究和应用领域有待于扩展、完善。
地球物理场的环境效应调查包括：天然核辐射环境效应的调查，解决氡气灾害远景的区域预测、室内氡浓度监测和新建筑规划区的选址和设计；天然电磁场环境效应的调查，研究电磁场的生物效应和对人文设施的影响；人工弹性波场环境效应的调查，研究人工振动对工程建筑的破坏和地基承载力的影响。环境污染的监测主要是放射性污染的监测、水资源污染的监测、地下固体废料污染的监测。放射性污染的监测重点调查区域性自然放射性背景、核事故污染、矿山探采和选冶污染、采煤和燃煤的污染、石油开采及运输中的放射性污染、建筑材料的放射性污、核废料处理场地的选址；水资源污染的监测主要工作是调查地下水无机污染、地下水有机污染、地下水污染通道、多个含水层之间交叉污染等状况；地下固体废料污染的监测重点是探测固体废料埋藏场地的位置、范围、厚度、隔离层、渗漏通道和污染范围、废料堆放场的选址。地质灾害的监测主要是调查滑坡、泥石流、岩溶、洞穴、地裂缝、地面沉陷、土地盐碱化灾害、海水入侵、煤层自燃、矿井地质灾害（如岩爆、陷落柱、突水、瓦斯突出、井喷）等。工程问题主要有地下管线的探测、区域性的地质调查、建筑工程质量无损检测、建筑物质量无损检测、高等级公路、机场跑道路基路面质量的无损检测、地基加固效果检测、大型工程地基勘查等。
例如采用高密度电阻率法、瞬变电磁法、探地雷达法、地温法及化学分析法在北京某垃圾填埋场进行渗漏检测。用美国SIR-10A探地雷达仪，100MHz屏蔽天线，时窗400ns。地温法采用日本UV-15精密测温仪。化学分析样取1.5m深土样，实验室用气相色谱分析三氯甲烷、四氯化碳、三氯乙烯和四氯乙烯等有机污染物。这三种方法的测量结果，都没有异常显示。说明该区地表粘土层比较致密，渗透性不好。而高密度电阻率法，使用E60B仪器，电极距3m，斯伦贝格排列，同时沿剖面布置60个电极。数据经预处理后，进行二维反演。结果表明，垃圾渗漏液由局部透水层渗入深部。被污染的土壤和地下水呈低电阻率特征，视电阻率在10Ω·m左右可定性为被渗漏液污染，垃圾场渗出液的实测电阻率均在0.40Ω·m左右，而自来水的电阻率均在32Ω·m左右。垃圾渗漏液污染已经钻井证实，并且已于2002年开始施工，做地下水泥防渗墙处理。
例如陕-京天然气输气工程涿县-北京段的地下管线探测中，查清天然气管道铺设沿线地下管线的分布情况。工作中采用金属管线探测仪和探地雷达进行探测。在探测过程中，遇到的多为军用电缆，并与天然气管道沟呈不同角度相交，这种电缆如按常规探测易产生漏测，为解决这个问题，采用从远处已知电缆位置追踪的方法向天然气管道沟方向逼近，同时在管道沟沿线采用“环形”布线的探测技术来进一步详查。在数据采集时，采用发射机与接收机保持在同一条水平线上，保证仪器经过地下管线上方时，接收到有用信号，防止有用信号丢失。上海某地质勘查院应用探地雷达方法完成了沪闵路污水管和浦东杨高路地下雨水管等项目的探测。在浦东杨高路地下雨水管探测中，采用天线距1m，测点距0.1m，中心频率100 MHz。所探测目的体在雷达图像上的反映信号清晰，反映的上顶面深度为1.6m，管径1.6m，后开挖验证雨水管上顶面埋深1.54m，管径1.6m，效果颇佳。
5 环境与工程地球物理进展
5.1 仪器的更新换代
具有代表性的有：①GPR发展理性化、系统化和快速化。GPR近年来发展很快。超宽分离天线及双静态多频天线等的研制成功，使探地雷达的工作频宽达0.1～100 MHz，时距在0～20000 ns。另外，仪器的体积变小，重量变轻，价格变低，但性能却变得更好。②浅层地震方法与仪器有新的发展。尤其是三维高分辨率地震勘探技术的推广应用，使得研究人员可以借助计算机对地质体进行三维立体研究，从而大大提高对环境分析的准确度。跨井地震成像技术、地震剖面偏移处理技术等也都有所发展。便携式震源的出现改变了以往地震法仪器庞大、勘探费用高等缺点，大大提高了工作效率。③高灵敏度近地表磁梯度仪器的出现。目前美国已经研制出一种G-858铯光泵磁力仪，具有稳定性强、灵敏度高、图形、数字、声音实时显示、操作方便等优点，并能同时测量总场和水平及垂直梯度。
5.2 方法技术的更新
环境与工程地球物理技术除了常用的电法和电磁法（电阻率法、激发极化法、自然电位法、音频大地电磁法、甚低频法）、位场法（磁梯度测量的方法、微重力测量）、浅层地震方法（地震折射法、地震反射法）、放射性方法外，新近出现了高密度电法、探地雷达、面波勘探和核磁共振法。这些新方法不同程度地提供了最佳的分辨率，且能降低近地表信号衰减、地层非均质性和某些类型噪声的影响。
5.3 资料处理技术的提高
环境与工程地球物理的发展，也促进了数据处理、正反演解释和成像技术的发展。频谱分析、小波分析和统计方法广泛应用于数据的去噪和弱信号的提取。反射地震和探地雷达资料的偏移成像等，采用包括解析方法、有限单元、有限差分等方法，研究的介质从各向同性向各向异性介质的方向发展，正演拟合也逐步趋于真实的介质，反演方法也从线性方法向非线性方法发展。但从目前的软件来看，还有很大的发展空间，如多道面波技术的频散曲线反演主要是一维，还没有二维反演方法和软件；电磁法的反演也大多集中在一维和二维，广泛应用的三维反演软件开始研发；浅层反射地震和探地雷达反演软件逐步向标准化、商业化方向发展。计算机技术的迅猛发展推动了地球物理处理方法的发展，众多对地球物理数据进行处理的软件也随之出现。在这些数据处理程序中，许多新理论、新算法被采用，最近发展起来的混沌理论、分形理论、小波理论、模式识别等或多或少都有所体现。例如我国的研究者提出的基于小波变换的地震记录分频处理技术（Frequency Division Process，简称FDP）可将薄层的可识别度减小到1/16～1/64波长，大大提高了地震记录的信噪比和分辨率。这些理论的应用使得分析过程更与自然环境下的情况接近，提高了研究结果的可信度。
5.4 应用领域的扩大
环境与工程地球物理应用于解决更广泛的各类问题，新的应用领域仍在持续不断地扩大。在最近几年的进展中，有些是随着仪器的更新和计算机技术的进步而出现的，有些是受到了社会需求的刺激而出现的，有些则是受各种法律规定的强制因素而产生的。虽然环境与工程地球物理目前已有许多用途，但也存在着许多潜在的用途。如确定水文地质特征，对基岩顶面和塌方底面成图，勘探煤、金属和其他矿物，民用、采矿和天然地震工程，确定地基加固程度和处理后的改善程度，探测和对地下设施成图，确定岩石的可剥离性，监测大地运动和物理性质随时间的变化，监测大坝和大堤的强度，确定沟渠充填物的性质，调查污染物的羽状化，检测未爆炸的军火，勘探考古现场。
6 环境与工程地球物理几个重要的发展趋势
（1）环境与工程地球物理方法逐步向高分辨率、高精度的质量检测和监测方法方向发展，表现在环境与工程应用领域的扩大（例如，有关农业利用土地的物理和化学的性质，公共卫生和安全方面如污染治理以及本领域各类工程的质量检测等）、仪器技术水平的提高和资料处理技术的进步（最近数十年或数年发展起来的混沌理论、分形理论、小波理论、模式识别等）。
（2）地下水有机污染的研究是研究的重要领域。地下水是人类生活用水的重要来源，地下水一旦受到污染将对人类的健康造成极大的危害。环境地球物理方法用于地下水研究，目的是对地下水质量的监测及保护，而不是地下水的供应与开发。
（3）地质灾害预报和环境污染监测是研究的主要内容，重点解决地质灾害预报、环境污染长期的地球物理监测。
（4）采用综合地球物理的方法研究环境工程问题。工程与环境问题种类较多，性质各不相同，涉及的范围和领域也比较广泛，应采用综合地球物理方法才能取得更好地地质效果。
（5）特殊环境下的环境与工程地球物理技术有待发展。加强对矿山地球物理技术的研究，发展水下地球物理勘探技术。
（6）环境工程问题的时间剖面地球物理勘探，对目标体进行动态、连续、长期的检查是环境工程地球物理的发展方向。
（7）生态环境研究是环境与工程地球物理学研究的新热点。
（8）环境与工程地球物理信号采集、数据传输、资料处理及地质解释的数字化、可视化及网络化是新的发展趋势。
总之，环境与工程地球物理是一个新兴的学科，研究和应用领域正在不断拓展。其方法技术具有快速、经济、可靠的特点。特别是在当前自然和人为灾害不断困扰着整个人类的情况下，地球物理技术在环境工程问题诸方面的应用都取得了新进展，在国民经济建设中起到了重要作用，成为解决环境工程问题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内容
自从有了地球物理勘探以来，就有了地球物理反演。地球物理反演是地球物理资料处理解释的关键一环。地球物理反演是一门应用科学，它是地球物理学和其他最优化方法的具体结合。因此本书除了讲述地球物理反演的普遍共性规律内容，也会讲述一些具体的物探反演方法。
本书是在参考了前人关于“地球物理反演”[13]“数学及最优化理论”[4-8]“地球物理学”[9-25]等方向的专业书籍及期刊文献基础上编写的。为了适应本科教学的要求，本书略去了大量复杂的理论推导，着重基本概念和理论体系的确立，偏重于实际应用，为进一步深入研究反演奠定基础。
地球物理反演的概念是和地球物理正演分不开的。地球物理正演——已知测量方式和地球模型的物性及几何参数求地球物理场的响应，即观测结果。地球物理反演——已知观测结果和测量方式求地球模型的物性及几何参数。
人们通常在地面进行地球物理勘探获得观测数据，这个过程实际上可以看成正演(虽然通常正演都是在计算机上进行的)，然后根据观测结果计算推断地下地球模型的物性及几何参数，这个过程实际上就是反演。
例如我们在地面上测得一条磁异常剖面曲线，我们可以大致推断地下磁异常体的规模和产状。
例如我们在地面上进行直流电测深勘探，由测量的电位差及电流强度可以计算视电阻率断面图;然后我们可以通过反演的方法获得地下的真电阻率断面图。这就基本上用电阻率描绘了一幅地下的地质结构图像。以之为基础结合地质信息我们就可以获得地下的地质推断图。
例如我们进行折射波勘探获得相遇时距曲线，利用这个时距曲线我们可以推断地下界面的起伏及各层波速。
正演和反演可以用如下公式表示:
用m表示模型参数(m为向量)，d表示观测数据(d也是向量)，F是联系它们的函数，正演的过程可以表示为如下公式:
d=F(m) (1.1)
在连续反演中，m、d都是无限维的向量，但在离散反演中它们都是有限维数的，观测数据有限，模型也用有限的参数表示。以三层水平大地电测深为例，模型参数为各层的电阻率和厚度，共有5个，观测数据为视电阻率个数为M，则
地球物理反演教程
对应的反演过程为
m=F-1(d)(F-1表示反函数) (1.3)
正、反演也可以用图1.1表示。
图1.1 模型空间和观测数据空间映射示意图
一般来说，模型参数和观测值之间的函数F是很复杂的，写不出解析表达式，因此正演计算一般要采用数值模拟的方法进行，如有限单元法、边界单元法、有限差分法等。
同样它的反函数F-1也无法获得，因此我们不能利用式(1.3)进行反演计算。最常用的反演方法是采用观测数据拟合迭代法进行计算。迭代计算过程如下:
(1)给出一个初始模型;
(2)进行正演计算，获得理论观测数据;
(3)对比理论和实测观测数据;
(4)判断两个数据的拟合精度是否满足要求:若拟合精度不满足要求，则修改模型参数，重复(2)，(3)，(4);若拟合精度满足要求，则转到(5);
(5)输出模型参数作为反演结果，反演结束。
那么可以不做迭代也能获得地下的物性参数和几何参数吗?也就是说观测数据或者经过简单计算的观测数据就是地下的物性参数吗?答案几乎是否定的。只有在极少数非常简单的情况下由观测数据可以直接获得地下的模型参数。
例如在均匀半空间进行电法勘探，利用视电阻率公式计算的就是地下的真电阻率参数，不需要从视电阻率到真电阻率的反演过程。但这里要反演的参数只有一个，就是均匀半空间的电阻率。
另外可以把观测结果近似为一些简单地质模型所产生的异常，由它们的解析正演公式推导地下的模型参数。如把重力异常剖面曲线看成是由一个均匀球体产生的，通过球体的重力异常解析公式可以由观测的重力异常曲线计算出球体的平面位置、埋深及剩余质量。这种由观测数据通过一次简单计算，而不需要多次迭代计算获得地球模型的方法我们称它为直接反演法。
在大多数情况下，地下模型是复杂的，例如地面不是水平的而是起伏的，地下物性也不是均匀的而是由多个复杂的具有不同物理参数的地质体构成的。在这种情况下，一般要采用观测数据拟合反演方法，通过多次正演计算，每一次获得一个响应更接近实测数据的地下模型的结果，直到满足预设的观测数据拟合精度要求为止。
下面以二维直流电测深为例说明反演的必要性。
设有如图1.2所示的二维起伏地形地电模型，模型具有一个山峰，一个山谷，在电阻率为100Ω·m的均匀大地中有一个电阻率为10Ω·m的低阻体和一个电阻率为1000Ω·m的高阻体。在如图1.2模型的地面进行直流电测深，测量装置为对称四极装置，计算机正演模拟所得视电阻率等值线断面图(观测数据)如图1.3所示。
图1.2 二维起伏地形地电模型(模型1)
图1.3 模型1的电测深视电阻率(Ω·m)等值线断面图
从图1.3可见，由于地形起伏及不均匀性的影响，视电阻率等值线图无法准确描述如图1.2所示的地电模型，甚至还出现很多假异常。在这样复杂的地电条件下直接利用视电阻率资料进行地质推断是很困难的。对于地形起伏，我们可以采用比值法进行地形校正，在一定程度上消除地形对视电阻率的影响。地形校正公式如下[9]:
地球物理反演教程
其中:ρs改为经过地形校正后的视电阻率;ρs为实测视电阻率;ρs纯地形为纯地形的视电阻率;ρ0为围岩电阻率。
图1.4为模型1纯地形的视电阻率等值线断面图，就是在模型1的基础上删掉两个异常体后正演计算所得(围岩电阻率取为1Ω·m)。从图1.4可见，在山峰处有低阻假异常，在山谷处有高阻假异常。这些地形影响会掩盖和扭曲真正异常体的视电阻率异常。
图1.4 模型1纯地形的视电阻率(Ω·m)等值线断面图
图1.5为采用公式(1.4)进行地形校正后的视电阻率等值线断面图。从图中可见基本消除了地形影响，可以识别出两个异常体的大致位置，但是异常体在垂向的分布范围难以确定。
图1.5 地形校正后的视电阻率(Ω·m)等值线断面图
图1.6为加入地形起伏的地形校正后的视电阻率断面图。图1.6的纵坐标为高程h与AB/4之和(注意AB/4取负值)。图1.6比图1.5更加容易识别异常体位置，但是异常体在垂向的分布范围仍然难以确定。
图1.6 地形校正后的视电阻率(Ω·m)等值线断面图(加入地形起伏)
图1.7是模型1的反演电阻率等值线断面图。从图1.7可见，反演等值线断面图很好地反映了地下异常体的分布，低阻体和高阻体的位置的大致范围都反演得比较准确。由于带地形进行反演，消除了地形影响所导致的假异常。
图1.7 模型1的反演电阻率(Ω·m)等值线断面图
地形影响是非常复杂的，用比值法并不能完全消除。从图1.7及图1.6可见，反演效果要比地形校正效果好，因此在进行地质推断解释时最好进行反演计算。
观测数据拟合反演方法一般把响应与模型近似为线性关系，所以这种方法有时又称为线性反演方法。所以我们有定义:
线性反演法——观测数据和模型之间有线性关系或在一定条件下能近似为线性关系的反演方法。
用m表示模型参数(m为向量)，d表示观测数据(d也是向量)，F是联系它们的函数。线性关系要满足以下两个公式[1]:
d=F(m1+m2)=F(m1)+F(m2) (1.5)
d=F(αm)=αF(m)=d (1.6)
最常用的线性反演法是最小二乘法，本书将以一维直流电测深反演为例详细介绍。
此外，由于反演的多解性，反演所求出来的解实际上是以某种标准从无穷多个解中选出来的，这个解到底有何性质，还必须对解进行评价分析。本书还会详细介绍离散线性反演解的评价方法。
非线性反演法——大多数的地球物理问题是非线性的，通过各种途径直接解非线性反问题，实现数据空间到模型空间的映射，而不是把非线性问题近似为线性问题的方法。
实践证明，非线性问题线性化的办法简单易行，在许多情况下也可以取得较好的结果。但是在目标函数具有多个极值的情况下，在反演迭代中容易陷入局部极小，而且反演结果很大程度上取决于初始模型，也可能使反演出现不稳定甚至无解。图1.8形象地说明了这种情况[13]。
图1.8 目标函数的全局极小与局部极小示意图[13]
不少非线性反演法在模型全空间进行搜索，不依赖于初始模型，能在一定程度上减少陷入局部极小值的可能。常见的非线性反演方法有:梯度法、蒙特卡洛法、模拟退火法、神经网络法、遗传算法等。这些都会在本书中介绍。
Ⅵ 地球胀缩的正算法
本节内容主要参考了材料力学中薄壁球壳的有关方法，经过适当发展而成。
1.作用力下的球体应力应变
记录了地球构造运动的岩石圈，总共厚度0～60km，而地壳则只有0～40km厚。在地球绕银核运行的漫长岁月里，地壳在压缩力和膨胀力的作用下，如何发生膨胀效应和收缩效应？地球所受的膨胀力和压缩力是否足以使地壳岩石破碎，是否足以使地球表面积增大以至形成裂谷，使地表面积缩小以至陆块被褶皱成山？
材料力学理论认为，当薄壁球壳承受内压力作用时，在球壳材料中将产生三个互相垂直的主应力——环向应力、纵向应力、径向应力，相当于岩石力学的б1、б2、б3。只要壁厚与它的内径之比小于二十分之一，则可相当精确地认为环向和纵向应力沿球壁厚度为常数，且所产生的径向应力的大小与环向应力和纵向应力相比小到可以忽略不计。由于球对称，内压力作用产生的应力将是两个等值的互相垂直的环向应力及一个径向应力。
因为径向应力与环向应力之比可以忽略不计，所以，薄壁球壳的应力系统属于等值二向应力状态（如图4-25）。
地球动力与运动
内力=бH×πd×t（t为壁厚）
地球动力与运动
薄壁球壳的体积改变=原体积×体积应变而
图4-25受内压力作用的半个薄壁球
地球动力与运动
所以：
地球动力与运动
上述各式中的符号意义：
p——球壳所受压强（Pa）;
d——球体直径（m）;
t——球壳厚度（m）;
E——弹性模量；
v——泊松比；
V——体积（m3）。
2.正演地球的膨胀和收缩
在压缩力或膨胀力作用下的地球球壳的应力与应变如何求？
首先，必须搞清以下两点：
（1）地球是否可以被当作薄壁球壳来分析
如果分析的对象仅仅是地壳，毫无疑问，地球完全可以被当成薄壁球壳来处理。但是，地球具有分层结构，而且各层的物态物性也存在差异。所以，分析地球膨胀和收缩应该将目标放在各个圈层上，而不是局限于地壳，地壳的改变量实际上是地球各圈层改变量的综合。
也可以将地球各圈层的改变当作一个灰箱，仅仅考虑地壳在灰箱状态下的改变，这时，分析对象被作为一个实心的球体。
（2）压缩力和膨胀力是否可以被直接引入计算式
如果把地球作为一个整体考虑，则地球所受的最大膨胀力和最大压缩力分别为1.34×1014（N）和8.63×1013（N）。显然，它是不能被直接引入计算式的，因为：第一，量纲不一致；第二，如果误将它当作压力代入，地球的体积将发生几千倍的变化，这与事实不符。
如果将膨胀力或压缩力除以受力面积，使量纲一致，那么这将是一个非常小的数据，小到与地壳岩石所受静压相比可以忽略不计。
综合前述，地球在地史上肯定发生过膨胀和收缩，地质作用力与之具有很好的对应。
因此，地球的膨胀和收缩关系式可按如下公式建立：
周长的改变量
地球动力与运动
直径的改变量
地球动力与运动
体积的改变量
地球动力与运动
表面积的改变量
地球动力与运动
其次，举例分析：
曾融生等在青藏高原通过利用远地地震波形反演莫霍界面深度，综合近年来地球物理观测结果作出喜马拉雅－祁连山的地壳构造图，定量估算出，自50Ma陆－陆碰撞以来，印度次大陆和羌塘块体向特提斯喜马拉雅和拉萨块体地壳挤入的长度约为937km。Dewey和Le Pichon等人估计，自50Ma迄今，印度次大陆向北推移的水平长度约为2500km。等等。
运用待定系数法，在求得了某一次或某几次地壳构造运动的改变量数据后，结合利用地球在轨道几个特殊位置的胀缩力F，分别将数据代入式（4-23）至式（4-26）求出K值。
当K值求出后，即建立起了由胀缩力计算地球改变量的理论计算公式。
这样，根据公式即可计算地球在任意时间段后的任何时刻的所求改变量。从而完成以地球原动力为依托的地球改变量的预测。使地学进入崭新的里程。
Ⅶ 地球物理异常的正反演它们之间的联系如何
某种意义上说：反演其实是无数次正演的过程。我们做的无非是根据已知条件，不断缩小正演的范围和次数，用计算机一次次迭代或应用其他方式来拟合实际数据。当数据拟合达到要求时，得到的模型就是所谓的反演结果。在反演过程中，了解正演的过程及参数，对反演的速度和准确度是至关重要的。