哪些是海洋科考中常用的地球物理调查手段

⑴ 地球物理探测方法

常用的地球物理方法与探测垃圾填埋场所使用的方法基本相同，有直流电阻率法（DC）和甚低频电磁法（VLF-EM），瞬变电磁法（TEM），激发极化法（IP）。探地雷达（GPR），浅层地震反射，井中CT（跨孔电阻率成像法）等方法的应用也逐渐增加。从国内外大量成功事例来看，直流电阻率法（含高密度电阻率法）仍然是应用最广泛，效果最显着的方法之一。电阻率法是测量地下物体电性特征的方法，它与孔隙度、饱和度、流体的导电性密切相关，电阻率法已被广泛应用于地下水、土的污染调查。特点是垂向分辨率高，探测深度有限。

实例一

土耳其某垃圾场地下水污染电阻率法调查。场地地质情况：露天垃圾堆放场位于土耳其某市东南，这一地区是土耳其重要的水源地之一。第四纪的冲积层厚达100 m，主要以渗透性良好的卵砾石、沙和粘土组成，是当地的主要含水层，地势西南高，东北低。垃圾未经任何处置，直接露天堆放在上面。垃圾堆下面也没有任何的渗漏液收集系统。据调查，有2/3的含水层已受到不同程度的污染。水中NO₃的含量是世界卫生组织限定的饮用水标准的5倍以上。电法勘察的目的是调查污染的范围，为布置监测孔提供最佳的位置。采用的方法有电阻率法（DC）和甚低频电磁法（VLF-EM）。在垃圾场的下游垂直地下水流向的方向布置了11条剖面，每条剖面200～250 m长不等（图8.3.4）。剖面间隔40 m，斯伦贝格排列，试验了从0.5～30 m 6种电极距的效果。从图8.3.5看出，0.5 m极距的视电阻率测量结果以很高的视电阻率为特征，主要反应的是表层的较大的卵砾石层，含水量少。极距为1 m和5 m的视电阻率结果主要反应了饱气带内地下水不饱和情况的电场特征，与0.5 m也没有太大差别，只是在横向上有一点不同。10～25 m电极距反应了地下污染源的电场特征，在图的东北角，视电阻率降为10 Ω·m，是污染的发源地，而表层的视电阻率在1000 Ω·m以上，视电阻率差异十分显着。

图8.3.4 测线布设位置示意图

图8.3.5 不同极距的视电阻率测量平面图

实例二

中国北方某市的两处垃圾填埋场渗出液的实测电阻率分别为0.39 Ω·m和0.40 Ω·m，远远低于自来水的电阻率23 Ω·m（表8.3.7）。与日本Boso Peninsula垃圾场的测量

表8.3.7 垃圾填埋场渗漏液电阻率测试结果

结果很相近。与清洁的自来水电阻率32.040 Ω·m相比，二者相差80多倍。含水土层的视电阻率在10 Ω·m左右，与上述土耳其的例子相当，这就为电阻率测量提供了充分依据。测量装置见图8.3.6，计算公式如下：

环境地球物理学概论

式中：S为水样的横截面积；I为电流；V为电压；L为MN间的距离。

（1）北京阿苏卫垃圾填埋场渗漏检测

这是北京兴建的第一个大型垃圾卫生填埋场，位于北京市昌平县沙河镇北东约6 km，地处燕山山脉以南的倾斜平原地带，山前冲洪积扇的中上部位，是城区地下水及地表水的上游部位。该区基底为第四纪洪积层，有粘土、粉质粘土、沙土、中细沙层。粘土层渗透系数为1.0×10^-8 cm/s～9.42×10^-7cm/s，隔水性好，但局部有渗透系数达1.84×10^-3cm/s的粉沙土透水层，区域地下水由北西流向南东。日处理垃圾2000 t，全机械化操作，属现代化卫生填埋场，底部为不透水的粘土层，厚度0.4～1.4 m不等，反复压实作为隔水层，设有渗沥液收集系统，周围设有观测井。堆场向下深4 m，计划垃圾堆高40 m。

在北京市政管理委员会的支持下，第一次利用地球物理探测方法进行渗漏检测，在同一条剖面上选用了高密度电阻率法、瞬变电磁法、探地雷达法、地温法及化学分析法。

测线布置在地下水下游方向，填埋场的南侧，南围墙外面，并与南墙平行，相距8 m，测线长660 m（图8.3.7，彩图）。

用美国SIR-10A探地雷达仪，100 MHz屏蔽天线，时窗400 ns。地温法采用日本UV-15精密测温仪，仪器精度0.1℃。化学分析样取1.5 m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。

高密度电阻率法，使用E60B仪器，电极距3 m，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。勘测深度15 m。视电阻率的水平距离深度剖面见图8.3.8（彩图）。

由图可见，在4～8 m深度有一层高阻（＞30 Ω·m）层，但并不连续，反应了本区粘土层的特征。垃圾渗沥液由局部透水层渗入深部。在220～240 m处9 m深度以下的低阻（＜10 Ω·m）体，经钻井证实为垃圾渗漏液污染的结果。已于2002年开始施工，做地下水泥防渗墙处理。

图8.3.6 测定垃圾渗漏液电阻率的装置

（2）北京某垃圾填埋场的渗漏探测

垃圾填埋场是近年兴建的大型卫生填埋场，底部铺设有塑胶衬底的防漏层，有渗沥液收集装置，有效填埋面积19.6×10⁴ m²（300亩强），日填埋垃圾2500 t，设计封顶高度为30m。基底为第四纪松散沉积物，厚度在100 m左右，第一含水层顶深10～20 m，厚度5～10 m，粗沙到细沙；第二含水层顶深20～30 m，厚度9～25 m，沙砾石层，渗透系数40～200 m/d。第三含水层顶深38～60 m，厚度8～15 m，以中粗沙和砾石为主。地下水由西北流向东南。现已下降形成漏斗。浅层水质较差，不能饮用。

根据渗沥液的电阻率值差异，主要使用高密度电阻率、瞬变电磁法以及探地雷达方法。考虑到地下水流方向，三条测线布置在填埋场的东南方向，测线I位于东侧，距填埋场平均27.5 m（长400 m）；测线Ⅱ和测线Ⅲ在填埋场南侧，测线Ⅱ距填埋场平均35.5 m（长741 m）；测线Ⅲ距填埋场15 m左右（长700 m）。测线Ⅱ高密度电阻率法距离深度剖面结果示于图8.3.9（彩图）。垃圾填埋场地表深5～10 m主要是干砂质粘土层，电阻率比较高，向下测到的电阻率低（＜15 Ω·m），应当是垃圾渗漏液。根据阿尔奇法则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%，则ρ_土=4.4与剖面中ρ_视=5是很接近的。说明低阻区是渗漏液的地下分布。在垃圾场东边，剖面I10～15 m以下有渗漏区（A1.1；A1.2）。在垃圾场南边，10 m以下有渗漏区，剖面Ⅱ（图8.3.9）中可划分出3个较大的异常段（A2.0，A2.1，A2.2）及几个小异常体。渗漏液异常分布清晰可见。

电磁法（EM）：电磁法一般用来圈定淡水和咸水的界限，对地下水研究应用较多的是瞬变电磁法（TEM法）和探地雷达法（GPR法）。在我国北方某市垃圾填埋场渗出液检测证明TEM是有效的，瞬变电磁法沿测线Ⅱ进行的，仪器为长沙白云仪器开发公司研制的MSD-1脉冲瞬变电磁仪，采用20 m×20 m供电线圈工作，目的在于了解较深部情况。测量结果如图8.3.10（彩图）所示。在深40 m以下，有三个异常区段，即A2.0（0～15 m）；A2.1（50～60 m）；A2.2（80～100 m）。揭示了渗漏液污染范围在向深部扩展。

实例三

废弃物填埋场为了防止渗漏，常用塑料作为衬底，形成隔离层，比单纯的依靠粘土层作为隔离层要有效。但由于废弃物中常混有尖硬物质或在堆放废弃物时层层压实，遇到局部软（硬）土而受力不均，使污水由漏洞流出。常规的标准方法是污水示踪，或监测污水压力变化，这样做时间长，而且要大流量时，才是有效的，也很难提供进行修补的确切位置。

应用适当布置电极位置的电阻率法，可以准确测定漏洞位置（Willianl Frongos，1997）。有塑料膜衬底的废物填埋场，正在使用，两个供电电极，一个放在填埋场内（A），一个放在塑料膜之外（B），可以放置在足够远处，如图8.3.11所示。驱动电流流过漏洞，漏洞就是电流源。填埋场内废物的电阻率由于正在填埋，很不稳定，一般为2～10 Ω·m。面积为1 m²，厚度为1 mm埋入地下的聚乙烯膜的电阻率为10000 Ω·m，衬底外土壤是导电的，电阻率为20 Ω·m。对于一个漏孔的平面塑料膜而言，在均匀半空间的表面上，点源用格林函数可以描述通过漏孔流过电流引起的电位。如果孔径不大，则电流（U）可写为

环境地球物理学概论

式中：I为通过漏孔的电流（为总电流的一个分量）；ρ为基底土壤电阻率，R是漏孔与源之间的距离；c为常数，代表参照电极的任意电位。

图8.3.11 漏洞探测观测系统工作原理图

图8.3.12 点源（漏孔）电流归一化电位图

图8.3.12是漏孔上的电位函数的图示，其观测网为30 m×24 m，观测点间距1 m。孔位（点源）：x=14 m，y=11 m，z=0，电极进深0.5 m。

用这个方法在斯洛伐克一个填埋场，发现6个漏洞，其中5个较小，属点源异常；一个较大的裂口，6个异常都被开挖证实。进行了修补（修补后异常消失），观测确定的漏孔位置平均误差约为30 cm。

如果填埋场衬底塑料膜不是一层，而且漏洞不在同一位置，要测定每层塑料膜漏洞位置，难度要大一些。如图8.3.11所示，可以分层跨层分别布置电极，如在测第一层塑料膜漏洞时应当将B电极放在第一层与第二层塑料膜之间的导电物质之中。

实例四

澳大利亚北部有一个铀矿山，1980年开始开采，计划于2005年关闭。在开采过程中，大量的废渣和废液被滞留在尾矿坝中。现在发现尾矿坝中富含Mg²⁺和的废水，沿着地下裂隙和断裂，发生渗漏，在周围一些地表的植物中已检测出上述离子浓度有明显增加。从钻孔水文调查结果发现，废液的渗漏是广泛和无规律的。这已对当地的自然环境构成严重危害。矿业公司为调查渗漏情况，采用了多种物探方法：自然电位法（SP）（也称氧化 还原法）、激发激化（IP）法、直流电阻率法（DC）、瞬变电磁法（TEM）。研究区的地质构造情况和测线布置见图8.3.13。已有的测量结果表明：在河床地带的片麻岩的电阻率在1900～8300 Ω·m，地表沉积物的厚度在2～5 m之间，粉砂质粘土和粘土的电阻率在0.1～600 Ω·m范围。对当地的水文地质情况的调查结果发现，主要有两个含水层：第一含水层是地表粘土和风化后的岩石，厚度在20 m；第二含水层实际就是基岩中的断裂带。两套含水系统是互相连通的。地下水位的升降随季节而变化，在干燥季节，水位的日下降幅度在12～14 mm。在丰水季节，地下水位的日上升幅度在14～40 mm之间。枯水期与丰水期地下水位的相对落差为2～3 m。

图8.3.13 研究区位置及主要的地质构造分布

在测线1、测线2、测线3分别进行了自然电位、直流电阻率法、激发激化法测量，并重点分析了测线的直流电阻率法、激发激化法测量结果以及二维（2D）自然电位的结果。

激发激化法测量：斯伦贝格排列，31个接收电极，由一根电缆与接收机相连。极距10 m，一个发射电极距测线1.7 km（视为无穷远），另一个发射电极置于两接收电极之间，随测线一同向前移动。电极排列见下图8.3.14，剖面布置见图8.3.15（彩图）。发射电极AB和接收电极MN以n×a的距离同时向两边移动，获得测线上电阻率随深度的测深剖面。

在图 8.3.16（彩图）中，有三个比较大的近地表异常，中心位置分别是 8370 E，8525 E，8650 E。前两个异常是由粘土和粉砂质粘土层引起的，第三个异常紧邻南北向的2 a断裂，认为是渗漏引起的异常。其次，可以看出，从西到东，激电异常有增加的趋势，从距测线1（距测线3约150 m）的钻孔地下水的化验结果发现地下水中Mg²⁺和的浓度向东逐渐升高，证实了激电的结果。

图8.3.17（彩图）是电阻率观测结果，在8250E、8300E和8350E处呈低电阻率异常。前一个异常与片麻岩和眼球状片麻岩地质单元的交界处对应，视为地层差异引起的异常。8300E异常正好位于一个灌溉用的水管下面。8350E和8500E的低阻异常都与当地的灌溉有关。8550E处的高阻异常正好对应于片麻岩地层。

从激电法和直流电阻率法的测量结果来看，激电法对地表污染（2～5 m）的反应没有电阻率法灵敏，这是由于在很小的极距下（10 m）地表污染还不足以产生明显的激电效应，相对于地下含有高浓度的污染物而言，被污染的粘土层和地下水更容易产生明显的激电效应。

图8.3.14 斯伦贝格排列

图8.3.18（彩图）是在不同的时间观测到的自然电场变化，尽管图形在形状上略有差异，但基本上保持了很好的一致性。为了避免其他方法的干扰，测量是在激电法和直流电阻率法结束后进行。对自然电法的解释需结合实际进行，因为自然电场的场源不固定，受地下水水力梯度，水中离子浓度的综合影响。在靠近断层的地方，显示高电位。其次，还进行了电磁法测量：50 m单线圈，25 m点距。视电阻率的反演精度小于1%（图8.3.19，彩图），与电阻率法、自然电位法有良好的对应关系。

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、地震和热流测量 4种方法。电法和放射性测量在海洋地区现仍处于理论探讨和方法试验阶段，没有投入实际应用。 根据震源产生的形式分为天然地震和人工地震两大类。
海洋地区的天然地震测量，是通过布设在岛屿上或海底的地震台站，观测天然地震所产生的体波、面波和微震，来研究海洋底部的构造活动、地壳厚度和低速层的展布等。
海洋地区的人工地震测量，是利用炸药或非炸药震源激发地震波，观测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。折射波法主要用来研究地壳深部界面和上地幔的结构，也称为深地震测深。它要求有强大的低频震源（例如使用大炸药量爆炸或使用大容积的空气枪激发），在运动中依次产生地震波，而在相当的距离之外观测地壳深部界面上的折射波和广角反射波（动爆炸点法）。至于浅层折射，除利用声呐浮标获取沉积层中速度资料之外，现已很少使用。反射波法在近海油气勘探中获得广泛的应用。
现代海洋地震勘探广泛采用组合空气枪作震源，用等浮组合电缆装置在水下接收地震波，通过数字地震仪将地震波记录于磁带上。这样不仅能够在观测船行进中实现快速和高效率的共深点反射的连续观测，而且能够使用电子计算机充分利用所获取的地震信息，精确地查明沉积岩不同层位的产状、构造及其岩性，以阐明沉积盆地及其中的局部构造和沉积环境，甚至给出烃类显示，为直接寻找油气提供依据。而根据反射地震波传播方案，采用高频频段观测的回声测深仪、地层剖面仪和侧扫声呐等，则是现代调查海底地形、地貌、浅层沉积物结构及其工程地质性质的重要手段。 亦称海底不稳定性或灾害性调查，是开发海洋的前期工程。通过回声测深、侧扫声呐、地层剖面仪以及高分辨率地震调查，结合海底取样和浅钻，提供基础资料。同样内容的观测和资料，也是海洋沉积、海底地形地貌、第四纪地质和固体矿产调查所需要的。

⑶ 海洋地球物理勘探的应用范围

在海洋范围内应用各种地球物理勘探方法研究地质构造和寻找有用矿藏。简称海洋物探。物探是研究海洋地质最基本的调查手段。它以海底岩石和沉积物的密度、磁性、弹性、导热性、导电性和放射性等物理性质的差异为依据，用多种物探方法和仪器，观测并研究各种地球物理场的空间分布和变化规律，进而阐明海洋底的地质构造及其演化，查明各地质年代沉积物的分布，寻找石油和天然气以及固体矿产资源。
海洋地球物理勘探所观测的有地球本身固有的地球物理场，如重力、磁力、热流和天然地震，也有用人工方法激发的地球物理场，如人工地震和电法等。由于海洋水体是运动的，上述观测必须采用一系列不同于陆地地球物理勘探的仪器和方法。海洋地球物理勘探在早期阶段，采取多种密封防水、弹性减震以及获取静态观测的措施。现在则充分利用海洋的特点进行动态观测，不仅可以快速和连续作业，而且适于将几种物探设备和导航定位仪器集中在一条工作船上，实现电子计算机控制的综合观测。

⑷ 什么是地球物理测量技术

是指运用先进的仪器测量地球某些物理性质的变化，从而得出海底以下的地质构造和矿产分布的一种测量技术。在海上，使用最广的物探方法有地震勘探、重力测量、磁力测量和热量测量等。重力的变化能反映地质或地理位置的变化。
重力测量在海洋矿产资源勘探、天然地震预报和地震灾害预测、卫星空间轨道设计及轨道预报方面都有重要意义。其设备如德国产的KSS25和KSS230型海洋重力仪，其中KSS25型属于杠杆型重力仪，KSS230型属于弹簧垂直荷载型重力仪。
海洋磁力测量是勘测水域磁场的分布和随时间的变化或发现异常磁场。目前海洋磁力勘探主要用核子旋进磁力仪，其中美国森尼维尔大地测量公司G801海洋质子核子旋进式磁力仪应用较多。
海底热力测量不仅可以发现地热资源，而且可以应用其得到的海底地热资料详细考察海底地壳、地幔、板块构造及热过程（如岩浆侵入、热液环流）。海洋有源电磁探测系统测量可以直接测定地壳内熔融物质的存在和温度及岩石的孔隙度，用于热液或岩浆活动的海洋扩张中心的地质作用过程的调查和研究。几十年来，我国先后研制和生产了重力仪、结构核子旋进式磁力仪、质子磁力梯度仪及多种地质取样设备，在国际海洋地质调查和地球物理勘探中发挥了重要作用，尤其是海洋石油地球物理勘探技术和资源综合评价方面已基本达到国际先进水平，并在地震勘探作业方面具备了国际市场的竞争能力。
20世纪80年代以来随着科学的发展，许多新技术包括三维勘探、高分辨率勘探、子波处理和波动理论等反演技术，也逐渐被应用在测量技术上，使信号质量、信息的准确性、分辨能力和穿透力等方面都有了明显的提高，也使得物探技术有了较大的进展。近年来，人们还研究海底声学特征和沉积物理特征之间的直接联系，并通过声速、声吸收、声反射率与海底沉积物类型、颗粒度和孔隙度的关系，建立起海底地质声学模型，从而为判断和分类海底地质结构提供定量分析的依据。其中精密回声测深仪、深浅地层剖面仪、旁侧声呐先进仪器的应用最为广泛。我国在水声技术研制方面也取得重大进展，现已研制成功具有世界先进水平的唯一可在2米浅海作业的高分辨率浅地层剖面仪和彩色双频率垂直鱼探仪，还有走航式声字多普勒海流剖面仪，这些技术广泛应用在海洋科学研究、海洋资源勘探和开发以及军事活动等各个领域。