地球物理勘查技術及其應用研究

彭江濤，申開洪，張 平

（1.河南省地質調查院，鄭州 450001；2.河南省地質科學研究所，鄭州 450001；3.河南省地質科學研究所，鄭州 450001）

隨著當今科技水平的不斷提升，地球物理勘查的方式和方法也有了相應的創新，就當今的礦產的資源勘查中，具有相當好的應用前景，但是地球物理勘查的觀測結果有一定的多解性，所以要選取正確而合適的方法和技術，這也是勘查行業中比較重要的部分。

1 地球物理探測方法簡介及應用范圍

地球物理勘測技術[1]，顧名思義就是運用物理學和數學相結合的一門綜合性比較強的學科，它是對地球的各種物理場的分部和變化規律進行相關觀測，探究地球的內部和外部的物質組成、介質構造和演變和形成過程，從而達到探尋各種自然現象和變化規律的目的，通過相關的技術，探測出地球的內部結構和構造，為災害預報提供真實的數據。

地球物理學被分為應用地球物理和理論地球物理兩大類，其中應用地球物理有金屬與非金屬勘探、能源勘探和環境與項目探測等等?？碧降厍蛭锢韺W利用一些物理方法對礦、油、項目和環境監測進行研究，通常我們一般用地震勘探、電法勘探、重力勘探、發射性勘探、磁法勘探等等一系列的技術，運用地球物理的測量儀器，來對地下的地球物理場信息進行相關的數據采集，對采集的數據進行分析、處理、反推和解釋，從而推出地下結構和礦源的分部情況?？碧降厍蛭锢韺W一般是對石油、金屬和非金屬礦床、地下水等進行相關的勘探，這也是勘探地球物理中主要學科。

從數學的方面來講，地球物理勘測可以抽象成通過模型空間的某種映射關系，從而來得到可感知的數據空間，在通過這個逆過程變換到模型空間，具體的過程如圖1，這種映射遵循地球物理學兩大模型，包括場效應和濾波器。對于我們所得到的地球物理數據，我們一般會有兩種處理方式，分別是基于信號分析理論的信號處理技術和基于物理場效應理論的反演技術，第一種主要是去雜、增益、提取有用的信號，第二種在模型空間尋找一組參數向量，通過這種映射關系，來得到數據空間的觀測數據，在一定的假設條件下，反演就可以表示某種誤差極小化問題，通過模型參數和模型正演來得到合成數據，在和觀測數據匹配計算出M 的參數，地球反演包括參數模型的建立、模型正演和極小化問題，關于極小化這個問題，從不同的角度關注的重點也會有所不同，在數學方面，人們可能會更加關注與他的存在性、唯一性和穩定性，而從地球物理的角度來說，則更加關注于它模型正演的物理機制，而在我的實際應用中，更加關心所建立的參數模型是否能滿足我們的實際生活。

圖1 地球物理探測空間變換示意圖Fig.1 Schematic diagram of space transformation of geophysical exploration

1.1 電法勘探

電法勘測[2]先是研究地層的電學性質、磁場變化，由于不同的地質結構的電學性質是有一定的差異性的，通過儀器來測量電場的分布和規律，從而來了解地質結構如何，來達到勘探的目的。電法勘探分為兩個大類，分別是傳導類電法和感應類電磁法，下面我們從其中的挑選幾個比較典型的方法進行闡述。

電測深法先是在同一個測點不斷的擴大它的電極距，隨著深度的不斷深入看垂直方向上從淺到深的電阻率的變化規律，同時根據目的物和周邊介質電阻率的變化規律，得到地下地質結構分部情況的一種勘探方法。第二種勘探法是K剖面法，它所涉及到的理論基礎是電磁場和波動場，它是把實際所采集到的數據和解釋方法相結合，這樣就突破了常規的電阻率量板法的思路，并對此建立一整套的數值解釋法，起初的K剖面解釋用的是微分的一二次等幾個基本參數，但大部分就能進行單支曲線求解，通過研究者們的不斷探討，現在的K剖面法利用一、二次微分和相關參數推出了和巖石的孔隙率有關的冠以充填系數Kv，于此有關的軟弱界面有關的廣義界面系數Jv。通過這些參數較好的反映出巖土體在不同電阻率地質機構，這對于那些發生的地質災害防止更為的有效。這種方法的優點是通過提高似電阻率Ps 給Kv 參數解決相應的地質異常難題，像傳統的電法勘探是把視電阻率Ps作為解決地質災害的關鍵因素。

在目前為止，除了以上兩種方法之外，還有一種名為電剖面法[3]，第一步先把裝置的極距維持不變，再沿著觀測線觀測地下不同深度的大地電阻率在水平方向上的變化，根據目的物和周邊介質電阻率的變化差異。于此不同的一種方法是高密度電法，它是由電測深和電剖面法相結合，而且他的觀測點的密度比較的高，這樣來探測水平和垂直方向上電性的變化差異。

1.2 探地雷達法（GPR）

探地雷達法[4]是電磁波勘探的一類，他主要是利用高頻的電磁波，電磁波以短脈沖的形式從地面發射天線到地下，由于不同的地層的地質結構是不同，通過相關的儀器來接收不同地層反射的電磁波。電磁波在不同的介質中傳播的時候，它的路徑、電磁場強度和波形都會隨之而改變。當接收和發射的天線以固定的距離在側量線上移動時，在儀器上我們可以我們就可以得到地質雷達圖像，當介質是完整致密、性質均一的時候，反射波是比較弱的，而當有巖溶破碎地帶的時候，它和周圍的介質的介電差異是比較的大，反射波也是比較強的。

1.3 地震波勘探

地震波探測[5]利用人工激發的彈性波，并沿著測線的不同位置用相關的儀器測試大地的震動，所得的信號會是數字的形式進行儲存，以此方便計算機提高它的信噪比，獲取有意義的信息，從而解釋最終的結果。由于電磁波在不同的介質進行傳播時，它的路徑、振動的強度和波形將會因介質的彈性性質和幾何結構的不同而有所改變，因為有了這些變化，通過分析波的旅行時間和速度資料來推導出波的傳播路徑和介質結構，若要推斷出巖石的性質，就必須獲取波的振幅、頻率和地層的速度等等相關參數，其實地震波的傳播方式和幾何光學的傳播方式大致是相似的。波傳播時，當遇見彈性分界面的時候，就會有反射和折射，通過儀器來接收不同的波，這樣就可以構成不同的地震勘探方法。若直接穿越地質目標的體的地震波的時候就會有透射波勘探，而在我們的實際操作中，我們一般都是用地震縱波，地震波在地質結構中傳播的時候，會產生不同種類的轉換波，若橫波、瑞雷波，對應的就會形成地震橫波、瑞雷波勘探[6]。

2 應用

2.1 地球物理探測的應用

第一種是重力勘探[7]，被應用于精密儀器觀測，通過觀測地層的、礦體的密度差異的重力場的變化，對礦產和地質進行勘查，被廣泛應用于基礎的地質研究中，也成為礦產預測的一個重要依據。還有一種勘探方式是磁法勘探，它是根據不同的自然巖石和礦石具有不同的磁性，通過磁力儀觀測磁場的變化情況，從而來解決礦產勘查和地質結構的問題，除此之外，磁力儀是比較的輕便的，工作的效率高而成本也是很低的，對于勘探鐵磁性礦產和有磁性的矽卡巖中的有色金屬礦是比較好的一種方式，在我們的實際操作中，將磁力儀裝在飛機上，就可以大面積的對我們要勘探的地方進行掃描。下面這種方法是根據巖石和礦石之間的電性差異進行礦產的勘查和基礎地質的研究方法，其中包括直流電阻率法、直流激發極化法（IP）、瞬變電磁法（TEM）、可控源變頻大地電磁（EH4）和可控源音頻大地電磁（CSAMT）這5 種方法。

直流電阻率法[8]是通過給地下供給直流電來觀測電位的變化，并計算他們的電阻率，在水文勘查中應用的比較的廣泛，但是他受地形的影響是比較的大，再者便是直流激發極化法（IP），它主要是對一些的硫化礦體進行勘探，效果也是相當的不錯的，像黃鐵礦、鉛鋅礦、斑巖銅礦和銅礦等等，與勘探有色金屬礦的效果要好的多，在含金破碎帶和水的分界帶上也是不錯的，但是它所需要的儀器是比較的笨重的，而且勘探的深度也是比較的小，一般都是在200M的范圍內，激電方法包括了雙頻激電和幅頻激電，除了以上使用的電法以外，還用一種名為）瞬變電磁法（TEM），它是利用不用接地回線就向地下發送相應的脈沖式的電磁場，再通過儀器觀測地下的礦體和地質體產生的感應磁場，通過計算它們的電阻率，從而來尋找礦和解決地質問題，他主要是被應用于劃分巖性層和勘探含礦的破碎地帶和含水層，相比于前面的幾種方法，它所需的儀器是比較的輕便，而且探測的深度也是比較的深，深度一般會達到500m 以上，最后一種是地震勘探，它是利用不同的地層彈性波阻抗的差異性，通過人工激發地震，再用儀器測量地震波的信號，從而觀察地質機構的分布，這種方式被人們廣泛的應用于石油、煤田和工程中，除此之外，高分辨率三維地震也被應用于層析成像技術。

2.2 物探方法應用中注意的幾個問題

僅有在一些特定的條件下，這些物探方法才會有用，其中主要包括以下3 個方面，第一個便是地質體、礦體和圍巖物性存在著差異性，且礦化體、地質體的規模是比較的大，埋藏的也比較的淺，最后它的地形條件也要好。下面我們從合理的選擇物探方法和物探資料的多解性、等效性這幾個方面進行進一步的研究。

第一步選擇一個合理物探方法是實驗開始的最為重要的一步，像是角巖有關的礦產、鐵磁性礦產（鐵礦）和基性巖、超基性巖有關的礦產，我們一般都是采用磁法對此進行勘探研究的，采用這種方法快速而經濟。如果是硫化體的礦體，一般是用電法，主要是激電可以探測到黃鐵礦化的破碎地帶，在我們勘探金礦的時候，可以間接性的為我們找到礦源。對于一些埋藏在比較深的礦源，我們就用直流電的方法，像沉積礦床，我們一般是采用重力法，而上文提到的地震法可以精確的勘探地質巖層的厚度和構造。

我們用儀器所獲取的數據資料是存在多解性和等效性的，下面我們就分成三個部分進行闡釋，在我們進行實驗的時候，像遇見矽卡巖和基性火山巖時，他們的磁性是比較強的，會對儀器產生干擾作用，而碳質巖和黃鐵礦化在進行激電的時候會有非礦異常的現象產生，除此之外，如果遇見地形是有強烈起伏和巖溶破碎帶的時候，就會影響電阻率的采集異常，這也會影響我們的勘探任務，所以在我們進行勘探的時候，一定的對地質結構進行相應的綜合考慮。當我們遇見有色金屬礦的時候，由于它一般都是埋藏在巖層比較深的地帶，而且有色金屬礦的礦層是比較的薄、品味也是較低的，這就會使得形成的物探是比較的弱的，因此我們就必須對有色金屬礦的物探方法的可行性和有效性進行綜合性的考慮，在我們進行找礦的工作的時候，應該使用多種方法對我們礦源進行勘探，對于各種干擾因素應盡可能的尋找到對應的解決方案，這樣努力的提高找礦的效果。

3 結語

經過近幾年的科研人員的不斷實踐，物探法已成為探礦中比較重要的一種方式，隨著現在經濟的快速發展，科技的不斷更新，大量的高端儀器也隨著出現，這為我們找礦提供了大量的便捷性，與此同時，物化探的領域也跟著擴大，由于現在人們對于礦產的需求量是比較大的，這就導致了對礦產資源的勘查力度隨著增大，物化探也就成為當今選礦的一種主要方式。