2025年大学《地球物理学》专业题库-地球物理学技术在城市地质环境监测中的应用

2025年大学《地球物理学》专业题库——地球物理学技术在城市地质环境监测中的应用考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、简答题（每题6分，共30分）1.简述重力勘探在探测城市地下空洞方面的基本原理及其主要局限性。2.电法勘探中的电阻率测深和电阻率剖面法在获取城市浅层地质结构信息方面有何区别？各自适用于哪些情况？3.探地雷达（GPR）技术利用什么物理原理工作？在城市地下管线探测中，如何区分金属管线和非金属管线（如水泥管、塑料管）？4.地震波在均匀介质中传播时，其波速主要受哪些地质参数影响？为什么利用地震波速度法可以评价地基的动力特性？5.简述利用地球物理方法进行城市地下水探测的基本思路，并列举至少两种常用的地球物理方法及其工作原理。二、综合应用题（每题10分，共40分）6.某城市拟在老城区建设一座大型地下综合体，但在规划阶段发现需要进行详细的地下空间探测。请简述利用地震勘探、探地雷达和电阻率成像这三种方法综合探测该区域地下管线、人防工程及基岩埋深的基本方案设计思路，并说明选择这三种方法的原因。7.某沿海城市近年来地面沉降问题日益严重。请简述如何利用重力测量和电阻率剖面法相结合的技术手段，监测该地区的地面沉降趋势及其与地下水位变化、深部地质结构的关系。8.在进行某工业园区污染场地调查时，需要确定污染物（假设为某种导电性较强的液体）在地下水的迁移路径。请说明利用时间域电磁法（TDEM）或频率域电磁法（FDEM）进行探测的原理，并解释如何通过分析电磁响应特征来推断污染羽的分布和迁移方向。9.城市地质环境监测中，常常需要将地球物理勘探获取的数据与其他来源的数据（如地质钻探数据、遥感影像、地理信息系统数据）进行综合分析。请阐述地球物理数据在综合分析中的作用，并举例说明如何通过数据融合提高城市地质环境监测的效果。三、分析讨论题（共30分）10.假设你是一名地球物理工程师，负责对一个正在经历快速城市化的区域进行地质环境监测项目。该项目的主要目标是监测地下水位变化对地面沉降的影响，并探测潜在的地质灾害隐患（如地下空洞）。请详细阐述你将如何选择合适的地球物理技术组合，设计监测方案，并解释如何通过地球物理数据的分析和解释来评估地面沉降的风险和识别地质灾害隐患点。在方案设计中，请考虑技术的可行性、成本效益以及监测的长期性要求。试卷答案一、简答题（每题6分，共30分）1.答案：重力勘探利用地下介质密度差异引起重力场变化来探测地质体。基本原理是测量重力加速度（g）的空间变化（重力异常Δg）。当地下存在密度比周围介质小的空洞时，会导致上覆岩层减薄，使得上空的重力值相对正常值偏高（正异常）。反之，密度更大的侵入体或矿体会导致正异常。局限性：对密度差异不大的异常体（如溶洞与围岩密度相近时）不敏感；易受地形起伏、地下水位、土壤松散程度等非构造因素干扰；数据解释受地质模型复杂性影响大，有时难以确定异常体的具体形态和产状。2.答案：电阻率测深是沿垂直于地形等高线方向，在不同点上测量地表电阻率，目的是探测地壳浅层（垂直方向）的电阻率结构变化，了解不同深度地层的电阻率差异。电阻率剖面法是沿一定距离的水平线（或按特定方向），在一系列连续点上测量地表电阻率，目的是探测沿剖面方向的水平地质结构变化或沿走向延伸的地质体（如断层带、地下水富集带）。测深侧重垂直分层，剖面法侧重水平展布。测深适用于了解垂直方向上不同层位的电阻率特征，剖面法适用于追踪沿地形或构造线方向的地质体或异常带。选择时需根据探测目标的空间尺度（深度、长度）和展布方向决定。3.答案：GPR利用高频电磁波（通常为100MHz-1000MHz）在介质中传播时，不同介质对电磁波的衰减和速度不同的原理工作。电磁波遇到介质的界面或不同电性特征的体（如管线）时会发生反射和折射。金属管线具有高电导率，对电磁波衰减小，反射信号强，且反射界面的位置和波形特征与其材质、埋深、周围介质有关。非金属管线（如水泥管、塑料管）的电导率较低，对电磁波的衰减相对较大，反射信号较弱或衰减更快，且波形特征可能与金属管线不同。通过分析反射信号的强度、到达时间、波形特征，可以识别管线的存在、大致埋深、材质（金属/非金属）以及周围介质情况。4.答案：地震波在均匀介质中传播时，其波速（P波速度VP、S波速度VS）主要受介质的弹性模量（杨氏模量、切变模量）和密度影响。对于固体，VP=√((λ+2μ)/ρ)，VS=√(μ/ρ)，其中λ、μ为拉梅参数，ρ为密度。弹性模量越大，密度越适中，波速越快。地基的动力特性主要指地基土层对地震波动的响应特性，如振动周期、放大效应等。不同土层具有不同的波速和密度，这些参数决定了地震波在该层及下伏层中的传播和放大效应。通过测量地面的震动反应（如使用地震仪记录的加速度时程），并结合地震波速度法测定土层的波速剖面，可以计算土层厚度、确定分层界面，评估地基的剪切波速度、场地卓越周期等动力学参数，从而评价地基的抗震性能和液化风险。5.答案：利用地球物理方法进行城市地下水探测的基本思路是：根据地下水与周围介质（如土壤、基岩）在物理性质（密度、磁化率、电导率、声波速度等）上的差异，选择能够敏感响应这些差异的地球物理方法，探测含水层的位置、范围、厚度、富水性以及水位变化等。常用的地球物理方法及其原理包括：①电阻率法（ERT/SP）：利用地下水（导电）与干燥土壤、基岩（低阻）的电阻率差异，通过测量地电阻率分布来圈定高电阻率区（可能指示隔水层或基岩）、低电阻率区（可能指示含水层或污染体）；②电磁法（TDEM/FDEM）：利用地下水流体（高电导率）与周围介质（低电导率）的导电率差异，通过测量电磁感应信号的变化来探测地下水体；③探地雷达（GPR）：利用不同介质对高频电磁波衰减和速度的不同，通过探测反射或衰减信号来识别地下空洞、管线、分层界面等，间接指示含水空间的存在。二、综合应用题（每题10分，共40分）6.答案：综合探测方案设计思路：首先进行区域地质背景调查和资料收集，了解区域地质构造、地层分布、已知主要管线类型和分布情况。然后，根据探测目标（管线、人防工程、基岩深度）和探测深度要求，初步选择地震勘探（探测深部结构和基岩深度）、探地雷达（探测浅层管线和人防工程）和电阻率成像（综合探测浅层结构、管线、含水层等）。具体实施时，可采用网格布点进行电阻率成像和GPR探测，覆盖主要探测区域；在关键区域或对深度要求较高时，布设地震测线进行加密探测。数据处理包括对各类数据进行必要的预处理（如基线校正、滤波等）和反演（如电阻率成像反演、地震层位解释和速度分析）。解释时，结合三种方法的结果进行综合解译，相互印证，绘制综合地质剖面图或平面图，标示出管线位置、人防工程范围、基岩顶面深度等信息。选择这三种方法的原因：地震勘探适合探测较深的目标和基岩界面；GPR穿透力相对较弱但分辨率高，适合探测浅层目标；电阻率成像能提供丰富的二维地质结构信息，对多种目标敏感。三者结合可以实现深浅兼顾、多目标探测，提高探测的全面性和可靠性。7.答案：利用重力测量和电阻率剖面法监测地面沉降趋势及其相关因素的基本方案：首先，在地面沉降敏感区布设一系列重力测点，进行初始重力基线测量。随后，定期（如每年或每几年）对同一测点进行重复观测，计算重力异常的变化量。重力异常的变化可能反映地下密度结构的变化，如深部含水层水位大幅下降导致上覆介质密度增加，可能引起微弱负异常；或基岩抬升/沉降也会引起重力变化。同时，布设电阻率剖面线，沿地形或构造线方向测量。利用电阻率剖面法探测地下水位的变化：地下水位升高时，饱和土壤和含水层的电阻率降低，导致剖面显示低阻带；水位下降时，非饱和土壤电阻率升高，剖面显示高阻带。此外，电阻率法也可用于探测与沉降相关的其他因素，如深部断裂活动引起的岩性变化（可能表现为高阻或低阻异常）、软土层分布（低阻异常）等。通过分析重力和电阻率数据的长期变化，结合地面沉降监测数据（如GPS、水准测量），可以综合评估地面沉降的速率、空间分布特征及其与地下水位变化、深部地质结构活动（如断裂）之间的关系，为城市沉降预警和防治提供依据。8.答案：时间域电磁法（TDEM）或频率域电磁法（FDEM）探测原理：利用不接地线发射线圈产生的时变或频变电磁场，在地下激发感应电流。当电磁波遇到电性不均匀体（如导电性较强的污染物羽）时，会在污染物边界和内部产生涡流，导致电磁场在空间分布上发生扰动。TDEM通过测量断电后接收线圈中感应信号的衰减快慢来探测地下电性结构。信号衰减快的地方对应高电导率体（如污染物羽），衰减慢的地方对应低电导率体。FDEM通过测量稳定交变电流下接收线圈与发射线圈之间的阻抗（包含电导率和磁化率信息）来直接探测地下电性结构。高电导率体会导致接收线圈信号增强或相位滞后。通过分析电磁响应特征推断污染羽分布和迁移方向：根据测得的电磁响应（TDEM的衰减率或FDEM的阻抗值）绘制电导率断面图或剖面图，高电导率异常区域即为污染物羽的可能分布范围。结合地表污染源分布、地下水流向等信息，可以推断污染羽的迁移路径。此外，电磁法还可以区分不同电导率的污染物羽，帮助评估污染程度。9.答案：地球物理数据在综合分析中的作用：地球物理数据能够提供关于地下介质物理性质（主要是电性、密度、磁性、波速等）的空间分布信息，以三维或二维形式展现地下结构、异常体（如管线、空洞、含水层、污染体、断层等）的埋深、范围、形态和边界。这种信息是地质钻探等采样方法难以全面获取的，可以补充采样点的不足，提供宏观的地下结构背景。通过地球物理数据的分析解释，可以建立地下三维地质模型，为其他数据提供空间参照框架。数据融合过程：将地球物理数据（如GPR剖面、ERT断面、重力异常图）与地质钻探数据（钻孔柱状图、取样分析结果）进行对比和整合，利用地球物理数据验证钻孔信息的连续性，或利用钻孔信息约束地球物理模型的解释；将地球物理数据与遥感影像（如地形、植被、红外影像，可反映地下异常加热）进行匹配分析，辅助识别地表异常与地下地质体的对应关系；将地球物理数据导入地理信息系统（GIS），结合行政区划、土地利用、交通网络等地理信息，进行空间分析和可视化，评估地下异常体对工程建设、环境安全的影响。通过数据融合，可以相互验证、补充不足、提高解释的可靠性和准确性，从而提升城市地质环境监测的整体效果和决策支持能力。三、分析讨论题（共30分）10.答案：监测方案设计：针对该区域地质环境监测项目，考虑到主要目标是监测地下水位变化对地面沉降的影响，并探测潜在的地质灾害隐患（地下空洞），建议采用以电阻率法（ERT/SP）和探地雷达（GPR）为主，辅以时间域电磁法（TDEM）和微重力测量的技术组合。选择理由：ERT/SP对地下水分布和水位变化敏感，能反映浅层地壳电性结构，是监测地面沉降与地下水关系的常用方法；GPR分辨率高，适合探测浅层管线、人防工程、小型空洞及地层界面，对早期微小沉降引起的地表形变也可能有所反映；TDEM穿透深度较大，适合探测中等深度范围内的地下水体、隐伏断层及较大空洞；微重力测量相对成本较低，对地下密度异常（如空洞、基岩顶面起伏）较敏感，可作为大范围普查手段。监测方案实施：首先进行区域地质调查和资料收集。然后，根据监测目标和重点区域，布设ERT测网和GPR测线，覆盖主要城区、工业区、地下空间密集区以及地面沉降重点区域。TDEM测量可在GPR和ERT探测效果不佳或需要探测更深目标时布设。微重力测量可沿主要道路或按网格布点进行。制定长期监测计划，定期（如每半年或一年）对选定测点或测线进行重复测量。数据处理包括数据预处理、基线校正、滤波、反演（ERT、GPR、TDEM）和异常提取（微重力）。解释分析：①结合ERT/SP数据，分析地下电阻率结构随时间的变化，识别低阻区（含水层）的范围和深度变化，计算电阻率变化率，评估地下水位动态及其与地面沉降的相关性。②结合GPR数据，探测浅层管线、人防工程状态，识别局部地面沉降或变形引起的微小地表形变特征。③结合TDEM数据