2025年大学《地球物理学》专业题库- 地球物理勘探技术在城市管网检测中的应用

2025年大学《地球物理学》专业题库——地球物理勘探技术在城市管网检测中的应用考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每小题2分，共20分。请将正确选项字母填入括号内）1.在城市管网探测中，若需探测非金属管道（如塑料管、水泥管），电阻率法（特别是探地雷达GPR）的主要探测依据是（）。A.管道与周围介质间的电阻率显著差异B.管道自身产生的磁场C.管道中电流的感应效应D.地震波在管道上的反射2.探地雷达（GPR）在探测中遇到的主要干扰来源不包括（）。A.地下金属管线或结构B.高盐度地下水体C.垃圾填埋场D.均匀、致密的基岩3.电磁法（特别是感应法）用于探测地下金属管道时，其探测原理主要基于（）。A.管道自身电离产生信号B.交变磁场在管道中感应产生涡流，改变近场磁场C.管道与土壤的磁性差异D.声波在管道中的传播4.对于探测深度要求不大但需要精确定位埋地金属管道的情况，常选用的管线探测方法是（）。A.探地雷达（GPR）B.电阻率法C.电磁感应法（管线探测仪）D.浅层地震法5.地下介质电导率升高，通常会使电阻率法中的（）值变小。A.供电电压B.供电电流C.电压电位差D.电阻率6.在进行管线探测时，若发现电磁法信号在某个区域异常弱或消失，可能的原因是（）。A.该区域存在金属管线B.管线埋深过深C.管线在该处转弯或进入建筑物D.该区域土壤电导率极高7.地震波法在城市管网探测中，主要优势在于（）。A.能有效穿透金属管线探测其后方介质B.对非金属管线探测效果显著C.可用于探测浅层空洞和地陷风险D.定位精度非常高8.简单说明，为什么探地雷达（GPR）在干燥的沙土中探测效果通常比在饱和的粘土中好？（）A.沙土中电磁波衰减更小B.粘土中更容易产生感应电流干扰C.GPR天线在沙土中耦合更佳D.以上都是9.使用电阻率法测量时，采用“偶极-偶极”装置，当供电电极（AB）和测量电极（MN）间距不变，仅改变AB和MN的偶极距（A、M电极间距）时，测得的视电阻率曲线形状（）。A.基本不变，仅幅度变化B.形状发生显著改变C.呈对称性变化D.无法预测10.对比电阻率法和探地雷达法，下列说法正确的是（）。A.电阻率法成本高，但探测深度深B.探地雷达法对金属目标响应差，但抗干扰能力强C.两种方法原理相同，只是仪器不同D.电阻率法更适用于探测精细结构，探地雷达更适用于大面积快速普查二、填空题（每空2分，共20分。请将答案填入横线上）1.地下介质对电磁波的衰减程度与其电导率和__________有关。2.磁法探测地下金属管道主要是利用管道自身具有的__________。3.在城市环境进行物探探测时，建筑物、道路等通常构成主要的__________。4.进行探地雷达探测时，为了提高分辨率，应选择__________的天线。5.地震波法中，VSP（垂直地震剖面）是一种重要的采集方式，主要用于提高对__________层位反射波拾取的信噪比。6.解读物探数据时，需要根据已知钻孔资料建立__________，将物探时间/深度转换成实际深度。7.当管线探测仪的感应线圈靠近地下金属管道时，会在线圈内产生__________电流。8.电阻率法中，当供电电极间距（AB）远大于测量电极间距（MN）时，称为__________装置。9.城市管网探测中，除了探测管道位置、埋深，通常还需要判断管道的__________（材质、大小等）。10.综合运用多种地球物理方法进行管网探测，可以有效提高探测结果的__________。三、名词解释（每小题3分，共15分）1.视电阻率2.电磁感应3.探地雷达（GPR）4.综合解释5.时间-深度转换四、简答题（每小题5分，共20分）1.简述选择地球物理方法探测地下管线的考虑因素有哪些？2.简述探地雷达（GPR）探测的主要优缺点。3.简述在复杂城市环境中进行物探探测时，主要的干扰源有哪些？4.简述电阻率法中，电极装置（如温纳、斯伦贝谢、偶极-偶极）的基本区别。五、论述题（每小题10分，共20分）1.论述在探测地下金属管道时，电磁感应法与电阻率法（特别是使用电极法）相比，各自有哪些优势和局限性？2.结合实际，论述在进行城市地下管网综合探测时，如何有效地进行数据处理与综合解释，以提高探测的可靠性？六、计算题（每小题5分，共10分）1.某地电剖面测量，采用温纳装置，ABMN=10m。测得某一测点视电阻率ρs=100Ω·m。已知供电电压V=10V，求该点地下的实际电阻率（不考虑表皮效应和电极接触电阻影响）。2.探地雷达探测中，测得地下介质中某异常体的反射波旅行时t=50ns。已知电磁波在地中的传播速度v=0.8c（c为光速）。若电磁波在空气中的传播速度为光速c，求该异常体距离雷达天线的水平距离。七、解释题（每小题10分，共20分）1.某城市管网探测项目中，使用管线探测仪探测地下金属给水管。探测人员在建筑物附近布设探测线，发现管线信号在建筑物基础下方显著减弱，甚至难以探测。请分析可能的原因，并提出相应的探测措施。2.探地雷达（GPR）探测剖面图显示，在地下5米深度处存在一个明显的反射界面，反射波强度高，波形清晰。请结合城市地下常见情况，分析该反射界面可能是什么地质体或人工构造，并说明判断依据。试卷答案一、选择题1.A解析思路：电阻率法（包括GPR）的基础是利用探测目标与周围介质在电学性质（电阻率）上的差异进行探测。非金属管道与周围的土壤、混凝土等介质电阻率不同，这种差异是GPR探测的基础。2.D解析思路：GPR主要利用电磁波在地下传播和反射的原理。地下金属管线是强反射体，垃圾填埋场和不同介质界面都可能产生干扰信号。均匀、致密的基岩本身对电磁波影响主要是衰减和路径改变，而非主要干扰源。3.B解析思路：电磁感应法（特别是管线探测仪）是利用发射的交变磁场在靠近的地下金属管道中感应出涡流，这个涡流自身会产生一个二次磁场，改变原磁场分布，探测仪接收并定位这个变化。4.C解析思路：电磁感应法（管线探测仪）以探测金属管线为主，定位精度相对较高，成本适中，适合城市环境中的常规探测。GPR穿透性强但金属干扰大，电阻率法适用于特定条件，浅层地震成本高、操作复杂。5.D解析思路：电阻率与电导率互为倒数（ρ=1/σ）。地下介质电导率（σ）升高，意味着其导电性能变好，电阻率（ρ）必然随之变小。6.C解析思路：电磁法信号在金属管线附近最强，当管线转弯、进入建筑物或被其他金属物体屏蔽时，探测仪接收到的信号会显著减弱或消失。7.C解析思路：地震波法在探测浅层地质结构、空洞、地陷风险等方面有优势，尤其适用于探测非金属管线后面方的地质情况。它对金属管线的直接探测效果不如电磁法或电阻率法。8.A解析思路：电磁波在介质中传播时能量会衰减，介质的电导率越高，衰减越快。沙土通常相对干燥、疏松，电导率较低，有利于电磁波传播；而饱和粘土含有大量自由水，电导率较高，电磁波衰减更快。9.B解析思路：“偶极-偶极”装置中，视电阻率主要取决于AB/2（半偶极距）与λ/2（半个波长）的相对关系。当AB和MN间距不变（即半偶极距不变）时，视电阻率曲线的形状主要由地下介质性质决定，发生显著改变；曲线幅度随ABMN整体移动而变化，但形状是主要特征。10.D解析思路：电阻率法成本相对较低，但探测深度受限，易受金属干扰。探地雷达探测精细结构能力强，但受介质电导率和相对介电常数影响大，抗干扰能力相对较弱，成本较高。两种方法原理不同（电磁波vs电场）。两种方法各有优劣，适用于不同场景。二、填空题1.频率解析思路：电磁波衰减（趋肤效应）与电导率、频率、探测深度有关。频率越高，衰减越快，但分辨率越高。2.磁性（或剩磁/自身磁场）解析思路：磁法探测利用的是物体固有的磁性，如铁磁性管道产生的磁场。3.干扰（或屏蔽）解析思路：城市环境中的建筑物、道路、地下空洞等会阻挡或反射电磁波，改变地下信号场，构成探测的干扰源或屏蔽体。4.低频（或大）解析思路：探地雷达分辨率与天线尺寸和频率有关，频率越低（波长越长），分辨率越高。低频天线尺寸大，但探测深度也相应增加。5.深层（或基岩）解析思路：VSP是垂直地震剖面，通过在地面不同位置接收来自深部反射层的信号，目的是克服浅层干扰，提高对深层反射波（如基岩顶界面）的拾取精度和信噪比。6.地质模型（或概念模型）解析思路：物探数据是地下介质性质的综合响应，需要建立与实际地质情况相符的模型，才能将探测到的异常（时间/深度）转换成真实的地下结构（深度/位置）。7.涡流解析思路：根据电磁感应定律，变化的磁场会在邻近的导体（金属管道）中感应出闭合的电流，即涡流。8.三极（或温纳）解析思路：在电阻率法中，当供电电极AB的间距（AB）远小于测量电极MN的间距（MN），通常指ABMN=αMN，α为小于1的系数，这种装置称为三极装置，最典型的是温纳装置（α=1/2）。9.属性（或特征）解析思路：除了定位和埋深，管线探测通常还需要获取管道的材质、管径（大小）、埋设年代等工程属性信息。10.可靠性（或置信度）解析思路：单一方法的探测结果可能存在不确定性或干扰，综合运用多种方法（如电磁法+GPR）可以相互验证，排除干扰，提高对探测结果的信任度和准确性。三、名词解释1.视电阻率：指在特定装置和测量条件下，地球介质所表现出的、假想为均匀无限大介质时的电阻率值。它是一个综合反映地下电学性质分布的等效参数，而非地下真实介质电阻率。2.电磁感应：指变化的磁场在其周围空间（特别是导体内部）产生感应电动势和感应电流的现象。在管线探测中，指发射的交变磁场在地下金属管道中感应出涡流，涡流又产生二次磁场，被探测仪接收。3.探地雷达（GPR）：一种利用电磁波在地下传播和反射的原理，通过发射和接收电磁波脉冲，探测地下结构、界面和异常体的地球物理方法。它能够提供地下垂直剖面图像，常用于考古、工程探测和地质调查。4.综合解释：指在物探数据解释中，不仅分析单一方法的数据，而是将多种不同方法（如电阻率、GPR、磁法、电磁感应等）的数据进行对比、分析与综合，结合地质背景、钻孔资料等信息，共同推断地下结构和目标体的性质、位置和分布，以提高解释的可靠性和准确性。5.时间-深度转换：指将探地雷达（GPR）等方法记录的探测信号随时间的变化（时间域数据）转换成随深度变化（深度域数据）的过程。这需要知道电磁波或地震波在地下的传播速度（或称视速度），以及地表高程信息。四、简答题1.简述选择地球物理方法探测地下管线的考虑因素有哪些？解析思路：选择方法需综合考虑目标体性质、探测环境、探测目标、精度要求和经济成本等因素。*探测目标性质：是金属管还是非金属管？管径大小？材质？目标埋深？*探测环境：场地是否开阔？有无强电磁干扰？地下结构复杂程度？精度要求？*方法特性：各种方法的探测深度、分辨率、探测范围、优缺点、适用条件？*经济成本：设备投入、人力、时间成本？2.简述探地雷达（GPR）探测的主要优缺点。解析思路：GPR是常用方法，其优缺点相对突出。*优点：探测速度快、非侵入性好、可提供高分辨率地下剖面图像、设备相对便携、成本适中、对环境适应性强（相对）。*缺点：受介质电导率和相对介电常数影响大（高电导率介质衰减快，高介电常数介质影响传播速度和分辨率）、易受金属物体干扰、对非金属管探测效果差、探测深度有限、数据解释受地质模型影响大。3.简述在复杂城市环境中进行物探探测时，主要的干扰源有哪些？解析思路：复杂城市环境干扰源多，应列举主要几类。*人工建筑物、道路、地下空洞、桥梁等会阻挡、反射或散射探测信号。*地下管线（特别是金属管线）会产生强烈的信号干扰。*地下空洞、含水层、垃圾填埋场等会导致信号异常。*地表高程变化、植被覆盖、土壤不均匀性等也会影响信号。*附近强电磁场源（如高压线、电机、无线通讯基站）会对电磁法探测造成严重干扰。4.简述电阻率法中，电极装置（如温纳、斯伦贝谢、偶极-偶极）的基本区别。解析思路：电阻率法有不同电极装置，区别主要在于供电电极（A、B）和测量电极（M、N）的相对位置和间距关系。*温纳装置（三极装置）：ABMN=αMN，α<1，通常为1/2。装置紧凑，适用于探测较浅的、均匀性较好的地区或寻找较浅的异常体。*斯伦贝谢装置（四极装置）：AM=NB=ρsMN/KA，A、M、N、B四个电极间距相等，且通常远大于ρs/MN。适用于探测较深的目标，装置需要一定距离移动。*偶极-偶极装置：AB=MN=αλ，A、M、B、N分别为两个偶极的中心。通过改变整个装置的长度（AB+MN）进行探测。适用于测量介质电导率随深度的变化，分辨率较高。五、论述题1.论述在探测地下金属管道时，电磁感应法与电阻率法（特别是使用电极法）相比，各自有哪些优势和局限性？解析思路：需对比两种方法在探测金属管时的原理、效果、影响因素等。*电磁感应法（管线探测仪）优势：*探测金属管（特别是铁管）灵敏度高，原理直接。*设备相对便携，操作简单，适合快速普查和定位。*对小直径金属管也有一定探测能力。*不受管道埋深变化影响（在一定范围内）。*电磁感应法局限性：*易受附近其他金属物体（钢筋、地下铁、其他管线）严重干扰。*在高电导率土壤中信号衰减快，探测深度受限。*定位精度受环境电磁干扰和管线走向弯曲影响。*难以探测非金属管道。*对管线埋深过浅或过深效果均不佳。*电阻率法（电极法）优势：*可以同时探测金属管线（利用管道与周围介质电性差异形成电晕）和非金属管线（利用管道上方土壤电性变化）。*可以提供一定深度的电阻率剖面，了解浅层地质情况。*设备相对简单，成本可能更低。*电阻率法（电极法）局限性：*探测金属管时灵敏度相对较低，需要选择合适装置和参数，且易受金属干扰影响。*探测深度有限，受供电电压、电极距和土壤电导率影响大。*数据采集和解释相对复杂，对操作和解释人员要求较高。*速度较慢，效率较低。2.结合实际，论述在进行城市地下管网综合探测时，如何有效地进行数据处理与综合解释，以提高探测的可靠性？解析思路：综合探测的核心在于数据融合和相互验证，需阐述处理和解释的具体步骤和原则。*数据预处理：针对不同方法数据（如GPR图像、电阻率曲线、电磁法信号）进行必要的预处理，如基线校正、去噪、滤波、偏移等，提高数据质量。*数据可视化：将不同方法的数据进行统一坐标系下的可视化，如绘制在同一比例尺的平面图或剖面图上，便于直观对比。*信号关联：在空间上关联不同方法的数据点，寻找信号对应关系。例如，GPR的某个反射体是否与电磁法信号异常区域或电阻率曲线的突变点对应。*异常解释：分析不同方法探测到的异常特征，结合地质背景和已知信息，判断异常体性质（是管道、空洞还是其他地质体）、位置、埋深等。*优势互补：利用不同方法的优势进行解释。例如，用电磁法精确定位金属管，用GPR探测管道上方覆盖层或寻找非金属管。*互为验证：当不同方法对同一位置或区域给出相似结果时，提高解释的可信度；当结果矛盾时，需重点分析矛盾原因，可能存在某个方法失效或需要更详细的探测。*建立模型：结合多种数据，建立更完善的地下结构模型，进行反向模拟验证解释结果的合理性。*综合报告：最终形成综合探测报告，清晰展示各种方法数据、解释结果、相互验证过程，以及最终的地下管线分布图和属性信息，明确探测成果的可靠性与不确定性。六、计算题1.某地电剖面测量，采用温纳装置，ABMN=10m。测得某一测点视电阻率ρs=100Ω·m。已知供电电压V=10V，求该点地下的实际电阻率（不考虑表皮效应和电极接触电阻影响）。解析思路：温纳装置下，视电阻率ρs与测量电极间距MN有关。若设MN=ρs/KA，其中K为装置系数，A为电极常数。对于温纳装置，K=π/2。则MN=ρs/(π/2)A。但题目未给A或K的具体值，且未说明ρs是哪个MN下的值。通常此类题默认ρs是标准温纳装置MN=1m时的视电阻率。若题目意图是这个意思，则需知道A。假设题目意在考察基本公式，但未提供足够信息，无法直接计算。若题目背景或教学中有约定A=1，则MN=100/(π/2*1)=200/πm。但这与ABMN=10m矛盾。因此，根据题目给出的信息，无法直接计算实际电阻率ρ。此题可能存在问题或遗漏了必要参数。（注：标准温纳装置，MN=1m时，ρs=πρ/2ln(AB/MN)。若ABMN=10m，即AB=10m,MN=1m,则ρs=πρ/2ln(10/1)=πρ/2ln(10)。解得ρ=2ρs/(πln(10))。代入ρs=100Ω·m，ρ=2*100/(π*ln(10))≈50/2.302≈21.7Ω·m。此解法基于标准温纳MN=1m，且未考虑A的影响。）假设题目意图为标准温纳MN=1m，则ρ=2*100/π≈63.7Ω·m。若题目意在考察公式形式，则应给出A或K值。2.探地雷达探测中，测得地下介质中某异常体的反射波旅行时t=50ns。已知电磁波在地中的传播速度v=0.8c（c为光速）。求该异常体距离雷达天线的水平距离。解析思路：利用电磁波传播速度和旅行时计算距离。注意速度v是光速c的倍数，距离是水平距离。*光速c≈3×10^8m/s。*电磁波速度v=0.8c=0.8*3×10^8=2.4×10^8m/s。*旅行时t=50ns=50*10^-9s。*电磁波往返传播的总距离=v*t=2.4×10^8m/s*50*10^-9s=0.012m。*异常体距离雷达天线的水平距离=总距离/2=0.012m/2=0.006m=6mm。七、解释题1.某城市管网探测项目中，使用管线探测仪探测地下金属给水管。探测人员在建筑物基础下方布设探测线，发现管线信号在建筑物基础下方显著减弱，甚至难以探测。请分析可能的原因，并提出相应的探测措施。解析思路：分析信号减弱的原因，并提出应对方法。*可能原因：*建筑物基础材料的屏蔽：建筑物基础通常由混凝土、钢筋等构成。混凝土具有相对较低的电导率，但钢筋是良导体，会形成闭合环路，产生较强的二次磁场，对管线探测仪的探测信号产生强烈的干扰或屏蔽。*信号衰减：电磁信号在穿过建筑物基础到达地下管线时，可能因基础材料对信号的吸收或散射而衰减。*管线本身的影响：距离基础较近的管线，其周围磁场可能被基础产生的强磁场干扰而难以分辨。*探测参数不当：探测仪频率选择、供电电流等参数可能不适用于当前复杂环境。*探测措施：*改变探测位置：尽量将探测线布设在建筑物基础边缘或外侧区域，避开基础下方强干扰区域。*尝试不同频率：适当调整探测仪频率，尝试使用更高或更低的频率进行探测，看是否能改善信号接收。*使用长导线：延长探测仪发射和接收线圈的导线长度，有时可以增加信号穿