2025年大学《地球物理学》专业题库- 地表地形造成的地球物理异常解释与分析

2025年大学《地球物理学》专业题库——地表地形造成的地球物理异常解释与分析考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、简述地表高程差对区域重力场产生的主要影响机制，并解释自由空气改正和布格改正在处理这种影响时的基本原理。二、阐述水体（如湖泊、海洋）的存在如何影响磁法勘探的结果，并说明在进行磁异常解释时，如何区分由地下磁异常体引起的异常和水体表观磁效应引起的异常。三、论述地形起伏对大地电磁测深（MT）方法中视电阻率反演结果的影响，包括路径效应和屏蔽效应的具体表现及其对反演深度的可能修正。四、描述在山区进行地震反射勘探时，地形（如谷地、山脊）对地震波传播的主要影响方式，并说明进行地震资料处理时，进行地形校正的必要性和常用方法。五、分析地表风化作用和植被覆盖如何改变地表伽马能谱测量的结果，并简述在放射性勘探中，如何修正这些地表因素引入的误差。六、假设在一个广阔的平原地区，通过重力测量发现了一条延伸的、与地形等高线大致平行的重力低异常带。请解释这种现象可能由哪些地形因素引起，并讨论如何利用其他地球物理方法（如磁法、电法）的信息来帮助区分是地形效应还是地下存在低密度构造。七、解释为什么在进行区域重力异常分析以探测深部密度结构时，必须进行严格的地形校正，并简述布格重力异常与理论重力异常的主要区别及其在地形区的影响。八、结合电法勘探原理，说明陡峭的山坡或谷地对水平电测线上的电位测量会产生何种影响，并讨论在解释电法资料时，如何评估和可能的处理这种地形影响。试卷答案一、答案：地表高程差导致上覆岩石圈的质量分布不均匀，进而引起重力场的改变。高地区由于上覆物质质量大，产生重力高；低地区由于上覆物质质量小，产生重力低。自由空气改正考虑的是观测点与参考面之间高程差引起的重力变化，其值为`-γ*Δh`，直接与高程差成正比，简单反映了高程对重力的直接影响。布格改正则旨在消除上覆地壳物质对地下深部异常体观测重力的影响，它不仅考虑了高程差，还减去了从观测点到底部（通常假定为地下5-6km）的平均岩石密度引起的重力，其计算更为复杂，包含了高程改正、中间层改正和底部改正，更全面地分离了地形和地下结构对重力异常的贡献。解析思路：首先要理解重力场的成因与质量分布的关系。地表高程差直接导致上覆岩石圈的质量负荷变化，这是产生地形重力异常的根本原因。然后分别解释自由空气改正和布格改正的物理意义和计算原理。自由空气改正是最初步的校正，仅考虑高程变化引起的纯粹空气柱质量效应。布格改正则更进一步，试图通过引入一个假设的、从观测点到底部的均质层，来模拟并消除上覆地壳总质量（包括空气柱和岩石柱）对地下观测的影响，使其更接近只反映地下深部结构异常的重力场。点明两者都是校正地形效应的方法，但布格改正更全面、更常用。二、答案：水体（尤其是大面积水体）具有较低的磁化率（近似为零），当存在地磁场时，水体本身不产生显著的磁偶极矩，但其界面（水面）会对周围磁力线产生反射和折射，从而改变地表观测到的总磁场强度和方向。在磁异常解释中，水体引起的异常通常表现为在水体边缘或水下存在与水体形状相关的、强度相对较弱的磁异常，或者使邻近的地下磁异常形态发生畸变。区分方法是：水体引起的异常通常在水面以下一定范围内迅速减弱或消失，其形态与水体的几何形状密切相关；而地下磁异常体的异常场在向下延拓后通常不会立即消失，其形态和强度变化有其自身的地质原因。可以通过结合高精度航空磁测数据（能更好地反映近地表和水面效应）、水深数据以及地质资料进行综合分析来区分。解析思路：首先说明水体作为低磁化率介质对磁场的直接影响（自身不产生磁异常，但界面反射/折射磁场）。然后描述水体引起的地表磁异常的典型特征（边缘效应、形态畸变）。关键在于提出区分方法，即利用水体效应的时空变化特性（水下衰减）与地下异常体的稳定性进行对比，并结合其他辅助数据（高磁、水深、地质）进行综合判断。三、答案：地形起伏对大地电磁测深（MT）的影响主要体现在视电阻率的路径效应和屏蔽效应上。路径效应是指电流在地形不平坦表面流动时，实际流经的路径长度和地下结构并不一致，导致地表测点的视电阻率值不能准确反映其下方特定深度的地电结构。在谷底，电流可能沿着谷底低势区流动，路径比平坦地区短，导致视电阻率偏低；在山坡或山顶，电流可能需要爬升，路径变长，导致视电阻率偏高。屏蔽效应是指高电阻率地形单元（如山脊、高地）对下方低电阻率区域（如谷地、盆地）的电磁场产生屏蔽作用，使得从高电阻率区向低电阻率区的电磁波衰减增强，导致低电阻率区域对应的视电阻率异常偏高，或者高电阻率区域的视电阻率被低估。这些效应都使得地表视电阻率平面图难以直接反映真实的垂直电性剖面，必须进行地形校正（如有限差分/有限体积法模拟或解析方法）来估计和消除其影响。解析思路：解释MT视电阻率的概念及其与地下电性的关系。重点阐述路径效应（电流实际路径与假想垂直路径的差异）如何因地形导致视电阻率失真（山谷偏低，山岭偏高）。接着解释屏蔽效应（高阻体对低阻体的屏蔽作用），说明其如何导致电磁场衰减，进而影响视电阻率的观测值（低阻区被高估）。最后指出这些效应的后果（视电阻率平面图失真）以及需要采取的解决措施（地形校正）。四、答案：地形对地震波传播的主要影响包括：第一，折射和反射。当地震波从一种介质（如空气）进入另一种介质（如地面）时，在界面处会发生反射和折射，陡峭的地形（如悬崖、山坡）会产生复杂的反射和折射界面，使得接收到的波场能量复杂，波组记录难以识别，有效波能量可能减弱。第二，衰减。地形起伏会导致地震波传播路径弯曲、曲折，能量在传播过程中损失更快，尤其是在传播方向与地形坡度不一致时。第三，波散。地形的不规则性会使地震波发生散射，增加波的复杂度。第四，阴影区。陡峭的山峰或高地可能阻挡地震波的到达，形成接收不到地震波的阴影区。在地震资料处理中，地形校正至关重要，主要包括：①地形校正（TopographyCorrection），用于补偿地表起伏对共中心点（CSP）道集记录的影响，调整道集记录中各道的旅行时和振幅，使其更接近水平地表的情况。②速度分析，需要考虑地形对近地表速度结构的影响，进行近地表速度建模和拾取。③波场分离，如利用地形相关滤波技术去除面波等高频干扰。五、答案：地表风化作用会改变岩石的物理化学性质，导致放射性元素（如铀、钍、钾）的流失或富集，从而改变地表伽马能谱的测量结果。物理风化会将含放射性矿物破碎，使放射性元素更易被水流等带走，导致测量值降低。化学风化会溶解或改变放射性元素的存在形式，也可能导致测量值变化。植被覆盖，特别是密集的森林，会吸收伽马射线，同时植物自身也含有钾元素并具有一定的放射性，这会导致地表伽马能谱测量值显著降低，并可能引入钾含量信息。为了修正这些误差，通常需要进行地表参数测量（如植被覆盖度、土壤类型、表土密度等）和相应的校正计算。例如，使用经验公式或模型来估算植被吸收和土壤贡献的伽马射线吸收，从而对原始测量数据进行校正，以获得更接近地表下地质体放射性的真实信息。解析思路：解释放射性测量原理（伽马射线源于放射性衰变）。分别说明风化作用（物理和化学）对放射性元素在地表分布的影响，从而导致测量值变化。接着阐述植被覆盖对伽马射线的吸收效应，同样导致测量值降低。最后指出修正这些地表因素的影响是必要的，并简述常用的校正方法（测量地表参数、应用校正模型或公式）。六、答案：在广阔平原地区发现延伸的重力低异常带，可能由以下地形因素引起：第一，大型河谷或低地。河谷两侧及谷底通常物质较松散（如沉积物、风化壳），密度可能低于两侧的基岩或平原主体，形成区域性低密度带，导致重力低异常，其走向与河谷形态一致。第二，地形起伏较小的低缓坡地。即使高程不高，如果上覆基岩或土壤层特别薄或特别疏松，也可能形成低密度区。第三，大面积的第四纪覆盖物（如黄土、冲积物），如果其平均密度显著低于下伏基岩，也会引起区域性的重力低。为了区分是地形效应还是地下低密度构造，可以利用其他地球物理方法：①磁法：地下低密度构造通常伴生磁化率变化，而纯粹地形效应（除非有特定磁化率异常体）引起的磁异常通常较弱或与地形相关。②电法：地下低电阻率构造（如水体、软土）会显示为低电阻率异常，而地形效应（如高阻山脊对下方低阻区的屏蔽）在电法上可能表现为复杂的电阻率分布。通过联合反演或解释这些辅助数据，可以更可靠地判断异常的来源。解析思路：首先分析重力低异常的可能地形成因，联系地形与密度分布的关系（低洼处可能沉积疏松物质或覆盖层厚）。然后，针对题目中“平原地区”的特点，提出最可能的地形相关因素（河谷、低缓坡、第四纪覆盖）。最后，提出区分方法，即借助其他地球物理方法（磁法、电法）提供的信息（地下岩性、电性结构），通过与重力异常的结合解释，判断其主因是地形还是地下构造。七、答案：在进行区域重力异常分析以探测深部密度结构时，必须进行严格的地形校正，因为地表高程差本身就会引起重力异常，这种异常与地下真实的密度异常叠加在一起。如果不进行校正，地表起伏引起的“虚假”重力异常会掩盖或歪曲由地下密度不均匀性（如沉积盆地、密度异常体）引起的真实重力异常，使得我们无法正确识别和解释深部地质构造和物质分布。布格重力异常是经过地形校正（主要是自由空气改正和布格改正）后得到的重力异常，它消除了上覆地壳总质量（包括空气柱和岩石柱）的垂向梯度和球对称分布的影响，旨在更纯粹地反映地下深部（通常指地壳及以下）密度不均匀性引起的重力效应。因此，布格异常比理论重力异常（仅考虑空气柱和地壳球对称分布）更能有效地用于深部地质结构的探测。在地形复杂地区，地形校正的精度直接影响布格异常的质量，进而影响深部结构解释的可靠性。解析思路：阐述地形对重力测量的直接影响及其与地下真实异常的叠加问题。强调进行地形校正的必要性是为了分离出地下真实信息，避免地形干扰。区分布格重力异常与理论重力异常，说明布格异常是旨在消除上覆地壳总质量（含地形效应）影响后的重力异常，更适合深部探测。点明地形校正精度对深部结构解释的重要性。八、答案：陡峭的山坡或谷地对水平电测线上的电位测量会产生显著影响。在陡峭山坡上，由于电场线倾向于垂直于等位面，电流倾向于沿着山坡的倾斜方向流入或流出，导致山坡顶点或坡脚处的电位测量值与平坦地区相比发生畸变。具体表现为，山坡上的电位梯度可能更大，或者测点间的电位差与距离的关系偏离欧姆定律的简单线性关系。在谷底，电流可能汇集或分流，尤其是在谷底宽度较小时，谷底两侧的电位分布可能不对称，导致测线上的电位值呈现非对称形态，或者谷底的视电阻率值不能准确反映其下方的真实电性。在解释电法资料时，需要评估这种地形影响的大小。可以通过在山坡和谷底布设测线进行对比测