2025年大学《地球物理学》专业题库- 地球物理勘探技术在脆弱地质环境评估中的应用

2025年大学《地球物理学》专业题库——地球物理勘探技术在脆弱地质环境评估中的应用考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、简述什么是脆弱地质环境，并列举至少三种利用地球物理方法进行评估的主要原因。二、比较地震勘探和电法勘探在探测浅层地质灾害（如滑坡、地面沉降）方面的主要区别，并说明各自适用于哪些不同的地质条件或探测目标。三、在脆弱地质环境评估中，探测地下水的存在、分布和运移特征具有重要意义。请简述至少三种地球物理方法可以用于这项工作，并分别说明其基本原理和探测环节。四、利用探地雷达（GPR）进行场地调查时，为了提高探测深度和分辨率，可以采取哪些技术手段？请至少列举三种。五、某地区存在地面沉降的风险，初步地质调查怀疑与地下采空区有关。请简述利用地球物理方法（如重力、电阻率法或探地雷达）探测地下采空区的可能原理、工作流程中的关键环节以及需要注意的问题。六、在解释地球物理勘探获取的数据时，定性解释和定量反演各自的作用是什么？请结合脆弱地质环境评估的一个具体实例，说明如何结合两者进行综合解释。七、环境岩土工程问题，如软土地基的稳定性、人工填土区的均匀性等，常常需要地球物理方法进行评估。请选择一种你认为最合适的地球物理方法，阐述其用于评估上述问题的具体原理、野外工作布置要点、数据处理和解释中需要关注的主要方面。八、假设你被要求为一个可能存在滑坡隐患的山坡进行地球物理勘探调查。请简述你将如何选择合适的地球物理方法组合，并说明选择这些方法的主要依据。在制定探测方案时，还需要考虑哪些非地球物理因素？试卷答案一、脆弱地质环境是指那些在自然因素或人为活动影响下，地质体结构不稳定、易发生变形或破坏，并可能引发地质灾害或造成严重环境问题的区域。利用地球物理方法进行评估的主要原因包括：1）地球物理方法能够非侵入性地探测地表以下的结构、性质和异常体，对于危险区域或难以进入的区域尤为重要；2）许多脆弱地质环境问题（如滑坡、地面沉降、地下水分布）与地下介质（如软弱夹层、孔隙水、空洞、不均匀体）的物理性质（密度、电导率、磁性、弹性波速度等）存在显著差异，地球物理方法可以基于这些差异进行探测和识别；3）地球物理方法能够提供大范围、连续的探测能力，有助于了解问题的空间分布特征和演化趋势，为风险评估和防治提供依据。二、地震勘探和电法勘探的主要区别在于：1）探测原理不同：地震勘探基于弹性波（声波或地震波）在介质中传播速度的差异，通过激发和接收波来探测地下结构；电法勘探基于岩石、土壤和水等地球介质导电性的差异，通过施加电场测量电位分布来探测地下结构。2）探测目标侧重不同：地震勘探更适合探测埋深较大、范围较广的地质结构界面（如基岩顶面、不同岩性的分界面、断裂带）和宏观的介质波速变化；电法勘探更适合探测浅层、小范围、电性差异明显的目标（如软弱夹层、裂隙带、富水区、地下空洞、污染物分布区）。3）适用地质条件不同：地震勘探对覆盖层性质、地形起伏相对敏感，在松散覆盖层和复杂地形下效果可能受影响；电法勘探的探测深度受限于探测目标与周围介质电性差异的大小，且易受季节、含水量变化等环境因素影响。各自适用的不同地质条件或探测目标：地震勘探适用于探测基岩深度、地壳结构、大型断裂带、大型滑坡体等；电法勘探适用于探测浅层地基处理、地下水勘探、小型地质灾害隐患点、环境污染调查等。三、可用于探测地下水存在、分布和运移特征的地球物理方法有：1）电阻率法：基本原理是利用不同含水程度和矿化度的介质具有不同导电性。通过测量大地电阻率，可以识别高导的富水区（如砂层、裂隙含水带）或低阻的污染羽分布区。探测环节包括选择装置形式（如温纳、斯伦贝谢、偶极-偶极）、布设测线、测量电位差、数据处理（如绘制等值线图、断面图）和定性/定量解释含水层的范围、富水性。2）探地雷达（GPR）：基本原理是利用高频电磁波在介质中传播的衰减和速度变化来探测地下结构。含水量较高的介质通常介电常数较大，会影响电磁波的传播速度和衰减。通过发射和接收电磁波，可以探测到地下空洞、含水通道、不同地层界面等。探测环节包括选择天线频率、布设测线、采集数据（时域或频域信号）、数据处理（如滤波、反演）、成像和解释。3）重力法：基本原理是利用地下密度异常体（如含水层密度通常低于周围的密实岩土体）引起局部重力场的变化来进行探测。通过精确测量重力异常，可以推断地下空洞、含水层的存在及其大致范围。探测环节包括布设重力测网、进行绝对重力测量和相对重力测量、进行数据校正（如纬度、高度、正常重力、地形、仪器drift等）、计算异常值、数据处理（如绘制异常图、反演）和解释。四、为了提高探地雷达（GPR）在脆弱地质环境评估中的探测深度和分辨率，可以采取以下技术手段：1）使用低频天线：较低频率的电磁波具有更强的穿透能力，能够探测更深的目标。但低频天线体积较大，数据采集速度较慢，分辨率也相对较低。2）改进天线设计：例如采用屏蔽天线或共中心点（CCP）天线，可以减少表面波的干扰，提高信号质量和成像效果，间接提升对浅层复杂反射体的分辨能力。3）优化数据采集参数：如适当增加道间距、使用更短的脉冲重复频率（PRF），可以在保证一定探测深度的前提下提高空间分辨率；采用合适的激发方式（如温纳、偶极-偶极）并合理选择极距。4）使用脉冲压缩技术：通过在发射端加入窗函数或匹配滤波，可以在保持较高峰值功率的同时展宽主脉冲，提高信号能量，从而增加探测深度。5）进行浅层介质补偿（ShallowLayerCompensation,SLC）：对于地表电性不均匀或存在低阻覆盖层的情况，SLC技术可以部分补偿浅层介质对信号传播的影响，提高对浅部目标的分辨率和成像质量。6）结合其他方法：例如在GPR探测前进行地面地质调查，确定地表介质情况，有助于优化GPR参数选择；或与电阻率法等联合使用，相互补充。五、利用地球物理方法（以电阻率法为例）探测地下采空区的可能原理、工作流程中的关键环节以及需要注意的问题：原理：地下采空区（如废弃矿井、矿洞）通常导致其上方及周围岩土体结构破坏、压实，或被松散的废石、积水等填充，这些填充物或破坏区的物理性质（如密度、导电性、弹性波速度）与周围的原生岩土体存在显著差异，从而引起电阻率（或密度、声波速度）的异常。电阻率法正是利用这种电性差异来探测采空区。工作流程关键环节：1）前期调查与资料收集：收集区域地质图、矿产分布资料、采空区历史记录（位置、规模、深度、填充情况等），了解场地地形地貌和覆盖层情况。2）方法选择与参数确定：根据采空区的预期规模、深度、位置以及周围介质条件，选择合适的电阻率装置形式（如温纳、斯伦贝谢、偶极-偶极或联合装置），确定测量精度要求，初步设计探测范围和测线布置。3）野外数据采集：在选定的测线上按照设计的装置形式和参数进行测量，确保仪器稳定，数据记录准确，注意人身安全。4）数据处理与解释：*数据预处理：进行数据检查、校正（如仪器漂移、地形校正），必要时进行滤波去噪。*绘制等值线图：将测量数据绘制成电阻率等值线图或断面图，直观展示电阻率的分布特征。*定性解释：根据采空区预期的电性响应（如低阻区表示含水或松散填充，高阻区表示破碎带或围岩），结合地质背景，初步判断异常区的位置和范围。*定量/半定量解释：可能利用数值模拟或经验公式，结合钻孔或物探反演等方法，对采空区的深度、大小进行估算。5）成果整理与报告：整理物探成果图件，撰写报告，明确采空区的位置、范围、大致深度，评估其对场地稳定性的影响，并提出建议。需要注意的问题：1）采空区填充情况：填充物的性质（水、废石、粘土等）对电阻率异常有显著影响，需要考虑。2）地形起伏：复杂地形会导致测量误差，需要进行必要的校正。3）高阻覆盖层：如果存在高阻盖层，采空区引起的低阻异常可能被掩盖或扭曲，需要选择合适的装置和参数，或考虑使用其他方法（如重力法）。4）地质构造干扰：附近存在的断层、裂隙等也可能引起电性异常，需要与采空区异常区分开。5）数据采集质量：野外数据的质量直接影响解释结果的可靠性，需要严格控制采集过程。六、在解释地球物理勘探获取的数据时：定性解释的作用主要是基于地球物理场的分布特征（如电位、磁场、波场等的空间变化模式），结合地质背景知识和物性推断，对地下结构、介质性质和异常体进行初步的、概念性的判断。它关注的是“是什么”（What）和“在哪里”（Where），例如识别异常区、划分地层界面、推测异常体的性质（高阻/低阻、高密/低密等）。定量反演的作用则是在定性解释的基础上，利用数学模型和算法，将观测到的地球物理数据转换为地下介质参数（如电阻率、密度、波速、孔隙度等）的空间分布图像。它关注的是“有多大”（Howmuch）和“有多精确”（Howaccurate），旨在提供更具体、更定量的地下结构信息。结合实例说明：例如，在进行脆弱地质环境中的地下水勘探时，通过电阻率法测量得到一条测线的视电阻率剖面。定性解释可能识别出一段低阻异常，推断该区域地下可能富水或存在裂隙。定量反演则可以尝试建立该低阻异常与地下含水层厚度、饱和度或导电率之间的定量关系，并绘制出含水层电阻率的横向分布图，为取水工程设计提供更精确的参数依据。综合定性解释和定量反演的结果，可以更全面、可靠地评估地下水的分布和赋存状况。七、选择电阻率法作为评估软土地基稳定性和人工填土区均匀性的方法。原理：电阻率法基于不同土体的导电性差异进行探测。软土通常具有高压缩性、低强度、低渗透性，电阻率相对较低；而密实砂土、碎石土电阻率较高。人工填土的成分复杂，其电阻率可能高于或低于原状土，取决于填料类型（如建筑垃圾可能高，淤泥可能低）。通过测量电阻率的变化，可以反映地基土的物理状态、密实程度和均匀性。野外工作布置要点：1）根据调查目的和场地条件，确定探测范围和测线布置，测线应能覆盖主要关注的区域。2）选择合适的装置形式。对于探测浅层均匀性，温纳装置或斯伦贝谢装置（四极装置）常用；对于探测不同土层界面或更复杂的结构，可考虑偶极-偶极或联合装置。装置间距（AB/MN）的选择需根据目标探测深度和分辨率确定，通常浅部探测间距较小。3）确保测量环境稳定，减少地表湿度、温度变化等干扰。必要时进行标准化测量。4）对于人工填土区，可能需要结合地质调查，了解填土的可能深度和范围，以便更有针对性地布设测线。5）注意安全操作，特别是在填土区或软土地基上作业时。数据处理和解释中需要关注的主要方面：1）数据预处理：检查和校正数据，如仪器系统误差、接地电阻变化等。对于大面积测量，可能需要进行地形校正。2）绘制等值线图/断面图：将视电阻率数据绘制成平面等值线图或剖面图，展示电阻率的横向和垂向分布特征。3）定性解释：结合地质资料，分析电阻率异常的形态、走向和分布规律。例如，在软土地基中，低阻区可能对应软土沉积区；在填土区，电阻率的突变或杂乱分布可能指示填土边界或成分不均匀。4）分层解释：如果存在多层不同电性土体，尝试利用垂向电测深或sounding数据确定各土层的电阻率和厚度。5）均匀性评价：通过分析电阻率场在平面的变化梯度，判断地基或填土区的均匀性。梯度大的区域可能代表不均匀或存在界面。6）与工程指标关联：研究电阻率与土体工程参数（如孔隙度、含水率、压缩模量、强度等）的经验关系，尝试将物探结果与工程性能联系起来，为地基处理方案的选择和评价提供参考。八、为一个可能存在滑坡隐患的山坡进行地球物理勘探调查：方法选择与组合：1）首选方法组合：探地雷达（GPR）+电阻率法（地面电法）。*GPR：用于快速、连续地探测浅层地壳的详细结构，识别潜在的滑动面、软弱夹层、浅层空洞、富水带等小范围、局部异常。尤其适用于地表覆盖较复杂或需要快速获取浅部信息的区域。*电阻率法（地面电法）：用于探测较大范围的电性异常，如区域性软弱带的分布、地下水位的深度和范围、大规模采空区（如果存在）等。装置形式可选择温纳或斯伦贝谢，根据探测深度要求选择合适的装置间距。2）备选或补充方法：*地震反射/折射法：如果需要探测更深部的结构界面（如基岩面、区域性断裂）或对场地进行整体稳定性评价，地震方法可以提供更广的覆盖范围和更大的探测深度，但分辨率相对较低。*重力法：对于探测埋深较大的密度异常体（如大型空腔、基岩起伏）可能有效，但通常需要大面积测量，且对浅部细节不敏感。*磁法/电磁法：如果滑坡体或其触发因素（如地下良导体的存在）与磁性或电性有特殊关系，可以考虑使用。选择依据：1）滑坡隐患的典型特征：滑坡通常涉及浅层（几米到几十米）的软弱结构面、松散堆积物、富水带等。GPR和电阻率法都是探测浅层地质结构和异常体的有效手段。2）探测深度与分辨率需求：GPR和电阻率法都能提供从浅层到一定深度的探测能力，且分辨率相对较高，适合识别滑坡的典型触发因素和滑动特征。3）场地条件：山区地形复杂，GPR的灵活性和对局部细节的探测能力优势明显。电阻率法也适用于山地，但布设相对规范。4）成本与效率：GPR数据采集相对快速，成本可能适中；电阻率法在大面积测量时效率较高，但布设和解释相对复杂。组合使用可以在保证覆盖范围的同时，获取详细的浅部信息。5）信息互补：GPR擅长细节探测，电阻率法擅长区域普查，两者结合可以提供更全面、更可靠的调查信息。选择方法组合后还需考虑的非地球物理因素：1）滑坡历史与现状调查：收集详细的滑坡历史记录、灾害范围、发生频率、近期变形迹象（如裂缝、错台）等信息，这是制定勘探方案和解释成果的基础。2）区域地质与水文地质资料：