2025年大学《地球物理学》专业题库- 地球物理学在地下水资源开发中的应用

2025年大学《地球物理学》专业题库——地球物理学在地下水资源开发中的应用考试时间：______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在括号内）1.在利用电阻率法探测地下水时，若地下含水层电阻率显著低于周围介质，则在视电阻率剖面图上该含水层通常表现为（）。A.高值区B.低值区C.等值区D.无明显变化区2.地震勘探中，P波和S波在介质中传播速度主要取决于该介质的（）。A.密度B.电阻率C.含水饱和度D.岩石类型及物理力学性质3.电磁法探测地下水主要利用了地下介质对（）的响应。A.重力场的改变B.磁力场的改变C.电磁场的感应与传导D.地震波能量的衰减4.当利用电剖面法（如温纳法）进行浅层探测时，若电极距AB增大，则测得的视电阻率值通常会（）。A.不变B.减小C.增大D.先增大后减小5.在进行地下水勘查的地震资料解释时，识别和分析断层的主要目的是（）。A.确定地表地形起伏B.查明地下岩层的接触关系C.估算含水层的绝对孔隙度D.直接测量地下水位深度6.对于电阻率法而言，在含盐碱地区探测地下水通常比在新鲜水地区（）。A.更容易B.更困难，因为盐碱地层导电性增强，干扰增大C.效果相同D.效果取决于盐碱浓度和分布形式7.地下水赋存空间的形态和规模是影响地球物理方法探测效果的关键因素之一，以下哪种地球物理方法对于探测狭长、管状或近于管状的地下水通道（如溶洞、地下河）通常更具优势？（）A.时间域电磁法（TDEM）B.高密度电阻率法（CDM）C.探地雷达（GPR）D.中、深地震勘探8.在进行地下水勘查时，若需要快速获取区域地质结构和含水层宏观分布信息，通常优先考虑采用的方法是（）。A.探地雷达B.大面积高密度电阻率法C.单点电阻率测量D.浅层地震折射法9.地球物理测井资料在地下水勘查中主要用于（）。A.直接寻找地下水B.精确测定地下水位C.详细研究含水层及其上下围岩的物理性质变化，为其他方法解释提供约束D.估算地下水的运动速度10.将多种地球物理方法综合应用于同一地下水勘查项目中，其主要优势在于（）。A.显著降低勘查成本B.克服单一方法的局限性，提高勘查信息的丰富度和可靠性C.减少野外工作量D.使数据处理更加简单二、填空题（每空2分，共20分。请将答案填在横线上）1.地球物理方法探测地下水主要是基于地下不同介质在物理性质（如______、密度、磁性等）上的差异。2.在电阻率法中，为了减少接地电阻的影响，通常需要使用______进行测量。3.地震勘探中，通过分析反射波的______（如振幅、频率、相位）可以获取地下结构信息。4.电磁法中，感应电压的大小与地下介质的电导率、电磁场频率以及探测装置的______有关。5.解释地球物理资料时，必须考虑各种______，不能主观臆断。6.选择地球物理方法时，除了考虑探测目标外，还应充分评估现场的地形地貌、气候条件、______等因素。7.地下水是重要的______资源，其勘查开发对国民经济和人民生活至关重要。8.利用地球物理方法探测地下水，其直接目的是寻找具有良好______条件的含水层。9.地球物理数据解释的多解性是指对于同一套地球物理数据，可能存在多种______的地质模型。10.地下水位的动态变化可以通过______（如电阻率法、地震法）进行长期监测。三、简答题（每小题5分，共20分）1.简述电阻率法探测地下水的基本原理。2.简述选择地球物理方法勘查地下水时应考虑的主要因素。3.简述地震勘探在地下水勘查中可以解决哪些主要地质问题。4.简述地球物理方法在水源地保护中可能发挥的作用。四、计算题（共10分）假设某地区进行电阻率法探测，采用温纳装置，电极距AB=10m，MN=2m。在某个测点测得电压值为U=0.2V，电流值为I=10mA。请计算该测点的视电阻率ρs（结果保留两位小数）。五、综合应用题（共30分）某城市计划在一个山前冲积扇区域寻找新的地下水水源地。地质资料表明，该区域覆盖有厚度不等的第四系松散沉积物，下部可能存在基岩裂隙含水层。地形总体上由西北向东南倾斜。为了初步评价该区域的地下水赋存条件，需要开展地球物理勘查工作。请回答以下问题：1.针对该区域的地形和地质条件，你认为哪些地球物理方法比较适用？简要说明选择理由。（8分）2.如果选择采用高密度电阻率法进行探测，请简述其主要的工作流程和需要关注的关键环节。（10分）3.对高密度电阻率法获得的资料进行解释时，可能遇到哪些主要问题？如何提高解释的可靠性？（7分）4.除了地球物理方法，你认为在评价该水源地时还需要考虑哪些地质水文地质因素？（5分）试卷答案一、选择题1.B解析：电阻率法基于不同岩土介质电阻率的差异来探测地下水。含水层（尤其是孔隙水饱和的砂、砾石层）的导电性通常优于其上下的围岩（如粘土、基岩），因此电阻率显著偏低，在视电阻率剖面图上表现为低值区。2.D解析：地震波（P波和S波）的传播速度主要取决于介质的弹性参数（弹性模量、剪切模量）和密度。这些参数又与岩石的类型、结构、孔隙度、含水饱和度等物理力学性质密切相关。电阻率和磁性虽然也受介质性质影响，但不是决定波速的主要因素。3.C解析：电磁法利用变化的电磁场在地下介质中感应电流的原理。当电磁场通过不同电导率的介质时，感应电流的分布和强度会不同，通过测量接收到的二次电磁场，可以反演地下介质的电导率（或电阻率）分布，从而探测地下水。4.C解析：在温纳装置中，视电阻率ρs=2πρ0*(AB/π*ln(AB/AB-MN))。当电极距AB增大时，分母中的AB/AB部分趋近于1，但整个分母的值会增大，导致计算结果ρs增大。5.B解析：地下断层是岩层中断开的构造面，通常会导致两侧岩层在空间位置上发生错动。断层的存在会改变地下波的传播路径和能量，在地震资料上表现为反射波的同相轴中断、位移、弯曲或形成断层反射波。识别和分析断层对于理解地下水系统的运移路径和赋存空间至关重要。6.B解析：高盐碱地区土壤和地下水中盐分含量高，整体导电性非常好。这使得电阻率法测得的视电阻率值难以区分是高电阻率基岩/盖层中的低电阻率含水层，还是本身电阻率就低的盐碱地层或含盐地下水，导致信号干扰严重，探测效果变差。7.C解析：探地雷达（GPR）利用高频电磁波在介质中传播的原理，通过探测反射或衰减的电磁波来成像地下结构。其天线尺寸小，分辨率高，特别适合探测近地表的、形态狭长、尺寸相对较小的洞穴、管道、裂隙等地下通道。高密度电阻率法通常探测范围更大，分辨率相对较低；TDEM适合探测具有一定规模的、导电性较好的含水体；中深地震勘探探测深度大，但分辨率相对较低。8.D解析：浅层地震折射法通过激发和接收地震波，利用折射波走时与地下介质波速相关的原理，可以快速有效地探测地下的第一层基岩顶面深度和起伏，以及基岩以上的松散沉积层厚度和结构。这对于了解山前冲积扇的地质结构、圈定潜在的基岩裂隙含水层分布范围非常有效。9.C解析：地球物理测井是在钻孔中直接测量井旁岩土体物理参数的方法。它可以获取连续、高分辨率的参数曲线（如自然伽马、声波时差、电阻率、密度等），详细反映含水层及其上下围岩的物理性质变化。这些信息可以为电阻率、地震等间接探测方法的资料解释提供关键的约束条件，帮助验证和修正解释结果。10.B解析：单一地球物理方法往往受限于探测深度、分辨率、环境适应性或对特定地质条件的敏感性。综合应用多种方法，可以优势互补，例如电阻率法看“分布”，地震法看“结构”，测井法看“细节”。这样可以获取更全面、更丰富的地下信息，提高对地下水赋存环境、储量、流动状态等认识的准确性和可靠性。二、填空题1.电阻率解析：地球物理方法探测地下水的基础是利用地下不同含水介质与周围围岩在物理性质上的差异。电阻率是表征介质导电能力的一个关键物理性质。2.接地线（或辅助电极）解析：在电阻率法测量中，电流通过接地电极流入地下再从另一个接地电极流出。如果接地电阻过大，会影响通过地面的总电流，导致测量结果不准确。使用接地线（连接电极与供电电源）或辅助电极（如温纳法的第三电极）有助于降低接地电阻，确保测量电流的稳定和准确。3.特征解析：地震勘探的最终目的是获取地下结构信息。解释时，需要分析反射波或折射波在时间、空间上的变化规律，如振幅的强弱、频率的起伏、相位的变化、同相轴的连续性、断层的发育等这些“特征”，来推断地下地层界面的位置、产状、岩性变化、断层构造等。4.尺寸（或几何形状）解析：电磁法测量的是感应电动势。感应电动势的大小与地下介质的电导率（ρ）成正比，与电磁场频率（f）成正比，并且与探测装置（如线圈）的几何尺寸和形状密切相关。不同的装置（如单环、双环、偶极-偶极）具有不同的探测深度和灵敏度。5.不确定性因素（或前提条件/假设）解析：地球物理方法是通过测量地表的物理场来推断地下结构，这是一个间接的过程。地下介质性质、边界条件、测量装置、数据处理方法等都可能引入误差和不确定性。因此，解释必须基于一定的假设和前提，并认识到结果可能存在多种解释的可能性。6.经济条件解析：选择地球物理方法不仅要考虑探测目标（如含水层类型、埋深、规模）和地质条件，还必须考虑实际作业的环境，如地形是否平坦开阔、气候是否适宜、是否有强电磁干扰、当地的交通和后勤保障条件以及项目的经济预算等。7.生活解析：地下水资源是地球表面水资源的补充和储备，是维系人类生存、支持社会经济发展和生态环境平衡不可或缺的重要资源，尤其在干旱半干旱地区和城市供水方面具有不可替代的作用。8.孔隙性（或渗透性）解析：地下水勘查的根本目的是寻找能够储存和容纳水（即具有储水空间）并且水能够相对容易地流动和被开采利用的岩体。这通常要求含水层具有一定的孔隙度（储存空间）和渗透性（允许水流动的能力）。9.地质模型解析：地球物理数据是地下介质物理性质分布的间接反映。对于同一套地球物理数据，可能存在多个在物理上能够拟合该数据但地质含义不同的地下模型（结构、岩性、含水性等组合）。这种对于单一解释结果可能不唯一的现象称为多解性。10.地球物理方法（或物探方法）解析：地下水位是地下水资源动态变化的重要指标。通过电阻率法（水位变化可能导致含水层电阻率变化）或地震法（水位变化可能引起含水层顶板压力变化，进而影响波速）等地球物理方法，可以监测地下水位随时间的变化趋势，为地下水的可持续利用和管理提供依据。三、简答题1.电阻率法探测地下水的基本原理是利用地下不同岩土介质（如含水层和围岩）的电阻率存在差异。当向地下供入电流时，电流在不同介质中流动的难易程度不同。导电性好的介质（如饱水的砂砾石）电阻率低，电流容易流过，表现为低视电阻率；而导电性差的介质（如粘土、基岩）电阻率高，电流不易流过，表现为高视电阻率。通过在地表布置电极测量电压和电流，计算出地下的视电阻率，绘制视电阻率剖面图或平面图。根据视电阻率的高低异常，结合地质资料和经验，可以推断地下含水层的位置、范围、埋深和大致性质。2.选择地球物理方法勘查地下水时应考虑的主要因素包括：①探测目标：需要勘查的地下水类型（孔隙水、裂隙水、岩溶水）、赋存条件（浅层、深层、特定构造部位）、规模大小等。②地质条件：区域的地质构造、岩性分布、地层结构、地形地貌等。③环境条件：地形是否平坦、气候条件、有无强电磁干扰、交通可达性等。④方法自身特性：各种方法在探测深度、分辨率、探测范围、优缺点、成本效益、适用条件等方面的差异。⑤勘查目的：是初步普查、详细勘探还是监测评价。⑥前期工作：是否有钻探资料、地质填图等可供参考。3.地震勘探在地下水勘查中可以解决的主要地质问题包括：①探测地下岩层的分界面：如基岩顶面、不同地层的分界面，可以确定含水层或潜在含水层的顶底板位置和埋深。②划分沉积相带：识别砂、砾石等有潜力的含水层与粘土、泥岩等不透水层的分布范围和展布规律。③识别和分析断层：查明断层的性质、产状和活动性，评估其对地下水运移路径和含水层连续性的影响。④圈定构造圈闭：寻找可能储存地下水的背斜、断层封闭构造等有利构造部位。⑤研究古河道、古湖床等有利储水构造的分布。4.地球物理方法在水源地保护中可能发挥的作用包括：①确定地下水流向和补给排泄区：利用地球物理方法（如电阻率法、示踪法结合）探测地下水流系统，有助于识别潜在的污染源输入途径和污染羽的迁移方向，为制定保护措施提供依据。②圈定地下水脆弱区：识别那些易受地表污染影响的含水层，特别是那些上覆弱透水层较薄或无弱透水层的区域。③评估污染羽的分布和扩展范围：利用地球物理方法（如电阻率法、电磁法）探测污染介质（如盐碱水、污水）的侵入范围，监测污染的动态变化。④监测水源地工程设施（如围堤、导水墙）的完整性：利用地球物理方法探测地下结构，检查工程是否有效隔离了污染或保护了含水层。四、计算题ρs=2πρ0*(AB/π*ln(AB/AB-MN))ρs=2*π*1*(10/π*ln(10/(10-2)))ρs=2*(10/π*ln(10/8))ρs=20/π*ln(1.25)ρs≈20/3.14159*0.22314ρs≈6.366*0.22314ρs≈1.418Ω·m五、综合应用题1.针对该区域的地形和地质条件，比较适用地球物理方法有：①高密度电阻率法（CDM）：该方法设备相对简单，成本适中，不受地形限制大（尤其适用于剖面测量），探测深度适中（几米到几十米），分辨率尚可，非常适合探测山前冲积扇浅层含水层，圈定其分布范围。②时间域电磁法（TDEM）：该方法探测深度相对较大（几十米到上百米），尤其适合探测埋深稍大的含水层或探测下方基岩裂隙水，但设备较重，对地形有一定要求，且存在感应电压衰减快、资料解释较复杂等问题。③浅层地震勘探：如果需要了解更深部的基岩结构和界面，且区域地质构造相对简单，该方法也是可行的，但成本相对较高，且对地形起伏和覆盖层性质敏感。选择理由：高密度电阻率法在综合成本、探测深度、地形适应性、操作简便性等方面具有较好平衡，对于初步评价山前冲积扇浅层地下水潜力是比较理想的首选方法。若需要探测更深或规模更大的含水系统，可考虑结合TDEM或浅层地震。2.如果选择采用高密度电阻率法进行探测，其主要的工作流程和需要关注的关键环节如下：流程：a.前期准备：收集区域地质、水文地质资料，进行场地踏勘，选择合适的方法装置类型（如温纳、斯伦贝谢、偶极-偶极），设计探测方案（测线布置、电极距选择、测点密度等），准备仪器设备并进行检验。b.野外数据采集：根据设计方案进行布设和测量。确保电极接触良好，统一供电电流，准确测量电压，记录测量点坐标和相关的环境参数（如温度）。采用合适的装置组合（如温纳、斯伦贝谢）沿测线进行测量，获取二维或三维视电阻率数据。c.数据预处理：对原始数据进行检查、校正（如基线校正、电极接触电阻校正），进行必要的格式转换和整理，生成测线数据或数据体。d.资料解释：对预处理后的数据进行可视化（绘制视电阻率剖面图、平面等值线图等），结合地质背景和已知信息，进行定性解释（识别高、低阻异常区及其可能的地质意义），必要时进行定量解释或反演，估算含水层的埋深、厚度、范围等。关键环节：①测线布置：测线应尽可能垂直于地下水主要补给方向或平行于区域构造线，覆盖重点勘查区域。测点密度要适当，既能反映地下结构变化，又不过于密集增加工作量。②电极距选择：电极距是关键参数，影响探测深度和分辨率。应根据目标层位深度、覆盖层性质和仪器性能合理选择。通常需要采用多个不同的电极距进行测量（即电剖面法），以获得更丰富的信息。③仪器标定与操作：确保仪器工作稳定，定期进行标定，保证测量数据的准确性。野外操作要规范，保证电极接地良好，减少接触电阻影响。④数据质量控制：检查数据的一致性和合理性，剔除明显错误数据。关注环境因素（如日照、湿度）对测量可能产生的影响。⑤解释的地质约束：将地球物理解释结果与地质资料、钻探资料等相结合，进行综合分析，提高解释的可靠性。3.对高密度电阻率法获得的资料进行解释时，可能遇到的主要问题及提高解释可靠性的方法：主要问题：①多解性：单一物理场数据对应多个可能的地质模型。例如，高阻异常可能对应基岩，也可能对应充满盐水的断层或裂隙带，还可能是高盐渍化的土壤。②干扰：地形起伏、季节性积水、高导电矿物（如石墨、硫化物）、人工设施（管道、电缆）等都会对测量和解释造成干扰。③模型依赖性：反演解释结果往往依赖于所选择的初始模型和反演算法，可能存在偏差。④分辨率限制：视电阻率是加权平均的结果，对于局部异常或薄层状含水体的分辨率可能不足。提高解释可靠性的方法：a.多方法综合：结合使用不同物理原理的方法（如电阻率法、地震法、测井法）进行探测