综合物探的地质应用
摘 要：单一的物探方法，往往仅仅了解目标体的某一种物理性差异，具有一定的局限性和多解性。因此，在地球物理中，采用综合物探方法，利用目标体的多种物理性差异，来综合判断，综合解释，有效地减少物探中的多解性问题，提高勘探准确性和精度。 通过对综合物探方法的应用，可以提高地质解释精度和成果分析质量，从而满足工程基础勘察的需要，为人类社会提供更大的效益。本文将从铝土矿勘查、工程基础勘探、煤矿灾害防治和寻找地热温泉四个方面来说明综合物探的地质应用和其优势，从而体现综合物探数据互相补充的优势。
关键词：综合物探；音频电磁法；直流电测深技术；浅层地震波勘探技术；地质雷达；切片技术
0 引 言
物探——地球物理勘探的简称。利用地质对象与周围介质间存在某种物性差异解决或查明有关地质和工程问题。而这种物性差异可影响被寻找地质体周围某种天然或人工物理场的分布特征。物探技术就是利用先进的物探仪器来摄取这些物理场的分布并与均质条件下的物理场相比较，找出差异的部分来研究与勘探对象之间的关系，达到解决地质问题或工程问题之目的。
虽然某一种物探方法的选用，避免了传统勘察方法（如地质钻探工作量大、投资多、周期长的缺点，但是，物探存在多解性，就单一一种物探方法而言，有其适应性和局限性。单一的物探方法存在着不足，此时就应该考虑综合物探的方法。根据不同物探方法对应的物理性质，有针对性地选取几种物探方法技术组合，互相映证、互相补充，这样既能够有效地提高物探成果的地质解释精度和成果分析质量，又满足工程基础勘察的需要。
这种勘探方法由于是参照多种、多方面的书籍和资料进行的一种推断和研究，对地球的诸多物理现象进行研究和勘测，是对地球地理现象一种反演的问题，但是由于每个勘测员参考的书籍和资料都是不同的，所以对勘探反演的结构也就是各种各样的，具有一定的多解性和复杂性。我国勘测员和探测专家通过对多种勘测技术的对比和研究，最终找到了一种可以解释大多数物理现象的一种勘探方法，就是我们现在成熟的综合物探法。
综合物探技术的成熟给各个方面的地质应用提供了便利。在铝土矿勘查、工程基础勘探、煤矿灾害防治和寻找地热温泉等方面都有重大进展。本文将从这四个方面谈一下综合物探技术在人类生活中的具体应用，并且将就物探三维方向发展的趋势作一个前瞻。
1 综合物探在铝土矿勘查中的应用
传统的铝土矿资源勘查往往采用单一的物探方式，包括磁法、激发极化法、重力法等。这种勘查物探方式在明显目标勘查时效果较好，但是对于特征不明显的对象，或者是对于一些区域性复杂地质来说，单一物探方式很难满足勘查的要求。铝土矿资源的物性差异不太明显，因此我们在勘查过程中一般采用综合物探方式。接下来让我们讨论一种将音频大地电磁法与直流电测探组合在一起的综合物探方法。
音频大地电磁法具有以下几项优势：①该物探技术采用天然场源，消除了过渡带效应以及近场效应的干扰；②物探设备简单、轻便，适用于各种地形；③观测频率较宽，范围为 0.1hz~100khz，适用于不同深度的地质矿产勘查；④采用矢量或张量测量，能够有效地反映其二维构造，并反映地质规律；⑤这种物探技术工作效率较高；⑥受通信条件影响较小；⑦在算电阻率时比较简单。
利用音频大地电磁法对构造垂直分布进行测量，选择若干个物理测量点，选择某型号测量仪器，测点的距离范围为 50~200 米之间，测线要横穿目标靶的覆盖区域。测量得到的原始数据需要进行一定的处理，处理过程主要包括数据解码、数据转换、平滑性编辑、极化模式识别、校正、谐波消除、反演计算、成图编辑等。使用音频大地电磁法能够获取 TE、TM 两个模式的数据，其中 TE 模式也被称为 TE 偏振，这是由于这种模式下电场的方向与地质构造方向一致，TM 模式下磁场方向与地质构造发展方向一致。因此，在反演计算过程中，对极化模式的选择直接关系到反演结果的准确性。有关文献资料显示，采用 TE 极化模式进行反演计算效果更佳。
下面是具体项目事例的反演结果：
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由上图可知，该反演计算结果能够将高低阻分界面清楚地表示出来，其中高阻界面对应的是灰岩地质，低阻界面对应的是砂泥岩地质。图中的红色虚线表示岩性分界面，深入大约 225米。根据已经探测的地质资料，可以推算出界面对应里程大约在 4.5~5.7 千米之间，反演结果反映的车盘向斜结构与当地实际的地质情况相一致。根据地质资料，可以推算出，铝土矿资源主要分布在砂泥岩与石灰岩的接触带中。
可是，利用音频大地电磁法实施物探勘查，无法分析出异常特征，这就需要利用直流电测深法进行异常特征划分。。利用直流电测深测量得到的数据，能够为音频大地电磁法测量数据的处理提供有力依据，包括剔出飞点、校正以及为反演提供必要的约束条件，提高反演计算的收敛速度。其中，最重要的是利用直流电测深法能够细分音频大地电磁法实施物探中的异常，从而有效辨别目标体异常。
直流电测深法的原理十分简单，电极对地供电，能够有效地反映出地下电阻率，具有较强的异常识别性能，在铝土矿矿产勘查工作中应用十分广泛。在音频大地电磁法物探基础上，沿着原来测线设置相应的直流电测深点，并选取典型的几个测点，绘制测点电阻率曲线。几条测深曲线能够清晰反映电阻率变化，从而能够推断出电阻率异常的原因，为铝土矿勘查提供有力依据。
当然，我们依然不能确定铝土矿资源就是造成电阻率变化异常的原因，还需要对钻孔资料进行详细的分析。钻孔料能够将地下岩层介质分布清晰地反映出来，利用这些钻孔资料，在组合物探过程中对反演资料进行更加精细化的解释。根据反演结果分析，对地质解释分界面进行相应的调整，保证地质介质分界面的划分合理，为铝土矿矿产资源勘查提供帮助，提高物探工作的精确性。
通过音频大地电磁法与直流电测深法相结合的综合物探法，分析了其在铝土矿资源勘查中的有效应用，证明了与单一的物探法相比，综合物探法对地质问题的反映更加准确，物探质量与效率都明显提升，应该大力推广，广泛应用
2 综合物探在工程基础勘探中的应用
接下来将以高密度电法、浅层地震反射波法和地质雷达这三种方法为组合，来讨论综合物探方法在工程基础勘探中的应用。
一、高密度电法勘探技术在工程基础勘探中的应用
高密度电阻率法的物理前提是地下介质间的导电性差异，和常规电阻率法一样，它通过A、B电极向地下供电，电流为Ｉ，然后在Ｍ、Ｎ极间测量电位差ΔＵ，从而求得该记录点的视电阻率ρｓ＝ＫΔＵ／Ｉ。高密度电阻率法可采用的五种装置有：
（１）温纳对称四极装置（见下页图１（ａ））。
（２）温纳偶极装置（见下页图１（ｂ））。
（３）温纳微分装置（见下页图１（ｃ））。
（４）温纳三极装置（见下页图１（ｄ））。
（５）温纳三极装置（见下页图１（ｅ））。
高密度电阻率法仍属于电阻率法的范畴，但其具有观测精度高、数据采集量大、地质信息丰富、生产效率高等特点。其广泛应用于地层划分、探测隐伏断层构造，岩溶空洞、采空区、地质滑坡体等工程勘察，但是高密度电法测线铺设受地形影响较大，要求接地条件较高，因此需要与浅层地震反射波法结合。
浅层地震勘探是工程地质勘查中的一种重要手段，其特有的高分辨率特性有利于确定地层界面、基岩起伏变化的形态和地层的弹性波速度。它利用人工方法（如爆炸、敲击等）产生振动（地震），研究振动在地下的传播规律，以查明地下地质情况的一种勘探方法。
浅层地震反射波法广泛用于基岩埋深勘探，地质基础调查、溶洞、采空区勘探等工程勘察，对于地层密度差异较大的地区效果明显，但是勘探深度受震源强度制约较大、对地形条件要求较高。因此我们结合了第三种勘探方法——地质雷达勘探方法。
探地雷达简称ＧＰＲ，是一种对地下的或物体内不可见的目标体或界面进行定位的电磁技术。探地雷达利用高频电磁波以宽频带脉冲形式，由地面通过天线定向送入地下，经存在电性差异的地下地层或目标体反射后返回地面，被另一天线所接收。电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度与波形的处理和分析，可确定地下界面或地质体的空间位置及地下介质的结构。其工作原理与数据采集如图２所示。
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地质雷达是工程勘察中的一项高科技方法，虽然其探测深度较浅（数米至数十米）。但波长为分米数量级，且可进行拖动天线式的连续剖面测量，因而有较高的垂直和水平分辨力，特别适合于浅层、极浅层的目的层勘探。它可与浅层地震反射波法在调查深度上形成组合，互为补充。
四、总结
高密度电法针对的是电阻率，地震方法对应是速度，地质雷达则是介电常数。三种探测手段的综合应用，综合分析解释，使物探成果相互佐证，取长补短，提高了物探资料解释精度。
在煤炭开采过程中,断层、陷落柱、含水层(体) 是不可忽视的灾害性地质异常体,它们破坏了煤层的连续性,严重降低了机械化采煤的效率,甚至可能引发透水、瓦斯突出等事故,给煤矿的安全生产带来威胁。随着煤矿采掘机械化,开采规模、开采强度和深度的加大,煤矿地质灾害问题越来越突出。调查资料表明 ,地球物理勘探可以查明煤矿矿井地质构造(断层、陷落柱等)、老采空区及含水层分布等,为矿井工作面布置、开采方式的选择和防、治水等提供依据,同时地球物理勘探的应用还可消除多种地质风险。
然而单一的地球物理方法往往在勘探对象、勘探深度、分辨能力与解决问题的全面性上存在某些弊端,而运用综合地球物理方法防治煤矿地质灾害与地质风险的优势明显,综合物探技术以其独具的信息量大、分辨率高、控制网密等优点,使得较准确地探测小规模断层、陷落柱、含水体等地质体成为可能。
煤层及其围岩：一般来说,主要煤层与顶底板地层的密度、速度、岩性上的差异较大(如下图、下表) ,能够产生良好的地震反射波。由于反射波能量强,在一定区域可连续追踪,因此可以通过沉淀反射波来了解地层起伏、断层发育情况。不同牌号的煤层显示的物性特征有所差异。常见的褐煤,电阻率一般在数十至200 Ψ·m 之间,随着变普质程度的加深,褐煤电阻率急剧上升,高碳化的褐煤的电阻率可达几千欧姆·米; 而对于高灰分的劣质煤,电阻率与灰质页岩、炭质泥岩相似。煤层在煤系地层中密度最小,它与围岩的密度差异可达 0. 7～ 1 . 5 g/cm3 ; 岩浆岩电阻率极高、密度也很大, 但当含有金属矿物或存在裂隙带、破碎带时,则电阻率显著降低,此外岩浆岩声速值很大,容易识别,破碎的岩浆岩声速减小。
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煤层中地质异常体：由于构造、陷落柱、岩浆岩、采空区等原因使煤层在空间上的连续性被打破,可根据采区三维地震资料,通过煤层反射波的中断、扭曲、振幅和频率特征等变化来识别煤层构造（如下图）。
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岩石孔隙、裂隙总是含水的,并且随着岩石的湿度或饱和度的增加,电阻率急剧下降。同时,水分含量相同的不同岩石的电阻率可能有很大差别,其原因在于水分有不同的矿化度。断层、陷落柱、采空区等地质体的电阻率取决于其本身的大小、破碎程度及其含水的饱和度。含水断层的电阻率远小于周围不含水围岩的电阻率,这也是运用电法来研究水文地质问题的物性依据。煤层采空区因岩体垮落破碎,电阻率值明显增大,而当采空区完全充水后,水体不仅充填了采空区,而且也充填了冒落裂隙带,因而在岩体破坏区, 其电阻率又明显降低。正常岩层中若裂隙发育,不含水时其电阻率增大,含水时其电阻率降低。据此, 通过探测地下岩层的电阻率及其变化,可以判定岩层的结构和含水状况。
陷落柱破坏了煤层的连续性,并经常诱发矿井水患发生,导致矿井生产安全事故。一般认为,煤田陷落柱形成与奥陶纪灰岩岩溶裂隙有关,由于岩溶裂隙的发育和扩大,周围地层受重力作用而塌落下沉,因此陷落柱内部充填物常常成分复杂且较松散, 正常的地层沉积层序被打乱,陷落柱与煤层的接触边界两侧存在着明显的密度、速度、电性、放射性等物性差异。
采区地震勘探：三维地震勘探是从三维空间(立体的)了解地下地质构造情况,提供剖面的、平面的、立体的地下地质构造图像,提高了对地下地质构造复杂多变地区地震勘探的精确度。三维地震勘探可完成如下煤矿采区勘探任务: 查出埋深 1 000 m 以内,落差大于3 ～ 5 m的断层; 查出主要煤层起伏大于 5 m 的褶曲、主要可采煤层底板深度, 解释误差小于1%～1. 5%; 查出直径大于20 m的主要煤层陷落柱; 解释主要可采煤层厚度变化; 预测主要可采煤层的分叉、合并带、冲刷缺失带; 查明主要可采煤层的地下露头位置; 划分奥陶纪灰岩岩溶裂隙发育带; 圈定主要可采煤层的自燃火烧区范围; 对岩浆岩影响可采煤层的范围、焦化带进行划分; 查明新生界厚度,对底部含、隔水层作出评价，等等。
可控源音频大地电磁法：可控源音频大地电磁( CSAMT)法是利用接地水平电偶源为信号源的一种频率域电磁测深法,它采用了大功率的人工场源,具有信号稳定、信噪比高、穿透能力强、探测深度大等特点。一般用公式: H=356ρs/f 来估计探测深度。该式表明,探测深度(H)与视电阻率(ρs)的平方根成正比,与频率( f)的平方根成反比,所以在频率一定的情况下,探测深度的大小取决于电阻率的大小。由于 CSAMT法采用人工场源激励,与天然场源相比增加了一系列的影响因素,如场源附加效应、近区效应、静态效应等,因此增加了异常解释的难度。
瞬变电磁法：也称时间域电磁法（Time domain electromagnetic methods），简称TEM，它是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间，利用线圈或接地电极观测二次涡流场的方法。简单地说，瞬变电磁法的基本原理就是电磁感应定律。衰减过程一般分为早、中和晚期。早期的电磁场相当于频率域中的高频成分，衰减快，趋肤深度小；而晚期成分则相当于频率域中的低频成分，衰减慢，趋肤深度大。通过测量断电后各个时间段的二次场随时间变化规律，可得到不同深度的地电特征。具有如下优一，由于施工效率高，纯二次场观测以及对低阻体敏感，使得它在当前的煤田水文地质勘探中成为首选方法；二，瞬变电磁法在高阻围岩中寻找低阻地质体是最灵敏的方法，且无地形影响；三，采用同点组合观测，与探测目标有最佳耦合，异常响应强，形态简单，分辨能力强；四，剖面测量和测深工作同时完成，提供更多有用信息。
三维电性数据体的形成和数据分析：通过对外业采集的在二维平面上或三维空间中的随机分布的数据进行网格化(线性插值、距离加权插值、径向基函数插值等) ,得到空间或平面网格数据,对三维电性数据体进行信息分析。
切片技术：利用切片技术揭示矿井开拓过程中迫切要求解决的小断层、陷落柱异常、小褶曲及相关精细构造与岩性问题。切片技术是全三维地震解释的主要方法之一,它基于“体”的解释概念,优越于传统的地震解释方法,为煤矿采区三维地震构造解释与岩性分析提供了强有力的手段。
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时间切片上的异常区域与构造特征
相干体与方差体技术：相干体与方差体技术是研究三维数据体中的不连续性特征及相邻道地震信号之间相似性的解释性处理技术，利用相干体与方差体技术,可通过新的数据体切片、层切片或透视图等手段,展示地下断层展布及断面的特征,实现断层等地质现象的全三维解释。
波阻抗反演技术：将地震资料结合声波测井资料反演成波阻抗剖面,得到既有较高垂向分辨率又有较好横向连续性的反演剖面,同时反演对地震资料进行高频和低频恢复,将地震有限频带扩展为宽带,进行以煤岩层为单元的地质解释,把界面性的地震资料转换成可与测井资料对比, 具有岩性特征的波阻抗资料（如下图），有助于煤层厚度预测,圈定采空区范围、火烧区等异常体边界。
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在多个地区运用综合物探技术探测煤层采空区、断层及其含水性, 可避免矿井地质灾害。
地热水能够用于采暖、洗浴、旅游，和农业养殖等，并且还是一种绿色环保能源，可循环利用，不产生环境污染，具有良好的社会和经济效益，能在一定程度上促进国民经济的发展，具有广泛的应用前景。因此，地热勘探在世界各地普遍受到越来越高的重视。而现在，随着地表已出露温泉的寻找已步入晚期，人们需要进一步向地下深部探索，这就使得探测方法需要进一步得到完善。目前，已有一些学者使用综合方法探测深部储热构造，并取得成功。
一、野外工作方法
在温泉区完成３条高密度测线（分别为１线、２线和３线）和４条氡气测线（分别为Ｉ线、ＩＩ线、ＩＩＩ线和ＩＶ线），探明地表电性分布。分别绘制联合剖面视电阻率剖面平面图和氡异常图，根据推断在异常区布置并完成了一条９００ｍ的ＥＨ４测线，该线中间部分与３线重合。高密度电法采用联合三级装置和对称四极装置，１线、２线点距为４ｍ，３线点距为５ｍ，剖面数为２５，滚动总数为３５，６０根电极。数据观测前，对每个电极的接地电阻进行测试，对接地不好的电极进行处理，确保接地良好。ＥＨ４剖面的点距为２０ｍ，测量频段为１０Ｈｚ～１００ｋＨｚ。氡气测量点距为１０ｍ，实际工作中对氡浓度较大的点均进行重复测量，以保证异常值的准确性。
二、数据处理
剔除高密度数据中的畸变值；由ＡＭＮ和ＭＮＢ装置的测深数据中提取每条线不同ＡＯ／ＯＢ的视电阻率数据绘制联合剖面曲线；加入地形数据，对三极测深装置和对称四极装置进行二维反演；绘制测区的视电阻率联合剖面图和平面剖面图。对ＥＨ４数据采用多种滤波方法进行滤波，消除随机干扰和固定频率的干扰。提高有效信号的信噪比，较好地保留了有用信息，对每个测点进行一维分析，剔除异常跳跃和误差棒较大的数据点。然后在ＩＭＡＧＥＭ软件进行二维分析选取合适的圆滑因子和比例尺，用软件成图，并导出经过反演的电阻率深度数据文件。用Surfer绘制带地形的ＥＨ４电阻率断面图。
三、分析方法
利用氡浓度异常的分布圈定出异常大体位置，然后根据其浓度及水文地质条件确定其地下热水确实存在，并使用高密度电法，较好地形成对地层剖面和测深双重成像，获得较为丰富的地电断面结构特征，也对氡浓度异常进行了检验，而ＥＨ４则形成对地层深部电阻率的成像，准确判定出了储水破碎带的深度。三种方法相互印证，利用其各自探测的特点，最后形成较为准确的解释结果。
由于各种物探方法的应用都依据一定的物理前提, 且地质、地球物理条件和边界特征对测试成果具有较大的影响, 使得这些方法技术存在着一定的条件性和局限性, 加之大中型重点工程大多具有比较复杂的地质和工程问题, 所以采用单一的物探方法一般难以查明或解决有关地质和工程问题, 此时应考虑综合物探进行施测。从而为人类社会产生了更大的效益。
然而，就某种物探技术方法的作用而言，应视其解决具体地质或工程问题的适宜性和效果进行评判，无论哪一种先进的物探技术方法，由于它们所测试的物性特征参数各异，往往也只是其它方法的补充和印证，而不是对常规物探方法的取代或覆盖。许多常规的物探方法，如联合剖面法、电测深法、地震折射法等，其作用和效果仍不可忽视。事实表明，采用综合物探技术和综合分析解释，使各方法成果相互佐证，取长补短才是提高物探资料解释精度和可靠性的正确途径。
值得一提的是，综合物探不仅仅是不同方法的综合，还包括同一种方法不同勘察方式的综合（如上例高密度电法的α、β的排列的组合）。但是，综合物探绝不是多种方法和手段的任意罗列，也不是投入的方法和手段越多越好，而应是最佳方法或手段的优化组合，使其达到技术可靠、经济合理。我们应该仔细抓住勘探要求（如目标层深度，勘探精度等），用不同的方法去反映不同的物性，从多个角度来验证结论的可靠性，从而得到所勘查目标信息。
