第1章绪论
本章主要介绍应用地球物理学勘探方法及发展历程。重点介绍电磁勘探法中各个分支方法的基本原理、资料解释及常用的反演方法，以及电法资料解释法的基本原理。
1.1 应用地球物理学勘探方法及发展历程
地球物理学是应用物理学原理、方法及仪器研究和认识地球及其近地空间的一门应用性学科（刘光鼎，2017）。其研究范围包括地球的地壳、地幔、地核和大气层。地球物理学的分支众多，包括固体地球物理学、地震学、地磁学、气象学、应用地球物理学（也称勘探地球物理学，简称物探）等。
应用地球物理学是以岩石、矿石间物理性质（如导电性、导磁性、密度、地震波传播速度、放射性等）的差异为物质基础进行研究的学科。根据岩石等地质体的物理性质差异引起的地球物理场的变化来观测和研究地下的结构，从而实现环境监测、城市地下空间探测、寻找地下水及矿产分布、探明地质构造等。应用地球物理学勘探方法主要有如下6种。
1.1.1 重力勘探
重力勘探是以地壳中不同岩石间的密度差异为基础，通过观测与研究天然重力场的变化规律以查明地质构造和寻找矿产的一种应用地球物理学方法。从观测重力值中去掉与研究对象无关的各种因素，可以获得单纯由矿产或构造等密度不均匀体产生的重力异常，通过对重力异常的解释就有可能达到勘探矿产的目的。
重力勘探*早起源于20 世纪初以寻找储油构造为目的的扭秤测量。20 世纪30 年代，得益于精密、快速、轻便的地面重力仪的出现，扭秤测量被逐步取代，同时，重力勘探的应用领域也得到了大范围的拓展。20 世纪60 年代，海洋也成为重力勘探应用的场所，配合同时期发展的人造卫星资料的分析与研究，重力勘探在研究地下深部构造、区域地质构造、板块构造等领域发挥了重要的作用。20 世纪70 年代，制造技术不断提高，第一台观测精度达到微伽级的陆地重力仪诞生。高精度重力仪的出现，推动了微重力测量学的发展，被广泛地应用于水文、工程、环境等领域，为地下洞穴、破碎带、地热田的勘查与监测、地下坑道岩爆的监控与预报等提供了可能。井中重力测量是通过微伽级陆地重力仪改装后实现的，井中微伽级陆地重力仪主要用于地层密度的测定、老油井的重新开发、采油动态监控和探区岩层裂隙发育的调查。20 世纪50年代起，美国和苏联已经开始了航空重力测量相关仪器系统和工作方法的研究，全球定位系统与信号数字滤波系统的开发是航空重力测量开始应用的重要条件。自20 世纪70 年代起，航空重力测量逐步走向实际应用。重力勘探方法主要用于探查含油气远景区的地质构造、盐丘、圈定煤田盆地及深部构造和区域地质构造（张胜业和潘玉玲，2004）。
1.1.2 磁法勘探
组成地壳的岩石磁性不同，可以产生各不相同的磁场，使地球磁场在局部地区发生变化，形成磁异常。地球本身具有磁性，可以视为一个大磁体，在进行磁法勘探时，应对磁力的预测值进行校正，求出只与岩石矿物磁性有关的磁力异常。一般铁矿物中磁性矿物含量越高，磁性越强。磁法勘探就是以不同岩石间的磁性差异为基础，通过研究和分析天然磁场及人工磁场的变化规律以探查地质构造和寻找矿产的一种物探方法。
磁法勘探是地球物理勘探中*古老的方法，我国也是世界上*早发现并应用磁现象的国家。早在2000 多年前，古人就知道利用天然磁石的吸铁性和指极性。我国发明的指南针传入欧洲后，促使人类对地磁现象展开研究。1640 年，瑞典人开始使用罗盘寻找磁铁矿，开辟了利用磁场异常找矿的新途径。1840 年，高斯（Gauss ）对地磁场进行了详细的数学分析，奠定了地磁场论分析的基础。1870 年，瑞典学者泰朗（Thalen）和铁贝尔（Tiberg ）制成了万用磁力仪，成为地球物理学开始发展的重要标志。1915 年，施密特（Schmidt ）制成了刃口式垂直磁秤，使得磁法勘探的应用领域从寻找磁铁矿扩大到圈定磁性岩体、地质构造及盐丘的探测。1936 年苏联学者罗加乔夫成功试制了感应式航空磁力仪，大大提高了磁测速度和磁测范围，使磁法勘探工作进入了一个新的阶段。20 世纪50～60 年代，苏联、美国又相继把质子式旋进磁力仪装在船上，开展了海洋磁测。在海洋磁测和古地磁学研究的支持下，大陆漂移学说得以复活，海底扩张学说和板块学说得到了发展。
随着现代科学技术的发展，磁力仪从机械式磁力仪发展到质子旋进磁力仪、光泵磁力仪和超导磁力仪，探测的精度越来越高，可应用的场景越来越广。磁法勘探可以在人造卫星中进行遥感测量，也可以在空中、海洋、井中、地面进行不同分量、不同参量的磁测。
借助于电子计算机的广泛应用与新的数学方法和解释理论，大区域的数据处理和精细反演成为可能，磁法勘探这一传统的勘探方法又重新焕发了活力（张胜业和潘玉玲，2004）。
目前，磁法勘探主要用于各种比例尺的地质填图、研究区域地质构造、寻找磁铁矿、勘查含油气构造及煤田构造、寻找含磁性矿物的各种金属与非金属矿床等。磁法勘探与重力勘探有许多共同之处，都是利用位场，资料的解释方法也基本相同，这两种方法在评价远景地区时有很大价值（Dobrin，1953）。
1.1.3 地震勘探
地震勘探是指通过观测和分析由人工地震产生的地震波在地下的传播规律，推断地下岩层的性质和形态的应用地球物理学方法。地震勘探始于19 世纪中叶。1845 年，马利特（Mallet ）曾用人工激发的地震波来测量弹性波在地壳中的传播速度，这是地震勘探方法的萌芽。在第一次世界大战期间，交战双方都曾利用重炮后坐力产生的地震波来确定对方的炮位。反射波法地震勘探（简称反射波法）*早起源于1913 年前后费森登（Fessenden）的研究，但当时的技术未能达到可以实际应用的水平。1921 年，卡彻（Karcher ）将反射波法地震勘探投入实际应用，在美国俄克拉何马州首次记录到人工地震产生的清晰反射波。1930 年，通过反射波法地震勘探工作，在该地区发现了三个油田。此后，反射波法地震勘探进入了工业应用阶段。折射波法地震勘探（简称折射波法）始于20 世纪早期德国学者名特罗普（Mintrop）的研究。20 世纪20 年代，在墨西哥湾沿岸地区，利用折射波法发现了许多盐丘构造。20 世纪30 年代末，苏联的甘布尔采夫（Gamburtsev）等采用了反射波法地震勘探技术，对折射波法地震勘探进行了相应的改进。早期的折射波法地震勘探只能记录*先到达的折射波，改进后的折射波法地震勘探还可以记录后到的各个折射波，并可更细致地研究波形特征。20 世纪50～60 年代，反射波法地震勘探的光点照相记录被模拟磁带记录取代，从而可选用不同因素进行多次回放，提高了记录质量。20 世纪70 年代，模拟磁带记录被数字磁带记录取代，形成了以高速数字计算机为基础的数字记录技术、多次覆盖技术、地震数据处理技术相互结合的完整技术系统，大大提高了记录精度和解决地质问题的能力。也是从这一时期开始，根据地震时间剖面振幅异常来判定油气藏的“亮点”技术，以及根据地震反射波振幅与偏移距关系预测油气藏的振幅随偏移距变化（amplitude versus offset，AVO ）技术开始得到应用。
地震勘探是地球物理勘探中*重要、解决油气勘探问题*有效的一种方法。它是钻探前勘测石油与天然气资源的重要手段，效果尤为明显（顾功叙，1990）。在煤田和工程地质勘查、区域地质研究、地壳研究和寻找地下水等方面也得到广泛应用。
1.1.4 电法勘探
电法勘探是以不同岩石间的电性差异为基础，通过观测和研究天然电磁场及人工电磁场的空间和时间分布规律进行地质勘查及找矿的一种应用地球物理学方法。在电法勘探中，目前利用的岩、石的电学性质主要为导电性、导磁性、激发极化性、自然极化性、压电性和震电性等（李金铭，2005）。当地下地质构造或岩层与矿体之间的典型分布沿水平或垂直方向发生变化时，电场、电磁场空间分布也将发生相应的变化。通过对变化进行定性分析与定量解释，便可以推断出地下的地质构造或矿体的分布情况，完成地质勘探目标。
由于应用对象和自然条件不同，电法勘探常常采用不同的变种或分支方法。按照产生异常场的原因分类，可将所有电法勘探分为两大类，即传导类电法和感应类电法。传导类电法以各种直流电方法为主，如电阻率法、充电法、自然电场法和激发极化法等；感应类电法又可分为电磁剖面法和电磁测深法。按照场源性质分类，可将电法勘探分为主动源法和被动源法。主动源法指电（磁）场是人工建立的，可以人为控制场源的强度，包括电阻率测深法、激发极化法和电磁感应法等；被动源法则不能控制其场源，利用的是天然电（磁）场，包括自然电位法、大地电磁法等。电法勘探可在航空、陆地、海洋和地下等各种空间进行，因此有时也按照观测空间或工作场地不同而将电法勘探分为航空电法勘探、地面电法勘探、海洋电法勘探和地下电法勘探等。
电法勘探始于19 世纪。天然场源方面：1835 年英国学者福克斯（Fox）首先利用自然电场法发现了一个硫化矿床；20 世纪初大地电磁法（magnetotelluric method，MT）应用于矿产资源勘探；20 世纪50 年代，苏联学者吉洪诺夫（Tikhonov ）和法国学者卡尼亚（Caniard）根据地球的交变电磁场和麦克斯韦方程组，提出了一种可以探测地球深部电性结构的大地电磁法。人工场源方面：19 世纪末有学者提出了直流电阻率法，通过改变不同的极距可以达到剖面测量或测深的目的。1920 年法国学者斯伦贝谢（Schlumberger ）发现了激电效应，后经各国学者的深入研究于20 世纪50 年代形成了激发极化法。使用交变电磁场的电磁剖面法始于1917 年，并于1925 年首次获得找矿效果。20 世纪30 年代，有学者提出将瞬变电磁信号用于地质勘探的构想。1937 年苏联学者克拉耶夫（Kraev ）提出了瞬变电磁测深法，在20 世纪50 年代建立了瞬变电磁测深法解释理论与野外施工的技术方法，并在20 世纪60 年代成功发现了奥伦堡地轴上的大油田。大地电磁法场源存在随机性，且信号微弱时会导致观测困难，针对这一缺陷，1971 年斯特兰韦斯（Strangway ）和戈德斯坦（Goldstein）提出了一种改进方法——可控源声频大地电磁法，采用人工控制的场源，从而有效地解决了这一问题。20 世纪70 年代末期，有学者开始考虑使用阵列进行电阻率法探测，英国学者所设计的电测深偏置系统实际上就是高密度电法的*初模式。80 年代中期，日本计测株式会社曾借助电极转换板实现了野外高密度电阻率法的数据采集。1904 年德国学者侯斯美尔（Hulsmeyer ）首次将电磁波信号用于地下金属体的探测，由于地下介质情况的多样性和电磁波的强衰减性，这一方法发展缓慢。直到20 世纪50 年代后期，探地雷达技术才慢慢被重新重视，得以发展和广泛应用。苏联学者于20 世纪70～80 年代提出了压电法和震电法，这两种方法分别利用岩石的压电性和震电性。这两种方法目前仍在发展，在未来有望用于矿产资源勘查、剩余油气勘查及地质灾害预报。
电法勘探利用物性参数较多、应用范围较广、成本较低、工作效率较高。电法勘探可以应用于探查区域与深部地质构造、寻找油气田和煤田、勘探金属与非金属矿床及解决水文地质与工程地质中的一些问题。
1.1.5 放射性勘探
放射性勘探，是以自然界中某些具有天然核辐射特性的元素为基础，应用核探测技术观测及研究核辐射场分布规律来实现地质勘查目标的一种应用地球物理学方法。1895 年伦琴（R.ntgen）发现了X 射线。1896 年法国物理学家贝克勒尔（Becquerel）发现了放射性现象。1898 年居里（Curie ）夫妇发现了钋和镭。1899 年卢瑟福（Rutherford）发现了放射性元素钍与放射性辐射中的α射线和β射线，并通过磁场区分出α射线、β射线和γ射线。1900 年拉姆赛（Ramsay ）和格雷（Gray ）正式命名了氡元素。1931
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