第1章绪言
1.1地下介质的地球物理调查
百余年前，为了实现利用地表探测手段来探查地球内部结构，地球物理方法应运而生。利用这些方法所测得的地球物理特性，如密度、地震波速度和电阻率（本书关注的重点）等，对构成地球的固体与流体理化特性变化高度敏感。驱动地球物理学方法不断发展的核心，正是利用对上述敏感特性的测量，实现在距近地表几千米深度范围内探查大型矿产和石油储藏。随着第二次世界大战的爆发，地球物理方法的应用领域不断扩展，如用于探测未爆炸弹药（unexploded ordnance，UXO）和滩涂地雷等。在矿产和石油勘探领域，利用该技术可探测出相比于研究区正常背景值的显著“异常”区域，从而有效指导钻探点位布设在目标区域，极大降低了钻探成本，并有效促进了地球物理学方法的发展。
在过去的半个世纪中，地球物理方法得到了快速发展，使得科学家们能够利用该方法对近地表（即地壳*浅部几百米范围内）进行深入探查。其中，该工作大部分研究内容属于“水文地球物理学”领域（Binley .，2015），旨在将地球物理技术应用于水资源开发和保护，而不是常规的石油和矿产勘探。此外，其他应用领域还包括工程学（如评估地下工程结构的完整性和性能）、考古学和司法鉴定等领域。其中，一些针对地球近地表电阻率测量技术可以提供反映地下介质特征的更多关键信息，后文会详细介绍。测量电阻率的地球物理技术分为两类：一类是依赖于与地面接触的电法（直流）技术，另一类是依赖于电磁（electromagnetic，EM）感应物理学技术。此外，还可以根据高频（以MHz为单位）电磁波传播时的衰减程度，以及使用探地雷达（ground-penetrating radar，GPR）法的电磁波来推断电阻率的变化情况（Jol，2008）。
电磁仪分为两大类：一种是使用主动源，另一种是利用被动源（如大地电磁法）。在近地表地球物理调查中，（局部）主动源方法受到大量关注。频率域电磁法主要用来快速刻画土壤电导率分布（McNeil，1980），而时间域电磁法则主要用于获取地球垂向电导率分布的一维模型（Kaufman et al.，2014）。与电法相比，电磁法的主要优点是能够进行非接触式测量，可以更容易获得电导率变化的空间信息。这种非接触测量特点推动了多种移动电磁测量方法的发展，其可以应用于陆地、水面或空中。由于电传导法在测量时需要与地下介质直接接触，限制了其获取数据的速度，但水上测量较特殊，可以通过拖曳式测量与水直接接触进行连续的电法测量（Day-Lewis et al.，2006）。针对农业领域开发的地上移动电法测量系统也已被证明其有效性（Gebbers et al.，2009）。目前，虽然也开发了一些基于电容耦合概念的陆地移动平台（Geometrics，2001），但极少应用于工程实践中。
尽管地球物理电传导法测量存在局限性，但由于其能够*直接地测量地下介质的低频电特性，使其应用仍相当广泛，并且与EM方法相比，其理论也相对简单。电传导法测量容易实现高分辨率图像表征和监测，可以应用于多个不同尺度。值得关注的是，本书深入探讨了激发极化（induced polarization，IP）法通过电传导测量所揭示的地下低频储电特性，虽然电磁数据也能包含激发极化效应的数据信息（Flis et al.，1989），但目前依靠电磁数据解译激发极化数据仍非常困难。
虽然第2章**部分所介绍的大量内容也与电磁测量的解译以及利用探地雷达（GPR）估算电磁波传播衰减的电阻率相关，但本书的关注重点仍是电传导方法。因为电传导法对地下介质和流体的性质和状态都较敏感，所以该方法仍然是目前使用*广泛的近地表地球物理方法之一，并广泛应用于环境和水文调查。虽然*初开发电传导方法的目的是为了勘探油气和矿物资源，但目前越来越多地应用于水资源评价，用于解决世界干旱地区的各种供水问题。在环境领域中的应用，主要出现在20世纪80年代的“绿色革命”中，包括刻画污染物羽和评估地下水污染修复技术。*近的全球问题，如粮食安全、能源安全、气候变化和海岸修复等，需要更多的近地表地球空间和时间（用于过程监测）信息，可以通过在多个尺度上绘制电阻率和激发极化图像以提供信息解决上述问题，第6章的案例研究就凸显了这一优势。
1.2电性的重要性
地球物理电法测量之所以广泛应用于探查地下结构，很大程度上是因为电性与众多研究领域关注的一系列物理化学性质密切相关。地下结构和组分对电阻率的影响在第2章中有详细讨论。值得注意的是，地下介质的电阻率随组分的体积含量（如孔隙率和含水量）、粒度分布、结构（如颗粒的排列及其连通性）、孔隙水成分、矿物组成以及温度的变化而变化，其变化幅度可达17个数量级。电阻率的影响因素众多，使其有着广泛的潜在应用领域。
然而，这也凸显了电阻率测量的“弱点”，即如果没有足够的信息支撑，很有可能对成像产生错误解释。一个典型的近地表应用实例是区分高矿化度地下水和细粒层（如黏土层），由于两者都会表现为相似的导电异常，如果没有进一步的参考信息，就无法区分两者。幸运的是，当使用相同或类似的仪器测量时，从激发极化（IP）测量中获得的额外信息可以减少这种不确定性。IP*初是应用于矿产勘探，因为它对较低含量的导电矿物非常敏感（Bleil，1953）。同时与电阻率测量相比，IP对岩石和土壤的组成结构也非常敏感，在不含电子导电矿物的情况下，IP对孔隙水的敏感性较低。因此，通过激发极化法测量的电性特征有助于减少电阻率测量的不确定性。例如，IP测量可以提供额外信息来帮助区分电阻率图像中黏土和高矿化度地下水的分布（Slater and Lesmes，2002a）。在矿产勘探领域中，IP法的理论概念已经广为人知，其信号主要受含铁矿物的体积含量控制（Pelton et al.，1978b；Wong，1979）。在激发极化法发展的早期就确立了不含电子导体的土壤和岩石中的激发极化效应基础理论体系（Marshall and Madden，1959），在过去的25年里又得到了进一步发展。
电法之所以广受欢迎，另一个重要原因是其测量技术能覆盖从厘米级到千米级的多个尺度。实验室尺度，将电极阵列与实验箱、蒸渗仪以及其他相关仪器整合在一起，从而实现对研究对象演化过程的电法成像。野外尺度，可以利用四极阵列在多种测量配置下进行简单的测量（如考古），也可以在测井中布设电极进行地层结构的垂直剖面测量，还可以依靠布设永久（或长期）电极阵列实现四维（三维+时间）成像。与其他近地表测量方法相比，电法仪器的成本相对较低，操作简单。实际上，可以根据其基本原理自制一个基础的电阻率仪，其成本远低于一部智能手机的费用（Florsch and Muhlach，2017）。除了这些优势之外，稳定可靠的电法数据反演工具也在持续优化改进。理解这些优势很重要，本书重点是推动电阻率和激发极化方法的发展，更好地服务于近地表探测工作。此外，也可以考虑使用放置在钻孔中的电极来探查两个钻孔之间的电性结构。在早期刻画含高导电结构的地下介质过程中，该方法可通过钻孔注入电流，从而绘制出所产生的表面电势分布图，该方法被称为充电法（mise-a-la-masse method）（Beasley and Ward，1986）。近年来，广泛应用的还有跨孔电法，相对于仅使用地表测量方法，跨孔电法能够获得更高分辨率的近地表电性结构信息（Ramirez et al.，1993）。该方法虽然有助于读者理解第2章中介绍的电阻率与岩石性质间的关系，由于其在与石油勘探相关的著作中已被广泛地介绍和探讨（Ellis and Singer，2008）。因此，本书未对跨孔电法做详细介绍，仅在第4章中对它进行了简要讨论。
尽管电法测量能从地下介质获取丰富的物理、化学信息，但必须清楚地认识地球物理探测的内在局限性。电法测量结果只是地下介质物理、化学属性的整体响应，具有一定的不确定性，其解译结果的可靠性在很大程度上取决于对地下概念模型的约束程度，以及电法测量与目标属性之间的关联程度。在传统电测井案例中，如果地下水的矿化度已知，通过阿奇（Archie）经验公式（2.2.4.1节）可以在高纯度（低黏土含量）的砂岩中准确地估算孔隙度。另外，一些从事环保行业的技术人员利用地球物理手段刻画污染场地和评价修复过程，如果仅根据电法测量获取的部分模糊信息可能会误导环境修复工作，如在概念模型不完善（污染场地往往复杂，地质和孔隙水化学成分不稳定）、重非水相液体（dense non-aqueous phase liquid，DNAPL）浓度与电阻率之间的关系也不完善的情况下，通过电阻率测量来估算地下水中DNAPL的浓度是不准确的。遗憾的是，这种由于地球物理方法的误用所导致的不良结果，会极大地影响地球物理方法的权威性和行业发展。
1.3电法的发展历史
1.3.1直流电阻率法
通常，在介绍电法的发展历史时，会先从石油和矿产勘探的视角出发，因为正是这些领域取得的经济效益促进了该方法的发展。Van Nostrand和Cook（1966）详细概述了20世纪60年代中期之前的电阻率方法的发展历程。关于电法勘探历史的其他综述性研究，详见Barton（1927）、Rust（1938）和Ward（1980）的工作。现代电阻率法的起源，普通认为是于20世纪初Conrad Schlumberger开展的石油和矿产勘探方面的研究（Schlumberger，1920），同时期英国和美国也开展了类似研究。
根据Van Nostrand和Cook（1966），英国科学家Stephen Gray和Granville Wheeler于1720年*次报道了地球（和其他）材料的电学性质。直到19世纪初，另一位英国科学家RobertFox强调了地电测量在矿物勘探中的潜在价值。Fox在地球物理机制方面做出了许多重要贡献，包括观察到两个电极之间会由于矿脉的存在而产生自然电流流动，这是当今所知的**份有关自然电位的文献。1830年，Fox记录了一些地下介质的电导性质（Van Nostrand and Cook，1966）。Carl Barus在1880年发明了不极化电极（Rust，1938），极大提高了该技术的可靠性。
整个20世纪上半叶电阻率法的主要进展如图1.1所示。双电极自然电位法是在19世纪后期为找矿而建立起来的。到19世纪末，新技术的迅速发展为现代电法奠定了基础。在20世纪初，来自美国的Fred Brown和Augustus McClatchey申请了使用双电极阵列探测矿物的方法专利（Brown，1900，1901；McClatchey，1901a，1901b）。近地表电阻率调查技术实际上是由美国农业部（United States Department of Agriculture，USDA）在19世纪后期为农业服务而发展起来的。Gardner（1897）介绍了如何使用土壤中两个电极之间的电阻（通过适当的校准）来推断土壤湿度。但由于盐度和土壤成分等其他因素的影响，限制了该方法的应用，*终在20世纪80年代被介电式传感器取代。
双电极测量受靠近电极的电阻（接地电阻）影响较大，在实际使用中受到了限制。19世纪末，英国企业家LeoDaft和Alfred Williams开发了一种地电勘探方法，该方法基于在两个电极之间驱动电流，并利用连接到电话听筒的两个电极绘制电位差（电话听筒用于早期仪器中，使技术人员能够清楚地听到并评估电位器的平衡）。1901年，Daft和Williams在英格兰成立了Electrical Ore-Finding有限公司（Vemon，2008），并于1906年申请“用于探测和定位地下矿产的改进设备”的专利（Daft and Williams，1906）。尽管这种方法在英国、加拿大和澳大利亚进行了示范应用，但收效甚微。到了1905年，他们的公司不得不申请破产保护
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