環境與工程地球物理技術研究及應用述評

方 熠，張 慧，朱 瑩，王曉明

(1.中國地質大學(武漢)期刊社，湖北 武漢 430074；2.中國地質大學(武漢)工程學院，湖北 武漢 430074)

環境與工程地球物理是生態安全環境科學與地球物理學融合發展起來的一門新興交叉學科,是為研究人類活動與地質環境之間的相互作用而發展運用的地球物理方法和技術,具有高分辨、高精度的特點。

我國環境與工程地球物理學科的研究和應用雖然起步比發達國家略晚,但近二十多年來發展迅速。早在20世紀80年代,我國地球物理科技工作者就積極介紹該學科在發達國家的發展與應用狀況,并在相關領域開展了該學科的引進與探索,在工程物理勘察等方面取得了早期成果且在學術期刊零星發表；20世紀80年代末，已陸續出版了多種環境與工程地球物理學科的大學教材,設有地球物理專業的高校都開設了相關課程，并有工程物探本專科畢業生走向社會工作崗位；中國地球物理學會下設了環境與工程地球物理專業委員會、工程地球物理專業委員會、近地表地球物理專業委員會，1997年我國即召開了環境與工程地球物理國際會議,2004年由中國地質大學王家映教授等發起并建立了“中國環境與工程地球物理國際會議”(ICEEG)機制,并分別于2004年、2006年、2008年在中國地質大學(武漢)主辦了第一、二、三屆會議,2018年6月在浙江大學召開了第八屆ICEEG會議。

縱觀中國環境與工程地球物理學科的發展歷程，走出了一條從無到有、由小到大、由弱到強的運行軌跡。為此，本文根據中國知網數據庫檢索，以某一地球物理學術期刊——《工程地球物理學報》近年來(2016、2017年)刊發的環境與工程地球物理理論與應用成果的論文為例，通過梳理與分析傳統地震方法、電法、電磁法以及新的地質雷達技術、核磁共振技術等地球物理方法和技術在環境與安全科學領域的應用，以期揭示環境與工程地球物理技術的發展現狀及其規律性問題。

1 地球物理技術在地質災害勘查中的應用

1. 1 滑坡地質災害調查

滑坡具有災害性、破壞性大的特點，為了規避風險、減小損失，查明滑坡體潛在的滑動面非常有必要[1-5]。許華麗等[6]采用高精度并行電阻率法對滑坡體進行了數值模擬與探查實踐應用，通過對現場滑坡的探查解釋，給出了滑坡滑動面深度等參數，并結合現場鉆探資料，發現并行電阻率法對滑坡體潛在滑動面的探查解釋結果可靠、效果良好，可為滑坡穩定性評價提供重要的參考依據。

高密度電法具有測點密度大、采集速度快、抗干擾性強的優點，已被廣泛應用于滑坡等地質災害治理和工程勘察中。利用該方法測量過程中，通過將橫向電剖面法與縱向電測深法相結合，形成陣列式勘探，可獲取豐富的地電信息。如何清立等[7]利用高密度電法對滑坡區域進行勘查，通過解譯地電成果圖獲得了滑坡體縱、橫向發育及展布情況，查明了滑坡體空間形態特征、滑動面埋深以及與滑坡發育相關的斷裂情況等，反映了該方法在滑坡地質災害治理中的實際應用效果，對后期工程鉆探起到了很好的指導作用。

在滑坡監測領域，滑面(帶)的識別是監測滑坡體滑動情況的重要手段。馬國凱等[8]運用核磁共振(SNMR)技術、高密度電阻率法、地震面波法等綜合物探技術監測滑坡體滑面(帶)，得到了滑面(帶)對應的識別特征，并結合三峽庫區白水河區域滑坡的監測試驗，取得了較好的監測效果。

基于滑坡的發生常與水的作用有密切的關系,并且滑坡中的電性參數分布和滑坡產生的電場異常都與穩定邊坡有明顯的不同,采用頻譜激電法研究滑坡存在良好的地質-地球物理前提。羅傳華等[9]對銅陵市某滑坡地段含水地層電阻率和電化學活動性要素進行了分析,并采用頻譜激電法對該滑坡地段滑動面進行了探測試驗研究，通過綜合該地區邊坡工程地質巖性特征和頻譜激電法提供的物性信息,初步推斷該滑坡體平均厚約25 m,滑動界面深度在30～40 m處,滑動面與巖體結構面之間的關系為順層滑坡關系,類型屬于疊瓦狀巖質滑坡,較好地完成了對該滑坡體的探查。

井地地震CT法以其不損壞目標體、工作量小而廣泛應用于工程勘察,且更多應用于巖溶溶洞探測中。劉黎等[10]首次將井地地震CT技術引入到巖畫山體探測中,總結歸納了相應觀測系統的設計原則,并闡述了資料處理的原理及流程,在實際應用中取得了良好的效果。

1. 2 其他地質災害勘查

分形與分維理論考慮了異常的空間形態、變化性以及地球物理場的各向異性和廣義的自相似性，可以分析地球物理場的空間展布，并通過壓制背景干擾來突出局部異常，且可以借助分維數表征空間不規則形體的復雜程度，揭示局部隨機性和整體確定性特征。近地表地質災害具有多期次和空間相關性，其所產生的地球物理場會呈現空間自相似性，滿足多重分形理論，因此可以利用分形與分維理論進行地球物理數據分析。王萌等[11]將C-A多重分形模型應用于放射性地裂縫勘探的數據分析，將分維方法應用于TEM煤田采空區勘探的數據分析，其效果明顯。

劉智等[12]將高密度電法應用于某黃土高填方工程勘察，并評價了該方法的應用效果。結果表明：高密度電法不僅可較準確地探測沖溝覆蓋層厚度、基巖面走向和趨勢，當地層電性差異較大時，也可探測出高陡挖方邊坡地層的分層情況。通過實踐應用，完善了高密度電法在高填方場地的應用思路和方法，同時得出高密度電法可廣泛應用于填方體中出現的落水洞、裂縫等不良地質現象的深度和范圍等要素調查的結論。

硇洲島是湛江市的一個近陸島嶼，地下水是島上居民生活和工農業生產的重要水源，由于長期不合理開采，已經出現海水入侵的問題，對硇洲島居民生活和生產造成了嚴重影響。鄭王瓊[13]在收集、整理與分析相關調查資料的基礎上，采用GMS軟件中的MODFLOW和MT3D模塊建立了硇洲島海水入侵數值模型，對硇洲島 2016—2020 年的海水入侵發展趨勢進行了預測。結果表明：硇洲島淺層含水層海水入侵范圍達到1 km ，中層含水層在硇洲島西部和北部沿海地區由于越流作用，局部出現了海水入侵現象。為了防止硇洲島海水入侵進一步惡化，建議優化控制淺層地下水開采量，調整中深層地下水開采方案，進一步完善地下水動態監測網，并采取有效措施防止海水入侵的發展。

1. 3 地震活動趨勢研究

韓曉飛等[14]研究認為：分析現今地震烈度時，通常會與同一個構造帶的同震級歷史地震烈度進行對比分析,用于指導地震救災救援；但這種對比分析的精度不夠,為了能夠實時、準確地模擬地震受災情況,可利用強震記錄獲得地震動衰減關系,并利用該衰減關系反演出已發生地震的烈度分布圖；盡管現今反演地震烈度廣泛應用于地震救災救援,但通過對1815年平陸6(3/4)級地震兩種地震烈度的對比研究以及震源地現今地震環境的分析發現,由于研究模型與實際地震波傳播介質差異大,使得地震烈度圈過于理想,會忽略掉地層層序的差異性；通過研究地震地質背景,判斷發震斷裂,可為未來地震活動趨勢預報分析打下基礎。

2 地球物理技術在巖溶勘查中的應用

2. 1 工程建設巖溶安全隱患勘查

碳酸鹽巖地區的巖溶塌陷是工程建設中必須重視的安全隱患[15]。彭超[16]為查明某高速公路工程巖溶塌陷區的范圍、發育形態和規模，聯合應用了地震映像法和高密度電法。應用結果表明：地震映像法和高密度電法反映的巖溶塌陷勘察結果具有較好的一致性；高密度電法能更全面地揭露巖溶發育形態，地震映像法能更精細地反映巖溶塌陷異常范圍，聯合采用兩種方法對巖溶塌陷進行勘察能取得更全面的研究成果。

電磁波 CT 技術是工程勘查中的一種常用方法，其成果清晰、直觀，能夠清楚地反映出地下不同地質體的空間分布。安徽某地進行道路拓寬改造，部分路基下伏基巖巖溶發育，前期進行了大量的鉆孔勘探，段春龍等[17]利用已有鉆孔，采用電磁波 CT 法對注漿前后的測區進行探測，并對探測結果進行處理與解釋，查明了注漿前測區內溶洞的大小、形狀和空間分布，同時根據注漿前、后電磁波CT數據的對比，說明注漿后視吸收系數整體低于注漿前，表明電磁波 CT法在巖溶勘查和注漿檢測方面的應用效果良好，是一種非常有效的物探手段。

鐵路路基、隧道基底隱伏巖溶的存在對列車的運行存在安全隱患，為了確保運營期間的行車安全，需要對鐵路路基、隧道基底隱伏巖溶進行排查。在探測現場施工干擾大、個別地段已經施做了整體道床、鋪軌的情況下，牟元存等[18]通過在野外數據采集期間增加觀測覆蓋次數，有效地提高了復雜干擾環境下的數據采集抗干擾能力；同時采用多偏移距地震映像法抽道處理提取了不同偏移距的地震映像剖面資料，并在地震映像法探測發現異常的段落還同步提取了對應位置的面波信息；最后通過不同偏移距的地震映像資料與面波資料圖像特征的對比分析，取得了較好的鐵路路基隱伏巖溶探測效果，為該鐵路的順利開通運營奠定了基礎。

碳酸鹽巖地區巖溶發育情況直接影響工程建設。為了查明巖溶地區的巖溶發育情況，指導工程設計及施工，陳清[19]在某客運專線特大橋巖溶探測勘察設計階段利用高密度電法、跨孔地震及電磁波層析成像方法進行巖溶探測，并結合各自的原理和特點，在普查階段布置高密度電法，在詳勘階段利用跨孔層析成像技術進行精細探測，最終在巖溶探測中取得了良好的應用效果。結果表明：高密度電法可對工程建設區巖溶發育情況做出整體的評價，但是探測精度有限；而跨孔層析成像技術可對鉆孔間的巖溶發育強弱程度和空間分布情況做出更為精細的分析。

巖溶塌陷是建筑場地中頻繁遇到的一種典型的地質災害，它給工程建設安全帶來了極大的安全隱患。徐洪苗等[20]指出查明建筑場地地基巖溶分布及發育情況受場地條件限制，常規物探方法基本不能開展工作，可考慮根據巖溶與圍巖的電性差異特征，采用瞬變電磁法(TEM)對建筑場地巖溶發育區進行探測。實踐證明：瞬變電磁法的應用對查明建筑場地內溶洞的分布范圍、規模大小和埋深具有良好的效果。

為了驗證高密度電阻率法、地震映像法在巖溶勘查中的應用效果，對比兩種方法在巖溶等不良地質現象勘探中的應用，并分析和總結巖溶視電阻率斷面異常特征及地震映像圖像特征具有重要的意義，陳立波等[21]以桂林冶金廠巖溶勘察為實例，通過綜合利用兩種物探方法對原始資料進行精細分析、整理和反演解釋，并結合實測地質剖面，得到了一些有意義的研究成果：圈定了場地內巖溶的不良地質現象；場地巖溶較發育，發育深度在 10～30 m之間，為充填溶蝕裂隙，局部存在溶洞。該研究成果為新廠區的勘察、設計和施工提供了科學的基礎地質資料。

胡俊杰[22]采用高密度電法，利用陣列布極,同時完成了縱、橫雙向二維勘探過程,廣泛應用于巖溶地區工程勘察中,通過工程實例證明了高密度電法在解決巖溶地區橋梁基礎勘察中具有分辨率高、數據量豐富、成本低等優勢。

陳松等[23]指出在巖溶地區勘查中較常用的物探方法有充電法和高密度電法,并通過實例說明聯合應用充電法和高密度電法可以確定地下巖溶連通管道的位置和流通方向,且應用高密度電法在典型巖溶區勘查中能給出第四系厚度、地層分層、巖溶發育情況、巖溶底部埋深深度等,并通過鉆孔驗證了該探測結果的準確性。實踐證明：充電法和高密度電法均具有較簡單的觀測方式、較高的工作效率和較直觀的解譯結果,值得在巖溶勘查中廣泛推廣應用。

2. 2 水壩巖溶安全隱患探查

為查明某庫區壩體巖溶空洞走向，鄭燕青等[24]采用高密度電阻率法對其進行了探測，野外數據采集運用合理的觀測方式，并結合已知地質資料及現場踏勘記錄，推斷出壩區地下巖溶空洞大致的走向，為后續鉆探提供了有效依據與建議。結果表明：高密度電阻率法具有快速、有效、準確的特點，是地下巖溶空洞探測的有效方法之一。

為查清云南某水庫地下巖溶的分布情況，何國全[25]采用高密度電阻率法對其進行了探測，充分利用該方法點距小、數據采集密度大、可直觀形象地反映斷面巖溶形態的特點，最終查明了該測區巖溶的位置及其分布情況。經鉆探驗證，物探推測結果正確，取得了良好的應用效果。

2. 3 巖溶地質災害探查

電阻率法勘探技術具有信息量大、對探測對象無損害,且成果直觀、準確、高效等優點，被廣泛地應用于巖溶地質災害勘查中。劉占興等[26]研究認為，電阻率測深法的探測深度相對較大，在探測深度較大的巖溶方面具有較大的優勢，并以三河市巖溶地面塌陷為研究對象，采用電阻率測深法對地面塌陷區周邊巖溶發育情況進行了勘查，利用2RES2DINV軟件對勘查數據進行反演，并對反演成果做三維分析，最終對勘查區巖溶強發育區進行了劃分。結果表明：在地面塌陷區周邊還存在兩個巖溶發育危險區，且位于150 m深度左右，其中一個位于村莊內部，這為及時制定風險預防措施提供了依據。

2. 4 大型溶洞探查

朱紫祥等[27]采用高密度電法對巖溶發育區大型溶洞進行了探測，根據已知溶洞上方布置的試驗剖面探測結果得知，溶洞未被填充，為高阻異常反映；通過對二維反演模型的異常特征分析，推斷了勘查區溶洞的分布范圍、地質走向、大小和埋深，為后期大型溶洞開發及合理利用提供了重要參考依據及指導性意見。

2. 5 巖溶地下水勘查

貴州省是典型的喀斯特巖溶地區，缺水問題嚴重制約了該省的經濟發展。為了解決缺水問題，貴州省 2013—2015 年每年水井施工超過1 000口，為了提高成井率、節約成本，使用物探方法進行地表勘查顯得尤為重要。劉永鋒等[28]介紹了超高密度電法和 EH-4 大地電磁法在解決農村飲用水和工業用水方面的應用實例，并總結了兩種物探方法在遇到巖溶水和裂隙水時等值線的形態特征(巖溶水表現為串珠狀、橢圓狀圈閉形態，裂隙水呈“ V ”字形中-低阻形狀)，最后結合兩種物探方法的原理和實例歸納出兩種方法的優缺點和適用范圍，以指導找水工作，獲得了較好的勘查效果。

3 地球物理技術在工程安全檢測方面的應用

3. 1 海洋工程安全檢測

在復雜的海洋環境中，海底管道局部懸空和周圍土層的沖刷是影響管道安全的重要因素。肖志廣等[29]針對某海域海底輸油管道的安全狀態問題，利用側掃聲吶探測技術對管道在役狀態及管道區海底地形、地貌特征開展了調查工作，并結合管道區水動力條件和海底沉積物工程性質，分析了未沖刷海底、局部沖刷海底、塌陷凹坑和管道局部裸露懸空時的側掃聲吶圖像特征。結果表明：聲波強度對各種異常海底都有明顯的反映，當海底未沖刷時，聲波強度很弱，圖像中呈現出亮色區域；當聲波強度增強時，為局部沖刷海底，圖像表現為深暗色調；當出現塌陷凹坑時，聲波強度會突然很弱甚至沒有，圖像中上部為深色調，下部為淺色調；當管道局部裸露懸空時，聲波強度很強，在圖像中呈現黑色的深色調。從而也證實了側掃聲吶探測法在海底管道安全狀態調查中是可行、有效的。

林朝旭[30]針對廈門海域存在風化槽、孤石、礁盤及隱伏斷裂等不良地質現象，為了探明廈門市地鐵1、2、3號線工程跨海段的工程地質條件，選用高精度水域地震反射波法，基于地震反射 CDP 疊加技術與分辨率影響因素，以及高精度水域地震反射波法的技術特征、震源選擇、數據采集、數據處理等方面的相關技術，獲得了廈門海域各種不良地質體在時間剖面上呈現出不同的異常特征，并通過工程實例說明高精度水域地震反射波法在對巖土層劃分、風化槽、孤石、礁盤及隱伏斷裂進行勘察時，均可取得較好的勘察效果。

韓孝輝等[31]為了研究海南感城近海擬建海上風力發電場場址區域的海底地層穩定性和承載力問題，在該區域開展了單道地震測量、側掃聲吶測量和地質鉆探工作。側掃聲吶圖像顯示，在研究區域周圍20 m以深水域發育有可能引發小型地質災害的潮流沙脊、沙波等地貌單元；根據單道地震測量數據的解譯成果和三口地質淺鉆的巖心樣品物理力學指標分析，確認在該區域海底地層中有兩個較好的持力層；根據小振幅波理論定量分析該區域海床的穩定性，結果顯示該區域海床相對穩定，但在天然地震基本烈度為6°條件下海床可能會失穩；根據單樁實心打入樁軸向抗壓承載力設計值公式計算得到單樁軸向極限承載力值，結果顯示研究區域地層承載力完全滿足三樁結構的風力發電塔建設要求。研究結果表明：研究區域的地質條件按有關規定抗震設防，建設海上風力發電場是可行的。

3. 2 水庫堤壩安全檢測

水庫蓄水過程中大堤出現滲漏現象,將會危害水庫的安全[32]。孫禮釗等[33]根據水庫大堤介質的電性差異,采用高密度電阻率法對某水庫南堤滲漏通道進行了探測，即針對工區特殊性，通過改善電極接地條件、選擇合適電極排列方式有效地降低了瀝青混凝土路面的高阻屏蔽效應，并采用合理數據處理技術,得到了較真實的地電斷面，從而準確推斷出滲漏通道的位置。經鉆孔驗證,并查明了滲漏通道的形成原因。

葉巴灘水電站為雙曲拱壩水電站，壩區巖體結構復雜，高拱壩壩肩抗滑穩定性是關鍵的工程地質問題，而位于壩肩50 m以內的深卸荷巖體在大壩的作用力下將會形成滑動面，這將對雙曲拱壩的穩定性構成了極大的威脅。黃曉應[34]為了劃分雙曲拱壩壩肩新鮮巖體中的深卸荷巖體，并圈定深卸荷巖體的空間展布，采用平硐聲波、平硐地震波CT 成像綜合物探手段對壩肩深部卸荷巖體進行了劃分及圈定。結果表明：綜合物探手段對劃分壩肩深卸荷巖體、了解其空間分布效果顯著，可為高拱壩壩肩抗滑穩定性研究提供依據，也可為整個拱壩設計及基礎處理提供科學指導。

3. 3 地面塌陷探測

劉浩等[35]為了查明貴陽地區地鐵施工過程中出現的圍護樁塌孔、地面沉降開裂等典型工程地質問題及其原因，結合場區基本地質條件，采用地質雷達技術、高密度電法等物探手段，并根據現場開挖揭示的地質信息的分析，認為巖土界面上部的軟塑狀紅黏土大量向孔樁內臨空面蠕滑以及巖土界面下部的巖溶空腔發生垮塌是主要原因，針對巖土界面處軟塑狀紅黏土層實施了高壓旋噴樁加固工藝，取得了良好的加固效果。

地面沉陷變形會導致路面平整度變差，易引發嚴重的交通事故。李小重等[36]綜合采用地震映像法、瞬態瑞利波法和探地雷達法，對某高速公路路面沉陷變形區域進行了無損檢測，檢測結果表明：地震映像法探測深度大但效率低，適宜探測地下介質的縱、橫向變化情況，判斷路基下方是否存在滑動面以及是否發生側向滑移；探地雷達法探測精度、效率高，但有效探測深度較淺，適宜快速探測公路結構層中的沉陷變形、破碎破損、裂縫，以及路基中的脫空、空洞等隱蔽病害的分布；瞬態瑞利波法獲得的面波速度可以直接反映地層的“軟”、“硬”程度，用以判斷其中是否存在軟弱夾層。3種檢測方法之間相互驗證、相互補充，從不同深度、不同角度揭示了路面沉陷變形的狀況、成因和趨勢，可為采取有針對性的治理措施提供依據和技術支撐。

地面塌陷引發的地質災害對國民經濟建設的危害重大。目前,探測地面塌陷區的物探方法種類繁多,但沒有一種方法能全面解決各種問題,需綜合運用多種方法。彭青陽[37]以安徽某地面塌陷為研究對象,利用高密度電法和瞬變電磁法對重點地面塌陷區域進行了探測,較好地完成了數據的采集、處理和反演解釋。結果表明：兩種方法相互驗證、相互參照、相互補充,查明了地面塌陷區及其附近的覆蓋層厚度、地質構造和地層巖性變化,可為后期地面塌陷災害治理提供科學依據。

龔術等[38]為了查明高速公路不良地質體的分布位置、范圍和地表下巖溶的發育情況,利用高密度電阻率法對汕昆高速公路陽朔—鹿寨施工段地下30 m深度內的大溶洞、地下暗河情況以及不良地質體進行了勘察，通過對野外數據的精細處理和反演解釋,在多處施測路段推斷出有充填溶洞和無充填溶洞的分布，并準確圈定出巖體破碎帶。

3. 4 橋梁與樁基工程質量檢測

劉華瑄等[39]為了分析承臺墊層對樁基低應變檢測結果的影響，建立了樁、墊層和土系統的動力學理論計算模型，利用交錯網格有限差分方法進行數值計算，得到在瞬態縱向激振力作用下的承臺墊層對樁基完整性檢測的數值模擬響應。計算結果表明：承臺墊層對樁基低應變檢測結果產生了一個疊加反射波信號。此外，采用控制變量法從理論上分析了樁身混凝土強度、樁徑和樁身缺陷對帶承臺墊層樁基低應變檢測的影響。

曹慧珺等[40]開展了利用沖擊回波法檢測橋梁預應力管道灌漿質量以避免橋梁安全隱患的試驗，通過建立滿灌漿、部分灌漿、無灌漿和灌漿空洞等灌漿質量問題以及基于不同波紋管材質制作預應力橋梁管道的灌漿模型，利用沖擊回波法對灌漿模型進行了檢測，并采用不同直徑激振錘和不同檢測間距研究了波紋管內部不同灌漿情況的波形響應。試驗結果表明：缺陷越大，波形特征越明顯；檢測金屬波紋管缺陷結果比塑料波紋管結果準確；小檢測間距檢測精度高于大檢測間距，能反映更小的空洞；在檢測中要選擇適當直徑的激振錘以提高檢測精度。在實際工程中利用該技術對預應力梁進行灌漿密實度檢測，取得了良好的應用效果。

3. 5 放射性廢物安全處置選址

隨著核電事業的發展,積累的高放射性廢物越來越多,面臨的相關環境壓力逐步顯現,因此必須對此加以深入研究和予以妥善解決。為了保證高放射性廢物的安全處置,我國參照目前普遍接受的可行方案,采用深地質處置的方法安全處置高放射性廢物。王粵等[41]將可控源音頻大地電磁測深法應用于甘肅北山高放射性廢物地質處置預選區選址勘查中，結果表明：可控源音頻大地電磁測深法能有效地給出預選場址地質體的深部巖性和結構狀況,圈定目標地質體的空間分布，可為確定預選場址深部地質體的完整性和穩定性提供科學依據。

4 地球物理技術在礦山采空區探測中的應用

4. 1 礦山采空區探測

礦區開采后遺留下了采空區地質環境問題，嚴重影響了地球生態環境和人類正常的生存生活環境[42]。

分布式高密度電法實現了小點距、長排列的任意電極組合模式，在確保高分辨率的前提下，可以達到提高探測深度的目的。李樹軍等[43]將分布式高密度電法應用于淺埋采空區的調查中，即首先建立了不同介質充填采空區的電性異常響應模型，然后對采空區異常進行了正確識別和圈定。為了建立不同介質充填采空區的電性異常響應模型，需要進行資料收集和地質調查，合理布置測線，優化電極排列組合，正確選擇采集方法，以及在已知采空區上進行測量。淺埋采空區調查應用實例及分析結果表明：分布式高密度電法是淺埋采空區調查中非常有效的物探方法。

趙偉鋒[44]利用瞬變電磁法對某煤礦采空區進行了物探勘察，并采用儀器自帶軟件繪制出各條測線視電阻率擬斷面圖，對測區內可能存在的地質異常進行解釋，對不同深度水平視電阻率切片圖進行分析，著重分析了地質異常的分布規律，同時根據各條測線視電阻率平面圖和擬斷面圖，結合相關地質資料圈定煤礦采空區，繪制出直觀的三維圖。其應用結果表明：瞬變電磁法對解決煤礦采空區地質問題是一種快捷、高效的勘查手段，為后期環境治理可提供直接、有效的指導。

章雪松等[45]采用聯合物探方法詳查了礦山尾礦區內的采礦空洞及采空區。高密度電法在對異常體的數據進行處理時，由于平滑處理作用，不易發現到較小的采礦空洞，并有對異常區擴大的作用。地質雷達技術的探測深度又極為有限，但在較淺層其勘探精度較好。針對測區的采礦空洞埋深不是很深的情況(據測區資料顯示，其深度在 10 m左右)，將地質雷達技術與高密度電法聯合應用，加密點距進行數據采集，再對其數據進行綜合處理、推斷解釋，可提高對采礦空洞及采空區的探測精度，特別是在對已知的采礦空洞進行試驗的基礎上，將其物性參數對測區加以應用，可極大地提高工作效率和對采礦空洞探查的準確性。

白永利[46]為查明某煤礦東一采區南一段6-7工作面回風順槽掘進工作面周邊小煤窯偷采破壞區的范圍及其富水性，采用綜合物探技術進行了全方位探查，即通過反射地震技術對空區、空巷發育范圍進行勘查判斷，并借助瞬變電磁技術對空區、空巷的富水性以及富水空區、空巷的發育范圍進行評價，為治理小煤窯偷采破壞區提供了技術保障，而且探查成果得到了后期鉆探與實際揭露的驗證。

復雜山地煤礦采區三維地震勘探采集工作不同于平原、丘陵等地表條件較好的地區，在測量、成孔、放炮生產及質量監控等各個環節都必須采用有針對性的手段和方法，以保證能夠獲得高質量的原始地震記錄。郭建敏等[47]針對山西寧武某煤礦較為復雜的表層、淺層地震地質條件，利用機械鉆、風鎬、洛陽鏟及翻斗挖掘機等多種成孔方法，在4種典型地表出露巖性區(黃土覆蓋區、坡積物區、基巖出露區、河灘卵石區)進行了激發參數試驗，確定了最佳激發參數，確保在各種出露巖性區都能獲得較高信噪比的地震記錄；同時，針對山地地震勘探成本高、生產效率低的特點，采用異步施工的方式保證了勘探施工銜接并提高了施工效率；此外，建立了現場計算機處理工作站，及時對各種試驗、生產資料和數據進行處理與分析，以指導野外生產。實踐證明：該三維地震勘探采集方法是正確和高效的。

4. 2 積水煤礦采空區探測

煤礦采空區資料缺失、老窯水積聚范圍不明是礦井重組、煤層開采的重大安全隱患，而物探方法在礦井老窯水探測中的作用凸現。王揚州等[48]通過研究瞬變電磁法在地面半空間和礦井井下全空間的應用技術，將兩種方法結合應用，充分發揮了瞬變電磁法的優勢，對礦井老窯水進行了有效探測。實例應用表明：綜合運用地面和井下瞬變電磁法探查某煤礦采空區老窯水，有效查明了煤層老窯水的位置及范圍，共探放老窯水 5.9×104m3，排除了安全隱患。

煤層頂板水害對礦井安全造成了嚴重威脅,某煤礦4-2煤層在4201工作面軌道巷掘進期間,出現了180 m3/h的頂板出水,累計出水量達45 000 m3,給礦井安全生產帶來了重大的影響。經采掘揭露,發現水文地質條件比預期要復雜得多,礦井松散巖類孔隙潛水和碎屑巖類孔隙、裂隙潛水以及承壓水富水性不清,需要進行水文地質補充勘探,以滿足礦井防治水工作的要求。代鳳強[49]通過地面瞬變電磁法探查了該工作面頂板上方富水異常區的分布范圍及其相對強弱,為礦井防治水工作提供了重要的參考資料,根據物探成果放棄4201工作面,調整接續4203工作面。

煤田積水采空區是威脅礦井安全的主要因素之一。邱衛忠等[50]針對井地電位法特定的邊值問題,推導出了相應的有限差分格式,并結合煤田積水采空區的電性特征及分布特點,設計了多個地電模型,分別利用有限差分法對其進行了正演模擬。正演模擬結果表明：井地電位法對單個積水采空區及橫向上分布的多個積水采空區識別能力較好,而對垂向分布的多個積水采空區識別能力較弱。該研究結果對于煤田積水采空區的探測研究具有一定的參考價值。

4. 3 深大煤礦采空區探測

安陽井田位于渭北黃土臺塬地區，煤層埋深普遍在300 m左右，該煤礦開采年代久遠，采空區具有埋深大、隱蔽性強等特點，設計鐵路需穿越安陽井田。為了評價該線路的安全性，王宗旭[51]采用音頻大地電磁法和瞬變電磁法對該區域進行了綜合地球物理勘探工作，并在分析深孔鉆探和礦區資料的基礎上，得出：設計鐵路位于礦區邊界，采空層標高在350～380 m，線路應予繞避。實踐表明：音頻大地電磁法和瞬變電磁法的綜合使用，能較好地滿足鐵路設計階段規避大埋深采空區選線的需求。

5 地球物理技術在隧道工程設計及施工與安全預報中的應用

5. 1 隧道工程地質探測

在隧道工程施工前期使用物探方法對工區地下構造情況進行探測，可以為隧道設計及施工提供依據。EH-4電磁成像系統是一種比較成熟的物探設備，已經在隧道工程設計及施工地質探測中得到了廣泛的應用。羅建剛等[52]利用該系統對大冬樹山公路隧道工程進行了勘察，并使用非線性共軛梯度法 (Nonlinear Conjugate Gradient,NLCG)對野外采集的數據進行了二維反演，研究了地形因素對二維反演結果的影響，同時根據數據二維反演的結果，確定了已知斷裂的深部賦存狀態，推測出未知隱伏斷裂的存在，判定出工區地下局部富水性較強。實踐表明：EH-4電磁成像系統在隧道工程地質勘察中的應用效果良好，可成功查明斷層破碎帶、富水帶等不良地質構造。

隧道工區地形、地質條件復雜，斷層、破碎帶以及塌陷等不良地質體的存在已成為阻礙隧道工程安全施工的主要問題，因此準確、快速地查明此類不良地質體的規模與埋深，確保隧道施工過程的安全順利進行顯得尤為重要。鞏建軍等[53]采用高密度電阻率法對浙江某高速公路隧道工程進行了實際地質探測。結果表明：該方法不僅能查明隧道所處地段可能存在的隱伏構造、斷裂破碎帶和富水區域的位置，還能查明地表強風化層的厚度等，從而驗證了高密度電阻率法在隧道勘察中應用的可行性及有效性。

隧道掘進所面臨地質條件的復雜化，極大地增加了現場施工的難度和危險性。其中，掘進前方地層的巖溶構造問題是嚴重影響隧道工程安全的主要難題之一。周文龍等[54]利用陣列式并行電阻率法測試技術，并結合隧道地質條件，開展了隧道前方地質條件的超前探測與研究。結果表明：該測試技術能夠有效圈定巖溶發育區，確定巖層富水情況，實現對溶洞、塌方等異常區域的快速定位與判斷。該技術研究為隧道工程在巖溶地質條件中安全施工提供了一種新的技術保障。

音頻大地電磁(AMT)對于隧道工程地質勘察是一種非常有效的方法，它具有不受高阻屏蔽、輕便、探測深度相對較大等優點，在宏觀上可以查明隧道地層巖性分界、地質構造及其賦水性。黃日華等[55]以某隧道音頻大地電磁勘查為例，分別對 AMT的采集手段、工頻干擾去噪、靜態校正、反演方法等關鍵技術問題進行了分析，并結合地質資料對該隧道施工區的地層分布、斷層和破碎帶的賦水情況等進行了分析和解譯，取得了理想的效果。

5. 2 隧道工程病害檢測

隨著山區高速公路的不斷發展,隧道工程建設也越來越廣泛,且隨著運營時間的增長,隧道病害越來越多,其中影響較大的是二襯開裂,一方面會影響隧道的結構穩定,另一方面會引起隧道滲水。因此，對隧道裂縫的檢測與加固顯得尤為重要。鄒威波等[56]研究認為超聲波法對裂縫無損檢測具有穿透能力強、成本低等優點,在隧道工程、混凝土橋梁等大體積混凝土質量檢測中已得到了廣泛應用。利用超聲脈沖波在混凝土中傳播的走時以及接收波的振幅、頻率和波形等聲學參數的相對變化,可判斷混凝土內部的裂縫深度和充填狀態。但隧道襯砌只具有一個面,檢測時只能采用超聲波平測法,即在裂縫的被測部位,以不同的測距按跨裂縫和不跨裂縫布置測點進行檢測,并通過對比分析來判定裂縫發育深度和充填狀態。將超聲波法與裂縫寬度檢測儀綜合使用,用來探測隧道裂縫的寬度及發育深度,并將檢測結果采用Matlab軟件進行三維顯示,可使結果更為簡潔、直觀,也為后期的隧道裂縫加固設計、施工提供了數據基礎。

隨著地質雷達技術的發展，它已經成為了一種主流的高效、直觀的隧道襯砌無損檢測手段。海洋[57]從地質雷達檢測技術的影響因素出發，提出了相應的提高隧道襯砌檢測結果準確性的解決方法，通過運用正演數值模擬常見的隧道襯砌缺陷的地質雷達響應特征，并結合一些隧道檢測的實例，證明這種綜合判斷方法能極大地提高地質雷達技術對隧道襯砌檢測的準確性。

5. 3 隧道工程超前地質預報預測

城市軌道交通隧道施工期間,地震波探測技術(TSP)超前地質預報可作為地勘資料的補充以指導施工。雷凱等[58]通過分析大量TSP實測數據,對各種可能產生異常信號的原因以及避免產生和接收到異常信號的措施進行了研究，并通過TSP地震波探測技術在城市軌道交通暗挖隧道中的應用實例,經后期開挖驗證,結果表明：TSP技術在城市軌道交通中應用效果良好,對隧道施工過程中即將出現的地質危害起到了提前預警的作用。

朱海龍[59]對影響 TSP203 隧道超前地質預報系統探測準確度的因素進行了研究，明確指出該TSP203系統在隧道工程應用中存在的不足，并在此基礎上分析了影響 TSP203隧道超前地質預報系統探測準確度的因素，包括炮孔布設、激發能量、爆破延時、噪聲干擾等數據采集因素，以及數據長度設定、濾波窗口選擇、反演結果篩選等數據處理分析因素，并提出了相應的對策和措施，以提高 TSP203隧道超前地質預報系統的準確度。

瑞利波探測技術作為目前先進的井下構造探測技術在各大礦區有著廣泛的應用。劉廣亮[60]利用瑞利波探測技術成功解決了幾個復雜煤礦地質構造的超前預測預報問題，并在探測過程中不斷嘗試新的施工方法，改善儀器的性能，調整儀器的處理參數，逐步提高儀器的探測精度和探測距離，使這項技術在煤礦地質超前探測中發揮更大的作用。

在巖溶富水隧道施工過程中，發生涌水災害的原因十分復雜，而巖溶涌水風險的評估方法都有一定的局限性和地域性[61]。為了較準確地預測隧道巖溶涌水災害，郭威等[62]以云桂鐵路對門山巖溶隧道為工程背景，依據貝葉斯網絡的不確定性推理，構建巖溶隧道涌水風險評估的貝葉斯網絡模型，并運用 Netica軟件的案例學習功能對統計數據進行分析，同時與地質雷達及紅外探水相結合。結果表明：理論評估結果與現場實際情況相符合；基于貝葉斯網絡的巖溶隧道涌水風險評估模型，不僅能對巖溶隧道涌水風險進行科學的風險評估及預警，而且對制定巖溶隧道涌水防治對策和處治措施具有重要的理論意義和工程借鑒價值。

5. 4 人防工程地質隱患探測

晏月平等[63]從早期坑地道人防工程綜合整治的重要性及綜合勘測的必要性出發，以該工程地質隱患綜合勘測為目標，從歷史變遷、地質變化及人文活動等方面揭示出坑地道人防工程地質隱患的特征，并結合實例分析了坑地道人防工程地質隱患的主要勘測方法，以高密度電法、地質雷達技術為重點，討論利用地球物理方法進行地質隱患識別的技術，總結出典型隱患體產生物探異常的規律；同時，指出早期坑道地道人防工程安全隱患可分為固有隱患、地質隱患、人為隱患三種類型，在隱患排查治理時需要有綜合勘察思路。

由于年久失修，地下防空洞常常引起地表塌陷和建筑物基礎受損等問題，因此在有防空洞的區域進行工程建設時，必須選擇適合、有效的地球物理方法對地下防空洞的分布、位置和走向進行探測。孫宗龍等[64]利用高密度電阻率法對海口市某地下防空洞進行了勘察，取得了較好的地質探測效果，為災害的治理提供了依據。

6 結論與討論

本文通過上述對近年來某一地球物理學術期刊發表的環境與工程地球物理論與應用成果的論文進行梳理與分析,得出以下幾點重要的結論和啟示。

(1) 環境與工程地球物理技術應用領域廣泛。從地球物理學科領域來看,傳統地球物理方法如地震方法和技術(包括聲波法、瑞利波法等)、電法(包括高密度電阻率法、并行電阻率法、分布式高密度電阻率法、電測深法等)、電磁法(包括瞬變電磁法、EH-4電磁波法、音頻大地電磁法等)得到了廣泛應用;地質雷達技術、電磁波CT技術、核磁共振技術、地震映像技術、地震層析成像技術、TSP超前地質預報技術等新的方法與技術發揮了重要的支撐作用。從環境與安全學科領域來看，則包括滑坡、地面塌陷、巖溶、煤礦采空區、礦井涌水、隧道工程設計及施工、垃圾填埋滲漏、水庫大壩滲漏、核廢料場選址、人防工程安全、地下建筑與地下空間安全、工程質量與安全檢測、地下水資源及安全等眾多領域，涵蓋了人居環境和工程安全的方方面面，關系國計民生，十分重要。

(2) 環境與工程地球物理技術存在發展瓶頸。根據文獻檢索可知，與地球物理其他應用領域相比，環境與工程地球物理成果在學術期刊發表的數量相對較少，一些專業地球科學名刊、大刊幾乎很少刊發環境與工程地球物理的論文。究其原因，一是科學研究問題重理論輕應用。在地球物理學術界，很多人的觀念還是認為理論研究才是原創的、高深的、“高大上”的，而對工程應用則較為輕視。這是違背科學發展初心發展規律的錯誤觀念，須知，科學與技術發展的終極目標就是要解決人類社會和大自然之間相互作用的種種問題，科學理論方法和技術只有得到推廣應用，轉化成有效生產力，其真正價值才能得以體現和實現。二是科學研究對象重深部輕淺部。很多科技工作者熱衷于運用地球物理方法研究地球深部問題，包括深部結構與構造、深部礦產資源、深部演化及運動機理等，而對包括環境、安全及工程問題的淺部則盲目輕視。對地球系統的研究者來說，地球深部有著海量未解之題，當然需要攻堅破解，但地球淺部也并不是“盡收眼底”，諸如地質環境問題、地下空間安全問題，關系著人類的生產、生活和生存發展，同樣需要攻克難關，造福世界。三是研究課題重縱向輕橫向。科技學術界長期存在重視縱向課題輕視橫向課題的傾向，縱向課題一般都是省部級、國家級課題，而橫向課題多是地方政府、企事業單位的招標項目。環境與工程地球物理項目多屬橫向項目，自然一定程度上受到冷落。四是學術期刊人的隨風起舞。期刊評價重視基金項目、被引頻次、影響因子等指標，那么對屬于淺部的、應用的、橫向項目的環境與工程地球物理成果則往往被期刊人放在了次要選擇位置。上述四個方面是制約環境與工程地球物理學科發展的觀念和制度瓶頸，需要社會、學界、期刊界合理破除。

(3) 環境與工程地球物理技術的創新發展趨勢。創新地球物理方法和技術在環境、安全與工程領域的廣泛應用，對人居環境的保護和治理以及近地表空間的安全利用具有重要意義。一是以基礎研究帶動學科進展[65]。基礎研究標志著一個學科的成熟程度，根據環境與工程問題在分辨率、 探測對象等方面的特殊性,各種新的適用于近地表問題的環境與工程地球物理理論逐漸建立起來,對生產實踐發揮著巨大的指導意義。二是方法和技術多樣化發展。 環境與工程地球物理技術面對各種不同特性的地質或非地質問題,尺度、精度、背景環境千差萬別,因此所用方法和手段必須具備多樣化。同時對某一問題的解決往往需要綜合幾種地球物理方法和手段予以交叉印證與分析。三是發展高精度測量技術。高精度地球物理測量可以提高對異常圈定、鉆井定位、工程施工的準確性,高分辨率地震、高精度重磁、高頻大地電磁等一系列地球物理方法和技術將進一步挑戰現有測量精度的極限。四是發展動態監測技術。地球物理動態監測技術在地下水運動、工程質量檢測、填埋場滲液、堤壩滲漏、溶洞發育等方面尤其要充分發揮重要的作用。