用綜合地球物理方法來了解地下世界

同濟大學 于 鵬

對地下隱伏的防空洞、未爆彈等障礙物、引起各類地質災害的地下結構、深層油氣資源等方面的勘探，都需要利用地球物理方法來解決。地球物理學是以地球為研究對象的一門學科，地球物理工作者們通過觀測和分析由地球內部介質引起的地球物理場來研究地下地質特征。基于地下介質物性差異的不同，地球物理學又可分為以地下介質密度差異為物性基礎的地球重力學與重力勘探、以磁性差異為物性基礎的地磁學與磁法勘探、以電性差異為物性基礎的地電學與電法勘探、以彈性參數差異為物性基礎的地震學與地震勘探等分支學科。

在進行實際的地球物理工作前，地球物理工作者們會根據研究區地下介質的主要物性差異選擇與之相對應的地球物理方法。一般在選用具體方法前需對探測目標及其圍巖有一定了解，然后根據探測區域的物性特點選擇行之有效的物探方法，比如，對于防空洞的探測一般采用高密度電法、探地雷達和瑞雷面波法等。

然而，由于地球物理反演問題的非唯一性和等效性、地球物理地質解釋的多解性等地球物理方法固有的特性，造成單一地球物理方法解決問題時存在局限性，比如防空洞破裂含水時，基于電阻率差異的高密度電法的勘探能力將降低，因為圍巖和含水后防空洞的電阻率差異變小，單一利用高密度電法勘探將難以發揮作用；又比如深層油氣資源勘探時，由于復雜地表和復雜地質結構等因素影響，作為主要勘探手段的反射地震在深層的資料品質變低，無法通過單一地震方法提供認識深部結構的有效信息。在上述這些情況下，就必須綜合其他的地球物理方法來開展工作。當前地下地質情況的復雜多樣性以及地球物理勘探的廣度、深度和難度的增加，也愈發體現出開展綜合地球物理研究的必要性和重要性。

綜合地球物理作為地球物理學的一個分支學科，是在地球物理各個分支學科（地球重力學與重力勘探、地磁學與磁法勘探、地電學與電法勘探、地震學與地震勘探等）的基礎上發展起來的，綜合地球物理具有明顯的綜合性和實踐性，在該學科的發展中逐漸形成了特有的理論和方法。綜合地球物理的研究思路是通過不同的巖石物性參數從不同的角度來認識地下結構以解決有關的地質問題。

我國著名的地球物理學家劉光鼎院士在長期的生產科研和教學實踐中總結提出了“一（一種指導）、二（兩個環節）、三（三項結合）、多（多次反饋）”和“區域控制局部，深層制約淺層”的綜合地球物理解釋基本原則，有力地推動了我國綜合地球物理學科的發展和地質勘探工作的深入開展。

一種指導就是以活動論的巖石層板塊大地構造理論為指導。由于地球物理資料解釋是以完成地質任務為目的，所以必須要有先進的地質理論為指導，就是活動論的巖石層板塊大地構造理論。

兩個環節指的是巖石物性與物理—地質模型，它們是綜合地球物理的物理—地質基礎。巖石物理性質(密度、磁性、電性、速度等）的差異是地球物理的前提和物質基礎，是建立物理—地質模型的必要條件和地質解釋的重要依據，它們是聯系地質與地球物理之間的紐帶和橋梁。物理—地質模型是將地質與地球物理融為一體的模型，它既包含地層、巖性、構造、基底等地質內容，又有反映巖石物性參數、地質體幾何參數和地球物理場的地球物理內容，它是地質理論指導地球物理的具體體現。根據地質任務和物探工作的設計，在地質理論的指導下，建立相應的物理—地質模型，通過資料的解釋，修改和完善模型并獲得最終的地質結論。

三項結合是指地質與地球物理的結合、正演與反演的結合、定性解釋與定量解釋的結合，它們是貫穿于整個地球物理綜合解釋的核心思想。地質與地球物理的結合是三項結合的重中之重。因為地質是地球物理工作的出發點，地球物理工作內容由地質任務來確定，同時地質又是地球物理工作的落腳點，因為地球物理工作成果體現在解決地質問題及地質效果上。

多次反饋是指關于地球物理的解釋不是一次完成的，要通過多次的正演與反演、定性與定量、地質與物探的結合，多次反饋完成。多次反饋遵循了人類對主觀世界的認識規律，實踐、認識、再實踐、再認識，使人的主觀認識接近于地下客觀實踐。這個過程就是去粗取精、去偽存真、由表及里、由淺到深地使人的解釋結果逐步逼近于地下客觀事實。

“區域控制局部，深層制約淺層”作為對劉光鼎院士“一、二、三、多” 綜合地球物理解釋基本原則的補充，在實際工作中也十分重要。從地球科學宏觀來說，全球的板塊運動、區域塊體運動均會造成區域地殼構造運動、地殼的隆升與下陷、斷裂與巖漿的活動、礦產資源的形成和改造等等這些區域地質現象，包括近地表的地質災害、天然地震的發生，都會受到板塊運動的影響。我們通過深部地球物理方法來研究巖石圈的底界面、莫霍面、居里面等深部構造界面的變化，這些深部地質構造往往跟區域構造運動密切相關，這些深部與區域的地質活動和變化極大地影響和控制了局部構造和淺層的地質活動，因此在綜合地球物理解釋中必須將區域和局部、深層和淺層的解釋結合起來。

十三五期間，科技部啟動了國家重點研發計劃項目“超深層重磁電震勘探技術研究”，由中國石油集團東方地球物理勘探有限責任公司聯合同濟大學等多家高校實施，項目批準號為2016YFC0601104，重點即是對目前超深層6～10千米的油氣資源勘探問題展開綜合地球物理方法研究，研究的關鍵問題是綜合地球物理最重要的定量手段——聯合反演，在地球物理資料處理和解釋中，將自始至終貫徹上述五條綜合解釋原則，探索地球物理資料聯合反演和綜合解釋的新途徑，通過方法攻關進一步克服地球物理反演的非唯一性和地質解釋的多解性，提高對地下目標勘探的精度和準確性，服務于國民經濟建設。