环境地球物理

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115011226姜良国 姜良国

环境地球物理 引言随着环境科学和地球物理学的发展， 随着环境科学和地球物理学的发展，地球物理学在环境科学中的应用领域 不断扩展，逐渐形成了一门新的学科——环境地球物理。早在 年代，国 环境地球物理。 年代， 不断扩展，逐渐形成了一门新的学科 环境地球物理 早在70年代 外就有人从事环境地球物理工作。 外就有人从事环境地球物理工作。 1985年美国勘探地球物理学家协会(SEG)在统计年度工作时，第一次把 年美国勘探地球物理学家协会( )在统计年度工作时， 年美国勘探地球物理学家协会 环境地球物理作为一个单独的科目划分出来。 年美国的S. 环境地球物理作为一个单独的科目划分出来。1988年美国的 H. Ward教授 年美国的 教授 首次开设环境地球物理课程。同年，美国召开了第一届“工程、 首次开设环境地球物理课程。同年，美国召开了第一届“工程、环境问题 地球物理应用研讨会” 并决定以后每年召开一次。在此基础上， 地球物理应用研讨会”,并决定以后每年召开一次。在此基础上，1992年 年 成立了“国际环境与工程地球物理学会( 其宗旨是： 成立了“国际环境与工程地球物理学会(EEGS)”,其宗旨是：推动地球 ) 物理用于解决工程、环境问题，提高该领域中地球物理研究的学术水平， 物理用于解决工程、环境问题，提高该领域中地球物理研究的学术水平， 促进有志于这个领域研究的各国学者之间的交流与合作。 促进有志于这个领域研究的各国学者之间的交流与合作。1997年由中国地 年由中国地 球物理协会、中国地质协会、 球物理协会、中国地质协会、成都理工学院和物探地球物理协会等共同主 在中国成都召开的“工程与环境地球物理国际学术会议” 办，在中国成都召开的“工程与环境地球物理国际学术会议”和1999年在 年在 美国举行的AAPG年会设立环境地球物理专题更是将环境地球物理研究推向 美国举行的 年会设立环境地球物理专题更是将环境地球物理研究推向 高潮。在近几年内相继有多本环境地球物理方面的论著出版， 高潮。在近几年内相继有多本环境地球物理方面的论著出版，如 《Geotechnical and Envirnmental Geophysics》(S. H. Ward,1990)、 》 , )、 )、《 《Environmental Geophysics》(Dieter Vogelsang,1995)、《Environmental 》 )、 and Engineering Geophysics》(P. V. Sharma,1997)、《Engineering and )、《 》 , )、 Evironmental Geophysics for 21st Century》(He Zhengua,Editor-in-Chief, 》 , , 1997)等。以上所有这一切标志着环境地球物理学这一新兴学科的基本形 ) 成。

环境地

球 物理学概 述

研究方法 及研究领 域

发展 现状 后记

环境地球物理 引言环境地球 物理概述

研究方法 及研究领 域

环境地球物理学( 环境地球物理学(Environmental Geophysics)是环境科学与地球物理学相融合而发展起来的 ) 缘学科， 缘学科，其主要是利用地球物理学的理论和方法来研究地球物理场和地球物质的物理特性与人 包括天然和人工环境)之间的关系， (包括天然和人工环境)之间的关系，这种关系既包括地球物理场对人类的生存环境和人体健 包括由于天然和人工环境的变化所导致地球物质特性和地球物理场的变化。目前， 包括由于天然和人工环境的变化所导致地球物质特性和地球物理场的变化。目前，环境地球物 门具有巨大潜在应用价值的新兴学科，被用于解决环境污染的监测、 门具有巨大潜在应用价值的新兴学科，被用于解决环境污染的监测、生态环境变化预测 果检查等方面。环境地球物理学在国外也称近地表地球物理学( 果检查等方面。环境地球物理学在国外也称近地表地球物理学(Near-Surface Geophysics 高精度为特征。 高精度为特征。 环境地球物理学的研究领域涉及地球岩石圈、土壤圈、水圈和大气圈， 环境地球物理学的研究领域涉及地球岩石圈、土壤圈、水圈和大气圈，其目的是利用地球物理 决与这4个圈层有关的环境问题 目前环境地球物理学的研究和应用主要包括以下3个方面的内 个圈层有关的环境问题。 决与这 个圈层有关的环境问题。目前环境地球物理学的研究和应用主要包括以下 个方面的内 球物理场对环境和生物界(特别是人体健康)的影响； 球物理场对环境和生物界(特别是人体健康)的影响；②用地球物理方法监测环境污染及其治 地球物理方法对资源破坏和灾害进行监测、预报和治理。 地球物理方法对资源破坏和灾害进行监测、预报和治理。但也有人按所调查研究的规模和范围 理学的研究内容分为区域调查和场地调查。 理学的研究内容分为区域调查和场地调查。区域环境地球物理调查是指全国性或区域性的环境 国民经济整体布局及生态环境变化和环境污染的总体治理方案提供依据； 国民经济整体布局及生态环境变化和环境污染的总体治理方案提供依据；场地调查则是为解决 工矿企业、工程项目等的环境问题服务。 、工矿企业、工程项目等的环境问题服务。

研究现状 研究和解决环境问题的方法较多，与其他方法相比， 及发展 研究和解决环境问题的方法较多，与其他方法相比，环境地球物理学方法具有独特的优点 替代的。具体表现在： 效率高、成本低。 替代的。具体表现在：①效

率高、成本低。地球物理方法可以从地面遥测地下介质特征的三维 大量的钻井或探槽。探地雷达、 大量的钻井或探槽。探地雷达、微重力等仅需几个人就能完成以前要几十人甚至上百人的环境 大节约了人力和物力。适用范围广。除具有与其他环境监测方法同样的应用领域外， 大节约了人力和物力。适用范围广。除具有与其他环境监测方法同样的应用领域外， 南北极地区等环境研究中更具有独特的优势。 覆盖率大。 上、南北极地区等环境研究中更具有独特的优势。③覆盖率大。通过钻孔和取样方法仅对点或 后记 行分析， 行分析，而采用环境地球物理方法却能达到对研究区整个空间的覆盖 研究。 无损检测。这是环境地球物理学方法适用于对堤坝、 研究。④无损检测。这是环境地球物理学方法适用于对堤坝、核废料库等不能钻井取样的情况 速度快。借助于高速计算机， 。⑤速度快。借助于高速计算机，使得对环境地球物理测量数据的处理时间大大缩短

环境地球物理 引言 地质体在环境发生变化时(污染、 地质体在环境发生变化时(污染、 破碎、挤压等), ),会产生相应的 破碎、挤压等),会产生相应的 地球物理效应， 地球物理效应，引起各种地球物 理场(重力、 理场(重力、电、磁、热、地震 放射性等)的变化， 波、放射性等)的变化，环境地 球物理学就是通过对这些物理场 的观测和研究来认识和解决环境 问题的。 问题的。环境地球物理学在研究 解决环境问题时， 解决环境问题时，几乎使用了目 前地球物理学的所有研究方法， 前地球物理学的所有研究方法， 其中最主要的地球物理方法按研 究的物理场可分为电法、磁法、 究的物理场可分为电法、磁法、 重力法、地热法、 重力法、地热法、地震和放射性 法等。 法等。

概论

方法及 领域

研究现 状及发 展

后记

环境地球物理 引言

电法： 电法：“电法”是电法勘探的简称。它是以地壳中岩石 电法”是电法勘探的简称。 电法 矿石、流体的电、 、矿石、流体的电、磁学性质的差异为物质基 利用电磁场(人工和天然) 础，利用电磁场(人工和天然)的空间和时间 分布规律， 分布规律，研究地质构造以及寻找能源和矿产 等的一组地球物理勘探方法。目前， 等的一组地球物理勘探方法。目前，电法勘探 已成为环境污染调查、监测、 已成为环境污染调查、监测、治理和管理中一 种有效和应用广泛的物探方法。 种有效和应用广泛的物探方法。电法可在航空 地面和井下以及坑道等各种领域中进行。 、地面和井下以及坑道等各种领域中进行。电 法本身也有多种

实施方案， 法本身也有多种实施方案，其中包括自然电位 电阻率法、电磁法、激发极化法、 法、电阻率法、电磁法、激发极化法、探地雷 达法、各种电测井法、井中雷达法、 达法、各种电测井法、井中雷达法、跨孔和井 间电磁波 CT技术等。 技术等。 技术等

概论

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后记

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磁法： 磁法：自然界中各种介质(固态和液态) 自然界中各种介质(固态和液态)都能产生强 弱不同的磁场， 弱不同的磁场，污染物的介入可能会改变介质 的磁化率和磁化强度，产生磁异常， 的磁化率和磁化强度，产生磁异常，通过磁力 仪测定这些磁性异常和分析岩层中磁性层的分 可以推测地质构造的分布， 布，可以推测地质构造的分布，间接查出污染 体的分布， 体的分布，从而达到确定污染体位置和污染规 模或环境构造的目的。 模或环境构造的目的。 磁法在环境污染调查中的应用包括： 磁法在环境污染调查中的应用包括：城市大气污 染调查、废弃金属埋藏物研究、 染调查、废弃金属埋藏物研究、河流与海洋污染 研究、污染历史信息研究、火山灰与风蚀研究， 研究、污染历史信息研究、火山灰与风蚀研究， 以及古气候变迁研究等应用领 域。

概论

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后记

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地震法： 地震法：地震法的基础是地震波在岩石中传 播的规律， 播的规律，而岩石自身的弹性性质决定 了地震波的传播。 了地震波的传播。由于自然界的地质构 造运动、岩浆侵入、 造运动、岩浆侵入、火山喷发等自然过 程以及人类活动造成岩层发生断裂、 程以及人类活动造成岩层发生断裂、破 充填、 碎、充填、改造等改变了原来岩层的连 续性和均一性。 续性和均一性。岩石的物理化学性质的 变化将影响其对地震波的传播， 变化将影响其对地震波的传播，因而在 地震剖面上可以清楚的显示出这些变化 [8~11]。地震法在环境调查中具有勘探 ~ 。 精度较高、效果好、应用范围较广( 精度较高、效果好、应用范围较广(除 陆上外，还可进行水上勘探) 陆上外，还可进行水上勘探)等特点。

概论

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后记

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重力法： 重力法：重力法是以地下物体的密度差作为依据的一种地 球物理方法。地下的空洞、溶洞、裂缝以及地壳浅 球物理方法。地下的空洞、溶洞、 层隐蔽性构造活动等将造成地壳内部物质密度的不 均匀分布，即产生所谓的“异常质量” 均匀分布，即产生所谓的“异常质量”。异常质量 的引力场将引起地表重力场的变化，即重力

异常。 的引力场将引起地表重力场的变化，即重力异常。 重力法就是通过探测和研究重力异常场来了解地球 内部以及上地幔结构的地球物理方法。 内部以及上地幔结构的地球物理方法。在重力法中微重力法具有测量精度高、测量范围大等特点。 在重力法中微重力法具有测量精度高、测量范围大等特点。该 方法常常用来发现和圈定地下空洞， 方法常常用来发现和圈定地下空洞，该法还用于探测地下沟槽 战争遗留物(炸弹)、被覆盖的矿井、废弃石油管线、 )、被覆盖的矿井 、战争遗留物(炸弹)、被覆盖的矿井、废弃石油管线、油井 套管、地下油库和填土单元以及考古勘查等。 套管、地下油库和填土单元以及考古勘查等。

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后记

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放射性法： 放射性法：放射性法的实质就是通过探测放射性物质的放 射强度来研究环境问题。 射强度来研究环境问题。根据研究 过程中所探 测的离子，将放射性法可分为α离子探测法 离子探测法、 测的离子，将放射性法可分为 离子探测法、β 射线法、 射线法和中子探测法 射线法和中子探测法4种 射线法、γ射线法和中子探测法 种，但较常用 的为γ射线法和中子探测法 射线法和中子探测法。 的为 射线法和中子探测法。放射性法以前主要 应用于地球物理测井中，用来判定地下岩性、 应用于地球物理测井中，用来判定地下岩性、 裂隙构造和地下流体运动， 裂隙构造和地下流体运动，现在则开始广泛用 于管理放射性废物和监测自然界中放射性元素 的环境污染问题。 的环境污染问题。 利用放射性方法可以对上述两种辐射进行监 测，查明人们工作和生活环境中放射性污染状 况和污染源的位置， 况和污染源的位置，从而达到监测和预防的目 此外，放射性法还可用于对核电站、 的。此外，放射性法还可用于对核电站、地下 埋藏核废料库等进行动态监测， 埋藏核废料库等进行动态监测，及时防止放射 性物质扩散引起环境污染。 性物质扩散引起环境污染。

概论

方法及 领域

研究现 状及发 展

后记

环境地球物理 引言 环境地球物理勘探技术的进步和数据处理方法的提高 非水相液体的研究是环境地球物理学研究的重要领域 概论 地质灾害预报和环境污染监测、治理仍是环境地球物 地质灾害预报和环境污染监测、 理学研究的主要内容研究方 法及领 域 现状及 发展

特殊环境下的地球物理技术有待发展 生态环境研究是环境地球物理学研究的新热点

后记

、

环境地球物理 引言早在1955年，地质矿产部、水电部铁道部等相继建立起了自己的物

理 年 地质矿产部、 早在 勘探队，并成功地将地球物理勘探技术应用到各自的领域， 勘探队，并成功地将地球物理勘探技术应用到各自的领域，取得了巨大 的成就。 世纪90年代以前 的成就。在20世纪 年代以前，在我国地球物理方法主要用在工程、水 世纪 年代以前，在我国地球物理方法主要用在工程、 文和资源勘探方面。 文和资源勘探方面。1992年，联合国在巴西里约热内卢召开环境与发展 年 大会和随后我国制定可持续发展规划《中国21世纪议程 世纪议程——中国 世纪 中国21世纪 大会和随后我国制定可持续发展规划《中国 世纪议程 中国 人口、资源与环境白皮书》及提出62个优先发展的核心环境项目后 个优先发展的核心环境项目后， 人口、资源与环境白皮书》及提出 个优先发展的核心环境项目后，环 境问题开始引起地球物理学家们的重视。 境问题开始引起地球物理学家们的重视。为加强我国的环境地球物理学 研究，中国地球物理学会建立了环境地球物理学委员会。 研究，中国地球物理学会建立了环境地球物理学委员会。在该委员会的 促进下，我国环境地球物理学在起步较晚的情况下， 促进下，我国环境地球物理学在起步较晚的情况下，在某些方面仍取得 了突出的成就。表现在： 了突出的成就。表现在： 核地球物理技术的发展在国外还处于初期阶段， ⑴核地球物理技术的发展在国外还处于初期阶段，在我国已开展了系统 的研究，特别是在放射性污染调查方面。 的研究，特别是在放射性污染调查方面。最近我国又在氡的迁移机理研 究方面获得重要进展。 究方面获得重要进展。通过实验证实地气中的物质是以纳米级的离子形 式运移的，并且证明氡垂直运移能力大于水平运移能力； 式运移的，并且证明氡垂直运移能力大于水平运移能力；同时首次提出 了氡的迁移机理，指出氡和其子体或母体发生α-衰变放射出 离子( 衰变放射出α离子 了氡的迁移机理，指出氡和其子体或母体发生 衰变放射出 离子(氦), 氦环绕在氡及其子体或母体周围形成“ 以族的形式在地壳中迁移。 氦环绕在氡及其子体或母体周围形成“族”,以族的形式在地壳中迁移。 ⑵我国学者在应用地球物理层析成像技术研究环境问题方面取得了显著 进展。由于地球物理层析成像技术在图像处理方面具有高分辨率， 进展。由于地球物理层析成像技术在图像处理方面具有高分辨率，地震 电磁及电阻率间层析成像技术等被广泛应用于对金属矿藏、油田、 、电磁及电阻率间层析成像技术等被广泛应用于对金属矿藏、油田、工 程和水文地质、环境问题等的研究中

, 程和水文地质、环境问题等的研究中，地球物理层析成像技术尤其适用 于对复杂的多相介质问题研究[26]。近年来我国在井间地球物理层析成 于对复杂的多相介质问题研究 。 像仪器、方法、算法和软件方面取得重要进展。 像仪器、方法、算法和软件方面取得重要进展。

概论

方法及 领域 现状及 发展

后记

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