环境和工程地球物理学
1简介
环境与工程地球物理学是应用物理学的理论和方法，通过环境工程物理性质的差异或其形成的物理场来研究和解决环境工程问题，以达到人类与自然的和谐发展。环境与工程地球物理不同于常规地球物理方法，具有独特的特点:勘探目标的浅表层是特殊的地质地球物理环境；勘探方法具有抗干扰性和灵活性；物性差异小，检测信号弱，需要更好的信号提取技术；动态检测需要在不同时间连续跟踪；建立特殊的物理地质模型。环境与工程地球物理学的基本任务是从声、光、热、电、磁等物理场的变化来认识地球，主要应用领域包括资源勘探、环境保护、灾害防治、国家重大工程建设等。环境与工程地球物理学涉及的要素包括岩石圈、水圈、生物圈和大气圈，物理性质包括物理性质、化学性质和生物性质，人类活动涉及的空间包括聚落空间、区域空间、地球空间和星际空间。
2环境工程问题
2.1环境问题
环境与工程地球物理学对环境问题的研究内容是自然和人为的环境问题，既包括聚落环境，也包括全球环境变化。其主要研究内容有:①对地震、火山、滑坡、崩塌、地裂缝、地面沉降、空间环境变化等自然力引起的环境灾害和变化的观测、研究和预测。②检测和监测人类生活和生产中排放的废气、废水和固体废物对大气、水圈和岩石圈(包括土壤)的污染。③经济建设和交通造成的辐射、噪声、振动等能源污染的测量和研究。(4)人为物质和能源污染引起的全球变化，如气候、旱涝灾害的研究和预测。
2.1.1世界环境问题
随着人口的增加和生产规模的不断扩大，所需的生活和生产资料急剧增加，“三废”(气体、液体和固体污染物)排放量也相应增加。人类活动空间的扩大，对自然改造的日益加剧，对生态的破坏，已经威胁到人类的生存和可持续发展:①资源匮乏，这是人类生存和发展的必要物质条件。随着人口的增加，对资源的需求与日俱增。不可再生的矿产资源(包括能源资源)越来越短缺，它们破坏环境，造成污染。(2)森林资源面积减少，降低了全球气候调节功能；土壤侵蚀、土地荒漠化和耕地退化；淡水资源短缺已成为人类生存和发展的严重障碍。(3)环境污染日益严重，主要表现在三个方面:一是大量有毒有害气体排放，造成空气污染，造成“温室效应”、“臭氧层破坏”，酸雨范围扩大；二是土壤面积的生态破坏，表现为大面积的森林破坏、草地退化、水土流失和荒漠化；三是突发环境事件，范围大，危害严重，特点是:一是全局性危害；第二，多种多样的污染源，既有来自工业和农业的，也有来自人类生活的。来自发达国家和发展中国家。第三，污染事件影响大。
2.1.2中国主要环境问题
中国幅员辽阔，自然环境多样，存在不同的突出环境问题，但总体而言，七大优先环境问题包括:
(1)水污染(主要是有机物污染)；
(2)城市空气污染(主要是总悬浮固体和二氧化硫)；
(3)工业有毒有害废渣和城市垃圾对空气、水和土地的污染；
(4)北方地表水资源相对贫乏，许多城市严重缺水；
(5)广泛而严重的水土流失；
(6)森林覆盖率低，天然林面积小，森林蓄积量相对较小，草地退化严重；
(7)原生环境面积减少，物种资源减少。
2.2工程问题
环境与工程地球物理主要研究铁路、公路、水利、电力、油气、城市建设等领域的工程问题。目前服务范围和期望解决的地质问题或提供的参数主要有以下几个方面:①探测工程区和场地区覆盖层厚度并分层，了解基岩起伏形态，划分风化厚度，查明隐伏构造等。，为项目选线和选址提供基础资料。②测定了基岩和洞室围岩的动态弹性参数，为工程地质分类和岩体质量评价提供了科学依据。③岩石地基快速检测技术是利用岩体的弹性波速度、回弹值和点荷载试验值作为地质评价的定量或半定量手段，为工程基础开挖、建基面验收和施工质量监控提供数据。④地球物理测井可提供多种物理力学参数，用于划分钻孔地层，了解地下含水层特征；为判断地基液化和场地分类提供了定量指标。⑤层析成像技术通过测量井间、井间、井间的地震(声波)速度，重建波速场的分布特征，使地质勘探达到由点或线到面的飞跃。⑥工程质量检查。工程结构和地下埋藏物的质量检测。⑦地下管线探测可以查明管线类型、埋深、走向和位置，为城市建设和发展提供基础信息。(8)考古调查与研究:包括古文化遗址的发掘与研究、文物表面腐蚀程度的评价和古代人类活动规律的评价。⑨工程地质灾害的防治。在国家建设中，特别是在西部地区，经常会遇到滑坡、溶洞、地面沉降、水库坝基漏水等工程地质问题。
3环境和工程地球物理方法
环境与工程地球物理研究环境工程问题的机理是，当目标体的物理性质发生变化(污染、破碎、挤压等。)，就会产生相应的地球物理场效应，即物质的电导率、介电常数、密度、磁导率、弹性都会发生变化。根据目标体与周围介质的物性差异，借助专用仪器和一定的测量方法，观测地球物理对象的分布特征和规律，结合相关地质资料做出地下目标。目前，在研究和解决环境工程问题时，环境和工程地球物理方法几乎使用了目前所有的地球物理方法。但是，在解决环境工程问题的过程中，有些任务是传统的地球物理方法难以完成的，所以近年来发展了一些独特的新方法，如地震面波法、高精度地震反射法、高密度电阻率法、探地雷达、天然声辐射测量等。虽然同一方法在不同领域应用时原理相同，但由于工作目的和检测对象不同，工作方法往往会有很大差异，形成各自的特点。
电(磁)法是一种基于岩土介质电导率差异，通过观测和研究人工电流场的变化和分布规律，进一步探查地质目标和解决环境工程问题的导电电法勘探方法。它是种类最多、应用最广的勘探地球物理方法之一。地震勘探方法主要是研究人工激发的地震弹性波在岩土介质中的传播规律，以确定介质结构和力学性质的差异，了解不同介质层的地下分布。目前用于工程环境检测和灾害调查的弹性波方法主要有折射波法、反射波法、面波法和层析成像技术。环境重力法是基于物质重力的差异，借助重力仪器解决环境地质问题的方法。重力勘探解决的环境工程地球物理问题主要有地震预报、滑坡探测和地面沉降灾害。磁法勘探是研究地质构造、寻找矿产资源的方法，也可用于寻找地下有磁性的污染物。环境工程地磁法是以物质的磁性差异为基础，借助一定的仪器和观测手段，获取地球磁场的信息。通过分析研究磁场信息的变化，可以研究自然环境演变和人类活动引起的环境工程变化。放射性测量方法，即核地球物理方法，是地球科学中的核物理理论在现代物理学中的应用。核地球物理学涵盖的范围很广，在星际空间、航空、地面和海底都有应用。从应用对象来看，它不仅用于金属、石油和天然气的勘探，还广泛应用于环境工程领域。例如检查大气中的污染物、处理废物、寻找基岩地下水以及监测、预测和预防地质灾害。
目前应用于环境工程地球物理学的各种分支方法如下。
电(磁)法主要有电阻率法、激发极化法、电磁感应法(瞬变电磁法、甚低频法)、探地雷达、地面核磁共振法、激光技术和激光雷达法；环境工程地震勘探方法包括折射波法、反射波法、高分辨率浅层地震勘探和瞬态瑞雷波法；重力勘探；环境工程地磁方法和高精度磁测；放射性测量方法；层析技术(地震层析技术、电磁层析技术)。
4环境与工程地球物理学的应用
目前，环境与工程地球物理的应用领域主要有地球物理场的环境效应调查、环境污染的监测与防治、天灾人祸的监测与防治、基本建设的工程勘察(包括西气东输、南水北调、三峡工程、高速公路建设等。).广泛的应用领域为环境与工程地球物理学的理论、方法和技术的进一步发展提供了广阔的空间，并逐步形成了具有独特技术方法的研究领域。环境工程地球物理学在这些领域已经有了无数成功的例子，但仍处于形成和发展过程中，其研究和应用领域有待拓展和提高。
地球物理场环境效应调查包括:天然核辐射环境效应调查、解决氡灾害远景的区域预测、室内氡浓度监测和新建筑规划区选址设计；调查自然电磁场的环境效应，研究电磁场的生物效应及其对人类设施的影响；调查人工弹性波场的环境效应，研究人工振动对工程建筑破坏和地基承载力的影响。环境污染的监测主要包括放射性污染、水污染和地下固体废物污染。放射性污染监测重点调查区域天然放射性本底、核事故污染、矿山勘探和冶炼污染、煤炭开采和燃煤污染、石油开采和运输放射性污染、建筑材料放射性污染、核废料处置场选址等；水污染监测的主要工作是调查无机污染、有机污染、污染渠道和含水层之间的交叉污染。地下固体废物污染的监测重点是检测固体废物填埋场的位置、范围、厚度、隔离层、渗漏通道和污染范围以及废物堆放场的选址。地质灾害监测主要是调查滑坡、泥石流、岩溶、溶洞、地裂缝、地面沉降、土地盐碱化灾害、海水入侵、煤层自燃、矿井地质灾害(如岩爆、陷落柱、突水、瓦斯突出、井喷)等。工程问题主要有地下管线检测、区域地质调查、建筑工程质量无损检测、建筑质量无损检测、高等级公路和机场跑道路基路面质量无损检测、地基加固效果检测、大型工程地基勘探等。
例如，北京某垃圾填埋场渗漏检测采用了高密度电阻率法、瞬变电磁法、探地雷达法、地温法和化学分析法。用美国SIR-10A探地雷达，100MHz屏蔽天线，时间窗400ns。地温法采用日本UV-15精密温度计。化学分析样品取自1.5m深土壤样品，在实验室用气相色谱法分析了氯仿、四氯化碳、三氯乙烯、四氯乙烯等有机污染物。这三种方法的测量结果均无异常。说明该地区表层粘土层较致密，渗透性较差。高密度电阻率法使用E60B仪器，电极间距3m，采用斯伦贝谢排列，沿剖面布置60个电极。数据预处理后，进行二维反演。结果表明，垃圾渗滤液从局部透水层向深层渗透。污染土壤和地下水表现为低电阻率，视电阻率约为10ω·m，可定性为被渗滤液污染。垃圾场渗滤液的电阻率约为0.40ω·m，自来水的电阻率约为32ω·m..废弃渗漏液的污染已通过钻探确认，2002年开始施工处理地下水泥防渗墙。
例如，在陕京输气工程涿县至北京段的地下管线探测中，查明了天然气管道敷设沿线地下管线的分布情况。探测采用金属管道探测器和探地雷达。在探测过程中，遇到的大多是军用电缆，它们以不同的角度与天然气管道沟相交。如果用常规方法检测这种电缆，很容易漏检。为了解决这一问题，采用远距离跟踪电缆位置的方法接近天然气管道沟，同时沿管道沟采用“环形”布线的探测技术进行进一步的详细调查。在数据采集中，发射器和接收器保持在同一水平线上，以保证仪器在地下管道上方通过时接收到有用信号，防止有用信号丢失。上海某地勘院利用探地雷达完成了对浦东沪闵路污水管和杨高路雨水管的探测。浦东杨高路地下雨水管探测中，天线距离1m，测点距离0.1m，中心频率100 MHz。雷达图像上探测对象反射信号清晰，反射顶面深度为1.6m，管径为1.6m，开挖后核实雨水管顶面埋深为1.54m，管径为1.6m，效果相当好。
5环境和工程地球物理学的进展
5.1仪器更新
代表性的有:①GPR发展理性、系统、快速。近年来探地雷达发展迅速。超宽分离天线和双静态多频天线的研制成功，使探地雷达的工作带宽达到0.1 ~ 100 MHz，时间间隔为0 ~ 20000 ns。此外，仪器变得更小、更轻、更便宜，但性能变得更好。②浅层地震方法和仪器有新发展。特别是三维高分辨率地震勘探技术的普及和应用，使研究人员能够借助计算机对地质体进行三维研究，从而大大提高了环境分析的准确性。井间地震成像技术和地震剖面偏移处理技术也有所发展。便携式震源的出现改变了以往地震方法仪器庞大、勘探成本高等缺点，大大提高了工作效率。③高灵敏度近地表磁梯度仪器的出现。目前美国已研制出G-858铯光泵磁力仪，具有稳定性强、灵敏度高、实时显示图形、数字和声音、操作方便等优点，可同时测量总场和水平、垂直梯度。
5.2方法和技术的更新
环境与工程地球物理技术包括电法和电磁法(电阻率法、激发极化法、自然电位法、音频大地电磁法、甚低频法)、位场法(磁梯度测量法、微重力测量法)、浅层地震法(地震折射法、地震反射法)和放射性法。最近出现了高密度电法、探地雷达、面波勘探、核磁共振等。这些新方法在不同程度上提供了最佳的分辨率，并且可以减少近地表信号衰减、地层非均质性和某些类型的噪声的影响。
5.3数据处理技术的改进
环境和工程地球物理的发展也促进了数据处理、正反向解释和成像技术的发展。频谱分析、小波分析和统计方法广泛应用于数据去噪和微弱信号提取。反射地震和探地雷达资料的偏移成像采用解析法、有限元法和有限差分法，研究的介质从各向同性发展到各向异性，正演拟合逐渐向真实介质逼近，反演方法也从线性方法发展到非线性方法。不过从目前的软件来看，还有很大的发展空间。比如多道面波技术的频散曲线反演主要是一维的，没有二维的反演方法和软件；电磁法的反演大多集中在一维、二维，广泛使用的三维反演软件已经开发出来。浅层反射地震和探地雷达反演软件正逐步向标准化和商品化方向发展。计算机技术的快速发展促进了地球物理处理方法的发展，许多处理地球物理数据的软件也出现了。在这些数据处理程序中，采用了许多新的理论和算法，并或多或少地体现了最近发展起来的混沌理论、分形理论、小波理论、模式识别等。例如，我国研究人员提出的分频处理(FDP)可以将薄层的可识别性降低到1/16 ~ 1/64波长，大大提高地震记录的信噪比和分辨率。这些理论的应用使得分析过程更加接近自然环境，提高了研究结果的可信度。
5.4应用领域的扩展
环境与工程地球物理学被应用于解决更广泛的问题，新的应用领域仍在不断拓展。这几年的进步，有的是随着仪器的更新和计算机技术的进步而出现的，有的是社会需求刺激的，有的是各种法律规定的强制性因素产生的。虽然目前环境与工程地球物理有很多用途，但也有很多潜在用途。例如确定水文地质特征、绘制基岩顶面和滑坡底面图、勘探煤、金属和其他矿物、土木、采矿和天然地震工程、确定地基加固和处理后改善的程度、探测和绘制地下设施、确定岩石的可剥离性、监测地球运动和物理性质随时间的变化、监测水坝和防洪堤的强度、确定沟渠填充物的性质、调查污染物的羽化、探测未爆弹药和探索考古。
6环境与工程地球物理学的几个重要发展趋势
(1)环境和工程地球物理方法正逐步向高分辨率、高精度的质量检测和监测方法发展，表现在环境和工程应用领域的拓展(例如农业用地的理化性质、公共卫生和安全方面如该领域各种工程的污染控制和质量检测等)。)、仪器技术水平的提高和数据处理技术的进步(近几十年或几年发展起来的混沌理论等。
(2)地下水有机污染的研究是一个重要领域。地下水是人类生活的重要水源。一旦被污染，就会对人体健康造成极大的危害。环境地球物理学用于地下水研究，其目的是监测和保护地下水的质量，而不是地下水的供应和开发。
(3)地质灾害预测和环境污染监测是研究的主要内容，重点解决地质灾害预测和环境污染的长期地球物理监测。
(4)综合地球物理方法研究环境工程问题。工程环境问题种类繁多，性质各异，涉及领域广泛。为了取得更好的地质效果，应采用综合地球物理方法。
(5)特殊环境下的环境与工程地球物理技术有待发展。加强矿山地球物理技术研究，发展水下地球物理勘探技术。
(6)环境工程问题的时间剖面地球物理勘探，对目标体进行动态、连续、长期的检查是环境工程地球物理的发展方向。
(7)生态环境研究是环境与工程地球物理研究的新热点。
(8)环境和工程地球物理信号采集、数据传输、数据处理和地质解释的数字化、可视化和网络化是新的发展趋势。
总之，环境与工程地球物理学是一门新兴学科，其研究和应用领域在不断扩大。其方法和技术具有快速、经济、可靠的特点。特别是在天灾人祸不断困扰全人类的当前形势下，地球物理技术在环境工程问题的应用上取得了新的进展，在国民经济建设中发挥了重要作用，成为解决环境工程问题不可或缺的重要手段。
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