劉光鼎

中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，北京 100029

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立足淺地表，發(fā)展新技術(shù)

劉光鼎

中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，北京 100029

淺地表地球物理指運用物理學(xué)原理和方法對地球最表層進(jìn)行的技術(shù)理論和應(yīng)用研究.具有廣泛的應(yīng)用范圍，支撐著人類生存和發(fā)展的需求.生活于其上，鉆探、挖掘于其中，一方面向其索取水資源和礦物，構(gòu)建現(xiàn)代城市必需的地下空間水、電、氣、通訊、交通等管網(wǎng)系統(tǒng)；另一方面將人類活動產(chǎn)生的各種廢物排放和掩埋于其中，形成人類紀(jì)特有的地質(zhì)層.無論從技術(shù)層面(物理)還是非技術(shù)層面(政治，社會，法律)來看，淺地表地球物理學(xué)都越來越受到關(guān)注.相較于傳統(tǒng)的勘查地球物理和固體地球物理，淺地表地球物理涵蓋了更為繁雜的應(yīng)用領(lǐng)域，包括巖土工程、環(huán)境修復(fù)工程、采礦工程、地下水資源開發(fā)和水源地保護(hù)、地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測和防治、考古、法醫(yī)、國防、軍事等等.因此，在要求更高的時空探測能力的同時，淺地表介質(zhì)的極端不均勻性、快速和復(fù)雜的物理和/或化學(xué)性質(zhì)變化、多樣和日益增強的背景干擾、受限的觀測空間是淺地表地球物理學(xué)必須面對的主要技術(shù)挑戰(zhàn).

由于我國城市化進(jìn)程與地球物理技術(shù)發(fā)展的契合，我國地球物理工作者具有比西方發(fā)達(dá)國家更好的科學(xué)研究機遇，也因此有力推動了我國淺地表地球物理領(lǐng)域的發(fā)展，建立了與國際同行間的廣泛學(xué)術(shù)交流.自2004年以來每偶數(shù)年舉辦的“環(huán)境與工程地球物理國際會議(International Conference of Environmental and Engineering Geophysics, ICEEG)”，對于提高我國淺地表地球物理的研究水平和推動相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用發(fā)揮了重要作用，并直接促進(jìn)了“淺地表地球物理亞太會議(Near Surface Geophysics Asia Pacific Conference)”(自2013年后每奇數(shù)年在中國、美國、澳大利亞、韓國、日本輪流舉辦)的產(chǎn)生.

為了順應(yīng)地球物理學(xué)科在全球發(fā)展的需要，并應(yīng)對我國社會經(jīng)濟高速發(fā)展中的實際需求，2014年6月，中國地球物理學(xué)會淺地表地球物理專業(yè)委員會(Near-Surface Geophysics Committee of Chinese Geophysical Society)于2014年6月在西安成立，掛靠中國地質(zhì)大學(xué)(武漢).國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域科學(xué)家也完成了一大批研究成果.因此，本刊決定推出“淺地表地球物理”專欄，以交流和展示這一領(lǐng)域的最新成果和進(jìn)展.2014年9月，本刊聘請中國地質(zhì)大學(xué)徐義賢教授為專欄特邀主編開展工作, 通過各種方式征集稿件.一年來編輯部陸續(xù)收到一批相關(guān)稿件，經(jīng)過專家評審和篩選，從中精選出12篇文章組成本期專欄.論文內(nèi)容包括淺地表地震方法(4篇)、電與電磁法(5篇)、生物地球物理(1篇)、巖土工程應(yīng)用(1篇)和地球物理儀器應(yīng)用(1篇)，較為全面地反映了國內(nèi)外淺地表地球物理領(lǐng)域的科學(xué)研究和應(yīng)用現(xiàn)狀.

按照所利用的地震波類型劃分，淺地表地震學(xué)可以包括淺層折射波法和反射波法、主動源和背景噪聲高頻面波法等.夏江海團隊近3年的研究成果，將理論分析和數(shù)值模擬試驗結(jié)果與實例相互印證，論述了多道瑞雷和勒夫面波分析法的最新進(jìn)展，指出這類方法業(yè)已在淺地表巖土工程中證明了具有快速穩(wěn)健發(fā)展的優(yōu)勢.徐義賢等追溯和梳理了噪聲地震學(xué)的發(fā)展歷程，剖析了快速發(fā)展中基于背景噪聲的各種成像方法，并對這些方法應(yīng)用于淺地表的能力和前景進(jìn)行了評價，這是值得在城市區(qū)域推廣的新方法.張煜等針對淺地表介質(zhì)一般具多孔多相組成的特點，重點介紹了地震波在多相不均勻飽和介質(zhì)中的傳播規(guī)律，強調(diào)了瑞雷面波在這類介質(zhì)中傳播的頻散和衰減特性，對利用地震波傳播性質(zhì)精細(xì)描述淺地表的組成物質(zhì)具有明顯的意義.

電與電磁法分類繁雜，在淺地表領(lǐng)域應(yīng)用廣泛.殷長春等對國內(nèi)外航空電磁法的儀器設(shè)備研發(fā)、數(shù)據(jù)處理和解釋、以及淺地表的應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)地綜述，對于在淺地表領(lǐng)域推廣應(yīng)用這項技術(shù)有重要參考價值.劉瀾波等對探地雷達(dá)在古環(huán)境和凍土研究、空洞檢測、生命搜救等方面的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，對發(fā)展中的孔中雷達(dá)、探月雷達(dá)、及相關(guān)的信號處理和成像算法進(jìn)行了技術(shù)分析和發(fā)展前景的展望.湯井田等對可控源電磁法特別是AMT和CSAMT方法，從儀器設(shè)備、數(shù)據(jù)采集和處理、反演及應(yīng)用實例等各方面進(jìn)行了綜述，反映了可控源電磁法在國內(nèi)外技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用的現(xiàn)狀.李貅等提出了將地面核磁共振和瞬變電磁資料進(jìn)行聯(lián)合勘探的方法，并利用數(shù)值實驗證明了方法的可行性，這對于在淺地表識別含水層(體)具有重要的意義.吳小平等闡述了非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格有限元方法在直流電阻率三維模擬和反演中的研究現(xiàn)狀，強調(diào)了非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格有限元法在模擬地形起伏和復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)方面的優(yōu)勢，并采用合成數(shù)據(jù)實現(xiàn)了擬高斯-牛頓法的三維電阻率模型的反演，這一技術(shù)在復(fù)雜淺地表中具有良好的應(yīng)用前景.張瑩瑩等討論了地空瞬變電磁法視電阻率的定義問題,給出了多輻射場源多分量測量情況下的全域視電阻率定義公式,為推廣應(yīng)用這一方法夯實了理論基礎(chǔ).

發(fā)展我國地球物理儀器裝備是當(dāng)下重要任務(wù).目前，國內(nèi)大地電磁法(MT)、可控源音頻大地電磁法(CSAMT)等感應(yīng)類深部電磁找礦方法迅猛發(fā)展，但所用電磁法儀器基本上都是美、加、德三國地球物理公司所生產(chǎn).從2010年開始，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所開始自主研發(fā)“地面電磁探測(SEP)系統(tǒng)”.目前項目已取得階段性成果.底青云等詳細(xì)闡述了研究成果和進(jìn)展.對儀器試驗結(jié)果的分析表明，自主研制的SEP系統(tǒng)已經(jīng)基本達(dá)到甚至優(yōu)于國外同類產(chǎn)品的性能，能夠很好地勝任野外實際勘查工作.

生物地球物理雖然從應(yīng)用角度可以追溯到百年以前，但作為分支學(xué)科還很年輕.張弛等以國際上特別是美國在生物地球物理上所取得的成果為基礎(chǔ)，梳理了微生物與地質(zhì)介質(zhì)相互作用的主要類型及其所產(chǎn)生地球物理可觀測信號的機理，對微生物在多孔介質(zhì)中復(fù)雜的生物、物理及化學(xué)耦合過程的理論研究也有所介紹，給出了較多實驗室觀測、野外尺度的地球物理成像及顯微尺度下成像的理論和應(yīng)用結(jié)果，這對于國內(nèi)同行了解生物地球物理的前沿及推動該學(xué)科在國內(nèi)的發(fā)展大有幫助.成功的應(yīng)用是淺地表地球物理方法得以持續(xù)進(jìn)步的推動力.林志平等介紹了應(yīng)用淺地表地球物理技術(shù)解決巖土工程問題的多個實例,從方法的應(yīng)用條件和特點出發(fā)討論了可能的應(yīng)用風(fēng)險,并展望了淺地表地球物理技術(shù)在巖土工程領(lǐng)域的應(yīng)用前景.

希望這些論文對國內(nèi)同行，特別是對地球物理工程師和準(zhǔn)備涉足該領(lǐng)域的研究生們起到“鋪路石”和引導(dǎo)作用.特別感謝以徐義賢教授為首的專欄編委會和編輯部的辛勤工作，感謝專欄作者們的精彩論文.期望我國淺地表地球物理工作能夠以此為契機，在更廣闊的領(lǐng)域(如國防軍事工作，海洋工程)，在綜合地球物理應(yīng)用中取得更大的發(fā)展，為學(xué)科發(fā)展和國民經(jīng)濟建設(shè)服務(wù).借此機會也希望更多的專家和學(xué)者向本刊投稿，展示新成果.