揭秘 地下水地球物理学的实用指南

  与地球物理关注高温度高压力的地球深部环境不同，地下水地球物理主要使用在地球物理方法观测和刻画地下水系统结构特征，并监测地下水相关作用过程。该学科始于20世纪90年代末期，随着随机水文学中非均质性研究开始受到关注。出于对定量刻画及描述浅层地下结构的需求，地下水地球物理方法得以迅速发展。近年来得益于监测手段和反演技术的逐渐完备和发展，地下水地球物理探测提供了一系列多维多尺度的观测方法，大范围的应用于定量评估浅层地下介质的非均质性和地下流体的动态监测，甚至是复杂的生物地球化学反应过程监测。特别是近年来的时间推移方法(将时间维度增加到传统的静态地球物理监测中)为地下水地球物理的发展提供了新的推动力。早期的地下水地球物理研究通常集中在小尺度的室内实验上，近年来逐渐转向更大的区域尺度研究。随着可持续水资源和ECO定量监测与管理的需求一直增长，地下水地球物理方法仍然在不断地发展和创新。

  水文领域应用比较广泛的地球物理方法有电阻率成像法、激发极化法、自然电位法、地质雷达法、电磁感应法、核磁共振法、地震法等。下表列举了一些地球物理方法所提供的地球物理参数及由这些参数可获取的水文参数。

  按工作原理， 可将常用地下水地球物理方法划分为重力勘探、 磁法勘探、 电(磁)法勘探、地震勘探、放射性勘探；按工作搭载平台，可划分为航空物探、地面物探、井中物探。

  1. 大部分研究对象是浅、小的物体，探查深度从几十厘米到几十米，要求探测的分辨率比较高、定量解释精度高。2. 不仅要求搞清探查对象的空间分布规律，而且要求查明单个对象(如溶洞)的空间位置。3. 与工程及环境地质工作结合紧密，探查资料通常要用于设计或施工，时间上衔接紧，这通常使得探测结论能及时得到验证和反馈，对地球物理勘探工作的结论要求高。4. 探查对象复杂。浅、小的物体规律复杂，近地表的地质条件和物性也不均匀，各向异性严重，这都给资料的定性和定量解释带来许多困难。5. 不同地球物理方法的观测尺度存在极大差异。观测尺度对物探数据的解译也有较大影响。

  随着地球物理勘探技术的加快速度进行发展，地下水地球物理方法大范围的应用于水文地质调查、土壤-地下水环境调查、关键带水文生态过程等诸多领域。为了适应水文学及水资源、地下水科学与工程、环境水文地质等专业的科研和教学需求，我们编写了本书。本书系统地论述了常见的地下水地球物理方法的基本理论、原理及野外工作方法，资料处理和解译技术，并以案例形式介绍了各方法在不相同的领域的应用。

  地下水地球物理方法理论基础(包括第2章)：此部分介绍含水介质的地球物理特性(电磁及地震特性)，阐述将地球物理信息转化为水文地质信息的常见岩性物理模型。

  地下水地球物理方法详述(包括第3～9章)：此部分介绍用于地下水研究的各类地球物理方法，包括直流电阻率法与激发极化法(第3章)、地质雷达法(第4章)、重力勘探(第5章)、浅层地震法(第6章)、感应电磁法(第7章)、地球物理测井法(第8章)及航空地球物理法(第9章)。

  地下水地球物理方法应用及案例(包括第10～15章)：在上述理论基础和方法原理的基础上，此部分结合不同尺度的具体案例来说明地球物理方法在各应用场景下的优势及局限。第10章介绍实验室尺度下地球物理方法的应用，并讨论基于室内测量构建岩性物理模型的方法；第11章介绍地球物理方法在含水层结构刻画领域的应用；第12章介绍地球物理方法在监测包气带水流过程方面的应用；第13、14章介绍其在监测污染物运移过程和生物地球化学过程中的应用及发展前途；第15章简述地球物理方法在工程地下水问题中的应用。

  本文摘编自《地下水地球物理》一书，有删减，图片来源于该书，标题为编者所加。本书入选科学出版社“十四五”普通高等教育研究生规划教材。

  本书叙述了地下水地球物理学的概念、基础原理、常用的各类方法及不相同的领域的应用案例。全书共分十五章，内容有岩性物理模型、直流电阻率法与激发极化法、地质雷达法、重力勘探、浅层地震法、感应电磁法、地球物理测井法、航空地球物理法，以及地下水地球物理方法在实验室尺度和野外尺度下应用于含水层结构刻画、包气带水流过程、污染物运移过程、生物地球物理及工程地下水问题等不相同的领域的案例。本书可作为高等院校相关专业的高年级本科生和研究生用书，也可供水文地质和地球物理学科的科研人员及技术人员参考。

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