Question

地球物理勘探技术面临的问题与发展趋势

Answer 1

随着勘探领域的扩大与深入，遇到的地质条件越来越复杂，地球物理勘探将面临多种多样的问题。其中主要问题可以概括为以下3个方面，今后的发展也将围绕克服这些问题而开展。

1.提高微弱地球物理信号的采集与处理水平

地球物理勘探技术是依据对观测的地球物理场数据的分析来实现探测目的的。因此，数据采集是地球物理工作的基础。历史的发展充分说明，数据采集精度的提高，使得地球物理探测的应用效果、应用范围不断扩大。例如重力仪的精度从20世纪50年代的(0.2～0.4)×10^-5m/s²提高到目前的(0.01～0.03)×10^-5m/s²，使得重力勘探的能力和应用范围大大加强和拓宽。地球物理方法和理论的进展，需要数据采集技术的进步作保证才能得以实现。世界上所有地球物理技术发达的国家，都有强大的仪器研究与制造业做后盾。为了使我国地球物理工作的发展居于世界先进水平，也必然要加强仪器的研制。

其中包括：①高性能探测换能器的研制，如新型地震检波器和核射线探测器等；②高性能人工源的研制，在地球物理方法中，除观测重力场和磁场等天然场的方法之外，有许多是借助人工场激发的物理场进行的，如地震勘探和大部分电法勘探，为了获得更多的地质信息，场源往往起很大作用，因此，各种场源的研究，也会是今后发展的一个重要方面，如高性能的震源、大功率的电源、高产额的射线源等；③高性能数据记录系统的研制，随着方法的进步，数据量的加大，要求记录系统有更高的性能，例如三维地震和高密度电法，都要求仪器的道数增加。为了提高探测的分辨率，则要求记录系统的带宽和动态范围加大等。

地球物理数据处理的目的是消除各种干扰因素，突出所需的地质信息。这些干扰因素包括：与测量技术有关的影响因素、环境影响因素以及非研究目标的其他地质因素的影响等。不同地球物理方法，受各种因素的影响程度不同，因而处理的重点和方法也不相同。以地震勘探为例，为了提高数据的精度，需要消除近地表因素对一致性的影响；为了有效地提高分辨率，需要进行提高信噪比处理；在反射倾角比较大时，为了减少空间假频，需要进行道内插处理；为了提高解释精度，需要进行提高地震数据的保真处理等。

2.非均匀地质体的探测与描述

几何形体简单、物性分布均匀、埋藏深度较浅且易于发现的矿产资源，今后将越来越少，物探人员面对的将是岩性不均匀、结构与构造复杂、物理性质在纵向和横向上均有较大变化，并且埋藏较深、地质条件复杂的勘探对象。为了查明空间上不均匀变化的对象，必须获得足够的能表征地下内部结构和性质的参数，才有可能比较细致地勾画出对象的复杂特征。所谓足够的参数，一是指参数的种类，二是指每种参数的数量。为了清晰显示研究对象的空间特征，近20年来各种物理场的成像研究取得很大进展，包括地震波成像、电磁波成像和位场成像等。

地震波成像可以在地面、井间和井地之间进行。在已知速度的情况下可以进行几何结构成像，或已知几何结构的情况下进行物性结构成像。地震波成像在石油天然气勘探中已取得一些实用的效果，其中突出的实例如利用叠前深度偏移清楚地获得了古潜山的内幕(杨长春等，1996)，但是目前地震勘探实际观测的主要还是纵波的垂直分量，多波多分量的观测与应用研究还只是开始。另外，实际地下介质不仅具有纵向和横向的不均匀性，而且具有纵向横向的各向差异性。只有充分地利用地震波的多种信息，才能够对岩性变化、裂隙的发育状况和孔隙中流体的性质有更准确的了解。井向地震波层析成像比地面地震的分辨率高，随着井下设备的发展，将成为开发地震的重要工具。单井地震波成像即保持井下地震波不受表层干扰的优点，同时不受需要两口井的限制，有可能得到较大发展。超声波井壁成像是成像技术在油田勘探中的另一项重要应用，它可以划分裂缝发育层段，从而有效地圈定裂缝储层，目前它的分辨率还比较低，定量解释技术有待开发。

电磁波成像包括低频的电磁感应法和大地电磁测深，以及高频的探地雷达成像等。电磁波成像也可以在地面、井下、井间或井地间进行。相对于地震波成像，电磁波成像的方法理论和技术还处于发展的初始阶段，许多地方沿用了地震波成像的方法技术。但是由于描述电磁波传播过程的方程中含有扩散项，且其传播常数为复数，因此采用地震波成像方法和技术处理电磁波成像问题，往往得不到理想的效果。目前，低频电磁波成像的应用还处于萌芽阶段(何继善1997)，因此，电磁波成像的进一步发展，必须根据自身的特点探索新的路子。

由于高频电磁波方程可以简化为类似于弹性波的波动方程，所以探地雷达的数据处理和解释多采用反射地震的方法技术，主要修改在于尺度标定和参数选择。跨孔的高频电磁波成像，当井间距离不大时，在探测高导金属矿体和溶洞方向已取得一些成功实例。为了提高高频电磁波法对几何结构的分辨率，发展针对其动力学特征的处理技术势在必然(王妙月等，1998)。

随着数据采集技术的改进，直流电阻率法成像方法近年来也取得了一些进展。在理论上，直流电阻率法成像与地震波和电磁波成像方法不同，直流电场由拉普拉斯方程描述。由于直流电阻率法观测设备与野外作业方法简单、探测深度较大，因此在油气勘探、金属矿勘探和工程勘查中应用前景更广阔。

地球物理对复杂对象的探测，是在计算机技术迅猛发展的带动下才得以实现的。成像技术的特点是未知数多，观测数据量大，只有观测信息对每个未知数的覆盖次数足够多，才能使解出的未知数比较可靠。同样，地球物理勘探结果可视化的需求也推动了计算机技术的进步，并且计算机将在今后的地球物理数据的运算中起主要作用。

3.综合利用多种信息，减少地球物理反问题的多解性

地球物理勘探是通过在地表、空中或井下局部地球物理场的观测结果，去分析推断地下不能直接观测部分物质的性质和形态。由于物质形态和性质变化对地球物理场影响的等效现象，使得反问题解答不唯一。如果再考虑观测误差和干扰等因素的影响，以及描述物理场的数学表达和计算方法的不精细，问题就进一步复杂化。从某种意义上讲，地球物理探测技术就是围绕着如何减少多解性的影响，给出更可靠的地质答案这一目的向前发展的。今后仍将沿这个方向继续前进。

地球物理探测的对象越复杂，表征其性质、结构和构造的变数越多。另外，不同的地质对象可能具有某些相同的物理性质。因此，为准确描述一个复杂的探测对象，或区分不同的研究对象，都应该综合利用多种信息，这已成为广大研究人员的共识。例如在油气勘探中，除地震、测井数据综合外，综合使用其他勘探数据，如重磁勘探和电法勘探数据，在处理复杂地质条件的问题时，也是非常重要的。随着多种信息综合应用的进展，油气勘探研究思路也在发生变化。油储地球物理的发展就是一个很好的说明(刘光鼎等，1998)。可以预计，随着复杂探测对象的不断出现，将推动综合信息找矿方法进一步发展。同时，将推动下列几个方面的研究向前发展。

1)新方法和新参数的探索：地球物理勘探理论和方法在客观需要的推动下，始终是在不断完善已有方法和探索新的方法两个方面同时前进的。新的物理参数的应用，将减小多解性的影响，例如，当地震波被利用之后，通过纵横波综合利用，大大减小了对岩性判断的不确定性。地震勘探中对多波多分量的研究，电法勘探中地电化学法和电磁导弹的研究，以及震电效应和震磁效应的研究等，都是为探索新方法和新参数所做努力的一部分。当地球物理数据中不含有足够的地质信息时，只依靠数据处理是达不到目的的，必须增加新的物性参数以补充和丰富地球物理数据中携带的地质信息，再通过适当的数据处理方法才有可能获得可靠的地质结论。

2)“直接”找矿和“间接”找矿相结合(孙文珂，1991；赵文津，1991)：“直接”找矿是根据矿体或矿体群产生的地球物理场异常直接指出矿体或矿体群的属性、具体位置或其他有关情况。“间接”找矿是根据矿床的直接控矿因素及近矿围岩引起的异常现象指出矿床可能的分布地段。为了正确确定物探的任务是“直接”找矿还是“间接”找矿，就需要正确了解勘探对象的地质、地球物理特点，建立目标物的地质-地球物理模型。地球物理勘探的目的是要对地质单元作精细的刻画，因此模型首先是以地质模型为基础。通过模型建立将得出最佳的勘探工作程序和方法组合，即勘查工作模式，以及识别目标物的标志，即预测目的物的准则(孙文珂，1988，1991)。预测准则就是能指示或圈出矿产资源目的物存在的有效标志信息组合或系统。在这个系统中，如果既包括“直接”找矿信息，又包括“间接”找矿信息，将会大大减小解的非唯一性的影响。通过矿床成因模式的研究，使人们对不同的成矿地质背景下不同类型矿床的成因及矿床赋存条件，能有一个比较清楚的了解。因此，借助于矿床成因模式，人们可以获得清楚的找矿思路和找矿工作方向。地球物理工作者在矿床成因模式的基础上，结合地球物理场的特征分析，逐步形成了比较完整的综合找矿模式，用以指导勘查工作和作为资料解释的依据。按照“模式找矿”的思路，国内外都有许多成功的找矿实例(何继善，1997；赵文津，1991)。然而，矿床模式只能代表人们当时对已取得的矿床特征、矿床成因认识的总和。地质情况的变化是十分复杂的，完全相同的情况是很难遇到的。因此，既要重视模式找矿，同时又要考虑到会不会有未包括在已概括的找矿模式之内的新类型矿床或新的矿产资源。特别是在一个新的地区不要拘泥于某一种模式。

3)正反演方法的改进：地质现象十分复杂，其物理场特征的数学表述不够准确，往往是造成正反演不准确的原因。例如，一个非线性问题，往往由于不恰当的用线性近似处理，得不到好的结果。因此，地球物理工作者应不断吸收数学等相关学科的最新成果，来改进地球物理正反演方法，以取得可靠的地质效果。

4)多参数联合反演：对同一研究对象的两种以上物理场的观测结果，或同一种物性参数两种以上不同观测方式得到的结果进行联合反演，是减小解非唯一性影响的有效途径之一(王家映，1997)。

5)数据综合管理：为了有效地实现多种信息综合应用，数据的综合管理是关键因素之一。地球物理与地质数据类型的多样性和数据量的不断增大，使得数据管理的任务更加复杂。为了能有效地存储和管理大量的勘探数据，提出了数据仓储概念，以便为多种数据集成创造条件。

小结

通过简单的介绍物探方法的分类、实质、特点及地球物理勘探在资源勘查中的作用，地球物理勘探面临的任务、问题及发展趋势，激励学生学习热情，树立信心，努力掌握物探技术。

复习思考题

1.何谓地球物理勘探?

2.地球物理勘探面临的任务?

3.地球物理勘探在资源勘查中的作用?