用綜合地球物理方法來(lái)了解地下世界

同濟(jì)大學(xué) 于 鵬

對(duì)地下隱伏的防空洞、未爆彈等障礙物、引起各類地質(zhì)災(zāi)害的地下結(jié)構(gòu)、深層油氣資源等方面的勘探，都需要利用地球物理方法來(lái)解決。地球物理學(xué)是以地球?yàn)檠芯繉?duì)象的一門學(xué)科，地球物理工作者們通過(guò)觀測(cè)和分析由地球內(nèi)部介質(zhì)引起的地球物理場(chǎng)來(lái)研究地下地質(zhì)特征?；诘叵陆橘|(zhì)物性差異的不同，地球物理學(xué)又可分為以地下介質(zhì)密度差異為物性基礎(chǔ)的地球重力學(xué)與重力勘探、以磁性差異為物性基礎(chǔ)的地磁學(xué)與磁法勘探、以電性差異為物性基礎(chǔ)的地電學(xué)與電法勘探、以彈性參數(shù)差異為物性基礎(chǔ)的地震學(xué)與地震勘探等分支學(xué)科。

在進(jìn)行實(shí)際的地球物理工作前，地球物理工作者們會(huì)根據(jù)研究區(qū)地下介質(zhì)的主要物性差異選擇與之相對(duì)應(yīng)的地球物理方法。一般在選用具體方法前需對(duì)探測(cè)目標(biāo)及其圍巖有一定了解，然后根據(jù)探測(cè)區(qū)域的物性特點(diǎn)選擇行之有效的物探方法，比如，對(duì)于防空洞的探測(cè)一般采用高密度電法、探地雷達(dá)和瑞雷面波法等。

然而，由于地球物理反演問(wèn)題的非唯一性和等效性、地球物理地質(zhì)解釋的多解性等地球物理方法固有的特性，造成單一地球物理方法解決問(wèn)題時(shí)存在局限性，比如防空洞破裂含水時(shí)，基于電阻率差異的高密度電法的勘探能力將降低，因?yàn)閲鷰r和含水后防空洞的電阻率差異變小，單一利用高密度電法勘探將難以發(fā)揮作用；又比如深層油氣資源勘探時(shí)，由于復(fù)雜地表和復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)等因素影響，作為主要勘探手段的反射地震在深層的資料品質(zhì)變低，無(wú)法通過(guò)單一地震方法提供認(rèn)識(shí)深部結(jié)構(gòu)的有效信息。在上述這些情況下，就必須綜合其他的地球物理方法來(lái)開(kāi)展工作。當(dāng)前地下地質(zhì)情況的復(fù)雜多樣性以及地球物理勘探的廣度、深度和難度的增加，也愈發(fā)體現(xiàn)出開(kāi)展綜合地球物理研究的必要性和重要性。

綜合地球物理作為地球物理學(xué)的一個(gè)分支學(xué)科，是在地球物理各個(gè)分支學(xué)科（地球重力學(xué)與重力勘探、地磁學(xué)與磁法勘探、地電學(xué)與電法勘探、地震學(xué)與地震勘探等）的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，綜合地球物理具有明顯的綜合性和實(shí)踐性，在該學(xué)科的發(fā)展中逐漸形成了特有的理論和方法。綜合地球物理的研究思路是通過(guò)不同的巖石物性參數(shù)從不同的角度來(lái)認(rèn)識(shí)地下結(jié)構(gòu)以解決有關(guān)的地質(zhì)問(wèn)題。

我國(guó)著名的地球物理學(xué)家劉光鼎院士在長(zhǎng)期的生產(chǎn)科研和教學(xué)實(shí)踐中總結(jié)提出了“一（一種指導(dǎo)）、二（兩個(gè)環(huán)節(jié)）、三（三項(xiàng)結(jié)合）、多（多次反饋）”和“區(qū)域控制局部，深層制約淺層”的綜合地球物理解釋基本原則，有力地推動(dòng)了我國(guó)綜合地球物理學(xué)科的發(fā)展和地質(zhì)勘探工作的深入開(kāi)展。

一種指導(dǎo)就是以活動(dòng)論的巖石層板塊大地構(gòu)造理論為指導(dǎo)。由于地球物理資料解釋是以完成地質(zhì)任務(wù)為目的，所以必須要有先進(jìn)的地質(zhì)理論為指導(dǎo)，就是活動(dòng)論的巖石層板塊大地構(gòu)造理論。

兩個(gè)環(huán)節(jié)指的是巖石物性與物理—地質(zhì)模型，它們是綜合地球物理的物理—地質(zhì)基礎(chǔ)。巖石物理性質(zhì)(密度、磁性、電性、速度等）的差異是地球物理的前提和物質(zhì)基礎(chǔ)，是建立物理—地質(zhì)模型的必要條件和地質(zhì)解釋的重要依據(jù)，它們是聯(lián)系地質(zhì)與地球物理之間的紐帶和橋梁。物理—地質(zhì)模型是將地質(zhì)與地球物理融為一體的模型，它既包含地層、巖性、構(gòu)造、基底等地質(zhì)內(nèi)容，又有反映巖石物性參數(shù)、地質(zhì)體幾何參數(shù)和地球物理場(chǎng)的地球物理內(nèi)容，它是地質(zhì)理論指導(dǎo)地球物理的具體體現(xiàn)。根據(jù)地質(zhì)任務(wù)和物探工作的設(shè)計(jì)，在地質(zhì)理論的指導(dǎo)下，建立相應(yīng)的物理—地質(zhì)模型，通過(guò)資料的解釋，修改和完善模型并獲得最終的地質(zhì)結(jié)論。

三項(xiàng)結(jié)合是指地質(zhì)與地球物理的結(jié)合、正演與反演的結(jié)合、定性解釋與定量解釋的結(jié)合，它們是貫穿于整個(gè)地球物理綜合解釋的核心思想。地質(zhì)與地球物理的結(jié)合是三項(xiàng)結(jié)合的重中之重。因?yàn)榈刭|(zhì)是地球物理工作的出發(fā)點(diǎn)，地球物理工作內(nèi)容由地質(zhì)任務(wù)來(lái)確定，同時(shí)地質(zhì)又是地球物理工作的落腳點(diǎn)，因?yàn)榈厍蛭锢砉ぷ鞒晒w現(xiàn)在解決地質(zhì)問(wèn)題及地質(zhì)效果上。

多次反饋是指關(guān)于地球物理的解釋不是一次完成的，要通過(guò)多次的正演與反演、定性與定量、地質(zhì)與物探的結(jié)合，多次反饋完成。多次反饋?zhàn)裱巳祟悓?duì)主觀世界的認(rèn)識(shí)規(guī)律，實(shí)踐、認(rèn)識(shí)、再實(shí)踐、再認(rèn)識(shí)，使人的主觀認(rèn)識(shí)接近于地下客觀實(shí)踐。這個(gè)過(guò)程就是去粗取精、去偽存真、由表及里、由淺到深地使人的解釋結(jié)果逐步逼近于地下客觀事實(shí)。

“區(qū)域控制局部，深層制約淺層”作為對(duì)劉光鼎院士“一、二、三、多” 綜合地球物理解釋基本原則的補(bǔ)充，在實(shí)際工作中也十分重要。從地球科學(xué)宏觀來(lái)說(shuō)，全球的板塊運(yùn)動(dòng)、區(qū)域塊體運(yùn)動(dòng)均會(huì)造成區(qū)域地殼構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、地殼的隆升與下陷、斷裂與巖漿的活動(dòng)、礦產(chǎn)資源的形成和改造等等這些區(qū)域地質(zhì)現(xiàn)象，包括近地表的地質(zhì)災(zāi)害、天然地震的發(fā)生，都會(huì)受到板塊運(yùn)動(dòng)的影響。我們通過(guò)深部地球物理方法來(lái)研究巖石圈的底界面、莫霍面、居里面等深部構(gòu)造界面的變化，這些深部地質(zhì)構(gòu)造往往跟區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)，這些深部與區(qū)域的地質(zhì)活動(dòng)和變化極大地影響和控制了局部構(gòu)造和淺層的地質(zhì)活動(dòng)，因此在綜合地球物理解釋中必須將區(qū)域和局部、深層和淺層的解釋結(jié)合起來(lái)。

十三五期間，科技部啟動(dòng)了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“超深層重磁電震勘探技術(shù)研究”，由中國(guó)石油集團(tuán)東方地球物理勘探有限責(zé)任公司聯(lián)合同濟(jì)大學(xué)等多家高校實(shí)施，項(xiàng)目批準(zhǔn)號(hào)為2016YFC0601104，重點(diǎn)即是對(duì)目前超深層6～10千米的油氣資源勘探問(wèn)題展開(kāi)綜合地球物理方法研究，研究的關(guān)鍵問(wèn)題是綜合地球物理最重要的定量手段——聯(lián)合反演，在地球物理資料處理和解釋中，將自始至終貫徹上述五條綜合解釋原則，探索地球物理資料聯(lián)合反演和綜合解釋的新途徑，通過(guò)方法攻關(guān)進(jìn)一步克服地球物理反演的非唯一性和地質(zhì)解釋的多解性，提高對(duì)地下目標(biāo)勘探的精度和準(zhǔn)確性，服務(wù)于國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)。