环境与工程地球物理技术研究及应用述评

方 熠，张 慧，朱 莹，王晓明

(1.中国地质大学(武汉)期刊社，湖北 武汉 430074；2.中国地质大学(武汉)工程学院，湖北 武汉 430074)

环境与工程地球物理是生态安全环境科学与地球物理学融合发展起来的一门新兴交叉学科,是为研究人类活动与地质环境之间的相互作用而发展运用的地球物理方法和技术,具有高分辨、高精度的特点。

我国环境与工程地球物理学科的研究和应用虽然起步比发达国家略晚,但近二十多年来发展迅速。早在20世纪80年代,我国地球物理科技工作者就积极介绍该学科在发达国家的发展与应用状况,并在相关领域开展了该学科的引进与探索,在工程物理勘察等方面取得了早期成果且在学术期刊零星发表；20世纪80年代末，已陆续出版了多种环境与工程地球物理学科的大学教材,设有地球物理专业的高校都开设了相关课程，并有工程物探本专科毕业生走向社会工作岗位；中国地球物理学会下设了环境与工程地球物理专业委员会、工程地球物理专业委员会、近地表地球物理专业委员会，1997年我国即召开了环境与工程地球物理国际会议,2004年由中国地质大学王家映教授等发起并建立了“中国环境与工程地球物理国际会议”(ICEEG)机制,并分别于2004年、2006年、2008年在中国地质大学(武汉)主办了第一、二、三届会议,2018年6月在浙江大学召开了第八届ICEEG会议。

纵观中国环境与工程地球物理学科的发展历程，走出了一条从无到有、由小到大、由弱到强的运行轨迹。为此，本文根据中国知网数据库检索，以某一地球物理学术期刊——《工程地球物理学报》近年来(2016、2017年)刊发的环境与工程地球物理理论与应用成果的论文为例，通过梳理与分析传统地震方法、电法、电磁法以及新的地质雷达技术、核磁共振技术等地球物理方法和技术在环境与安全科学领域的应用，以期揭示环境与工程地球物理技术的发展现状及其规律性问题。

1 地球物理技术在地质灾害勘查中的应用

1. 1 滑坡地质灾害调查

滑坡具有灾害性、破坏性大的特点，为了规避风险、减小损失，查明滑坡体潜在的滑动面非常有必要[1-5]。许华丽等[6]采用高精度并行电阻率法对滑坡体进行了数值模拟与探查实践应用，通过对现场滑坡的探查解释，给出了滑坡滑动面深度等参数，并结合现场钻探资料，发现并行电阻率法对滑坡体潜在滑动面的探查解释结果可靠、效果良好，可为滑坡稳定性评价提供重要的参考依据。

高密度电法具有测点密度大、采集速度快、抗干扰性强的优点，已被广泛应用于滑坡等地质灾害治理和工程勘察中。利用该方法测量过程中，通过将横向电剖面法与纵向电测深法相结合，形成阵列式勘探，可获取丰富的地电信息。如何清立等[7]利用高密度电法对滑坡区域进行勘查，通过解译地电成果图获得了滑坡体纵、横向发育及展布情况，查明了滑坡体空间形态特征、滑动面埋深以及与滑坡发育相关的断裂情况等，反映了该方法在滑坡地质灾害治理中的实际应用效果，对后期工程钻探起到了很好的指导作用。

在滑坡监测领域，滑面(带)的识别是监测滑坡体滑动情况的重要手段。马国凯等[8]运用核磁共振(SNMR)技术、高密度电阻率法、地震面波法等综合物探技术监测滑坡体滑面(带)，得到了滑面(带)对应的识别特征，并结合三峡库区白水河区域滑坡的监测试验，取得了较好的监测效果。

基于滑坡的发生常与水的作用有密切的关系,并且滑坡中的电性参数分布和滑坡产生的电场异常都与稳定边坡有明显的不同,采用频谱激电法研究滑坡存在良好的地质-地球物理前提。罗传华等[9]对铜陵市某滑坡地段含水地层电阻率和电化学活动性要素进行了分析,并采用频谱激电法对该滑坡地段滑动面进行了探测试验研究，通过综合该地区边坡工程地质岩性特征和频谱激电法提供的物性信息,初步推断该滑坡体平均厚约25 m,滑动界面深度在30～40 m处,滑动面与岩体结构面之间的关系为顺层滑坡关系,类型属于叠瓦状岩质滑坡,较好地完成了对该滑坡体的探查。

井地地震CT法以其不损坏目标体、工作量小而广泛应用于工程勘察,且更多应用于岩溶溶洞探测中。刘黎等[10]首次将井地地震CT技术引入到岩画山体探测中,总结归纳了相应观测系统的设计原则,并阐述了资料处理的原理及流程,在实际应用中取得了良好的效果。

1. 2 其他地质灾害勘查

分形与分维理论考虑了异常的空间形态、变化性以及地球物理场的各向异性和广义的自相似性，可以分析地球物理场的空间展布，并通过压制背景干扰来突出局部异常，且可以借助分维数表征空间不规则形体的复杂程度，揭示局部随机性和整体确定性特征。近地表地质灾害具有多期次和空间相关性，其所产生的地球物理场会呈现空间自相似性，满足多重分形理论，因此可以利用分形与分维理论进行地球物理数据分析。王萌等[11]将C-A多重分形模型应用于放射性地裂缝勘探的数据分析，将分维方法应用于TEM煤田采空区勘探的数据分析，其效果明显。

刘智等[12]将高密度电法应用于某黄土高填方工程勘察，并评价了该方法的应用效果。结果表明：高密度电法不仅可较准确地探测冲沟覆盖层厚度、基岩面走向和趋势，当地层电性差异较大时，也可探测出高陡挖方边坡地层的分层情况。通过实践应用，完善了高密度电法在高填方场地的应用思路和方法，同时得出高密度电法可广泛应用于填方体中出现的落水洞、裂缝等不良地质现象的深度和范围等要素调查的结论。

硇洲岛是湛江市的一个近陆岛屿，地下水是岛上居民生活和工农业生产的重要水源，由于长期不合理开采，已经出现海水入侵的问题，对硇洲岛居民生活和生产造成了严重影响。郑王琼[13]在收集、整理与分析相关调查资料的基础上，采用GMS软件中的MODFLOW和MT3D模块建立了硇洲岛海水入侵数值模型，对硇洲岛 2016—2020 年的海水入侵发展趋势进行了预测。结果表明：硇洲岛浅层含水层海水入侵范围达到1 km ，中层含水层在硇洲岛西部和北部沿海地区由于越流作用，局部出现了海水入侵现象。为了防止硇洲岛海水入侵进一步恶化，建议优化控制浅层地下水开采量，调整中深层地下水开采方案，进一步完善地下水动态监测网，并采取有效措施防止海水入侵的发展。

1. 3 地震活动趋势研究

韩晓飞等[14]研究认为：分析现今地震烈度时，通常会与同一个构造带的同震级历史地震烈度进行对比分析,用于指导地震救灾救援；但这种对比分析的精度不够,为了能够实时、准确地模拟地震受灾情况,可利用强震记录获得地震动衰减关系,并利用该衰减关系反演出已发生地震的烈度分布图；尽管现今反演地震烈度广泛应用于地震救灾救援,但通过对1815年平陆6(3/4)级地震两种地震烈度的对比研究以及震源地现今地震环境的分析发现,由于研究模型与实际地震波传播介质差异大,使得地震烈度圈过于理想,会忽略掉地层层序的差异性；通过研究地震地质背景,判断发震断裂,可为未来地震活动趋势预报分析打下基础。

2 地球物理技术在岩溶勘查中的应用

2. 1 工程建设岩溶安全隐患勘查

碳酸盐岩地区的岩溶塌陷是工程建设中必须重视的安全隐患[15]。彭超[16]为查明某高速公路工程岩溶塌陷区的范围、发育形态和规模，联合应用了地震映像法和高密度电法。应用结果表明：地震映像法和高密度电法反映的岩溶塌陷勘察结果具有较好的一致性；高密度电法能更全面地揭露岩溶发育形态，地震映像法能更精细地反映岩溶塌陷异常范围，联合采用两种方法对岩溶塌陷进行勘察能取得更全面的研究成果。

电磁波 CT 技术是工程勘查中的一种常用方法，其成果清晰、直观，能够清楚地反映出地下不同地质体的空间分布。安徽某地进行道路拓宽改造，部分路基下伏基岩岩溶发育，前期进行了大量的钻孔勘探，段春龙等[17]利用已有钻孔，采用电磁波 CT 法对注浆前后的测区进行探测，并对探测结果进行处理与解释，查明了注浆前测区内溶洞的大小、形状和空间分布，同时根据注浆前、后电磁波CT数据的对比，说明注浆后视吸收系数整体低于注浆前，表明电磁波 CT法在岩溶勘查和注浆检测方面的应用效果良好，是一种非常有效的物探手段。

铁路路基、隧道基底隐伏岩溶的存在对列车的运行存在安全隐患，为了确保运营期间的行车安全，需要对铁路路基、隧道基底隐伏岩溶进行排查。在探测现场施工干扰大、个别地段已经施做了整体道床、铺轨的情况下，牟元存等[18]通过在野外数据采集期间增加观测覆盖次数，有效地提高了复杂干扰环境下的数据采集抗干扰能力；同时采用多偏移距地震映像法抽道处理提取了不同偏移距的地震映像剖面资料，并在地震映像法探测发现异常的段落还同步提取了对应位置的面波信息；最后通过不同偏移距的地震映像资料与面波资料图像特征的对比分析，取得了较好的铁路路基隐伏岩溶探测效果，为该铁路的顺利开通运营奠定了基础。

碳酸盐岩地区岩溶发育情况直接影响工程建设。为了查明岩溶地区的岩溶发育情况，指导工程设计及施工，陈清[19]在某客运专线特大桥岩溶探测勘察设计阶段利用高密度电法、跨孔地震及电磁波层析成像方法进行岩溶探测，并结合各自的原理和特点，在普查阶段布置高密度电法，在详勘阶段利用跨孔层析成像技术进行精细探测，最终在岩溶探测中取得了良好的应用效果。结果表明：高密度电法可对工程建设区岩溶发育情况做出整体的评价，但是探测精度有限；而跨孔层析成像技术可对钻孔间的岩溶发育强弱程度和空间分布情况做出更为精细的分析。

岩溶塌陷是建筑场地中频繁遇到的一种典型的地质灾害，它给工程建设安全带来了极大的安全隐患。徐洪苗等[20]指出查明建筑场地地基岩溶分布及发育情况受场地条件限制，常规物探方法基本不能开展工作，可考虑根据岩溶与围岩的电性差异特征，采用瞬变电磁法(TEM)对建筑场地岩溶发育区进行探测。实践证明：瞬变电磁法的应用对查明建筑场地内溶洞的分布范围、规模大小和埋深具有良好的效果。

为了验证高密度电阻率法、地震映像法在岩溶勘查中的应用效果，对比两种方法在岩溶等不良地质现象勘探中的应用，并分析和总结岩溶视电阻率断面异常特征及地震映像图像特征具有重要的意义，陈立波等[21]以桂林冶金厂岩溶勘察为实例，通过综合利用两种物探方法对原始资料进行精细分析、整理和反演解释，并结合实测地质剖面，得到了一些有意义的研究成果：圈定了场地内岩溶的不良地质现象；场地岩溶较发育，发育深度在 10～30 m之间，为充填溶蚀裂隙，局部存在溶洞。该研究成果为新厂区的勘察、设计和施工提供了科学的基础地质资料。

胡俊杰[22]采用高密度电法，利用阵列布极,同时完成了纵、横双向二维勘探过程,广泛应用于岩溶地区工程勘察中,通过工程实例证明了高密度电法在解决岩溶地区桥梁基础勘察中具有分辨率高、数据量丰富、成本低等优势。

陈松等[23]指出在岩溶地区勘查中较常用的物探方法有充电法和高密度电法,并通过实例说明联合应用充电法和高密度电法可以确定地下岩溶连通管道的位置和流通方向,且应用高密度电法在典型岩溶区勘查中能给出第四系厚度、地层分层、岩溶发育情况、岩溶底部埋深深度等,并通过钻孔验证了该探测结果的准确性。实践证明：充电法和高密度电法均具有较简单的观测方式、较高的工作效率和较直观的解译结果,值得在岩溶勘查中广泛推广应用。

2. 2 水坝岩溶安全隐患探查

为查明某库区坝体岩溶空洞走向，郑燕青等[24]采用高密度电阻率法对其进行了探测，野外数据采集运用合理的观测方式，并结合已知地质资料及现场踏勘记录，推断出坝区地下岩溶空洞大致的走向，为后续钻探提供了有效依据与建议。结果表明：高密度电阻率法具有快速、有效、准确的特点，是地下岩溶空洞探测的有效方法之一。

为查清云南某水库地下岩溶的分布情况，何国全[25]采用高密度电阻率法对其进行了探测，充分利用该方法点距小、数据采集密度大、可直观形象地反映断面岩溶形态的特点，最终查明了该测区岩溶的位置及其分布情况。经钻探验证，物探推测结果正确，取得了良好的应用效果。

2. 3 岩溶地质灾害探查

电阻率法勘探技术具有信息量大、对探测对象无损害,且成果直观、准确、高效等优点，被广泛地应用于岩溶地质灾害勘查中。刘占兴等[26]研究认为，电阻率测深法的探测深度相对较大，在探测深度较大的岩溶方面具有较大的优势，并以三河市岩溶地面塌陷为研究对象，采用电阻率测深法对地面塌陷区周边岩溶发育情况进行了勘查，利用2RES2DINV软件对勘查数据进行反演，并对反演成果做三维分析，最终对勘查区岩溶强发育区进行了划分。结果表明：在地面塌陷区周边还存在两个岩溶发育危险区，且位于150 m深度左右，其中一个位于村庄内部，这为及时制定风险预防措施提供了依据。

2. 4 大型溶洞探查

朱紫祥等[27]采用高密度电法对岩溶发育区大型溶洞进行了探测，根据已知溶洞上方布置的试验剖面探测结果得知，溶洞未被填充，为高阻异常反映；通过对二维反演模型的异常特征分析，推断了勘查区溶洞的分布范围、地质走向、大小和埋深，为后期大型溶洞开发及合理利用提供了重要参考依据及指导性意见。

2. 5 岩溶地下水勘查

贵州省是典型的喀斯特岩溶地区，缺水问题严重制约了该省的经济发展。为了解决缺水问题，贵州省 2013—2015 年每年水井施工超过1 000口，为了提高成井率、节约成本，使用物探方法进行地表勘查显得尤为重要。刘永锋等[28]介绍了超高密度电法和 EH-4 大地电磁法在解决农村饮用水和工业用水方面的应用实例，并总结了两种物探方法在遇到岩溶水和裂隙水时等值线的形态特征(岩溶水表现为串珠状、椭圆状圈闭形态，裂隙水呈“ V ”字形中-低阻形状)，最后结合两种物探方法的原理和实例归纳出两种方法的优缺点和适用范围，以指导找水工作，获得了较好的勘查效果。

3 地球物理技术在工程安全检测方面的应用

3. 1 海洋工程安全检测

在复杂的海洋环境中，海底管道局部悬空和周围土层的冲刷是影响管道安全的重要因素。肖志广等[29]针对某海域海底输油管道的安全状态问题，利用侧扫声呐探测技术对管道在役状态及管道区海底地形、地貌特征开展了调查工作，并结合管道区水动力条件和海底沉积物工程性质，分析了未冲刷海底、局部冲刷海底、塌陷凹坑和管道局部裸露悬空时的侧扫声呐图像特征。结果表明：声波强度对各种异常海底都有明显的反映，当海底未冲刷时，声波强度很弱，图像中呈现出亮色区域；当声波强度增强时，为局部冲刷海底，图像表现为深暗色调；当出现塌陷凹坑时，声波强度会突然很弱甚至没有，图像中上部为深色调，下部为浅色调；当管道局部裸露悬空时，声波强度很强，在图像中呈现黑色的深色调。从而也证实了侧扫声呐探测法在海底管道安全状态调查中是可行、有效的。

林朝旭[30]针对厦门海域存在风化槽、孤石、礁盘及隐伏断裂等不良地质现象，为了探明厦门市地铁1、2、3号线工程跨海段的工程地质条件，选用高精度水域地震反射波法，基于地震反射 CDP 叠加技术与分辨率影响因素，以及高精度水域地震反射波法的技术特征、震源选择、数据采集、数据处理等方面的相关技术，获得了厦门海域各种不良地质体在时间剖面上呈现出不同的异常特征，并通过工程实例说明高精度水域地震反射波法在对岩土层划分、风化槽、孤石、礁盘及隐伏断裂进行勘察时，均可取得较好的勘察效果。

韩孝辉等[31]为了研究海南感城近海拟建海上风力发电场场址区域的海底地层稳定性和承载力问题，在该区域开展了单道地震测量、侧扫声呐测量和地质钻探工作。侧扫声呐图像显示，在研究区域周围20 m以深水域发育有可能引发小型地质灾害的潮流沙脊、沙波等地貌单元；根据单道地震测量数据的解译成果和三口地质浅钻的岩心样品物理力学指标分析，确认在该区域海底地层中有两个较好的持力层；根据小振幅波理论定量分析该区域海床的稳定性，结果显示该区域海床相对稳定，但在天然地震基本烈度为6°条件下海床可能会失稳；根据单桩实心打入桩轴向抗压承载力设计值公式计算得到单桩轴向极限承载力值，结果显示研究区域地层承载力完全满足三桩结构的风力发电塔建设要求。研究结果表明：研究区域的地质条件按有关规定抗震设防，建设海上风力发电场是可行的。

3. 2 水库堤坝安全检测

水库蓄水过程中大堤出现渗漏现象,将会危害水库的安全[32]。孙礼钊等[33]根据水库大堤介质的电性差异,采用高密度电阻率法对某水库南堤渗漏通道进行了探测，即针对工区特殊性，通过改善电极接地条件、选择合适电极排列方式有效地降低了沥青混凝土路面的高阻屏蔽效应，并采用合理数据处理技术,得到了较真实的地电断面，从而准确推断出渗漏通道的位置。经钻孔验证,并查明了渗漏通道的形成原因。

叶巴滩水电站为双曲拱坝水电站，坝区岩体结构复杂，高拱坝坝肩抗滑稳定性是关键的工程地质问题，而位于坝肩50 m以内的深卸荷岩体在大坝的作用力下将会形成滑动面，这将对双曲拱坝的稳定性构成了极大的威胁。黄晓应[34]为了划分双曲拱坝坝肩新鲜岩体中的深卸荷岩体，并圈定深卸荷岩体的空间展布，采用平硐声波、平硐地震波CT 成像综合物探手段对坝肩深部卸荷岩体进行了划分及圈定。结果表明：综合物探手段对划分坝肩深卸荷岩体、了解其空间分布效果显著，可为高拱坝坝肩抗滑稳定性研究提供依据，也可为整个拱坝设计及基础处理提供科学指导。

3. 3 地面塌陷探测

刘浩等[35]为了查明贵阳地区地铁施工过程中出现的围护桩塌孔、地面沉降开裂等典型工程地质问题及其原因，结合场区基本地质条件，采用地质雷达技术、高密度电法等物探手段，并根据现场开挖揭示的地质信息的分析，认为岩土界面上部的软塑状红黏土大量向孔桩内临空面蠕滑以及岩土界面下部的岩溶空腔发生垮塌是主要原因，针对岩土界面处软塑状红黏土层实施了高压旋喷桩加固工艺，取得了良好的加固效果。

地面沉陷变形会导致路面平整度变差，易引发严重的交通事故。李小重等[36]综合采用地震映像法、瞬态瑞利波法和探地雷达法，对某高速公路路面沉陷变形区域进行了无损检测，检测结果表明：地震映像法探测深度大但效率低，适宜探测地下介质的纵、横向变化情况，判断路基下方是否存在滑动面以及是否发生侧向滑移；探地雷达法探测精度、效率高，但有效探测深度较浅，适宜快速探测公路结构层中的沉陷变形、破碎破损、裂缝，以及路基中的脱空、空洞等隐蔽病害的分布；瞬态瑞利波法获得的面波速度可以直接反映地层的“软”、“硬”程度，用以判断其中是否存在软弱夹层。3种检测方法之间相互验证、相互补充，从不同深度、不同角度揭示了路面沉陷变形的状况、成因和趋势，可为采取有针对性的治理措施提供依据和技术支撑。

地面塌陷引发的地质灾害对国民经济建设的危害重大。目前,探测地面塌陷区的物探方法种类繁多,但没有一种方法能全面解决各种问题,需综合运用多种方法。彭青阳[37]以安徽某地面塌陷为研究对象,利用高密度电法和瞬变电磁法对重点地面塌陷区域进行了探测,较好地完成了数据的采集、处理和反演解释。结果表明：两种方法相互验证、相互参照、相互补充,查明了地面塌陷区及其附近的覆盖层厚度、地质构造和地层岩性变化,可为后期地面塌陷灾害治理提供科学依据。

龚术等[38]为了查明高速公路不良地质体的分布位置、范围和地表下岩溶的发育情况,利用高密度电阻率法对汕昆高速公路阳朔—鹿寨施工段地下30 m深度内的大溶洞、地下暗河情况以及不良地质体进行了勘察，通过对野外数据的精细处理和反演解释,在多处施测路段推断出有充填溶洞和无充填溶洞的分布，并准确圈定出岩体破碎带。

3. 4 桥梁与桩基工程质量检测

刘华瑄等[39]为了分析承台垫层对桩基低应变检测结果的影响，建立了桩、垫层和土系统的动力学理论计算模型，利用交错网格有限差分方法进行数值计算，得到在瞬态纵向激振力作用下的承台垫层对桩基完整性检测的数值模拟响应。计算结果表明：承台垫层对桩基低应变检测结果产生了一个叠加反射波信号。此外，采用控制变量法从理论上分析了桩身混凝土强度、桩径和桩身缺陷对带承台垫层桩基低应变检测的影响。

曹慧珺等[40]开展了利用冲击回波法检测桥梁预应力管道灌浆质量以避免桥梁安全隐患的试验，通过建立满灌浆、部分灌浆、无灌浆和灌浆空洞等灌浆质量问题以及基于不同波纹管材质制作预应力桥梁管道的灌浆模型，利用冲击回波法对灌浆模型进行了检测，并采用不同直径激振锤和不同检测间距研究了波纹管内部不同灌浆情况的波形响应。试验结果表明：缺陷越大，波形特征越明显；检测金属波纹管缺陷结果比塑料波纹管结果准确；小检测间距检测精度高于大检测间距，能反映更小的空洞；在检测中要选择适当直径的激振锤以提高检测精度。在实际工程中利用该技术对预应力梁进行灌浆密实度检测，取得了良好的应用效果。

3. 5 放射性废物安全处置选址

随着核电事业的发展,积累的高放射性废物越来越多,面临的相关环境压力逐步显现,因此必须对此加以深入研究和予以妥善解决。为了保证高放射性废物的安全处置,我国参照目前普遍接受的可行方案,采用深地质处置的方法安全处置高放射性废物。王粤等[41]将可控源音频大地电磁测深法应用于甘肃北山高放射性废物地质处置预选区选址勘查中，结果表明：可控源音频大地电磁测深法能有效地给出预选场址地质体的深部岩性和结构状况,圈定目标地质体的空间分布，可为确定预选场址深部地质体的完整性和稳定性提供科学依据。

4 地球物理技术在矿山采空区探测中的应用

4. 1 矿山采空区探测

矿区开采后遗留下了采空区地质环境问题，严重影响了地球生态环境和人类正常的生存生活环境[42]。

分布式高密度电法实现了小点距、长排列的任意电极组合模式，在确保高分辨率的前提下，可以达到提高探测深度的目的。李树军等[43]将分布式高密度电法应用于浅埋采空区的调查中，即首先建立了不同介质充填采空区的电性异常响应模型，然后对采空区异常进行了正确识别和圈定。为了建立不同介质充填采空区的电性异常响应模型，需要进行资料收集和地质调查，合理布置测线，优化电极排列组合，正确选择采集方法，以及在已知采空区上进行测量。浅埋采空区调查应用实例及分析结果表明：分布式高密度电法是浅埋采空区调查中非常有效的物探方法。

赵伟锋[44]利用瞬变电磁法对某煤矿采空区进行了物探勘察，并采用仪器自带软件绘制出各条测线视电阻率拟断面图，对测区内可能存在的地质异常进行解释，对不同深度水平视电阻率切片图进行分析，着重分析了地质异常的分布规律，同时根据各条测线视电阻率平面图和拟断面图，结合相关地质资料圈定煤矿采空区，绘制出直观的三维图。其应用结果表明：瞬变电磁法对解决煤矿采空区地质问题是一种快捷、高效的勘查手段，为后期环境治理可提供直接、有效的指导。

章雪松等[45]采用联合物探方法详查了矿山尾矿区内的采矿空洞及采空区。高密度电法在对异常体的数据进行处理时，由于平滑处理作用，不易发现到较小的采矿空洞，并有对异常区扩大的作用。地质雷达技术的探测深度又极为有限，但在较浅层其勘探精度较好。针对测区的采矿空洞埋深不是很深的情况(据测区资料显示，其深度在 10 m左右)，将地质雷达技术与高密度电法联合应用，加密点距进行数据采集，再对其数据进行综合处理、推断解释，可提高对采矿空洞及采空区的探测精度，特别是在对已知的采矿空洞进行试验的基础上，将其物性参数对测区加以应用，可极大地提高工作效率和对采矿空洞探查的准确性。

白永利[46]为查明某煤矿东一采区南一段6-7工作面回风顺槽掘进工作面周边小煤窑偷采破坏区的范围及其富水性，采用综合物探技术进行了全方位探查，即通过反射地震技术对空区、空巷发育范围进行勘查判断，并借助瞬变电磁技术对空区、空巷的富水性以及富水空区、空巷的发育范围进行评价，为治理小煤窑偷采破坏区提供了技术保障，而且探查成果得到了后期钻探与实际揭露的验证。

复杂山地煤矿采区三维地震勘探采集工作不同于平原、丘陵等地表条件较好的地区，在测量、成孔、放炮生产及质量监控等各个环节都必须采用有针对性的手段和方法，以保证能够获得高质量的原始地震记录。郭建敏等[47]针对山西宁武某煤矿较为复杂的表层、浅层地震地质条件，利用机械钻、风镐、洛阳铲及翻斗挖掘机等多种成孔方法，在4种典型地表出露岩性区(黄土覆盖区、坡积物区、基岩出露区、河滩卵石区)进行了激发参数试验，确定了最佳激发参数，确保在各种出露岩性区都能获得较高信噪比的地震记录；同时，针对山地地震勘探成本高、生产效率低的特点，采用异步施工的方式保证了勘探施工衔接并提高了施工效率；此外，建立了现场计算机处理工作站，及时对各种试验、生产资料和数据进行处理与分析，以指导野外生产。实践证明：该三维地震勘探采集方法是正确和高效的。

4. 2 积水煤矿采空区探测

煤矿采空区资料缺失、老窑水积聚范围不明是矿井重组、煤层开采的重大安全隐患，而物探方法在矿井老窑水探测中的作用凸现。王扬州等[48]通过研究瞬变电磁法在地面半空间和矿井井下全空间的应用技术，将两种方法结合应用，充分发挥了瞬变电磁法的优势，对矿井老窑水进行了有效探测。实例应用表明：综合运用地面和井下瞬变电磁法探查某煤矿采空区老窑水，有效查明了煤层老窑水的位置及范围，共探放老窑水 5.9×104m3，排除了安全隐患。

煤层顶板水害对矿井安全造成了严重威胁,某煤矿4-2煤层在4201工作面轨道巷掘进期间,出现了180 m3/h的顶板出水,累计出水量达45 000 m3,给矿井安全生产带来了重大的影响。经采掘揭露,发现水文地质条件比预期要复杂得多,矿井松散岩类孔隙潜水和碎屑岩类孔隙、裂隙潜水以及承压水富水性不清,需要进行水文地质补充勘探,以满足矿井防治水工作的要求。代凤强[49]通过地面瞬变电磁法探查了该工作面顶板上方富水异常区的分布范围及其相对强弱,为矿井防治水工作提供了重要的参考资料,根据物探成果放弃4201工作面,调整接续4203工作面。

煤田积水采空区是威胁矿井安全的主要因素之一。邱卫忠等[50]针对井地电位法特定的边值问题,推导出了相应的有限差分格式,并结合煤田积水采空区的电性特征及分布特点,设计了多个地电模型,分别利用有限差分法对其进行了正演模拟。正演模拟结果表明：井地电位法对单个积水采空区及横向上分布的多个积水采空区识别能力较好,而对垂向分布的多个积水采空区识别能力较弱。该研究结果对于煤田积水采空区的探测研究具有一定的参考价值。

4. 3 深大煤矿采空区探测

安阳井田位于渭北黄土台塬地区，煤层埋深普遍在300 m左右，该煤矿开采年代久远，采空区具有埋深大、隐蔽性强等特点，设计铁路需穿越安阳井田。为了评价该线路的安全性，王宗旭[51]采用音频大地电磁法和瞬变电磁法对该区域进行了综合地球物理勘探工作，并在分析深孔钻探和矿区资料的基础上，得出：设计铁路位于矿区边界，采空层标高在350～380 m，线路应予绕避。实践表明：音频大地电磁法和瞬变电磁法的综合使用，能较好地满足铁路设计阶段规避大埋深采空区选线的需求。

5 地球物理技术在隧道工程设计及施工与安全预报中的应用

5. 1 隧道工程地质探测

在隧道工程施工前期使用物探方法对工区地下构造情况进行探测，可以为隧道设计及施工提供依据。EH-4电磁成像系统是一种比较成熟的物探设备，已经在隧道工程设计及施工地质探测中得到了广泛的应用。罗建刚等[52]利用该系统对大冬树山公路隧道工程进行了勘察，并使用非线性共轭梯度法 (Nonlinear Conjugate Gradient,NLCG)对野外采集的数据进行了二维反演，研究了地形因素对二维反演结果的影响，同时根据数据二维反演的结果，确定了已知断裂的深部赋存状态，推测出未知隐伏断裂的存在，判定出工区地下局部富水性较强。实践表明：EH-4电磁成像系统在隧道工程地质勘察中的应用效果良好，可成功查明断层破碎带、富水带等不良地质构造。

隧道工区地形、地质条件复杂，断层、破碎带以及塌陷等不良地质体的存在已成为阻碍隧道工程安全施工的主要问题，因此准确、快速地查明此类不良地质体的规模与埋深，确保隧道施工过程的安全顺利进行显得尤为重要。巩建军等[53]采用高密度电阻率法对浙江某高速公路隧道工程进行了实际地质探测。结果表明：该方法不仅能查明隧道所处地段可能存在的隐伏构造、断裂破碎带和富水区域的位置，还能查明地表强风化层的厚度等，从而验证了高密度电阻率法在隧道勘察中应用的可行性及有效性。

隧道掘进所面临地质条件的复杂化，极大地增加了现场施工的难度和危险性。其中，掘进前方地层的岩溶构造问题是严重影响隧道工程安全的主要难题之一。周文龙等[54]利用阵列式并行电阻率法测试技术，并结合隧道地质条件，开展了隧道前方地质条件的超前探测与研究。结果表明：该测试技术能够有效圈定岩溶发育区，确定岩层富水情况，实现对溶洞、塌方等异常区域的快速定位与判断。该技术研究为隧道工程在岩溶地质条件中安全施工提供了一种新的技术保障。

音频大地电磁(AMT)对于隧道工程地质勘察是一种非常有效的方法，它具有不受高阻屏蔽、轻便、探测深度相对较大等优点，在宏观上可以查明隧道地层岩性分界、地质构造及其赋水性。黄日华等[55]以某隧道音频大地电磁勘查为例，分别对 AMT的采集手段、工频干扰去噪、静态校正、反演方法等关键技术问题进行了分析，并结合地质资料对该隧道施工区的地层分布、断层和破碎带的赋水情况等进行了分析和解译，取得了理想的效果。

5. 2 隧道工程病害检测

随着山区高速公路的不断发展,隧道工程建设也越来越广泛,且随着运营时间的增长,隧道病害越来越多,其中影响较大的是二衬开裂,一方面会影响隧道的结构稳定,另一方面会引起隧道渗水。因此，对隧道裂缝的检测与加固显得尤为重要。邹威波等[56]研究认为超声波法对裂缝无损检测具有穿透能力强、成本低等优点,在隧道工程、混凝土桥梁等大体积混凝土质量检测中已得到了广泛应用。利用超声脉冲波在混凝土中传播的走时以及接收波的振幅、频率和波形等声学参数的相对变化,可判断混凝土内部的裂缝深度和充填状态。但隧道衬砌只具有一个面,检测时只能采用超声波平测法,即在裂缝的被测部位,以不同的测距按跨裂缝和不跨裂缝布置测点进行检测,并通过对比分析来判定裂缝发育深度和充填状态。将超声波法与裂缝宽度检测仪综合使用,用来探测隧道裂缝的宽度及发育深度,并将检测结果采用Matlab软件进行三维显示,可使结果更为简洁、直观,也为后期的隧道裂缝加固设计、施工提供了数据基础。

随着地质雷达技术的发展，它已经成为了一种主流的高效、直观的隧道衬砌无损检测手段。海洋[57]从地质雷达检测技术的影响因素出发，提出了相应的提高隧道衬砌检测结果准确性的解决方法，通过运用正演数值模拟常见的隧道衬砌缺陷的地质雷达响应特征，并结合一些隧道检测的实例，证明这种综合判断方法能极大地提高地质雷达技术对隧道衬砌检测的准确性。

5. 3 隧道工程超前地质预报预测

城市轨道交通隧道施工期间,地震波探测技术(TSP)超前地质预报可作为地勘资料的补充以指导施工。雷凯等[58]通过分析大量TSP实测数据,对各种可能产生异常信号的原因以及避免产生和接收到异常信号的措施进行了研究，并通过TSP地震波探测技术在城市轨道交通暗挖隧道中的应用实例,经后期开挖验证,结果表明：TSP技术在城市轨道交通中应用效果良好,对隧道施工过程中即将出现的地质危害起到了提前预警的作用。

朱海龙[59]对影响 TSP203 隧道超前地质预报系统探测准确度的因素进行了研究，明确指出该TSP203系统在隧道工程应用中存在的不足，并在此基础上分析了影响 TSP203隧道超前地质预报系统探测准确度的因素，包括炮孔布设、激发能量、爆破延时、噪声干扰等数据采集因素，以及数据长度设定、滤波窗口选择、反演结果筛选等数据处理分析因素，并提出了相应的对策和措施，以提高 TSP203隧道超前地质预报系统的准确度。

瑞利波探测技术作为目前先进的井下构造探测技术在各大矿区有着广泛的应用。刘广亮[60]利用瑞利波探测技术成功解决了几个复杂煤矿地质构造的超前预测预报问题，并在探测过程中不断尝试新的施工方法，改善仪器的性能，调整仪器的处理参数，逐步提高仪器的探测精度和探测距离，使这项技术在煤矿地质超前探测中发挥更大的作用。

在岩溶富水隧道施工过程中，发生涌水灾害的原因十分复杂，而岩溶涌水风险的评估方法都有一定的局限性和地域性[61]。为了较准确地预测隧道岩溶涌水灾害，郭威等[62]以云桂铁路对门山岩溶隧道为工程背景，依据贝叶斯网络的不确定性推理，构建岩溶隧道涌水风险评估的贝叶斯网络模型，并运用 Netica软件的案例学习功能对统计数据进行分析，同时与地质雷达及红外探水相结合。结果表明：理论评估结果与现场实际情况相符合；基于贝叶斯网络的岩溶隧道涌水风险评估模型，不仅能对岩溶隧道涌水风险进行科学的风险评估及预警，而且对制定岩溶隧道涌水防治对策和处治措施具有重要的理论意义和工程借鉴价值。

5. 4 人防工程地质隐患探测

晏月平等[63]从早期坑地道人防工程综合整治的重要性及综合勘测的必要性出发，以该工程地质隐患综合勘测为目标，从历史变迁、地质变化及人文活动等方面揭示出坑地道人防工程地质隐患的特征，并结合实例分析了坑地道人防工程地质隐患的主要勘测方法，以高密度电法、地质雷达技术为重点，讨论利用地球物理方法进行地质隐患识别的技术，总结出典型隐患体产生物探异常的规律；同时，指出早期坑道地道人防工程安全隐患可分为固有隐患、地质隐患、人为隐患三种类型，在隐患排查治理时需要有综合勘察思路。

由于年久失修，地下防空洞常常引起地表塌陷和建筑物基础受损等问题，因此在有防空洞的区域进行工程建设时，必须选择适合、有效的地球物理方法对地下防空洞的分布、位置和走向进行探测。孙宗龙等[64]利用高密度电阻率法对海口市某地下防空洞进行了勘察，取得了较好的地质探测效果，为灾害的治理提供了依据。

6 结论与讨论

本文通过上述对近年来某一地球物理学术期刊发表的环境与工程地球物理论与应用成果的论文进行梳理与分析,得出以下几点重要的结论和启示。

(1) 环境与工程地球物理技术应用领域广泛。从地球物理学科领域来看,传统地球物理方法如地震方法和技术(包括声波法、瑞利波法等)、电法(包括高密度电阻率法、并行电阻率法、分布式高密度电阻率法、电测深法等)、电磁法(包括瞬变电磁法、EH-4电磁波法、音频大地电磁法等)得到了广泛应用;地质雷达技术、电磁波CT技术、核磁共振技术、地震映像技术、地震层析成像技术、TSP超前地质预报技术等新的方法与技术发挥了重要的支撑作用。从环境与安全学科领域来看，则包括滑坡、地面塌陷、岩溶、煤矿采空区、矿井涌水、隧道工程设计及施工、垃圾填埋渗漏、水库大坝渗漏、核废料场选址、人防工程安全、地下建筑与地下空间安全、工程质量与安全检测、地下水资源及安全等众多领域，涵盖了人居环境和工程安全的方方面面，关系国计民生，十分重要。

(2) 环境与工程地球物理技术存在发展瓶颈。根据文献检索可知，与地球物理其他应用领域相比，环境与工程地球物理成果在学术期刊发表的数量相对较少，一些专业地球科学名刊、大刊几乎很少刊发环境与工程地球物理的论文。究其原因，一是科学研究问题重理论轻应用。在地球物理学术界，很多人的观念还是认为理论研究才是原创的、高深的、“高大上”的，而对工程应用则较为轻视。这是违背科学发展初心发展规律的错误观念，须知，科学与技术发展的终极目标就是要解决人类社会和大自然之间相互作用的种种问题，科学理论方法和技术只有得到推广应用，转化成有效生产力，其真正价值才能得以体现和实现。二是科学研究对象重深部轻浅部。很多科技工作者热衷于运用地球物理方法研究地球深部问题，包括深部结构与构造、深部矿产资源、深部演化及运动机理等，而对包括环境、安全及工程问题的浅部则盲目轻视。对地球系统的研究者来说，地球深部有着海量未解之题，当然需要攻坚破解，但地球浅部也并不是“尽收眼底”，诸如地质环境问题、地下空间安全问题，关系着人类的生产、生活和生存发展，同样需要攻克难关，造福世界。三是研究课题重纵向轻横向。科技学术界长期存在重视纵向课题轻视横向课题的倾向，纵向课题一般都是省部级、国家级课题，而横向课题多是地方政府、企事业单位的招标项目。环境与工程地球物理项目多属横向项目，自然一定程度上受到冷落。四是学术期刊人的随风起舞。期刊评价重视基金项目、被引频次、影响因子等指标，那么对属于浅部的、应用的、横向项目的环境与工程地球物理成果则往往被期刊人放在了次要选择位置。上述四个方面是制约环境与工程地球物理学科发展的观念和制度瓶颈，需要社会、学界、期刊界合理破除。

(3) 环境与工程地球物理技术的创新发展趋势。创新地球物理方法和技术在环境、安全与工程领域的广泛应用，对人居环境的保护和治理以及近地表空间的安全利用具有重要意义。一是以基础研究带动学科进展[65]。基础研究标志着一个学科的成熟程度，根据环境与工程问题在分辨率、 探测对象等方面的特殊性,各种新的适用于近地表问题的环境与工程地球物理理论逐渐建立起来,对生产实践发挥着巨大的指导意义。二是方法和技术多样化发展。 环境与工程地球物理技术面对各种不同特性的地质或非地质问题,尺度、精度、背景环境千差万别,因此所用方法和手段必须具备多样化。同时对某一问题的解决往往需要综合几种地球物理方法和手段予以交叉印证与分析。三是发展高精度测量技术。高精度地球物理测量可以提高对异常圈定、钻井定位、工程施工的准确性,高分辨率地震、高精度重磁、高频大地电磁等一系列地球物理方法和技术将进一步挑战现有测量精度的极限。四是发展动态监测技术。地球物理动态监测技术在地下水运动、工程质量检测、填埋场渗液、堤坝渗漏、溶洞发育等方面尤其要充分发挥重要的作用。