刘光鼎

中国科学院地质与地球物理研究所，北京 100029



立足浅地表，发展新技术

刘光鼎

中国科学院地质与地球物理研究所，北京 100029

浅地表地球物理指运用物理学原理和方法对地球最表层进行的技术理论和应用研究.具有广泛的应用范围，支撑着人类生存和发展的需求.生活于其上，钻探、挖掘于其中，一方面向其索取水资源和矿物，构建现代城市必需的地下空间水、电、气、通讯、交通等管网系统；另一方面将人类活动产生的各种废物排放和掩埋于其中，形成人类纪特有的地质层.无论从技术层面(物理)还是非技术层面(政治，社会，法律)来看，浅地表地球物理学都越来越受到关注.相较于传统的勘查地球物理和固体地球物理，浅地表地球物理涵盖了更为繁杂的应用领域，包括岩土工程、环境修复工程、采矿工程、地下水资源开发和水源地保护、地质灾害预测和防治、考古、法医、国防、军事等等.因此，在要求更高的时空探测能力的同时，浅地表介质的极端不均匀性、快速和复杂的物理和/或化学性质变化、多样和日益增强的背景干扰、受限的观测空间是浅地表地球物理学必须面对的主要技术挑战.

由于我国城市化进程与地球物理技术发展的契合，我国地球物理工作者具有比西方发达国家更好的科学研究机遇，也因此有力推动了我国浅地表地球物理领域的发展，建立了与国际同行间的广泛学术交流.自2004年以来每偶数年举办的“环境与工程地球物理国际会议(International Conference of Environmental and Engineering Geophysics, ICEEG)”，对于提高我国浅地表地球物理的研究水平和推动相关技术的应用发挥了重要作用，并直接促进了“浅地表地球物理亚太会议(Near Surface Geophysics Asia Pacific Conference)”(自2013年后每奇数年在中国、美国、澳大利亚、韩国、日本轮流举办)的产生.

为了顺应地球物理学科在全球发展的需要，并应对我国社会经济高速发展中的实际需求，2014年6月，中国地球物理学会浅地表地球物理专业委员会(Near-Surface Geophysics Committee of Chinese Geophysical Society)于2014年6月在西安成立，挂靠中国地质大学(武汉).国内外相关领域科学家也完成了一大批研究成果.因此，本刊决定推出“浅地表地球物理”专栏，以交流和展示这一领域的最新成果和进展.2014年9月，本刊聘请中国地质大学徐义贤教授为专栏特邀主编开展工作, 通过各种方式征集稿件.一年来编辑部陆续收到一批相关稿件，经过专家评审和筛选，从中精选出12篇文章组成本期专栏.论文内容包括浅地表地震方法(4篇)、电与电磁法(5篇)、生物地球物理(1篇)、岩土工程应用(1篇)和地球物理仪器应用(1篇)，较为全面地反映了国内外浅地表地球物理领域的科学研究和应用现状.

按照所利用的地震波类型划分，浅地表地震学可以包括浅层折射波法和反射波法、主动源和背景噪声高频面波法等.夏江海团队近3年的研究成果，将理论分析和数值模拟试验结果与实例相互印证，论述了多道瑞雷和勒夫面波分析法的最新进展，指出这类方法业已在浅地表岩土工程中证明了具有快速稳健发展的优势.徐义贤等追溯和梳理了噪声地震学的发展历程，剖析了快速发展中基于背景噪声的各种成像方法，并对这些方法应用于浅地表的能力和前景进行了评价，这是值得在城市区域推广的新方法.张煜等针对浅地表介质一般具多孔多相组成的特点，重点介绍了地震波在多相不均匀饱和介质中的传播规律，强调了瑞雷面波在这类介质中传播的频散和衰减特性，对利用地震波传播性质精细描述浅地表的组成物质具有明显的意义.

电与电磁法分类繁杂，在浅地表领域应用广泛.殷长春等对国内外航空电磁法的仪器设备研发、数据处理和解释、以及浅地表的应用进行了系统地综述，对于在浅地表领域推广应用这项技术有重要参考价值.刘澜波等对探地雷达在古环境和冻土研究、空洞检测、生命搜救等方面的应用现状进行了总结，对发展中的孔中雷达、探月雷达、及相关的信号处理和成像算法进行了技术分析和发展前景的展望.汤井田等对可控源电磁法特别是AMT和CSAMT方法，从仪器设备、数据采集和处理、反演及应用实例等各方面进行了综述，反映了可控源电磁法在国内外技术研发和应用的现状.李貅等提出了将地面核磁共振和瞬变电磁资料进行联合勘探的方法，并利用数值实验证明了方法的可行性，这对于在浅地表识别含水层(体)具有重要的意义.吴小平等阐述了非结构网格有限元方法在直流电阻率三维模拟和反演中的研究现状，强调了非结构网格有限元法在模拟地形起伏和复杂内部结构方面的优势，并采用合成数据实现了拟高斯-牛顿法的三维电阻率模型的反演，这一技术在复杂浅地表中具有良好的应用前景.张莹莹等讨论了地空瞬变电磁法视电阻率的定义问题,给出了多辐射场源多分量测量情况下的全域视电阻率定义公式,为推广应用这一方法夯实了理论基础.

发展我国地球物理仪器装备是当下重要任务.目前，国内大地电磁法(MT)、可控源音频大地电磁法(CSAMT)等感应类深部电磁找矿方法迅猛发展，但所用电磁法仪器基本上都是美、加、德三国地球物理公司所生产.从2010年开始，中国科学院地质与地球物理研究所开始自主研发“地面电磁探测(SEP)系统”.目前项目已取得阶段性成果.底青云等详细阐述了研究成果和进展.对仪器试验结果的分析表明，自主研制的SEP系统已经基本达到甚至优于国外同类产品的性能，能够很好地胜任野外实际勘查工作.

生物地球物理虽然从应用角度可以追溯到百年以前，但作为分支学科还很年轻.张弛等以国际上特别是美国在生物地球物理上所取得的成果为基础，梳理了微生物与地质介质相互作用的主要类型及其所产生地球物理可观测信号的机理，对微生物在多孔介质中复杂的生物、物理及化学耦合过程的理论研究也有所介绍，给出了较多实验室观测、野外尺度的地球物理成像及显微尺度下成像的理论和应用结果，这对于国内同行了解生物地球物理的前沿及推动该学科在国内的发展大有帮助.成功的应用是浅地表地球物理方法得以持续进步的推动力.林志平等介绍了应用浅地表地球物理技术解决岩土工程问题的多个实例,从方法的应用条件和特点出发讨论了可能的应用风险,并展望了浅地表地球物理技术在岩土工程领域的应用前景.

希望这些论文对国内同行，特别是对地球物理工程师和准备涉足该领域的研究生们起到“铺路石”和引导作用.特别感谢以徐义贤教授为首的专栏编委会和编辑部的辛勤工作，感谢专栏作者们的精彩论文.期望我国浅地表地球物理工作能够以此为契机，在更广阔的领域(如国防军事工作，海洋工程)，在综合地球物理应用中取得更大的发展，为学科发展和国民经济建设服务.借此机会也希望更多的专家和学者向本刊投稿，展示新成果.