2025年大學《地球物理學》專業(yè)題庫——地球物理探測技術在城市地質災害預測中的應用考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分。請將正確選項的字母填在括號內）1.城市地面沉降的主要地質背景通常不包括以下哪一項？A.上覆松散沉積物層深厚B.地下存在豐富的孔隙水C.巖石風化破碎嚴重D.長期大量抽取深層地下水2.在城市地質災害預測中，電阻率法的主要探測原理是利用不同地質體導電性的差異。對于尋找富水區(qū)或軟弱夾層，通常期待探測到的是相對較高的電阻率異常還是較低的電阻率異常？A.較高的電阻率異常B.較低的電阻率異常3.地震勘探方法在城市地質災害調查中，對于探測滑坡體內部結構、確定滑動面深度等方面具有優(yōu)勢，其基本原理是利用不同介質傳播地震波的（）差異。A.速度B.密度C.頻率D.強度4.磁法勘探在預測城市地面沉降時，其主要應用潛力在于探測哪些地質體的存在？A.低電阻率的松散沉積層B.高磁化率的基巖侵入體或磁性礦物C.富水砂層D.裂隙發(fā)育的土體5.大地電磁測深（MT）方法在城市地質勘查中的主要優(yōu)勢在于？A.提供高分辨率的淺層結構信息B.能夠直接測量地下介質的電性參數C.對淺層覆蓋物干擾小，能有效探測深部結構D.設備輕便，易于在復雜地形下快速施測6.探地雷達（GPR）在城市探測地裂縫時，主要利用的是電磁波在介質中傳播的（）特性來反映地下異常。A.速度差異B.強度衰減C.極化方式D.耦合效應7.對于城市滑坡災害的預測，選擇地球物理探測方法時，首要考慮的因素通常是？A.方法的探測深度B.對軟弱夾層的識別能力C.數據采集的速度D.成本效益比8.地球物理反演是將觀測到的地球物理響應數據轉換成地下介質物理參數（如電阻率、密度、波速）的過程。在反演過程中，通常需要施加一定的先驗信息，以下哪項不屬于常見的先驗信息？A.地質背景資料B.介質參數的經驗范圍C.觀測數據的精確值D.地下結構的初步推測9.將多種地球物理探測方法（如電阻率法、地震法、GPR）的數據進行綜合解釋，其主要目的是？A.提高單方法的探測精度B.克服單一方法的局限性，獲得更可靠的地下信息C.簡化數據處理流程D.增加探測工作的成本10.利用地球物理方法預測城市地質災害，其最終目的是？A.獲得地下三維結構模型B.精確計算災害體的幾何尺寸C.評估災害發(fā)生的可能性及潛在風險，為防災減災提供依據D.驗證地質理論模型二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在橫線上）1.城市地質災害主要包括地面沉降、地裂縫、滑坡、崩塌以及與工程活動相關的__________和__________等問題。2.地球物理探測方法在獲取城市地下信息時，通常受到上覆__________的屏蔽和干擾。3.電阻率法中，向地下供入電流的方式主要有__________和__________兩種。4.磁法勘探能夠反映地下巖土磁化率的分布，對于尋找__________（如基巖裸露區(qū)、磁性礦石）或探測近地表的__________具有一定的指示意義。5.地震波法中，根據震源和接收器之間的相對位置關系，可以分為__________、__________和__________三種基本類型。6.探地雷達（GPR）對介質介電常數的微小變化比較敏感，因此對探測__________、__________等淺層目標效果較好。7.在進行城市地質災害地球物理勘查時，選擇探測方法需要綜合考慮災害類型、預測目標、探測深度、場地條件以及__________等多種因素。8.地球物理數據處理主要包括數據預處理、__________、正演模擬和反演解釋等主要步驟。9.將探地雷達剖面數據與其他地球物理數據（如電阻率剖面）進行疊加對比，屬于地球物理__________的解釋方法。10.城市地質災害預測中的地球物理方法，其探測深度通常受到淺層__________的嚴重限制。三、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述電阻率法在探測城市地面沉降隱患區(qū)時的基本原理及其局限性。2.簡述探地雷達（GPR）技術用于探測城市地裂縫的主要原理和適用條件。3.簡述選擇地球物理方法進行城市地質災害勘查時，需要考慮哪些主要因素？4.簡述為什么大地電磁測深（MT）方法能夠用來探測城市地下深部結構？四、計算題（每題10分，共20分）1.某城市地質勘查中，采用電阻率對數線性裝置測量得某測點的視電阻率ρs=150Ω·m。已知上覆地層為電阻率ρ1=50Ω·m的砂層，厚度h=10m。假設地下存在一個電阻率ρ2=500Ω·m的基巖侵入體，且基巖頂部與地表平行。請定性分析該視電阻率ρs值主要反映了哪一部分地層的電性特征？并簡要說明理由。2.城市地震勘探中，某測線布設了共中心點（CSP）地震接收器。記錄到的地震波形顯示，P波和S波的到時分別為tP=1.0s和tS=1.5s。已知該測線地表至地下某深處平均巖土層速度VP=1500m/s，VS=800m/s。請估算該接收器所處的地表至該深處的垂直距離。五、綜合應用題（共20分）某城市新區(qū)正在規(guī)劃建設中，根據地質資料和區(qū)域經驗，該區(qū)域存在地面沉降和地裂縫的隱患?，F計劃采用地球物理方法進行前期勘查，以圈定潛在的風險區(qū)域。請簡要說明：1.針對該區(qū)域可能存在的地面沉降，你會考慮推薦哪些地球物理探測方法？并簡述選擇這些方法的主要理由。2.針對該區(qū)域可能存在的地裂縫，你會考慮推薦哪些地球物理探測方法？并簡述選擇這些方法的主要理由。3.在進行地球物理勘查時，需要關注哪些實際因素（如場地環(huán)境、覆蓋條件等）？在獲取數據后，進行解釋時通常需要注意哪些問題？試卷答案一、選擇題1.C解析：巖石風化破碎嚴重主要影響巖石的力學性質，而非直接導致典型的城市地面沉降地質背景。地面沉降主要與松散沉積物、地下水活動、工程加載等因素相關。2.B解析：富水區(qū)或軟弱夾層通常具有較低的孔隙度、含水量較高或粘聚力較低，導致其導電性相對較好，在電阻率法中表現為較低的電阻率異常。3.A解析：地震勘探通過分析地震波在不同介質中傳播速度的差異來成像地下結構。不同地質體（如巖石、土體、軟弱帶）的波速不同，這是地震勘探的基本原理。4.B解析：磁法勘探利用地球磁場與地下磁性體之間的相互作用。基巖侵入體或磁性礦物通常具有較高的磁化率，在磁場上產生明顯的異常，可用于追蹤其分布。低磁化率的松散沉積物一般不產生顯著的磁異常。5.C解析：MT方法利用自然或人工的電磁場在地下介質中感應的電磁場來探測地下電性結構。其優(yōu)勢在于不需要人工激發(fā)，信號強度相對穩(wěn)定，且能夠穿透較厚的覆蓋層，有效探測深部電性結構，尤其適用于勘查地下水、深部地質構造等。6.B解析：GPR利用高頻電磁波在介質中傳播和反射的原理。當電磁波遇到介電常數（與介質性質密切相關）發(fā)生變化的界面（如地裂縫）時，會發(fā)生反射，通過接收和分析反射波來探測地下結構。電磁波強度隨傳播距離增加而衰減，這種衰減特性對于識別反射信號（如地裂縫界面）至關重要。7.A解析：探測深度是選擇地球物理方法時的首要考慮因素之一，因為不同的地質災害（如淺層地裂縫vs深部滑坡體）需要不同的探測能力。只有首先確定了大致的探測深度要求，才能篩選出合適的方法。8.C解析：先驗信息是指在進行反演時已知的、獨立于觀測數據的額外信息，用于約束反演過程，避免產生不合理的解。地質背景資料、介質參數的經驗范圍屬于先驗信息；觀測數據的精確值本身就是反演的目標和輸入，不屬于先驗信息。9.B解析：單一地球物理方法往往存在一定的局限性（如分辨率低、對某些參數不敏感等）。綜合解釋就是利用不同方法的互補性，優(yōu)勢互補，克服單一方法的不足，從而提高對地下信息的整體認識和可靠性。10.C解析：地球物理方法在城市地質災害預測中的最終目的在于服務防災減災。通過勘查獲取地下信息，評估災害發(fā)生的可能性、規(guī)模和風險，為制定防治措施、規(guī)劃城市發(fā)展提供科學依據，而不是單純地獲取模型或參數。二、填空題1.地面沉降，地裂縫解析：這是城市發(fā)展中常見的兩種主要地質災害類型，與地下地質環(huán)境和人類工程活動密切相關。2.覆蓋層解析：城市地表通常覆蓋有較厚的松散沉積物（如土壤、人工填土等），這些覆蓋層會屏蔽和干擾來自下方的地球物理場。3.電流法，電壓法（或電位法）解析：這是電阻率法中向地下供入電流的兩種基本方式，分別通過測量電流和電壓來計算視電阻率。4.磁異常源，地下空洞（或軟弱結構面）解析：磁法可以探測具有磁化率的物體，如基巖、磁性礦石。在特定地質條件下，局部磁化率的差異或構造破壞也可能形成磁異常。5.對稱震源，反射震源，折射震源解析：這是根據震源和檢波器相對位置關系劃分的三種基本地震勘探類型，對應不同的數據采集和解釋方法。6.接地故障，暗埋管道（或管線）解析：GPR對介電常數變化敏感，而接地體（如電線桿接地極）和地下金屬管道等會改變其周圍介質的電學性質，產生GPR信號異常。7.成本解析：在滿足探測需求的前提下，成本效益是選擇地球物理方法時必須考慮的重要因素，直接關系到勘查工作的可行性。8.反演解析：數據處理流程通常包括數據預處理（去噪、編輯等）、正演模擬（理論計算）和反演（模型構建）等步驟，反演是核心環(huán)節(jié)之一。9.多解性解析：由于地球物理觀測數據與地下結構之間的非線性關系，以及先驗信息的局限性，地球物理解釋往往存在多解性，需要結合多種信息進行綜合判斷。10.電磁波解析：電磁波在傳播過程中會與介質發(fā)生相互作用，其傳播速度、強度、偏振等會受到介質電磁參數（如電導率、磁化率）的影響，淺層介質對這些影響的“放大”會限制有效探測深度。三、簡答題1.解析：電阻率法通過測量地面上不同點的視電阻率來反映地下電性結構的差異。當地下存在孔隙率大、含水量高、滲透性強的松散沉積層或軟弱帶時，其電阻率較低，與周圍電阻率較高的基巖或硬化土層形成電性差異，在電阻率剖面圖上表現為低阻異常區(qū)。這些低阻區(qū)域可能對應著地面沉降的潛在隱患，因為松散、濕軟的沉積物更容易在荷載作用下發(fā)生壓縮變形。局限性在于：①視電阻率是體積平均值，對淺層不均勻體可能無法準確反映其形態(tài)和邊界；②地下水位的季節(jié)性變化、測量裝置的排列方式等因素都會影響測量結果，導致異常的時空不確定性；③對于某些類型的地質災害（如巖溶、活動斷裂的精細結構），電阻率法可能不是最有效的方法。2.解析：探地雷達（GPR）利用高頻電磁波在地下傳播時遇到介質界面或異常體（如地裂縫）發(fā)生反射的原理。當地下存在地裂縫時，裂縫兩側介質的介電常數通常存在差異（裂縫內可能積水或填充物不同），導致電磁波在裂縫處產生反射信號。接收器接收到的反射波到達時間、強度和波形信息，可以用來確定地裂縫的位置、深度、寬度、產狀等信息。適用條件主要包括：①裂縫需要與雷達波傳播方向有一定夾角（非垂直時探測效果更好）；②裂縫需要具有一定的規(guī)模和介電常數差異才能產生有效的反射信號；③地表覆蓋層和地下介質對電磁波的衰減不能過強，否則信號會被嚴重削弱；④周圍環(huán)境電磁干擾要小。3.解析：選擇地球物理方法進行城市地質災害勘查時，需要綜合考慮以下主要因素：①災害類型和預測目標：不同的地質災害（滑坡、沉降、地裂縫等）其形成機制、發(fā)育特征、影響深度各不相同，需要選擇能夠有效探測目標特征的方法。例如，探測深部滑動面可能需要地震法或MT，探測淺層地裂縫可能適合GPR。②探測深度要求：需要明確勘查的目標深度，選擇在該深度范圍內具有足夠探測能力的地球物理方法。③場地條件：包括地形地貌（平坦、起伏）、覆蓋層類型和厚度、地下管線分布、施工便利性等。復雜地形或強電磁干擾場地可能限制某些方法的應用。④勘查精度要求：不同的方法在空間分辨率、探測精度上存在差異，需要根據需求選擇合適的方法。⑤成本和時間限制：不同方法的設備投入、人力成本、數據采集和處理時間差異較大，需要在預算和時間允許范圍內進行選擇。⑥已有地質資料和經驗：結合區(qū)域地質背景和前期研究成果，可以更有針對性地選擇方法，并提高后續(xù)解釋的可靠性。4.解析：大地電磁測深（MT）方法利用自然存在的低頻電磁場（由全球變化的電離層和地磁層共同產生）作為信號源，無需人工發(fā)射，具有天然的頻譜寬、信噪比高等優(yōu)點。由于自然電磁場的頻率范圍很寬（從毫赫茲到千赫茲），根據電磁場理論，地下介質電性結構對低頻電磁波的穿透能力遠強于高頻電磁波。因此，MT方法特別適合探測深部電性結構。當電磁波穿透到地下較深的位置時，即使遇到電性差異較小的界面或體，由于頻率低，衰減也相對較小，能夠攜帶更多關于深部介質電性分布的信息到達地表被接收。這使得MT成為勘查深層地下水、探測深部斷裂構造、研究地殼電性結構等的重要手段，尤其適用于覆蓋層深厚、人工干擾小的區(qū)域。四、計算題1.解析：計算ρs=150Ω·m反映的深度。對于電偶極裝置，視電阻率主要受近地表（約一個裝置臂長范圍內）電性結構影響。在本題中，砂層電阻率ρ1=50Ω·m，基巖電阻率ρ2=500Ω·m。ρs值（150Ω·m）介于ρ1和ρ2之間，但更接近ρ1。這表明，盡管下方存在高阻基巖，但測量點處的視電阻率主要受上覆砂層電性的顯著影響，或者是一個由砂層和部分基巖構成的混合剖面在該裝置尺度下的平均響應。由于砂層厚度h=10m，ρs值與ρ1接近，說明ρs主要反映了淺部（至少是10米范圍內）以砂層為主的電性特征，基巖的高阻特性尚未對測量點的視電阻率產生主導作用，或者說測量裝置的探測范圍主要位于砂層內部或緊鄰砂層底部的區(qū)域。2.解析：計算地表至接收器處的垂直距離H。根據題意，P波和S波到達時間分別為tP=1.0s,tS=1.5s，P波速度VP=1500m/s，S波速度VS=800m/s。假設地表為波速為VP和VS的介質界面，地下介質速度為常數。則地表至目的深處的垂直距離H可以分別用P波和S波旅行時計算：H=VP*tP=1500m/s*1.0s=1500mH=VS*tS=800m/s*1.5s=1200m由于P波速度大于S波速度，且P波先到達，這通常表明在接收器位置下方存在一個波速較低的層。題目要求估算垂直距離，可以采用速度較低S波的旅行時進行估算，或者采用兩者的平均值作為粗略估計。這里采用S波旅行時計算得到的結果為1200m。然而，更精確的計算應考慮雙程旅行時，即總時間除以2。但題目僅給單程時間，且未明確說明，此處按單程時間計算，結果為1200m。若假設接收器位于低速層的底部，則該距離即為低速層厚度。若假設地表為均質介質，則該距離為地殼的平均厚度估算值。根據題目條件，直接計算結果為1200m。五、綜合應用題1.解析：針對地面沉降，推薦方法及理由：①電阻率法（特別是溫納或斯倫貝謝裝置）：理由：適用于大面積普查，成本相對較低，可以快速獲取地表及淺部（數十米）電性結構信息。通過測量視電阻率異常，可以圈定松散沉積層厚區(qū)、富水區(qū)等與地面沉降密切相關的地質單元。②大地電磁測深（MT）：理由：當沉降深度較大（如上百米至千米級），需要探測深部基巖界面或深部地下水時，MT是有效手段。它能提供深部電性結構信息，有助于理解沉降的深部機制（如深部地下水開采、地殼結構變化等）。③探地雷達（GPR）：理由：對于探測淺層（幾米至二十幾米）不均勻性、小范圍沉降隱患、空洞或軟弱帶具有優(yōu)勢，可以作為詳細勘查或驗證手段。理由：這些方法分別針對不同深度范圍，覆蓋了從淺層到深部的探測需求，且各有側重（電阻率法廣域普查，MT深部結構，GPR淺部精細探測）。2.解析：針對地裂縫，推薦方法及理由：①探地雷達（GPR）：理由：GPR具有較好的淺層分辨率和成像能力，能夠有效探測近地表（通常數十米內）地裂縫的位置、深度、寬度、產狀等信息。設備相對輕便，機動靈活，適合在城區(qū)復雜環(huán)境下使用。②地震反射/折射法：理由：對于探測埋藏較深（數十米甚至上百米）的地裂縫或活動斷裂，地震反射法是主要手段。通過分析反射波剖面，可以識別地下斷層的展布、破碎帶的范圍