2025年大學(xué)《地球物理學(xué)》專業(yè)題庫——地球電磁場監(jiān)測技術(shù)在地下水資源評估中的應(yīng)用考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項(xiàng)的字母填在題后的括號內(nèi)。）1.在地下介質(zhì)中傳播的電磁波，其衰減程度主要與下列哪個因素正相關(guān)？A.頻率B.介質(zhì)磁導(dǎo)率C.介質(zhì)電導(dǎo)率D.介質(zhì)相對介電常數(shù)2.大地電磁法（MT）的主要優(yōu)勢在于利用什么場？A.人工發(fā)射的電磁場B.自然界存在的穩(wěn)定電磁場C.地下感應(yīng)電流產(chǎn)生的場D.傳導(dǎo)電流產(chǎn)生的場3.影響地下水體電導(dǎo)率最主要的因素是？A.水體溫度B.水體壓力C.水體中的溶解鹽類濃度D.水體流動性4.在進(jìn)行可控源電磁法（CSAMT）測量時，為了獲得較好的探測深度，應(yīng)采用什么供電方式？A.電流強(qiáng)度大，持續(xù)時間短B.電流強(qiáng)度小，持續(xù)時間長C.頻率低，供電電流大D.頻率高，供電電流小5.甚低頻電磁法（LVEM）相比大地電磁法，其主要特點(diǎn)之一是？A.探測深度更淺B.需要人工發(fā)射信號C.對地形起伏不敏感D.數(shù)據(jù)采集成本更高6.地下介質(zhì)電導(dǎo)率越高，在相同頻率下產(chǎn)生的視電阻率值？A.越高B.越低C.不變D.可能升高也可能降低7.從地表測量得到的視電阻率剖面，不能直接反映？A.地下介質(zhì)電性的橫向變化B.地下介質(zhì)電性的垂向變化C.含水層的具體厚度D.不同地電層之間的接觸關(guān)系8.在進(jìn)行一維地電模型反演時，若反演結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)擬合不好，除了數(shù)據(jù)質(zhì)量原因外，可能的原因是？A.選擇的反演參數(shù)范圍過窄B.地下結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，一維模型無法準(zhǔn)確刻畫C.儀器系統(tǒng)誤差過大D.野外測量點(diǎn)分布過于稀疏9.利用EM方法進(jìn)行地下水勘查時，通常將高電導(dǎo)率異常解釋為？A.含水砂層或斷層破碎帶B.基巖或低阻泥巖層C.裂隙發(fā)育的巖體D.植被覆蓋區(qū)10.下列哪種地球物理方法與電磁法在探測原理上最為相似？A.重力法B.磁法C.電阻率法D.放射性方法二、填空題（每空2分，共20分。請將正確答案填在橫線上。）1.麥克斯韋方程組揭示了電場和磁場之間相互轉(zhuǎn)換的關(guān)系，其中______方程體現(xiàn)了位移電流的概念。2.地下介質(zhì)對電磁波的衰減作用，使得電磁波信號在傳播過程中能量逐漸減弱，頻率越高的電磁波衰減越______。3.大地電磁法中，視電阻率ρ<0xE2><0x82><0x9F>與真實(shí)電阻率ρ的關(guān)系通常滿足ρ<0xE2><0x82><0x9F>=ρ<0xE1><0xB5><0xA8>/(1+2πfμ<0xE1><0xB5><0xA5>h<0xE2><0x82><0x99><0xE2><0x82><0x90>)，其中h<0xE2><0x82><0x90>是______。4.控制源電磁法（CSAMT）通過人工發(fā)射______和測量______來獲取地下信息。5.電磁法在地下水勘查中，主要利用地下不同介質(zhì)（如巖石、土壤、水體）電導(dǎo)率的差異來圈定______和判斷其______。6.進(jìn)行EM數(shù)據(jù)一維反演時，常用的反演方法有______和最小二乘法等。7.電磁法野外數(shù)據(jù)采集時，為了減少地形的影響，常采用______測量系統(tǒng)。8.影響電磁法探測深度的因素主要有頻率、介質(zhì)電導(dǎo)率和______。9.在解釋EM反演結(jié)果時，應(yīng)結(jié)合地質(zhì)資料、鉆孔信息等進(jìn)行綜合分析，以減小______。10.低頻電磁法（如MT、LVEM）相對于高頻電磁法，在探測地下深處目標(biāo)時具有更好的______。三、簡答題（每題5分，共20分。）1.簡述電磁波在良導(dǎo)體中傳播時衰減迅速的主要原因。2.簡述大地電磁法（MT）野外數(shù)據(jù)采集的基本流程。3.與電阻率法相比，簡述電磁法在探測地下水方面的主要優(yōu)點(diǎn)。4.簡述進(jìn)行EM數(shù)據(jù)一維反演時，選擇合適起始模型的重要性。四、計(jì)算題（共20分。）假設(shè)在均勻半空間地表進(jìn)行頻率域電磁測量，測量點(diǎn)離地表深度為h=50m，測得兩個頻率（f1=0.1Hz,f2=10Hz）對應(yīng)的視電阻率分別為ρ<0xE2><0x82><0x9F>1=100Ω·m和ρ<0xE2><0x82><0x9F>2=200Ω·m。請計(jì)算：（1）該半空間介質(zhì)的真電阻率ρ。（2）如果地下存在一個深度為H（H<h），電阻率為ρ2（ρ2<0xE1><0xB5><0xA8>ρ）的水平電導(dǎo)層，定性分析ρ<0xE2><0x82><0x9F>1和ρ<0xE2><0x82><0x9F>2將如何變化？請簡要說明理由。五、綜合應(yīng)用題（共20分。）某地區(qū)地質(zhì)背景為：地表覆蓋有厚度不等的低阻粘土層，下方存在一富含地下水的砂礫石含水層，含水層被相對高阻的基巖所隔。為勘探該含水層的分布范圍和富水性，在該地區(qū)進(jìn)行了CSAMT測量。假設(shè)測量獲得的數(shù)據(jù)顯示，在砂礫石含水層分布區(qū)，地表對應(yīng)的視電阻率值顯著偏低；而在粘土覆蓋區(qū)和高阻基巖區(qū)，視電阻率值相對較高。請結(jié)合CSAMT方法原理和地下介質(zhì)電性特征，分析：（1）為什么在砂礫石含水層分布區(qū)，CSAMT測量得到的視電阻率值會偏低？（2）根據(jù)視電阻率分布特征，如何初步判斷砂礫石含水層的分布范圍？（3）在實(shí)際應(yīng)用中，利用CSAMT數(shù)據(jù)進(jìn)行地下水勘查時，需要注意哪些主要問題？試卷答案一、選擇題1.C*解析：電磁波在介質(zhì)中傳播時，介質(zhì)電導(dǎo)率越大，對傳導(dǎo)電流的阻礙越小，能量損耗越嚴(yán)重，衰減越快。2.B*解析：大地電磁法利用的是地球內(nèi)部自然存在的電磁場，通過測量地電場和地磁場的比值（阻抗張量）來推斷地下電性結(jié)構(gòu)。3.C*解析：地下水的電導(dǎo)率主要取決于水中溶解鹽類的濃度，鹽類濃度越高，導(dǎo)電能力越強(qiáng)，電導(dǎo)率越高。4.B*解析：CSAMT為了獲得足夠的感應(yīng)電流以產(chǎn)生較強(qiáng)的二次場，從而有效探測地下深處，通常需要采用較大的電流強(qiáng)度和較長的供電時間。5.B*解析：甚低頻電磁法與大地電磁法不同，它需要人工發(fā)射低頻電磁場，并通過測量接收線圈中的感應(yīng)電壓來獲取地下信息。6.B*解析：視電阻率是真實(shí)電阻率的函數(shù)，通常隨介質(zhì)電導(dǎo)率的升高而降低。7.C*解析：視電阻率剖面反映的是地電學(xué)參數(shù)的垂直變化趨勢和橫向分布特征，但不能直接給出地層的絕對厚度。8.B*解析：一維模型假設(shè)地下結(jié)構(gòu)沿一個方向無限延伸，當(dāng)實(shí)際地下結(jié)構(gòu)復(fù)雜時，用一維模型難以精確擬合，導(dǎo)致反演結(jié)果偏差。9.A*解析：高電導(dǎo)率通常代表良好的導(dǎo)電性，在地下水勘查中，良好的導(dǎo)電性體多為含水層、斷層破碎帶等。10.C*解析：電阻率法和電磁法都基于地下介質(zhì)電導(dǎo)率的差異來探測地下結(jié)構(gòu)，原理上較為相似，都是利用電性差異成像。二、填空題1.安培-麥克斯韋*解析：安培-麥克斯韋定律（?×B=μ?J+μ?ε??E/?t）中，?E/?t項(xiàng)即為位移電流項(xiàng)，揭示了變化的電場能產(chǎn)生磁場。2.大*解析：電磁波在介質(zhì)中傳播時，能量損耗與頻率成正比（在高頻近似下），頻率越高，衰減越快。3.電離層底部深度（或趨膚深度）*解析：h<0xE2><0x82><0x90>在視電阻率公式中代表信號主要穿透的深度，與頻率和電導(dǎo)率有關(guān)，大致對應(yīng)電離層底部或趨膚深度。4.電流，二次場（或感應(yīng)電壓）*解析：CSAMT通過向地下注入人工電流，同時測量產(chǎn)生的總場（一次場+二次場）或僅測量二次場來獲取信息。5.含水層，富水性*解析：EM法利用不同介質(zhì)電導(dǎo)率差異，可以定位高電導(dǎo)率含水層，并通過電導(dǎo)率高低判斷其富水性。6.最小二乘法*解析：除了迭代法（如共軛梯度法），最小二乘法也是常用的一維反演方法，通過最小化模型預(yù)測值與實(shí)測值之間的誤差進(jìn)行反演。7.三分量*解析：為了克服單分量測量受地形影響大的問題，通常采用測量水平分量E<0xE2><0x82><0x98xE1><0xB5><0x90xE2><0x82><0x98xE1><0xB5><0x91xE2><0x82><0x98xE1><0xB5><0x92xE2><0x82><0x99xE2><0x82><0x90xE2><0x82><0x91xE2><0x82><0x92xE2><0x82><0x93xE2><0x82><0x94xE2><0x82><0x95xE2><0x82><0x96xE2><0x82><0x97xE2><0x82><0x98xE1><0xB5><0x9BxE1><0xB5><0x9BxE1><0xB5><0x9B系統(tǒng)，以減小地形效應(yīng)。8.地形*解析：地形起伏會嚴(yán)重影響地表電磁場的分布，從而影響測量結(jié)果和探測深度。9.先驗(yàn)信息*解析：EM反演結(jié)果對先驗(yàn)信息（如初始模型、地質(zhì)背景假設(shè)）非常敏感，結(jié)合實(shí)際資料可以減少不確定性。10.探測深度*解析：低頻電磁波穿透深度大，受高頻時趨膚效應(yīng)影響小，因此探測深度通常優(yōu)于高頻電磁法。三、簡答題1.電磁波在良導(dǎo)體中傳播時，其電場分量會激發(fā)出強(qiáng)大的渦旋電流。良導(dǎo)體的電導(dǎo)率很高，根據(jù)歐姆定律（J=σE），渦旋電流密度也會很大。根據(jù)焦耳定律（P=J2/σ），單位體積內(nèi)的能量損耗率與電流密度的平方成正比。因此，盡管電場強(qiáng)度可能衰減較慢，但由于巨大的渦旋電流產(chǎn)生的焦耳熱損耗非常嚴(yán)重，導(dǎo)致電磁波能量在良導(dǎo)體中傳播時衰減迅速。2.大地電磁法野外數(shù)據(jù)采集的基本流程包括：首先進(jìn)行踏勘，了解測區(qū)地質(zhì)背景和地形地貌，確定測線位置和測量點(diǎn)間距；然后根據(jù)設(shè)計(jì)好的測線方案布置儀器，通常采用長導(dǎo)線或電纜連接發(fā)射線框和接收線框，并確保線框水平放置；接著按照一定的頻率順序（從低到高或從高到低）進(jìn)行測量，在每個測點(diǎn)同步測量地電場的三個分量（Ex,Ey,Ez）和地磁場的三個分量（Hx,Hy,Hz）；測量過程中需進(jìn)行儀器檢查、基線校準(zhǔn)等質(zhì)量控制工作；最后將野外原始數(shù)據(jù)傳輸回室內(nèi)進(jìn)行處理和解釋。3.與電阻率法相比，電磁法在探測地下水方面的主要優(yōu)點(diǎn)在于：①探測深度相對較大，尤其是在利用低頻電磁法時；②對良導(dǎo)體的響應(yīng)更為敏感，適合探測含鹽水體、礦體等高電導(dǎo)率異常體；③理論上是非破壞性探測方法，對環(huán)境的擾動較??；④數(shù)據(jù)采集相對快速，尤其對于天然源大地電磁法。4.進(jìn)行EM數(shù)據(jù)一維反演時，選擇合適的起始模型非常重要。起始模型是反演算法的初始猜測值，它接近真實(shí)地下結(jié)構(gòu)有助于反演算法更快地收斂到合理的結(jié)果，并提高反演結(jié)果的精度和可靠性。如果起始模型與真實(shí)模型差異過大，反演算法可能陷入局部最小值，導(dǎo)致反演結(jié)果嚴(yán)重失真或無法收斂，無法準(zhǔn)確反映地下真實(shí)電性結(jié)構(gòu)。四、計(jì)算題（1）計(jì)算真電阻率ρ：*解析：對于均勻半空間，頻率域視電阻率與真電阻率的關(guān)系為ρ<0xE2><0x82><0x9F>=ρ/(1+2πfμ<0xE1><0xB5><0xA5>h<0xE2><0x82><0x90>)。當(dāng)h趨于無窮大時，分母中的h項(xiàng)趨于無窮大，視電阻率ρ<0xE2><0x82><0x9F>趨于極限值ρ。因此，可以通過測量兩個頻率下的視電阻率，利用對數(shù)關(guān)系求解真電阻率。具體計(jì)算方法如下：ln(ρ<0xE2><0x82><0x9F>1)=ln(ρ/(1+2πf1μ<0xE1><0xB5><0xA5>h))=ln(ρ)-ln(1+2πf1μ<0xE1><0xB5><0xA5>h)ln(ρ<0xE2><0x82><0x9F>2)=ln(ρ/(1+2πf2μ<0xE1><0xB5><0xA5>h))=ln(ρ)-ln(1+2πf2μ<0xE1><0xB5><0xA5>h)兩式相減：ln(ρ<0xE2><0x82><0x9F>1)-ln(ρ<0xE2><0x82><0x9F>2)=-ln(1+2πf1μ<0xE1><0xB5><0xA5>h)+ln(1+2πf2μ<0xE1><0xB5><0xA5>h)ln(ρ<0xE2><0x82><0x9F>1/ρ<0xE2><0x82><0x9F>2)=ln((1+2πf2μ<0xE1><0xB5><0xA5>h)/(1+2πf1μ<0xE1><0xB5><0xA5>h))ρ<0xE2><0x82><0x9F>1/ρ<0xE2><0x82><0x9F>2=(1+2πf2μ<0xE1><0xB5><0xA5>h)/(1+2πf1μ<0xE1><0xB5><0xA5>h)令k=2πμ<0xE1><0xB5><0xA5>h，則：ρ<0xE2><0x82><0x9F>1/ρ<0xE2><0x82><0x9F>2=(1+kf2)/(1+kf1)ρ<0xE2><0x82><0x9F>=ρ<0xE2><0x82><0x9F>2*(1+kf1)/(1+kf2)為了消除h的影響，通常使用對數(shù)差分公式：ln(ρ<0xE2><0x82><0x9F>1)-ln(ρ<0xE2><0x82><0x9F>2)≈k*(f2-f1)k≈(ln(ρ<0xE2><0x82><0x9F>1)-ln(ρ<0xE2><0x82><0x9F>2))/(f2-f1)代入數(shù)值計(jì)算：k≈(ln(100)-ln(200))/(10-0.1)≈(4.605-5.605)/9.9≈-0.102ρ≈200*(1-0.102*0.1)/(1+(-0.102)*10)ρ≈200*(1-0.0102)/(1-1.02)ρ≈200*0.9898/-0.02ρ≈-98.98/0.02ρ≈4949Ω·m*（注：此計(jì)算過程基于對數(shù)近似和簡化公式，實(shí)際更精確的計(jì)算可能需要迭代求解）*真電阻率ρ≈4950Ω·m*解析：根據(jù)均勻半空間視電阻率與真電阻率的關(guān)系，利用兩個頻率下的視電阻率數(shù)據(jù)，通過上述對數(shù)差分方法可以估算出真電阻率。計(jì)算結(jié)果顯示真電阻率約為4950Ω·m。（2）水平電導(dǎo)層對視電阻率的影響：*解析：當(dāng)?shù)叵麓嬖谝粋€深度為H（H<h=50m），電阻率為ρ2（ρ2<0xE1><0xB5><0xA8>ρ）的水平電導(dǎo)層時，對于CSAMT測量點(diǎn)（位于地表深度h=50m處）：*當(dāng)頻率較低（f1=0.1Hz）時，電磁波波長較長，穿透深度較大，可以穿透粘土層和部分電導(dǎo)層，甚至可能受到下方基巖的影響。此時，視電阻率主要反映的是包含粘土層、部分電導(dǎo)層以及下方基巖的綜合電性。由于電導(dǎo)層電阻率ρ2低于ρ，且位于地表下方，會引入低阻異常，使得綜合視電阻率ρ<0xE2><0x82><0x9F>1相對于純均勻半空間模型（ρ=4950Ω·m）有所降低。降低的幅度取決于電導(dǎo)層的厚度、電阻率以及測量點(diǎn)距電導(dǎo)層上頂部的距離。*當(dāng)頻率較高（f2=10Hz）時，電磁波波長較短，穿透深度減小。由于h=50m大于較低頻率時的穿透深度，此時電磁波可能主要被粘土層所限制，無法有效穿透到下方的電導(dǎo)層。因此，視電阻率ρ<0xE2><0x82><0x9F>2主要反映地表粘土層的電性。粘土層電阻率較低（ρ2<0xE1><0xB5><0xA8>ρ），導(dǎo)致較高頻率下的視電阻率ρ<0xE2><0x82><0x9F>2相對于純均勻半空間模型（ρ=4950Ω·m）更低，異常特征可能更加明顯。*結(jié)論：水平電導(dǎo)層的存在會導(dǎo)致地表測量的視電阻率值降低，且在較低頻率下，由于波穿透深度增大，其影響范圍可能更廣，但在較高頻率下，若穿透深度不足以到達(dá)電導(dǎo)層，則主要反映淺部低阻特征，視電阻率更低。因此，ρ<0xE2><0x82><0x9F>1和ρ<0xE2><0x82><0x9F>2相對于純均勻半空間模型都會降低，但頻率越高，受淺部低阻（粘土）影響越顯著。五、綜合應(yīng)用題（1）在砂礫石含水層分布區(qū)，CSAMT測量得到的視電阻率值會偏低的原因：*解析：砂礫石含水層中的水（尤其是地下水）具有相對較高的電導(dǎo)率。根據(jù)電磁法原理，電導(dǎo)率高的介質(zhì)對電磁波的衰減作用強(qiáng)，產(chǎn)生的二次場（感應(yīng)場）也較強(qiáng)。在CSAMT測量中，視電阻率與地下介質(zhì)的電導(dǎo)率成反比關(guān)系（視電阻率越低，對應(yīng)電導(dǎo)率越高）。因此，當(dāng)測量點(diǎn)位于砂礫石含水層上方或其影響范圍內(nèi)時，含水層的高電導(dǎo)率特性導(dǎo)致地表接收到的總場（或二次場）增強(qiáng)