2025年大學(xué)《地球物理學(xué)》專業(yè)題庫——地球物理學(xué)在火山災(zāi)后救援中的應(yīng)用考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡述利用地震波監(jiān)測火山活動(dòng)前兆信號的主要方法及其物理原理。二、火山噴發(fā)后，火山灰的分布和厚度對救援行動(dòng)有何影響？請列舉至少三種地球物理方法，說明如何探測火山灰的分布范圍和潛在厚度。三、解釋什么是火山泥流（Lahar），并說明利用InSAR技術(shù)監(jiān)測和預(yù)測火山泥流風(fēng)險(xiǎn)的基本原理。該技術(shù)的優(yōu)勢是什么？有何主要局限性？四、在火山災(zāi)后環(huán)境中，探地雷達(dá)（GPR）被用于搜索被淺層掩埋的人員。請描述GPR的基本工作原理，并分析其在高溫、高濕、火山灰覆蓋等復(fù)雜條件下探測人員信號的挑戰(zhàn)。五、火山噴發(fā)可能導(dǎo)致地下水位變化和含水層污染。請簡述電阻率法或地震波速法在監(jiān)測火山噴發(fā)后地下水位變化和評估含水層污染方面的應(yīng)用原理。六、假設(shè)某火山噴發(fā)產(chǎn)生了熔巖流，請簡述利用熱紅外遙感技術(shù)監(jiān)測熔巖流路徑、范圍和溫度變化的原理。這種技術(shù)能提供哪些關(guān)鍵信息？有何局限性？七、火山噴發(fā)前后，地殼形變通常會發(fā)生顯著變化。請解釋GPS或InSAR技術(shù)在監(jiān)測火山噴發(fā)前后的地殼形變方面的作用原理，并說明如何利用這些信息評估火山噴發(fā)后的區(qū)域地質(zhì)穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)。八、某地發(fā)生火山噴發(fā)，產(chǎn)生了大量火山灰，導(dǎo)致機(jī)場關(guān)閉，交通受阻。現(xiàn)需要快速評估火山灰對周邊地區(qū)的覆蓋情況，以指導(dǎo)救援物資的空運(yùn)或人員疏散。請?zhí)岢鲆粋€(gè)基于地球物理方法（或方法組合）的快速評估方案，包括需要采用的主要技術(shù)、數(shù)據(jù)獲取步驟、初步處理和結(jié)果解讀方法。九、比較和對比利用地震方法監(jiān)測火山活動(dòng)前兆信號與利用地震方法進(jìn)行火山灰分布探測的主要異同點(diǎn)。在技術(shù)應(yīng)用和數(shù)據(jù)處理上有哪些需要注意的關(guān)鍵區(qū)別？試卷答案一、利用地震波監(jiān)測火山活動(dòng)前兆信號的主要方法包括：監(jiān)測火山震顫（TectonicTremor）、長周期地震（LPEvents）、火山震（VolcanicTremor）和火山爆發(fā)震顫（VT）。其物理原理主要是基于火山活動(dòng)引起的巖石破裂、摩擦滑動(dòng)或流體（如巖漿、氣體）運(yùn)動(dòng)在地球內(nèi)部產(chǎn)生不同類型的彈性波，通過部署在地表的地震儀陣列接收和分析這些波形的振幅、頻率、走時(shí)、源定位等參數(shù)，反演火山活動(dòng)相關(guān)的物理過程和力學(xué)狀態(tài)變化。二、火山灰的分布和厚度直接影響救援行動(dòng)，如阻礙交通、影響通信、危害呼吸系統(tǒng)健康、增加建筑物荷載風(fēng)險(xiǎn)等。探測火山灰分布和厚度的地球物理方法主要有：1）航空/航天遙感（利用多光譜、高光譜、熱紅外、雷達(dá)等探測火山灰的光學(xué)特性、熱特性或介電特性差異）；2）地面電磁法（利用火山灰與基巖在電導(dǎo)率上的差異進(jìn)行探測）；3）探地雷達(dá)（GPR）（利用火山灰與下伏介質(zhì)介電常數(shù)差異探測淺層分布和厚度）。這些方法可通過測量電磁場變化、反射波信號特征或探測介電常數(shù)/電導(dǎo)率變化來成像火山灰層。三、火山泥流（Lahar）是火山碎屑物質(zhì)（火山灰、巖塊等）與水混合形成的具有流動(dòng)性的泥石流。利用InSAR（干涉合成孔徑雷達(dá)）技術(shù)監(jiān)測和預(yù)測火山泥流風(fēng)險(xiǎn)的基本原理是：通過對比不同時(shí)間獲取的SAR影像，利用相位信息差計(jì)算地表微小形變（毫米級至厘米級），從而識別和追蹤火山泥流堆積區(qū)的地形變化、火山碎屑流通道的拓寬或堵塞、以及潛在泥流泛濫區(qū)的地表位移。優(yōu)勢在于可全天候、高精度、大范圍獲取地表形變信息，尤其擅長監(jiān)測緩變過程。局限性包括對植被覆蓋、水體、地形起伏敏感，難以穿透植被和水體直接監(jiān)測流體本身，數(shù)據(jù)處理和解釋相對復(fù)雜。四、探地雷達(dá)（GPR）的基本工作原理是：向地下發(fā)射高頻電磁波脈沖，電磁波在地下傳播時(shí)遇到不同介質(zhì)的分界面會發(fā)生反射和折射，接收器接收這些反射信號，通過分析信號的時(shí)間、振幅、相位等信息，繪制地下淺層結(jié)構(gòu)剖面圖。在火山災(zāi)后環(huán)境中探測人員信號的挑戰(zhàn)包括：火山灰導(dǎo)電性可能影響電磁波傳播和接收信號質(zhì)量；高溫可能損害GPR設(shè)備或影響介質(zhì)介電特性；高濕環(huán)境可能導(dǎo)致信號衰減；掩埋深度過深或掩埋物性質(zhì)與周圍介質(zhì)差異小都可能導(dǎo)致信號微弱或難以分辨。五、火山噴發(fā)后，電阻率法可通過測量地下介質(zhì)的電阻率變化來監(jiān)測水位和污染。其原理是：地下水位變化會改變含水層的電阻率（通常水位上升，飽和度增加，電阻率降低）；污染物（如鹽類、酸性物質(zhì)）進(jìn)入含水層也會改變其電阻率。通過布設(shè)電阻率測量裝置（如溫納四極法、偶極-偶極法），測量地面的電壓和電流，計(jì)算視電阻率，分析視電阻率隨時(shí)間或空間的變化，可以推斷地下水位的變化趨勢和污染羽的遷移方向。地震波速法原理是：地下介質(zhì)孔隙度、飽和度、含水飽和流體類型和壓力等因素都會影響巖石的地震波速（尤其是P波和S波速度）?；鹕絿姲l(fā)導(dǎo)致地下水位變化或含水層污染會改變這些因素，從而引起地震波速度場的變化。通過布設(shè)地震臺陣或進(jìn)行人工震源探測，監(jiān)測地震波速的變化，可以間接反映地下水位變化和含水層污染情況。六、利用熱紅外遙感技術(shù)監(jiān)測熔巖流的基本原理是：熔巖及其附近區(qū)域具有極高的溫度，與周圍環(huán)境（如火山灰、未受影響的巖石、植被）存在顯著的熱輻射差異。熱紅外遙感器能夠探測并記錄地表物體的熱輻射能量，根據(jù)接收到的輻射強(qiáng)度反演地表溫度分布。通過分析連續(xù)時(shí)間獲取的熱紅外影像，可以監(jiān)測熔巖流的實(shí)時(shí)位置（熱異常區(qū)邊界）、范圍（熱異常覆蓋區(qū)域）、溫度（熱異常亮溫值）以及流動(dòng)速度（通過不同時(shí)相影像對比熱異常的位移）。優(yōu)勢在于可以遠(yuǎn)距離、非接觸、快速獲取大范圍熔巖流的熱狀態(tài)信息。局限性包括易受云層、大氣水汽等干擾，無法直接測量熔巖流的深度和厚度，對低溫熔巖流或覆蓋有火山灰的熔巖流探測效果可能較差。七、GPS技術(shù)通過接收多顆導(dǎo)航衛(wèi)星的信號，精確測定接收機(jī)三維坐標(biāo)和時(shí)間，利用多個(gè)GPS站點(diǎn)的坐標(biāo)時(shí)間序列數(shù)據(jù)，可以精確計(jì)算地殼的水平和垂直位移、運(yùn)動(dòng)速度和形變。InSAR技術(shù)利用兩幅或多幅SAR影像的相位干涉，可高精度測量地表微小形變（毫米級至厘米級），形成形變場圖。監(jiān)測火山噴發(fā)前后地殼形變的作用原理是：火山活動(dòng)（如巖漿房充盈、壓力變化、巖體破裂）會引起地殼應(yīng)力場和應(yīng)變場的變化，進(jìn)而導(dǎo)致地表產(chǎn)生形變。通過對比噴發(fā)前后GPS觀測結(jié)果或InSAR形變圖，可以識別火山活動(dòng)引起的形變模式（如隆起、沉降、傾斜），評估形變量級和速度，判斷火山噴發(fā)是否改變了區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)，從而評估火山噴發(fā)后的區(qū)域地質(zhì)穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)，識別潛在的次生災(zāi)害（如地震、滑坡）區(qū)域。八、快速評估火山灰覆蓋情況的方案：采用航空高分辨率合成孔徑雷達(dá)（SAR）技術(shù)進(jìn)行大范圍成像。步驟：1）獲取火山噴發(fā)前后（或噴發(fā)期間）的SAR影像；2）進(jìn)行輻射校正和幾何校正；3）利用SAR影像的相位信息或后向散射強(qiáng)度差異，通過閾值分割、圖像分類或機(jī)器學(xué)習(xí)算法，區(qū)分火山灰覆蓋區(qū)與未覆蓋區(qū)；4）生成火山灰覆蓋概率圖或等厚圖；5）結(jié)合地形數(shù)據(jù)（DEM），評估火山灰對關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施（如道路、橋梁、建筑物、機(jī)場跑道）的影響范圍。該方法優(yōu)勢在于可全天候作業(yè)，覆蓋范圍廣，更新速度快，能穿透植被（一定厚度內(nèi)）直接反映地表物理變化。局限性在于對薄層火山灰可能不敏感，影像解譯需要專業(yè)知識，結(jié)果精度受多種因素影響。九、利用地震方法監(jiān)測火山活動(dòng)前兆信號與利用地震方法進(jìn)行火山灰分布探測的主要異同點(diǎn)：相同點(diǎn)在于都依賴于地震波在地球內(nèi)部傳播和反射的物理原理，都需要部署地震儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，都涉及信號處理和數(shù)據(jù)分析技術(shù)。不同點(diǎn)在于：1）應(yīng)用目標(biāo)不同：前者旨在探測火山內(nèi)部物理過程（如應(yīng)力變化、流體運(yùn)動(dòng)）和定位震源，以預(yù)測噴發(fā)；后者旨在成像地表淺層結(jié)構(gòu)，以確定火山灰的分布范圍和厚度。2）震源機(jī)制和波形特征不同：火山前兆地震通常具有特定頻譜特征（如長周期、低頻振動(dòng)），震源機(jī)制復(fù)雜；火山灰探測主要利用火山灰層與下伏基巖之間的反射界面產(chǎn)生的地震波信號，通常需要較高頻的地震波。3）數(shù)據(jù)