2025年大學(xué)《地球物理學(xué)》專業(yè)題庫——地球物理學(xué)與地鐵建設(shè)的關(guān)系探討考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡述地震波在均勻介質(zhì)中傳播的基本特征。結(jié)合地鐵隧道勘察的需求，說明為什么縱波和橫波探測(cè)通常是聯(lián)合進(jìn)行的？二、電阻率法在地鐵車站和區(qū)間隧道勘察中各有側(cè)重。請(qǐng)分別闡述電阻率法在探測(cè)地鐵車站深部基巖、溶洞，以及探測(cè)隧道圍巖破碎帶、富水區(qū)時(shí)的基本原理和常用方法組合。三、探地雷達(dá)（GPR）技術(shù)具有分辨率高、靈活性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但也存在探測(cè)深度有限、易受噪聲干擾等缺點(diǎn)。請(qǐng)結(jié)合地鐵施工過程監(jiān)控的實(shí)例，論述GPR技術(shù)在該領(lǐng)域的具體應(yīng)用，并分析其局限性與潛在的改進(jìn)方向。四、地鐵線路選線階段需要進(jìn)行大面積地質(zhì)調(diào)查，以避開不良地質(zhì)構(gòu)造和地下水問題。請(qǐng)比較地震勘探和重力勘探在區(qū)域地質(zhì)調(diào)查中的優(yōu)缺點(diǎn)，并說明選擇哪種或哪幾種方法組合可能更有效，為什么？五、地鐵隧道開挖過程中，可能會(huì)遇到突水突泥、圍巖失穩(wěn)等風(fēng)險(xiǎn)。請(qǐng)簡述利用地球物理方法（如微震監(jiān)測(cè)、瞬態(tài)電磁法、電阻率法）進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的基本思路，并說明這些方法在預(yù)警時(shí)間、預(yù)報(bào)精度和適用條件方面的差異。六、城市地鐵建設(shè)對(duì)周邊環(huán)境影響日益受到關(guān)注。例如，隧道掘進(jìn)可能引發(fā)地面沉降。請(qǐng)論述如何利用地球物理方法（如GPS、InSAR、探地雷達(dá)、電阻率法）監(jiān)測(cè)地鐵施工引起的地面沉降和建筑物損傷，并簡述數(shù)據(jù)分析和效果評(píng)價(jià)的基本步驟。七、試述地球物理探測(cè)數(shù)據(jù)的多解性問題。以探測(cè)地鐵隧道下方是否存在暗河或空洞為例，說明可能存在哪些不同的解釋，以及在實(shí)際工程中如何通過補(bǔ)充信息或采用多種方法組合來提高解釋的可靠性。試卷答案一、地震波在均勻介質(zhì)中傳播時(shí)，波速恒定，波形保持簡單，無波形轉(zhuǎn)換現(xiàn)象。縱波（P波）可以穿過固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)介質(zhì)，橫波（S波）只能穿過固態(tài)介質(zhì)。聯(lián)合進(jìn)行縱波和橫波探測(cè)，可以利用兩種波在不同介質(zhì)（特別是不同巖石類型和結(jié)構(gòu)）中傳播速度的差異，更全面地刻畫地下介質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。P波速度相對(duì)較快，適合探測(cè)較大范圍的地質(zhì)結(jié)構(gòu)變化；S波速度較慢，對(duì)巖石的破碎、軟弱、是否存在空洞等局部異常更為敏感。兩者結(jié)合，可以提供更豐富、更可靠的地下信息，滿足地鐵隧道和車站勘察對(duì)地質(zhì)結(jié)構(gòu)精細(xì)探測(cè)的需求。二、電阻率法通過測(cè)量地中電流產(chǎn)生的電位差來探測(cè)地下電阻率分布，從而推斷地質(zhì)結(jié)構(gòu)。在探測(cè)地鐵車站深部基巖時(shí)，通常采用溫納法或斯倫貝謝法等二維或三維電剖面法?；鶐r電阻率一般高于上覆的松散沉積物，通過測(cè)量電阻率異?？梢源_定基巖頂界面深度和范圍，為車站深基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。探測(cè)地鐵車站或隧道周圍的溶洞時(shí)，溶洞內(nèi)部通常填充水或泥漿，電阻率遠(yuǎn)低于周圍的巖石，采用聯(lián)合剖面法、電測(cè)深法或電阻率成像（如IP成像）可以有效地定位和圈定溶洞的范圍。探測(cè)隧道圍巖破碎帶時(shí)，破碎帶通常含水較多或存在泥質(zhì)填充，導(dǎo)致其電阻率降低，利用電阻率法（如電剖面法、電成像法）可以探測(cè)破碎帶的分布范圍和延伸深度，為隧道支護(hù)設(shè)計(jì)提供參考。探測(cè)隧道圍巖富水區(qū)時(shí)，富水區(qū)電阻率通常較低，電阻率法同樣適用，特別是感應(yīng)電壓法（IP法）對(duì)含水量變化較為敏感。常用方法組合包括：二維電剖面法（溫納、斯倫貝謝）用于初步普查和圈定異常范圍；三維電成像（如ResistivityTomography,RT）用于精細(xì)刻畫異常體的形狀和空間分布。三、探地雷達(dá)（GPR）利用高頻電磁波在地下介質(zhì)中傳播和反射的原理進(jìn)行探測(cè)，具有非侵入性、實(shí)時(shí)性好、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。在地鐵施工過程監(jiān)控中，GPR主要用于探測(cè)近地表的異常體，如：探測(cè)隧道開挖面前方一定范圍內(nèi)的不良地質(zhì)（如孤石、溶洞、斷層破碎帶）、軟弱夾層；監(jiān)測(cè)隧道圍巖變形或開裂引起的反射界面變化；探測(cè)初期支護(hù)（噴射混凝土、錨桿）與圍巖、二次襯砌之間是否存在空洞或脫空；檢查防水層鋪設(shè)是否完好，是否存在針孔或破損。其局限性在于探測(cè)深度有限（通常幾十米，復(fù)雜環(huán)境下更淺），易受近地表高電導(dǎo)率體（如水、金屬管道）、含水量變化、接地條件、多次反射等因素的干擾，導(dǎo)致信號(hào)衰減快、圖像質(zhì)量差、解譯困難。潛在的改進(jìn)方向包括：采用更高頻率的天線以提高分辨率（但會(huì)降低探測(cè)深度）；結(jié)合近景反射波法（NRSW）進(jìn)行隧道襯砌結(jié)構(gòu)檢測(cè)；利用瞬態(tài)電磁法（TDEM）輔助探測(cè)富水區(qū)或?qū)щ姰惓ｓw；采用先進(jìn)的信號(hào)處理和反演算法（如基于機(jī)器學(xué)習(xí)的方法）提高數(shù)據(jù)質(zhì)量和解譯精度；與其他監(jiān)測(cè)手段（如微震、紅外）結(jié)合進(jìn)行綜合判釋。四、地震勘探通過激發(fā)和接收地下彈性波，根據(jù)波在介質(zhì)中傳播的速度和路徑變化來探測(cè)地下結(jié)構(gòu)。其優(yōu)點(diǎn)是探測(cè)范圍廣、速度快、可以提供關(guān)于介質(zhì)彈性和結(jié)構(gòu)的詳細(xì)信息（如P波速度、S波速度、剪切波分裂等），能夠有效識(shí)別大型地質(zhì)構(gòu)造（斷層、褶皺）和不同巖性的分布。缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)解釋受波形理論假設(shè)（如均勻介質(zhì)、平面波）的限制較大，存在多解性問題；對(duì)于隱伏構(gòu)造、低速夾層、薄層沉積物的探測(cè)效果可能不佳；施工（需要激發(fā)源和接收器）相對(duì)復(fù)雜，成本較高。重力勘探通過測(cè)量地表重力場(chǎng)的微小變化來探測(cè)地下密度分布的不均勻性。優(yōu)點(diǎn)是天然場(chǎng)源，無需人工激發(fā)，探測(cè)深度可以很大，對(duì)密度差異明顯的地質(zhì)體（如基巖、鹽丘、大型空腔、密度異常體）比較敏感，成本相對(duì)較低。缺點(diǎn)是重力信號(hào)非常微弱（約為10^-8m/s^2量級(jí)），對(duì)探測(cè)體的密度差異要求較高，易受地表地形起伏、植被、人工建筑物等非構(gòu)造因素干擾；數(shù)據(jù)處理和解釋比較復(fù)雜，需要建立精確的地球模型。在區(qū)域地質(zhì)調(diào)查中，如果目標(biāo)是探測(cè)大型、深部的地質(zhì)構(gòu)造或密度異常體（如大型斷裂帶、地殼結(jié)構(gòu)變化、隱伏的基巖面），重力勘探可能因其探測(cè)深度大和成本效益高的優(yōu)勢(shì)而成為首選或重要的補(bǔ)充手段。如果需要更精細(xì)地了解地表下一定深度范圍內(nèi)的巖性、結(jié)構(gòu)或進(jìn)行隱伏斷層探測(cè)，地震勘探通常是更直接的選擇。最佳策略往往是聯(lián)合使用多種方法（如重力+地震），利用不同方法的互補(bǔ)性（探測(cè)深度、分辨率、對(duì)異常體敏感度不同）來提高探測(cè)的廣度和可靠性，從而獲得更全面的區(qū)域地質(zhì)信息。五、地鐵隧道開挖過程中的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是預(yù)防風(fēng)險(xiǎn)、保障施工安全的關(guān)鍵技術(shù)。其基本思路是：在隧道開挖面前方一定距離（通常15-50米，根據(jù)開挖方式、圍巖條件調(diào)整）布設(shè)探測(cè)傳感器或發(fā)射/接收裝置，實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)前方地質(zhì)介質(zhì)在開挖擾動(dòng)下的物理場(chǎng)（如應(yīng)力場(chǎng)、聲波場(chǎng)、電磁場(chǎng)、電學(xué)場(chǎng)）的變化，根據(jù)這些場(chǎng)的變化特征來推斷前方地質(zhì)情況（如是否存在斷層、破碎帶、富水區(qū)、巖溶、空洞等）。例如，利用微震監(jiān)測(cè)，通過分析開挖過程中巖體破裂產(chǎn)生的微小地震波的數(shù)量、震源位置、震級(jí)分布等特征，可以判斷前方是否存在應(yīng)力集中區(qū)或潛在的失穩(wěn)危險(xiǎn)源。利用瞬態(tài)電磁法（TDEM），通過測(cè)量開挖前方介質(zhì)的電導(dǎo)率變化，可以識(shí)別含水區(qū)、軟弱夾層或?qū)щ姎怏w（如瓦斯）富集區(qū)。利用電阻率法（如超前鉆探前電阻率法或紅外探測(cè)），通過測(cè)量前方介質(zhì)的電阻率或紅外輻射特征變化，也可以探測(cè)斷層破碎帶、富水區(qū)或巖溶發(fā)育區(qū)。這些方法在預(yù)警時(shí)間、預(yù)報(bào)精度和適用條件上存在差異：微震監(jiān)測(cè)的預(yù)警時(shí)間相對(duì)較短（幾秒到幾分鐘），精度較高（對(duì)破裂源定位較準(zhǔn)），但對(duì)微震信號(hào)的產(chǎn)生和拾取要求高，且受圍巖脆性程度影響；TDEM和電阻率法（特別是IP法）可以提供一定的預(yù)警時(shí)間（幾分鐘到幾小時(shí)甚至更長，取決于充電周期和信號(hào)響應(yīng)速度），對(duì)含水、導(dǎo)電氣體敏感，但信號(hào)解釋受圍巖電性結(jié)構(gòu)復(fù)雜度影響較大，定位精度相對(duì)較低；紅外探測(cè)對(duì)巖體應(yīng)力和裂隙變化較敏感，可用于監(jiān)測(cè)圍巖穩(wěn)定性，但設(shè)備較昂貴，環(huán)境干擾（如溫度變化）影響較大。實(shí)際工程中常采用多種方法組合預(yù)報(bào)，利用不同方法的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提高預(yù)報(bào)的可靠性和準(zhǔn)確性。六、地球物理方法在監(jiān)測(cè)地鐵施工引起的地面沉降和建筑物損傷方面發(fā)揮著重要作用。監(jiān)測(cè)地面沉降常用方法包括：GPS（全球定位系統(tǒng)）通過接收衛(wèi)星信號(hào)精確測(cè)量地面點(diǎn)的三維坐標(biāo)變化，可以長期、連續(xù)地監(jiān)測(cè)大范圍地表形變；InSAR（干涉合成孔徑雷達(dá)）利用多時(shí)相衛(wèi)星雷達(dá)影像的相位差異來反演地表微小形變（毫米級(jí)至厘米級(jí)），尤其擅長監(jiān)測(cè)大面積、連續(xù)的地面沉降和形變場(chǎng)；探地雷達(dá)（GPR）通過測(cè)量雷達(dá)波在地表及淺層介質(zhì)中的傳播時(shí)間、振幅、相位變化，可以探測(cè)近地表介質(zhì)密度的變化、不均勻性或空洞發(fā)育，對(duì)于監(jiān)測(cè)施工引起的淺層地面變形、路基沉降等有直接作用；電阻率法通過測(cè)量地表電阻率隨時(shí)間的變化，可以反映地下水位變化、孔隙壓力變化或介質(zhì)結(jié)構(gòu)變化，間接指示地面沉降趨勢(shì)。監(jiān)測(cè)建筑物損傷常用方法包括：GPR用于探測(cè)建筑物基礎(chǔ)、墻體、地坪內(nèi)部是否存在裂縫、空洞、滲漏通道；紅外熱成像技術(shù)用于探測(cè)建筑物墻體、屋頂?shù)炔课灰蚪Y(jié)構(gòu)應(yīng)力變化、地基沉降不均、防水層破損等原因引起的異常溫度分布；精密水準(zhǔn)測(cè)量或全站儀測(cè)量用于精確評(píng)估建筑物不同部位的高度變化和水平位移；高分辨率攝影測(cè)量或三維激光掃描可用于獲取建筑物表面形貌的精確數(shù)據(jù)，通過時(shí)序?qū)Ρ确治鼋Y(jié)構(gòu)變形。數(shù)據(jù)分析和效果評(píng)價(jià)的基本步驟通常包括：原始數(shù)據(jù)處理（如GPS坐標(biāo)解算與整平、InSAR相干性處理與形變解算、GPR數(shù)據(jù)降噪與成像、電阻率數(shù)據(jù)迭代反演、紅外圖像增強(qiáng)等）；時(shí)序分析（對(duì)比不同時(shí)間點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算變化量、變化速率）；空間分析（將監(jiān)測(cè)結(jié)果與施工進(jìn)度、地質(zhì)條件、建筑物布局等進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析）；影響評(píng)估（結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，綜合判斷監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)施工安全、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、周邊環(huán)境的影響，提出評(píng)估結(jié)論和預(yù)警建議）。七、地球物理探測(cè)數(shù)據(jù)的多解性問題是指對(duì)于獲取的同一組地球物理數(shù)據(jù)，可能存在多種不同的地質(zhì)模型解釋都能在某種程度上與觀測(cè)數(shù)據(jù)相符。這是由地球物理場(chǎng)與地下結(jié)構(gòu)之間的非線性關(guān)系、觀測(cè)數(shù)據(jù)的有限性、噪聲干擾以及反演問題的不適定性（如解的非唯一性、不穩(wěn)定性）共同造成的。以探測(cè)地鐵隧道下方是否存在暗河或空洞為例，可能存在的不同解釋包括：1）隧道正下方存在一個(gè)空腔（空洞、溶洞或廢棄礦井）；2）隧道上方存在一個(gè)空腔，隧道恰好位于其邊緣或斜上方；3）隧道下方存在一個(gè)傾斜的空腔，其頂板或底板與隧道位置關(guān)系復(fù)雜；4）隧道下方并非空腔，而是由于基巖侵蝕、風(fēng)化或構(gòu)造裂隙發(fā)育形成的低阻網(wǎng)絡(luò)或裂隙密集帶，其電阻率特征與小型空腔相似；5）探測(cè)儀器本身存在問題或布設(shè)方式不當(dāng)，導(dǎo)致的假象；6）觀測(cè)數(shù)據(jù)中包含的噪聲或干擾信號(hào)被誤判為地質(zhì)結(jié)構(gòu)信息。在實(shí)際工程中，為了提高解釋的可靠性，需要通過多種手段和信息的綜合分析來約束和排除不合理的解釋。這包括：利用多種地球物理方法進(jìn)行探測(cè)。例如，地震勘探對(duì)高速體（空洞）和低速體（含水裂隙帶）的響應(yīng)不同，聯(lián)合電阻率法（高阻體通常對(duì)應(yīng)空洞，低阻體對(duì)應(yīng)富水或裂隙）可以相互印證或區(qū)分；結(jié)合鉆探