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下鉆井中的應用研究考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分。請將正確選項的代表字母填在題后的括號內）1.在城市地下鉆井前進行地球物理探測的主要目的是（）。A.精確測定地下鉆井機械的運行速度B.獲取地下巖土層的詳細力學參數(shù)C.尋找并圈定可能影響鉆井安全的障礙物（如洞穴、斷層、軟弱夾層等）D.預測地下水的化學成分2.對于探測城市淺層地下結構，靈敏度較高且受場地電磁干擾較小的地球物理方法是（）。A.淺層地震反射法B.探地雷達（GPR）C.地磁法D.重力法3.在城市環(huán)境中進行電阻率法探測時，主要面臨的困難是（）。A.儀器操作復雜B.數(shù)據(jù)噪聲大，信噪比較低C.探測深度受限制D.對含水層響應不敏感4.當城市地下鉆井需要探測深部（如數(shù)十米至上百米）的地質結構時，通常優(yōu)先考慮的地球物理方法是（）。A.探地雷達B.高密度電阻率成像C.地震反射/折射法D.聲波測井5.在進行地球物理數(shù)據(jù)處理時，濾波的主要目的是（）。A.放大信號B.壓縮數(shù)據(jù)量C.消除或減弱噪聲干擾，突出有效信號D.改變數(shù)據(jù)的頻率成分6.地震波在穿過不同地質界面時會發(fā)生反射和折射，其根本原因是（）。A.波的衍射B.波的吸收C.介質物理性質（密度、波速）的差異D.振源的頻率變化7.利用地球物理方法探測地下空洞時，通常會發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象的是（）。A.電阻率顯著升高B.電阻率顯著降低C.聲波速度顯著升高D.地震波旅行時無變化8.在城市地下鉆井工程中，聲波測井主要用來測定（）。A.地下結構的空間位置B.井壁附近巖土層的物理力學性質（如波速、孔隙度等）C.地下水的流動方向D.地下斷裂帶的走向9.選擇地球物理探測方法時，必須考慮的關鍵因素之一是（）。A.儀器的價格高低B.探測目標的埋深和規(guī)模C.測區(qū)地形的復雜程度D.操作人員的個人喜好10.將多種地球物理探測方法（如電阻率法、GPR、地震法）進行聯(lián)合應用，其主要優(yōu)勢在于（）。A.降低探測成本B.提高探測數(shù)據(jù)的精度C.獲得更全面、更可靠的地下信息，彌補單一方法的優(yōu)勢和局限性D.簡化數(shù)據(jù)處理流程二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在題中橫線上）1.地震勘探中，根據(jù)震源與接收器是否在同一位置，可分為______和______兩種基本方式。2.探地雷達（GPR）主要利用______波在介質中傳播的時差、振幅等信息來探測地下結構。3.在城市地下環(huán)境，地球物理探測通常面臨的主要噪聲源包括______、______和人工電磁干擾。4.地球物理反演的目的是根據(jù)觀測到的______，來推斷地下的______。5.為了確保城市地下鉆井的安全，地球物理探測應重點查明______、______和不良地質現(xiàn)象。三、簡答題（每題8分，共24分）1.簡述探地雷達（GPR）技術的基本原理及其在城市淺層探測中的主要應用。2.簡述電阻率法在城市地下鉆井前選址或探測淺層障礙物時可能遇到的主要挑戰(zhàn)，并提出相應的應對措施。3.簡述地震波的主要類型及其在探測地下結構時的作用。四、論述題（每題10分，共20分）1.論述在進行城市地下鉆井前的地球物理探測時，如何根據(jù)探測目標、探測深度、場地條件和經(jīng)濟性等因素來綜合選擇合適的探測方法或方法組合。2.試分析地球物理探測技術在解決城市地下鉆井過程中可能遇到的主要不確定性問題，并探討如何通過優(yōu)化采集策略、數(shù)據(jù)處理方法或結合其他信息進行不確定性削減。五、計算題（每題10分，共20分）1.假設一簡諧平面縱波從地面垂直向下傳播，在第一層地底界面（深度h1）和第二層地底界面（深度h2）處分別發(fā)生反射和透射。已知波的頻率為f，在第一層介質中的波速為v1，在第二層介質中的波速為v2(v2>v1)。請推導出該縱波在第一層地底界面的反射系數(shù)和透射系數(shù)（以介質分界面處的質點振動速度或位移表示）的表達式。2.在城市某廣場進行電阻率法測線探測，采用溫納（Wenner）裝置。測得距離分別為A-B=0.5m,M-N=0.5m,N-L=0.5m,L-P=0.5m時的電位差分別為ΔV0=2.0mV,ΔV1=1.0mV,ΔV2=0.5mV。已知電流強度I=5mA，電極常數(shù)為a=0.5m。請計算該測線處地下第一層（假設為均勻介質）的視電阻率ρa。試卷答案一、選擇題1.C解析思路：城市地下鉆井前探測的主要目的是了解地下地質情況，特別是尋找可能阻礙或破壞鉆井作業(yè)的障礙物。2.B解析思路：GPR波長短，分辨率高，適合探測淺層結構；城市環(huán)境電磁干擾主要影響電磁法，GPR相對抗干擾能力較強。3.B解析思路：城市中存在大量建筑物、電纜、地下管線等，產(chǎn)生各種電磁干擾，導致電阻率法數(shù)據(jù)噪聲大，信噪比低。4.C解析思路：地震反射/折射法通過激發(fā)和處理反射波，能夠有效探測較大深度范圍內的地質界面和構造。5.C解析思路：濾波是信號處理的基本手段，目的是在保留有效信號的同時，抑制或去除混雜的噪聲干擾。6.C解析思路：地震波在介質分界面上發(fā)生反射和折射的根本原因是兩側介質物理性質（密度和波速）的不同，導致波阻抗變化。7.B解析思路：空洞通常填充孔隙水或空氣，其電阻率遠低于周圍巖土體，因此在電阻率法、電法測井等中表現(xiàn)為低阻異常。8.B解析思路：聲波測井通過測量巖心或井壁附近介質中聲波傳播的速度和時間，可以反演計算巖土體的物理力學參數(shù)。9.B解析思路：探測目標（深度、大小、性質）是選擇探測方法最核心的依據(jù)，決定了需要什么樣的探測深度、分辨率和探測信號。10.C解析思路：單一方法有其局限性，聯(lián)合應用可以優(yōu)勢互補，獲取更全面、更可靠的地下信息，提高整體探測效果和結論的可靠性。二、填空題1.對稱法，不對稱法解析思路：地震勘探根據(jù)震源和接收器相對位置分為震源和接收器在同一測線上的對稱法，以及震源和接收器位置不同的不對稱法（如反射法、折射法）。2.電磁解析思路：探地雷達（GPR）利用高頻電磁波在地下傳播的特性進行探測。3.地面震動，地下管線解析思路：城市環(huán)境噪聲源多樣，包括交通、施工等產(chǎn)生的地面震動，以及各種地下管線（電力、通信、供水等）的電磁場干擾。4.數(shù)據(jù)，模型解析思路：地球物理反演的核心任務就是從觀測到的地球物理數(shù)據(jù)中反推地下的真實結構或參數(shù)模型。5.地質構造，含水層分布解析思路：鉆井可能遇到斷層、褶皺等構造影響井壁穩(wěn)定，也可能因為穿過含水層導致井涌或失水，都是需要重點探明的。三、簡答題1.答：探地雷達（GPR）的基本原理是向地下發(fā)射高頻電磁脈沖，探測脈沖在地下不同介質分界面處發(fā)生的反射信號，通過接收、處理和解釋這些反射信號來成像地下結構。其優(yōu)點是設備輕便、快速、成本相對較低，分辨率較高。在城市淺層探測中，主要用于探測地下管線（水、電、氣）、人防工程、空洞、回填區(qū)、淺層地溫場分布等。2.答：主要挑戰(zhàn)包括：①探測深度有限，受信號衰減和場地限制；②城市環(huán)境電磁干擾強，影響數(shù)據(jù)質量；③場地條件復雜，布設困難；④數(shù)據(jù)解釋存在多解性。應對措施包括：選擇合適的裝置類型和頻率；進行抗干擾處理；優(yōu)化布設方案，盡量規(guī)避強干擾源；結合地質資料進行綜合解釋；采用多種方法聯(lián)合探測進行驗證。3.答：地震波的主要類型有縱波（P波）和橫波（S波）?？v波是壓縮波，可以穿過固體、液體和氣體，能提供地下介質的速度結構和密度信息；橫波只能穿過固體，不能在液體中傳播，其速度和振幅對斷層、空洞等結構敏感，能提供更精細的構造信息。在探測地下結構時，縱波用于確定大范圍的速度界面和層位，橫波用于探測斷層、破碎帶和空洞等精細結構。四、論述題1.答：選擇城市地下鉆井前的地球物理探測方法需綜合考慮多方面因素。首先明確探測目標，是尋找淺層管線還是探明數(shù)百米深部的地質構造？這決定了所需的探測深度和分辨率。其次評估場地條件，是開闊場地還是復雜建筑群附近？這將影響探測方法的可行性和數(shù)據(jù)質量。再次考慮經(jīng)濟性，不同方法的設備投入、數(shù)據(jù)采集和處理成本差異很大。通常遵循由淺入深、由簡單到復雜的原則。例如，淺層管線探測可優(yōu)先選用GPR或電阻率法，深部地質結構探測則考慮地震反射/折射法。最佳方案往往是多種方法的組合，如先用GPR進行大面積快速普查，再對重點區(qū)域采用電阻率成像或地震方法進行詳細探測，以獲取更全面、準確的地下信息。2.答：地球物理探測結果存在的主要不確定性問題包括：①數(shù)據(jù)采集過程中的噪聲干擾和儀器系統(tǒng)誤差；②地下介質非均勻性、各向異性等復雜因素對波的傳播路徑和強度的影響；③反演問題的多解性，即由同一觀測數(shù)據(jù)可能導出多個地質模型。解決這些不確定性的方法包括：優(yōu)化采集策略，如選擇合適的儀器、增加測點密度、采用多次測量或不同參數(shù)組合；改進數(shù)據(jù)處理方法，如應用先進的濾波、信號處理和反演算法；結合其他信息進行約束，如利用地質鉆探數(shù)據(jù)、工程鉆探資料、遙感影像、地形地貌特征等進行綜合解釋，或采用多物理場聯(lián)合反演等手段，以約束反演結果，提高結論的可靠性。五、計算題1.答：設縱波頻率為f，在介質1中的波速為v1，密度為ρ1；在介質2中的波速為v2，密度為ρ2。第一層地底界面處的入射波質點振動速度為Vi，反射波質點振動速度為Vr，透射波質點振動速度為Vt。根據(jù)波阻抗定義Z=ρv，界面處的反射系數(shù)R和透射系數(shù)T（以質點振動速度比表示）為：R=(Z2-Z1)/(Z2+Z1)=(ρ2v2-ρ1v1)/(ρ2v2+ρ1v1)=(Vt-Vi)/(Vt+Vi)T=2Z2/(Z2+Z1)=2ρ2v2/(ρ2v2+ρ1v1)=2Vt/(Vt+Vi)其中，Vt=Vi*T，Vr=Vi*R。2.答：根據(jù)溫納裝置視電阻率公式ρa=2πa*ΔV/(I*L)，其中a=0.5m,ΔV0=2.0mV,ΔV1=1.0mV,ΔV2=0.5mV,I=5mA=0.005A,L=0.5m。首先計算不同電極距下的視電阻率：ρa(0.5)=2π*0.5*2.0/(0.005*0.5)=4π*2.0/0.0025=8π*400=3200πΩ·mρa(1.0)=2π*0.5*1.0/(0.005*0.5)=4π*1.0/0.0025=4π*400=1600πΩ·mρa(1.5)=2π*0.5*0.5/(0.005*0.5)=4π*0.5/0.0025