1 Introducción
La geofísica ambiental y de ingeniería es la teoría y el método de la física aplicada, que se estudia y resuelve a través de las diferencias en las propiedades físicas de la ingeniería ambiental o los campos físicos. formado por ellos. Cuestiones de ingeniería ambiental para lograr el desarrollo armonioso del ser humano y la naturaleza. La geofísica ambiental y de ingeniería es diferente de los métodos geofísicos convencionales y tiene características únicas: la capa superficial poco profunda del objetivo de exploración es un entorno geológico y geofísico especial, el método de exploración es antiinterferente y flexible, la diferencia en las propiedades físicas es pequeña; la señal de detección es débil y requiere más buena tecnología de extracción de señales; la detección dinámica requiere un seguimiento continuo en diferentes momentos para establecer un modelo geológico físico especial; La tarea básica de la geofísica ambiental y de ingeniería es comprender la Tierra a partir de cambios en campos físicos como el sonido, la luz, el calor, la electricidad y el magnetismo. Las principales áreas de aplicación incluyen la exploración de recursos, la protección ambiental, la prevención de desastres y la construcción de importantes infraestructuras nacionales. proyectos. Los elementos involucrados en la geofísica ambiental y de ingeniería incluyen la litosfera, la hidrosfera, la biosfera y la atmósfera. Las propiedades físicas incluyen propiedades físicas, propiedades químicas y propiedades biológicas. Los espacios involucrados en las actividades humanas incluyen el espacio de asentamiento, el espacio regional, el espacio terrestre y el espacio interestelar. .
2 Cuestiones de ingeniería ambiental
2.1 Cuestiones ambientales
El contenido de investigación de la geofísica ambiental y de ingeniería sobre cuestiones ambientales son cuestiones ambientales naturales y provocadas por el hombre, incluidas ambas. Entorno de asentamiento, pero también cambios ambientales globales. Sus principales contenidos de investigación incluyen: ① Observación, investigación y predicción de desastres ambientales y cambios causados por fuerzas naturales como terremotos, volcanes, deslizamientos de tierra, colapsos, fisuras del suelo, hundimientos del suelo y cambios del entorno espacial. ② Detectar y monitorear la contaminación de la atmósfera, la hidrosfera y la litosfera (incluido el suelo) causada por los gases de escape, las aguas residuales y los desechos sólidos emitidos en la vida y la producción humana. ③Medición e investigación de la contaminación energética como la radiación, el ruido y las vibraciones causadas por la construcción económica y el tráfico. (4) Investigación y predicción de los cambios globales causados por la contaminación material y energética producida por el hombre, como el clima, las sequías y los desastres por inundaciones.
2.1.1 Problemas ambientales mundiales
Con el aumento de la población y la continua expansión de la escala de producción, los materiales vivos y de producción necesarios han aumentado drásticamente, y los "tres desechos" ( En consecuencia, también han aumentado las emisiones de contaminantes gaseosos, líquidos y sólidos. La expansión del espacio de actividad humana, la creciente transformación de la naturaleza y la destrucción de la ecología han amenazado la supervivencia humana y el desarrollo sostenible: ① Falta de recursos, que es una condición material necesaria para la supervivencia y el desarrollo humanos. A medida que aumenta la población, aumenta la demanda de recursos. Los recursos minerales no renovables (incluidos los recursos energéticos) son cada vez más escasos, lo que daña el medio ambiente y provoca contaminación. (2) La reducción de la superficie de recursos forestales ha reducido la función de regulación del clima global; la erosión del suelo, la desertificación de la tierra y la degradación de las tierras agrícolas y la escasez de recursos de agua dulce se han convertido en serios obstáculos para la supervivencia y el desarrollo humanos; (3) La contaminación ambiental es cada vez más grave, manifestándose principalmente en tres aspectos: Primero, se emiten una gran cantidad de gases tóxicos y nocivos, provocando la contaminación del aire, provocando el "efecto invernadero", la "destrucción de la capa de ozono" y la expansión de la lluvia ácida; en segundo lugar, el daño ecológico al área del suelo, que se manifiesta por la destrucción de bosques a gran escala, la degradación de los pastizales, la erosión del suelo y la desertificación; el tercero son las emergencias ambientales, que son a gran escala y causan daños graves. : primero, el daño global; segundo, una variedad de fuentes de contaminación, tanto de la industria como de la agricultura, pero también de la vida humana. de países desarrollados y en desarrollo. En tercer lugar, los incidentes de contaminación tienen un impacto enorme.
2.1.2 Principales cuestiones ambientales en China
China tiene un vasto territorio, un entorno natural diverso y diferentes problemas ambientales pendientes. Sin embargo, en general, las siete cuestiones ambientales prioritarias incluyen:
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(1) Contaminación del agua (principalmente contaminación de materia orgánica);
(2) Contaminación del aire urbano (principalmente sólidos suspendidos totales y dióxido de azufre); >
(3) Los desechos industriales y la basura urbana, tóxicos y nocivos, contaminan el aire, el agua y la tierra;
(4) Los recursos hídricos superficiales en el norte son relativamente pobres y muchas ciudades padecen una grave escasez de agua. agua;
(5) Erosión hídrica y del suelo generalizada y grave;
(6) Baja cobertura forestal, pequeña superficie de bosque natural, volumen forestal relativamente pequeño, degradación grave de los pastizales;
(7) Reducción del área del entorno nativo, se reducen los recursos de especies.
Desde la perspectiva de los objetos de aplicación, no solo se utiliza en la exploración de metales, petróleo y gas natural, sino que también se utiliza ampliamente en el campo de la ingeniería ambiental. Los ejemplos incluyen la búsqueda de contaminantes en la atmósfera, el procesamiento de desechos, la búsqueda de aguas subterráneas en lechos de roca y el monitoreo, predicción y prevención de peligros geológicos.
Los distintos métodos ramales utilizados actualmente en la ingeniería geofísica ambiental son los siguientes.
Los métodos eléctricos (magnéticos) incluyen principalmente el método de resistividad, el método de polarización inducida, el método de inducción electromagnética (método electromagnético transitorio, método de muy baja frecuencia), el radar de penetración terrestre, el método de resonancia magnética nuclear terrestre, la tecnología láser y el radar láser. método de exploración sísmica de ingeniería ambiental, incluido el método de ondas de refracción, método de ondas reflejadas, exploración sísmica superficial de alta resolución y método de exploración de ondas de Rayleigh transitorias; método de medición de radiactividad de ingeniería ambiental; tecnología de tomografía sísmica, tecnología de tomografía electromagnética).
4 Aplicaciones de la Geofísica Ambiental y de Ingeniería
En la actualidad, los campos de aplicación de la geofísica ambiental y de ingeniería incluyen principalmente la investigación de los efectos ambientales de los campos geofísicos, el monitoreo y la prevención de daños ambientales. contaminación, monitoreo y prevención de desastres naturales y provocados por el hombre, y estudios de ingeniería de infraestructura (incluido el gasoducto oeste-este, el desvío de agua de sur a norte, el proyecto de las Tres Gargantas, la construcción de carreteras, etc.). El mayor avance de las teorías, métodos y tecnologías de la geofísica ambiental y de ingeniería proporciona un amplio espacio y forma gradualmente un campo de investigación con métodos técnicos únicos. La geofísica de ingeniería ambiental ha tenido innumerables ejemplos exitosos en estos campos, pero aún está en proceso de formación y desarrollo, y sus campos de investigación y aplicación deben ampliarse y mejorarse.
La investigación de los efectos ambientales de los campos geofísicos incluye: investigación de los efectos ambientales de la radiación nuclear natural, predicción regional de perspectivas para resolver desastres de radón, monitoreo de la concentración de radón en interiores y diseño de selección de sitios para nuevas áreas de planificación de edificios. investigación de los efectos ambientales de los campos electromagnéticos naturales, estudiar los efectos biológicos de los campos electromagnéticos y su impacto en las instalaciones humanas investigar los efectos ambientales de los campos de ondas elásticas artificiales y estudiar los efectos de las vibraciones artificiales en los daños a los edificios de ingeniería y la Capacidad de carga de las fundaciones. El seguimiento de la contaminación ambiental incluye principalmente la contaminación radiactiva, la contaminación del agua y la contaminación de desechos sólidos subterráneos. El monitoreo de la contaminación radiactiva se centra en la investigación de los antecedentes radiactivos naturales regionales, la contaminación por accidentes nucleares, la contaminación por exploración y fundición de minas, la contaminación por minería y quema de carbón, la contaminación radiactiva por extracción y transporte de petróleo, la contaminación radiactiva por materiales de construcción, la ubicación de sitios de eliminación de desechos nucleares, etc.; Contaminación La tarea principal del monitoreo es investigar la contaminación cruzada entre la contaminación inorgánica, la contaminación orgánica, los canales de contaminación y los acuíferos. El seguimiento de la contaminación subterránea por residuos sólidos se centra en detectar la ubicación, el alcance, el espesor, la capa de aislamiento, los canales de fuga y el rango de contaminación de los vertederos de residuos sólidos, así como la ubicación de los vertederos de residuos. El monitoreo de desastres geológicos implica principalmente la investigación de deslizamientos de tierra, flujos de escombros, karsts, cuevas, fisuras del suelo, hundimientos de tierras, desastres de salinización de tierras, intrusión de agua de mar, combustión espontánea de vetas de carbón y desastres geológicos de minas (como explosiones de rocas, columnas de colapso, irrupciones de agua, gas). arrebatos y reventones) espera. Los problemas de ingeniería incluyen principalmente inspección de tuberías subterráneas, estudio geológico regional, inspección no destructiva de la calidad del proyecto de construcción, inspección no destructiva de la calidad de la construcción, inspección no destructiva de la calidad del lecho de carreteras de carreteras y aeropuertos de alta calidad, inspección del efecto de refuerzo de cimientos, ingeniería a gran escala. exploración de cimientos, etc.
Por ejemplo, se utilizaron el método de resistividad de alta densidad, el método electromagnético transitorio, el método de radar de penetración terrestre, el método de temperatura del suelo y el método de análisis químico para detectar fugas en un vertedero en Beijing. Utilizando un radar de penetración terrestre estadounidense SIR-10A, antena blindada de 100 MHz, ventana de tiempo de 400 ns. El método de temperatura del suelo utiliza un termómetro de precisión japonés UV-15. Se tomaron muestras de análisis químico de muestras de suelo a una profundidad de 1,5 m y se analizaron contaminantes orgánicos como cloroformo, tetracloruro de carbono, tricloroetileno y tetracloroetileno mediante cromatografía de gases en el laboratorio. Los resultados de medición de estos tres métodos son normales. Esto muestra que la capa de arcilla superficial en esta área es densa y tiene poca permeabilidad. El método de resistividad de alta densidad utiliza un instrumento E60B con una separación entre electrodos de 3 m, una disposición Schlumberger y 60 electrodos dispuestos a lo largo del perfil. Después del preprocesamiento de los datos, se realiza una inversión bidimensional. Los resultados muestran que el lixiviado del vertedero penetra desde la capa permeable local hasta la capa profunda. El suelo y el agua subterránea contaminados muestran una resistividad baja, con una resistividad aparente de aproximadamente 10ω·m, y pueden caracterizarse como contaminados por lixiviados. La resistividad del lixiviado del vertedero es de aproximadamente 0,40ω·m, y la resistividad del agua del grifo es de aproximadamente 32ω·m. La contaminación del lixiviado residual se confirmó mediante perforación y la construcción de un muro subterráneo antifiltración de cemento comenzó en 2002. .
Por ejemplo, durante la detección de tuberías subterráneas en la sección de Zhuoxian a Beijing del Proyecto de Transmisión de Gas Shaanxi-Beijing, se identificó la distribución de tuberías subterráneas a lo largo del tendido de tuberías de gas natural. La detección utiliza detectores de tuberías metálicas y radares de penetración terrestre. Durante el proceso de detección, la mayor parte de lo que se encontró fueron cables militares, que cruzaban las trincheras del gasoducto en diferentes ángulos. Si utiliza métodos convencionales para detectar este tipo de cable, será fácil pasarlo por alto. Para resolver este problema, se utiliza el método de seguimiento a larga distancia de la posición del cable para acercarse a la zanja del gasoducto, y se utiliza la tecnología de detección de cableado "circular" a lo largo de la zanja del gasoducto para una investigación más detallada. Durante la recopilación de datos, el transmisor y el receptor se mantienen al mismo nivel para garantizar que el instrumento reciba señales útiles al pasar sobre la tubería subterránea y evitar la pérdida de señales útiles. Un instituto de estudios geológicos de Shanghai utilizó un radar de penetración terrestre para completar la detección de tuberías de aguas residuales en Humin Road en Pudong y tuberías de agua de lluvia en Yanggao Road. Durante la detección de tuberías subterráneas de agua de lluvia en Yanggao Road en Pudong, la distancia de la antena es de 1 m, la distancia del punto de medición es de 0,1 my la frecuencia central es de 100 MHz. La señal de reflexión del objeto detectado en la imagen del radar es clara, la profundidad de la superficie superior de reflexión es de 1,6 m y el diámetro de la tubería es de 1,6 m. Después de la excavación, se verificó que la superficie superior de la tubería de agua de lluvia es de 1,54 m. de profundidad y el diámetro de la tubería es de 1,6 m. El efecto es bastante bueno.
5 Progresos en Geofísica Ambiental y de Ingeniería
5.1 Actualización de Instrumentos
Los representativos son: ①El desarrollo de GPR es racional, sistemático y rápido. El radar de penetración terrestre se ha desarrollado rápidamente en los últimos años. El desarrollo exitoso de antenas separadas ultraanchas y antenas multifrecuencia estáticas duales permite que el ancho de banda operativo del radar de penetración terrestre alcance 0,1 ~ 100 MHz y el intervalo de tiempo sea 0 ~ 20000 ns. Además, los instrumentos se han vuelto más pequeños, más ligeros y más baratos, pero su rendimiento ha mejorado. ② Hay nuevos desarrollos en métodos e instrumentos sísmicos superficiales. En particular, la popularización y aplicación de la tecnología de exploración sísmica tridimensional de alta resolución permite a los investigadores realizar estudios tridimensionales de cuerpos geológicos con la ayuda de computadoras, mejorando así en gran medida la precisión del análisis ambiental. También se han desarrollado tecnología de imágenes sísmicas entre pozos y tecnología de procesamiento de migración de perfiles sísmicos. La aparición de fuentes sísmicas portátiles ha cambiado las deficiencias de los métodos sísmicos anteriores, como los instrumentos grandes y los altos costos de exploración, y ha mejorado enormemente la eficiencia del trabajo. ③La aparición de instrumentos de gradiente magnético cercanos a la superficie altamente sensibles. En la actualidad, Estados Unidos ha desarrollado el magnetómetro de bomba óptica de cesio G-858, que tiene las ventajas de una gran estabilidad, alta sensibilidad, visualización en tiempo real de gráficos, números y sonidos, y fácil operación. Puede medir el campo total y. gradientes horizontales y verticales al mismo tiempo.
5.2 Actualización de métodos y tecnologías
Las tecnologías geofísicas ambientales y de ingeniería incluyen métodos eléctricos y electromagnéticos (método de resistividad, método de polarización inducida, método de potencial natural, método audiomagnetotelúrico, método de muy baja frecuencia ), método de campo potencial (método de medición de gradiente magnético, método de medición de microgravedad), método sísmico superficial (método de refracción sísmica, método de reflexión sísmica) y método de radiactividad. Recientemente han aparecido métodos eléctricos de alta densidad, radares de penetración terrestre, exploración de ondas superficiales, resonancia magnética nuclear, etc. Estos nuevos métodos proporcionan una resolución óptima en diversos grados y pueden reducir los efectos de la atenuación de la señal cercana a la superficie, la heterogeneidad de la formación y ciertos tipos de ruido.
5.3 Mejoras en la tecnología de procesamiento de datos
El desarrollo de la geofísica ambiental y de ingeniería también ha promovido el desarrollo del procesamiento de datos, la interpretación directa e inversa y la tecnología de imágenes. El análisis espectral, el análisis de wavelets y los métodos estadísticos se utilizan ampliamente para eliminar ruido de datos y extraer señales débiles. La migración de imágenes de datos sísmicos de reflexión y de radar de penetración terrestre adopta el método analítico, el método de elementos finitos y el método de diferencias finitas. El medio estudiado se desarrolla de isotropía a anisotropía. El modelado directo se acerca gradualmente al medio real y el método de inversión también evoluciona de lineal a no lineal. métodos. Sin embargo, a juzgar por el software actual, todavía queda mucho margen de desarrollo. Por ejemplo, la inversión de la curva de dispersión de la tecnología de ondas superficiales multicanal es principalmente unidimensional y no existen métodos ni software de inversión bidimensional. La inversión del método electromagnético se concentra principalmente en una o dos dimensiones, y es ampliamente utilizada; Se ha desarrollado un software de inversión tridimensional usado. El software de inversión de radar sísmico de reflexión superficial y de penetración terrestre se está desarrollando gradualmente hacia la estandarización y comercialización. El rápido desarrollo de la tecnología informática ha promovido el desarrollo de métodos de procesamiento geofísico y también han aparecido muchos programas informáticos para procesar datos geofísicos. En estos programas de procesamiento de datos, se adoptan muchas teorías y algoritmos nuevos, que más o menos incorporan la teoría del caos, la teoría fractal, la teoría de ondas, el reconocimiento de patrones, etc., recientemente desarrolladas.
Por ejemplo, el procesamiento por división de frecuencia (FDP) propuesto por investigadores chinos puede reducir la reconocibilidad de capas delgadas a 1/16 ~ 1/64 de longitud de onda, mejorando en gran medida la relación señal-ruido y la resolución de los registros sísmicos. La aplicación de estas teorías acerca el proceso de análisis al entorno natural y mejora la credibilidad de los resultados de la investigación.
5.4 Ampliación de los campos de aplicación
La geofísica ambiental y de ingeniería se utiliza para resolver una gama más amplia de problemas, y todavía se están expandiendo nuevos campos de aplicación. Algunos de los avances de los últimos años se han producido con la actualización de instrumentos y avances en la tecnología informática, otros han sido estimulados por necesidades sociales y otros han resultado de factores obligatorios estipulados por diversas leyes. Si bien existen muchos usos actuales para la geofísica ambiental y de ingeniería, también existen muchos usos potenciales. Los ejemplos incluyen la determinación de características hidrogeológicas, mapeo de cimas de lechos de roca y pisos de deslizamientos de tierra, prospección de carbón, metales y otros minerales, ingeniería civil, minera y sísmica natural, determinación del grado de mejora después del refuerzo y tratamiento de los cimientos, detección y mapeo de instalaciones subterráneas, identificación de la capacidad de desprendimiento de rocas. , monitorear los movimientos de la tierra y los cambios en las propiedades físicas a lo largo del tiempo, monitorear la resistencia de presas y diques, determinar la naturaleza de los rellenos de zanjas, investigar la eclosión de contaminantes, detectar municiones sin detonar y explorar la arqueología.
6 Varias tendencias de desarrollo importantes en geofísica ambiental y de ingeniería
(1) Los métodos de geofísica ambiental y de ingeniería se están moviendo gradualmente hacia una detección y monitoreo de calidad de alta resolución y alta precisión. reflejado en la expansión de los campos de aplicación ambiental y de ingeniería (como las propiedades físicas y químicas de las tierras agrícolas, salud y seguridad públicas, como el control de la contaminación y las pruebas de calidad de varios proyectos en este campo, etc.). ), la mejora de la tecnología de instrumentos y el avance de la tecnología de procesamiento de datos (teoría del caos desarrollada en las últimas décadas o años, etc.).
(2) La investigación sobre la contaminación orgánica de las aguas subterráneas es un campo importante. Es una fuente importante de agua para la vida humana. Una vez contaminada, causará un gran daño a la salud humana. La geofísica ambiental se utiliza para la investigación de las aguas subterráneas, cuyo propósito es monitorear y proteger la calidad de las aguas subterráneas, no su suministro y desarrollo.
(3) La predicción de desastres geológicos y el monitoreo de la contaminación ambiental son los contenidos principales de la investigación, centrándose en la predicción de desastres geológicos y el monitoreo geofísico a largo plazo de la contaminación ambiental.
(4) Investigación geofísica integral. Métodos. Problemas de ingeniería ambiental. Los problemas de ingeniería ambiental son de varios tipos y cubren una amplia gama de áreas. Para lograr mejores resultados geológicos, se deben utilizar métodos geofísicos integrales. entornos especiales. Es necesario desarrollar tecnología geofísica. Fortalecer la investigación sobre tecnología geofísica minera y desarrollar tecnología de exploración geofísica submarina.
(6) Exploración geofísica de perfil temporal de cuestiones de ingeniería ambiental y llevar a cabo una exploración dinámica, continua y de largo plazo. exploración a plazo de objetos objetivo. El examen es la dirección de desarrollo de la geofísica de ingeniería ambiental.
(7) La investigación del medio ambiente ecológico es un nuevo punto caliente en la geofísica ambiental y de ingeniería. ) Geofísica ambiental y de ingeniería La digitalización, visualización y conexión en red de la adquisición de señales, la transmisión de datos, el procesamiento de datos y la interpretación geológica son nuevas tendencias de desarrollo.
En resumen, la geofísica ambiental y de ingeniería es una disciplina emergente y su investigación y. Sus campos de aplicación están en constante expansión. Sus métodos y tecnologías son rápidos, económicos y confiables. Especialmente en la situación actual en la que los desastres naturales y provocados por el hombre continúan afectando a toda la humanidad, la tecnología geofísica ha logrado nuevos avances en la aplicación de problemas de ingeniería ambiental. y ha hecho grandes contribuciones a la economía nacional. Ha jugado un papel importante en la construcción y se ha convertido en un medio indispensable para resolver problemas de ingeniería ambiental.
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