物化探手段在北京应用的突出成果

Answer 1

卢惠华钱佩娟

(北京市国土资源局)

在2009年第21届地质学史学术年会上，卢惠华曾发表“科学技术深刻改变了北京地勘工作的面貌”一文。文中讲述了十大地质科技对北京地勘工作产生的重大影响。这十大地质科技是：①物化探技术显威力；②探矿技术有大突破；③遥感技术令人耳目一新；④电脑在各方面工作中起大作用；⑤综合方法在区调中发挥大效益；⑥采用新学说提高地质研究水平；⑦水工环地质工作拓宽了地质工作的领域；⑧地下热水勘查开发效益好；⑨浅层地热能和热泵技术正大力推广；⑩多参数立体地质调查开创新局面。

2009年的文章，只是十大地质科技的概略介绍。本文将重点介绍第一项，物化探技术在北京应用的突出成果。

众所周知，新中国成立前，我国的地勘事业十分落后，仅有少数人员从事地质工作。工作方法和手段十分简单，地质工作就靠那三大件(铁锤、罗盘和放大镜)，别的就没有什么了。因此新中国成立初期，物化探是一片空白的局面；故此，物化探方法的采用给地质工作带来了新的勘探手段。

北京很重视物化探新技术。从20世纪50年代开始，地矿、石油、冶金、水电、煤炭、航空航天、建设、核工业、武警黄金、国家地震局、河北地质局、北京市地质局等约几十个部门和单位，都在北京地区投入了物化探工作。北京市地质局还成立了专业的物化探队，承担了其中的大部分工作。

北京地区的物化探工作由7个方面组成：①区域性物探(包括航空物探、区域重力测量、区域电测深测量、区域地面磁法测量、区域地质调查中的物化探)；②矿产物探；③水文物探；④地热物探；⑤考古物探、工程物探和环境物探；⑥井中物探；⑦深部构造物探。

60年的地质工作，物化探手段在北京得到广泛应用，效果突出，现分十大方面阐述如下。

一、促进了区调工作的发展和变化

20世纪50年代末至60年代初，北京开展了第一轮大面积的1：5万区调。当时，只有地质观测一种手段，方法单一，一般用4年时间完成一个图幅。80年代，第二轮1：5万区调较广泛采用了物化探技术，获得大量的、多方面的地质信息。特别是遥感技术，使多幅联测可行，扩大了工作区域(一般2～3幅)，加快了工作进度。据报道，北京市地勘局物探队先后在青龙桥、清水、沿河城、周口店、昌平等11个图幅进行工作，收集整理前人物化探资料，对图幅内航磁异常及区域化探进行了踏勘检查和评价，补做了必要的工作，编绘了物化探成果图，并提交独立的物化探报告。

据查，第二轮区调最初的双图幅联测(昌平、小汤山图幅)，平均2～5年完成一个图幅。有了经验后，图幅联测速度加快，完成一个图幅，平均只要一年多；3个图幅联测，平均半年多就完成一图幅。联测大大地改变了区调工作的慢节奏，做到了又好又快又多地完成任务。

进入21世纪，地质调查工作进入了新的阶段。2003～2007年，由北京市地勘局下属单位(市地质调查研究院、市水文地质工程地质大队、市地质勘查技术院、市地质研究所)共同承担《北京市多参数立体地质调查》工作。项目由国土资源部与北京市政府共同出资进行。以北京面临和亟待解决的城市地质问题为工作主要内容，其目的是为首都可持续发展服务。以地学理论为指导，借鉴国内外先进经验开展工作，在充分研究和利用已有资料的基础上，综合运用现代各种勘查技术(包括地质、水工环地质、钻探、物化探等)，特别是大量采用钻探和各种物化探手段(表1至表3)进行工作，从而获得大量多方面的地质信息。

表1 北京地区地质调查工作演化

表2 多参数立体地质调查使用钻探工作量表

表3 多参数立体地质调查使用物探手段和工作量表

续表

项目组提出北京平原区“三圈三层”三维地质结构的调查思路。所谓“三圈三层”三维地质结构，“三圈”是指面上工作区分为一般区、六环路以内区和重点区，“三层”是指垂直方向上分为新生界层、工程建设层(0～50m)和基岩层。通过这样的调研，查明了不同尺度下北京平原区地层结构的空间展布规律。利用数字可视化技术，采用地质钻孔与地质剖面结合的方法，建立前新生代地层、新生代地层和工程建设层的地层三维结构数字模型。

课题包括3项专题、8个子课题。

3项专题是：①北京城市活动断裂及地壳稳定性调查；②奥运公园地区专项地质调查；③城市地质信息管理与服务系统建设。

8个子课题是：①北京市平原区新生界立体地质调查；②北京市平原区工程建设层立体地质调查；③北京市平原区基岩立体地质调查；④北京市平原区土壤环境地球化学调查；⑤北京城市生活垃圾处置现状及选址地质环境调查；⑥北京市平原区地下水环境地球化学调查；⑦北京市地下水资源潜力评价；⑧北京市地热资源潜力评价。

工作结束后提交了项目报告，专家评审给《北京市多参数立体地质调查》报告高度评价：总体达国际水平，部分达国际领先水平，并认为项目起到示范作用。多参数立体地质调查是地质调查工作的新发展。

回顾地质调查工作的历程，20世纪50～60年代，是工作手段比简较单的地质调查过程，仅仅是地表面的观察研究，重点是基础地质和找矿；20世纪后期，研究对象不局限于地质和找矿，领域向外有所延伸；进入21世纪，手段多了，视域宽了，观察深度大了，主要研究的是城市地质问题，地质调查已发展到多参数立体地质调查阶段，这是客观的需要，是科学技术的进步，是地质与各种科技手段密切结合的结果。

二、在找铁矿中贡献巨大

磁法(包括航空磁法和地面磁法)找铁矿是有效的方法手段。自20世纪50年代以来，北京共做过6次系统航空物探测量，覆盖了北京全区，包括1：2.5万、1：5万和1：10万航磁。自1958年开始至20世纪70年代末，在北京开展了系统性的地磁测量，山区共完成了1：5万磁法5500km²，还有其他1：2.5万、1：1万、1：5000、1：2000比例尺的大量地面磁法测量。圈出矿异常265处，涉及铁、铬、钒、钛等黑色金属矿。划分了3个磁场区，11个磁异常区，81个磁异常群，257个局部磁异常。其中，28个磁异常已作过勘探或钻探验证，占总异常数的 10.9%；作过面积性详查的 22个，占异常数的8.5%；作过踏勘检查的64个，占总异常数的24.9%；其余143个磁异常未能作查验。

磁测作用十分明显，找矿线索突出，在图上有清晰的异常表现，对找矿帮助很大。至今，北京地区的铁矿分布、产状、规模已基本查明，探明储量10×10⁸(大型矿1个，中型22个，小型20个)。多年来，探明储量位居全国第11位。磁法资料不但给出明确的找矿线索，而且还显示出铁矿本身的许多信息。

以密云沙厂铁矿为例，①该矿均有航磁、地磁异常显示；②磁异常资料显示矿区为向斜构造；③Ⅱ号异常带显示有隐伏矿。经钻孔验证，这些信息都是正确的，沙厂铁矿区构造确实是向斜构造，Ⅱ号异常确实有隐伏矿。矿区储量由此大幅增加，由3000 多万吨(中型)猛增至1.4×10⁸t(大型)。

三、在找金矿中立大功

20世纪60～70年代，北京开展大规模金矿普查，尽管花了很大的力气，做了很大的努力，但是，效果不显著，只找到了一些小矿，这种局面一直延续到20世纪80年代中期。后来，通过总结找矿经验教训，从找矿指导思想、找矿理论、找矿方法等多方面进行反思。端正了思想，坚定了信心，在工作中大力采用综合手段和综合方法，特别是化探方法，从而打开了找矿的新局面。

1.怀柔杨树底下金矿的发现

1987年，北京市地质调查所区调队在开展1：5万区测过程中，在杨树底下开展化探测量，在已控制的钼矿坑道中进行检查取样，发现金矿品位较高，从而发现此区铁帽是以含金为主的金矿体。紧接着，该所正式在此地开展勘查工作，1989年底，查明该矿黄金储量4.8t(接近中型矿)。

2.怀柔德田沟金矿的发现

20世纪90年代初，北京地质调查所101队与北京市地勘局物化探队联合组成普查队，对德田沟至崎峰茶一带的物化探异常开展普查。采化探样232件，进行地表揭露，大致圈定了矿化范围，并初步圈定了Ⅱ号矿体的规模。后来又开展化探次生晕、原生晕剖面测量及激电剖面、电测井、井中物探试验工作。地质与物化探的密切结合，终于查明了一个中型金矿，黄金储量达5.09t。

这两个金矿的发现，是北京地区金矿找矿的重大突破，是区调与找矿相结合和地质与物化探相结合的成果，物化探在其中发挥了重要的作用。

四、在找水中显威力

我国是一个水资源严重不足的国家，全国各地都在努力打井找水。多年的工作证明，水文物探已成为地球物理勘探的一种重要方法。目前，这种方法已在全国各地找水中普遍应用，效果显著。水文地质与水文物探方法相结合在北京找到了大量地下水(1982年和1987年，先后两次开展水资源计算评价。结果，可采地下水资源量均为26.33×10⁸m³)，为保障首都供水安全发挥了重大作用。

20世纪60～70年代，水文物探主要为郊区农田抗旱供水服务，在昌平、门头沟、通县等地开展大比例尺(1：2000或1：1000)水文物探工作。进入80年代，以开展1：5万水文物探为主，主要方法是电剖面、电测深和电磁测深等。

例如，1982年3月至1990年5月，北京市地勘局先后对北京平原6422km²进行了电剖面和电测深工作。此项工作，重新编绘了平原区基岩地质图，不但提高了北京平原区的基础地质研究，而且依据第四系电性的特征，圈定了测区第四系的富水区。如永定河冲积扇及古河道富水区、大石河冲积扇及古河道富水区、错河冲积扇及古河道富水区、潮白河古河道富水区等等，还划分了冲洪积扇、洪积扇裙及古河道，编制了北京平原区第四系(10～100m)涌水量分布图。这些成果对区域水文地质条件评价、农田水利建设、水井位置选择及计算涌水量等提供了依据。

北京山区面积大，许多地方水资源缺乏，人畜饮水困难，北京地勘局所属各单位自20世纪60年代开始至今，不断派人深入山区开展技术指导，为乡村找水、定井位、凿井数百眼。其中，水文物探同样是重要的勘查方法手段。

五、在地热勘查中功效独特

物探方法在地热勘查和确定地热井位中发挥极其重要作用。

历史上北京城区没有地热开采利用的记录。20世纪70年代初，北京水文地质工程公司在李四光部长的指导下进行地热普查。一炮打响，在北京氧气厂、天坛公园、北京火车站先后打出了30～50℃的地下热水，初步圈出约30km²的地热异常区。

之后，经过40年的勘查，目前已查明平原区隐伏4个地热异常远景带，包括10个地热田，总面积已超1400km²。计算地热能源远景储量(E级)，折合标准煤89326.213×10⁴t。

地热资源深埋地下，肉眼观察的功能受到很大的限制。地热普查的主要方法是地热物探，包括物化探多种方法手段，利用它们圈定地热带和热储层隆起区。

至今，北京地区地热开发利用成效显著，已打成地热井约160眼，正常开采井110多眼。地下热水开采量控制在1000×10⁴m³以下，主要用于采暖、洗浴、医疗、水产、养殖、温室种植、康乐保健、饮用矿泉水、旅游等方面，这些对招商引资和创汇起到很好的作用。

近年来地热勘查采用微动测深技术，即瑞雷波法(测深3000m)，克服了电测深法(测深1600m)可探深度较浅的缺陷。此方法的一大优点是可应用于大城市的环境，解决了因人口过密、建筑物密集、交通繁忙、工业干扰严重，以致常规物探手段难以施工的问题，为城市地热勘查提供了一个比较有效的手段。

微动测深技术(1992年)首先在丰台世界公园应用。当时，该地区没有地热井资料参考，采用电测深法只能测1600m，此深度不足以确定热储层埋深。后采用瑞雷波法，推测蓟县系埋深为2000m左右。钻孔证实，该地层顶板为1940m，与瑞雷波法预测结果十分吻合。最后打成一个孔深2500m、出水温度69℃的地热井。

2001年，北京市地质勘察院开展“综合物探系统(组合)在北京市进行深部地热勘探研究”。调研表明：“重力、磁法、直流电阻率测深、微动测深、可控音频大地电磁测深(CSAMT)以及大地电磁测深(MT)等方法适合北京地区地热勘查，应用效果较好”。

六、在探测北京深部地壳构造中发挥关键作用

唐山地震后，中国地震局地球物理勘探中心等单位在华北地区开展了大量的人工地震测深工作。这项工作，首次揭示出北京地区地壳上地幔深部结构构造具有纵向分层和横向分块的基本特征。北京及其邻区，地壳速度结构大致可分为上地壳和下地壳两大部分(徐锡伟，2002)。上地壳包括沉积盖层及其下的结晶基底，厚度变化不大，总的趋势是东南薄西北厚。在三河、宝坻一带为20～21km，北京附近为22km，张家口一带加厚至23～24km。下地壳也由两层组成，其厚度也由东南向西北逐渐增厚。在东南部的天津附近，下地壳厚10km，到西北部张家口一带最厚达19km。

人工地震测深剖面的地壳速度结构和莫霍面的三维构造形态分析，均显示在横向上北京及其邻区的不同地质构造单元速度结构有明显的差异，可以划分出华北断陷、燕山断块、太行山断块、山西断陷盆地等不同的速度块体，不同块体之间的接触带常常是各种地球物理资料(如地壳厚度、重磁场特征)的变异带。其中，张家口-渤海构造带和太行山山前断裂带是区内两条最明显的深部构造变异带。这两条深部构造变异带均与现今地震活动关系密切。

地壳结构构造与地震活动息息相关。在北京及其邻区，地震活动和主要地震带的空间展布与地壳厚度变化和区域重磁场所反映的构造带走向、构造分区边界的延伸是一致的。如北西向的张家口-渤海断裂带，北东向的太行山山前断裂带，以及华北平原内的若干北东向构造带等。据研究，在这些带内，地震多发生在重、磁异常梯级带附近，正负异常的交界处，以及不同方向重、磁异常带交会处或异常带的转折处等部位。这些地方往往是地壳磁性基底与弱磁性基底的接触带，或基底隆起与凹陷的变化过渡带，或地壳厚度的变异处，并伴有深大断裂的发育。

七、给土壤进行全面“体检”为首都现代化农业腾飞“把脉”

几十年来，首都许多单位的地质工作者配合区调或矿产勘查开展地球化学勘查。20世纪80年代，地矿局物化探队开展了山区1：20万水系沉积物测量；与地矿部地化勘查研究所共同开展了北京市1：5万土壤环境地球化学调查，定量分析了铜、砷、铅、镉、锌、铬、镍、汞、氟等22项元素及指标，查明了土壤养分和营养元素丰缺状况及主要农作物中有害元素的富集规律，发现并圈定了一些有重要意义的异常区，评价了土壤综合肥力等级和主要农作物的安全性，为农业种植规划调整提供了重要依据。此外，还对延庆县、大兴区生态农业地质进行了调查评价。

平原区的农业是全市农业的关键地区。2006～2007年，北京市地质勘查技术院首次对其进行了大规模(6400km²)土壤环境地球化学调查评价，基本查明了平原区土壤环境质量总体状况，对其进行了分级和安全性评价，总结出城市生态系统、农田生态系统的影响因素、变化情况及演化趋势，为城市环境保护、污染治理、农作物合理种植，提供了科学依据。

八、进行国土资源调查 为城市规划提供依据

遥感技术是航空物探的一种重要手段。自20世纪80年代以来，北京大力推广遥感技术在各方面地质工作中的应用，成果十分突出。有关遥感的成果，特别要提及“8301工程”。“8301工程”是“北京市航空遥感综合调查”项目，是由地质部、城乡建设环境保护部和北京市政府共同组织的重大工程，有41项课题。工作从1983年起至1986年，由地质部遥感中心和北京市地勘局共同负责完成。项目获丰硕成果，有23项成果填补了空白，2项达国际先进水平，7项达国际同等水平，14项达国内先进水平。该项目获国家科技进步奖一等奖。

其中的“航空遥感在昌平县山区农业建设规划中的应用”项目，首先在昌平区黑山寨试点，进而在全区开展，取得了很好效果。基本查明了农、林、土地、果木等各类资源的状况，取得了山川水系、坡度、土地利用等大量资料，研究了各类野生资源以及果木的生长条件，为昌平进行农业建设规划提供了重要依据。该项目受到当地政府好评，获地矿部科技成果奖二等奖。此后，遥感技术进一步在平谷、延庆等区、县农业建设规划中推广应用，均取得好效果。

2002年3月至2004年12月，北京市地质研究所又进行了一次“北京市国土资源遥感综合调查”工作，完成1：25万地土利用现状、矿产资源、地质灾害、地质旅游遥感解译，面积1.68×10⁴km²；1：10万环境地质现状解释，面积3514km²；1：5万环城绿化现状解译，面积1653km²；1：2.5万奥运主场区综合环境的遥感解译，面积156km²。上述成果，已提供给北京市有关部门为城市规划利用。

九、地质灾害调查评价效果显著

地质灾害是北京自然灾害中的一种重要的灾害，古今都给北京造成过大灾害。

1)北京市地质研究所应用遥感技术对首都的地质灾害做了大量的调研工作。1989～1991年，北京市地质研究所开展了“北京地区地质灾害调查”工作。该项工作对北京历年发生的自然灾害的资料进行了分析，利用航片进行解译并配合地面调查，初步查明北京地区主要地质灾害分布现状及发育特征。山区以泥石流和矿山地面塌陷为严重；平原区则以地面沉降最为突出。调查表明，崩塌、滑塌、泥石流北山比西山发育。通过工作，提交了“北京地区地质灾害调查报告”，预测了灾害可能发生的地区。

1991年6月10日，京北山区发生暴雨，在预测区内发生了百年不遇的泥石流灾害，怀柔北部山区有113条沟发生泥石流，死亡28人，重伤8人，直接经济损失2.65亿元。随后，北京市地质研究所又对其他的山区县进行了调研，编写了报告(表4)。

表4 应用遥感技术调查地质灾害成果

2)一系列的调研报告为领导决策提供了依据，北京市政府于1993年制定了北山地区险村“久安”搬迁计划，由市政府拨出专款，自1993年开始实施，用3年时间搬迁了危险村374处、18422户、60451人。此后，山区自然灾害造成的生命财产损失明显减少。

3)北京市地勘局制定了突发性地质灾害应急预案，成立了指挥领导小组(下设应急调查队)，由正、副局长担任组长。突发灾害发生后，应急调查队在30min内集结，1h内完成准备工作，并奔赴现场开展调查工作。

4)配合突发性地质灾害应急预案，2003～2004年，北京市地勘局与气象局合作制定了《北京市汛期突发性地质灾害气象预报预警实施方案》。2004～2007年期间，北京市地勘局完成汛期预警预报值班500余班次，制作预警产品12期，发布预警信息11次，向各区县国土局转达临时地质灾害预警信息数十次。预警预报信息的发布，使北京市人民群众增强了地质灾害的防范意识，有利于防灾和抗灾工作的顺利进行。

十、在地质环境调查评价中广泛应用，效果突出

物化探在地质环境调研中应用广泛，特别是遥感技术的应用研究。如：

1)北京市区重要水源地综合地质环境调查，由北京市地质研究所承担，2002年初开始工作，2003年6月提交报告。重点应用遥感技术，进行1：1万～1：10万遥感解译3514km²；1：10万水土流失调查，3514km²；1：5万综合地质环境调查，3514km²；1：5万矿山环境调查63个矿区3000km²；1：1万重点矿山环境调查4个矿区。这些工作，为地方政府制定矿山规划、矿山整顿、环境治理提供了依据。

2)北京市密云水库及其上游地区地质环境调查及防治对策研究，由北京市地质工程设计研究院承担，主要应用遥感技术。2002年3月开始，2004年12月提交报告。主要调查密云水库及其上游的地质环境，查明了区内矿山数量、采选状况、污染情况；调查了河流与水库的水质、地质灾害，人类不合理活动对环境的影响，并对有关的环境影响因素提出了实际可行的防治措施。

3)城市“热岛效应”研究。城市化发展的结果是，市区的温度比郊区高，低温的郊区包围着高温的城区，气象学称此为“热岛效应”。据气象部门近40多年的统计，北京城区平均气温一般比郊区高出2.77℃。这个平均数据，气象学称其为“热岛强度”。热岛强度分为3种类型，即弱热岛型(城区较郊区地表温度高2.5～4.5℃)、较强热岛型(城区较郊区地表温度高4.5～6.5℃)、强热岛型(城区较郊区地表温度高6.5℃以上)。

“热岛效应”明显影响市区气温，它使京城气温一般比郊区高，而且使季节变更提前。据气象部门资料，2000年以前，北京入春的时间(平原区)大多在4月3～5日之前(山区在4月中旬)；2000年之后，入春时间多数提前至3月下旬，2006年、2007年、2009这3年，甚至提前到3月中旬。

从历史资料看，京城入夏的时间一般在5月27～29日。进入夏天的物候学标志是“刺槐进入盛开期”。2010年，由于“热岛效应”，北京入夏提前到5月中旬(5月19日)。

据报道，2010年7月全球平均气温再创新高，7月是历史上有气温纪录最高的一个月。本市热环境遥感监测显示，7月京城六区形成明显热岛效应，且大部地区已达强“热岛”状态。7月5日13时58分卫星遥感图示，本市大部分平原区地表温度都在48℃以上，其中，城区、丰台大部、石景山中南部、房山东部、大兴西北部以及除延庆之外的其他区县在城镇及其周边地区，地表温度都超过了50℃，少部地区超过了54℃。但是，大部分山区地表温度都在43℃以下。由于郊区大部农田收获小麦后种上了玉米，植被覆盖率较低，导致平均地表温度较高，大部分在48℃左右。

高温酷暑，空调运行，导致2010年(7月)北京电网负荷频创历史纪录(1666×10⁴kW)。据统计，电网负荷的1/3为空调负荷。

以上10个方面的突出成果，说明物化探是一种十分独特的勘探工作手段，其方法多种多样，应用广泛，效果明显，成果突出。它促进了地质勘查工作的快速发展和变化，与其他勘探手段密切配合，提高了地质勘探方法的整体探测能力，为社会经济建设作出了越来越大的贡献。