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電阻率和激發(fā)極化法廣泛地應(yīng)用于近地表環(huán)境領(lǐng)域，包括水文地質(zhì)學(xué)、土木工程、考古學(xué)，以及農(nóng)業(yè)和植物學(xué)等學(xué)科。本書詳細(xì)介紹了電阻率和激發(fā)極化法的基礎(chǔ)理論與實(shí)踐應(yīng)用，展示了如何在實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量、建模和數(shù)據(jù)解譯。內(nèi)容涵蓋了電法的發(fā)展歷史、地質(zhì)材料的電學(xué)性質(zhì)、儀器設(shè)備、數(shù)據(jù)采集和建模以及實(shí)踐案例研究。同時(shí)，本書還提供了一整套正演和反演軟件，便于讀者練習(xí)書中案例和開展相關(guān)研究。

中文版序

電阻率和激發(fā)極化法是兩種使用最廣泛的地球物理方法。這些方法起源于20世紀(jì)初，由油氣和礦產(chǎn)勘探驅(qū)動(dòng)而得到了持續(xù)發(fā)展。在過去幾十年中，得益于計(jì)算資源的普及和儀器設(shè)備的改進(jìn)，這些方法不斷發(fā)展完善。這種發(fā)展在一定程度上是由于人們認(rèn)識(shí)到地下介質(zhì)的電學(xué)性質(zhì)與孔隙空間內(nèi)流體的一些物理和化學(xué)特性（如飽和度、鹽度），以及巖性特性（如孔隙度、黏土含量）密切相關(guān)，而這些特性與水文學(xué)、污染水文地質(zhì)學(xué)、土木工程、農(nóng)學(xué)、法醫(yī)學(xué)、考古學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域的眾多問題息息相關(guān)?，F(xiàn)如今，我們可以在普通的個(gè)人電腦上生成時(shí)移電學(xué)特性三維圖像，并且通過適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)物理關(guān)系，將這些圖像轉(zhuǎn)換成各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的研究屬性和狀態(tài)。此外，電阻率和激發(fā)極化法的可擴(kuò)展性允許其應(yīng)用于從厘米到千米的廣泛空間尺度。

雖然目前許多已出版著作涵蓋了電阻率和激發(fā)極化法的各個(gè)方面，但本書是第一本全面介紹天然地質(zhì)材料的基本電學(xué)性質(zhì)以及用于解釋測(cè)量數(shù)據(jù)的建模方法基礎(chǔ)理論的書籍。我們的目標(biāo)是提供一個(gè)綜合的參考書，向讀者全面介紹這些方法、應(yīng)用以及解譯所需的基本關(guān)系。本書詳細(xì)講述了如何在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行電學(xué)性質(zhì)的測(cè)量，如何在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用這些方法，以及如何使用建模技術(shù)分析現(xiàn)場(chǎng)和實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)。我們的目標(biāo)讀者包括研究生、科研人員、高年級(jí)本科生和相關(guān)技術(shù)人員。

我們?cè)诒緯拈_頭章節(jié)介紹了這些方法的部分歷史背景，以便讓讀者了解電阻率和激發(fā)極化法幾十年來的研究歷程。為了展示書中方法概念的廣泛應(yīng)用，我們?cè)跁哪┪蔡峁┝藥讉€(gè)案例研究。此外，本書中還包含了建模方法分析所使用的軟件，讀者可以利用自己的數(shù)據(jù)使用該軟件開展應(yīng)用研究。軟件（包括專門為本書開發(fā)的ResIPy軟件）和案例數(shù)據(jù)集可在www.cambridge.org/binley獲取。

本書的英文版于2020年由劍橋大學(xué)出版社出版，以紀(jì)念Conrad Schlumberger電學(xué)方法重要文獻(xiàn)發(fā)表100周年，該理論奠定了現(xiàn)代電阻率和激發(fā)極化法的基礎(chǔ)。我們由衷感謝山東大學(xué)毛德強(qiáng)教授的支持和幫助，以及他的研究團(tuán)隊(duì)在本書中文翻譯過程中所付出的巨大努力，特別感謝山東大學(xué)劉士亮副教授、南京大學(xué)施小清教授、北京建工環(huán)境修復(fù)股份有限公司張家銘工程師在專著翻譯過程中的辛苦付出。我們也感謝多年來在我們的團(tuán)隊(duì)中工作的幾位來自中國(guó)研究人員，特別感謝勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Wu Yuxin博士、維也納大學(xué)的Zhang Chi博士、英國(guó)環(huán)境水文研究中心的Michael Tso博士、河海大學(xué)的程勤波博士、勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Wang Chen博士、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)的陳曦博士、香港理工大學(xué)的許舒婕、河海大學(xué)的陶敏和吉林大學(xué)的閆家賀。本書的中譯版本將幫助更多的讀者，希望能夠激勵(lì)新一代地球物理學(xué)家深入推進(jìn)電阻率和激發(fā)極化技術(shù)的發(fā)展，并開拓新的應(yīng)用領(lǐng)域。

Andrew Binley Lee Slater

蘭卡斯特，英國(guó) 紐瓦克，美國(guó)

2024年12月

前言

2020年是Conrad Schlumberger電學(xué)方法重要文獻(xiàn)發(fā)表100周年，該文獻(xiàn)奠定了現(xiàn)代電阻率和激發(fā)極化法的基礎(chǔ)。電阻率和激發(fā)極化法是目前探測(cè)近地表（地殼淺部幾百米）的兩種最常用的地球物理技術(shù)。雖然這兩種方法最初是為油氣和礦產(chǎn)勘探而研發(fā)，但在使用過程中，人們普遍認(rèn)識(shí)到近地表特性和過程的電學(xué)性質(zhì)與孔隙空間中流體的物理和化學(xué)性質(zhì)（如飽和度、鹽度）及巖性特征（如孔隙度、黏土含量）密切相關(guān)，因此這兩種方法在近地表得到了迅速普及的應(yīng)用，從而開辟了包括水文學(xué)、土木工程、農(nóng)學(xué)、法醫(yī)學(xué)和考古學(xué)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的應(yīng)用。此外，電阻率和激發(fā)極化法的理論概念已經(jīng)發(fā)展完善，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量技術(shù)具有高度的可擴(kuò)展性，可開展從厘米到千米尺度的調(diào)查研究。測(cè)量可以在多種配置下進(jìn)行，可實(shí)現(xiàn)從簡(jiǎn)單測(cè)繪到三維時(shí)移成像。與許多其他的近地表方法相比，電阻率和激發(fā)極化法的儀器成本相對(duì)較低且操作簡(jiǎn)單。除此之外，許多解譯（建模）工具現(xiàn)在已經(jīng)普及，并且還在持續(xù)地發(fā)展更新。

雖然已有許多關(guān)于電阻率和激發(fā)極化法的著作，但仍沒有對(duì)天然地質(zhì)材料的基本電學(xué)性質(zhì)和用于解譯測(cè)量數(shù)據(jù)的建模方法的理論基礎(chǔ)提供全面的說明。此外，大多數(shù)參考書僅關(guān)注電阻率和激發(fā)極化的勘探應(yīng)用，并未涵蓋專門針對(duì)近地表應(yīng)用技術(shù)的許多最新進(jìn)展。這兩種方法已積累了海量的相關(guān)文獻(xiàn)和資料，可能會(huì)令一些科研人員和技術(shù)人員無從下手?；?5年的長(zhǎng)期合作，我們編寫了這本教科書，詳細(xì)解釋了電學(xué)性質(zhì)如何與地質(zhì)材料的其他特性相關(guān)，如何在實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行電學(xué)性質(zhì)的測(cè)量，以及如何分析信號(hào)以建立地電模型。我們的目標(biāo)讀者包括研究生、科研人員、高年級(jí)本科生和相關(guān)技術(shù)人員。在書中納入了許多方法的歷史背景，盡管這些概念和觀測(cè)資料可能在當(dāng)時(shí)并沒有進(jìn)行充分解譯，但可以方便讀者了解這些技術(shù)方法數(shù)十年的研究歷程。本書深入闡述了方法概念，還附有相關(guān)的案例研究，以突出應(yīng)用的廣泛性和在新興領(lǐng)域的適用性。本書還包含了書中介紹的建模方法使用的建模軟件，讀者可以利用自己的數(shù)據(jù)使用書中的方法開展應(yīng)用研究。我們希望這本書能激勵(lì)新一代地球物理學(xué)家，在Schlumberger和其他前人奠定的近地表地球物理探測(cè)技術(shù)百年基礎(chǔ)上，推進(jìn)電阻率和激發(fā)極化法的進(jìn)一步發(fā)展。

作者簡(jiǎn)介

Andrew Binley是蘭卡斯特大學(xué)的水文地球物理學(xué)教授，研究領(lǐng)域是利用近地表地球物理電法表征水文地質(zhì)信息，并開發(fā)了廣泛使用的地電模型計(jì)算機(jī)軟件。2012年，獲得了由勘探地球物理學(xué)家協(xié)會(huì)和環(huán)境與工程地球物理學(xué)會(huì)共同頒發(fā)的弗蘭克·弗里施克奈希特領(lǐng)導(dǎo)獎(jiǎng)（Frank Frischknecht Leadership Award），以表彰其對(duì)近地表地球物理學(xué)，特別是水文地球物理學(xué)領(lǐng)域的長(zhǎng)期貢獻(xiàn)。2013年，鑒于其在不確定性建模和水文地球物理學(xué)研究的開創(chuàng)性工作，當(dāng)選為美國(guó)地球物理學(xué)會(huì)會(huì)士。

Lee Slater是羅格斯大學(xué)的亨利·羅格斯地球物理學(xué)講席教授，圍繞近地表地球物理研究領(lǐng)域，在電阻率和激發(fā)極化法方面開展了許多原創(chuàng)性的實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)研究。2013年，因其在近地表地球物理學(xué)領(lǐng)域的長(zhǎng)期貢獻(xiàn)，特別是在教育和專業(yè)推廣方面，獲得了由勘探地球物理學(xué)家協(xié)會(huì)和環(huán)境與工程地球物理學(xué)會(huì)共同頒發(fā)的哈羅德·B.·穆尼獎(jiǎng)（Harold B.Mooney Award）。2018年，因其在近地表地球物理學(xué)方面的開創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)研究，當(dāng)選為美國(guó)地球物理學(xué)會(huì)會(huì)士。

譯者簡(jiǎn)介

毛德強(qiáng)，山東大學(xué)土建與水利學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師。2012年畢業(yè)于美國(guó)亞利桑那大學(xué)，獲水文學(xué)博士學(xué)位，之后在科羅拉多礦業(yè)大學(xué)從事地球物理博士后研究，2017年回國(guó)前擔(dān)任水文地質(zhì)領(lǐng)域頂級(jí)學(xué)府新墨西哥理工學(xué)院助理教授職位?，F(xiàn)任土建與水利學(xué)院副院長(zhǎng)，兼任山東大學(xué)僑界聯(lián)合會(huì)秘書長(zhǎng)、中國(guó)水利學(xué)會(huì)地下水科學(xué)與工程分會(huì)委員，亞洲地球科學(xué)協(xié)會(huì)地學(xué)分會(huì)秘書。主要從事水文地球物理等方面教學(xué)與科研工作，主持相關(guān)領(lǐng)域國(guó)家級(jí)、省部級(jí)、工程科研項(xiàng)目20余項(xiàng)，包括國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（國(guó)合專項(xiàng)）項(xiàng)目1項(xiàng)，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目子課題2項(xiàng)，中組部特聘專家“青年項(xiàng)目”1項(xiàng)、面上項(xiàng)目1項(xiàng)等。在水資源、環(huán)境、地球物理領(lǐng)域等行業(yè)權(quán)威期刊JGR-Solid Earth、Water Resour. Res.、Environ. Sci. Technol.、Geophysics、J. Hydrol.、Environ. Res.、Waste Manage.、《地學(xué)前緣》等發(fā)表論文60余篇，授權(quán)發(fā)明專利、軟著20余項(xiàng)，擔(dān)任Journal of Hydrology副主編，曾任Hydrogeology Journal副主編，應(yīng)邀在國(guó)際和國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)會(huì)議作報(bào)告10余次。堅(jiān)持以德樹人、為國(guó)育才的教育理念，以“重點(diǎn)平臺(tái)+科研項(xiàng)目+大學(xué)生科創(chuàng)”的教學(xué)模式，獲2023年山東大學(xué)優(yōu)秀教學(xué)案例，指導(dǎo)學(xué)生獲“互聯(lián)網(wǎng)+”雙創(chuàng)大賽國(guó)賽銀獎(jiǎng)、省賽金獎(jiǎng)、銀獎(jiǎng)各一項(xiàng)，獲評(píng)山東省優(yōu)秀創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)導(dǎo)師。

劉士亮，山東大學(xué)土建與水利學(xué)院副教授、博士生導(dǎo)師、山東大學(xué)未來計(jì)劃青年學(xué)者。主要從事水文-工程-環(huán)境地質(zhì)相關(guān)的教學(xué)與科研工作，聚焦“生態(tài)與污染水文地質(zhì)”關(guān)鍵科學(xué)問題，主持國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、青年項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（國(guó)合專項(xiàng)）子課題、山東省自然科學(xué)基金及企事業(yè)單位科研攻關(guān)項(xiàng)目等20余項(xiàng)。出版專著2部，發(fā)表高水平科技論文21篇、授權(quán)國(guó)內(nèi)外發(fā)明專利和軟件著作權(quán)14項(xiàng)。研究成果榮獲山東省環(huán)境技術(shù)進(jìn)步一等獎(jiǎng)、中國(guó)巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。擔(dān)任10余種國(guó)內(nèi)外核心、EI、SCI學(xué)術(shù)期刊審稿專家，國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)同行評(píng)議專家，山東省科技專家（技術(shù)研發(fā)類）等。

施小清，南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師。主要從事污染水文地質(zhì)學(xué)的研究與教學(xué)工作，旨在運(yùn)用水文地球物理監(jiān)測(cè)、污染物運(yùn)移數(shù)值模擬和多源數(shù)據(jù)同化等技術(shù)解決有機(jī)污染物多相遷移機(jī)制和場(chǎng)地精細(xì)刻畫難題。以第一作者/通訊作者在JGR-Solid Earth、Geophys. Res. Lett.、Water Resour. Res.、J. Hydrol.、Geophysics等國(guó)際水文地質(zhì)和地球物理期刊發(fā)表SCI論文50余篇，2 篇論文被評(píng)為Water Resour. Res.高下載論文和高被引論文，1篇論文入選前1% ESI高被引。曾任Geofluids?？妥骶帲琀ydrogeology Journal副主編，現(xiàn)任《安全與環(huán)境工程》，《地質(zhì)科技通報(bào)》編委。

張家銘，北京建工環(huán)境修復(fù)股份有限公司研發(fā)工程師。主要從事生態(tài)環(huán)境調(diào)查與監(jiān)測(cè)方面的技術(shù)研發(fā)及推廣應(yīng)用工作，科學(xué)運(yùn)用5G-IOT、無人機(jī)載平臺(tái)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)、數(shù)字化管理系統(tǒng)等跨領(lǐng)域新興技術(shù)，充分滿足生態(tài)環(huán)境治理過程中不同利益方的實(shí)際需求。先后參與4項(xiàng)國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目，累計(jì)授權(quán)國(guó)內(nèi)發(fā)明專利60余項(xiàng)，發(fā)表論文十余篇，并成功在全國(guó)十余個(gè)工程項(xiàng)目上開展了應(yīng)用驗(yàn)證及推廣工作。

部分書評(píng)

毫無疑問，這是關(guān)于地球物理電法的最全面最詳盡的著作。這是一本非常出色的專著，涵蓋了理論和實(shí)踐應(yīng)用，囊括了大量關(guān)于電阻率和激發(fā)極化的實(shí)際應(yīng)用案例。這本書肯定是我向從事地電和近地表地球物理學(xué)領(lǐng)域的學(xué)生、科研人員和技術(shù)人員推薦閱讀的首選。

——Jonathan Chambers，英國(guó)地質(zhì)調(diào)查局

Binley和Slater是世界上最優(yōu)秀的兩位電法地球物理學(xué)家，他們共同編寫了一本全面、易懂的教科書，適合任何對(duì)電法感興趣的學(xué)者閱讀。通過分章節(jié)介紹方法歷史、開源軟件，相關(guān)理論、儀器設(shè)備、正演和反演建模及應(yīng)用，兩位作者創(chuàng)造了一個(gè)關(guān)于電法的一站式資源庫(kù)。這本書從最基礎(chǔ)的數(shù)學(xué)知識(shí)入手，逐步介紹了領(lǐng)域最新的科學(xué)進(jìn)展，包括許多圖表和補(bǔ)充信息。我強(qiáng)烈推薦任何想了解如何將地球物理電法技術(shù)應(yīng)用于淺地表問題的學(xué)生或從業(yè)人員了解本書，并期待與我的研究生分享。

——Kamini Singha，科羅拉多礦業(yè)學(xué)院

Andrew Binley和Lee Slater這兩位在近地表地球物理學(xué)領(lǐng)域經(jīng)驗(yàn)豐富的科學(xué)家編寫了一本現(xiàn)代教材，詳細(xì)描述了電阻率和激發(fā)極化技術(shù)的發(fā)展及其最新進(jìn)展。該書深入探討了基礎(chǔ)理論，展示了這些地球物理方法的廣泛應(yīng)用。鑒于書中豐富的信息和清晰的呈現(xiàn)方式，本書不僅可以作為高等教育的教科書，還可以作為科研人員和技術(shù)人員的參考書。本書肯定會(huì)推動(dòng)電阻率與激發(fā)極化法進(jìn)一步的研究工作和實(shí)際應(yīng)用。

——Andreas Weller，克勞斯塔爾工業(yè)大學(xué)