地学层析成像技术（Geotomography，简称GT）是地球物理学与层析成像技术相结合的产物，它是利用地震波或电磁波在地下介质中的传播特性，通过反演算法来重建地下介质的分布图像。目前，GT技术已广泛用于地球物理学的多个研究领域，从地球科学研究中地球内部精细结构的探测，石油勘探开发中岩性圈闭的寻找，金属矿勘探中深部盲矿的勘查，到工程、灾害和环境地质中查明地下构造、裂隙等的分布规律，它已发展成为研究地下精细结构的一种有效手段。
6.3.2.1 基本原理
层析成像技术是根据对物体外部获取的某种物理量的测定值（或称投影）进行处理以重建物体内部图像的一种技术。所谓层析成像，是对物体进行逐层剖析成像，相当于把物体切成片。用波去穿透物体，让波带出关于物体内部的信息，通过对这些信息的处理来重建物体的内部图像。
从物体内部图像重建的角度看，一物体切片的图像是两个空间变量（x，y）的函数，称为图像函数，记为f（x，y）。用不同方向的入射波穿过物体，观测到的波场信息至少是入射波方向θ和观测点位置ρ两个变量的函数，称为投影函数，可记为u（θ，ρ）。1917年奥地利数学家Radon证明，已知所有入射角的投影函数u（θ，ρ）可以恢复惟一的图像函数f（x，y），人们称之为Radon变换，它成为层析成像的理论基础。
从物理角度来看，各种波动（地震波、电磁波等）在时间和空间上都是连续的。当它们在介质中传播时，由于介质物性上的差异（如密度、速度、介电常数、电导率等）使得它们的传播速度的大小及方向发生变化，能量吸收也因介质而异。因此，当波穿过某一物体时，必定会把物体内部的物性参数的信息携带到物体外部来，只要在物体外部测得波穿过物体后的有关参数（即投影函数），通过适当的反演方法便可重建物体内部图像。
因此，从本质而言，层析成像属于反演问题，因为它是通过参数的观测结果来求解参数的空间分布。一般来说，层析成像方法适用于能以数据形式获得某种参数（例如地震波传播时间等）的条件，但入射波必须穿透物体并且参数的变化应该能测得出来。
图6.3.4 跨孔地震层析成像观测系统
6.3.2.2 数据采集
在地球物理层析成像中，一般都是将待成像的区域划分为许多单元组成的网格，单元被称为“像元”。假定每个像元为常数，它代表了图像函数f（x，y）。像元的大小取决于诸多因素，如震源和接收器的间距等。由发射源发射出的具有一定方向性的射束被称为“射线”，射线穿过成像区域到达接收点，接收器记录到变化了的信号。为了获得多方向的射线覆盖，数据采集常在物体的一侧布设线性发射源排列，而在另一侧沿平行发射源排列布设接收器排列。这实际上是跨孔排列（图6.3.4所示），它是数据采集方法中最典型的一种。
6.3.2.3 成像方法
地震层析成像方法大致可分为两种类型：一种是基于射线理论的图像重建技术，在数学上也就是由一个函数的线积分反求这个函数的问题，它可以化为相似的代数方程组。走时反演成像和振幅反演成像均属这种方法。当射线为直线时，这类方法比较成熟。在实际应用中，由于客观条件的限制，经常会遇到数据不全的问题。另外，当必须考虑射线弯曲的情况时，理论上还有不少困难。另一种是基于波动方程反演的散射（或衍射）层析成像方法，在数学上它属于解偏微分方程反问题，波场成像属此类方法。
走时反演成像方法是目前使用较为成熟的方法，主要包括反投影法（BPT）、代数重建法（ART）、联合迭代重建法（SIRT）、共轭梯度最小二乘法（CGLS）和正交分解最小二乘法（LSQR）等。在工程、环境调查中，通常在现场需要对数据进行处理和解释，故一般选用较为简单的成像方法。
6.3.2.4 在工程和环境调查中的应用
跨孔地震层析成像在岩溶勘察中的应用，是基于完整灰岩与岩溶（包括充填物）、溶蚀裂隙及上覆土层之间存在明显的弹性纵波波速差异。一般来说，完整石灰岩的弹性纵波速度大于4500 m/s，而溶蚀裂隙发育灰岩的弹性纵波波速则在2800～4500 m/s之间，岩溶充填物及上覆土层的弹性纵波波速小于2800 m/s。因此，在岩溶发育地区开展地震层析成像勘察具有良好的地球物理前提。
例如，在位于广州市雅岗与佛山南海市和顺之间的广合大桥，设计有4个主桥墩，32根冲孔灌注桩。该桥基岩为石炭纪灰岩，基岩面埋深约为19～36 m，上部覆盖层为第四纪冲淤积、残积淤泥、砂及粘土，基岩面起伏变化大，岩溶裂隙非常发育。在主桥墩施工中采用跨孔地震层析成像方法对4个主桥墩进行勘察。勘察要求查明主桥墩桩位及桩周基岩面埋深，岩溶裂隙发育及分布情况。勘察深度范围在岩面以上，-5～-50 m高程。要求分辨线性尺度1.0 m以上的溶洞及溶蚀裂隙发育带。
勘察中共布置了26个钻孔，可组合成46对跨孔地震层析成像剖面。跨孔距最大为16.02 m，最小为5.95 m。每对剖面测试范围为基岩面以上1/2跨孔距（且不小于5.0 m）至孔底，激发接收点距为1.0 m。震源主频高于500 Hz，传感器频响范围为5～4000 Hz，接收仪器频响为10～4000 Hz，采样间隔为31.25 μs。
对46对跨孔地震层析成像剖面走时数据进行处理、反演，得到了46对跨孔地震层析成像纵波速度色谱图。其中L26剖面跨孔地震层析成像（纵波）速度色谱图（如图6.3.5所示）。从图中可以看出，速度色谱图从上至下大致可以分为3个速度带。根据纵波速度与土层、溶洞、溶蚀裂隙发育及完整（或基本完整）灰岩的相关关系并结合两侧钻孔资料，可将L26剖面跨孔地震CT速度色谱图从上至下解释为3个地质单元：覆盖层、岩溶及溶蚀裂隙发育带（局部含完整岩块）、完整（或基本完整）灰岩（局部偶有小溶洞或溶蚀裂隙）。同理对其他45对CT剖面分别作了地质解释，推荐了各根桩的桩端持力层高程，同时指出了各根桩施工中可能碰到的不良地质体情况。
图6.3.5 大桥L26测线地震CT速度色谱图及地质解释剖面