地球物理儀器(20211012045523)

1、密級(jí)分類號(hào)中國(guó)地質(zhì)大學(xué)北京課程結(jié)課報(bào)告地球物理儀器學(xué)牛姓名 馬 敏院系地球物理與信息技術(shù)專 業(yè)電子與通信工程學(xué) 號(hào)任課教師 鄧 明職 稱教授二O一四年四月1 前言球物理儀器是認(rèn)識(shí)地球、資源探測(cè)、工程勘察、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)的重要手段，是地球科學(xué)研究的根底，也是前沿技術(shù)。在地球物理學(xué)領(lǐng)域，地球物理場(chǎng)主體 上分為重力場(chǎng)、地磁場(chǎng)、電場(chǎng)、地?zé)釄?chǎng)、放射性輻射場(chǎng)和地震波場(chǎng)。日常工作 中對(duì)礦產(chǎn)資源、油氣能源和環(huán)境的勘察與監(jiān)測(cè)，對(duì)地震災(zāi)害的預(yù)測(cè)與預(yù)防，對(duì) 地球深部圈、層結(jié)構(gòu)以及物質(zhì)組成和空間狀態(tài)的探測(cè)等都是通過(guò)物理場(chǎng)完成的。 隨著地球物理學(xué)在理論、方法和應(yīng)用方面的不斷進(jìn)步，科學(xué)與技術(shù)開展的需求 日益增加，相應(yīng)學(xué)科的

2、儀器與設(shè)備得到了迅速開展，物理學(xué)、力學(xué)、信息學(xué)和 計(jì)算機(jī)技術(shù)中的一些新成就得到了廣泛應(yīng)用，地球物理觀測(cè)的精度和對(duì)信息的 分辨率不斷提高。地球物理勘探儀器是集當(dāng)代先進(jìn)技術(shù)如傳感器、電子、計(jì)算 機(jī)、數(shù)據(jù)傳輸和通訊等技術(shù)為一體的綜合系統(tǒng)。它的革新與開展總是伴隨著新 技術(shù)的推廣和完善。地球物理儀器按照所測(cè)量的地球物理場(chǎng)，主要分為重力儀、 磁力儀、電法儀、淺層地震儀、測(cè)井儀以及放射性儀器等。地球物理儀器在許多局部存在相似的電路，例如模擬通道和數(shù)字通道，前 置放大電路和濾波電路， A/D 采樣和數(shù)模轉(zhuǎn)換等，除此之外還會(huì)連接通信接口、 顯示接口以及鍵盤接口等等。但是地球物理儀器往往又有自己的一些特點(diǎn)：1頻帶

3、較寬，大動(dòng)態(tài)范圍； 2高速、高分辨率和高信噪比； 3集成度高，功 能多但是功耗較低； 4操作簡(jiǎn)單，輕便靈活，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)顯示結(jié)果，寬工作溫 度范圍，高穩(wěn)定度在以上各個(gè)重要參數(shù)中，高分辨率是地球物理儀器的最為關(guān)鍵參數(shù)，這是 因?yàn)樵诘厍蛭锢砜碧街?，傳感器接收的信?hào)一般都很小，如直流電法儀中，測(cè)量大地的自然電位時(shí)，信號(hào)可能只有幾u(yù)V;地震勘探中，檢波器接收的信號(hào)也只有幾pV;瞬變電磁儀接收到的二次場(chǎng)信號(hào)也只有幾nV。這就要求A/D轉(zhuǎn)換器具有很高的分辨率，因此目前的地球物理儀器設(shè)計(jì)中大都采用了24位刀A/D采樣技術(shù)，以到達(dá)高分辨率的目的。另外高信噪比也是地球物理儀器的特點(diǎn)， 由于傳感器輸出的有用信號(hào)很小，

4、而干擾信號(hào)是隨機(jī)信號(hào)，且頻帶很寬，有時(shí) 候噪聲比有用信號(hào)大幾個(gè)數(shù)量級(jí)，如直流電阻率測(cè)量系統(tǒng)中，自然電位可能比 高壓供電在大地兩點(diǎn)間產(chǎn)生的信號(hào)要大得多。來(lái)自空中或地上的電磁波輻射以 及50Hz工頻干擾，對(duì)儀器提取有用信號(hào)都造成困難。怎樣去掉這些噪聲，得到 有用信號(hào)，是儀器要解決的關(guān)鍵問題。隨著電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，地球物理儀器也不斷地向小型化開展，一些老 式的地球物理儀器不僅笨重而且測(cè)量精度也很低。集成電路的開展，一個(gè)集成 塊可以代替以前整個(gè)電路板的功能，地球物理儀器也向集成度更高的方向開展。多功能也是地球物理儀器開展的一個(gè)方向。如GDL 3211多功能電法儀，幾乎可以實(shí)現(xiàn)所有與電法相關(guān)的方法，整

5、個(gè)儀器的集成度很高，而且使用也很方便。而且不同的儀器有相同的硬件架構(gòu)，使用過(guò)程中加上不同的傳感器后，通過(guò)軟件就能實(shí)現(xiàn)不同的儀器功能。除此之外，地球物理儀器是野外用儀器，因此儀器會(huì)很頻繁的被移動(dòng)或者搬運(yùn)，所以地球物理儀器必須很輕便。加上野外環(huán)境 惡劣，所以儀器應(yīng)具有抗震、防水、防沙等功能。儀器還要能夠適應(yīng)不同的溫 濕度度環(huán)境，如儀器可能在寒冷枯燥的冬天進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，也可能在炎熱的夏 天工作。另外，儀器還要求具有高穩(wěn)定度，重復(fù)觀測(cè)性要好以及漂移要小，還 應(yīng)該有存儲(chǔ)量大等特點(diǎn)，一些地球物理儀器，如磁力儀、地震儀等還具備GPS全球定位功能。2 地球物理儀器分類2.1 重力儀重力場(chǎng)是反映地球內(nèi)部物質(zhì)結(jié)構(gòu)

6、及其變遷的地球物理根本場(chǎng)，高精度絕對(duì) 重力觀測(cè)資料是地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)、地球科學(xué)研究、資源勘探等領(lǐng)域研究的根底。 重力測(cè)量的方法有動(dòng)力法和靜力法。動(dòng)力法是觀測(cè)某種與重力現(xiàn)象有關(guān)的運(yùn)動(dòng) 來(lái)測(cè)定重力的方法，測(cè)定的物理量是時(shí)間。靜力法是觀測(cè)某種與重力觀測(cè)物體 的平衡狀態(tài)，用以確定兩點(diǎn)間的重力差值(相對(duì)重力值) 。重力儀是測(cè)定重力 加速度的儀器。重力測(cè)量的儀器按功能可劃分為：絕對(duì)重力儀、相對(duì)重力儀。絕對(duì)重力測(cè) 量的簡(jiǎn)單原理是利用自由落體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，在固定或移動(dòng)點(diǎn)上測(cè)量時(shí)有單程下 落和上拋下落兩種行程，自由落體為一光學(xué)棱鏡，利用穩(wěn)定的氦氨激光束的波 長(zhǎng)作為邁克爾遜( michelson )干預(yù)儀的光學(xué)尺，直接

7、測(cè)量空間距離：時(shí)間標(biāo)準(zhǔn) 是采用高穩(wěn)定的石英振蕩器與天文臺(tái)原子頻率指標(biāo)比照。觀測(cè)時(shí)，仍然還有許 多干擾因素影響重力值的精度測(cè)定，如大地脈動(dòng)、真空度、落體下落偏擺等等， 因此必須加以分析、控制和校正。絕對(duì)重力測(cè)量的準(zhǔn)確性是一項(xiàng)復(fù)雜精細(xì)的工 作，它有賴于幾種物理量的精密測(cè)定，涉及到光學(xué)、電子學(xué)和精密機(jī)械的有關(guān) 技術(shù)。我國(guó)是為數(shù)不多的能生產(chǎn)絕對(duì)重力測(cè)量?jī)x器的國(guó)家之一。相對(duì)重力儀是 測(cè)量出重力差值的儀器，其原理方法主要有平衡零長(zhǎng)彈簧形變法；平衡懸浮超 導(dǎo)球在超導(dǎo)體產(chǎn)生磁場(chǎng)中的移動(dòng)法。潮沙重力儀、超導(dǎo)重力儀都屬于相對(duì)重力 儀范疇。重力儀廣泛應(yīng)用于地球重力場(chǎng)的測(cè)量，固體潮觀測(cè)，地殼形變觀測(cè)， 以及重力勘探等

8、工作中。重力儀一般都是金屬?gòu)椈芍亓x，老式的重力儀是純 機(jī)械式的，沒有電子元件的?，F(xiàn)在的新式重力儀也參加了數(shù)字接口重力儀機(jī)械式重力儀石英彈簧重力按結(jié)構(gòu)分X電子式重力儀絕對(duì)重力超導(dǎo)重力儀激光重力儀實(shí)驗(yàn)室按測(cè)量原理分相對(duì)重力儀目前，絕對(duì)重力儀的測(cè)量準(zhǔn)確度和不確定度能到達(dá)2uGal。相對(duì)重力儀的測(cè)量不確定度優(yōu)于lOuGal，但相對(duì)重力儀每天約有 20uGal的漂移，需要定期用絕對(duì)重力儀進(jìn)行“格值標(biāo)定，以消除長(zhǎng)期漂移而累積的測(cè)量誤差。另外，相對(duì)重 力儀只能通過(guò)到絕對(duì)重力基準(zhǔn)點(diǎn)“引值才能得到重力加速度的絕對(duì)值。超導(dǎo) 重力儀的測(cè)量不確定度優(yōu)于 O.luGal，是高精度監(jiān)測(cè)某固定點(diǎn)位如：絕對(duì)重力 儀國(guó)際關(guān)鍵

9、比對(duì)點(diǎn)重力變化，分析重力固體潮模型的最正確選擇儀器。重力測(cè) 量?jī)x器按使用空間劃分為：陸地重力儀、航空重力儀、海洋重力儀、井下重力 儀等。另外，用于直接測(cè)量重力垂直梯度變化的重力梯度儀也成為目前研制的 熱點(diǎn)之一。影響重力儀精度的因素很多，如何采取相應(yīng)措施使這擾的影響減低到最低 水平，是決定重力儀性能或質(zhì)量懂得根本保證。<1>溫度影響：溫度變化會(huì)使重力儀各部件熱脹冷縮，使各著力點(diǎn)間的相對(duì) 位置發(fā)生變化。為此，已采用的措施有：研制與選用受溫度變化影響小的材料 作儀器的彈性元件；附加自動(dòng)溫度補(bǔ)償裝置等。此外在野外使用儀器時(shí)，應(yīng)極 力防止陽(yáng)光直接照射的儀器上，搬運(yùn)中應(yīng)設(shè)計(jì)通風(fēng)性能好的專用外包

10、裝箱等。<2>氣壓影響：主要是使空氣密度改變而使平衡體所受的浮力改變，并在儀 器內(nèi)部可能形成微弱的氣體流動(dòng)沖擊彈性系統(tǒng)。消除的方法有：將彈性系統(tǒng)置 于高真空的封閉容器內(nèi)；在與平衡體相反方向上相對(duì)旋轉(zhuǎn)軸而言加一個(gè)等 體積矩的氣壓補(bǔ)償器；條件需要和許可時(shí)，應(yīng)將儀器置入氣壓艙內(nèi)檢測(cè)受氣壓 變化的影響，以便引入相應(yīng)的氣壓校正。<3>電磁力影響： 擺桿平衡體 因質(zhì)量很小無(wú)須夾固， 當(dāng)它在自由擺動(dòng)時(shí)， 會(huì)與容器中殘存的空氣分子相摩擦而產(chǎn)生靜電，電荷的不斷累積會(huì)使儀器讀數(shù) 發(fā)生變化。因此，這類儀器常在平衡體附近放一適量的放射性物質(zhì)，使殘存氣 體游離而導(dǎo)走電荷；對(duì)于用金屬制成的彈性元件

11、來(lái)說(shuō)，材料中含的鐵磁性元素 就會(huì)對(duì)地磁場(chǎng)變化產(chǎn)生響應(yīng)而改變儀器讀數(shù)，為此，要將整個(gè)彈性系統(tǒng)作消磁 處理，外面再加上磁屏以屏蔽磁場(chǎng)；有條件時(shí)，應(yīng)在人工磁場(chǎng)中進(jìn)行實(shí)際測(cè)量， 以了解受磁場(chǎng)方向、強(qiáng)度變化的影響，必要時(shí)引入相應(yīng)的校正項(xiàng)；在野外工作 中，利用指北針定向安放儀器，讓擺桿方向總與地磁場(chǎng)垂直。<4>安置狀態(tài)不一致的影響：由于在各測(cè)點(diǎn)上安放重力儀時(shí)不可能完全一 致，因而擺桿與重力的交角就會(huì)不一致，從而使測(cè)量結(jié)果不僅包含有各測(cè)點(diǎn)間 重力的變化量。所以取平衡體的質(zhì)心與水平轉(zhuǎn)軸所構(gòu)成的平面為水平時(shí)才是真 正的水平零點(diǎn)位置，為達(dá)此目的，儀器的安置有供調(diào)平用的三個(gè)角螺旋和對(duì)應(yīng) 的兩個(gè)水準(zhǔn)氣泡，

12、與擺桿方向平行的稱為縱水準(zhǔn)儀，新出的儀器還裝有靈敏讀 更高的電子水泡或加一套自動(dòng)調(diào)平系動(dòng)。<5>零點(diǎn)漂移影響：儀器的零點(diǎn)位置在隨時(shí)間變化，這種漂移量的大小和有無(wú)規(guī)律與材料的選擇及工藝如事前進(jìn)行時(shí)效處理等水平密切相關(guān)。一臺(tái)好的重力儀應(yīng)上零漂小而且盡困難與時(shí)間成線形關(guān)系，這是在恒溫精度提高后的 衡量?jī)x器好壞的另一個(gè)重要指標(biāo)，為消除這一影響，必須通過(guò)性能試驗(yàn)檢查及零漂變化情況，確定在重力基點(diǎn)控制下每一測(cè)段工作時(shí)間長(zhǎng)短而專門引入零漂 校正。<6>震動(dòng)的影響：儀器的零漂在動(dòng)態(tài)時(shí)要比靜態(tài)時(shí)大且無(wú)規(guī)律，且動(dòng)態(tài)的零 漂隨運(yùn)輸方式不同也不盡相同，實(shí)踐證明，飛機(jī)運(yùn)輸比汽車運(yùn)輸影響要小，在

13、同樣道路上不同型號(hào)的汽車其震動(dòng)影響也不相同，特別在高精度的重力測(cè)量中， 這已是一個(gè)非常關(guān)系測(cè)量誤差大小的重要因素，多項(xiàng)測(cè)試說(shuō)明，運(yùn)輸中減震方 法可用泡沫海綿墊、軟墊、彈簧懸掛裝置、人工小心手提等，且以后兩種方式 造成的誤差最小。2.2 磁力儀磁法勘探是研究地質(zhì)構(gòu)造和找礦勘探的一種重要的地球物理方法，它通過(guò) 磁力儀來(lái)測(cè)量地磁場(chǎng)和磁異常，通常把采集磁場(chǎng)數(shù)據(jù)和測(cè)定巖石磁參數(shù)的儀器 稱為磁力儀。地磁場(chǎng)的微弱變化，都可以被磁力儀記錄下來(lái)。人們不但借助它 來(lái)研究地質(zhì)構(gòu)造，而且還用在考古、環(huán)境工程、氣象、探礦、反潛等領(lǐng)域。磁 力儀按原理分為磁通門磁力儀、質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀、光泵磁力儀和超導(dǎo)磁力儀等 幾種。按照磁

14、力儀的開展歷史，以及它們所應(yīng)用的物理原理，可分為：第一代磁力儀 它是根據(jù)永久磁鐵與地磁場(chǎng)之間相互力矩作用原理，或利 用感應(yīng)線圈以及輔助機(jī)械裝置制作的，如機(jī)械式磁力儀、感應(yīng)式航空磁力儀等。第二代磁力儀 它是根據(jù)核磁共振特征，利用高磁導(dǎo)率軟磁合金，以及復(fù)雜的電子線路制作的，如質(zhì)子磁力儀、光泵磁力儀及磁通門磁力儀等第三代磁力儀它是根據(jù)低溫量子效應(yīng)原理制作的，如超導(dǎo)磁力儀磁力儀的詳細(xì)分類如下所示:內(nèi)部結(jié)構(gòu)磁 力 儀 分使用的領(lǐng)機(jī)械式磁力儀。如懸絲式磁秤、刃口電子式磁力儀。如質(zhì)子磁力儀、光泵相對(duì)測(cè)量?jī)x器，如懸絲式垂直磁力儀絕對(duì)測(cè)量?jī)x器，如質(zhì)子磁力儀等，它地面磁力儀航空磁力儀在使用過(guò)程中，磁力儀的技術(shù)指標(biāo)

15、往往是很被使用者所看中的，技術(shù)指標(biāo) 是反映儀器總體性能的技術(shù)參數(shù)，通常包括：靈敏度、精密度、準(zhǔn)確度、穩(wěn)定 性、測(cè)程范圍等等。靈敏度：系指磁力儀反映地磁場(chǎng)強(qiáng)度最小變化的能力敏感程度，有時(shí)也稱作分辨率。對(duì)于用數(shù)碼顯示器讀取磁場(chǎng)值的儀器如質(zhì)子磁力儀，在其讀數(shù)裝置上估讀的最小可區(qū)分的變化，稱為顯示靈敏度或讀數(shù)能力，如1n T/字,0.1 nT/字等。由于儀器有一個(gè)噪聲水平問題，因此靈敏度與顯示靈敏度在概念 上是有區(qū)別的。精密度：它是衡量?jī)x器重復(fù)性的指標(biāo)，系指儀器自身測(cè)定磁場(chǎng)所能到達(dá)的 最小可靠值。由一組測(cè)定值與平均值的平方偏差表示。在儀器說(shuō)明書中稱為自 身重復(fù)精度。準(zhǔn)確度：系指儀器測(cè)定真值的能力，即與

16、真值相比的總誤差。我國(guó)20世紀(jì)60年代引進(jìn)機(jī)械式磁力儀，在其根底上經(jīng)不斷研制、改良設(shè)計(jì)，其定型產(chǎn)品型號(hào)儀器如表1所示。這些儀器在我國(guó) 20世紀(jì)60、70年代的磁法勘探工作中，發(fā)揮了重要的作用。表1定型磁力儀產(chǎn)品型號(hào)名稱格值/nT-格穩(wěn)定性/格觀測(cè)精度/nT測(cè)程范圍/nTCSC-3懸絲式垂直磁力儀1<0.5<± 5± 2000CR2-69刃口式垂直磁力儀1.82.2< 0.3<± 2± 3000CSX1-70袖珍垂直磁力儀2025< 0.1<± 25± 20000±25000CSS-1定向水

17、平磁力儀820< 0.1<± 5± 16000±32000CRT1-69地磁日變記錄儀2.02.5< 0.324小時(shí)內(nèi)日變記錄精度冬± 2國(guó)內(nèi)磁法勘探除了使用國(guó)外磁力儀如 ENVI 加拿大產(chǎn)磁力儀、 G856 美 國(guó)產(chǎn)磁力儀、GSM加拿大產(chǎn)磁力儀、 Pos1 俄羅斯產(chǎn)磁力儀、 PMG捷 克產(chǎn)磁力儀外，國(guó)產(chǎn)的磁力儀也得到廣泛的應(yīng)用。1986年，我國(guó)地礦和核工業(yè)系統(tǒng)分別引進(jìn)了加拿大的 IGS-2/MP-4 型和美國(guó)的 G-856A 型的“微機(jī)質(zhì)子磁力儀，靈敏度為 0.1nT ，觀測(cè)精度到達(dá)± 2.5nT 或更高，自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)、自動(dòng)

18、 日變改正、數(shù)據(jù)可以直接傳送到其他計(jì)算機(jī)系統(tǒng)作進(jìn)一步處理，同時(shí)，地質(zhì)系 統(tǒng)為推廣使用 MP-4 儀器，在方法技術(shù)，推斷解釋等方面作了大量工作，制定了 相應(yīng)的規(guī)程，使我國(guó)的地面磁法勘探水平在短時(shí)間內(nèi)到達(dá)國(guó)際先進(jìn)水平，并得 到全面推廣。 MP-4 型儀器逐步國(guó)產(chǎn)化，到 1993 年共生產(chǎn)近 300 臺(tái)，少局部?jī)x器 被我國(guó)計(jì)量部門采用當(dāng)作標(biāo)準(zhǔn)儀器。 G-856A 經(jīng)過(guò)不斷改良，如采用鋰電池做電 源，一直生產(chǎn)到今天，在各個(gè)系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用。進(jìn)入 21 世紀(jì)以來(lái)，隨著國(guó)家 對(duì)地質(zhì)事業(yè)投資力度的加大，以及鐵礦和多金屬礦產(chǎn)資源的短缺，對(duì)質(zhì)子磁力 儀的需求猛增，北京地質(zhì)儀器廠在 MP-4經(jīng)驗(yàn)的根底上，幵發(fā)了全

19、新的 CZM-3型 儀器， 2005 年投入市場(chǎng)。核工業(yè)系統(tǒng)的京核鑫隆公司在 G856A勺根底上，不斷改良，最近推出了 G856F 高精度智能質(zhì)子磁力儀，采用鋰電池供電，外形保持了傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。在地震、 有色、地質(zhì)、環(huán)保、冶金、石油勘探、煤田、科研等領(lǐng)域廣泛使用。 2006 年 3 月重慶奔騰數(shù)控技術(shù)研究所/重慶萬(wàn)馬物探儀器幵發(fā)的 WCA-1質(zhì)子磁力 儀投產(chǎn)，靈敏度 0.1 nT 。2006 年，廊坊瑞星儀器推出了靈敏度 0.1nT 的PM-1A型質(zhì)子磁力儀，其特點(diǎn)是帶有 GPS可外接GPS存儲(chǔ)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)值，信 號(hào)質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控，信號(hào)質(zhì)量下降可即時(shí)發(fā)現(xiàn)以便采取措施補(bǔ)救。目前，美國(guó)和俄羅斯等國(guó)科學(xué)家正

20、在積極研究和開發(fā)另一種量子磁力儀 原子磁力儀。原子磁力儀和光泵磁力儀一樣，也是利用某種氣態(tài)堿金屬 ( 例 如鉀) 原子中電子的自旋，它涉及的檢測(cè)方法和光泵磁力儀有些不同，更復(fù)雜一些。和美籍華裔物理學(xué)家朱棣文 (Steven Chu) 共同獲得 1997 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的法國(guó)物理學(xué)家科恩 - 唐努吉 Claude Cohen-Tannoudji 早在 20 世紀(jì) 60 年代末就研究過(guò)原子磁力儀，他指出，原子磁力儀依據(jù)的原理， ，完全利用光學(xué)方法測(cè) 量磁場(chǎng)，靈敏度到達(dá) 0.54fT/Hz1/21fT=10 -15T，fT ，飛特 ，經(jīng)過(guò)改良后還可提 高到 10-2 10-3 fT/Hz1/2 ，

21、空間分辨率到達(dá)毫米級(jí)。在弱磁場(chǎng)中工作時(shí)，這種磁力 儀的靈敏度可能到達(dá)10-18T10-18T二1aT, aT,阿特的數(shù)量級(jí)，那將比 SQUID靈 敏 1000 倍。這種磁力儀不需要低溫條件。2.3 電法儀電法儀，是最常用的地球物理勘探儀器。電法勘探是根據(jù)巖石和礦石電學(xué) 性質(zhì)找礦和研究地質(zhì)構(gòu)造的一組地球物理勘探方法。它是通過(guò)儀器觀測(cè)人工的、 天然的電場(chǎng)或交變電磁場(chǎng)，分析、解釋這些場(chǎng)的特點(diǎn)和規(guī)律，到達(dá)找礦勘探的 目的。電法勘探分為兩大類：研究直流電場(chǎng)的，統(tǒng)稱為直流電法，就是研究與 地質(zhì)體有關(guān)的直流電場(chǎng)分布特點(diǎn)和規(guī)律來(lái)找礦和解決某些地質(zhì)問題，包括電阻 率法、充電法、自然電場(chǎng)法和直流激發(fā)極化法等；研究

22、交變電磁場(chǎng)的，統(tǒng)稱為 交流電法，就是研究與地體有關(guān)的交變電磁場(chǎng)的建立、分布、傳播特點(diǎn)和規(guī)律 來(lái)找礦和解決某些地質(zhì)問題。從 19世紀(jì)至今，電法勘探為了適應(yīng)不同的地質(zhì)條 件和實(shí)現(xiàn)不同的探查目標(biāo)，開展了許多方法。這些方法在資源、工程和環(huán)境方 面都取得了迅速開展與應(yīng)用。電法勘探儀器的開展主要經(jīng)歷了機(jī)械式、電子管、 晶體管、集成電路和微機(jī)控制等幾個(gè)階段。它主要是利用電法勘探院李結(jié)合傳 感器、電子計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)傳輸和通訊等技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)找礦、找水以及研究地質(zhì)構(gòu)造的目標(biāo)。電法儀器主要分類如下所示：按供電電電法儀分按場(chǎng)源分按工作按工作直流電交流電天然場(chǎng)源被和人工場(chǎng)源主 電阻率法、天然電場(chǎng)法充電法、激發(fā)極化法、電磁感

23、地面電法井中電法直流電法主要有自然電場(chǎng)法、電阻率法和直流激發(fā)極化法。前者為天然場(chǎng) 源，而后兩種為人工場(chǎng)源。自然電場(chǎng)法：是電法勘探中應(yīng)用最早的方法，它是 以巖礦石的電化學(xué)性為根底，觀測(cè)地下天然產(chǎn)生的直流電場(chǎng)的方法，對(duì)于尋找 頂部位于潛水面以上的金屬硫化物礦床有良好的效果。電阻率法：利用的是巖 礦石導(dǎo)電性的差異，是使用比擬普遍的一種方法。激發(fā)極化法：既利用了巖礦 石的電化學(xué)性，也利用了它們的導(dǎo)電性，它不但能觀測(cè)巖礦石受到人工電流的 激發(fā)而產(chǎn)生的電場(chǎng)，還能觀測(cè)到人工電場(chǎng)激發(fā)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)。交流電法：具有穿透能力強(qiáng)、勘探深度大、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，目前主要利 用電磁感應(yīng)原理，觀測(cè)研究巖礦石在交變電磁場(chǎng)作用下

24、，所產(chǎn)生的感應(yīng)電磁場(chǎng) 的空間和時(shí)間分布規(guī)律。感應(yīng)電磁場(chǎng)的強(qiáng)弱，主要與巖礦石的導(dǎo)電性和導(dǎo)磁性 有關(guān)，目前采用較多的有瞬變電磁法、可控源音頻大地電磁法、天然電場(chǎng)選頻 法、甚低頻法和交流激發(fā)極化法雙頻激電也稱頻率域激發(fā)極化法等。電阻率法的根本原理：用人工方法將電流通入地下，建立人工電場(chǎng)，如果 地下存在導(dǎo)電性不同的巖層和礦體，它們就會(huì)影響電場(chǎng)的分布，良導(dǎo)體對(duì)電流有“吸弓I作用，導(dǎo)電性差的那么對(duì)電流有“排斥作用。因此，當(dāng)?shù)叵麓嬖趯?dǎo)電性差的地質(zhì)體時(shí)，由于它對(duì)電流的“排斥作用，使電流遠(yuǎn)離它本身而流過(guò); 而當(dāng)?shù)叵麓嬖谟辛紝?dǎo)體時(shí)，它將對(duì)電流有“吸引作用，使大局部電流通過(guò)其 本身。這樣，在地表觀測(cè)到的電場(chǎng)將發(fā)生畸

25、變，通過(guò)對(duì)畸變電場(chǎng)的分析，判斷 地下不同導(dǎo)電性地質(zhì)體的賦存狀態(tài)，這就是電阻率法的根本原理。電法詳細(xì)分 類如下表2所示。表2電法詳細(xì)分類以及使用范圍類別場(chǎng)源性質(zhì)方法名稱方法主要變種主要應(yīng)用范圍直天然場(chǎng)自然電場(chǎng)法金屬、水文工程地質(zhì)流源電人電電測(cè)深法對(duì)稱四極測(cè)石油、煤田構(gòu)造、金屬、水法工阻深文工程地質(zhì)電率三極測(cè)深場(chǎng)法五極測(cè)深環(huán)型測(cè)深偶極測(cè)深電剖面法聯(lián)合剖面金屬、非金屬、地質(zhì)填圖、對(duì)稱四極剖水文工程地質(zhì)面偶極剖面高密度剖面中間梯度法金屬、非金屬充電法金屬、水文工程地質(zhì)激人工電激發(fā)極化直流激發(fā)極金屬、水文工程地質(zhì)發(fā)磁場(chǎng)法化極交流激發(fā)極金屬化化磁激發(fā)極化金屬電天然電大地電磁深部構(gòu)造、石油構(gòu)造、金屬、磁磁場(chǎng)

26、法水文工程地質(zhì)法聲頻電磁法金屬、地質(zhì)填圖人低不接地迥線工頻法電偶極剖面法磁高甚低頻法法頻脈感應(yīng)脈沖瞬變沖法電井中無(wú)線電透金屬磁波視地質(zhì)雷達(dá)采礦、工程、地質(zhì)填圖震電法側(cè)視雷達(dá)航空、海洋、航天填圖2.4 地震儀地震儀，也是地球物理勘探中的一種重要的勘探儀器。地震勘探是通過(guò)觀 測(cè)和研究人工地震炸藥爆炸或錘擊激發(fā)產(chǎn)生的地震波在地下的傳播規(guī)律來(lái) 解決地質(zhì)問題的一種地球物理方法。地震勘探儀器是地震勘探的關(guān)鍵設(shè)備，它 與現(xiàn)代先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)開展息息相關(guān)。地震勘探儀器的開展是以地震勘探的發(fā) 展與需求為前提條件和動(dòng)力源泉；反過(guò)來(lái)又直接制約和促進(jìn)著地震勘探的開展。 地震勘探儀器至今已經(jīng)開展幾十年了，關(guān)于儀器開展的時(shí)

27、代如何劃分問題，并 沒有專題研究的文獻(xiàn)。涉及到這個(gè)問題的信息根本上都是散見于有關(guān)教科書、 儀器制造廠商的商業(yè)宣傳、以及本行業(yè)科技工作者的觀點(diǎn)。；第24位地震勘探儀器的開展可劃分為：第一代電子管地震儀，通常稱為模擬光點(diǎn) 記錄地震儀；第二代晶體管地震儀，通常稱為模擬磁帶記錄地震儀；第三代集 成電路地震儀，通常稱為數(shù)字磁帶記錄地震儀，也稱為常規(guī)數(shù)字儀；第四代大 規(guī)模集成電路地震儀，通常稱為遙測(cè)地震儀文中定義為早期遙測(cè)地震儀 五代超大規(guī)模集成電路地震儀，通常稱為新一代遙測(cè)地震儀文中定義為 遙測(cè)地震儀；第六代全數(shù)字遙測(cè)地震儀。目前，包括我國(guó)在內(nèi)的世界地震勘探 儀器的開展正處于第五代末期和第六代幵始的過(guò)渡

28、階段地震勘探儀器一般都應(yīng)具備 3個(gè)根本局部：地面振動(dòng)傳感器地震檢波器 地震信號(hào)放大和數(shù)據(jù)變換采集站 、中央記錄系統(tǒng)磁帶機(jī)、記錄顯示設(shè)備 。 地震勘探對(duì)地震儀器的根本技術(shù)要求有以下幾個(gè)方面： 1放大作用：人工激發(fā)的地震有效波在地面引起的振動(dòng)位移非常微小， 只有微米的量級(jí)，要求地震儀器必須具有足夠的放大能力，將微弱地震信號(hào)放 大。 2動(dòng)態(tài)范圍：來(lái)自淺層和深層的地震波能量相差十分懸殊，可以到達(dá)10萬(wàn)倍以上，即有效的地震信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍可達(dá) 100db 以上。要求地震儀器具有足 夠大的動(dòng)態(tài)范圍，能夠從弱到強(qiáng)把全部地震信號(hào)都接收下來(lái)。3自動(dòng)增益控制：因來(lái)自淺層和深層的地震波能量相差十分懸殊，可達(dá) 到10萬(wàn)倍

29、100db,為了能在同一張記錄上記錄或者顯示來(lái)自不同深度的地震 波，要求地震儀器具有自動(dòng)增益控制的功能，自動(dòng)將大信號(hào)壓縮，小信號(hào)放大。 4多道接收：為了提高生產(chǎn)效率,要求在施工測(cè)線上大量的物理點(diǎn)同時(shí) 觀測(cè)地震波。就是說(shuō),地震儀器應(yīng)該具有多道接收能力。 5地震道一致性：地震勘探是用各道地震波的到達(dá)時(shí)間和波形差異識(shí)別 波的類型,進(jìn)行資料和地質(zhì)解釋。因此,要求各地震道對(duì)同一地震波的響應(yīng)應(yīng) 該是相同的。也就是說(shuō),要求儀器的所有地震道在信號(hào)接收時(shí)間、接收信號(hào)的 幅度和相位方面具有高度的一致性。施工期間,要求每天對(duì)地震儀器作日檢, 如采集站和檢波器的脈沖響應(yīng)一致性測(cè)試,就是對(duì)同一炮內(nèi)所有地震道的幅度 特性

30、和相位特性的一致性檢查，而遙爆系統(tǒng) TB延遲時(shí)間的測(cè)試，本質(zhì)上是一臺(tái) 儀器對(duì)放的所有炮的時(shí)間的一致性檢查。6頻率選擇作用：地震波包含有效波和各種干擾波，一般它們的頻率特性是有差異的，比方在石油地震勘探中，面波在20Hz 一下的頻率范圍內(nèi)，而反 射波在10Hz100Hz范圍內(nèi)。因此，要求地震勘探儀器的記錄系統(tǒng)和回放系統(tǒng)具有選頻濾波作用。在有效波頻率范圍內(nèi)沒有畸變，而對(duì)干擾波頻率應(yīng)有最小的 放大。這就涉及到儀器的通頻帶、低切濾波器、高切濾波器、工業(yè)交流電陷波 濾波器等技術(shù)性能和指標(biāo)要求。7 分辨能力：地下不同地層反射的地震波可能接連而來(lái)，但儀器系統(tǒng)包 括檢波器的固有特性決定它總是存在固有振動(dòng)。當(dāng)儀

31、器的固有振動(dòng)延續(xù)時(shí)間 不大于相鄰界面地震脈沖到達(dá)的時(shí)間差時(shí)，兩個(gè)波形能夠分開，否那么就難于分 開。因此，要求儀器具有良好的分辨能力，就是說(shuō)儀器固有振動(dòng)延續(xù)時(shí)間應(yīng)盡 可能小。這個(gè)要求除了地震儀器的主機(jī)系統(tǒng)外，另一個(gè)關(guān)鍵就是檢波器的性能， 特別是檢波器的阻尼特性。8其它性能要求，地震儀器是一種十分復(fù)雜的電子系統(tǒng)，除上述性能指 標(biāo)外，還有很多其它重要技術(shù)指標(biāo)要求。例如記錄長(zhǎng)度、時(shí)標(biāo)精度、諧波畸變、 系統(tǒng)噪聲、增益精度、丟碼率對(duì)數(shù)字儀器等。這些技術(shù)要求有些存在內(nèi)在 關(guān)系，不是完全獨(dú)立的，有時(shí)候是從不同角度提出的，有時(shí)候是為了強(qiáng)調(diào)某一 方面提出的。綜上所述，我們不難發(fā)現(xiàn)地震勘探儀器本身是一臺(tái)大型高精密的

32、電子設(shè)備 系統(tǒng)，其產(chǎn)生和開展的技術(shù)條件首先取決于電子技術(shù)的開展，特別是微電子技 術(shù)的開展?，F(xiàn)代地震勘探儀器還取決于后來(lái)出現(xiàn)并迅速成為獨(dú)立分支的計(jì)算機(jī) 技術(shù)的開展，以及其它一些重要領(lǐng)域的科技開展。例如：數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，包括 有線、無(wú)線、網(wǎng)絡(luò)；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)，包括存儲(chǔ)介質(zhì)、編碼技術(shù)等；以及機(jī)械，特別是微機(jī)械加工技術(shù)、電路工藝技術(shù)、電源技術(shù)、材料科學(xué)技術(shù)等。電子元 器件是電子技術(shù)迅速開展的重要前提，是電子技術(shù)的根底，是電子設(shè)備的“心 臟電子設(shè)備的功能變幻無(wú)窮，性能千差萬(wàn)別，都是由于電子器件的不同作用 和對(duì)信號(hào)的不同處理方式產(chǎn)生的。對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大是電子器件最重要也是最 常見的功能之一，也最能明顯地反映電

33、子器件的突出作用。因此，我們有理由相信地震勘探儀器的開展始終沿著不斷小型化、不斷提 高電路密度的方向開展。新型數(shù)字地震傳感器，目前是地震勘探領(lǐng)域最理想的 地震傳感器，它使地震勘探儀器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生重大變化，系統(tǒng)性能和技術(shù)指標(biāo) 有了大的提高。地震勘探儀器開展到全數(shù)字遙測(cè)地震儀時(shí)代，必將引起野外地 震數(shù)據(jù)采集技術(shù)、地震資料處理技術(shù)乃至資料解釋技術(shù)等產(chǎn)生重大開展。因此， 將促使地震勘探領(lǐng)域的生產(chǎn)和技術(shù)開展產(chǎn)生一個(gè)新的飛躍，進(jìn)入一個(gè)新的開展 時(shí)期。2.5 放射性儀器放射性勘探又稱放射性測(cè)量或“伽瑪法。借助于地殼內(nèi)天然放射性元素衰 變放出的a伙丫射線，穿過(guò)物質(zhì)時(shí)，將產(chǎn)生游離、熒光等特殊的物理現(xiàn)象， 人們根

34、據(jù)放射性射線的物理性質(zhì)利用專門儀器如輻射儀、射氣儀等，通過(guò)測(cè)量放射性元素的射線強(qiáng)度或射氣濃度來(lái)尋找放射性礦床以及解決有關(guān)地質(zhì)問題 的一種物探方法。也是尋找與放射性元素共生的稀有元素、稀土元素以及多金 屬元素礦床的輔助手段。放射性物探方法有丫測(cè)量、輻射取樣、丫測(cè)井、射氣測(cè)量、徑跡測(cè)量和物理分析等。測(cè)量地殼內(nèi)放射性元素放出的射線強(qiáng)度，以發(fā)現(xiàn)放射性元素礦床，探明礦體大小 , 確定放射性元素含量 , 并指導(dǎo)鈾、釷礦和鉀鹽礦的開采。此法還用來(lái)尋 找與放射性元素共生的其他非放射性礦床，如磷塊巖礦、鋁土礦、稀土和稀有 元素礦床等；解決各類有關(guān)的問題，如地質(zhì)填圖，尋找同油氣、地下水等有關(guān) 的構(gòu)造，以及對(duì)環(huán)境污

35、染的監(jiān)測(cè)等。放射性勘探的主要缺點(diǎn)是探測(cè)深度不大， 必須與其他地質(zhì)工作配合進(jìn)行。當(dāng)射線射入探測(cè)器后轉(zhuǎn)換為電脈沖輸出，經(jīng)放 大器放大后，送到甄別器把不需要的脈沖剔除，然后經(jīng)過(guò)整形器變成大小相等、 形狀一致的脈沖送到脈沖計(jì)數(shù)器電路進(jìn)行記錄。由于核輻射粒子的性質(zhì)，決定 了人們不能直接對(duì)其進(jìn)行觀測(cè)，而只能通過(guò)它們與物質(zhì)作用的某些物理、化學(xué) 效應(yīng)間接地進(jìn)行觀測(cè)。最常用的是利用電離作用和熒光作用制成的電離型探測(cè) 器和閃爍計(jì)數(shù)器。電離型探測(cè)器包括氣體電離室、蓋革計(jì)數(shù)器、正比計(jì)數(shù)器、半導(dǎo)體探測(cè)器 等。其工作原理是，當(dāng)射線通過(guò)電離室、計(jì)數(shù)器等內(nèi)部的氣體時(shí)，使氣體分子 電離產(chǎn)生電子和正離子，在外加電場(chǎng)的作用下，電子

36、和正離子分別向陽(yáng)極和陰 極移動(dòng)而形成一瞬時(shí)的電離電流，陽(yáng)極電位相應(yīng)下降，而形成一電壓脈沖輸出。 半導(dǎo)體探測(cè)器與射線作用的電離效應(yīng)與此相似 , 只不過(guò)發(fā)生在固體內(nèi) , 所產(chǎn)生的 電子及空穴分別移向正、負(fù)極形成電流脈沖輸出。測(cè)量這些電荷的電量或其形 成的電離電流、電壓脈沖，就可確定射線強(qiáng)度。閃爍計(jì)數(shù)器是由閃爍體熒光體 、光電倍增管和相應(yīng)的電子線路組成。當(dāng) 射線穿入熒光體被吸收后，熒光體產(chǎn)生閃爍現(xiàn)象，放出光子。光子透過(guò)熒光體 照射在光電倍增管的光陰極上，從光陰極上打出光電子，電子在管內(nèi)得到倍增 放大后被陰極收集 , 形成電脈沖輸出 , 被電子儀器記錄下來(lái)。入射線強(qiáng)，閃爍次 數(shù)多，單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)就

37、多；射線能量大，閃爍時(shí)光子多，脈沖幅度就大。 從而就可以知道待測(cè)射線的強(qiáng)度和能量。常用的無(wú)機(jī)熒光體有 NaI(T1) 、 ZnS(Ag)、 CsI(T1) 、LiI(T1) 。有機(jī)熒光體蒽、三聯(lián)苯、塑料閃爍體等多用于測(cè) 量B射線的儀器中。由 Nal(T1)晶體組成的儀器應(yīng)用最廣。閃爍計(jì)數(shù)器與充氣計(jì)數(shù)器相比，靈敏度較高，分辨能力強(qiáng)，不但可以測(cè)量 射線強(qiáng)度，而且還能區(qū)分射線能量。因此，帶閃爍計(jì)數(shù)器的輻射儀現(xiàn)在幾乎全 部取代了充氣計(jì)數(shù)管型的輻射儀。根據(jù)找礦方法的不同，野外觀測(cè)所用的儀器 有a射線測(cè)量?jī)x及丫 ( B )輻射儀兩類。a射線測(cè)量?jī)x根據(jù)探測(cè)器的不同可分為幾類：用氣體電離室作為探測(cè)元件的，如電離室型射氣儀和各類驗(yàn)電器、靜電計(jì)等；以Zn S(Ag)組成的閃爍計(jì)數(shù)器為探測(cè)元件的，如閃爍室型射氣儀和氡、釷分析儀等；探測(cè)元件是金硅 面壘型探測(cè)器的，如a硅探測(cè)器、a輻射探測(cè)儀、a能譜等；利用a粒子對(duì) 絕緣固體材料的輻射損傷留下的痕跡，經(jīng)化學(xué)溶液蝕刻后能顯示微米量級(jí)蝕坑 的塑料徑跡探測(cè)器。丫 ( B)輻射儀是測(cè)量丫、B射線的，根據(jù)探測(cè)元件分為兩種。一種是利用丫、 B射線對(duì)氬、氖等一些惰性氣體的電離作用，其探測(cè)元件為各類充氣計(jì)數(shù)器， 并由它組成各種蓋革式輻射儀。還有用正比計(jì)數(shù)器(如BF3計(jì)數(shù)器和3He計(jì)數(shù)器)組成的中子測(cè)量?jī)x。另一種探測(cè)元件是閃爍計(jì)數(shù)器，由它組成了各式各樣 的地面、井下、航空