地球物理儀器

1、分類號 密級中國地質(zhì)大學(xué)（北京）課 程 結(jié) 課 報(bào) 告地 球 物 理 儀 器學(xué)生姓名 陳 浩 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 2110130002 任課教師 鄧 明 職 稱 教 授 二O一四年四月目錄1.緒論12.地震勘探方法12.1勘探原理22.2應(yīng)用范圍22.3反射法22.4折射法23.重磁儀器33.1磁力儀33.2重力儀34.地震勘探儀器44.1模擬地震儀44.2 數(shù)字地震儀44.3 24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器地震儀55. 電法儀器55.1 大地電磁探測儀55.2 瞬變電磁儀65.3 高密度電法儀66 核輻射儀器86.1 放射性儀器分類97 總結(jié)與展望10中國地質(zhì)大學(xué)（北

2、京） 地球物理儀器報(bào)告1.緒論地球物理學(xué)就是用物理學(xué)的方法和原理，對地球的各種物理場分布及其變化進(jìn)行觀測，探索地球本體以及近地空間的介質(zhì)結(jié)構(gòu)、物質(zhì)組成、形成和演化，研究與其相關(guān)的各種自然現(xiàn)象幾其變化規(guī)律。本質(zhì)上是一門觀測學(xué)科，需要采集大量的有效信息，可靠信息和信息量的缺乏或不足則是任何數(shù)學(xué)技巧和圖像顯示無法彌補(bǔ)的。高精度和高分辨率的觀測與實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備是地球物理學(xué)發(fā)展史中的先行部隊(duì)，為此，在不斷學(xué)習(xí)國外先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的同時(shí)，也在逐步開創(chuàng)中國地球物理儀器的研制，并且成立具有自主獨(dú)立主權(quán)的實(shí)力型品牌。地球物理儀器是地學(xué)儀器的主要組成部分，是認(rèn)識自然的重要手段，我國地球物理界的前輩們經(jīng)常說：“地球物理

3、學(xué)是一門觀測科學(xué)”，我院著名老一代地球物理學(xué)家顧功敘生前再三強(qiáng)調(diào)要注重自主研發(fā)的地球物理儀器的重要性。當(dāng)代物理學(xué)家劉光鼎院士曾明確指出，儀器問題不解決，就無法實(shí)現(xiàn)地學(xué)現(xiàn)代化。我國近十幾年來正逐步開創(chuàng)中國地球物理儀器研究和研制的新局面，形成具有中國特色的并具有獨(dú)立知識產(chǎn)權(quán)的設(shè)備和體制，進(jìn)而開拓新市場，走向世界，并獨(dú)立于世界科技之林。在地球物理學(xué)領(lǐng)域，地球物理場主體上分為重力場、地磁場(包括航磁)、電場、地?zé)釄?、放射性輻射場和地震波場。對礦產(chǎn)資源、油氣能源和環(huán)境的勘察與監(jiān)測，對地震災(zāi)害的預(yù)測與預(yù)防，對地球深部圈、層結(jié)構(gòu)以及物質(zhì)組成和空間狀態(tài)的探測等都是通過物理場完成的。隨著地球物理學(xué)在理論、方法和

4、應(yīng)用方面的不斷進(jìn)步，科學(xué)與技術(shù)發(fā)展的需求日益增加，相應(yīng)學(xué)科的儀器與設(shè)備得到了迅速發(fā)展，物理學(xué)、力學(xué)、信息學(xué)和計(jì)算技術(shù)中的一些新成就得到了廣泛應(yīng)用，地球物理觀測的精度和對信息的分辨率不斷提高。因此可知，地球物理勘探所給出的數(shù)據(jù)時(shí)根據(jù)物理現(xiàn)象對地質(zhì)構(gòu)造做出合理的推斷，也就是所謂的反演。此外，用地球物理方法研究活勘察地質(zhì)體活地質(zhì)構(gòu)造，是根據(jù)測量數(shù)據(jù)或所觀測的地球物理場求解場源體的問題。眾所周知，在野外進(jìn)行地球物理勘查要求所使用的儀器重量輕、體積小、堅(jiān)固耐用，要能防潮、防曬、不怕振動，無論在寒冷的北極或是在炎熱的赤道地區(qū)都能正常工作。同時(shí)還要求儀器有多種功能，即能同時(shí)測量多種參數(shù)，例如不僅能測重力值、

5、磁場值，而且還能測定他們的梯度；不僅能用來做電阻率法，也能用來做激發(fā)極化法、交流電法等。我國是一個(gè)多山國家，在固體礦產(chǎn)資源勘查中迫切需要有輕便多功能的地球物理儀器；同時(shí)，我國又是一個(gè)幅員遼闊的國家，海洋及西部的沙漠戈壁石油資源有待于開發(fā)，城市與環(huán)境物探方興未艾，也迫切需要功能強(qiáng)，精度高，運(yùn)用現(xiàn)代物理、電子與計(jì)算機(jī)技術(shù)的地球物理儀器裝備。為了反映地球物理儀器的技術(shù)性能，人們常用靈敏度、精密度、準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性、測量范圍等各種技術(shù)參數(shù)來描述它們。在我國著名的地球物理學(xué)報(bào)中，刊登了有關(guān)地球物理科學(xué)的綜合性學(xué)術(shù)論文，它是地學(xué)領(lǐng)域中具有代表行的期刊之一，被列入中國自然科學(xué)核心期刊。主要刊登固體地球物理、應(yīng)

6、用地球物理、空間地球物理和大氣、海洋地球物理以及與地球物理密切相關(guān)的交叉學(xué)科的研究論文，重點(diǎn)報(bào)道創(chuàng)新性研究成果。2.地震勘探方法地震勘探是近代發(fā)展變化最快的地球物理方法之一。它的原理是利用人工激發(fā)的地震波在彈性不同的地層內(nèi)傳播規(guī)律來勘探地下的地址情況。在地面某處激發(fā)的地震波向地下傳播時(shí)，遇到不同彈性的地層分界面就會產(chǎn)生反射波活折射波返回到地面，用專門的一起可以記錄這些波，分析所得記錄的特點(diǎn)，如波的傳播時(shí)間、震動形狀等，通過專門的計(jì)算活儀器處理，能較準(zhǔn)確地測定這些界面的深度和形狀，判斷地層的巖性，是勘探含油氣構(gòu)造甚至直接找油的主要物探方法，也可以用于勘探煤田、個(gè)別的層狀金屬礦床以及解決水文地質(zhì)工

7、程地質(zhì)等問題。近年來，應(yīng)用天然震源的各種地震探測方法也不斷得到發(fā)展。2.1勘探原理在地表以人工方法激發(fā)地震波，在向地下傳播時(shí)，遇到有介質(zhì)性質(zhì)不同的巖層分界面，地震波將發(fā)生反射與折射，在地表活井中用檢波器接收這種地震波。收到的地震波信號與震源特性、檢波點(diǎn)的位置、地震波經(jīng)過的地下巖層的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)有關(guān)。通過對地震波記錄驚醒處理和解釋，可以推斷地下巖層的性質(zhì)和形態(tài)。地震勘探在分層的詳細(xì)程度和勘探的精度上，都優(yōu)于其他地球物理勘探方法?？碧缴疃纫话銖臄?shù)十米到數(shù)千米。地震勘探的難題是分辨率的提高，高分辨率有助于對地下的精細(xì)構(gòu)造研究，從而更詳細(xì)了解地層的構(gòu)造與分布。2.2應(yīng)用范圍爆炸震源是地震勘探中廣泛采用的

8、非人工震源。目前已經(jīng)發(fā)展了一系列地面震源，如重錘、連續(xù)振動源、氣動震源等，但陸地地震勘探經(jīng)常采用的重要震源仍然為炸藥。海上地震勘探采用炸藥震源之外，還廣泛采用空氣槍，蒸汽槍以及電火花引爆氣體等方法。地震勘探是鉆探前勘測是由于天然氣資源的重要手段。在煤田和工程地質(zhì)勘探、區(qū)域地質(zhì)研究和地殼研究等方面，地震勘探也得到廣泛應(yīng)用。20世紀(jì)80年代以來，對某些類型的金屬礦的勘察也有選擇地采用了地震勘探方法。2.3反射法利用反射波的波形記錄的地震勘探方法。地震波在其傳播過程中遇到介質(zhì)性質(zhì)不同的巖層界面時(shí)，一部分能量被反射，一部分能量透過界面繼續(xù)傳播。在垂直入射的情況下，有反射波的強(qiáng)度受反射系數(shù)影響，在噪聲背

9、景相當(dāng)強(qiáng)的條件下，通常只有具有較大反射系數(shù)的反射界面才能被檢測識別。地下每個(gè)波阻抗變化的界面都可以產(chǎn)生反射波。2.4折射法利用折射波的地震勘探方法。地層的地震波速度如大于上面覆蓋層的波速，則二者的界面可能形成折射面。以臨街角入射的波沿界面滑行，沿該折射面滑行的波離開界面又回到原介質(zhì)或地面，這種波稱為折射波。折射波的到達(dá)時(shí)間與折射面的深度有關(guān)，折射波的時(shí)距曲線接近與直線，其斜率決定與折射曾的波速。震源附近某個(gè)范圍內(nèi)接受不到折射波，稱為盲區(qū)。折射波的炮檢距往往是折射面深度的幾倍，折射面深度很大時(shí)，炮檢距可以長達(dá)幾十公里。3.重磁儀器3.1磁力儀我國第一臺光學(xué)機(jī)械式磁力儀懸絲式磁力儀(磁秤)是195

10、8年由原地質(zhì)部物探儀器修造所仿制成功的，而正式批量投產(chǎn)是在北京地質(zhì)儀器廠建成之后的1960年，到1961年底，兩年生產(chǎn)了1704臺，此后一直到1991年該廠共生產(chǎn)了11種不同型號的光學(xué)機(jī)械式磁力儀，包括刃口式、水平定向式、袖珍式、地磁日變儀等近11000臺，靈敏度由1020nT格逐步提高到12nT格，完全滿足了近30年我國大規(guī)模地面磁測的需要。它們所測的量是地磁場的垂直分量，但是隨著時(shí)間的推移，這類儀器從操作使用來看，在每一個(gè)測點(diǎn)，要擺三腳架、用羅盤定向、用水泡調(diào)平，在一個(gè)像顯微鏡的鏡筒里讀格數(shù)、全手工記錄數(shù)據(jù)；從制造工藝上講，要采用精度很高的設(shè)備加工機(jī)械零件和光學(xué)零件，調(diào)試過程也比較復(fù)雜?？?/p>

11、之，操作使用和制造工藝，比起電子磁力儀來，明顯呈現(xiàn)出其劣勢來，于1991年停產(chǎn)，代之而來的是各種各樣的電子磁力儀。1986年，我國地礦和核工業(yè)系統(tǒng)分別引進(jìn)了加拿大的IGS-2MP-4型和美國的G-856A型的“微機(jī)質(zhì)子磁力儀”，靈敏度為01nT，觀測精度達(dá)到±25nT或更高，自動記錄數(shù)據(jù)、自動日變改正、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，出版了“高精度磁法勘探“等書籍、制定了相應(yīng)的規(guī)程，使我國的地面磁法勘探水平在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到國際先進(jìn)水平，并得到全面推廣。MP-4型儀器逐步國產(chǎn)化，到1993年共生產(chǎn)

12、近300臺，少部分儀器被我國計(jì)量部門采用當(dāng)作標(biāo)準(zhǔn)儀器。G856A經(jīng)過不斷改進(jìn)，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。雖然在1975年及以后的一段時(shí)間生產(chǎn)了200多臺測量垂直分量CCM-12型地面磁通門磁力儀，因其精度并不比光學(xué)機(jī)械式磁力儀高，還要使用多節(jié)干電池，使用維護(hù)成本高、可靠性差，使其沒有達(dá)到取代機(jī)械式磁力儀的設(shè)計(jì)初衷，沒有得到推廣使用。但是，近20年后這種儀器得到了新生，當(dāng)把升級換代后的磁通門系統(tǒng)做成CCM-4磁力儀并在遵化地區(qū)推廣后，得到農(nóng)民找礦者的歡迎，數(shù)十臺儀器很快售完，形成供不應(yīng)求的局面。此后，物化探所的CBT-1型便攜式探礦磁力儀和廊坊瑞星儀器有限公司的

13、MCL-2微機(jī)磁力儀相繼投放市場，后者從2004年4月已銷售200余臺。2006年，廊坊瑞星儀器有限公司推出了靈敏度01nT的PM一1A型質(zhì)子磁力儀，其特點(diǎn)是帶有GPS，可外接GPS，存儲測點(diǎn)坐標(biāo)值，信號質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控，信號質(zhì)量下降可及時(shí)發(fā)現(xiàn)以便采取措施補(bǔ)救。3.2重力儀在地面使用的重力儀有兩大類，即絕對重力儀和相對重力儀，上個(gè)世紀(jì)60年代后期至70年代初期，我國地質(zhì)儀器企業(yè)曾仿制加拿大和前蘇聯(lián)的石英彈簧和金屬彈簧重力儀，并投入小批量生產(chǎn)，因精度較低，未大量投產(chǎn)推廣。70年代中期北京地質(zhì)儀器廠建成了重力車間，設(shè)有專門設(shè)計(jì)的石英系統(tǒng)加工和調(diào)試室、高低溫實(shí)驗(yàn)室、精密機(jī)械加工車間，具備了大批量生產(chǎn)的條

14、件。與此同時(shí)，ZSM-3型儀器(靈敏度10 GaL研制成功并投入生產(chǎn)，連同此后的ZSM-4型-大測程重力儀和ZSM-5型恒溫重力儀，到80年代后期，共生產(chǎn)千余臺，最高年產(chǎn)量達(dá)到百余臺，雖然這些產(chǎn)品只具有中等精度水平，但也基本上滿足了我國野外重力測量和部隊(duì)的需要，特別是我國兩次登上珠峰的重力測量都是使用國產(chǎn)重力儀完成的。從2005年底，北京地質(zhì)儀器廠啟動了全自動電子重力儀的研制工作，目前正在攻克傳感器難關(guān)，相信在不久的將來，我國自行研制的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的電子重力儀的投產(chǎn)，將會使目前電子重力儀完全依靠進(jìn)口的形勢會有根本性的扭轉(zhuǎn)。我們的儀器性能必須滿足在全世界均能正常工作，這是前幾年設(shè)計(jì)儀器時(shí)沒有

15、考慮到的。另外，也必須瞄準(zhǔn)國際市場，特別是第三世界國家，過去都是用美國或加拿大的儀器，如果我國的儀器水平和質(zhì)量能和國外水平相當(dāng)，價(jià)格低于國外水平，就會有條件拿到國外的訂單。CZM-2曾出口到日本、CZM-3出口到伊朗、MP4出口到越南，G856AF通過返銷出口到很多國家。4.地震勘探儀器4.1模擬地震儀我國的模擬地震儀器時(shí)期是從建國初期到七十年代末，大致分為光點(diǎn)和磁帶記錄二個(gè)階段。建國初期，我國使用的模擬光點(diǎn)記錄地震儀是從原蘇聯(lián)、匈牙利進(jìn)口的。1951年我國成立第一個(gè)地震隊(duì)，在西北地區(qū)工作，使用CC一2651凸型地震儀， 1957年西安儀器廠仿照進(jìn)口儀器研制生產(chǎn)了DZ571模擬光點(diǎn)地震儀，19

16、65年原646廠儀修站(現(xiàn)為物探局儀器廠)也生產(chǎn)了該種儀器。模擬光點(diǎn)地震儀是用電子管和變壓器組裝的，記錄采用照相紙一次曝光。雖然輸入信號有大約120dB的動態(tài)，但由于記錄用人眼觀看，人工解釋，只有用自動和半自動的非線性增益控制，才能使其動態(tài)限定在照相紙的范圍之內(nèi)，這樣就只有1020dB左右的動態(tài)范圍，使地震信號畸變，破壞了地震波的動力學(xué)特征。在放炮的67秒時(shí)間里，操作員要用手、嘴、眼、耳、腦同時(shí)運(yùn)作，精神高度集中。手要搬動五個(gè)開關(guān)，嘴要喊：預(yù)備!注意!放!眼要直盯示波儀光點(diǎn)，耳朵聽炮聲，頭腦要注意協(xié)調(diào)配合，稍有不注意，就會出廢品。布置排列、操作儀器、放炮、洗相、解釋，層層由人來把關(guān)，哪一個(gè)環(huán)節(jié)

17、疏忽，都是不行的。在零下2O3O0C的氣溫下，洗出來的每張記錄都要“眉清目秀”，一個(gè)冬季施工期下來洗相員的手裂開道道血口子。儀器不穩(wěn)定要時(shí)時(shí)刻刻地凋校，人們戲稱“調(diào)不完的儀器”。模擬光點(diǎn)地震儀使用到60年代初，逐漸被模擬磁帶記錄地震儀所代替, 同時(shí)在5O年代未晶體管在各個(gè)領(lǐng)域被應(yīng)用，電子管地震儀也逐漸被晶體管地震儀所代替，從而進(jìn)入了模擬磁帶地震儀階段，其特征是晶體管電路加上模擬磁帶記錄。4.2 數(shù)字地震儀我國從1966年開始研制數(shù)字地震儀，1974年引進(jìn)第一臺SN338，而后進(jìn)入了數(shù)字地震儀時(shí)期，該時(shí)期大約分三個(gè)階段，即模擬放大器數(shù)字磁帶記錄地震儀，二進(jìn)制增益放大器的數(shù)字磁帶記錄地震儀和瞬時(shí)浮

18、點(diǎn)放大器數(shù)字磁帶記錄地震儀。數(shù)字地震儀進(jìn)入二進(jìn)制增益放大器階段算是進(jìn)入了數(shù)字化時(shí)代。又由于采用的是地球物理工作者協(xié)會(SECT)的標(biāo)準(zhǔn)記錄格式，與處理機(jī)之間的聯(lián)系也就形成了標(biāo)準(zhǔn)，處理資料非常標(biāo)準(zhǔn)、也很方便。二進(jìn)制增益放大器看來增益是在20215 范圍變化，實(shí)際上其速度是很慢的，每相臨樣增益只能變化6dB，而且是前一個(gè)樣的大小決定后一個(gè)樣的增益，即增益調(diào)節(jié)滯后一個(gè)樣，在高頻信號或過零點(diǎn)附近的樣會產(chǎn)生增益失調(diào)。4.3 24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器地震儀1992年2月，美國Crastal公司為迎合地震儀器和聲納的需要開發(fā)出具有 技術(shù)的24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，后來改進(jìn)提高形成CS5321和CS5322產(chǎn)品。法國Serc

19、el公司與Ahalog Device公司合作開發(fā)出將前放和模數(shù)轉(zhuǎn)換器做在一起的芯片。緊接著Serecel、IO、HGS等其他公司相繼開發(fā)出具有-技術(shù)的24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器的遙測儀SN388、SYSTWO、VISION，而后，其他公司也慢慢的開發(fā)出來。物探局儀器廠于1995年開始研究24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器的地震儀器，型號為SK- 1006，在塔克拉瑪干沙漠腹地和邊緣進(jìn)行野外試驗(yàn)，獲得較好的記錄、剖面。于1997年底，進(jìn)行了鑒定，鑒定會認(rèn)為該儀器模數(shù)轉(zhuǎn)換器主要是由二塊芯片組成，第一塊CS5321是調(diào)制器，第二塊CS5322是有限長單元脈沖響應(yīng)(FIR)濾波器。5. 電法儀器目前電磁法、電法儀器種類繁多，但應(yīng)

20、用最普遍、效果最佳的不外乎三類儀器，即大地電磁測深儀(MT儀)、瞬變電磁儀和高密度電法儀。當(dāng)今一流的電磁法和電法儀器必然是硬件和軟件的完美結(jié)合，以達(dá)到：高分辨率，高信噪比； 寬頻帶，大動態(tài)范圍；高集成，多功能，低功耗；操作簡單，輕便靈活，現(xiàn)場實(shí)時(shí)顯示結(jié)果。直流電法主要有自然電場法、電阻率法和直流激發(fā)極化法。前者為天然場源，而后兩種為人工場源。自然電場法：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)性為基礎(chǔ)，觀測地下天然產(chǎn)生的直流電場的方法，對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，是使用比較普遍的一種方法。激發(fā)極化法：既利用了巖礦石的電化

21、學(xué)性，也利用了它們的導(dǎo)電性，它不但能觀測巖礦石受到人工電流的激發(fā)而產(chǎn)生的電場，還能觀測到人工電場激發(fā)所產(chǎn)生的磁場。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，觀測研究巖礦石在交變電磁場作用下，所產(chǎn)生的感應(yīng)電磁場的空間和時(shí)間分布規(guī)律。感應(yīng)電磁場的強(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。5.1 大地電磁探測儀近年來，MT 方法面臨的主要問題是如何提高野外數(shù)據(jù)采集質(zhì)量，以獲取高質(zhì)量的視電阻率和相位曲線并提高生產(chǎn)效率，以及如何有效地消除靜位移

22、和獲得最接近實(shí)際的反演模型。提高野外數(shù)據(jù)采集質(zhì)量和提高生產(chǎn)率，與磁場傳感器的信噪比、數(shù)據(jù)采集單元的分辨率以及MT法的觀測排列形式和數(shù)據(jù)處理方法等緊密相關(guān)。GMS-06磁場傳感器是德國Metrinix公司最新研制的感應(yīng)式FMS一06型磁場傳感器，重約8kg，長12m，直徑75mm，很輕便。由于采用了特殊結(jié)構(gòu)的磁芯材料，計(jì)算機(jī)模擬設(shè)計(jì)的線圈結(jié)構(gòu)和磁反饋前置放大，F(xiàn)MS-06的頻帶范圍擴(kuò)展到10000Hz10000s，達(dá)8個(gè)數(shù)量級，其信噪比(即天然場低活動水平與傳感器的噪聲之比)高達(dá)1O100倍，在高頻段的噪聲低至5* 10-7 nTHz-2，并且沒有溫漂和時(shí)漂。這是當(dāng)今世界上性能最好的感應(yīng)式磁場傳

23、感器。該傳感器保證了在天然場活動最平靜的日子也能記錄到高質(zhì)量、全頻段電磁信號。GMS-06的數(shù)據(jù)采集單元ADUO6即主機(jī)帶寬20 kHz 直流，其高頻段和低頻段各有一個(gè)24位AD轉(zhuǎn)換器，以保證全頻段都具有最高的分辨率和最大的動態(tài)范圍。除三個(gè)固定頻段外，還設(shè)有一個(gè)自由頻段，用戶可根據(jù)需要選擇自己最感興趣的記錄頻段。ADUO6內(nèi)部設(shè)有5OOMB的閃爍存儲器，可存儲大量的野外記錄數(shù)據(jù)。ADUO6重約5kg，5道功耗712W。如果把FMSO7感應(yīng)式傳感器(頻響20kHz1000s)與微型的磁通門磁力儀FGS一01結(jié)合起來，GMS-06的頻帶范圍可以擴(kuò)展到20kHz100000s。圖2和圖3是配有FMS

24、O6磁傳感器的GMSO6系統(tǒng)所記錄的MT 曲線，其高頻端達(dá)10000Hz，低頻端達(dá)10000s。5.2 瞬變電磁儀瞬變電磁法是一種時(shí)間域電磁法，它以局部場做場源，分辨率高于以平面波場做場源的頻率域電磁法，近些年來發(fā)展很快，在很多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。瞬變電磁法對淺層分辨率很高，但隨深度加大而降低。PROTEM 可應(yīng)用于地面觀測、井中觀測、巷道和掌子面觀測。對瞬變電磁儀所關(guān)心的主要問題是如何減少關(guān)斷時(shí)間以獲得更早期的瞬變場，如何提高晚期瞬變場的信噪比以增加勘探深度，如何從瞬變場信息中提取更多的地質(zhì)信息，以及如何適應(yīng)多種觀測排列形式等。加拿大Geonics公司生產(chǎn)的PROTEM 瞬變電磁儀系統(tǒng)，由于在

25、發(fā)射機(jī)的關(guān)斷線路設(shè)計(jì)和加工工藝上采取了特殊的技術(shù)，其關(guān)斷時(shí)間只有05s，在使用40m×40m 的發(fā)射線框情況下，關(guān)斷時(shí)間也只有25s，是當(dāng)今世界關(guān)斷時(shí)間最小的瞬變電磁儀，它可以獲得淺至幾米的地下信息 。為了適應(yīng)不同勘探深度的需要，Geonics公司研發(fā)了三種不同的發(fā)射系統(tǒng)，即PROTEM47，其勘探深度可達(dá)100150m； PROTEM57一MK2，其勘探渾度可達(dá)500m； PROTEM-67的勘探深度達(dá)l500m 當(dāng)然這里所說的勘探深度是指地層為中等電阻率的情況下地層電阻率高勘探深度加大地層電阻率低勘探深度減小。接收機(jī)需要有很高的頻帶接收機(jī)需要有很高的頻帶、很窄的早期門和極大的動態(tài)

26、范圍以及很高的分辨率才能滿足高質(zhì)量觀測的需要。 PROTEM 瞬變電磁儀頻寬高達(dá)270kHz，早期門窄為6s，有30個(gè)觀測門，動態(tài)范圍達(dá)132dB，儀器分辨率為23位，PROTEM 瞬變電磁儀可以同時(shí)觀測瞬變電磁場的三分量信號，而不是僅僅觀測垂直分量信號 當(dāng)?shù)叵聻榉蔷鶆蛩綄訝顦?gòu)造時(shí)瞬變場中便會產(chǎn)生x,y水平分量它們包含著地下構(gòu)造的更多信息，例如構(gòu)造走向、傾向、傾角等等。 所 以三分量觀測有助于全面了解地下構(gòu)造情況也為日后實(shí)現(xiàn)多維反演創(chuàng)造條件。5.3 高密度電法儀高密度電法勘探是近些年來發(fā)展起來的一種應(yīng)用地球物理方法，2O世紀(jì)70年代末期，有人提出陣列電探的模式。高密度電法勘探就是在常規(guī)電法勘

27、探基礎(chǔ)上借助陣列思想發(fā)展起來的一種勘探方式，是集測深和剖面法于一體的多裝置、多極距的組合方法，具有一次布極即可進(jìn)行多裝置數(shù)據(jù)采集以及通過求比值參數(shù)而能突出異常信息的特點(diǎn)；且采集效率大大提高，信息量更為豐富。80年代中期，日本地質(zhì)計(jì)測株式會社曾借助電極轉(zhuǎn)換板實(shí)現(xiàn)了野外高密度的電法資料采集以來，隨著現(xiàn)代物理學(xué)、電子學(xué)、計(jì)算機(jī)和信號處理技術(shù)的突飛猛進(jìn)的發(fā)展，高密度電法勘探無論在儀器研制，或是數(shù)據(jù)采集、處理技術(shù)與反演、解釋方法的研究，都融合了當(dāng)代先進(jìn)的科學(xué)理論和高新技術(shù)。電法勘探儀器都小型化、輕便化、自動化、智能化和高效化發(fā)展。目前，國內(nèi)外多個(gè)廠家推出了不同性能和特色的高密度電法儀器。分析目前最為常用

28、的最新高密度電法儀器的采集基本方法。同時(shí)，通過借鑒其他地球物理儀器采集方法，并結(jié)合電子和計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的發(fā)展和電法勘探的自身特點(diǎn)，對高密度采集方法進(jìn)行了瞻望。高密度電法測量系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集和資料處理兩大部分。最新推出的高密度電法儀大多具有現(xiàn)場資料預(yù)處理或處理功能，高密度電法勘探實(shí)質(zhì)仍然是電法勘探，是以研究對象與圍巖存在的電性差異為物性基礎(chǔ)和前提條件。傳統(tǒng)的電法勘探是在直流電法勘探的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其儀器結(jié)構(gòu)一般是普通電測儀+電極轉(zhuǎn)換開關(guān)組成。高密度電法勘探實(shí)質(zhì)是對傳統(tǒng)的常規(guī)電法儀野外采集的改進(jìn)，是一個(gè)多電極測量系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)一般由電極+連接導(dǎo)線或多芯電纜+電極轉(zhuǎn)換開關(guān)+工程電測儀(常規(guī)電法儀)

29、?？梢钥闯觯阂獙?shí)現(xiàn)常規(guī)電法勘探儀器到高密度電法儀器的改進(jìn)，其關(guān)鍵就是如何實(shí)現(xiàn)測量主機(jī)與眾多電極之間的連接，通過電極轉(zhuǎn)換大大提高了常規(guī)電法儀的野外采集效率。如：一系列的接地電極同時(shí)接入大地，某一測點(diǎn)的接地電極通過轉(zhuǎn)換開關(guān)切換為供電電源的A，同時(shí)另一測點(diǎn)切換為供電電源B，按照不同的測量裝置的要求，另外相應(yīng)的電極通過電極轉(zhuǎn)換開關(guān)轉(zhuǎn)換為測量電極MN。大多廠家推出的儀器都能自動對自然電位(SP)、漂移即電極極化進(jìn)行自動補(bǔ)償；采用濾波和信號增強(qiáng)技術(shù)提高抗干擾能力等。但鮮見有哪家儀器具有性能自檢功能(如串音干擾、共模抑制、一致性等檢測)。特別指出的是：對于直流電法測量中存在的供電后極化長時(shí)間的不穩(wěn)，有的廠家

30、推開的儀器除了可直流供電外，也可采用正弦或方波激電供電，從而消除或減少極化對測量精度的影響。不言而喻，高密度電法勘探發(fā)展至今，也不過二十多年。其中儀器的發(fā)展總是融合了其他學(xué)科和技術(shù)(如電子學(xué)、計(jì)算機(jī)、信息技術(shù)、機(jī)械制造等)的發(fā)展。然而，隨著我國大規(guī)模的經(jīng)濟(jì)建設(shè)，資源勘查、環(huán)境檢測和工程地質(zhì)和質(zhì)量檢測為地球物理勘探提出了新的挑戰(zhàn)，也提供了廣闊的擴(kuò)展空間和發(fā)展機(jī)遇。地球物理新方法的改進(jìn)離不開儀器設(shè)計(jì)的創(chuàng)新發(fā)展。汲取當(dāng)代其他學(xué)科的最新成果，借鑒其他先進(jìn)儀器的設(shè)計(jì)思想。高密度電法儀器仍具有廣闊的發(fā)展空間。瞻望未來，高密度電法可以從以下幾個(gè)方面取得發(fā)展和改進(jìn)：(1)二維測量的數(shù)據(jù)采集中，將可以進(jìn)行直流電

31、阻率和時(shí)間域激發(fā)極化法測量。該方法在傳統(tǒng)的高密度電法儀中難以實(shí)現(xiàn)，其中難點(diǎn)是：傳統(tǒng)的高密度采集對時(shí)間的精確測量和控制。(2)多通道、大數(shù)據(jù)量采集將會在野外數(shù)據(jù)采集中占主導(dǎo)地位。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集一般采用四極或三極數(shù)據(jù)采集(無論對稱四級、偶一偶極、單極一偶極方式)，新型的高密度電法儀將能夠同時(shí)采集多種觀測裝置的數(shù)據(jù)。國外GDP-32高密度電法儀器可16通道同時(shí)采集，德國DMT的RESECS高密度電法儀器可以6道同時(shí)采集，國內(nèi)已有廠家推出了能夠61通道同時(shí)采集的高密度直流電法儀器。(3)多通道和大數(shù)據(jù)量的采集將在三維高密度電法測量中有所應(yīng)用。由于其測量時(shí)間和反演運(yùn)算時(shí)間長等原因，三維高密度電法目前僅限

32、于研究和實(shí)驗(yàn)階段。隨著儀器水平的提高，軟件水平的進(jìn)步，三維高密度電法將會得到廣泛的應(yīng)用。特別指出：地球物理方法中的地震采集取得了驚人進(jìn)步，地震采集已經(jīng)實(shí)現(xiàn)野外成千上萬道數(shù)據(jù)采集，并能夠?qū)r(shí)間進(jìn)行精確控制。其發(fā)展融合了最新的其他學(xué)科的發(fā)展。受采集方法和采集道控制技術(shù)以及通訊方法等啟發(fā)，結(jié)合電法勘探的特點(diǎn)設(shè)計(jì)的新型分布式高密度電法儀器將是未來發(fā)展的主要思路。將電極轉(zhuǎn)換和信號轉(zhuǎn)換(AD轉(zhuǎn)換)分布在各個(gè)電極，連接電纜將主要由通訊電纜和供電電源組成，由微機(jī)(PC機(jī))作為中央控制系統(tǒng)新型高密度電法儀正在研制之中，不久的將來，以上的3種方法的發(fā)展和改進(jìn)設(shè)想能夠取得突破，實(shí)現(xiàn)高密度電法采集的又一次革新，為軟件

33、開發(fā)方面的發(fā)展特別是三維立體成像(包括電阻率和激發(fā)極化法等)軟件開發(fā)及其應(yīng)用提供可靠的裝備保證。6 核輻射儀器測量地質(zhì)體中天然放射性元素發(fā)出的，或通過人工激發(fā)由非放射性元素發(fā)出的射線的核探測儀器。在放射性勘探中,用于放射性礦床和某些非放射性礦床的勘查,以及解決某些地學(xué)問題。放射性勘探又稱放射性測量或“伽瑪法”。借助于地殼內(nèi)天然放射性元素衰變放出的、射線，穿過物質(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），通過測量放射性元素的射線強(qiáng)度或射氣濃度來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

34、以及多金屬元素礦床的輔助手段。放射性物探方法有測量、輻射取樣、測井、射氣測量、徑跡測量和物理分析等。探測的基本原理是粒子或射線通過構(gòu)成探測器的物質(zhì)時(shí)，直接或經(jīng)次級效應(yīng)產(chǎn)生的電離、激發(fā)效應(yīng)使其能量轉(zhuǎn)換為可觀測的物理量信號，用電子線路或特定的設(shè)備處理這些信號，以便測定。核法勘探儀器的種類繁多，性能、功能各異，然而它們通常都是由探測器、信號處理、分析、顯示、輸出等部件構(gòu)成，其中最重要的、決定儀器基本性能的是探測器，常用的有以下幾類。 氣體探測器 包括電離室、正比計(jì)數(shù)器、蓋革-彌勒計(jì)數(shù)器（G- M計(jì)數(shù)器）等。大多是由圓柱狀陰極和中央絲狀陽極構(gòu)成，其間為氣體介質(zhì)，并加有穩(wěn)定電壓，形成電場。帶電粒子 、可

35、直接使氣體電離;X、射線通過與陰極等物質(zhì)的次級效應(yīng)產(chǎn)生的高能電子使氣體電離,n與所充的三氟化硼(BF3)、氦(3He)、氫(H)等氣體的核反應(yīng)產(chǎn)生帶電粒子，使氣體電離。電離形成的電子和正離子在電場中漂移。在陽極上產(chǎn)生感應(yīng)電荷，從而把射線能轉(zhuǎn)換為平均電流或脈沖信號輸出。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。入射線強(qiáng)，閃爍次數(shù)多，單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)就多；射線能量大，閃爍時(shí)光子多，脈沖

36、幅度就大。從而就可以知道待測射線的強(qiáng)度和能量。常用的無機(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量射線的儀器中。由NaI(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，野外觀測所用的儀器有射線測量儀及()輻射儀兩類。半導(dǎo)體探測器 半導(dǎo)體探測器與電離室相似，不同的是半導(dǎo)體中不是空氣介質(zhì),而是其P-N結(jié)區(qū)(耗盡區(qū))或補(bǔ)償區(qū)的高電阻率固體介質(zhì)。常用的有金硅面疊型、

37、硅(鋰)Si(Li)、鍺(鋰)Ge(Li)、高純鍺(HpGe)等，后3種對X、射線有極好的能量分辨率，是能譜測量的最佳探測器，但需在低溫下工作，限制了其在野外現(xiàn)場的應(yīng)用?；衔锇雽?dǎo)體碲化鎘(CdTe)、碘化汞(HgI2)在高溫下也具有良好的能量分辨率，然而其晶體生長困難，尺寸大小約 2立方厘米。但隨著材料科學(xué)的進(jìn)展仍不失為有前景的一類探測器。 固體徑跡探測器 粒子可使具有很低閾值的硝酸纖維絕緣片產(chǎn)生輻射損傷，損傷面只能在數(shù)萬倍電子顯微鏡下觀察到。通常對有輻射損傷的絕緣片進(jìn)行強(qiáng)酸或強(qiáng)堿的化學(xué)蝕刻，形成直徑約200納米的蝕坑,用數(shù)十倍的光學(xué)顯微鏡觀測蝕坑數(shù)量。這種探測觀測方法常用來測量氡濃度。6.

38、1 放射性儀器分類野外地質(zhì)勘查中常用的儀器有以下幾類。 輻射儀 測量射線計(jì)數(shù)率，經(jīng)刻度可反映照射量率或當(dāng)量鈾含量的儀器。早期儀器的探測器為 G-M計(jì)數(shù)器,目前高靈敏度測量的儀器絕大多數(shù)用NaI(Tl)閃爍探測器，閃爍體靈敏體積一般為1520立方厘米。能譜儀 測量射線能譜的儀器，其探測器通常為靈敏體積約300立方厘米的NaI(Tl)閃爍探測器。其輸出信號經(jīng)電子學(xué)線路處理、分析后給出射線能譜，即多道能譜儀,一般為256道。目前廣為應(yīng)用的是能給出與鉀(40K)、鉍(214Bi)、鈦(208Ti)能量相應(yīng)的 3個(gè)光電峰面積計(jì)數(shù)率和總計(jì)數(shù)率的儀器，習(xí)慣稱為四道能譜儀。此類儀器的探測器可經(jīng)電纜拖曳于水下，在船上對海洋、湖泊底部進(jìn)行測量，尋找鈾、釷礦床。也可把整體儀器系統(tǒng)用車載或機(jī)載，進(jìn)行汽車或航空能譜測量，用于測定地表的鉀、鈾、釷元素的含量。運(yùn)載工具速度愈高，所需采用的閃爍體靈敏度愈高，高靈敏度航空能譜儀的靈敏體積可達(dá)5萬立方厘米。 X射線熒光分析儀 用放射性核素低能 源激發(fā)被測物質(zhì)產(chǎn)生特征X射線,用于現(xiàn)場或樣品分析的儀器，一般采用正比計(jì)數(shù)器或Si(Li)、Ge(Li)、HpGe探測器，信號處理電子學(xué)線路的功能與能譜儀相似，可給出特征X 射線譜或幾個(gè)特征峰面積計(jì)數(shù)率。除可用于現(xiàn)場測量外，還可對海洋、湖泊底部進(jìn)行測量。近來已有在飛船著陸艙中裝置自動測量的X射線熒光分析儀,對空間外星表