地球物理勘查儀器 重磁勘探儀器.ppt

1、地球物理勘探儀器和設(shè)備的課堂講稿，本章課時(shí)：2教師：E m a il:第5章重力和磁力勘探儀器，導(dǎo)論，重力和磁力勘探是在地球上進(jìn)行的。通常，地球的重力場(chǎng)被用作待檢測(cè)物體的重力場(chǎng)，而地球的磁場(chǎng)被用作待檢測(cè)物體的磁化場(chǎng)。因此，由地球引力引起的重力異常和由地球磁化引起的磁異常被重力和磁儀器觀察以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。用于收集重力和磁異常數(shù)據(jù)并測(cè)量巖石密度(在特定條件下)和磁參數(shù)的重力和磁測(cè)量?jī)x器統(tǒng)稱為重力和磁測(cè)量?jī)x器。它們是重力和磁力探測(cè)不可或缺的工具。本章主要介紹幾種重力儀和磁力儀，并簡(jiǎn)要介紹它們的工作原理。5.1重磁測(cè)量?jī)x器概述，5.1.1重磁測(cè)量?jī)x器分類重磁測(cè)量?jī)x器根據(jù)重磁測(cè)量?jī)x器測(cè)量的地球重力場(chǎng)和磁場(chǎng)的

2、參數(shù)和數(shù)值，可分為兩類：相對(duì)測(cè)量?jī)x器，測(cè)量地球重力場(chǎng)和磁場(chǎng)的相對(duì)差值，如測(cè)量?jī)牲c(diǎn)間重力差值的石英彈簧重力儀，測(cè)量地球磁場(chǎng)垂直分量Z相對(duì)變化的吊線垂直磁強(qiáng)計(jì)等。絕對(duì)測(cè)量?jī)x器，測(cè)量地球重力場(chǎng)和磁場(chǎng)的總值，即絕對(duì)重力值(絕對(duì)地磁場(chǎng)值)，如自由落體原理研制的NIM-1型可移動(dòng)重力儀、質(zhì)子進(jìn)動(dòng)原理研制的ENVIMAG質(zhì)子進(jìn)動(dòng)磁力儀(也可測(cè)量地磁場(chǎng)的總強(qiáng)度t，也可測(cè)量其相對(duì)差值或梯度值)等。機(jī)械式磁強(qiáng)計(jì)根據(jù)重力和磁力測(cè)量?jī)x器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理，如吊線式垂直磁尺和刃口式磁尺；電子磁力儀，如質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀、光泵磁力儀、磁通門磁力儀等。根據(jù)重磁測(cè)量?jī)x器的領(lǐng)域，地面重磁測(cè)量?jī)x器、海洋重磁測(cè)量?jī)x器、空中重磁測(cè)量?jī)x

3、器和鉆孔重磁測(cè)量?jī)x器。5.1重磁測(cè)量?jī)x器概述5.1.2重磁測(cè)量?jī)x器的主要技術(shù)指標(biāo)通常包括靈敏度、精度、準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性和測(cè)量范圍。(1)靈敏度，儀器反映測(cè)量場(chǎng)強(qiáng)最小變化的能力(靈敏度)。也叫決心。對(duì)于使用數(shù)字顯示器讀取磁場(chǎng)值的儀器(如質(zhì)子旋進(jìn)磁力計(jì))，其讀取設(shè)備上評(píng)估的最小可辨別變化稱為顯示靈敏度(或讀取能力)，如1nT/字、0.1nT/字等。由于儀器存在噪聲級(jí)問題，因此靈敏度在概念上不同于顯示靈敏度。(2)精度是衡量?jī)x器重復(fù)性的一個(gè)指標(biāo)，是指儀器本身測(cè)量的現(xiàn)場(chǎng)值所能達(dá)到的最小可靠值。它用一組測(cè)量值與平均值的平均偏差來表示。在儀器規(guī)格中，它被稱為自重復(fù)精度。(3)準(zhǔn)確度是指儀器確定真值的能力，即

4、與真值相比的總誤差。在重力和磁力勘探中，精度和準(zhǔn)確度通常沒有區(qū)別，這統(tǒng)稱為精度。5.1重磁測(cè)量?jī)x器概述，5.1.2幾種重磁測(cè)量?jī)x器的主要技術(shù)指標(biāo)，5.1重磁測(cè)量?jī)x器概述，5.1.3中國(guó)地面重磁儀器現(xiàn)狀及發(fā)展前景重力儀和磁力儀是重磁勘探(探測(cè))觀測(cè)和收集地球重力場(chǎng)、地球磁場(chǎng)及其異常數(shù)據(jù)的基本設(shè)備。 所采集的重磁數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性將直接影響勘探或探測(cè)效果。該儀器專門用于測(cè)量重力加速度(重力場(chǎng)強(qiáng)度)，靈敏度為0.0110克5.1重磁測(cè)量?jī)x器概述，5.1.3中國(guó)地面重磁儀器的現(xiàn)狀和發(fā)展前景中國(guó)重力儀的相對(duì)水平比國(guó)外90年代初引進(jìn)實(shí)用電子重力儀落后近20年。盡管如此，這些產(chǎn)品遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足市場(chǎng)需求。20世紀(jì)60

5、年代末至70年代初，中國(guó)地質(zhì)儀器企業(yè)仿制了加拿大和前蘇聯(lián)的應(yīng)時(shí)彈簧和金屬彈簧重力儀，并投入小批量生產(chǎn)。然而，由于精度低，它們沒有大量投入生產(chǎn)。20世紀(jì)70年代中期，北京地質(zhì)儀器廠建成了重力車間，配有專門設(shè)計(jì)的應(yīng)時(shí)系統(tǒng)加工調(diào)試室、高低溫實(shí)驗(yàn)室和精密加工車間，滿足了批量生產(chǎn)的條件。與此同時(shí)，ZSM 3號(hào)儀器(靈敏度10加侖)與ZSM 4號(hào)大范圍重力儀和ZSM 5號(hào)恒溫重力儀一起研制成功并投入生產(chǎn)。到1980年代后期，已經(jīng)生產(chǎn)了1000多臺(tái)，最高年產(chǎn)量達(dá)到100多臺(tái)。這些產(chǎn)品雖然只有中等精度，但基本滿足了我國(guó)野外重力測(cè)量和部隊(duì)的需要。特別是我國(guó)兩次攀登珠穆朗瑪峰的重力測(cè)量都是用國(guó)產(chǎn)重力儀完成的，因?yàn)?/p>

6、進(jìn)口的電子重力儀靈敏度高，但登山隊(duì)承受不了體積、重量和功耗。從2005年底，工廠開始開發(fā)自動(dòng)電子重力儀，現(xiàn)在正在克服傳感器的困難。石英彈簧重力儀和重力儀應(yīng)時(shí)彈簧系統(tǒng)的出現(xiàn)，相信在不久的將來，我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的電子重力儀的投產(chǎn)，將從根本上扭轉(zhuǎn)電子重力儀完全依賴進(jìn)口的現(xiàn)狀。5.1重磁測(cè)量?jī)x器概述中國(guó)磁力儀的發(fā)展和現(xiàn)狀1958年，中國(guó)第一臺(tái)光學(xué)機(jī)械磁力儀懸絲磁力儀(磁尺)被成功復(fù)制。20世紀(jì)60年代初，北京地質(zhì)儀器廠建成后，光學(xué)機(jī)械磁力儀正式批量投入生產(chǎn)；開始開發(fā)電子磁力儀，如質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀。1991年，工廠生產(chǎn)了11種光學(xué)機(jī)械磁力儀，其中近11，000種已經(jīng)停產(chǎn)，由各種電子磁力儀取代。1986年，

7、加拿大IGS-2/MP-4和美國(guó)G-856A“微型質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀”被引進(jìn)中國(guó)地質(zhì)和核工業(yè)系統(tǒng)。1983年，靈敏度為1nT的CZM-2質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀(70年代末達(dá)到國(guó)外水平)使中國(guó)地球物理行業(yè)正式開始使用電子磁力儀。到1993年，MP-4儀器逐步國(guó)產(chǎn)化，少數(shù)儀器被我國(guó)計(jì)量部門采用為標(biāo)準(zhǔn)儀器。21世紀(jì)以來，貝迪儀器公司在MP-4經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上開發(fā)了一款全新的CZM-3儀器，并于2005年投入市場(chǎng)。2006年3月，重慶奔騰/重慶萬馬物探公司研制的WCZ-1質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀投入生產(chǎn)；廊坊瑞星儀器有限公司引進(jìn)了靈敏度為0.1nT的PM-1A質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀，在1960年、1970年、1980年、1990年、2

8、000年、2010年、國(guó)內(nèi)最常用的地球物理勘探質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀在90年代初一般處于國(guó)外水平，但如果0.1nT的分辨率能夠滿足高精度磁測(cè)的要求，目前磁通門磁力儀具有簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)，但其觀測(cè)精度不高5.1重磁測(cè)量?jī)x器概述、國(guó)內(nèi)質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀主要性能、5.2重力測(cè)量?jī)x器和5.2.1絕對(duì)重力測(cè)量?jī)x器用于測(cè)量地球重力場(chǎng)的總值，即絕對(duì)重力值。這些重力儀廣泛用于重力測(cè)量和固定重力觀測(cè)站的重力測(cè)量。三位置法計(jì)算g值的實(shí)用公式為了測(cè)量自由落體的S和T值，激光干涉系統(tǒng)在現(xiàn)代已經(jīng)被使用。這種激光重力儀是由中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院制造的國(guó)外先進(jìn)的絕對(duì)重力儀主要有美國(guó)Micro-G公司生產(chǎn)的Micro-GA10絕對(duì)重力儀

9、和Micro-G高精度絕對(duì)重力儀FG5和FG5-L.(1)自由落體絕對(duì)重力儀、5.2重力測(cè)量?jī)x器、5.2.1絕對(duì)重力測(cè)量?jī)x器用于測(cè)量地球重力場(chǎng)的相對(duì)差異，在重力勘探中用于查明地質(zhì)構(gòu)造和尋找礦產(chǎn)資源，以及工程地球物理勘探等。(1)工作原理及相關(guān)問題重力場(chǎng)中恒定質(zhì)量的重量隨g值的變化而變化。如果另一個(gè)力或力矩(彈力、電磁力等)。)用于平衡重力(即重量)或重力矩的變化，通過觀察物體的平衡狀態(tài)可以測(cè)量?jī)牲c(diǎn)之間的重力差。根據(jù)物體受力變化引起的不同位移模式，重力儀可分為兩類：平移系統(tǒng)和旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)。(2)基本結(jié)構(gòu)要求雖然不同重力儀的結(jié)構(gòu)有很大的不同，但任何重力儀都有兩個(gè)基本部分：一個(gè)是靜平衡系統(tǒng)，另一個(gè)是讀數(shù)

10、機(jī)構(gòu)。(3)角靈敏度重力儀的平衡方程和基本平衡方程所謂角靈敏度是指由于單位重力的變化而引起的平衡體的偏離角。如果偏角較大，意味著儀器更靈敏。5.2重力測(cè)量?jī)x、5.2.1絕對(duì)重力測(cè)量?jī)x(4)讀數(shù)機(jī)構(gòu)和零位讀數(shù)方法包括放大部分(如光學(xué)放大、光電放大或電容放大)和測(cè)微部分(測(cè)微儀讀數(shù)器或自動(dòng)記錄系統(tǒng))?，F(xiàn)代重力儀都采用補(bǔ)償法進(jìn)行觀測(cè)和讀數(shù)，即零點(diǎn)讀數(shù)法(5)影響重力儀精度的因素和消除影響的措施(1)溫度(2)氣壓(3)電磁力(4)安裝狀態(tài)不一致(5)零點(diǎn)漂移(6)重力儀的分類從結(jié)構(gòu)上看，重力儀可分為兩種類型：平移式和旋轉(zhuǎn)式；從材料和工作原理來看，可分為石英彈簧重力儀、金屬彈簧重力儀、振弦重力儀和超導(dǎo)

11、重力儀等。從應(yīng)用領(lǐng)域來看，更常見的有地面重力儀、海洋重力儀、航空重力儀和鉆孔重力儀。5.2重力測(cè)量?jī)x器，5.2.1絕對(duì)重力測(cè)量?jī)x器(7)幾種地面重力測(cè)量?jī)x器(1)ZSM石英彈簧重力儀是一種國(guó)產(chǎn)應(yīng)時(shí)彈簧輔助重力儀。它已廣泛應(yīng)用于中國(guó)的測(cè)繪、地震和地質(zhì)勘探部門。根據(jù)彈性系統(tǒng)原理，ZSM重力儀的結(jié)構(gòu)由重力儀本體(彈性系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)測(cè)量系統(tǒng)的儀表盤)、殼體部分和運(yùn)輸附件組成。ZSM重力儀的觀測(cè)精度為0.3g.u；直接測(cè)量范圍約為1400克。測(cè)量范圍約為50000克。格值為0.91.1克/格。儀器的零點(diǎn)漂移為1g/h(低于45)。電源：DC2.5V電池組，功耗1瓦；凈重：6公斤。目前，最先進(jìn)的相對(duì)重力儀是

12、CG-5移動(dòng)式重力儀。CG-5移動(dòng)式重力儀，5.2重力測(cè)量?jī)x器，5.2.1絕對(duì)重力測(cè)量?jī)x器(7)若干地面重力測(cè)量?jī)x器(1)ZSM石英彈簧重力儀，是繼CG-3重力儀之后的一種改進(jìn)的自動(dòng)電子讀數(shù)重力儀，具有1微伽分辨率和5微伽精度，儀器傳感器類型為無靜電熔凝應(yīng)時(shí)(自備)。測(cè)量范圍為8000毫伽，無需復(fù)位；長(zhǎng)期殘留漂移(靜態(tài))小于0.2毫克/天；傾斜自動(dòng)補(bǔ)償范圍為200秒弧度；離網(wǎng)范圍通常小于5微伽(當(dāng)沖擊達(dá)到20G時(shí))；自動(dòng)校正由潮汐、儀器傾斜、溫度、噪音和地震噪音過濾引起的誤差。儀器特點(diǎn)：適用于野外移動(dòng)重力測(cè)量；在整個(gè)熔融石英傳感器中，骨架和運(yùn)動(dòng)部件之間沒有連接點(diǎn)。與零長(zhǎng)彈簧相比，運(yùn)輸時(shí)無需鎖定

13、擺錘，性能穩(wěn)定，重復(fù)性好，基本沒有掉格現(xiàn)象；全自動(dòng)電子讀數(shù)，可設(shè)定采樣率；全量程可直接讀取，進(jìn)行大規(guī)?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)無需手動(dòng)調(diào)整量程；與零長(zhǎng)度彈簧相比，野外測(cè)試時(shí)間大大縮短，只需12分鐘即可完成單點(diǎn)測(cè)量，使得高密度重力成像成為可能，并將重力勘探擴(kuò)展到礦產(chǎn)資源勘探領(lǐng)域；三重恒溫裝置，線性溫度漂移可自動(dòng)校正；智能電池實(shí)時(shí)顯示電量，兩個(gè)電池可以熱插拔，避免了現(xiàn)場(chǎng)斷電中斷零長(zhǎng)彈簧的情況；1/4VGA，大屏幕清晰顯示圖像；重復(fù)率優(yōu)于5g；世界上工作環(huán)境溫度最低的野外重力儀可用于低至-40C的高山地區(qū)；通過了IS09000認(rèn)證。5.2重力測(cè)量?jī)x器，5.2.1絕對(duì)重力測(cè)量?jī)x器(7)幾種地面重力測(cè)量?jī)x器(2) l

14、acoste重力儀是美國(guó)生產(chǎn)的金屬彈簧重力儀，即其彈性系統(tǒng)由金屬材料制成。測(cè)量精度可達(dá)0.10.2g(1020g)。它的直接量程為70000 g u (7000毫伽)，可用于全球相對(duì)重力測(cè)量。儀器的零點(diǎn)漂移約為5微克/月(使用一年多后約為10微克/月)；電源：DCl2V；凈重：3.2公斤，彈性系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，儀器系統(tǒng)圖，5.2重力測(cè)量?jī)x，5.2.1絕對(duì)重力測(cè)量?jī)x(7)若干地面重力測(cè)量?jī)x，3)超導(dǎo)重力儀，它是利用某些金屬(如銀、鉛、鋁等)的超導(dǎo)特性研制而成。)。整個(gè)儀器放置在超導(dǎo)屏蔽室內(nèi)，以防止外部磁場(chǎng)的干擾。超導(dǎo)重力儀具有靈敏度高、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。特別是，它避免了彈性系統(tǒng)重力儀中由彈性疲勞引起的零

15、點(diǎn)漂移，因此它可以達(dá)到10-2 g(微)的精度。目前，世界上最靈敏的重力儀GWR超導(dǎo)重力儀的測(cè)量精度為0.01 gal。儀器由液氦冷卻。有不同尺寸的杜瓦瓶可供選擇。對(duì)于長(zhǎng)期觀測(cè)站的安裝，可以安裝外部電動(dòng)制冷裝置，以減少液氦的消耗。便攜式小型杜瓦瓶可以形成一個(gè)便攜式站觀測(cè)系統(tǒng)。GWR超導(dǎo)重力儀系統(tǒng)圖，超導(dǎo)重力儀結(jié)構(gòu)圖，5.3磁測(cè)量?jī)x器，5.3.1絕對(duì)磁測(cè)量?jī)x器都用來測(cè)量地磁場(chǎng)的總值，即絕對(duì)地磁場(chǎng)值。這種磁強(qiáng)計(jì)廣泛應(yīng)用于地磁研究和地磁測(cè)量的固定地磁站。目前，它還普遍用于磁法勘探，以解決查明地質(zhì)構(gòu)造和礦產(chǎn)資源的問題，以及工程地球物理勘探。(1)質(zhì)子磁力儀質(zhì)子磁力(核自旋)儀問世于20世紀(jì)50年代中期

16、，已廣泛應(yīng)用于航空、海洋和地面。它具有靈敏度高、精度高的特點(diǎn)，可以測(cè)量地磁場(chǎng)總強(qiáng)度t的絕對(duì)值及其梯度值th和TX。目前，用于測(cè)量地磁場(chǎng)總強(qiáng)度的有IGS-2/MP-4和ENVIMAG，它們的梯度容限比較大，一般都在2000 nt/m以上。在我國(guó)，WCZ-2質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀是應(yīng)用最廣泛的質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀。它是重慶奔騰數(shù)控技術(shù)研究所在WCZ-1質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀基礎(chǔ)上開發(fā)的新一代質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀。其磁場(chǎng)測(cè)量精度為1nT，分辨率高達(dá)0.1nT，完全滿足原地質(zhì)礦產(chǎn)部頒布的地面高精度磁測(cè)量工作規(guī)定的要求。其大存儲(chǔ)容量、高分辨率和靈活性使其成為便攜式、移動(dòng)和基站磁力計(jì)。通過改變探頭結(jié)構(gòu)，可以以0.1至5.3米的分辨率測(cè)量總場(chǎng)以及水平和垂直梯度(1)質(zhì)子(核自旋)磁力儀WCZ-2質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀的主要特點(diǎn)是能夠測(cè)量地磁場(chǎng)的總場(chǎng)和梯度(水平梯度或垂直梯度，需要增加