现代地球物理仪器及应用.ppt

《现代地球物理仪器及应用.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《现代地球物理仪器及应用.ppt（163页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、 地空学院地空学院 现代地球物理仪器及应用 地空学院地空学院 李永涛李永涛现代地球物理仪器及应用课程简介 一、课程性质和目的 地球物理观测仪器是地球物理科学研究中的一个不可缺少的成分，随着地球物理勘探的难度和复杂性越来越大，其仪器的选择、使用已成为众多研究人员考虑的首选内容。但由于时间和条件的限制，大家在大学学习阶段，一般只掌握了现有的、常用的地球物理仪器，对目前一些先进的、大型的设备了解较少，为此，该课程的开设无疑为拓宽学生的视野，为走向社会及时掌握新手段、新方法和新技术，为解决更多的地球科学问题奠定必要的基础。地空学院地空学院 李永涛李永涛矿产资源需求浅部资源深部找矿任务高精度现代化设备电

2、子技术的发展掌握该门课程的必要性：地空学院地空学院 李永涛李永涛现代地球物理仪器及应用课程简介二、课程的基本内容本课程的主要内容包括：地球物理学与地学仪器地球物理仪器发展历程及发展趋势现代地球物理仪器种类的划分、特点，目前国外国内先进仪器介绍典型地球物理仪器介绍地球物理仪器的应用 地空学院地空学院 李永涛李永涛现代地球物理仪器及应用课程简介三、课程的基本要求 采用理论教学、实验课、学生自学以及写读书报告等各种教学环节，使大家了解地球物理仪器发展历程及发展趋势，掌握现代地球物理仪器的前沿。初步达到和掌握生产和科研中常用的先进地球物理仪器，为走向社会打下基础。地空学院地空学院 李永涛李永涛现代地球

3、物理仪器及应用课程简介四、教学安排本课程总学时数16学时，其中授课12学时，实验4学时。五、教材与参考资料教材：自编参考资料：1.刘天佑等编，地球物理数据采集与处理，中国地质大学出版社2.张少泉编著，地球物理学概论，地震出版社3.于汇津、邓一谦编，勘探地球物理概论 地空学院地空学院 李永涛李永涛目 录现代地球物理仪器2应用实例 4概 述3 1典型地球物理仪器介绍 3 3 地空学院地空学院 李永涛李永涛第一章概述 地空学院地空学院 李永涛李永涛1地球物理学与地学仪器3地球物理仪器发展趋势2地球物理仪器发展历程第一章概述 地空学院地空学院 李永涛李永涛第一章概述v地球物理学与地学仪器地球物理学在本

4、质上是一门观测科学，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则是任何数学技巧和图像显示无法弥补的。地球物理仪器是地学仪器的主要部分,是认识自然的重要手段,我国地球物理界的先辈们经常说:“地球物理学是一门观测科学”,“地球物理学是以观测和实验为基础的科学”.顾功叙,秦馨菱等老一代地球物理学家生前再三呼吁开展并曾亲自指导或主持一些地球物理仪器研究工作.地空学院地空学院 李永涛李永涛当代地球物理学家刘光鼎院士指出:“仪器问题不解决,就无法实现地学现代化”.滕吉文院士也专门撰文作了关于中国地球物理仪器和实验设备研究的导向及实现产业化的评述;赵文津院士也在多次会议上阐述发展我国地球物理仪器的

5、重要性.在世界进入信息时代的今天,仪器仪表在社会与经济发展中的作用体现得越来越明显,美国、日本、欧洲共同体一些发达国家都把仪器仪表列为国家支持的关键技术.第一章概述 地空学院地空学院 李永涛李永涛 我国多位两院院士先后两次向国家提出建议,地球物理仪器在国防、资源探测、自然灾害监测和工程质量检测等领域中具有不可忽视的作用。近年来技术进步迅速，国际上地球物理仪器发展趋于多功能化、轻便化、智能化、可视化、网络化和虚拟化。第一章概述 地空学院地空学院 李永涛李永涛国外地球物理仪器在我国的应用现状：(1)重力仪:美国的LaCoste&Ronbery(各种型号G,E)重力仪和加拿大的“环球重力仪”的购置,

6、中国一跃成了世界上重力仪器的进口第一大户.(2)石油地震勘探仪器:美国和法国各代不同型号的先进记录仪器(几十道、几百道、上千道)和辅助设备,应当讲我国几乎是应有尽有,只要国际上有新型仪器问世,就像各类型的飞机和汽车那样,中国必为大户.跟随而来的就必然要引进数据处理系统,软件和模块.地空学院地空学院 李永涛李永涛(3)磁力仪:加拿大的质子磁力仪构成了我国地磁场测量的主体:包括流动观测和固定观测.(4)大地电磁测仪器:各种型号的大地电磁测深仪器和辅助设备主要来自加拿大、美国和德国.(5)深部地震探测地震仪器:尽管国内研制已有一定基础,而各部门仍然是大量引进.当今广为引进的各种型号的(Passcal

7、,Refiek)地震仪均来自美国,另有一部分来自德国.拾震器则主要从英国和瑞典进口.(6)古地磁的测试仪器和各种辅助设备,乃至整个实验室全为进口.第一章概述 地空学院地空学院 李永涛李永涛我国的地球物理仪器研发现状：由于历史的原因,一方面我国对地球物理仪器的需求急剧增长,另一方面又形成了对国外仪器的过分依赖,严重冲击了我们对地球物理仪器的自主研发.在这样的逆境中,我国地球物理技术工作者仍然坚持不懈,在重、磁、电、地震、放射性等领域取得了显著成绩,并在某些领域达到了具有国际领先的水平.第一章概述 地空学院地空学院 李永涛李永涛基于这种现状,我国地球物理仪器发展应该坚持适当引进与自主创新相结合、研

8、产用相结合,形成标准统一、多学科交叉融合的研制体系,提高工艺水平和售后服务质量;重视地球深部探测、航空物探、海洋探测、地质灾害监测和国防工程领域的地球物理仪器开发和研制;发挥学术组织的特殊作用,集中力量组织攻关,争取在关键领域中形成我国具有自主知识产权的先进地球物理技术和仪器.地空学院地空学院 李永涛李永涛目前，我国在科学仪器和装备的研究和制造方面与发达国家相比差距十分明显，对外依赖度过高，应对遏制的能力脆弱。在我国每年形成固定资产的上万亿元投资中，有60%用于进口仪器设备，绝大多数关键的高新仪器依赖进口。以分析检测和观测仪器为例，近年来我国占全球的销售份额仅为0.3%，且大多为中低档仪器。技

9、术密集型的高新仪器与设备，地球内部的地震探测和地球物理场的观测、实验仪器和设备，如色谱一质谱仪、核磁波谱仪、离子体质谱仪、电子能谱仪、透射和扫描电镜、自动生化分析仪和核酸测序仪等，几乎100%依赖国外进口。目前我国的绝大部分市场已被美国、加拿大、英国、德国、日本、法国、瑞士等国家的跨国公司占领。第一章概述 地空学院地空学院 李永涛李永涛这样竞相购置外国仪器的理由是:第一、用外国人的仪器采集的数据外国人相信.第二、在心理上认为用中国自制仪器“丢份”,用外国仪器“光荣”.在这样的形势下,不仅竞相引进,而且重复引进,各自为政.从国外买回来的仪器或设备在国内还可形成垄断与获取项目的“王牌”.因为有关部

10、门在项目招标时,便规定必须采用XX型号的进口仪器方能投标或中标.这样一来各单位,各部门竞相引进,以地震仪为例有的单位引进100台,30台,20台,10几台,尽管成不了气候,但也要引进,以显示我们也有美国仪器,为的是争取点项目.第一章概述 地空学院地空学院 李永涛李永涛第二章现代地球物理仪器 地空学院地空学院 李永涛李永涛一、重力仪第二章现代地球物理仪器 地空学院地空学院 李永涛李永涛第二章现代地球物理仪器 地空学院地空学院 李永涛李永涛第二章现代地球物理仪器 地空学院地空学院 李永涛李永涛一、绝对重力测量仪器原理是根据摆的原理或根据自由落体定律摆的原理：摆仪自由落体定律：自由下落法和对称自由运

11、动法(又称上抛法)。第二章现代地球物理仪器 地空学院地空学院 李永涛李永涛第二章现代地球物理仪器 地空学院地空学院 李永涛李永涛第二章现代地球物理仪器 地空学院地空学院 李永涛李永涛第二章现代地球物理仪器 地空学院地空学院 李永涛李永涛第二章现代地球物理仪器 地空学院地空学院 李永涛李永涛第二章现代地球物理仪器 地空学院地空学院 李永涛李永涛第二章现代地球物理仪器 地空学院地空学院 李永涛李永涛第二章现代地球物理仪器 地空学院地空学院 李永涛李永涛第二章现代地球物理仪器 地空学院地空学院 李永涛李永涛第二章现代地球物理仪器 地空学院地空学院 李永涛李永涛第二章现代地球物理仪器 地空学院地空学院

12、 李永涛李永涛第二章现代地球物理仪器 地空学院地空学院 李永涛李永涛第二章现代地球物理仪器 地空学院地空学院 李永涛李永涛第二章现代地球物理仪器 地空学院地空学院 李永涛李永涛第二章现代地球物理仪器 地空学院地空学院 李永涛李永涛第二章现代地球物理仪器 地空学院地空学院 李永涛李永涛第二章现代地球物理仪器 地空学院地空学院 李永涛李永涛第二章现代地球物理仪器 地空学院地空学院 李永涛李永涛第二章现代地球物理仪器 地空学院地空学院 李永涛李永涛第二章现代地球物理仪器 地空学院地空学院 李永涛李永涛第二章现代地球物理仪器 地空学院地空学院 李永涛李永涛第二章现代地球物理仪器 地空学院地空学院 李永

13、涛李永涛第二章现代地球物理仪器 地空学院地空学院 李永涛李永涛第二章现代地球物理仪器 地空学院地空学院 李永涛李永涛第二章现代地球物理仪器 地空学院地空学院 李永涛李永涛第二章现代地球物理仪器 地空学院地空学院 李永涛李永涛第二章现代地球物理仪器 地空学院地空学院 李永涛李永涛第二章现代地球物理仪器 地空学院地空学院 李永涛李永涛第二章现代地球物理仪器 地空学院地空学院 李永涛李永涛第二章现代地球物理仪器 地空学院地空学院 李永涛李永涛第二章现代地球物理仪器 地空学院地空学院 李永涛李永涛 地空学院地空学院 李永涛李永涛第二章现代地球物理仪器 地空学院地空学院 李永涛李永涛第二章现代地球物理仪

14、器 地空学院地空学院 李永涛李永涛第二章现代地球物理仪器 地空学院地空学院 李永涛李永涛第二章现代地球物理仪器 地空学院地空学院 李永涛李永涛第二章现代地球物理仪器 地空学院地空学院 李永涛李永涛第二章现代地球物理仪器 地空学院地空学院 李永涛李永涛第二章现代地球物理仪器 地空学院地空学院 李永涛李永涛第二章现代地球物理仪器 地空学院地空学院 李永涛李永涛第二章现代地球物理仪器 地空学院地空学院 李永涛李永涛第二章现代地球物理仪器 地空学院地空学院 李永涛李永涛二、磁力仪第二章现代地球物理仪器 地空学院地空学院 李永涛李永涛按照磁力仪的发展历史，以及它应用的物理原理，可分为：第一代磁力仪它是应

15、用永久磁铁与地磁场之间相互力矩作用原理，或利用感应线圈以及辅助机械装置。如机械式磁力仪、感应式航空磁力仪等。第二代磁力仪它是应用核磁共振特性，利用高磁导率软磁合金，以及专门的电子线路。如质子磁力仪，光泵磁力仪，及磁通门磁力仪等。第三代磁力仪它是利用低温量子效应，即超导磁力仪。第二章现代地球物理仪器 地空学院地空学院 李永涛李永涛磁力仪按其内部结构及工作原理，大体上可分为：机械式磁力仪如悬丝式磁秤、刃口式磁秤等；电子式磁力仪如质子磁力仪、光泵磁力仪、磁通门磁力仪等。地空学院地空学院 李永涛李永涛磁力仪按其测量的地磁场参数及其量值。可分为：相对测量仪器如悬丝式垂直磁力仪等，它是测量地磁场垂直分量Z

16、的相对差值；绝对测量仪器如质子磁力仪等，它是测量地磁场总强度T的绝对值；不过亦可测量相对值，或梯度值。第二章现代地球物理仪器 地空学院地空学院 李永涛李永涛若按测量地磁要素或磁异常的不同，可分为：测量地磁要素的仪器：如测量地磁倾角的地磁感应仪，测量地磁偏角的磁偏计，以及测量水平强度的地磁经纬仪等；测量磁异常的各种相对测量磁力仪。若从使用磁力仪的领域来看，它们可分为：地面磁力仪，航空磁力仪，海洋磁力仪，以及井中磁力仪。若从测量磁参数的角度可分为：专门测量岩石磁参数的仪器有：无定向磁力仪、旋转磁力仪等；其它的质子、超导等磁力仪可兼测磁参数。地空学院地空学院 李永涛李永涛 现代几种磁力仪分类：1.光

17、泵磁力仪；2.2.超导量子干涉磁力仪；3.3.原子磁力仪；4.4.质子旋进磁力仪第二章现代地球物理仪器 地空学院地空学院 李永涛李永涛.光泵磁力仪光泵磁力仪是高灵敏的磁测设备。它是以某些元素的原子在外磁场中产生的蔡曼分裂为基础，并采用光泵技术与磁共振技术研制成的。光泵磁力仪是目前实际生产和科学技术应用中灵敏度较高的一种磁测仪器。它灵敏度高，一般为0.01nT量级，理论灵敏度高达10-210-4nT；响应频率高，可在快速变化中进行测量；可测量地磁场的总向量T及其分量，并能进行连续测量。地空学院地空学院 李永涛李永涛光泵磁力仪未来的发展水平，主要取决于光泵光源及共振元素的发展程度。法国曾用可调谐的

18、激光器代替常规的氦灯制成光泵磁力仪，由于谱线的选择性较好，激光又比氦灯的光要强，因此提高了磁力仪的灵敏度。美国的R.Slcum博士利用二极管激光器作为氦同位素光泵磁力仪的光源，并申请了专利，与氦灯光源相比，灵敏度提高一个量级。最新的激光光泵氦（He4）磁力仪的灵敏度已突破原有的界限。第二章现代地球物理仪器 地空学院地空学院 李永涛李永涛在共振元素的选择上，为了提高精度，需要选择谱线较窄的物质，碱金属符合谱线窄的要求，但需要一定的温度（40-55）加热为气态。现在已经有很多利用碱金属制成的磁力仪，前不久问世的钾磁力仪，由于谱线很窄又不重叠，方位误差很小，维修方便，分辨率达到0.1pT，在取样率为

19、20Hz时，灵敏度可达到0.014nT。因此钾光泵磁力仪在光泵磁力仪中占有优势地位。当然随着灵敏度，取样率的提高，其价格也显著提高。地空学院地空学院 李永涛李永涛.超导量子干涉磁力仪超导量子干涉器件（SQUID）是上世纪60年代中期发展起来的一种新型的灵敏度极高的磁敏传感器。它是以约瑟夫逊（Josephson）效应为理论基础，用超导材料制成的，是超导量子干涉磁力仪的核心。SQUID可以检测非常微弱的磁场，足以检测生物电流产生的微弱磁场，人类心脏产生的磁场约为10-10T（0.1nT），人脑的磁场约为10-13T（0.1pT）。如果有一个恒定的电流维持在SQUID中，则测得的电压随两个结上相位的

20、变化而振荡，而相位的变化取决于磁通的变化。量子理论得出的十分重要的结论是，若有一超导体环路，则它包围的磁通量只能取0的整数倍。0h/(2e)=2.067850610-15Wb2.0710-15Wb=2.07nT.cm2第二章现代地球物理仪器 地空学院地空学院 李永涛李永涛这就是磁通量的量子化，0叫做磁通量量子。如果磁场发生变化，则0的个数也跟着变化，对0个数进行计数就可测得磁场值。超导磁力仪是矢量磁力仪，它测量垂直于超导环路平面的磁场。SQUID灵敏度极高，可达10-15T，比灵敏度较高的光泵磁力仪要高出几个数量级；它测量范围宽，可从零场测量到数千特斯拉；其响应频率可从零响应到几千兆赫。这些特

21、性均远远超过常用的磁通门磁力仪和质子旋进磁力仪。地空学院地空学院 李永涛李永涛.原子磁力仪获得1997年诺贝尔物理学奖的法国物理学家科恩-唐努吉（Claude Cohen-Tannoudji）指出，原子磁力仪是通过测量所含电子自旋已被极化的原子在磁场中的进动(旋进)来实现的。最近美国普林斯顿大学物理系MvRomalis教授和位于西雅图的华盛顿大学物理系的J.C.Allred等研制成一种完全利用光学方法测量磁场的新型原子磁力仪，因此有人将这种磁力仪称为全光学磁力仪(alloptical atomic magnetometer)。M.V.Romalis等指出，根据量子力学的测不准原理（uncert

22、ainty principle,或不确定性原理），原子磁力仪的极限灵敏度B/（(nT2Vt)1/2），式中是旋磁比，n是单位体积内工作物资的原子数，T2是横向弛豫(自旋驰豫)时间，V是体积，t是测量时间。由上式可见，在、t给定的条件下，要提高灵敏度，必须让n、T2达到尽可能大的数值而为了提高空间分辨率，V又不能取很大的数值。第二章现代地球物理仪器 地空学院地空学院 李永涛李永涛新型原子磁力仪可用于物理学基本理论的研究，高精度地质调查和油、气等矿产普查，生物磁学研究。前已提及,现在光泵磁力仪已成功地测绘出心脏产生的磁场,磁场幅度为0.1nT，人脑的磁场很弱,只有几个fT。高灵敏度的原子磁力仪,在

23、绘制心磁图、脑磁图作医学诊断乃至是生物磁测、空间磁测，军事侦察等领域，无疑是非常合适的，但仍需进行完善才适应实际应用的需要。第二章现代地球物理仪器 地空学院地空学院 李永涛李永涛4.质子旋进磁力仪质子旋进磁力仪利用富含质子氢的液体产生旋进信号。它使用的液体可以提供非常高的氢密度，并且在操作时没有危险。让极化直流电流通过绕在富含质子氢液体探头的线圈上，便会产生100高斯（Gauss）的辅助磁通密度。质子被极化至较强的净磁化强度，与较强的磁通密度达到热平衡。当辅助磁通终止时，被“极化“的质子即发生旋进而重新恢复为正常的磁通密度状态。根据以下公式，质子的旋进频率f0与磁通密度B（单位为特斯拉Tesl

24、as,T）有直接关系：f0=(p/2)Bp/2=42.5763751MHz/T对质子旋进的测量必须按序进行，即先有一个初始极化，接着进行频率测量，然后这个循环不断重复。这不同于在氢核被极化的同时进行旋进测量的连续测量法。第二章现代地球物理仪器 地空学院地空学院 李永涛李永涛质子旋进示意图H0H0TpTTnTnT 23.4872f23.4872fHzHz 地空学院地空学院 李永涛李永涛二、磁力仪的几个主要技术指标技术指标是反映仪器总体性能的技术数据，通常包括：灵敏度、精密度、准确度、稳定性、测程范围等等。灵敏度系指磁力仪反映地磁场强度最小变化的能力（敏感程度）。有时也称作分辨率。对于用数码显示器

25、读取磁场值的仪器（如质子磁力仪），在其读数装置上估读的最小可辨别的变化，称为显示灵敏度（或读数能力），如1nT/字，0.1nT/字等。由于仪器有一个噪声水平问题，因此灵敏度与显示灵敏度在概念上是有区别的。精密度它是衡量仪器重复性的指标，系指仪器自身测定磁场所能达到的最小可靠值。由一组测定值与平均值的平均偏差表示。在仪器说明书中叫自身重复精度。准确度系指仪器测定真值的能力，即与真值相比的总误差。在磁法勘探工作中，通常把精密度与准确度不予区分，统称为精度。第二章现代地球物理仪器 地空学院地空学院 李永涛李永涛三、电法仪第二章现代地球物理仪器 地空学院地空学院 李永涛李永涛第二章现代地球物理仪器电法

26、勘探仪器指的是电法勘探中测量岩石，矿石的电学性质差异值的仪器的总称。简称电法仪器。用于寻找金属矿床与非金属矿床、勘查地下水、能源资源，以及研究地质构造等。电法勘探仪器需要有较高的技术性能和使用性能。主要包括:温度稳定性（正常工作的温度范围为-2060）、湿度稳定性（工作环境的相对湿度可达9598）、防尘性能和抗震性；高分辨力、高灵敏度；极强的抗干扰能力；测试的动态范围大；能源消耗少；装置的重量轻等。地空学院地空学院 李永涛李永涛电法勘探仪器一般由场源和接收测量两大部分构成。场源多数是人工建立的，由仪器的供电部分或发送部分产生，少数是用天然场。由于电法勘探的探测方法及分支方法多达数十种，因此，电

27、法仪器的名称及种类也很多。分类上一直没有统一的准则，根据仪器所采用的测量技术及工作程式，可将电法仪器归为直流电法仪、频率域电法仪及时间域电法仪3大类。地空学院地空学院 李永涛李永涛直流电法仪主要包括用于直流电阻率法，直流充电法和自然电场法的仪器。为了在地下建立起足够强的电流场，直流电法仪的供电部分常采用干电池组或带整流、滤波部件的交流发电机电源装置，通过电缆送至相应的接地供电电极，将电流供入大地。利用天然场源的自然电场法仅需测两测量电极间的电位差(UMN)，其他方法都要求所使用的仪器既能测UMN，又能测供电电流I的大小。为减少测量误差,一般是用测UMN的同一电位差仪测量串接在供电回路中的取样电

28、阻上的电压降的方法求出电流I的数值。因此，直流电法仪的测量部分,本质上就是一种直流电位差测量仪。地空学院地空学院 李永涛李永涛不过,在仪器部件的构成方面，比一般的电位差仪多了一个极化补偿器。这部分的作用是产生连续可变的某一直流电压，并将它串接在测量回路中，以补偿未向大地供电前测量电极间存在的电位差（极差）。直流电法仪现时采用的多为灵敏度较高（V级），输入电阻较高(101103M),能自动跟踪极差变化的高性能直流数字式电压表。作为直流电法仪的测量传感器主要有金属（铜、不锈钢）电极和不极化电极两种。地空学院地空学院 李永涛李永涛 地空学院地空学院 李永涛李永涛频率域电法仪包括用于频率域电磁法（包括

29、地质雷达）和频率域（频谱）激电法的各种仪器。这类仪器之所以冠以“频率域”之称，主要是由于这类仪器的发送器能提供不同频率的谐变电磁场源，同时，测量部分所测量的是大地在这类谐变电磁场作用下所产生的各种电磁响应或电化学响应的频谱物性。频率域电法仪使用的工作频率范围很宽，为10-3108赫兹。由于探测任务及选用的方法不同，具体使用的工作频率范围也有不同。常用的有4个范围：超低频段数赫兹以下,最低可达10-4赫兹,主要用于大地电磁法MT；低频(或音频)段10104赫兹,用于多种常规电磁法;甚低频(VLF)段1043104赫兹；射频段106108赫兹,主要用于电波法和地质雷达。地空学院地空学院 李永涛李永

30、涛这类仪器的发送器主要由多频正弦波发生器，功率放大器及输出装置组成。当需要建立传导电流场时，发送器的输出装置同接地供电电极连接。若要以感应方式建立交变电磁场，发送器的输出就应同发送线圈（或回线）连接。为了尽可能多地得到大地电磁（电化学）响应的各种信息，频率域电磁法和激电法要求相应的仪器能观测多种电磁或电化学响应的要素，例如：空间不同方向的电磁分量的振幅谱(EX，EY，HX，HY，HZ与频率f的关系)和相位谱；或它们的实分量谱和虚分量谱；电磁场椭圆极化的各要素；电磁场各空间分量和时间分量间的相互关系等。地空学院地空学院 李永涛李永涛尽管要测的参数既有标量，又有矢量和张量，有的要进行多道测量，但仪

31、器的接收测量部分都具有大致相同的基本工作模式或结构组成，即测量传感器（测量电极，感应线圈或其他交变磁场传感器）把待测的物理量转变成电压,然后将它送至测量放大部分进行频谱分析，以获得所需的各种参数的频谱。最后，将这些数据以不同的方式显示或记录下来,或者存入存储器,待计算机对这些数据进行各种解释和处理。为了对被测信号进行频谱分析，在采用人工场源进行工作时，都以发送电流为参考基准。地空学院地空学院 李永涛李永涛发送和接收间的同步方式有有线同步、无线同步和石英钟同步3种。而当采用天然场源进行工作时，常用一个或数个远参考站同步方式（例如大地电磁法MT所用）或以电磁场某一分量作为参考基准(甚低频VLF法所

32、用)。频率域电法仪的数据显示，记录或存储方式分别有模拟量显示、数字量显示、监示器监测、磁带记录、磁盘存储、半导体固态存储、打印机输出等。地空学院地空学院 李永涛李永涛时间域电法仪包括用于时间域激电法和时间域电磁法（或称瞬变电磁法）的各种仪器。这类仪器的工作程序大抵如下:发送器将其产生的各种时变函数信号,即各种时变波形的电流，通过供电电极或者线圈去激发大地或准备研究的目的物。仪器的接收测量部分在一次场不存在时，即发送电流停止工作的时段内，将测量电极或感应线圈，及其他类似的磁场传感器所接收到的大地或目的物的瞬变响应（常以衰变电压的形式出现）传送至宽频带测量放大器进行放大和处理，最后显示、记录或者存

33、入存储器。地空学院地空学院 李永涛李永涛时间域电法仪是采用分时、顺序方式进行工作的，即激发时，不进行测量，停止激发时，测量工作开始，直至下一次激发到来之前为止，并如此循环工作。瞬变电磁仪所使用的时变电流的重复频率通常为数赫兹至数十赫兹。测量所占用的时间间隔为数毫秒至数百毫秒。时间域激电仪所使用的时变电流的重复周期常为数秒至数十秒。时间域电法仪对瞬变（衰变）响应的测试和记录并不是连续的，而是按照一定的时间间隔进行离散采样。地空学院地空学院 李永涛李永涛一般，激电仪的采样间隔较宽，采样的数目较少，并且起始采样的时间亦较晚。而瞬变电磁仪则不同,它的起始采样时间很早（约n101微秒）,采集的样品数目较

34、多（可达数十个），采样的时间间隔也较窄。仪器工作时所用的同步方式多为石英钟同步。当对测量精度要求不很高时，也可用发送电流停止工作时的脉冲信号进行同步。地空学院地空学院 李永涛李永涛与频率域电法仪相比，时间域电法仪对测量技术的要求更高，更复杂。这主要反映在：要求整个测试系统具备有高精度、高稳定度的时间基准；要求在数毫秒的时间范围内,不失真地放大幅度变化范围为105106倍的电信号；在宽带放大的前提下提取强噪声背景下的微弱信号；发送器瞬时最大发送电流需达数十安培至100200安培。电法仪器今后可能会沿着两个截然相反的方向发展。一是全能的、集数据采集、处理和自动解释为一身的大系统；一是小、巧、优的智

35、能化专用仪器。地空学院地空学院 李永涛李永涛四、地震仪 地空学院地空学院 李永涛李永涛 地空学院地空学院 李永涛李永涛 地空学院地空学院 李永涛李永涛 地空学院地空学院 李永涛李永涛1.地震勘探仪器发展概况第一代,模拟光点记录地震仪器,成品记录是一次性直接可操作的模拟波形。记录的地震数据信号的动态范围小(仅20dB左右),频带窄(仅20Hz左右),记录的地震道数少(在24道以下)。第二代,模拟磁带记录地震仪器。其记录是为可重复利用的模拟磁带,关键技术没有实质性突破,记录地震信号的动态范围较小(仅40dB左右),记录地震信号的频带在100Hz以下,能够记录的地震道数一般在48道以下。第三代,数字

36、磁带记录地震仪器。这类仪器的创新点是采用了前置放大、瞬时浮点放大和模/数转换技术,实现了由模拟到数字的变革,使得瞬时动态范围可达70dB以上,地震信号的频带可达到250Hz左右,记录的地震道数一般在240道以内。地空学院地空学院 李永涛李永涛第四代,遥测数字地震仪器。这代仪器的技术进步就在于,实现了以数字信号传输,一般在2ms采样时能有1000道左右的实时采集能力。第五代,20世纪90年代才推出的采用技术的24位A/D型遥测数字地震仪器,其代表是如今广为流行的SN388、IMAGE、408UL等。这代仪器的核心技术已用24位A/D转换器取代了先前的瞬时浮点放大器和14或15位A/D转换器,且在

37、不考虑检波器的瓶颈作用时,技术的应用使得系统的瞬时动态范围上升到110dB或更多,可记录地震信号的频带达800Hz或更高。地空学院地空学院 李永涛李永涛第六代,21世纪初开始面向勘探市场的全数字地震仪器,其代表是系统-IV(VC或VR)和408UL-DSU。与前一代仪器相比根本不同的是:系统中包含了以MEMS技术为核心的加速度数字传感器,使得系统的瞬时动态范围在90dB以上,而且从0-500Hz都能等灵敏度和等相位响应地震信号。它不怕电磁干扰,有万道以上实时采集能力,是今后实现宽频带万道多波高精度采集的方向。地空学院地空学院 李永涛李永涛2.地震勘探仪器技术现状从技术水平上看,当今主流地震勘探

38、仪器都是采用技术的24位A/D型,实时采集能力可达几千甚至万道,所应用的数字存储技术、网络遥测技术、数字传感技术、数据通讯技术、计算机软、硬件技术、电子工程技术、材料工艺技术等均属国际先进水平,各项物理特性和技术指标也是同期高科技电子装备中最高和最好的。3.地震勘探仪器的基本发展规律3.1能源资源在国计民生中的战略位置,决定了地震勘探仪器具有广阔的市场空间。3.2物探方法和技术的进步与发展为地震勘探仪器发展提供了目标。3.3用户的追求为地震勘探仪器发展明确了针对性的也是具体的物理特性内容。地空学院地空学院 李永涛李永涛3.4新工艺、新材料、新技术是地震勘探仪器发展进步的依托和基础,各个年代的地

39、震勘探仪器无一不是跟踪应用了当时最先进的计算机技术、电子工程技术、数据传输技术、传感技术等,同时也采用了当时最优质的材料和最先进的工艺。3.5全球电子工业技术的规范化和标准化以及软件技术的个性化发展使得地震勘探仪器的硬件组成更为通用和简单,另外,系统的特点和核心技术越来越多地取决于应用软件的功能与性能。地空学院地空学院 李永涛李永涛4.地震勘探仪器关键技术4.1技术。技术是过采样技术,它通过提高采样速度来换取样点的精度。技术的应用,使地震勘探仪器的A/D转换器从15位发展到24位,仪器的瞬时动态范围从80dB升至110dB以上。24位A/D转换器具有足够的分辨率,系统的谐波失真度能控制在0.0

40、01%之内。由于技术的应用,才使地震勘探仪器能够更有效地保护和记录大信号背景下的高频弱小信号,也使地震勘探有可能实现更准确和精细的成像。地空学院地空学院 李永涛李永涛4.2数字传感技术(MEMS技术)。数字传感技术的应用便产生了数字传感器(检波器)和第六代勘探仪器,相对传统的模拟检波器而言,数字传感器在技术特性上主要有以下几点实质性的进步。4.2.1直接以电信号平衡重力变化原理来感应地震波信号;4.2.2传感器直接输出24位一个样点的数字信号;4.2.3幅度与相位频率特性曲线在500Hz内是平坦的直线;4.2.4信号失真度低于0.003%,即瞬时动态在90dB之上;4.2.5能自动识别和校正垂

41、直地心方向的倾斜角度。地空学院地空学院 李永涛李永涛数字传感器是加速度型,它感应的是重力的变化。它不怕任何工业频率和雷电干扰。数字传感器是高度集成的独立单元,这些拥有独特技术新型数字传感器的应用为多波三维勘探、精细目标勘探,以及解决疑难地质问题和进一步提高勘探质量与效果等提供了硬件支持。4.3网络遥测技术。网络遥测技术就是计算机的网络通讯技术在地震勘探仪器中的推广应用。这项技术的应用为野外施工时能按需要自由地选择排列连接方式,进而为跨越道路、建筑、河流等实现绕路传输提供可能,同时也可以通过缓冲存储器实现非实时传输或数据包重发。地空学院地空学院 李永涛李永涛4.4硬件功能软件实现技术。其要点就是

42、借助计算机和处理器运算速度和能力的提高,将许多过去需用大量硬件实现的数据处理和运算工作,通过软件方法在相应的处理机(器)上共享硬件资源来完成。4.5高速超大规模硬件技术。它是设计制造过程中充分采用功能强劲的超大规模集成电路和选用最优的新工艺、新材料,且多数情况是直接选用标准通用总成件。这样做的结果是仪器的结构越来越紧凑牢固,稳定性和耐用性更强,适应性和通用性更好,性能指标更优。4.6数字存储技术。20年以前地震数据存储用的磁带还是0.5宽九个轨道的开盘带,最高记录密度也只有6250bpi,后来很快就推出了盒式磁带,并逐步从3480、3490,发展到今天的3580、3590、3592等。目前也推

43、出了在地震勘探中实用的光盘或硬盘存储介质。地空学院地空学院 李永涛李永涛4.7实时万道采集技术。这是一项综合技术,它包括编码技术、数据传输技术、硬件技术、软件技术、数字信号处理技术、存储技术等。一般每隔35年仪器的道接收能力就要增加一倍,实质上道接收能力的强弱主要取决于地震数据的传输速度、处理速度和记录速度等。除以上所述的几项关键技术外,近年来地震勘探仪器在其它方面也有某些技术创新和进步,如蜂窝通讯技术、频分复用技术、16QAM技术、高精度同步控制技术、数据压缩技术、高压直流供电技术、GPS授时技术等,都在先进的地震勘探仪器系统中得到成功应用。地空学院地空学院 李永涛李永涛5地震勘探仪器未来技

44、术发展根据地震勘探仪器技术发展的一般规律,以及当前地球物理勘探市场的发展需求,或许将来地震勘探仪器发展的技术突破点就在于:采用更为优质的材料和先进的工艺以及更为科学和完善的数据编码、压缩、调制、传输技术,致使系统能达到1000MHz的数据传输速率和具有更为轻巧、耐用的特性;采用实时卫星定位技术,系统可以实现随意布设排列且自动校准X、Y、Z分量方位和自动识别地理位置;系统的集成度和环境适应性得到更好的优化,系统的尺寸和重量将数倍地下降而工作温度、压力(水深)、电磁环境等可以不受任何限制;或许超导和纳米等技术引入地震勘探仪器,系统功耗数倍下降而工作速度却成倍上升,以致陆上系统的供电不再需要外部支持

45、。地空学院地空学院 李永涛李永涛第三章典型地球物理仪器介绍 地空学院地空学院 李永涛李永涛第三章典型地球物理仪器介绍 地空学院地空学院 李永涛李永涛 地空学院地空学院 李永涛李永涛 地空学院地空学院 李永涛李永涛 地空学院地空学院 李永涛李永涛 地空学院地空学院 李永涛李永涛第三章典型地球物理仪器介绍工作原理CG-5CG-5型全自动高精度石英弹簧重力仪工作原理图型全自动高精度石英弹簧重力仪工作原理图1可变电容器；可变电容器；2弹簧；弹簧；3温度传感器；温度传感器；4控制电路；控制电路；5模数转换器；模数转换器；6数据接收；数据接收；7反馈电压；反馈电压；8倾斜灵敏元件；倾斜灵敏元件；9真空容器

46、；真空容器；M重荷。重荷。地空学院地空学院 李永涛李永涛第三章典型地球物理仪器介绍 地空学院地空学院 李永涛李永涛第三章典型地球物理仪器介绍 地空学院地空学院 李永涛李永涛第三章典型地球物理仪器介绍 地空学院地空学院 李永涛李永涛第三章典型地球物理仪器介绍 地空学院地空学院 李永涛李永涛 地空学院地空学院 李永涛李永涛 地空学院地空学院 李永涛李永涛 地空学院地空学院 李永涛李永涛 地空学院地空学院 李永涛李永涛 地空学院地空学院 李永涛李永涛 地空学院地空学院 李永涛李永涛 地空学院地空学院 李永涛李永涛 地空学院地空学院 李永涛李永涛 地空学院地空学院 李永涛李永涛 地空学院地空学院 李永

47、涛李永涛 地空学院地空学院 李永涛李永涛 地空学院地空学院 李永涛李永涛 地空学院地空学院 李永涛李永涛 地空学院地空学院 李永涛李永涛 地空学院地空学院 李永涛李永涛 地空学院地空学院 李永涛李永涛 地空学院地空学院 李永涛李永涛 地空学院地空学院 李永涛李永涛 地空学院地空学院 李永涛李永涛 地空学院地空学院 李永涛李永涛 地空学院地空学院 李永涛李永涛 地空学院地空学院 李永涛李永涛 地空学院地空学院 李永涛李永涛 地空学院地空学院 李永涛李永涛 地空学院地空学院 李永涛李永涛 地空学院地空学院 李永涛李永涛 地空学院地空学院 李永涛李永涛 地空学院地空学院 李永涛李永涛PROTEM瞬变

48、电磁仪 地空学院地空学院 李永涛李永涛vPROTEM瞬变电磁仪类型vTEM47，最大勘探深度150m，统称PROTEM47vTEM57-MK2，最大勘探深度500m，统称PERTEM57vTEM-67，最大勘探深度1000m-1200m，统称PROTEM67v加强型TEM67HP,最大勘探深度1500mvEM47Hp，井下探水，探测距离100m-150mvBH43-3钻井内三维瞬变电磁仪，可在2,000m深钻孔内工作，探测半径150-250m 地空学院地空学院 李永涛李永涛PROTEM67采用的是大功率发射机，它是在PROTEM57-MK2发射机基础上加了一个功率模块，并配备一台5,000W发

49、电机，就可将PROTEM57-MK2升级为PROTEM67。对某些勘查任务而言如果不需要PROTEM67发射机，只用PROTEM57-MK2，便可大大减轻重量。TEM67的输出电压在18-150V连续可调，可以自动显示关断时间。配备三维接收线圈的PROTEM67，是一种理想的探测深部高导矿体，蕴矿构造，含水构造以及其它地质目标体的最佳瞬变电磁法仪器，勘探深度可达1000m1200m。地空学院地空学院 李永涛李永涛加强型TEM67PLUS探测深度可以达到2000m。加强型TEM67PLUS是在TEM57-Mk2发射机上连接两个TEM67功率模块，发射电压可高达240v，最大发射电流28A，所以可

50、利用大尺寸或大有效面积发射线圈，以达到更大的勘探深度。地空学院地空学院 李永涛李永涛 地空学院地空学院 李永涛李永涛 地空学院地空学院 李永涛李永涛 地空学院地空学院 李永涛李永涛 地空学院地空学院 李永涛李永涛v实例实例3：煤层地质构造探测煤层地质构造探测v下图是河南某煤矿的瞬变电磁法探测结果：v仪器类型：PROTEM 67野外装置：大定源，发射线圈尺寸1000m*1000m发射基频：0.625Hz接收点距：10mv 由图可见，探测深度达1500m，电性分层清晰，煤层反映明确，顶、底板结构清晰，高阻基底起伏显然，未发现储水结构。地空学院地空学院 李永涛李永涛 地空学院地空学院 李永涛李永涛v