1、 地空學院地空學院 現代地球物理儀器及應用 地空學院地空學院 李永濤李永濤現代地球物理儀器及應用課程簡介 一、課程性質和目的 地球物理觀測儀器是地球物理科學研究中的一個不可缺少的成分，隨著地球物理勘探的難度和復雜性越來越大，其儀器的選擇、使用已成為眾多研究人員考慮的首選內容。但由于時間和條件的限制，大家在大學學習階段，一般只掌握了現有的、常用的地球物理儀器，對目前一些先進的、大型的設備了解較少，為此，該課程的開設無疑為拓寬學生的視野，為走向社會及時掌握新手段、新方法和新技術，為解決更多的地球科學問題奠定必要的基礎。 地空學院地空學院 李永濤李永濤礦產資源需求淺部資源深部找礦任務高精度現代化設備

2、電子技術的發展掌握該門課程的必要性： 地空學院地空學院 李永濤李永濤現代地球物理儀器及應用課程簡介二、課程的基本內容本課程的主要內容包括： 地球物理學與地學儀器 地球物理儀器發展歷程及發展趨勢 現代地球物理儀器種類的劃分、特點，目前國外國內先進儀器介紹 典型地球物理儀器介紹 地球物理儀器的應用 地空學院地空學院 李永濤李永濤現代地球物理儀器及應用課程簡介三、課程的基本要求 采用理論教學、實驗課、學生自學以及寫讀書報告等各種教學環節，使大家了解地球物理儀器發展歷程及發展趨勢，掌握現代地球物理儀器的前沿。初步達到和掌握生產和科研中常用的先進地球物理儀器，為走向社會打下基礎。 地空學院地空學院 李永

3、濤李永濤現代地球物理儀器及應用課程簡介四、教學安排本課程總學時數16學時，其中授課12學時，實驗4學時。五、教材與參考資料教材：自編參考資料：1. 劉天佑等編，地球物理數據采集與處理，中國地質大學出版社2. 張少泉編著，地球物理學概論，地震出版社3. 于匯津、鄧一謙編，勘探地球物理概論 地空學院地空學院 李永濤李永濤目 錄現代地球物理儀器2應用實例 4概 述3 1典型地球物理儀器介紹 3 3 地空學院地空學院 李永濤李永濤第一章 概 述 地空學院地空學院 李永濤李永濤1地球物理學與地學儀器3地球物理儀器發展趨勢2地球物理儀器發展歷程第一章 概 述 地空學院地空學院 李永濤李永濤第一章 概 述v

4、 地球物理學與地學儀器 地球物理學在本質上是一門觀測科學，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學技巧和圖像顯示無法彌補的。 地球物理儀器是地學儀器的主要部分,是認識自然的重要手段,我國地球物理界的先輩們經常說:“地球物理學是一門觀測科學”,“地球物理學是以觀測和實驗為基礎的科學”.顧功敘,秦馨菱等老一代地球物理學家生前再三呼吁開展并曾親自指導或主持一些地球物理儀器研究工作. 地空學院地空學院 李永濤李永濤 當代地球物理學家劉光鼎院士指出:“儀器問題不解決,就無法實現地學現代化”.滕吉文院士也專門撰文作了關于中國地球物理儀器和實驗設備研究的導向及實現產業化的評述;趙文津

5、院士也在多次會議上闡述發展我國地球物理儀器的重要性.在世界進入信息時代的今天,儀器儀表在社會與經濟發展中的作用體現得越來越明顯,美國、日本、歐洲共同體一些發達國家都把儀器儀表列為國家支持的關鍵技術.第一章 概 述 地空學院地空學院 李永濤李永濤 我國多位兩院院士先后兩次向國家提出建議,地球物理儀器在國防、資源探測、自然災害監測和工程質量檢測等領域中具有不可忽視的作用。近年來技術進步迅速，國際上地球物理儀器發展趨于多功能化、輕便化、智能化、可視化、網絡化和虛擬化。第一章 概 述 地空學院地空學院 李永濤李永濤國外地球物理儀器在我國的應用現狀：(1) 重力儀:美國的La Coste & R

6、onbery(各種型號G,E)重力儀和加拿大的“環球重力儀”的購置,中國一躍成了世界上重力儀器的進口第一大戶.(2) 石油地震勘探儀器:美國和法國各代不同型號的先進記錄儀器(幾十道、幾百道、上千道)和輔助設備,應當講我國幾乎是應有盡有,只要國際上有新型儀器問世,就像各類型的飛機和汽車那樣,中國必為大戶.跟隨而來的就必然要引進數據處理系統,軟件和模塊. 地空學院地空學院 李永濤李永濤(3) 磁力儀:加拿大的質子磁力儀構成了我國地磁場測量的主體:包括流動觀測和固定觀測.(4) 大地電磁測儀器:各種型號的大地電磁測深儀器和輔助設備主要來自加拿大、美國和德國.(5) 深部地震探測地震儀器:盡管國內研制

7、已有一定基礎,而各部門仍然是大量引進.當今廣為引進的各種型號的(Passcal,Refiek)地震儀均來自美國,另有一部分來自德國.拾震器則主要從英國和瑞典進口.(6) 古地磁的測試儀器和各種輔助設備,乃至整個實驗室全為進口.第一章 概 述 地空學院地空學院 李永濤李永濤我國的地球物理儀器研發現狀： 由于歷史的原因,一方面我國對地球物理儀器的需求急劇增長,另一方面又形成了對國外儀器的過分依賴,嚴重沖擊了我們對地球物理儀器的自主研發.在這樣的逆境中,我國地球物理技術工作者仍然堅持不懈,在重、磁、電、地震、放射性等領域取得了顯著成績,并在某些領域達到了具有國際領先的水平.第一章 概 述 地空學院地

8、空學院 李永濤李永濤基于這種現狀,我國地球物理儀器發展應該堅持適當引進與自主創新相結合、研產用相結合,形成標準統一、多學科交叉融合的研制體系,提高工藝水平和售后服務質量;重視地球深部探測、航空物探、海洋探測、地質災害監測和國防工程領域的地球物理儀器開發和研制;發揮學術組織的特殊作用,集中力量組織攻關,爭取在關鍵領域中形成我國具有自主知識產權的先進地球物理技術和儀器. 地空學院地空學院 李永濤李永濤 目前，我國在科學儀器和裝備的研究和制造方面與發達國家相比差距十分明顯，對外依賴度過高，應對遏制的能力脆弱。在我國每年形成固定資產的上萬億元投資中，有60%用于進口儀器設備，絕大多數關鍵的高新儀器依賴

9、進口。以分析檢測和觀測儀器為例，近年來我國占全球的銷售份額僅為0.3%，且大多為中低檔儀器。技術密集型的高新儀器與設備，地球內部的地震探測和地球物理場的觀測、實驗儀器和設備，如色譜一質譜儀、核磁波譜儀、離子體質譜儀、電子能譜儀、透射和掃描電鏡、自動生化分析儀和核酸測序儀等，幾乎100%依賴國外進口。目前我國的絕大部分市場已被美國、加拿大、英國、德國、日本、法國、瑞士等國家的跨國公司占領。第一章 概 述 地空學院地空學院 李永濤李永濤這樣競相購置外國儀器的理由是:第一、用外國人的儀器采集的數據外國人相信.第二、在心理上認為用中國自制儀器“丟份”,用外國儀器“光榮”. 在這樣的形勢下,不僅競相引進

10、,而且重復引進,各自為政.從國外買回來的儀器或設備在國內還可形成壟斷與獲取項目的“王牌”.因為有關部門在項目招標時,便規定必須采用XX型號的進口儀器方能投標或中標.這樣一來各單位,各部門競相引進,以地震儀為例有的單位引進100臺,30臺,20臺,10幾臺,盡管成不了氣候,但也要引進,以顯示我們也有美國儀器,為的是爭取點項目.第一章 概 述 地空學院地空學院 李永濤李永濤第二章 現代地球物理儀器 地空學院地空學院 李永濤李永濤一、重力儀第二章 現代地球物理儀器 地空學院地空學院 李永濤李永濤第二章 現代地球物理儀器 地空學院地空學院 李永濤李永濤第二章 現代地球物理儀器 地空學院地空學院 李永濤

11、李永濤一、絕對重力測量儀器原理是根據擺的原理或根據自由落體 定律擺的原理：擺儀自由落體定律：自由下落法和對稱自由運動法(又稱上拋法)。第二章 現代地球物理儀器 地空學院地空學院 李永濤李永濤第二章 現代地球物理儀器 地空學院地空學院 李永濤李永濤第二章 現代地球物理儀器 地空學院地空學院 李永濤李永濤第二章 現代地球物理儀器 地空學院地空學院 李永濤李永濤第二章 現代地球物理儀器 地空學院地空學院 李永濤李永濤第二章 現代地球物理儀器 地空學院地空學院 李永濤李永濤第二章 現代地球物理儀器 地空學院地空學院 李永濤李永濤第二章 現代地球物理儀器 地空學院地空學院 李永濤李永濤第二章 現代地球物

12、理儀器 地空學院地空學院 李永濤李永濤第二章 現代地球物理儀器 地空學院地空學院 李永濤李永濤第二章 現代地球物理儀器 地空學院地空學院 李永濤李永濤第二章 現代地球物理儀器 地空學院地空學院 李永濤李永濤第二章 現代地球物理儀器 地空學院地空學院 李永濤李永濤第二章 現代地球物理儀器 地空學院地空學院 李永濤李永濤第二章 現代地球物理儀器 地空學院地空學院 李永濤李永濤第二章 現代地球物理儀器 地空學院地空學院 李永濤李永濤第二章 現代地球物理儀器 地空學院地空學院 李永濤李永濤第二章 現代地球物理儀器 地空學院地空學院 李永濤李永濤第二章 現代地球物理儀器 地空學院地空學院 李永濤李永濤第

13、二章 現代地球物理儀器 地空學院地空學院 李永濤李永濤第二章 現代地球物理儀器 地空學院地空學院 李永濤李永濤第二章 現代地球物理儀器 地空學院地空學院 李永濤李永濤第二章 現代地球物理儀器 地空學院地空學院 李永濤李永濤第二章 現代地球物理儀器 地空學院地空學院 李永濤李永濤第二章 現代地球物理儀器 地空學院地空學院 李永濤李永濤第二章 現代地球物理儀器 地空學院地空學院 李永濤李永濤第二章 現代地球物理儀器 地空學院地空學院 李永濤李永濤第二章 現代地球物理儀器 地空學院地空學院 李永濤李永濤第二章 現代地球物理儀器 地空學院地空學院 李永濤李永濤第二章 現代地球物理儀器 地空學院地空學院

14、 李永濤李永濤第二章 現代地球物理儀器 地空學院地空學院 李永濤李永濤 地空學院地空學院 李永濤李永濤第二章 現代地球物理儀器 地空學院地空學院 李永濤李永濤第二章 現代地球物理儀器 地空學院地空學院 李永濤李永濤第二章 現代地球物理儀器 地空學院地空學院 李永濤李永濤第二章 現代地球物理儀器 地空學院地空學院 李永濤李永濤第二章 現代地球物理儀器 地空學院地空學院 李永濤李永濤第二章 現代地球物理儀器 地空學院地空學院 李永濤李永濤第二章 現代地球物理儀器 地空學院地空學院 李永濤李永濤第二章 現代地球物理儀器 地空學院地空學院 李永濤李永濤第二章 現代地球物理儀器 地空學院地空學院 李永濤

15、李永濤第二章 現代地球物理儀器 地空學院地空學院 李永濤李永濤二、磁力儀第二章 現代地球物理儀器 地空學院地空學院 李永濤李永濤按照磁力儀的發展歷史，以及它應用的物理原理，可分為： 第一代磁力儀 它是應用永久磁鐵與地磁場之間相互力矩作用原理，或利用感應線圈以及輔助機械裝置。如機械式磁力儀、感應式航空磁力儀等。 第二代磁力儀 它是應用核磁共振特性，利用高磁導率軟磁合金，以及專門的電子線路。如質子磁力儀，光泵磁力儀，及磁通門磁力儀等。 第三代磁力儀 它是利用低溫量子效應，即超導磁力儀。 第二章 現代地球物理儀器 地空學院地空學院 李永濤李永濤磁力儀按其內部結構及工作原理，大體上可分為：機械式磁力儀

16、 如懸絲式磁秤、刃口式磁秤等；電子式磁力儀 如質子磁力儀、光泵磁力儀、磁通門磁力儀等。 地空學院地空學院 李永濤李永濤磁力儀按其測量的地磁場參數及其量值。可分為：相對測量儀器 如懸絲式垂直磁力儀等，它是測量地磁場垂直分量 Z 的相對差值；絕對測量儀器如質子磁力儀等，它是測量地磁場總強度 T 的絕對值；不過亦可測量相對值，或梯度值。 第二章 現代地球物理儀器 地空學院地空學院 李永濤李永濤若按測量地磁要素或磁異常的不同，可分為：測量地磁要素的儀器：如測量地磁傾角的地磁感應儀，測量地磁偏角的磁偏計，以及測量水平強度的地磁經緯儀等；測量磁異常的各種相對測量磁力儀。 若從使用磁力儀的領域來看，它們可分

17、為：地面磁力儀，航空磁力儀，海洋磁力儀，以及井中磁力儀。 若從測量磁參數的角度可分為：專門測量巖石磁參數的儀器有：無定向磁力儀、旋轉磁力儀等；其它的質子、超導等磁力儀可兼測磁參數。 地空學院地空學院 李永濤李永濤 現代幾種磁力儀分類：1.光泵磁力儀；2. 超導量子干涉磁力儀；3.原子磁力儀；4. 質子旋進磁力儀第二章 現代地球物理儀器 地空學院地空學院 李永濤李永濤.光泵磁力儀光泵磁力儀是高靈敏的磁測設備。它是以某些元素的原子在外磁場中產生的蔡曼分裂為基礎，并采用光泵技術與磁共振技術研制成的。光泵磁力儀是目前實際生產和科學技術應用中靈敏度較高的一種磁測儀器。它靈敏度高，一般為0.01nT量級，

18、理論靈敏度高達10-210-4nT；響應頻率高，可在快速變化中進行測量；可測量地磁場的總向量T及其分量，并能進行連續測量。 地空學院地空學院 李永濤李永濤光泵磁力儀未來的發展水平，主要取決于光泵光源及共振元素的發展程度。法國曾用可調諧的激光器代替常規的氦燈制成光泵磁力儀，由于譜線的選擇性較好，激光又比氦燈的光要強，因此提高了磁力儀的靈敏度。美國的R.Slcum博士利用二極管激光器作為氦同位素光泵磁力儀的光源，并申請了專利，與氦燈光源相比，靈敏度提高一個量級。最新的激光光泵氦（He4）磁力儀的靈敏度已突破原有的界限。第二章 現代地球物理儀器 地空學院地空學院 李永濤李永濤在共振元素的選擇上，為了

19、提高精度，需要選擇譜線較窄的物質，堿金屬符合譜線窄的要求，但需要一定的溫度（40-55）加熱為氣態?，F在已經有很多利用堿金屬制成的磁力儀，前不久問世的鉀磁力儀，由于譜線很窄又不重疊，方位誤差很小，維修方便，分辨率達到0.1pT，在取樣率為20Hz時，靈敏度可達到0.014nT。因此鉀光泵磁力儀在光泵磁力儀中占有優勢地位。當然隨著靈敏度，取樣率的提高，其價格也顯著提高。 地空學院地空學院 李永濤李永濤.超導量子干涉磁力儀超導量子干涉器件（SQUID）是上世紀60年代中期發展起來的一種新型的靈敏度極高的磁敏傳感器。它是以約瑟夫遜（Josephson）效應為理論基礎，用超導材料制成的，是超導量子干涉

20、磁力儀的核心。SQUID可以檢測非常微弱的磁場，足以檢測生物電流產生的微弱磁場，人類心臟產生的磁場約為10-10T（0.1nT），人腦的磁場約為10-13T（0.1pT）。如果有一個恒定的電流維持在SQUID中，則測得的電壓隨兩個結上相位的變化而振蕩，而相位的變化取決于磁通的變化。量子理論得出的十分重要的結論是，若有一超導體環路，則它包圍的磁通量只能取0的整數倍。0h/(2e)=2.067850610-15Wb2.0710-15 Wb =2.07nT.cm2第二章 現代地球物理儀器 地空學院地空學院 李永濤李永濤這就是磁通量的量子化，0叫做磁通量量子。如果磁場發生變化，則0的個數也跟著變化，對

21、0個數進行計數就可測得磁場值。超導磁力儀是矢量磁力儀，它測量垂直于超導環路平面的磁場。SQUID靈敏度極高，可達10-15T，比靈敏度較高的光泵磁力儀要高出幾個數量級；它測量范圍寬，可從零場測量到數千特斯拉；其響應頻率可從零響應到幾千兆赫。這些特性均遠遠超過常用的磁通門磁力儀和質子旋進磁力儀。 地空學院地空學院 李永濤李永濤.原子磁力儀獲得1997年諾貝爾物理學獎的法國物理學家科恩-唐努吉（Claude Cohen-Tannoudji）指出，原子磁力儀是通過測量所含電子自旋已被極化的原子在磁場中的進動(旋進)來實現的。最近美國普林斯頓大學物理系MvRomalis教授和位于西雅圖的華盛頓大學物理

22、系的J.C.Allred等研制成一種完全利用光學方法測量磁場的新型原子磁力儀，因此有人將這種磁力儀稱為全光學磁力儀(alloptical atomic magnetometer)。 M.V.Romalis等指出，根據量子力學的測不準原理（uncertainty principle,或不確定性原理），原子磁力儀的極限靈敏度B/（(nT2Vt)1/2），式中是旋磁比， n是單位體積內工作物資的原子數，T2是橫向弛豫(自旋馳豫)時間，V是體積，t是測量時間。由上式可見，在、t給定的條件下，要提高靈敏度，必須讓n、T2達到盡可能大的數值而為了提高空間分辨率，V又不能取很大的數值。第二章 現代地球物理儀

23、器 地空學院地空學院 李永濤李永濤新型原子磁力儀可用于物理學基本理論的研究，高精度地質調查和油、氣等礦產普查，生物磁學研究。前已提及,現在光泵磁力儀已成功地測繪出心臟產生的磁場,磁場幅度為0.1nT，人腦的磁場很弱,只有幾個fT。高靈敏度的原子磁力儀,在繪制心磁圖、腦磁圖作醫學診斷乃至是生物磁測、空間磁測，軍事偵察等領域，無疑是非常合適的，但仍需進行完善才適應實際應用的需要。第二章 現代地球物理儀器 地空學院地空學院 李永濤李永濤4. 質子旋進磁力儀質子旋進磁力儀利用富含質子氫的液體產生旋進信號。它使用的液體可以提供非常高的氫密度，并且在操作時沒有危險。讓極化直流電流通過繞在富含質子氫液體探頭

24、的線圈上，便會產生100高斯（Gauss）的輔助磁通密度。質子被極化至較強的凈磁化強度，與較強的磁通密度達到熱平衡。當輔助磁通終止時，被“極化“的質子即發生旋進而重新恢復為正常的磁通密度狀態。根據以下公式，質子的旋進頻率f0與磁通密度B（單位為特斯拉Teslas,T）有直接關系： f0=(p/2)Bp/2=42.5763751MHz/T對質子旋進的測量必須按序進行，即先有一個初始極化，接著進行頻率測量，然后這個循環不斷重復。這不同于在氫核被極化的同時進行旋進測量的連續測量法。第二章 現代地球物理儀器 地空學院地空學院 李永濤李永濤質子旋進示意圖H0H0Tp 地空學院地空學院 李永濤李永濤二、磁

25、力儀的幾個主要技術指標 技術指標是反映儀器總體性能的技術數據，通常包括：靈敏度、精密度、準確度、穩定性、測程范圍等等。 靈敏度 系指磁力儀反映地磁場強度最小變化的能力（敏感程度）。有時也稱作分辨率。 對于用數碼顯示器讀取磁場值的儀器（如質子磁力儀），在其讀數裝置上估讀的最小可辨別的變化，稱為顯示靈敏度（或讀數能力），如 1nT/字，0.1nT/字等。由于儀器有一個噪聲水平問題，因此靈敏度與顯示靈敏度在概念上是有區別的。 精密度 它是衡量儀器重復性的指標，系指儀器自身測定磁場所能達到的最小可靠值。由一組測定值與平均值的平均偏差表示。在儀器說明書中叫自身重復精度。 準確度 系指儀器測定真值的能力，

26、即與真值相比的總誤差。 在磁法勘探工作中，通常把精密度與準確度不予區分，統稱為精度。 第二章 現代地球物理儀器 地空學院地空學院 李永濤李永濤三、電法儀第二章 現代地球物理儀器 地空學院地空學院 李永濤李永濤第二章 現代地球物理儀器電法勘探儀器指的是電法勘探中測量巖石，礦石的電學性質差異值的儀器的總稱。簡稱電法儀器。用于尋找金屬礦床與非金屬礦床、勘查地下水、能源資源，以及研究地質構造等。電法勘探儀器需要有較高的技術性能和使用性能。主要包括:溫度穩定性（正常工作的溫度范圍為-2060）、濕度穩定性（工作環境的相對濕度可達9598）、防塵性能和抗震性；高分辨力、高靈敏度；極強的抗干擾能力；測試的動

27、態范圍大；能源消耗少；裝置的重量輕等。 地空學院地空學院 李永濤李永濤電法勘探儀器一般由場源和接收測量兩大部分構成。場源多數是人工建立的，由儀器的供電部分或發送部分產生，少數是用天然場。由于電法勘探的探測方法及分支方法多達數十種，因此，電法儀器的名稱及種類也很多。分類上一直沒有統一的準則，根據儀器所采用的測量技術及工作程式，可將電法儀器歸為直流電法儀、頻率域電法儀及時間域電法儀3大類。 地空學院地空學院 李永濤李永濤直流電法儀主要包括用于直流電阻率法，直流充電法和自然電場法的儀器。為了在地下建立起足夠強的電流場，直流電法儀的供電部分常采用干電池組或帶整流、濾波部件的交流發電機電源裝置，通過電纜

28、送至相應的接地供電電極，將電流供入大地。利用天然場源的自然電場法僅需測兩測量電極間的電位差(UMN)，其他方法都要求所使用的儀器既能測UMN，又能測供電電流I的大小。為減少測量誤差,一般是用測UMN的同一電位差儀測量串接在供電回路中的取樣電阻上的電壓降的方法求出電流I 的數值。因此，直流電法儀的測量部分,本質上就是一種直流電位差測量儀。 地空學院地空學院 李永濤李永濤不過,在儀器部件的構成方面，比一般的電位差儀多了一個極化補償器。這部分的作用是產生連續可變的某一直流電壓，并將它串接在測量回路中，以補償未向大地供電前測量電極間存在的電位差（極差）。直流電法儀現時采用的多為靈敏度較高（V級），輸入

29、電阻較高 (101103M),能自動跟蹤極差變化的高性能直流數字式電壓表。作為直流電法儀的測量傳感器主要有金屬（銅、不銹鋼）電極和不極化電極兩種。 地空學院地空學院 李永濤李永濤 地空學院地空學院 李永濤李永濤頻率域電法儀包括用于頻率域電磁法（包括地質雷達）和頻率域（頻譜）激電法的各種儀器。這類儀器之所以冠以“頻率域”之稱，主要是由于這類儀器的發送器能提供不同頻率的諧變電磁場源，同時，測量部分所測量的是大地在這類諧變電磁場作用下所產生的各種電磁響應或電化學響應的頻譜物性。頻率域電法儀使用的工作頻率范圍很寬，為10-3108赫茲。由于探測任務及選用的方法不同，具體使用的工作頻率范圍也有不同。常用

30、的有4個范圍：超低頻段數赫茲以下,最低可達10-4赫茲,主要用于大地電磁法MT；低頻(或音頻)段10104赫茲,用于多種常規電磁法;甚低頻(VLF)段1043104赫茲；射頻段106108赫茲,主要用于電波法和地質雷達。 地空學院地空學院 李永濤李永濤這類儀器的發送器主要由多頻正弦波發生器，功率放大器及輸出裝置組成。當需要建立傳導電流場時，發送器的輸出裝置同接地供電電極連接。若要以感應方式建立交變電磁場，發送器的輸出就應同發送線圈（或回線）連接。為了盡可能多地得到大地電磁（電化學）響應的各種信息，頻率域電磁法和激電法要求相應的儀器能觀測多種電磁或電化學響應的要素，例如：空間不同方向的電磁分量的

31、振幅譜(EX，EY，HX，HY，HZ與頻率f的關系)和相位譜；或它們的實分量譜和虛分量譜；電磁場橢圓極化的各要素；電磁場各空間分量和時間分量間的相互關系等。 地空學院地空學院 李永濤李永濤盡管要測的參數既有標量，又有矢量和張量，有的要進行多道測量，但儀器的接收測量部分都具有大致相同的基本工作模式或結構組成，即測量傳感器（測量電極，感應線圈或其他交變磁場傳感器）把待測的物理量轉變成電壓, 然后將它送至測量放大部分進行頻譜分析，以獲得所需的各種參數的頻譜。最后，將這些數據以不同的方式顯示或記錄下來,或者存入存儲器,待計算機對這些數據進行各種解釋和處理。為了對被測信號進行頻譜分析，在采用人工場源進行

32、工作時，都以發送電流為參考基準。 地空學院地空學院 李永濤李永濤發送和接收間的同步方式有有線同步、無線同步和石英鐘同步 3種。而當采用天然場源進行工作時，常用一個或數個遠參考站同步方式（例如大地電磁法MT所用）或以電磁場某一分量作為參考基準(甚低頻 VLF法所用)。頻率域電法儀的數據顯示，記錄或存儲方式分別有模擬量顯示、數字量顯示、監示器監測、磁帶記錄、磁盤存儲、半導體固態存儲、打印機輸出等。 地空學院地空學院 李永濤李永濤時間域電法儀包括用于時間域激電法和時間域電磁法（或稱瞬變電磁法）的各種儀器。這類儀器的工作程序大抵如下:發送器將其產生的各種時變函數信號,即各種時變波形的電流，通過供電電極

33、或者線圈去激發大地或準備研究的目的物。儀器的接收測量部分在一次場不存在時，即發送電流停止工作的時段內，將測量電極或感應線圈，及其他類似的磁場傳感器所接收到的大地或目的物的瞬變響應（常以衰變電壓的形式出現）傳送至寬頻帶測量放大器進行放大和處理，最后顯示、記錄或者存入存儲器。 地空學院地空學院 李永濤李永濤時間域電法儀是采用分時、順序方式進行工作的，即激發時，不進行測量，停止激發時，測量工作開始，直至下一次激發到來之前為止，并如此循環工作。瞬變電磁儀所使用的時變電流的重復頻率通常為數赫茲至數十赫茲。測量所占用的時間間隔為數毫秒至數百毫秒。時間域激電儀所使用的時變電流的重復周期常為數秒至數十秒。時間

34、域電法儀對瞬變（衰變）響應的測試和記錄并不是連續的，而是按照一定的時間間隔進行離散采樣。 地空學院地空學院 李永濤李永濤一般，激電儀的采樣間隔較寬，采樣的數目較少，并且起始采樣的時間亦較晚。而瞬變電磁儀則不同,它的起始采樣時間很早（約n101微秒）,采集的樣品數目較多（可達數十個），采樣的時間間隔也較窄。儀器工作時所用的同步方式多為石英鐘同步。當對測量精度要求不很高時，也可用發送電流停止工作時的脈沖信號進行同步。 地空學院地空學院 李永濤李永濤與頻率域電法儀相比，時間域電法儀對測量技術的要求更高，更復雜。這主要反映在：要求整個測試系統具備有高精度、高穩定度的時間基準；要求在數毫秒的時間范圍內,

35、不失真地放大幅度變化范圍為105106倍的電信號；在寬帶放大的前提下提取強噪聲背景下的微弱信號；發送器瞬時最大發送電流需達數十安培至 100200安培。 電法儀器今后可能會沿著兩個截然相反的方向發展。一是全能的、集數據采集、處理和自動解釋為一身的大系統；一是小、巧、優的智能化專用儀器。 地空學院地空學院 李永濤李永濤四、地震儀 地空學院地空學院 李永濤李永濤 地空學院地空學院 李永濤李永濤 地空學院地空學院 李永濤李永濤 地空學院地空學院 李永濤李永濤1.地震勘探儀器發展概況第一代,模擬光點記錄地震儀器,成品記錄是一次性直接可操作的模擬波形。記錄的地震數據信號的動態范圍小(僅20dB左右),頻

36、帶窄(僅20Hz左右),記錄的地震道數少(在24道以下)。第二代,模擬磁帶記錄地震儀器。其記錄是為可重復利用的模擬磁帶,關鍵技術沒有實質性突破,記錄地震信號的動態范圍較小(僅40dB左右),記錄地震信號的頻帶在100Hz以下,能夠記錄的地震道數一般在48道以下。第三代,數字磁帶記錄地震儀器。這類儀器的創新點是采用了前置放大、瞬時浮點放大和模/數轉換技術,實現了由模擬到數字的變革,使得瞬時動態范圍可達70dB以上,地震信號的頻帶可達到250Hz左右,記錄的地震道數一般在240道以內。 地空學院地空學院 李永濤李永濤第四代,遙測數字地震儀器。這代儀器的技術進步就在于,實現了以數字信號傳輸,一般在2

37、ms采樣時能有1000道左右的實時采集能力。第五代,20世紀90年代才推出的采用技術的24位A/D型遙測數字地震儀器,其代表是如今廣為流行的SN388、IMAGE、408UL等。這代儀器的核心技術已用24位A/D轉換器取代了先前的瞬時浮點放大器和14或15位A/D轉換器,且在不考慮檢波器的瓶頸作用時,技術的應用使得系統的瞬時動態范圍上升到110dB或更多,可記錄地震信號的頻帶達800Hz或更高。 地空學院地空學院 李永濤李永濤第六代,21世紀初開始面向勘探市場的全數字地震儀器,其代表是系統-IV(VC或VR)和408UL-DSU。與前一代儀器相比根本不同的是:系統中包含了以MEMS技術為核心的

38、加速度數字傳感器,使得系統的瞬時動態范圍在90dB以上,而且從0-500Hz都能等靈敏度和等相位響應地震信號。它不怕電磁干擾,有萬道以上實時采集能力,是今后實現寬頻帶萬道多波高精度采集的方向。 地空學院地空學院 李永濤李永濤2.地震勘探儀器技術現狀從技術水平上看,當今主流地震勘探儀器都是采用技術的24位A/D型,實時采集能力可達幾千甚至萬道,所應用的數字存儲技術、網絡遙測技術、數字傳感技術、數據通訊技術、計算機軟、硬件技術、電子工程技術、材料工藝技術等均屬國際先進水平,各項物理特性和技術指標也是同期高科技電子裝備中最高和最好的。3.地震勘探儀器的基本發展規律3.1能源資源在國計民生中的戰略位置

39、,決定了地震勘探儀器具有廣闊的市場空間。3.2物探方法和技術的進步與發展為地震勘探儀器發展提供了目標。3.3用戶的追求為地震勘探儀器發展明確了針對性的也是具體的物理特性內容。 地空學院地空學院 李永濤李永濤3.4新工藝、新材料、新技術是地震勘探儀器發展進步的依托和基礎,各個年代的地震勘探儀器無一不是跟蹤應用了當時最先進的計算機技術、電子工程技術、數據傳輸技術、傳感技術等,同時也采用了當時最優質的材料和最先進的工藝。3.5全球電子工業技術的規范化和標準化以及軟件技術的個性化發展使得地震勘探儀器的硬件組成更為通用和簡單,另外,系統的特點和核心技術越來越多地取決于應用軟件的功能與性能。 地空學院地空

40、學院 李永濤李永濤4.地震勘探儀器關鍵技術4.1技術。技術是過采樣技術,它通過提高采樣速度來換取樣點的精度。技術的應用,使地震勘探儀器的A/D轉換器從15位發展到24位,儀器的瞬時動態范圍從80dB升至110dB以上。24位A/D轉換器具有足夠的分辨率,系統的諧波失真度能控制在0.001%之內。由于技術的應用,才使地震勘探儀器能夠更有效地保護和記錄大信號背景下的高頻弱小信號,也使地震勘探有可能實現更準確和精細的成像。 地空學院地空學院 李永濤李永濤4.2數字傳感技術(MEMS技術)。數字傳感技術的應用便產生了數字傳感器(檢波器)和第六代勘探儀器,相對傳統的模擬檢波器而言,數字傳感器在技術特性上

41、主要有以下幾點實質性的進步。4.2.1直接以電信號平衡重力變化原理來感應地震波信號;4.2.2傳感器直接輸出24位一個樣點的數字信號;4.2.3幅度與相位頻率特性曲線在500Hz內是平坦的直線;4.2.4信號失真度低于0.003%,即瞬時動態在90dB之上;4.2.5能自動識別和校正垂直地心方向的傾斜角度。 地空學院地空學院 李永濤李永濤數字傳感器是加速度型,它感應的是重力的變化。它不怕任何工業頻率和雷電干擾。數字傳感器是高度集成的獨立單元,這些擁有獨特技術新型數字傳感器的應用為多波三維勘探、精細目標勘探,以及解決疑難地質問題和進一步提高勘探質量與效果等提供了硬件支持。4.3網絡遙測技術。網絡

42、遙測技術就是計算機的網絡通訊技術在地震勘探儀器中的推廣應用。這項技術的應用為野外施工時能按需要自由地選擇排列連接方式,進而為跨越道路、建筑、河流等實現繞路傳輸提供可能,同時也可以通過緩沖存儲器實現非實時傳輸或數據包重發。 地空學院地空學院 李永濤李永濤4.4硬件功能軟件實現技術。其要點就是借助計算機和處理器運算速度和能力的提高,將許多過去需用大量硬件實現的數據處理和運算工作,通過軟件方法在相應的處理機(器)上共享硬件資源來完成。4.5高速超大規模硬件技術。它是設計制造過程中充分采用功能強勁的超大規模集成電路和選用最優的新工藝、新材料,且多數情況是直接選用標準通用總成件。這樣做的結果是儀器的結構

43、越來越緊湊牢固,穩定性和耐用性更強,適應性和通用性更好,性能指標更優。4.6數字存儲技術。20年以前地震數據存儲用的磁帶還是0.5寬九個軌道的開盤帶,最高記錄密度也只有6250bpi,后來很快就推出了盒式磁帶,并逐步從3480、3490,發展到今天的3580、3590、3592等。目前也推出了在地震勘探中實用的光盤或硬盤存儲介質。 地空學院地空學院 李永濤李永濤4.7實時萬道采集技術。這是一項綜合技術,它包括編碼技術、數據傳輸技術、硬件技術、軟件技術、數字信號處理技術、存儲技術等。一般每隔35年儀器的道接收能力就要增加一倍,實質上道接收能力的強弱主要取決于地震數據的傳輸速度、處理速度和記錄速度

44、等。除以上所述的幾項關鍵技術外,近年來地震勘探儀器在其它方面也有某些技術創新和進步,如蜂窩通訊技術、頻分復用技術、16QAM技術、高精度同步控制技術、數據壓縮技術、高壓直流供電技術、GPS授時技術等,都在先進的地震勘探儀器系統中得到成功應用。 地空學院地空學院 李永濤李永濤5地震勘探儀器未來技術發展根據地震勘探儀器技術發展的一般規律,以及當前地球物理勘探市場的發展需求,或許將來地震勘探儀器發展的技術突破點就在于:采用更為優質的材料和先進的工藝以及更為科學和完善的數據編碼、壓縮、調制、傳輸技術,致使系統能達到1000MHz的數據傳輸速率和具有更為輕巧、耐用的特性;采用實時衛星定位技術,系統可以實

45、現隨意布設排列且自動校準X、Y、Z分量方位和自動識別地理位置;系統的集成度和環境適應性得到更好的優化,系統的尺寸和重量將數倍地下降而工作溫度、壓力(水深)、電磁環境等可以不受任何限制;或許超導和納米等技術引入地震勘探儀器,系統功耗數倍下降而工作速度卻成倍上升,以致陸上系統的供電不再需要外部支持。 地空學院地空學院 李永濤李永濤第三章 典型地球物理儀器介紹 地空學院地空學院 李永濤李永濤第三章 典型地球物理儀器介紹 地空學院地空學院 李永濤李永濤 地空學院地空學院 李永濤李永濤 地空學院地空學院 李永濤李永濤 地空學院地空學院 李永濤李永濤 地空學院地空學院 李永濤李永濤第三章 典型地球物理儀器

46、介紹工作原理CG-5CG-5型全自動高精度石英彈簧重力儀工作原理圖型全自動高精度石英彈簧重力儀工作原理圖1可變電容器；可變電容器；2彈簧；彈簧；3溫度傳感器；溫度傳感器；4控制電路；控制電路；5模數轉換器；模數轉換器；6數據接收；數據接收；7反饋電壓；反饋電壓；8傾斜靈敏元件；傾斜靈敏元件；9真空容器；真空容器；M重荷。重荷。 地空學院地空學院 李永濤李永濤第三章 典型地球物理儀器介紹 地空學院地空學院 李永濤李永濤第三章 典型地球物理儀器介紹 地空學院地空學院 李永濤李永濤第三章 典型地球物理儀器介紹 地空學院地空學院 李永濤李永濤第三章 典型地球物理儀器介紹 地空學院地空學院 李永濤李永濤

47、 地空學院地空學院 李永濤李永濤 地空學院地空學院 李永濤李永濤 地空學院地空學院 李永濤李永濤 地空學院地空學院 李永濤李永濤 地空學院地空學院 李永濤李永濤 地空學院地空學院 李永濤李永濤 地空學院地空學院 李永濤李永濤 地空學院地空學院 李永濤李永濤 地空學院地空學院 李永濤李永濤 地空學院地空學院 李永濤李永濤 地空學院地空學院 李永濤李永濤 地空學院地空學院 李永濤李永濤 地空學院地空學院 李永濤李永濤 地空學院地空學院 李永濤李永濤 地空學院地空學院 李永濤李永濤 地空學院地空學院 李永濤李永濤 地空學院地空學院 李永濤李永濤 地空學院地空學院 李永濤李永濤 地空學院地空學院 李永