地球物理勘查仪器设备研制现状及其发展研究

地球物理勘查仪器设备研制现状及其发展研究雷振英傅学信（中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所）内容简介：文中较深入地叙述了国内外主要物探仪器研发现状、技术水平，并提出了我国物探仪器的发展差距。在深入研究近十年我国物探仪器研制具有创新性成果中，极其鲜明地提出了八种仪器具有品牌化的品质与规格，以及可预见的发展潜力和前景。这些仪器产品，应争取在短期内加大研发力度，推进其产业化、商品化、品牌化进程，最终实现国产品牌化发展目标。为使我国物探仪器的发展在现代技术方面有大的突破，文中提出未来发展取决于引入新理论、新方法和广泛应用高新技术（电子技术、新型材料等）的成果。为适应深部找矿，迫切需要物探方法加大勘查深度、提高分辨率，物探仪器要加大发射功率，提高接收灵敏度，提高精细程度，接收频响要宽等。解决仪器稳定性与可靠性问题，也应加大研发力度。在仪器研发工作中，要特别重视地球物理传感器技术，把它作为一项关键性技术进行认真、深入研究。最后十分明确地总结出几点意见，如：①提高空间分辨率,扩展对目的物的有效探测范围等七项物探仪器装备重点研发方向。②航空、地面、地下三大类23种物探仪器的研制内容及其实现目标，等等。在不远的时期我国物探仪器装备的研制与生产实现产业化、品牌化，为步入世界先进行列打下坚实的基础，彻底改变仪器装备依附国外进口的被动局面。一、国外物探仪器设备国外的浅层地震仪、直流电法仪器、瞬变电磁仪、放射性仪器没有多大的优势。国外重力仪和交流电磁法仪器的性能与技术指标高。国外的测井仪器的集成度高、稳定性与可靠性好，一次下井可以完成多参数测量工作。国外的磁法仪器精度高、性能好。国外的处理与解释软件先进。总的来讲，国外有些仪器的水平较高，但价格也高。国外仪器占有一定的市场份额。我国引进的仪器有：几十台加拿大先达利（Scintrex）公司的CG—5电子重力仪（还有美国的LacosteEG型重力仪）；数百套加拿大凤凰公司的V-5、V-6、V-8多功能电法系统、数十套美国ZONG公司生产的GDP-16、GDP-32多功能电法仪、数十套美国Geometrics公司和EMI公司联合研制的双源型EH-4连续电导率剖面仪；数百套美国GEOMETRICS公司生产的G856、G858磁力仪。这些国外多数设备在我国的矿产、水文、工程、环境、能源等地质勘探方面发挥了重要作用。下面叙述国内较为认可的几种国外物探仪器的特点。1、国外重磁仪器（1）CG—5重力仪“CG—5AutoGrav”自动重力仪的核心部件是在一个电容器极板之间由石英弹簧吊着重荷，重荷的位置受重力作用而离开“零点”。仪器自动调整电容器极板上的电压使重荷位置“回零”，测出电压的变化值即可算出重力值。CG—5的最大特点是直接绘出采样时读数变化曲线和各种相应的信息。分辨率为1μGal，标准偏差＜5μGal，量程达8000mGal。工作温度范围达-40～+45℃，基本上能适应在全球范围内进行重力测量。CG—5在抗环境应力方面有许多明确的指标，如对20G的外力冲击（震动），影响小于5μGal。环境温度系数0.2μGal/℃（典型值），磁场系数1μGal/Gs（高斯）等等。它可以直接接用模拟记录仪，也可以通过RS232接口用计算机和调制解调器进行遥控。（2）LacosteEG型重力仪LacosteEG重力仪是美国Lacoste&Romberg公司的产品。它采用ZEROLENGTHMETAL金属弹簧专利技术,是精度最高、性能最稳定的重力观测仪器,尤其是微重力测量。其仪器主要特点：①EG型仪器具有很高的分辨率，它的分辨率为0.1微伽，特定条件下，重复率可达1微伽；在野外条件下一般观测精度可达320微伽。②仪器可自动调平，实时固体潮改正，通过RS232与计算机通讯进行数据传输，存储器容量大，性能稳定，零漂小，使用动态范围大，几乎可在世界任何地区、任何环境下工作。③仪器体积小，坚固耐用，使用寿命长，几乎不出现故障，操作简单，维护方便。（3）G-856/G-858型便携式铯光泵磁力仪G-858是一种超高速、高效的磁测绘图工具。该系统快速直观，可同时观看五条叠加测量剖面和测量网格，后者示出已测和未测的区域。测值存储在固化存储器RAM中，以便在现场回放和在基站上转存。系统装有多功能软件包，它可传输、编辑数据，按二维或者三维等值线格式内插数据。数据输入主计算机后数分钟内即能绘出带有全部注释的彩图。G-858型磁测系统由装在腰带上的显示盒和一端装有铯光泵探头的手持平衡杆组成，显示盒中装有采集磁场数据及位置的电子线路，并将数据在液晶屏幕显示出来，一边观察一边编辑，该显示盒还将数据存入存储器中，它可转存至计算机，以便进一步处理、分析。其主要技术性能：工作范围：17000～100000nT；灵敏度：测量速度1.0s时为0.01nT；采样间隔：0.1s～1hr（每步0.1s）或外触发；内装时钟：分辨率0.01s，漂移＜1s/天；工作温度：-25℃～+50℃。2、国外电法仪器（1）V-8多功能电法系统V-8多功能电法系统可以进行三维或四维电法测量。可以做MT、AMT、CSAMT、TDM、FDEM、TDIP、SIP以及多种电阻率测量。V-8包括轻便坚固的采集系统和GPS同步系统，以及触摸式防水、ASCII键盘和彩色的阳光下可视屏幕，可以轻松地对可控源和自然场源采集数据并进行处理。V-8有3个磁道和3个电道，磁道既可以连接标准的磁棒，也可以和1到3个轴向的TDEM探头连接。V-8还可以单机工作（通常用来做AMT和MT）。另外，它可以和多个其它系统单元如V-8或RXU-3ER（3个电道采集站）组成多道无线局域网络同步采集系统。无论是网络化的记录单元之间，还是接收机和发射机之间均可通过GPS时间（±0.2μs）保持同步。在GPS信号不好的地方，系统内晶振时钟会自动启动同步。（2）GDP-32Ⅱ多功能电法仪GDP-32Ⅱ地球物理数据处理器是一个万用的、多通道的接收机，可以采集任何类型的电磁或电场数据，其带宽为DC-8kHz。GDP-32Ⅱ的设计，积累了从GDP—12、GDP—16、GDP—32至今二十多年发展的经验。其设计强调软件的灵活性，最佳的数据质量以及恶劣野外条件下的坚固性。大型号：在直流-8kHz范围内，可配置16个模拟通道。小型号：可设置6个通道。GDP-32Ⅱ主要特点：采用最先进的模块化设计，灵活，配置可选择；重量轻，方便携带；接收系统或者发射机之间为无线连接；参考站的局域网络之间为无线或有线通讯；发射机和局域网络均通过GPS实现同步；发电机可根据用户需要在国内采购；分辨率高于其他同类产品（高频部分16位，低频部分24位）；工作温度：-30℃～+50℃。（3）EH-4型连续电导率剖面仪EH-4是双源型电磁系统，仪器设计精巧、坚实，特别适合地面2D、3D连续张量式电导率测量，在技术上率先突破传统单点测量模式，走向电磁测量拟地震化、联合2D、3D连续观测和资料解释。可以进行浅层油气、煤田、矿产、地下水、冻土层、山区工程、矿井工程勘探及AMT静校。其主要技术参数：频率范围：10Hz—100kHz；发射机：带垂直天线线圈的TxIM2型发射机，频率：500Hz—70kHz；天线尺寸：2个4m2的垂直交叉线圈；电源：12V,60Ah电瓶；电极：4个BE-26型带缓冲器的有效高频偶极子以及4个SSE不锈钢电极，26m电缆；磁棒探头：2个BF-IM磁感应棒（10Hz～100Hz），10m电缆；模拟终端：1台AFE-EH4模拟讯号调节器，用它将一对电极和一对磁棒的数据传至采集单元；带宽：DC—96kHz；工作温度：0℃～50℃。3、国外测井仪器美国MOUNTSOPRIS公司的MGXII测井数据采集系统，是目前小口径的应用于金属矿和工程地质勘查中最先进的数字测井系统。它适用于固体矿床和工程地质勘查的小口径井眼的综合测井，是介于数字测井和成像测井的产品。主要用于浅层油气勘查、找矿、地下水开发、工程地质勘查等。该系统具备地面数据采集系统、绞车、电缆、下井探头、数据处理和测井图形输出设备。地面数据采集系统具有可扩充性，可以扩充系列的井下测井探头而不需要进行改造或者升级，具有电磁、放射性、声波系列的数据采集、信号生成、仪器控制部分。MGXII测井仪测量项目：自然伽玛、伽玛能谱、声频摄像、自然电位、电阻率、屏蔽/聚焦电极电阻率、激发极化、双聚焦激电、全波链声波、井下电视、质子、井径、井斜、磁化率、压力、高分辨率密度、水质、温度、PH、FEC氧化还原、咸度、液样等。MGXII测井仪系统主要探头有2PEA10008/16/32/64标准电阻率探头、2SAA1000全波列声波测井探头、2BHV10003/4英寸井中电视、2PCA1000三臂井径仪、ALTDIL45DualInduction双感应探头、2SNA1000S1024道伽玛能谱探头、PFA,2SFA,B,2WQA1000温度和流体电阻率探头、2GHA1000三个一组伽玛探头、2NUA1000热中子探头、2BSA磁化率探头、2PGA1000伽玛/自然电位/单点电阻率探头、2PIA1000电磁感应电导率测量探头的2DVA1000井斜测量探头。二、国内物探仪器设备1、重力仪器当今最先进的重力仪器以CG-5和LCR-D/G系列的数字化智能型高精度重力仪为代表，其读数分辨率达1微伽，重复观测精度＜5微伽。国内主要以引进为主。现已开始数字重力仪的研制与开发。北京地质仪器厂的石英重力仪，该仪器的传感器用石英制作的弹簧，是测量重力加速度相对变化的仪器，读数精度10μGal，精度高、重量轻、体积小、操作简便、使用方便。Z400型石英重力仪可广泛用于地质构造和矿产的重力勘探，包括重力普查，重力详查和区域重力测量。但由于产量受到手工操作拉石英丝的限制，尚不能满足国内需求，若扩大生产能力，国内外都还有市场。2005年底该厂启动了全自动电子重力仪的研制工作，我国自行研制具有自主知识产权的电子重力仪的投产，会使目前电子重力仪完全依靠进口的形势有根本性扭转。西安测绘所于1998年开始了我国第一套航空重力测量系统的研制，于２００３年研制成功，测量精度为5～7mGal，与当前的国际水平相当。我国航空重力仪的任务是测定难以实施地面重力测量的地区、陆海交界区域和海洋区域的重力测量。我国航空矢量重力测量技术的研究也正在进行。绝对重力仪方面，中国计量院已成为国际上少有的几个掌握绝对重力仪研发技术的研究机构之一，我国的NIM—Ⅱ型绝对重力仪的测量不确定度为4μGal。２、磁法仪器磁力仪一般都观测全磁场F，有多种观测全磁场F的磁力仪，例如，质子磁力仪（核旋），Overhauser磁力仪，光泵磁力仪（钾光泵，铯光泵，氦光泵）和相应的磁场梯度仪。标准质子磁力仪的分辨率高达0.01nT，以加拿大的GSM-19T质子磁力仪和铯光泵G856、G858高精度磁力仪为代表，仪器小型、轻便、全数字化、稳定。国内与国外差距不大，主要问题是仪器稳定性和精度方面还存在差距。（1）磁通门磁力仪，目前使用很广泛，国内生产厂家也很多，所用的磁性材料是玻莫合金。现在国内做出来的磁通门磁力仪的水平与国外相当，测量范围为10-10～10-4（Ｔ），可测矢量场。我国现有的磁通门梯度仪的水平也与国际上的产品相当，主要用于军事方面，可以为潜艇导航，也可用于制导，例如打坦克，有激光制导，但它对目的物有无磁性不能判别，加上磁场梯度仪可提高辨别目标的能力。我国CTM型磁力仪是一种具有世界先进水平的地磁测量仪器，它可以精确测定地磁偏角和地磁倾角，与观测地磁场总强度的质子磁力仪组合，可以理想地观测地磁场矢量。（2）光泵磁力仪，国内产品水平与国外相近，但在物探领域还没有普遍应用。光泵磁力仪，国外在向小型化发展。国产HC—95型手持式光泵磁力仪经过改进，灵敏度已达到0.02nT，全重仅1.5kg，与国外相比、灵敏度上还有差距。（3）我国的质子磁力仪，分辨率达到0.1nT，已能满足高精度磁测的要求。目前国内的生产能力也基本上能满足国内市场的需求。但是前几年国内此类产品短缺