国内地球物理仪器研发单位可分为高校、科研院所和企业三大类。高校主要有吉林大学、中国地质大学和中南大学。最近几年,中国石油大学、中国矿业大学、长安大学、长江大学、成都理工大学和国防科技大学也在开展一些地球物理仪器研制。研制对象包括地震仪、电法仪、磁力仪、地质雷达等。
科研院所包括中国科学院地质与地球物理所、中国地球科学院廊坊物化探所、煤炭科学研究院重庆分院、煤炭科学研究院西安分院、国家地震局、中科院电子所和军方的某些研究所。这些单位开展的前沿性研究比较多。
企业包括国有企业主要有中石油、中石化和重庆地质仪器厂。民营企业比较多,主要有骄鹏集团、重庆奔腾数控技术研究所、长沙白云仪器、湖南继善高科等等。这些单位主要为实用化产品开展研究。
传感单元与信号调理单元的连接,需要在多个参数上进行匹配。包括:
(l)信号调理器的输人阻抗应满足传感器输出负荷电阻的要求,一般应输人阻抗大于或等于传感器的输出负荷电阻。
(2)传感器的输出动态范围与信号调理器的动态范围匹配,既能满足最小幅值的测量,又在最大幅值时不会饱和,故设置合适的增益衰减挡。
(3)运动参数的匹配,即配置积分、微分挡级,以达到测量位移、速度或加速度可选择的要求。
众所周知,在野外进行地球物理勘查要求所使用的仪器重量轻、体积小、坚固耐用,要能防潮、防晒、不怕振动,无论在寒冷的北极或是在炎热的赤道地区都能正常工作。同时还要求仪器有多种功能,即能同时测量多种参数,例如不仅能测重力值、磁场值,而且还能测定它们的梯度;不仅能用来做电阻率法,也能用来做激发极化法、交流电法等。我国是一个多山国家,在固体矿产资源勘查中迫切需要有轻便多功能的地球物理仪器;同时,我国又是一个幅员辽阔的国家,海洋及西部的沙漠戈壁石油资源有待于开发,城市与环境物探方兴未艾,也迫切需要功能强,精度高,运用现代物理、电子与计算机技术的地球物理仪器装备。
仪器基本工作原理相同航空地球物理仪器、地面地球物理仪器和海底地球物理仪器都是以不同岩、矿石间物理性质的差异为物质基础,利用物理学原理,通过观测和研究地球物理场的空间与时间分布规律借以实现地质勘探和找矿目标。
仪器分类方法基本相同航空地球物理仪器、地面地球物理仪器和海底地球物理仪器分类都是以“重、磁、电、震、放、热”为主,但不同种类的仪器发展程度不同。海洋地球物理勘探仪器主要使用重力、磁力、地震和热流测量4种方法。海洋电法仪器和放射性测量仪器在海洋地区现仍处于理论探讨和方法试验阶段,尚有很大的发展空间。航空地球物理勘探仪器目前已经应用的航空物探领域有,主要方法有航空磁法、航空电法、航空重力法、航空放射性法等。
仪器工作环境与设备要求不同海洋物探仪器的基本工作原理和地面物探相同,但因工作场地是在海上,故对于仪器装备和工作方法都有特殊地要求,需使用装有特制的船弦重力仪、海洋核子旋进磁力仪、海洋地震检波器等仪器的勘探船进行工作,海洋勘探船还装有各种无线电导航、卫星导航定位等装备。由于海洋水体是运动的,上述观测必须采用一系列不同于陆地地球物理勘探的仪器和方法。海洋地球物理勘探在早期阶段,采取多种密封防水、弹性减震以及获取静态观测的措施。现在则充分利用海洋的特点进行动态观测,不仅可以快速和连续作业,而且适于将几种物探设备和导航定位仪器集中在一条工作船上,实现电子计算机控制的综合观测。50年代中期质子旋进式磁力仪的出现,不仅使海洋磁力测量成为可能,而且提供了广泛进行连续测量的精密仪器。
航空物探具有速度快,不受地面条件(如海、河、湖,沙漠)的限制,大面积工作精确度比较均一。自动控制和电子计算技术的发展,使航空物探综合化,提高了航空物探观测数据的计算和整理的速度及解释推断的水平。它的缺点是:对一些异常值较小的异常体反映不够清楚,分辨力要低些;其次是异常体的定位目前还不够十分准确,需要地面物探进行必要的补充工作。航空物探仪器通常要使用低速性能好的小型飞机,对飞机的要求是爬升性能好、转弯半径小、操纵灵活、低空和超低空性能好,以适应复杂的山区、丘陵地形的条件。飞机上应有便于安装各类探测仪器的部位,保证对不同仪器的磁场、电场、放射性干扰为最小。飞机上还应装有导航和无线电定位系统,以保证飞机在指定空域作精确的扫描飞行。用于航空物探的飞机通常需要在结构上进行适当的改装或进行专门的设计。
虽然航空物探仪器和海洋物探仪器与陆地物探仪器的工作原理与方法分类基本相同,甚至航空物探与海洋物探实施过程更为简便。但是由于深海与高空不同的工作环境限制,航空物探仪器与海洋物探仪器的研制一般需要高性能材料和元器件,科研难度较大,发展空间较大。
高密度电法的基本原理与传统的电阻率法完全相同,测量的参数和普通电阻率法测量的参数一致,主要参数是视电阻率,不同的是在观测中设置了较高密度的测点,现场测量时,只需将全部电极布置在一定间隔的测点上,然后进行观测。高密度电阻率法实际上是一种阵列勘探方法。野外测量时高密度电法仪采用多芯电缆,只要将全部电极(几十至上百个)置于测点上,电极均匀分布在电缆上,在主机上通过继电器开关的转换完成对不同电极、不同极距的切换,自动完成整个排列的观测任务,然后利用程控电极转换开关和微机工程电测仪实现数据的快速和自动采集。当测量结果送入微机后,可对数据进行处理并给出相关地电断面分布的各种无力解释的结果。高密度电法勘探技术室智能化程度的很大进步。
由于高密度电法相对于传统的电阻率法有以上的优势,所以,它具备以下特点:
(1)电极布设一次性完成,减少了因电极设置引起的干扰和由此带来的测量误差;
(2)能有效地进行多种电极排列方式的测量,从而可以获得较丰富的关于地电结构状态的地质信息;
(3)数据的采集和收录全部实现了自动化,不仅采集速度快,而且避免了由于人工操作所引起的误差和错误;
(4)可以实现资料的现场实时处理和脱机处理,大大提高了电阻率法的智能化程度。这些,也造成了高密度电法仪在接收部分普通电阻率仪/激电仪的接收仪部分的很大的差别。
SQ-3双频道轻便型微机激电仪发送机由以下10部分组成:
(1)中央处理器(CPU)
(2)波形合成电路
(3)功率驱动电路
(4)供电主回路(逆变电路)
(5)电流取样电路
(6)保护电路
(7)频率选择电路
(8)音响提示报警电路
(9)128×64液晶显示电路
(10)机内工作电源
由中央处理器(CPU)产生高频及低频方波信号经波形合成电路形成双频混合波,再经驱动电路驱动逆变桥的功率开关,由A、B端向大地供双频复合电流。此双频供电电流在取样标准电阻上产生电压下降,读取该电压降即可达到读取电流的目的。仪器设有供电主回路的过流保护、供电主回路的高压检测、仪器内部工作电压的欠压检测装置。当供电主回路电压超过400V或主回路电流超过2048mA时,仪器自动切断高压电源,达到保护的目的。当机内仪器工作电源低于9.5V或电流大于2400mA时仪器报警并自动关机。
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.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.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。
联系:高密度电法指的是直流高密度电阻率法,但由于从中发展出直流激发极化法,所以统称高密度电法。其从本质上讲仍属于电阻率发的范畴,主要是在影响工作效率的电阻率参数测量和跑极上实现了微处理器自动控制,从而实现了仪器在短时间内采集大量数据。所以,高密度电法仪也应该属于点法勘探仪器的范畴。双频激电仪器主要是把两种频率的方波电流叠加起来,同时提供信号源,同时进行测量。但其本质上讲是一种频率域激发极化仪器,也属于电阻率发仪器的范畴。所以,从本质上讲,两种仪器都属于电阻率法仪器的范畴,其测量的参数具有相同之处,都测量了视电阻率参数,双频激电仪还测量了极化率参数。
区别:
(1)高密度电法仪和双频激电仪虽同属于电阻率发仪器的范畴,但是,高密度电法仪应该是一种时间域电阻率法仪器,而双频激电仪应是一种频率域点法勘探仪。
(2)此外,两者也和普通的电阻率仪器有很大的差别。高密度电阻率法的基本理论与传统的电阻率法完全相同,所不同的是高密度电法在观测中设置了较高密度的测点,现场测量时,只需将全部电极布置在一定间隔的测点上,由主机自动控制供电电极和接收电极的变化,完成测量。在设计和技术实施上,高密度电法测量系统采用先进的自动控制理论和大规模集成电路,使用的电极数量多,而且电极之间可自由组合,这样就可以提取更多的地电信息,使电法勘探能像地震勘探一样使用多次覆盖式的测量方式。与常规电法相比,高密度电法具有以下特点:
①电极布设一次性完成,减少了因电极设置引起的干扰和由此带来的测量误差;
②能有效地进行多种电极排列方式的测量,从而可以获得较丰富的关于地电结构状态的地质信息;
③数据的采集和收录全部实现了自动化或半自动化,不仅采集速度快,而且避免了由于人工操作所出现的误差和错误;
④可以实现资料的现场实时处理和脱机处理,大大提高了电阻率法的智能化程度;
⑤可以实现多参数测量,同时观测电阻率、极化率和自然电位。
而双频激电仪的特色是双频组合电流(高、低两种频率),同时供入地下,接收来自地下的含有两个主频率的激电总场的电位差信息,经过仪器内部的放大、选频、检波等一系列步骤,同时得到低频电位差和高频电位差,计算出视幅频率。双频激电仪器具有以下特点:观测速度快,工作效率高、探测深度400-600米;轻便灵活,供电电流仅为时间域激电的1/20~1/50;受电流变化影响小,不需稳流;高低频同时发送、接受,抗干扰能力强;自动消除电磁耦合效应;为判别激电异常源提供信息;可同时多台接收机同时工作,中梯扫面速度快。以SQ-3C轻便型双频道数字激电仪为例,该仪器分为发送机和接收机2部分,发送机向大地发送含有低频和高频两种频率的混合波电流,接收机同时接收经过大地传导后的这两种频率的电流信号,并通过高、低频电位差计算出视幅频率和视电阻率。
石油地震勘探仪器和工程地震勘探仪器的基本原理是一致的。
石油地震勘探仪器一般常用的是数字地震仪。这种仪器是把检波器输出的信号数字化,并将数字化的信息按一定格式记录在磁带上。这种仪器的特点是动态范围大、频带宽、精度高等。仪器的主体包括3个箱体:模拟箱体、逻辑箱体和磁带机。另外还有两个辅助箱体:覆盖开关(包括电台)和照相记录仪。60道或120道地震检波器接收到的地震信号,经过滤波前置放大器,模拟滤波,再经多路转换开关对各道地震信号进行采样,瞬时浮点放大和模数转换,送至控制箱体,经过记录逻辑系统再送入磁带机最後记录在磁带上。
工程地震勘探仪器主要是工程地质领域的浅层地震仪。按其工作原理分计数型、波形表示型和信息增强型3大类。广泛用于矿产、水文地质、工程地质等领域。浅层地震仪常见的有传真式地震仪。它的记录方式是只记录幅度超过一定阈值电平的信号,并用归一的“短划”形式记录在电敏纸上。一方面通过地震波的非线性变换,将连续的地震信号用幅度比较器转换为脉冲讯号;另一方面用逻辑门对双信号道的信号利用相关波长滤波技术进行处理,可得到记录良好的浅层反射波。计数型浅层地震仪是通过地震波由检波器1到检波器2的传播时间来得知振动速度的。即把地震波到检波器1和2产生的信号分别作为启停控制脉冲﹐并用时钟电路提供的计时脉冲﹐将两个信号的时间间隔数字化,用数字的计时单位直接给出观测值。波形表示型浅层地震仪主要有光线示波器型和紫外线示波器型、阴极射线管指示器型和传真摹写型等。它的波形显示方式具有直观显示特点,能进行续至波记录﹐还能提供地震波的动力学特征。增强型浅层地震仪是一种采用信号叠加的处理方法来改善检出信号的信噪比,以增大探测深度或便于在干扰严重地区进行有效工作。它测量在同一锤击点多次激发的地震波,将其到达检波器的时刻与各地震界面相对应的相同信号叠加在一起﹐从而使信号得到增强,而相位紊乱的随机干扰信号随锤击次数增加而趋于互相抵消。
1.仪器基本工作原理相同
航空地球物理仪器、地面地球物理仪器和海底地球物理仪器都是以不同岩、矿石间物理性质的差异为物质基础,利用物理学原理,通过观测和研究地球物理场的空间与时间分布规律借以实现地质勘探和找矿目标。
2.仪器分类方法基本相同航
空地球物理仪器、地面地球物理仪器和海底地球物理仪器分类都是以“重、磁、电、震、放、热”为主,但不同种类的仪器发展程度不同。海洋地球物理勘探仪器主要使用重力、磁力、地震和热流测量4种方法。海洋电法仪器和放射性测量仪器在海洋地区现仍处于理论探讨和方法试验阶段,尚有很大的发展空间。航空地球物理勘探仪器目前已经应用的航空物探领域有,主要方法有航空磁法、航空电法、航空重力法、航空放射性法等。
3.仪器工作环境与设备要求不同
海洋物探仪器的基本工作原理和地面物探相同,但因工作场地是在海上,故对于仪器装备和工作方法都有特殊地要求,需使用装有特制的船弦重力仪、海洋核子旋进磁力仪、海洋地震检波器等仪器的勘探船进行工作,海洋勘探船还装有各种无线电导航、卫星导航定位等装备。由于海洋水体是运动的,上述观测必须采用一系列不同于陆地地球物理勘探的仪器和方法。海洋地球物理勘探在早期阶段,采取多种密封防水、弹性减震以及获取静态观测的措施。现在则充分利用海洋的特点进行动态观测,不仅可以快速和连续作业,而且适于将几种物探设备和导航定位仪器集中在一条工作船上,实现电子计算机控制的综合观测。50年代中期质子旋进式磁力仪的出现,不仅使海洋磁力测量成为可能,而且提供了广泛进行连续测量的精密仪器。
航空物探具有速度快,不受地面条件(如海、河、湖,沙漠)的限制,大面积工作精确度比较均一。自动控制和电子计算技术的发展,使航空物探综合化,提高了航空物探观测数据的计算和整理的速度及解释推断的水平。它的缺点是:对一些异常值较小的异常体反映不够清楚,分辨力要低些;其次是异常体的定位目前还不够十分准确,需要地面物探进行必要的补充工作。航空物探仪器通常要使用低速性能好的小型飞机,对飞机的要求是爬升性能好、转弯半径小、操纵灵活、低空和超低空性能好,以适应复杂的山区、丘陵地形的条件。飞机上应有便于安装各类探测仪器的部位,保证对不同仪器的磁场、电场、放射性干扰为最小。飞机上还应装有导航和无线电定位系统,以保证飞机在指定空域作精确的扫描飞行。用于航空物探的飞机通常需要在结构上进行适当的改装或进行专门的设计。
虽然航空物探仪器和海洋物探仪器与陆地物探仪器的工作原理与方法分类基本相同,甚至航空物探与海洋物探实施过程更为简便。但是由于深海与高空不同的工作环境限制,航空物探仪器与海洋物探仪器的研制一般需要高性能材料和元器件,科研难度较大,发展空间较大。