科技前沿▏地球物理勘探仪器技术与进展
一、引言
地球物理勘探是通过地球物理仪器，测量地球的物理场（如重力场、电场和磁场等）及其在时间和空间上的变化规律，进而推测地球内部的成分、结构和变化情况，从而达到认识地球、造福人类的目的。
地区物理勘探也是是利用地壳中岩（矿）石物理性质的差异来研究地质构造或探测地下矿产的一门科学。用于获取地壳中岩（矿）石物理参数的测试仪器统称为地球物理仪器（也成为物探仪器）， 它综合运用物理学、电子学、材料科学、系统科学、计算机技术等多门学科的相应理论、方法和技术来探测地球的各种物理信息， 是地球物理勘探直接获取信息的主要手段与工具。地球物理仪器广泛应用于地质、石油、冶金、煤炭、交通、铁路、水电、建筑工程等领域，是认识地球、能源和资源勘探、工程质量检测、环境检测以及地质灾害监测预测的重要手段，在军事上也有重要作用。
二、地球物理勘探方法简介
⒈重力勘探
重力勘探是利用组成地壳的各种岩体、矿体间的密度差异所引起的地表的重力加速度值的变化而进行地质勘探的一种方法。它是以牛顿万有引力定律为基础的。只要勘探地质体与其周围岩体有一定的密度差异，就可以用精密的重力测量仪器（主要为重力仪和扭秤）找出重力异常。然后，结合工作地区的地质和其他物探资料，对重力异常进行定性解释和定量解释，便可以推断覆盖层以下密度不同的矿体与岩层埋藏情况，进而找出隐伏矿体存在的位置和地质构造情况。
⒉ 磁法勘探
自然界的岩石和矿石具有不同磁性，可以产生各不相同的磁场，它使地球磁场在局部地区发生变化，出现地磁异常。利用仪器发现和研究这些磁异常，进而寻找磁性矿体和研究地质构造的方法称为磁法勘探。磁法勘探是常用的地球物理勘探方法之一。它包括地面、航空、海洋磁法勘探及井中磁测等。磁法勘探主要用来寻找和勘探有关矿产（如铁矿、铅锌矿、铜锦矿等）；进行地质填图；研究与油气有关的地质构造及大地构造等问题。我国建国以来大多数铁矿区、多金属矿区及油气田等都进行了大量的磁法勘探工作，取得了良好的地质效果。磁法勘探也是基本地球物理手段，国家已纳入在全国范围内进行系统测量的计划，并已基本覆盖了全国重要地区。
⒊电法勘探
电法勘探是根据岩石和矿石电学性质（如导电性、电化学活动性、电磁感应特性和介电性，即所谓“电性差异”）来找矿和研究地质构造的一种地球物理勘探方法。它是通过仪器观测人工的、天然的电场或交变电磁场，分析、解释这些场的特点和规律达到找矿勘探的目的。电法勘探分为两大类。研究直流电场的，统称为直流电法，包括有电阻率法、充电法、自然电场法和直流激发极化法等；研究交变电磁场的，统称为交流电法，包括有交流激发极化法、电磁法、大地电磁场法、无线电波透视法和微波法等。按工作场所的差别，电法勘探又分为地面电法、坑道和井中电法、航空电法、海洋电法等。
⒋地震勘探
地震勘探是近代发展变化最快的地球物理方法之一。它的原理是利用人工激发的地震波在弹性不同的地层内传播规律来勘探地下的地质情况。在地面某处激发的地震波向地下传播时，遇到不同弹性的地层分界面就会产生反射波或折射波返回地面，用专门的仪器可记录这些波，分析所得记录的特点，如波的传播时间、振动形状等，通过专门的计算或仪器处理，能较准确地测定这些界面的深度和形态，判断地层的岩性，是勘探含油气构造甚至直接找油的主要物探方法，也可以用于勘探煤田、盐岩矿床、个别的层状金属矿床以及解决水文地质工程地质等问题。近年来，应用天然震源的各种地震勘探方法也不断得到发展。
三、地球物理仪器的分类
地球物理仪器的种类繁多，目前尚没有一种统一的分类方法，通常可以按应用领域来划分，如航空物探仪器、地面物探仪器、测井物探仪器和海洋物探仪器；按仪器原理划分主要有电法勘探仪器、磁法勘探仪器、重力勘探仪器、地震勘探仪器和放射性勘探仪器等；按探测对象可划分为地下管线探测仪器、金属探测仪器、石油探测仪器等。目前常用的习惯分类方法如附表1所示。
附表1 常见物理探测仪器
类别 | 典型仪器 | |
重力仪 | 绝对测量重力仪、相对测量重力仪（石英弹簧重力仪、金属弹簧重力仪、超导监测重力仪、激光重力仪） | |
磁法仪器 | 磁化率仪、磁梯度仪、磁力仪（机械式磁力仪、磁通门磁力仪、质子磁力仪、光泵磁力仪、超导磁力仪） | |
电法仪器 | 传导式仪器 | 天然场法仪器： 人工场法仪器：直流电阻率仪、交流电阻率仪、时间域激电议；磁电阻率仪、磁激电议。 |
感应式仪器 | 天然场电法仪器：音频大地电测仪、工频大地电测仪、天然场仪、磁大地电流测深仪、音频大地电流测深仪、甚低频法仪器、天然音频电磁法仪器； 人工场法仪器：多频振幅仪、多频振幅相位仪、频率测深仪、无线电波透视仪、振幅相位差仪、椭圆极化仪、线圈法仪、虚分量仪、瞬变脉冲电磁仪、可控源时域音频大地电磁仪。 | |
地震仪 | 轻便型地震仪、信号增强型地震仪、电缆遥测多道地震仪、无线电遥测地震仪 | |
放射性仪器 | 下能谱仪、测氛仪、x荧光测井仪 | |
其它仪器 | 地温仪、地质雷达、管线探深仪、打桩分析仪、金属探深仪 |
四、地球物理仪器研制
中国科学院电磁辐射与探测技术重点实验室在国家重大科研装备研制项目、863计划以及中科院创新2020重点项目等的支持下，开展了电法和磁法地球物理仪器的研究工作，突破了高稳定度、大功率发射技术，以及低噪声、大动态范围、高精度采样等关键技术，取得了一系列创新成果，主要包括：“感应式磁场传感器”、“航空瞬变电磁勘探仪”（ATEM）、“多通道大功率瞬变电磁勘探仪”（M-TEM）、“大地电磁仪”（MT）、“瞬变电磁仪”（TEM）等，部分产品已获得市场推广应用。
⒈感应式磁场传感器
实验室研制出了用于大地电磁测深（MT）、音频大地电磁测深（AMT）、音频可控源大地电磁测深（CSAMT）、时间域电磁方法（TEM）等地球物理电磁方法的系列感应式磁场传感器，并实现批量化生产，灵敏度可达0.1pT/√Hz（1Hz），达到国际先进水平。其中用于MT方法的感应式磁场传感器性能优于国外同类产品，其噪声水平仅为国外产品MTC-80型磁探头的50%。
目前，已有近千支CAS-50型感应式磁场传感器在中石油得到应用，用于海外油气区块的勘探作业，首次实现国产高灵敏度磁传感器走出国门，对我国油气资源高端勘探装备“走出去”具有重要意义。另外，还有百余支CAS-10M型感应式磁场传感器用于我国“863”计划深海油气勘探电磁仪器研制项目，首次实现国产高灵敏度磁传感器全面替代进口产品获取海底磁场数据，对我国海洋油气资源开发和水下目标探测具有重要意义。
批量化生产的磁场传感器经过三年多的工程应用表明：CAS系列感应式磁场传感器性能优越、指标先进、数据可靠，整体技术水平达到了国内领先、国际先进水平，极大地推动了我国地球物理电磁勘探仪器的国产化进程。
此外，为了实现感应式磁场传感器的测试与标定，实验室在河北怀来建立了感应式磁场传感器参数测试和标定平台，改变了我国长期缺乏感应式磁场传感器测试标定平台的局面，并被中国地震局指定为“地震前兆电磁扰动仪”入网仪器的唯一计量单位。
⑴高均匀度交变磁场产生装置，性能参数处于国内领先，达到国际先进水平。可产生高均匀度的标准磁场，频率范围：0.01Hz～100kHz，均匀场空间：均匀度 0.1%，直径 10cm×长度 2.5m（轴向中心处）。
⑵电磁屏蔽室装置，用于屏蔽地磁场，在其内部形成一个近似无磁场的环境，用于测量磁场传感器的噪声水平，内部剩余磁场<4fT/√Hz（1Hz），该指标处于国内领先水平。
⑶ 三轴正交亥姆赫兹线圈装置用于产生X、Y、Z三个方向上高均匀度的标准磁场，在该已知磁场的作用下，可测量三轴磁场传感器轴间串扰、轴间正交性误差等参数，技术指标处于国内领先，达到国际先进水平。
⒉航空瞬变电磁勘探仪
在国家重大科研装备项目“航空瞬变电磁仪”（Airborne Transient Electromagnetic，ATEM）项目经费支持下，实验室开展了基于低空飞行平台并兼具全航空（大型飞艇搭载平台，如图4）及半航空（无人机，如图3）工作模态的航空瞬变电磁勘探仪器的研究，可满足我国成矿环境的多样性及作业任务的复杂性需求。
2016年10月，考虑到多样化航空电磁探测系统的需求，在ATEM项目经费支持下，完成了我国第一套具有自主知识产权的基于直升机平台的全航空瞬变电磁勘探系统（如图5所示），该系统发射线圈直径已经达到了28米。2016年10月在内蒙古西乌旗和兴安盟进行了实际矿区的测试飞行，并为武警黄金部队进行了多个区块的航空勘探技术服务。其中，与国外某航电设备第13测线剖面对比效果图如图5(d)所示，反演结果与钻孔资料对比效果图如图5(e)所示，探测深度达到600米以上。
目前，已完成了航空瞬变电磁全航空模态、半航空模态和直升机平台的实用化样机研制，并成功进行了全航空勘探模态和半航空勘探模态的飞行验证试验，填补了国内技术空白，达到国外同类装备产品的先进水平。
⒊多通道大功率瞬变电磁勘探仪
在国家重大科研装备项目“多通道大功率瞬变电磁勘探仪”（Multi-Transient Electromagnetic，M-TEM）项目经费支持下，实验室开展了多通道瞬变电法新技术的研究。与传统瞬变电磁法不同，M-TEM采用拟地震处理方法，发射伪随机编码脉冲信号，采用多通道接收和数据相关处理技术，如图6所示。M-TEM系统可以在同等发射功率条件下，大幅度地提高接收信号的信噪比，进而提高系统的探测深度和精度，其最大探测深度可以达到2000米。
M-TEM系统已完成了三次野外集成实验，获得了预期的实验结果。如图7所示为M-TEM系统野外测试场景及勘探结果。
⒋地面瞬变电磁勘探仪
针对地下500米以浅勘探的需求，实验室开展了地面瞬变电磁仪技术研究和产品研制，研制出的CASTEM系统包括发射机、接收机以及磁场传感器，如图8所示。发射机最大输出电流50A，可以通过增加功率模块进一步提高发射功率。接收机可根据不同探测深度的要求，对增益和采样门设置进行调节。大量的野外实验测试表明，CASTEM瞬变电磁仪性能稳定、最大探测深度可以超过地下500m，达到国外瞬变电磁仪产品的最高技术水平（例如：加拿大PROTEM设备）。与PROTEM电磁仪的野外对比测试结果如图8（e）所示，CASTEM与PROTEM的测试结果一致，噪声水平相当。为了进一步验证仪器的性能，CASTEM在甘肃酒泉柳园镇进行了野外实地勘探，数据结果如图8（f）所示，探测深度达到400米以上。CASTEM瞬变电磁仪产品已获得市场推广应用，得到用户的一致好评。
⒌国家深部探测（SinoProbe）－地面电磁探测系统（SEP）
在国家深部地球探测计划（SinoProbe）预先研究项目“地面电磁探测系统研制”资助下，实验室完成了地面探测系统（SEP）频域多功能采集站的研制，如图9所示，可以满足音频大地电磁法（AMT）、可控源音频大地电磁法（CSAMT）和大地电磁法（MT）野外勘探需求的多功能电法采集站。已完成的大量野外勘探测试，均取得了满意的勘探数据结果。
⒍组网式时频电磁数据采集站
实验室与中石油东方地球物理公司合作研发的时频电磁数据采集站（TFEM）及其勘探结果，如图10所示。以Cole-Cole模型激发极化原理为基础，将可控源频率域测深法（CSFEM）与时间域瞬变电磁法（CSTEM）二者统一在一个数据采集系统中，通过有线级联组网或无线WIFI传输数据，可用于大规模地下油气资源勘探，最大探测深度为5~6km。目前，时频电磁数据采集站已经得到实际勘探应用，并进行了商品化生产和推广。
五、总结
在中科院“创新2020”、国家深部探测研究计划（Sinoprobe计划）预先研究项目、863计划等经费支持下，中国科学院电磁辐射与探测技术重点实验室攻克了准直流-极低频-超低频-特低频（ELF-SLF-ULF-VLF）电磁场微弱信号检测与放大、ELF-SLF-ULF-VLF频段大电流信号发射机等核心关键技术基础上，成功研制出不同的电法勘探仪器装备产品，包括大地电磁（MT）勘探仪器、音频大地电磁（AMT）勘探仪器、可控源音频电磁（CSAMT）勘探仪器、瞬变电磁（TEM）勘探仪器、航空瞬变电磁勘探仪器（ATEM/HTEM）等。整体技术性能处于国内领先地位，与国外同类产品的先进技术水平相当。在中石油、地震局、武警黄金部队、地质和勘探部门以及中国地质大学、成都理工大学、长安大学、中科院地质与地球研究所等院所得到工程应用，受到普遍好评。感应式磁场传感器、直升机平台的全航空瞬变电磁勘探系统等装备达到国际先进水平，处于国内领先地位。
【作者简介】刘小军，中国科学院电子学研究所研究员，电磁辐射与探测技术重点实验室主任，长期从事信号与信息处理、超宽带雷达技术等研究，曾任“嫦娥三号”测月雷达副主任设计师，负责完成了“火星次表层探测雷达”项目的论证和立项工作。作为负责人研制出系列化的极地冰雷达系统并成功获得应用，填补了国内极地冰雷达的技术和装备空白。所研制的超宽带相干极地深层冰雷达系统多次进行南极测量作业，并获取了南极冰下大于3000米深的探测数据。本文来自“科学智慧火花”，用于学习与交流，版权归原作者所有。
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