地球物理仪器

分类号密级
中国地质大学（北京）
课程结课报告
地球物理仪器
学生姓名马敏院（系）地球物理与信息技术
专业电子与通信工程学号
任课教师邓明职称教授
二O一四年四月
1 前言
球物理仪器是认识地球、资源探测、工程勘察、地质灾害监测的重要手段，是地球科学研究的基础，也是前沿技术。

在地球物理学领域，地球物理场主体上分为重力场、地磁场、电场、地热场、放射性辐射场和地震波场。

日常工作中对矿产资源、油气能源和环境的勘察与监测，对地震灾害的预测与预防，对地球深部圈、层结构以及物质组成和空间状态的探测等都是通过物理场完成的。

随着地球物理学在理论、方法和应用方面的不断进步，科学与技术发展的需求日益增加，相应学科的仪器与设备得到了迅速发展，物理学、力学、信息学和计算机技术中的一些新成就得到了广泛应用，地球物理观测的精度和对信息的分辨率不断提高。

地球物理勘探仪器是集当代先进技术如传感器、电子、计算机、数据传输和通讯等技术为一体的综合系统。

它的革新与发展总是伴随着新技术的推广和完善。

地球物理仪器按照所测量的地球物理场，主要分为重力仪、磁力仪、电法仪、浅层地震仪、测井仪以及放射性仪器等。

地球物理仪器在许多部分存在相似的电路，例如模拟通道和数字通道，前置放大电路和滤波电路，A/D采样和数模转换等，除此之外还会连接通信接口、显示接口以及键盘接口等等。

但是地球物理仪器往往又有自己的一些特点：（1）频带较宽，大动态范围；（2）高速、高分辨率和高信噪比；（3）集成度高，功能多但是功耗较低；（4）操作简单，轻便灵活，现场实时显示结果，宽工作温度范围，高稳定度
在以上各个重要参数中，高分辨率是地球物理仪器的最为关键参数，这是因为在地球物理勘探中，传感器接收的信号一般都很小，如直流电法仪中，测量大地的自然电位时，信号可能只有几uV；地震勘探中，检波器接收的信号也只有几pV；瞬变电磁仪接收到的二次场信号也只有几nv。

这就要求A/D转换器具有很高的分辨率，因此目前的地球物理仪器设计中大都采用了24位△∑A/D采样技术，以达到高分辨率的目的。

另外高信噪比也是地球物理仪器的特点，由于传感器输出的有用信号很小，而干扰信号是随机信号，且频带很
宽，有时候噪声比有用信号大几个数量级，如直流电阻率测量系统中，自然电位可能比高压供电在大地两点间产生的信号要大得多。

来自空中或地上的电磁波辐射以及50Hz工频干扰，对仪器提取有用信号都造成困难。

怎样去掉这些噪声，得到有用信号，是仪器要解决的关键问题。

随着电子技术的不断进步，地球物理仪器也不断地向小型化发展，一些老式的地球物理仪器不仅笨重而且测量精度也很低。

集成电路的发展，一个集成块可以代替以前整个电路板的功能，地球物理仪器也向集成度更高的方向发展。

多功能也是地球物理仪器发展的一个方向。

如GDP一3211多功能电法仪，几乎可以实现所有与电法相关的方法，整个仪器的集成度很高，而且使用也很方便。

而且不同的仪器有相同的硬件架构，使用过程中加上不同的传感器后，通过软件就能实现不同的仪器功能。

除此之外，地球物理仪器是野外用仪器，因此仪器会很频繁的被移动或者搬运，所以地球物理仪器必须很轻便。

加上野外环境恶劣，所以仪器应具有抗震、防水、防沙等功能。

仪器还要能够适应不同的温湿度度环境，如仪器可能在寒冷干燥的冬天进行数据采集，也可能在炎热的夏天工作。

另外，仪器还要求具有高稳定度，重复观测性要好以及漂移要小，还应该有存储量大等特点，一些地球物理仪器，如磁力仪、地震仪等还具备GPS全球定位功能。

2 地球物理仪器分类
2.1 重力仪
重力场是反映地球内部物质结构及其变迁的地球物理基本场，高精度绝对重力观测资料是地震监测预报、地球科学研究、资源勘探等领域研究的基础。

重力测量的方法有动力法和静力法。

动力法是观测某种与重力现象有关的运动来测定重力的方法，测定的物理量是时间。

静力法是观测某种与重力观测物体的平衡状态，用以确定两点间的重力差值（相对重力值）。

重力仪是测定重力加速度的仪器。

重力测量的仪器按功能可划分为：绝对重力仪、相对重力仪。

绝对重力测量的简单原理是利用自由落体的运动规律，在固定或移动点上测量时有单程下落和上抛下落两种行程，自由落体为一光学棱镜，利用稳定的氦氨激光束的波长作为迈克尔逊（michelson）干涉仪的光学尺，直接测量空间距离：时间标准是采用高稳定的石英振荡器与天文台原子频率指标对比。

观测时，仍然还有许多干扰因素影响重力值的精度测定，如大地脉动、真空度、落体下落偏摆等等，因此必须加以分析、控制和校正。

绝对重力测量的准确性是一项复杂精细的工作，它有赖于几种物理量的精密测定，涉及到光学、电子学和精密机械的有关技术。

我国是为数不多的能生产绝对重力测量仪器的国家之一。

相对重力仪是测量出重力差值的仪器，其原理方法主要有平衡零长弹簧形变法；平衡悬浮超导球在超导体产生磁场中的移动法。

潮沙重力仪、超导重力仪都属于相对重力仪范畴。

重力仪广泛应用于地球重力场的测量，固体潮观测，地壳形变观测，以及重力勘探等工作中。

重力仪一般都是金属弹簧重力仪，老式的重力仪是纯机械式的，没有电子元件的。

现在的新式重力仪也加入了数字接口。

目前，绝对重力仪的测量准确度和不确定度能达到2uGal 。

相对重力仪的测量不确定度优于l0uGal ，但相对重力仪每天约有20uGal 的漂移，需要定期用绝对重力仪进行“格值标定”，以消除长期漂移而累积的测量误差。

另外，相对重力仪只能通过到绝对重力基准点“引值”才能得到重力加速度的绝对值。

超导重力仪的测量不确定度优于0.1uGal ，是高精度监测某固定点位（如：绝对重力仪国际关键比对点）重力变化，分析重力固体潮模型的最佳选择仪器。

重力测量仪器按使用空间划分为：陆地重力仪、航空重力仪、海洋重力仪、井下重力仪等。

另外，用于直接测量重力垂直梯度变化的重力梯度仪也成为目前研制的热点之一。

影响重力仪精度的因素很多，如何采取相应措施使这扰的影响减低到最低水平，是决定重力仪性能或质量懂得根本保证。

<1>温度影响：温度变化会使重力仪各部件热胀冷缩，使各着力点间的相对位置发生变化。

为此，已采用的措施有：研制与选用受温度变化影响小的材料作仪器的弹性元件；附加自动温度补偿装置等。

此外在野外使用仪器时，应极力避免阳光直接照射的仪器上，搬运中应设计通风性能好的专用外包装箱等。

超导重力仪
激光重力仪(实验室)
按结构分 按测量原理分
相对重力仪
电子式重力仪
机械式重力仪
绝对重力
石英弹簧重力仪
金属弹簧重力仪
重力仪
<2>气压影响：主要是使空气密度改变而使平衡体所受的浮力改变，并在仪器内部可能形成微弱的气体流动冲击弹性系统。

消除的办法有：将弹性系统置于高真空的封闭容器内；在与平衡体相反方向上（相对旋转轴而言）加一个等体积矩的气压补偿器；条件需要和许可时，应将仪器置入气压舱内检测受气压变化的影响，以便引入相应的气压校正。

<3>电磁力影响：摆杆（平衡体）因质量很小无须夹固，当它在自由摆动时，会与容器中残存的空气分子相摩擦而产生静电，电荷的不断累积会使仪器读数发生变化。

因此，这类仪器常在平衡体附近放一适量的放射性物质，使残存气体游离而导走电荷；对于用金属制成的弹性元件来说，材料中含的铁磁性元素就会对地磁场变化产生响应而改变仪器读数，为此，要将整个弹性系统作消磁处理，外面再加上磁屏以屏蔽磁场；有条件时，应在人工磁场中进行实际测量，以了解受磁场方向、强度变化的影响，必要时引入相应的校正项；在野外工作中，利用指北针定向安放仪器，让摆杆方向总与地磁场垂直。

<4>安置状态不一致的影响：由于在各测点上安放重力仪时不可能完全一致，因而摆杆与重力的交角就会不一致，从而使测量结果不仅包含有各测点间重力的变化量。

所以取平衡体的质心与水平转轴所构成的平面为水平时才是真正的水平零点位置，为达此目的，仪器的安置有供调平用的三个角螺旋和对应的两个水准气泡，与摆杆方向平行的称为纵水准仪，新出的仪器还装有灵敏读更高的电子水泡或加一套自动调平系动。

<5>零点漂移影响：仪器的零点位置在随时间变化，这种漂移量的大小和有无规律与材料的选择及工艺（如事前进行时效处理等）水平密切相关。

一台好的重力仪应上零漂小而且尽困难与时间成线形关系，这是在恒温精度提高后的衡量仪器好坏的另一个重要指标，为消除这一影响，必须通过性能试验检查及零漂变化情况，确定在重力基点控制下每一测段工作时间长短而专门引入零漂校正。

<6>震动的影响：仪器的零漂在动态时要比静态时大且无规律，且动态的零漂随运输方
式不同也不尽相同，实践证明，飞机运输比汽车运输影响要小，在同样道路上不同型号的汽车其震动影响也不相同，特别在高精度的重力测量中，这已是一个非常关系测量误差大小的重要因素，多项测试表明，运输中减震方法可用泡沫海绵垫、软垫、弹簧悬挂装置、人工小心手提等，且以后两种方式造成的误差最小。

2.2 磁力仪
磁法勘探是研究地质构造和找矿勘探的一种重要的地球物理方法，它通过磁力仪来测量地磁场和磁异常，通常把采集磁场数据和测定岩石磁参数的仪器称为磁力仪。

地磁场的微弱变化，都可以被磁力仪记录下来。

人们不但借助它来研究地质构造，而且还用在考古、环境工程、气象、探矿、反潜等领域。

磁力仪按原理分为磁通门磁力仪、质子旋进磁力仪、光泵磁力仪和超导磁力仪等几种。

按照磁力仪的发展历史，以及它们所应用的物理原理，可分为：
第一代磁力仪它是根据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制作的，如机械式磁力仪、感应式航空磁力仪等。

第二代磁力仪它是根据核磁共振特征，利用高磁导率软磁合金，以及复杂的电子线路制作的，如质子磁力仪、光泵磁力仪及磁通门磁力仪等。

第三代磁力仪它是根据低温量子效应原理制作的，如超导磁力仪。

磁力仪的详细分类如下所示：
在使用过程中，磁力仪的技术指标往往是很被使用者所看中的，技术指标是反映仪器总体性能的技术参数，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方偏差表示。

在仪器说明书中称为自身重复精度。

准确度：系指仪器测定真值的能力，即与真值相比的总误差。

我国20世纪60年代引进机械式磁力仪，在其基础上经不断研制、改进设计，其定型产品型号仪器如表1所示。

这些仪器在我国20世纪60、70年代的磁法勘探工作中，发挥了重要的作用。

表1 定型磁力仪产品
国内磁法勘探除了使用国外磁力仪如ENVI（加拿大产）磁力仪、G856（美国产）磁力仪、GSM（加拿大产）磁力仪、Pos1（俄罗斯产）磁力仪、PMG（捷克产）磁力仪外，国产的磁力仪也得到广泛的应用。

1986年，我国地矿和核工业系统分别引进了加拿大的IGS-2/MP-4型和美国的G-856A型的“微机质子磁力仪”，灵敏度为0.1nT，观测精度达到±2.5nT或更高，自动记录数据、自动日变改正、数据可以直接传送到其他计算机系统作进一步处理，同时，地质系统为推广使用MP-4仪器，在方法技术，推断解释等方面作了大量工作，制定了相应的规程，使我国的地面磁法勘探水平在短时间内达到国际先进水平，并得到全面推广。

MP-4型仪器逐步国产化，到1993年共生产近300台，少部分仪器被我国计量部门采用当作标准仪器。

G-856A经过不断改进，如采用锂电池做电源，一直生产到
今天，在各个系统得到广泛应用。

进入21世纪以来，随着国家对地质事业投资力度的加大，以及铁矿和多金属矿产资源的短缺，对质子磁力仪的需求猛增，北京地质仪器厂在MP-4经验的基础上，开发了全新的CZM-3型仪器，2005年投入市场。

核工业系统的京核鑫隆公司在G856A的基础上，不断改进，最近推出了G856F高精度智能质子磁力仪，采用锂电池供电，外形保持了传统的结构。

在地震、有色、地质、环保、冶金、石油勘探、煤田、科研等领域广泛使用。

2006年3月重庆奔腾数控技术研究所/重庆万马物探仪器有限公司开发的WCA-1质子磁力仪投产，灵敏度0.1nT。

2006年，廊坊瑞星仪器有限公司推出了灵敏度0.1nT的PM-1A型质子磁力仪，其特点是带有GPS，可外接GPS，存储测点坐标值，信号质量实时监控，信号质量下降可即时发现以便采取措施补救。

目前，美国和俄罗斯等国科学家正在积极研究和开发另一种量子磁力仪———原子磁力仪。

原子磁力仪和光泵磁力仪一样，也是利用某种气态碱金属(例如钾)原子中电子的自旋，它涉及的检测方法和光泵磁力仪有些不同，更复杂一些。

和美籍华裔物理学家朱棣文(Steven Chu)共同获得1997年诺贝尔物理学奖的法国物理学家科恩-唐努吉(Claude Cohen-Tannoudji)早在20世纪60年代末就研究过原子磁力仪，他指出，原子磁力仪依据的原理，，完全利用光学方法测量磁场，灵敏度达到0.54fT/Hz1/2(1fT=10-15T，fT，飞特)，经过改进后还可提高到10-2~10-3fT/Hz1/2，空间分辨率达到毫米级。

在弱磁场中工作时，这种磁力仪的灵敏度可能达到10-18T(10-18T= 1aT，aT，阿特)的数量级，那将比SQUID灵敏1000倍。

这种磁力仪不需要低温条件。

2.3 电法仪
电法仪，是最常用的地球物理勘探仪器。

电法勘探是根据岩石和矿石电学性质找矿和研究地质构造的一组地球物理勘探方法。

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，就是研究与地质体有关的直流电场分布特点和规律来找矿和解决某些地质问题，包括电阻率法、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，就是研究与地体有关的交变电磁场的建立、分布、传播特点和规律来找矿和解决某些地质问题。

从19世纪至今，电法勘探为了适应不同的地质条件和实现不同的探查目标，发展了许多方法。

这些方法在资源、工程和环境方面都取得了迅速发展与应用。

电法勘探仪器的发展主要经历了机械式、电子管、晶体管、集成电路和微机控制等几个阶段。

它主要是利用电法勘探院李结合传感器、电子计算机、数据传输和通讯等技术来实现找矿、找水以及研究地质构造的目标。

电法仪器主要分类如下所示：
直流电法主要有自然电场法、电阻率法和直流激发极化法。

前者为天然场源，而后两种为人工场源。

自然电场法：是电法勘探中应用最早的方法，它是以岩矿石的电化学性为基础，观测地下天然产生的直流电场的方法，对于寻找顶部位于潜水面以上的金属硫化物矿床有良好的效果。

电阻率法：利用的是岩矿石导电性的差异，是使用比较普遍的一种方法。

激发极化法：既利用了岩矿石的电化学性，也利用了它们的导电性，它不但能观测岩矿石受到人工电流的激发而产生的电场，还能观测到人工电场激发所产生的磁场。

交流电法：具有穿透能力强、勘探深度大、分辨率高等优点，目前主要利用电磁感应
原理，观测研究岩矿石在交变电磁场作用下，所产生的感应电磁场的空间和时间分布规律。

感应电磁场的强弱，主要与岩矿石的导电性和导磁性有关，目前采用较多的有瞬变电磁法、可控源音频大地电磁法、天然电场选频法、甚低频法和交流激发极化法（双频激电也称频率域激发极化法）等。

电阻率法的基本原理：用人工方法将电流通入地下，建立人工电场，如果地下存在导电性不同的岩层和矿体，它们就会影响电场的分布，良导体对电流有“吸引”作用，导电性差的则对电流有“排斥”作用。

因此，当地下存在导电性差的地质体时，由于它对电流的“排斥”作用，使电流远离它本身而流过；而当地下存在有良导体时，它将对电流有“吸引”作用，使大部分电流通过其本身。

这样，在地表观测到的电场将发生畸变，通过对畸变电场的分析，判断地下不同导电性地质体的赋存状态，这就是电阻率法的基本原理。

电法详细分类如下表2所示。

表2 电法详细分类以及使用范围
2.4 地震仪
地震仪，也是地球物理勘探中的一种重要的勘探仪器。

地震勘探是通过观测和研究人工地震（炸药爆炸或锤击激发）产生的地震波在地下的传播规律来解决地质问题的一种地球物理方法。

地震勘探仪器是地震勘探的关键设备，它与现代先进的科学技术发展息息相关。

地震勘探仪器的发展是以地震勘探的发展与需求为前提条件和动力源泉；反过来又直接制约和促进着地震勘探的发展。

地震勘探仪器至今已经发展几十年了，关于仪器发展的
时代如何划分问题，并没有专题研究的文献。

涉及到这个问题的信息基本上都是散见于有关教科书、仪器制造厂商的商业宣传、以及本行业科技工作者的观点。

地震勘探仪器的发展可划分为：第一代电子管地震仪，通常称为模拟光点记录地震仪；第二代晶体管地震仪，通常称为模拟磁带记录地震仪；第三代集成电路地震仪，通常称为数字磁带记录地震仪，也称为常规数字仪；第四代大规模集成电路地震仪，通常称为遥测地震仪（文中定义为早期遥测地震仪）；第五代超大规模集成电路地震仪，通常称为新一代遥测地震仪（文中定义为24位遥测地震仪）；第六代全数字遥测地震仪。

目前，包括我国在内的世界地震勘探仪器的发展正处于第五代末期和第六代开始的过渡阶段地震勘探仪器一般都应具备3个基本部分：地面振动传感器（地震检波器）、地震信号放大和数据变换（采集站）、中央记录系统（磁带机、记录显示设备）。

地震勘探对地震仪器的基本技术要求有以下几个方面：
（1）放大作用：人工激发的地震有效波在地面引起的振动位移非常微小，只有微米的量级，要求地震仪器必须具有足够的放大能力，将微弱地震信号放大。

（2）动态范围：来自浅层和深层的地震波能量相差十分悬殊，可以达到10万倍以上，即有效的地震信号动态范围可达100db以上。

要求地震仪器具有足够大的动态范围，能够从弱到强把全部地震信号都接收下来。

（3）自动增益控制：因来自浅层和深层的地震波能量相差十分悬殊，可达到10万倍（100db），为了能在同一张记录上记录或者显示来自不同深度的地震波，要求地震仪器具有自动增益控制的功能，自动将大信号压缩，小信号放大。

（4）多道接收：为了提高生产效率，要求在施工测线上大量的物理点同时观测地震波。

就是说，地震仪器应该具有多道接收能力。

（5）地震道一致性：地震勘探是用各道地震波的到达时间和波形差异识别波的类型，进行资料和地质解释。

因此，要求各地震道对同一地震波的响应应该是相同的。

也就是说，要求仪器的所有地震道在信号接收时间、接收信号的幅度和相位方面具有高度的一致性。

施工期间，要求每天对地震仪器作日检，如采集站和检波器的脉冲响应一致性测试，就是对同一炮内所有地震道的幅度特性和相位特性的一致性检查，而遥爆系统TB延迟时间的测试，本质上是一台仪器对放的所有炮的时间的一致性检查。

（6）频率选择作用：地震波包含有效波和各种干扰波，一般它们的频率特性是有差别的，比如在石油地震勘探中，面波在20Hz一下的频率范围内，而反射波在10Hz~100Hz范围内。

因此，要求地震勘探仪器的记录系统和回放系统具有选频滤波作用。

在有效波频率范围内没有畸变，而对干扰波频率应有最小的放大。

这就涉及到仪器的通频带、低切滤波器、高切滤波器、工业交流电陷波滤波器等技术性能和指标要求。

（7）分辨能力：地下不同地层反射的地震波可能接连而来，但仪器系统（包括检波器）的固有特性决定它总是存在固有振动。

当仪器的固有振动延续时间不大于相邻界面地震脉冲到达的时间差时，两个波形能够分开，否则就难于分开。

因此，要求仪器具有良好的分辨能力，就是说仪器固有振动延续时间应尽可能小。

这个要求除了地震仪器的主机系统外，另一个关键就是检波器的性能，特别是检波器的阻尼特性。

（8）其它性能要求，地震仪器是一种十分复杂的电子系统，除上述性能指标外，还有很多其它重要技术指标要求。

例如记录长度、时标精度、谐波畸变、系统噪声、增益精度、丢码率（对数字仪器）等。

这些技术要求有些存在内在关系，不是完全独立的，有时候是从不同角度提出的，有时候是为了强调某一方面提出的。

综上所述，我们不难发现地震勘探仪器本身是一台大型高精密的电子设备系统，其产生和发展的技术条件首先取决于电子技术的发展，特别是微电子技术的发展。

现代地震勘。