地球物理仪器

地球物理仪器

Document number：WTWYT-WYWY-BTGTT-YTTYU-2018GT

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

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，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