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| 內容簡介： |
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在实现地面地球物理探测（重磁电震）装备自主化进程中，在国家重点研发计划“深地资源勘查开采”专项的支持下，作者团队实现了地面多功能电磁探测系统的产品化，开发出了全三维分布式地面多功能电磁探测装备、轻便液压伺服可控震源系统和无缆遥测地震采集系统，达到了实用化，形成了智能多类型数据的重磁测量系统。《地面地球物理技术与装备——重磁电震系统》介绍了解决多年严重依赖进口的多项技术难题的关键技术，在方法原理、系统设计、结构设计、电子线路设计和器件工艺研究等方面，向读者倾囊相授，并展示了相关产业化系统的应用示范效果。
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目录丛书序前言第1章 地面地球物理探测技术装备发展概况 11.1 技术需求和研究目标 11.2 地面电磁探测技术装备发展概况 21.3 地面地震探测技术装备发展概况 61.4 地面重力探测技术装备发展概况 141.5 地面磁场探测技术装备发展概况 19参考文献 23第2章 地面电磁探测技术装备研制 252.1 电磁探测基本原理及装备系统 252.2 大功率电磁发射机研制 312.3 高精度大动态接收机研制 522.4 宽频带感应式磁场传感器研制 682.5 电磁数据处理及反演解释 772.6 野外试验及应用实例 90参考文献 94第3章 地面地震勘探技术装备研制 983.1 反射波地震勘探原理、方法与系统组成 983.2 LVIB-15轻便液压伺服可控震源 1103.3 GEIWSR-Ⅲ地面无缆遥测地震采集系统 138参考文献 187第4章 地面重力探测技术装备研制 1894.1 重力异常与重力基准网 1894.2 石英重力传感器 1934.3 地面重力测量系统研制 1974.4 数据处理及反演解释 2124.5 仪器比对试验 214参考文献 217第5章 地面磁法探测技术装备研制 2195.1 磁法探测基本原理 2195.2 铯光泵磁传感器关键技术研究 2225.3 地面磁法测量系统研制 2395.4 数据处理及反演解释 2495.5 野外试验及应用实例 251参考文献 258第6章 技术装备野外试验与应用示范 2606.1 试验与示范区 2606.2 野外比对试验 2676.3 野外应用实例 282参考文献 292
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第1章地面地球物理探测技术装备发展概况 1.1技术需求和研究目标 矿产资源是社会经济持续发展的必要条件和物质基础，国民经济持续、快速地发展离不开矿产资源快速稳定的供给。近些年来，随着矿产品消费量的快速攀升，我国主要矿产资源的供求形势日益严峻，每年对国际市场的依赖度也在不断提高。截止到2022年，我国铁矿石、铝土矿、铜、钾盐、石油、天然气等大宗矿产资源对外的依存度均超过50%（左更等，2023；崔祖霞，2023；王莹，2023；朱清等，2024；张艳飞等，2024）。未来20～30年，随着人均GDP的增加及生活水平的提高，我国主要矿产资源的需求将不断增加，供需缺口也将进一步拉大，矿产资源对经济发展的约束会越来越强（图1.1）。 图1.1 2012～2023年我国部分重要矿产品进口量（数据来源：**总署、国家统计局） 矿产资源紧缺已成为我国经济发展的瓶颈，加强地质工作，保证矿产资源的供给是我国当前及今后经济建设的一项重要任务。要实现攻深找盲和特殊景观地区的找矿突破，达成地质找矿突破战略目标，不仅要在找矿理论上有所突破，地球物理勘探关键技术装备的突破更为关键。 我国地球物理探测技术与装备与国外相比，总体处于“跟跑”状态，进口率高达90%以上（滕吉文，2009；林君等，2010，2022）。我国传感器材料与制备工艺仍较落后，专用芯片几乎全部依赖进口，新型传感器尚未研发或处于探索阶段；我国深部探测装备和核心软件绝大部分依赖进口，价格昂贵，面临被“卡脖子”的风险。地球物理探测装备与技术地面地球物理技术与装备——重磁电震系统落后的现状严重制约着我国矿产资源勘探的发展，也直接制约着我国参与国际资源竞争的能力，亟须研发我国自主的地球物理探测技术装备，实现产业化，打破国外的垄断和封锁，保障国家资源安全和社会经济稳定发展。 1.2地面电磁探测技术装备发展概况 地面地球物理探测主要包括电磁、地震、重力、磁场等探测技术装备。 1.2.1地面电磁探测技术装备发展现状 目前国内外的电磁勘探方法主要有大地电磁法（MT）、音频大地电磁法（AMT）、可控源音频大地电磁法（CSAMT）、广域电磁法、瞬变电磁法（TEM）等。20世纪50年代初期，Tihonov和Cargniard提出了MT，假设起源于磁层、电离层的天然电磁场以平面电磁波入射地球表面，观测地表正交的水平电场和磁场，通过波阻抗计算卡尼亚视电阻率。由于天然电磁场总体能量大、频带宽，MT可以探测从浅地表至上地幔的电性结构，已在地球深部结构探测、资源能源勘探等领域获得广泛应用。根据观测的频带范围，大地电磁法又可分为AMT（0.1Hz～10kHz）、MT（2000s～300Hz）和长周期大地电磁法（LMT，100～10000s）。也因为天然电磁场极化方向随机、单频信号微弱，需要长时间观测、叠加，才可能获得可靠的阻抗估计，因此MT与AMT的测量精度和工作效率都较低，数据预处理（特别是噪声压制）十分复杂。 为克服MT信号微弱、随机的缺点，1971年，D.W.Strangway和Myron Goldtein提出了CSAMT。利用接地导线或不接地回线做场源，在远区观测正交的电磁场分量，计算卡尼亚电阻率。CSAMT虽然克服了MT场源随机性和信号微弱的缺点，但在远区测量，收发距一般是探括近区视电阻率畸变、场源附加效应和阴影效应，从而限制了CSAM测深度的5倍以上。在不满足远区条件时会产生非平面波效应，包T的发展和应用。 勘查地球物理的方法和仪器及其发展是互相配套且相互制约的。20世纪50年代末，苏联研制出了世界*台大地电磁仪，随后美国也研制出了大地电磁仪，当时的大地电磁仪非常笨重，随着电子技术及计算机技术的快速发展，世界上陆续研制出较为轻便的频率域电磁仪器：加拿大凤凰地球物理公司生产了V5、V5-2000、V8系统，主要采集天然场源信号，用于深部勘查；美国EMI公司生产了用于深部勘查的MT-24系统，用于浅部勘查的EH-4系统；美国的LMIS和乌克兰的LEMI-417仪器系统，用于深部构造研究，周期可达20000～30000s；德国METRONIX公司的GSM-07电磁系统，除了MT，还可进行张量CSAMT测量。 进入21世纪，电磁法仪器逐渐向两个方向发展，一种方向是多功能融合形成的多功能电法工作站，如将直流电法仪器、时间域电磁法仪器和频率域电磁法仪器组合在一起，形成大型电法勘探仪器系统，其代表有加拿大凤凰地球物理公司的V8和Zong公司的GDP系列，它们能进行各种装置的时间域激发极化（TDIP）、频率域激发极化（FDIP）、瞬变电磁测深、复电阻率（CR）、大地电磁测深和可控源音频大地电磁测深测量；另一种方向是沿着专业化道路向更高的层次发展，虽然功能相对单一但性能更加优异，其代表有Metronix公司的GMS-07频率域综合电磁法仪，它由磁场和电场传感器直接与主机ADU-07连接，组成完整的GMS-07观测系统，单台ADU-07有10个数据采集道，可以组成不同的观测系统，多个ADU-07或多个GMS-07可用网线、无线局域网或内置的GPS连接一起，组成多道、同时采集电磁场信号，能完成MT、AMT、CSAMT等功能。具有代表性的国外时间域电磁仪器有加拿大Geonics公司生产的EM-37、EM-47、EM-57、EM-67、PROTEM等，加拿大CRONE公司生产的PEM、DEEPEM，加拿大多伦多大学生产的UTEM-Ⅲ，澳大利亚MCI公司生产的SIROTEM-Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ以及ARTEMISTM-TDEM型等。当今两个方向发展的最新仪器都采用了全球定位系统（GPS）同步，并且向着网络化发展，力争组建成大型电磁法网络勘查系统，但目前大部分都只能将少数几台仪器相连，还不能组成像三维地震勘查一样的三维电磁勘查系统。另外，加拿大Quantec公司近年推出了Titan24多道电磁探测系统，它使用多道同时采集技术，将直流激发极化法（DCIP）和MT测量完美结合在一起，既实现了多参量、实时、网络测量，又达到了金属矿勘查急需的大探测深度和高信噪比测量。 我国对电磁法的研究起步于20世纪60年代初，在跟踪、引进、消化、吸收国外先进技术和仪器设备的同时，国内的一些单位和学者也在电磁法理论方法、仪器研制、数值模拟与反演、资料处理与解释等方面做了全面探索，并取得了一系列成果。例如，中南大学提出了伪随机电磁法理论及方法，并研制了微机控制的伪随机电磁系统；中地装（重庆）地质仪器有限公司研制出DJF3-I及DJF51型时间域激电仪；成都理工学院研制了变频式幅频激电仪；中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所研制了瞬变电磁仪；重庆奔腾科技发展有限公司推出了瞬变电磁仪等。“十五”计划以来，在国家高技术研究发展计划（863计划）、国家自然科学基金和“地球深部探测计划”培育性计划（SinoProbe）等项目的支持下，我国相继开始了海底大地电磁测深仪、长周期及宽频带大地电磁仪、大功率伪随机广域电磁系统、分布式多功能电磁系统、地面电磁探测系统、极低频电磁勘探系统、时频电磁勘探系统、多道瞬变电磁系统、瞬变电磁仪、频率域激发极化普查型幅相仪、多功能阵列电磁系统等的研制工作，在宽频带电/磁场传感器、高温超导磁强计、低频大功率发射、数据采集等关键技术上均取得了突破性进展，仪器的性能与方法集成度得到了大幅提升。例如，我国自主开发的大深度三维电磁探测系统，成功实现由二维向三维测量的跨越（底青云等，2013）。该系统可全面实现时频两域激电法、CSAMT、AMT、MT、TEM等多种电磁测量，并因采用高精度GPS与恒温晶体的混合同步，实现了多测站多分量全天候的阵列式同步测量，为获取高分辨率的电磁三维测量奠定了基础。自主研制的大探测深度高分辨率多功能电磁法系统和DEM-Ⅴ阵列式轻便电磁法系统，由60kW大功率多功能发射系统和具有三分量高温超导传感器的多功能接收系统组成；实现了天然场AMT与人工场电/磁法［TDIP、FDIP、频谱激发极化法（SIP）、CSAMT］的阵列式融合探测，提高了电磁法探测深度与空间分辨能力（林品荣等，2006）。先进探测技术和仪器装备的研发促进了我国电磁探测技术和仪器设备的发展，缩短了与国外先进技术水平的差距。但我国在超低频电/磁场传感器、仪器制造工艺及噪声水平、可靠性与稳定性、小型化与高效率，以及环境适应性（温度、湿度、震动颠簸、复杂地形、电磁干扰）等方面仍有待提升。 与方法理论、仪器系统相适应，电磁法的数据处理技术也在不断地改进与完善。大量地面地球物理技术与装备——重磁电震系统的研究工作集中于消除噪声、稳健的阻抗估计方法、静态效应校正、场源效应研究等数据预处理方面。同时，有限差分、有限元、边界元、混合元等数值方法不断应用于电磁法正演计算，马奎特方法、广义逆方法及改进的广义逆方法、仿真淬火、遗传算法、随机搜索、神经元网络等各种线性、非线性方法被不断应用于反演成像，模型也由简单的层状介质向二维、2.5维、三维和带地形的任意三维模型方向发展。 先进的方法配合先进的仪器系统才能够真正促进地球物理勘查的发展，尽管目前国外仪器技术先进，性能指标优异，工艺达到了非常高的水平，但西方传统的频率域电法勘查（无论是谱激电法，还是电磁测深法）采用的仍是20世纪50年代由J.R.Wait提出的变频观测法：发送机向地下提供某一频率的交流电，接收机测量该电流流经大地传导后的响应；观测完毕后进行下一个频率的供电与测量；重复这个过程，直到完成所有设定的频率。显然，变频法有以下特点：不同频率的响应是逐次测量的，且接收和发送一般要准确通信，速度慢，效率低；不同频率的响应是不同时间观测的，干扰是随机的，即各个频率的信噪比不同。在干扰严重的地区，如生产矿山附近，可能造成明显的虚假异常。为克服变频法的缺点，不少学者提出利用方波中的奇次谐波，如K.L.Zonge提出的复电阻率法，测量基波和各阶奇次谐波的实分量和虚分量。奇次谐波法虽然可以在同一时间测量不同频率的响应，但它也有两个缺点：①相邻频率的频差固定，随着谐波次数升高，在对数坐标上相邻频率越来越近，不符合电磁勘查的要求；②谐波振幅随次数升高而快速下降，当噪声一定时，信噪比随谐波阶次的升高而降低（Zonge and Hughes，1991）。目前，奇次谐波法已基本被淘汰。 针对变频观测和奇次谐波法的局限性，中南大学的学者提出了伪随机信号电法。其技术核心是：发送机将不同频率的电流波形合成伪随机电流后向地下供电，接收机则同时接收这些频率经大地后的响应，并将其分离，因此，一次供电便可以完成所有频率的测量。伪随机电流波形具有如下特点：具有周期性，可以重复产生；主频率的频比固定，在对数坐标上基本均匀分布；主频率的振幅基本相等，初始相位关系简单；能量大都分布在主频率上。由于具有快速、高效、电源利用率高、仪器轻便、抗干扰能力强、相对观测精度高、异常可靠等优点，伪随机信号电法已发展出双频道、三频道、伪随机频谱激电和伪随机广域电磁法。伪随机广域电磁法继承了CSAMT场源可控的优点，从而克服了MT场源随机性和信号微弱的缺点，但摒弃了CSAMT变频发送的缺点，而采用一次发送包含多个频率成分且振幅接近的伪随机信号。同时，该方法并不沿用“卡尼亚视电阻率”计算公式，而是用电磁场的全域精确公式迭代计算视电阻率，可在“非远区”进行测量，大大拓展了人工源电磁法的观测范围，提高了观测速度、精度和野外勘查效率。伪随机信号电法和广域电磁法在多个领域获得广泛而成功的应用，曾获得过多项国家发明奖和国家科学技术进步奖，在国内外电磁勘查领域*树一帜，具有鲜明的中国特色。 1.2.2地面电磁探测技术装备发展趋势 随着地面电磁探测方法的不断完善，其适应性不断增强。电磁探测方法从直流电法到交流电法；从AMT、MT到CSAMT；从简单的标量测量到矢量测量、张量测量；从单一参量探测到多参量探测；从单一源的人工场源电
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