1、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。 因此可知，地球物理勘探所给出的数据时根据物理现象对地质构造做出合理的推断，也就是所谓的反演。此外，用地球物理方法研究活勘察地质体活地质构造，是根据测量数据或所观测的地球物理场求解场源体的问题。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
2、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，而且还能测定他们的梯度；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。 为了反映地球物理仪器的技术性能，人们常用灵敏度、精密度、准确度、稳定性、测量范围等各种技术参数
3、来描述它们。 在我国著名的地球物理学报中，刊登了有关地球物理科学的综合性学术论文，它是地学领域中具有代表行的期刊之一，被列入中国自然科学核心期刊。主要刊登固体地球物理、应用地球物理、空间地球物理和大气、海洋地球物理以及与地球物理密切相关的交叉学科的研究论文，重点报道创新性研究成果。2.地震勘探方法 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址情况。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活折射波返回到地面，用专门的一起可以记录这些波，分析所得记录的特点，如波的传播时间、震动形状等，通过专
4、门的计算活仪器处理，能较准确地测定这些界面的深度和形状，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、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探测方法也不断得到发展。2.1勘探原理 在地表以人工方法激发地震波，在向地下传播时，遇到有介质性质不同的岩层分界面，地震波将发生反射与折射，在地表活井中用检波器接收这种地震波。收到的地震波信号与震源特性、检波点的位置、地震波经过的地下岩层的性质和结构有关。通过对地震波记录惊醒处理和解释，可以推断地下岩层的性质和形态。地震勘探在分层的详细程度和勘探的精度上，都优于其他地球物理勘探方法
5、。勘探深度一般从数十米到数千米。地震勘探的难题是分辨率的提高，高分辨率有助于对地下的精细构造研究，从而更详细了解地层的构造与分布。2.2应用范围 爆炸震源是地震勘探中广泛采用的非人工震源。目前已经发展了一系列地面震源，如重锤、连续振动源、气动震源等，但陆地地震勘探经常采用的重要震源仍然为炸药。海上地震勘探采用炸药震源之外，还广泛采用空气枪，蒸汽枪以及电火花引爆气体等方法。 地震勘探是钻探前勘测是由于天然气资源的重要手段。在煤田和工程地质勘探、区域地质研究和地壳研究等方面，地震勘探也得到广泛应用。20世纪80年代以来，对某些类型的金属矿的勘察也有选择地采用了地震勘探方法。2.3反射法 利用反射波
6、的波形记录的地震勘探方法。地震波在其传播过程中遇到介质性质不同的岩层界面时，一部分能量被反射，一部分能量透过界面继续传播。在垂直入射的情况下，有反射波的强度受反射系数影响，在噪声背景相当强的条件下，通常只有具有较大反射系数的反射界面才能被检测识别。地下每个波阻抗变化的界面都可以产生反射波。2.4折射法 利用折射波的地震勘探方法。地层的地震波速度如大于上面覆盖层的波速，则二者的界面可能形成折射面。以临街角入射的波沿界面滑行，沿该折射面滑行的波离开界面又回到原介质或地面，这种波称为折射波。折射波的到达时间与折射面的深度有关，折射波的时距曲线接近与直线，其斜率决定与折射曾的波速。震源附近某个范围内接
7、受不到折射波，称为盲区。折射波的炮检距往往是折射面深度的几倍，折射面深度很大时，炮检距可以长达几十公里。3.重磁仪器3.1磁力仪 我国第一台光学机械式磁力仪悬丝式磁力仪（磁秤）是1958年由原地质部物探仪器修造所仿制成功的，而正式批量投产是在北京地质仪器厂建成之后的1960年，到1961年底，两年生产了1704台，此后一直到1991年该厂共生产了11种不同型号的光学机械式磁力仪，包括刃口式、水平定向式、袖珍式、地磁日变仪等近11000台，灵敏度由1020nT格逐步提高到12nT格，完全满足了近30年我国大规模地面磁测的需要。它们所测的量是地磁场的垂直分量，但是随着时间的推移，这类仪器从操作使用
8、来看，在每一个测点，要摆三脚架、用罗盘定向、用水泡调平，在一个像显微镜的镜筒里读格数、全手工记录数据；从制造工艺上讲，要采用精度很高的设备加工机械零件和光学零件，调试过程也比较复杂。总之，操作使用和制造工艺，比起电子磁力仪来，明显呈现出其劣势来，于1991年停产，代之而来的是各种各样的电子磁力仪。 1986年，我国地矿和核工业系统分别引进了加拿大的IGS-2MP-4型和美国的G-856A型的“微机质子磁力仪”，灵敏度为01nT，观测精度达到25nT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
9、了大量工作，出版了“高精度磁法勘探“等书籍、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。G856A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。 虽然在1975年及以后的一段时间生产了200多台测量垂直分量CCM-12型地面磁通门磁力仪，因其精度并不比光学机械式磁力仪高，还要使用多节干电池，使用维护成本高、可靠性差，使其没有达到取代机械式磁力仪的设计初衷，没有得到推广使用。但是，近20年后这种仪器得到了新生，当把升级换代后的磁通
10、门系统做成CCM-4磁力仪并在遵化地区推广后，得到农民找矿者的欢迎，数十台仪器很快售完，形成供不应求的局面。此后，物化探所的CBT-1型便携式探矿磁力仪和廊坊瑞星仪器有限公司的MCL-2微机磁力仪相继投放市场，后者从2004年4月已销售200余台。 2006年，廊坊瑞星仪器有限公司推出了灵敏度01nT的PM一1A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，信号质量下降可及时发现以便采取措施补救。3.2重力仪 在地面使用的重力仪有两大类，即绝对重力仪和相对重力仪，上个世纪60年代后期至70年代初期，我国地质仪器企业曾仿制加拿大和前苏联的石英弹簧和金属弹簧重力
11、仪，并投入小批量生产，因精度较低，未大量投产推广。70年代中期北京地质仪器厂建成了重力车间，设有专门设计的石英系统加工和调试室、高低温实验室、精密机械加工车间，具备了大批量生产的条件。与此同时，ZSM-3型仪器（灵敏度10 GaL研制成功并投入生产，连同此后的ZSM-4型-大测程重力仪和ZSM-5型恒温重力仪，到80年代后期，共生产千余台，最高年产量达到百余台，虽然这些产品只具有中等精度水平，但也基本上满足了我国野外重力测量和部队的需要，特别是我国两次登上珠峰的重力测量都是使用国产重力仪完成的。 从2005年底，北京地质仪器厂启动了全自动电子重力仪的研制工作，目前正在攻克传感器难关，相信在不久
12、的将来，我国自行研制的具有自主知识产权的电子重力仪的投产，将会使目前电子重力仪完全依靠进口的形势会有根本性的扭转。 我们的仪器性能必须满足在全世界均能正常工作，这是前几年设计仪器时没有考虑到的。另外，也必须瞄准国际市场，特别是第三世界国家，过去都是用美国或加拿大的仪器，如果我国的仪器水平和质量能和国外水平相当，价格低于国外水平，就会有条件拿到国外的订单。CZM-2曾出口到日本、CZM-3出口到伊朗、MP4出口到越南，G856AF通过返销出口到很多国家。4.地震勘探仪器4.1模拟地震仪 我国的模拟地震仪器时期是从建国初期到七十年代末，大致分为光点和磁带记录二个阶段。 建国初期，我国使用的模拟光点
13、记录地震仪是从原苏联、匈牙利进口的。1951年我国成立第一个地震队，在西北地区工作，使用CC一2651凸型地震仪， 1957年西安仪器厂仿照进口仪器研制生产了DZ571模拟光点地震仪，1965年原646厂仪修站（现为物探局仪器厂）也生产了该种仪器。模拟光点地震仪是用电子管和变压器组装的，记录采用照相纸一次曝光。虽然输入信号有大约120dB的动态，但由于记录用人眼观看，人工解释，只有用自动和半自动的非线性增益控制，才能使其动态限定在照相纸的范围之内，这样就只有1020dB左右的动态范围，使地震信号畸变，破坏了地震波的动力学特征。在放炮的67秒时间里，操作员要用手、嘴、眼、耳、脑同时运作，精神高度
14、集中。手要搬动五个开关，嘴要喊：预备!注意!放!眼要直盯示波仪光点，耳朵听炮声，头脑要注意协调配合，稍有不注意，就会出废品。布置排列、操作仪器、放炮、洗相、解释，层层由人来把关，哪一个环节疏忽，都是不行的。在零下2O3O0C的气温下，洗出来的每张记录都要“眉清目秀”，一个冬季施工期下来洗相员的手裂开道道血口子。仪器不稳定要时时刻刻地凋校，人们戏称“调不完的仪器”。 模拟光点地震仪使用到60年代初，逐渐被模拟磁带记录地震仪所代替, 同时在5O年代未晶体管在各个领域被应用，电子管地震仪也逐渐被晶体管地震仪所代替，从而进入了模拟磁带地震仪阶段，其特征是晶体管电路加上模拟磁带记录。4.2 数字地震仪
15、我国从1966年开始研制数字地震仪，1974年引进第一台SN338，而后进入了数字地震仪时期，该时期大约分三个阶段，即模拟放大器数字磁带记录地震仪，二进制增益放大器的数字磁带记录地震仪和瞬时浮点放大器数字磁带记录地震仪。 数字地震仪进入二进制增益放大器阶段算是进入了数字化时代。又由于采用的是地球物理工作者协会（SECT）的标准记录格式，与处理机之间的联系也就形成了标准，处理资料非常标准、也很方便。二进制增益放大器看来增益是在20215 范围变化，实际上其速度是很慢的，每相临样增益只能变化6dB，而且是前一个样的大小决定后一个样的增益，即增益调节滞后一个样，在高频信号或过零点附近的样会产生增益失
16、调。4.3 24位模数转换器地震仪 1992年2月，美国Crastal公司为迎合地震仪器和声纳的需要开发出具有 技术的24位模数转换器，后来改进提高形成CS5321和CS5322产品。法国Sercel公司与Ahalog Device公司合作开发出将前放和模数转换器做在一起的芯片。紧接着Serecel、IO、HGS等其他公司相继开发出具有-技术的24位模数转换器的遥测仪SN388、SYSTWO、VISION，而后，其他公司也慢慢的开发出来。 物探局仪器厂于1995年开始研究24位模数转换器的地震仪器，型号为SK- 1006，在塔克拉玛干沙漠腹地和边缘进行野外试验，获得较好的记录、剖面。于1997
17、年底，进行了鉴定，鉴定会认为该仪器模数转换器主要是由二块芯片组成，第一块CS5321是调制器，第二块CS5322是有限长单元脉冲响应（FIR）滤波器。5. 电法仪器 目前电磁法、电法仪器种类繁多，但应用最普遍、效果最佳的不外乎三类仪器，即大地电磁测深仪（MT仪）、瞬变电磁仪和高密度电法仪。当今一流的电磁法和电法仪器必然是硬件和软件的完美结合，以达到：高分辨率，高信噪比； 宽频带，大动态范围；高集成，多功能，低功耗；操作简单，轻便灵活，现场实时显示结果。 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
18、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
19、交流激发极化法（双频激电也称频率域激发极化法）等。5.1 大地电磁探测仪近年来，MT 方法面临的主要问题是如何提高野外数据采集质量，以获取高质量的视电阻率和相位曲线并提高生产效率，以及如何有效地消除静位移和获得最接近实际的反演模型。提高野外数据采集质量和提高生产率，与磁场传感器的信噪比、数据采集单元的分辨率以及MT法的观测排列形式和数据处理方法等紧密相关。GMS-06磁场传感器是德国Metrinix公司最新研制的感应式FMS一06型磁场传感器，重约8kg，长12m，直径75mm，很轻便。由于采用了特殊结构的磁芯材料，计算机模拟设计的线圈结构和磁反馈前置放大，FMS-06的频带范围扩展到1000
20、0Hz10000s，达8个数量级，其信噪比（即天然场低活动水平与传感器的噪声之比）高达1O100倍，在高频段的噪声低至5* 10-7 nTHz-2，并且没有温漂和时漂。这是当今世界上性能最好的感应式磁场传感器。该传感器保证了在天然场活动最平静的日子也能记录到高质量、全频段电磁信号。GMS-06的数据采集单元ADUO6即主机带宽20 kHz 直流，其高频段和低频段各有一个24位AD转换器，以保证全频段都具有最高的分辨率和最大的动态范围。除三个固定频段外，还设有一个自由频段，用户可根据需要选择自己最感兴趣的记录频段。ADUO6内部设有5OOMB的闪烁存储器，可存储大量的野外记录数据。ADUO6重约
21、5kg，5道功耗712W。如果把FMSO7感应式传感器（频响20kHz1000s）与微型的磁通门磁力仪FGS一01结合起来，GMS-06的频带范围可以扩展到20kHz100000s。图2和图3是配有FMSO6磁传感器的GMSO6系统所记录的MT 曲线，其高频端达10000Hz，低频端达10000s。5.2 瞬变电磁仪 瞬变电磁法是一种时间域电磁法，它以局部场做场源，分辨率高于以平面波场做场源的频率域电磁法，近些年来发展很快，在很多领域得到广泛应用。瞬变电磁法对浅层分辨率很高，但随深度加大而降低。PROTEM 可应用于地面观测、井中观测、巷道和掌子面观测。对瞬变电磁仪所关心的主要问题是如何减少关
22、断时间以获得更早期的瞬变场，如何提高晚期瞬变场的信噪比以增加勘探深度，如何从瞬变场信息中提取更多的地质信息，以及如何适应多种观测排列形式等。 加拿大Geonics公司生产的PROTEM 瞬变电磁仪系统，由于在发射机的关断线路设计和加工工艺上采取了特殊的技术，其关断时间只有05s，在使用40m40m 的发射线框情况下，关断时间也只有25s，是当今世界关断时间最小的瞬变电磁仪，它可以获得浅至几米的地下信息 。 为了适应不同勘探深度的需要，Geonics公司研发了三种不同的发射系统，即PROTEM47，其勘探深度可达100150m； PROTEM57一MK2，其勘探浑度可达500m； PROTEM-
23、67的勘探深度达l500m 当然这里所说的勘探深度是指地层为中等电阻率的情况下地层电阻率高勘探深度加大地层电阻率低勘探深度减小。 接收机需要有很高的频带接收机需要有很高的频带、很窄的早期门和极大的动态范围以及很高的分辨率才能满足高质量观测的需要。 PROTEM 瞬变电磁仪频宽高达270kHz，早期门窄为6s，有30个观测门，动态范围达132dB，仪器分辨率为23位，PROTEM 瞬变电磁仪可以同时观测瞬变电磁场的三分量信号，而不是仅仅观测垂直分量信号 当地下为非均匀水平层状构造时瞬变场中便会产生x,y水平分量它们包含着地下构造的更多信息，例如构造走向、倾向、倾角等等。 所 以三分量观测有助于全
24、面了解地下构造情况也为日后实现多维反演创造条件。5.3 高密度电法仪 高密度电法勘探是近些年来发展起来的一种应用地球物理方法，2O世纪70年代末期，有人提出阵列电探的模式。高密度电法勘探就是在常规电法勘探基础上借助阵列思想发展起来的一种勘探方式，是集测深和剖面法于一体的多装置、多极距的组合方法，具有一次布极即可进行多装置数据采集以及通过求比值参数而能突出异常信息的特点；且采集效率大大提高，信息量更为丰富。 80年代中期，日本地质计测株式会社曾借助电极转换板实现了野外高密度的电法资料采集以来，随着现代物理学、电子学、计算机和信号处理技术的突飞猛进的发展，高密度电法勘探无论在仪器研制，或是数据采集
25、、处理技术与反演、解释方法的研究，都融合了当代先进的科学理论和高新技术。电法勘探仪器都小型化、轻便化、自动化、智能化和高效化发展。 目前，国内外多个厂家推出了不同性能和特色的高密度电法仪器。分析目前最为常用的最新高密度电法仪器的采集基本方法。同时，通过借鉴其他地球物理仪器采集方法，并结合电子和计算机信息技术的发展和电法勘探的自身特点，对高密度采集方法进行了瞻望。 高密度电法测量系统包括数据采集和资料处理两大部分。最新推出的高密度电法仪大多具有现场资料预处理或处理功能，高密度电法勘探实质仍然是电法勘探，是以研究对象与围岩存在的电性差异为物性基础和前提条件。传统的电法勘探是在直流电法勘探的基础上发
26、展起来的，其仪器结构一般是普通电测仪+电极转换开关组成。 高密度电法勘探实质是对传统的常规电法仪野外采集的改进，是一个多电极测量系统，其结构一般由电极+连接导线或多芯电缆+电极转换开关+工程电测仪（常规电法仪）。可以看出：要实现常规电法勘探仪器到高密度电法仪器的改进，其关键就是如何实现测量主机与众多电极之间的连接，通过电极转换大大提高了常规电法仪的野外采集效率。如：一系列的接地电极同时接入大地，某一测点的接地电极通过转换开关切换为供电电源的A，同时另一测点切换为供电电源B，按照不同的测量装置的要求，另外相应的电极通过电极转换开关转换为测量电极MN。 大多厂家推出的仪器都能自动对自然电位（SP）
27、、漂移即电极极化进行自动补偿；采用滤波和信号增强技术提高抗干扰能力等。但鲜见有哪家仪器具有性能自检功能（如串音干扰、共模抑制、一致性等检测）。特别指出的是：对于直流电法测量中存在的供电后极化长时间的不稳，有的厂家推开的仪器除了可直流供电外，也可采用正弦或方波激电供电，从而消除或减少极化对测量精度的影响。 不言而喻，高密度电法勘探发展至今，也不过二十多年。其中仪器的发展总是融合了其他学科和技术（如电子学、计算机、信息技术、机械制造等）的发展。然而，随着我国大规模的经济建设，资源勘查、环境检测和工程地质和质量检测为地球物理勘探提出了新的挑战，也提供了广阔的扩展空间和发展机遇。地球物理新方法的改进离
28、不开仪器设计的创新发展。汲取当代其他学科的最新成果，借鉴其他先进仪器的设计思想。高密度电法仪器仍具有广阔的发展空间。瞻望未来，高密度电法可以从以下几个方面取得发展和改进： （1）二维测量的数据采集中，将可以进行直流电阻率和时间域激发极化法测量。该方法在传统的高密度电法仪中难以实现，其中难点是：传统的高密度采集对时间的精确测量和控制。 （2）多通道、大数据量采集将会在野外数据采集中占主导地位。传统的数据采集一般采用四极或三极数据采集（无论对称四级、偶一偶极、单极一偶极方式），新型的高密度电法仪将能够同时采集多种观测装置的数据。国外GDP-32高密度电法仪器可16通道同时采集，德国DMT的RESE
29、CS高密度电法仪器可以6道同时采集，国内已有厂家推出了能够61通道同时采集的高密度直流电法仪器。 （3）多通道和大数据量的采集将在三维高密度电法测量中有所应用。由于其测量时间和反演运算时间长等原因，三维高密度电法目前仅限于研究和实验阶段。随着仪器水平的提高，软件水平的进步，三维高密度电法将会得到广泛的应用。特别指出：地球物理方法中的地震采集取得了惊人进步，地震采集已经实现野外成千上万道数据采集，并能够对时间进行精确控制。其发展融合了最新的其他学科的发展。受采集方法和采集道控制技术以及通讯方法等启发，结合电法勘探的特点设计的新型分布式高密度电法仪器将是未来发展的主要思路。将电极转换和信号转换（A
30、D转换）分布在各个电极，连接电缆将主要由通讯电缆和供电电源组成，由微机（PC机）作为中央控制系统新型高密度电法仪正在研制之中，不久的将来，以上的3种方法的发展和改进设想能够取得突破，实现高密度电法采集的又一次革新，为软件开发方面的发展特别是三维立体成像（包括电阻率和激发极化法等）软件开发及其应用提供可靠的装备保证。6 核辐射仪器 测量地质体中天然放射性元素发出的，或通过人工激发由非放射性元素发出的射线的核探测仪器。在放射性勘探中,用于放射性矿床和某些非放射性矿床的勘查,以及解决某些地学问题。放射性勘探又称放射性测量或“伽玛法”。借助于地壳内天然放射性元素衰变放出的、射线，穿过物质时，将产生游离、荧光等特殊的物理现象，人们根据放射性射线的物理性质利用专门仪器（如辐射仪、射气仪等），通过测量放射性元素的射线强度或射气浓度来寻找放射性矿床以及解决有关地质问题的一种物探方法。也是寻找与放射性元素共生的稀
