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 2110130005

任课教师 邓 明 职 称 教 授

二O一四年四月

中国地质大学（北京） 地球物理与信息技术学院 2013级硕士研究生地球物理仪器结课报告

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。

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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。

石英弹簧重力仪

按结构分 电子式重力仪

超导重力仪

激光重力仪(实验室)

机械式重力仪

金属弹簧重力仪 振弦重力仪(海上)

重力仪

按测量原理分

绝对重力仪

相对重力仪

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

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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。

<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

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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：

机械式磁力仪。如悬丝式磁秤、刃口式磁秤等 电子式磁力仪。如质子磁力仪、光泵磁力仪、磁通门磁力仪等 相对测量仪器，如悬丝式垂直磁力仪等，它是测量地磁场垂直分量Z的相对差值 绝对测量仪器，如质子磁力仪等，它是测量地磁场总强度T的绝对值 地面磁力仪 航空磁力仪 海洋磁力仪以及井中磁力仪 内部结构及工作原理 磁力仪分类按其测量的地磁场参数及其量值 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。

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使用的领域 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