金属矿地球物理勘探技术与设备：回顾与进展

发布时间：2022-05-11

　　摘要 地球物理勘探技术是深部矿产资源勘查的主要技术手段.长 期 以 来，我国地球物理勘查技术和仪器严重依赖国外进口，国产勘查技术无论仪器设备，还是方法、软件尚不能满足日益增长的深部矿产勘查需求.“十 二 五”国家高技术研究发展计划(863计划)资源环境技术领域设立了“深部矿产资源勘探技术”重大项目，以提 高 深 部 矿 产资源探测的深度、精度、分辨率和抗干扰能力为目标，研发高精度重磁探测技术、电法及电磁探测技术、地 震 探 测、钻探和井中探测技术和装备.经过4年的攻关研究，突破了高精度微重力传感器、铯光泵磁场传感器、宽 带 感 应 式电磁传感器等10余项关键技术;研发、完善和升级了地面高精度数字重力仪、质子磁力仪、大功率伪随机广域电磁探测系统、分布式多参数电磁探测系统等18套勘探地球物理仪器设备;创 新 和 完 善 了20余项勘探地球物理数据处理、正反演方法，研发和完善了2套适合金属矿数据处理及解释的大型软件系统，和8套其他专用软件系统，大幅度提升了我国地球物理勘探技术水平.本文旨在介绍项目取得的主要成果，首先回顾我国地球物理勘探技术的发展历程，然后再重点介绍“深部矿产资源勘探技术”重大项目取得的主要成果和进展，最后对发展我国地球物理勘探技术提出作者的看法和建议.

　　关键词 重力勘探;磁法勘探;电磁法勘探;金属矿地震勘探;金属矿测井;井-地探测

　　0 引言

　　人类利用矿产资源的历史已经有几千年，然而，发明和利用地球物理勘探技术进行探矿的历史只有100多年.近 百 年 的 统 计 数 据 (Ken，2012)告 诉 我们，近地表发现矿床的概率越来越小，矿产勘探逐渐向深部(500～2000m)和“难进入”地区转移.随着找矿难度越来越大，勘探技术越加重要.有资料表明，近20年全球范围重要矿床的发现都与地球物理技术有关(Paterson，2003).从历史上看，矿床发现数量与勘探技术的创新密切相关，每次新技术的出现都促进大批矿床的发现.比如，20世纪50年代到70年代中期(1950—1975)，由于激发极化(IP)法、航空电磁法，γ能谱和质子磁力仪的应用，促进全球一大批矿床的发现，占同期发现矿床的69%;而1970至1975出现新一 轮 矿 床 发 现 高 峰 则 是 由 于 勘 探 数 据处理、集成 分 析 和 反 演 成 像 技 术 的 进 步(Paterson，2003).因此，随着勘探深度越来越深，勘探地球物理技术的重 要 性 不 言 而 喻.遗 憾 的 是 对 于 金 属 矿 来说，没有一种技术像反射地震在沉积盆地中寻找油气那样有效，必 须 使 用 各 种 重 磁、电 法 和 电 磁 探测综合技术圈定深部找矿靶区，通 过 钻 探 实 现 最终找矿突破.

　　近30年，国际勘探地球物理技术突飞猛进，代表性技术包括：航空重力、重力梯度测量系统，直升机吊舱式时间 域 电 磁 探 测 系 统，地 面 大 深 度3D 分布式 DCIP探测 系 统，电 磁 模 拟 反 演 技 术，多 参 数重、磁处理及解释工具以及3D 物性反演技术;金属矿地震技术及应用;井中地球物理勘查技术，包括井中地震 VSP、井中 重 力 等 技 术;地质与地球物理数据集成建模技术等等，这些技术的创新极大提高了矿产勘查的深度、精度和效率，带来了新一轮的勘探技术“革命”.本文的目的不是介绍国际勘探地球物理技术的发展情况，这里不多费笔墨，感兴趣的读者可参阅 Nabighian和 Asten(2002)、Nabighian等(2005a，b)、Vallee等(2011)、Hansen(2001)、Malehmir等(2012)和Patrick(2017，2018)等综述性文章，了解国际勘 探技术的最新进展的详细情况.

　　我国地球物理勘探技术已有80多年的历史，经过几代人的不懈努力，通过引进、吸收和创新，建立了较为完善的勘探地球物理技术体系，为国家矿产、能源的发现 做 出 了 巨 大 贡 献(夏 国 治 等，2004).然而，我国勘查地球物理技术与国外先进水平相比差距较大.航空地球物理勘探技术除了航磁、航放技术外，航空重力、重力梯度，航空电磁探测技术等目前还形成不了实质的勘探能力，一些技术仍属于空白;地面地球物理勘探技术在传感器核心技术、全三维数据采集以及三维数据处理解释等方面还有进一步提升空间;井中(包括测井技术)和井间勘探技术在测量参数、发射功率以及解释技术方面存在一定差距，井中重力测量尚属于空白.

　　为了加快我国勘探地球物理技术的发展，满足未来深部矿产勘探的需求，“十二五”期间，国家863计划资源环境技术领域设立了“深部矿产资源勘探技术”重大项目.项目在前人研究的基础上，瞄准国际矿产勘查技术前沿，开展核心技术攻关，研制大深度实用化仪器装备，发展深部探测方法技术，创新和完善我国深部矿产资源勘探技术体系，缩小与国外的技术差距，初步实现从“跟跑”到“并跑”的技术跨越.为了便于读者全面了解我国地球物理技术勘探的发展情况和重大项目取得的成果，本文首先回顾我国地球物理勘探技术的基础和发展历史，然后重点介绍863重大项目在核心技术、仪器设备和方法技术方面取得的主要成果，最后对我国下一步地球物理勘探技术的发展方向提出作者个人的认识和建议.

　　1 金属矿勘探技术发展历程

　　我国的矿产地球物理勘探最早可以追索到1930年，以李四光在《地质论评》上发表的《扭转 天平之理论》为起算点，至今已有近90年的历史.新中国成立以来，勘探地球物理进入了良性发展时期，建立机构、组建队伍、开拓应用，先后经历了大发展时期(1949—1961)、调整提高阶段(1962—1978)、全面发展阶 段 (1979—1990)和 改 革 发 展 阶 段 (1991— 2000)(夏国治等，2004).早期的物探仪器主要从原苏联和东欧进口，从原苏联引进了地震仪、重力仪、电法仪和测井仪;从东德进口了大量磁力仪，从匈牙利引进了大地电磁仪、扭秤和测井仪;从瑞典进口重力仪等.在大 量 引 进 国 外 仪 器 设 备 的 同 时，我 国 从50年代着手开始国产仪器的研制，并开展相关方法技术的研究.直到今天，在自主研发的道路上前进，国产仪器设备、自主研发的软件系统为我国的矿产勘探做出了重要贡献.下面从重、磁、电、震、井中物探及测井、钻探等六个方面进行回顾，对取得的成果和存在的问题进行总结.

　　1.1 重、磁勘探技术

　　(1)重力仪

　　重力测量仪根据测量原理可分为相对重力测量与绝对重力测量两种.20世纪60年代，西安石油仪器厂、北京地质仪器厂研制并生产了一些低精度金属弹簧、石英弹簧重力仪.直到1975年，北京地质仪器厂生产的ZSM3型重力仪投入批量生产，开始了重力仪国产化的新阶段.到20世纪80年代末，北京地质仪器厂先后生产了ZSM3、ZSM4和ZSM5三种型 号 的 石 英 弹 簧 重 力 仪，ZSM 4 重力 仪 器 量 程 ≥5000mGal，读 数 精 度 为 0.01 mGal，观 测 精 度 ≤±0.03mGal，混合零漂≤±0.1mGal/h(陆其鹄等，2007;吴天彪，2007).到80年代末，已经累计生产千余台.虽然，这些重力仪只达到了中等精度，但基本上满足了我国区域重力测量和军方的需要，也使我国成为国际上少数可以批量生产重力仪的国家.此 外，中 国 地 震 局 也 研 制 了 DZW 型相 对 重 力仪，主要用于对地球重力固体潮的长周期连续性观测(姚植桂，1996;李家明等，2005;吴鹏飞等，2009).

　　我国是最早进行绝对重力仪研制的国家之一，从20世纪60年代开始至今，中国计量科学研究院先后研制了 NIM-1、NIM-2、NIM-3A 型等绝对重力测量仪器(高景龙，1993;刘达伦等，2004;吴书清等，2017).清华大学研制了 T-1、T-1A、T-2型绝对重力仪(李哲等，2014;胡华等，2015)等.此外，中国地震局研制了新型激光干涉绝对重力仪(吴琼等，2012;滕云田等，2013)，上述仪器精度可达 5～10μGal左右.

　　超导重力仪是利用超导原理和技术以测量相对重力变化的新型仪器(郑家祺等，1988).它利用超导体在超导转变之后的无限导电性和完全抗磁性建立超导磁悬浮系统，以代替常规重力仪的弹簧支撑机构.目前国内在超导重力仪研制方面还处于起步阶段(刘向东等，2019).重力测量的另一个研究前沿是高精度原子干涉重力梯度仪，国内在此方面起步较晚，主要有中船重工集团第七一七研究所、中国科学院武汉数学与物理研究所、华中科技大学、浙江大学等单位开展了相关技术研究，并取得了较大进展(魏学通，2017).总体而言，由于仪器系统的技术综合性强、研制难度大，绝对重力仪仍有一些关键核心技术问题有待突破.已有的研究成果主要侧重于实验室基础物理理论分析与实验验证，且由于目前体积较大，可移动性差，在矿产资源勘查中的应用还有较长的路要走.

　　(2)磁力仪

　　磁力仪的研发经历了从机械式到质子、磁通门，再到光泵、超导和冷原子磁力仪的发展历程.北京地质仪器厂从1958年开始一直到1991年，连续生产了11种型号的机械式磁力仪，目前机械式磁力仪已逐渐被各类新型电子磁力仪取代.质子磁力仪是我国物探领域应用最多的磁力仪器.北京地质仪器厂从80年代 开 始 不 断 研 制 完 善 了 CZM 系列 质 子 磁力仪.重庆奔腾数控技术研究所、核工业京核鑫隆公司、廊坊瑞星仪器公司等单位也在引进学习国外仪器的基础上，推 出 了 WCZ 系列、G856F 型、PM-1A型等多种质子磁力仪，国产质子磁力仪灵敏度都在0.1nT 左右(吴 天 彪，2007).磁通门磁力仪在矿产勘查中使用很 广 泛，国内研发生产单位也很多.如北京地 质 仪 器 厂 先 后 推 出 了 CCM-4、CTM/BS-1、CTM-DT06、CTSD-1、CGM-02D、CSM-05等多种型号的磁通门磁力仪.中国科学院地球物理研究所也研制出了 CTM-302型三分量高分辨率磁通门磁力仪(刘士杰等，1990)，中国地震局地球物理研究所还研制了磁通门磁力仪野外台阵观测系统(王晓美等，2012).上述磁通门磁力仪的分辨率也都在0.1nT左右.基于磁通门技术的磁梯度测量仪器，我国于1975年投产，到1996 年更 新 换 代，灵 敏 度 达 到0.1nT/0.5m(吴天彪，2007).

　　光泵磁力仪、超导磁力仪和原子磁力仪是具有更高精度的磁力探测仪器.20世纪70 年代，北京地质仪器厂曾开始研制台站式铯光泵磁力仪，沈阳仪器仪表研究所也曾着手研制便携式半导体氦光泵磁力仪，由于条件限制，当时的研究产品未能推广使用(吴天彪，2007).从90年代中期开始，中国国土资源航空物探遥 感 中 心 研 制 出 HC-95型手 持 式 氦 光 泵磁力仪(灵敏 度0.02nT)和 HC-2000 型航 空 氦 光泵磁力仪(灵敏度0.003nT).中船重工集团第七一五研究所也研制出了 GB系列、RS系列等氦光泵磁力仪.上述磁力仪主要用于海洋磁测和航空磁测，在地面磁测中的应用相对较少.总体而言，我国在光泵磁力仪灵敏度、稳定性和实用性方面接近国外水平，但尚有差距，相关产品在矿产勘查领域发挥了重要作用.关于超导磁力仪，目前我国还处在发展完善之中，已开展的研究主要包括：中国科学院物理研究所研究 的 高 温 DC-SQUID 平 面 梯 度 计 (郎 佩 琳 等，2004)、吉林大学研究 的 高 温 RF-SQUID 梯度 计 样机(赵静等，2011)、中国科学院上海微系统与信息技术研究所研 究 的 低 温 SQUID 磁强 计 与 梯 度 计、北京大学研究的超导量子干涉仪磁强计 (王 赤 军，2009)等.中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所从1989 年开始进行高温超导磁强计在地球物理领域的应用研究，目前研制了三分量高温超导磁强计，分辨率达到97fT/槡Hz，带宽0～30kHz，可初步应用于电磁法勘探(陈晓东等，2002;陆其鹄等，2009).除了上述类型的磁力仪，一些单位开展了基于冷原子干涉原理的磁力仪研制(又称全光学磁力仪)，国内仍处于起步阶段，但进展很快(李曙光等，2010;晋芳等，2011;孙伟民等，2015).

　　综上，我国可用于实际矿产资源勘查的磁场测量仪器基本可以满足需求，但是精度更高、更稳定、梯度容限更大、量程范围更宽的铯光泵测量技术还有待进一步完善和提升，钾光泵技术还是空白.在磁场测量参数多样化、仪器的设计工艺、稳定性等方面与国外尚有一定差距.总体上看，磁测仪器的发展趋势是：高采样率、高分辨率、高精度、大梯度容限、宽的温度适用范围、大屏幕彩显、大容量存储，以及集GPS于一体的智能化和轻便化仪器.

　　(3)重磁数据处理与解释技术

　　在重力数据处理与解释方面，精细处理方法不断创新，不仅包括干扰消除、异常分离、延拓、求导等常规转换，也包括小波、分形、人工神经网络、遗传算法等各种非线性方法以及计算机可视化技术(Zhangetal.，2004;Chenetal.，2015;牟力和陈召曦，2015;任强强等，2016;Zhangetal.，2018a).20世纪90年代 以 来，国 内 各 科 研 单 位 开 始 研 究 一系列的重磁、重磁电或重磁震数据联合反演和建模方法技术，解决了许多靠单一方法无法解决的问题，使资料解释可靠性、精度有了明显提高，形成了一些有影响力的方法和处理软件系统(阎汉杰，2004;杨金玉等，2008;郭文斌等，2015;陈轻蕊等，2017;Renetal.，2018b;Wangetal.，2017b;Chenetal.，2018;Tangetal.，2018;Zhangetal.，2018b;Zhaoetal.，2018).

　　重磁勘探方法由于数据获取方便、测量精度高，被广泛应用于金属矿勘查等领域，近年相应的数据处理与解释技术得到快速发展.在重磁异常弱信号的提取、不同 深 度 异 常 的 分 离、低纬度变倾角化磁极，以及位场曲面延拓、复杂条件下高精度三维重磁场多参数联合反演等方面得到快速发展，目前我国已初步形成了多种软件系统，实现了数据处理智能化、人机交互可视化、成果图绘制自动化等功能(王万银等，1991;田黔宁等，2001;管志宁等，2002;李华东等，2015;黄朝 等，2015;Wangetal.，2017c).在重磁地质应用技术方面，岩性填图技术(严加永等，2014;郭冬等，2014)、基于离散反演和广义反演的三维地质建模技术快速发展 (Lüetal.，2013;祁光等，2012，2014)，为矿产勘查提供更多关于结构、岩性和蚀变等信息，极大提高了利用重磁数据解决地质矿产问题的能力.

　　1.2 电法及电磁勘探技术

　　电法勘探方法众多，主要可分为基于几何测深原理的直流电法(DCIP)、基于频率测深原理的大地电磁 法(MT/AMT/CSAMT)，以及基于时间域测深原理的瞬变电磁法(TEM)等.

　　(1)直流电法仪器

　　在直流电法仪器研制方面，北京地质仪器厂、重庆地质仪器厂、重庆奔腾数控技术研究所等单位具有悠久的历史.20世纪70—80年代，北京地质仪器厂研制出了 DDJ系列多功能电法仪和 DWJ型微机激电仪(夏治平，1985;滑永春等，1994);重庆地质仪器厂 研 制 出 了 DZD 系列 多 功 能 直 流 电 法 仪、DDC型电阻率仪及 DJF 型大 功 率 激 电 仪.随 后，重 庆 奔腾数控技术研究所研制出了 WDJD 系列、WDDS系列、WDA 型等直流激电仪.上述仪器系统在我国早期的金属矿产勘查中发挥了重要作用(冯永江和付志红，1994;冯永江等，1995;瞿德福和张云尔，1996;李金铭，2005;耿启立等，2016).此外，北京中西远大科技有限公司、北京大地华龙科技公司、桔灯公司和中国地质大学(北京)等也都推出了各具特色的电法测量系统.中南大学何继善院士等在总结国际上传统的变频激电和奇次谐波激电法的基础上提出了双频激电和伪随机多频激电法，并研发了相应的仪器系统 (何 继 善，1978;柳 建 新 等，2001;陈 儒 军 等，2003).随着电子技术的进步，以提高采集效率和分辨率为核心的高密度电法仪器迅速发展，比如，北京地质仪器厂研制的 DDJ系列、重庆地质仪器厂研制的 DUK 系列和重庆奔腾数控技术研究所研制的WGMD 系列 高 密 度 电 法 仪 等，还 有 吉 林 大 学 骄 鹏公司、西安澳立华公司、北京大地华龙科技有限公司等单位都开发出了各具特色的高密度电法仪(李志武等，2004;李晓斌等，2008;何刚 等，2014).这些 国产品牌的直流探测仪器在工程地质、矿产地质、环境地质等领域发挥了重要作用.从目前国际上直流电法的发展态势看，全波形、大规模三维分布式采集技术和 相 应 的 反 演 解 释 技 术 将 是 未 来 重 要 的 发 展方向.

　　(2)电磁法仪器

　　基于几何测深原理的直流电法受发射极距、发射功率的影响，探测深度有限.借助于天然场或人工场源的感应类电磁 法(MT/TEM/CSAMT)具有 更大的穿透深度.我国在大地电磁仪研制方面具有较早的历史.原中国科学院兰州地球物理研究所、国家地震局地质研究所及石油部地球物理勘探局仪器厂等，在20世纪60年代中期便开始了大地电磁观测仪器的研制，但因高频特性不好、温漂大、移动不便、仪器动态范围小、数采技术等原因，并未得到进一步推广应用(邓 前 辉 等，1988;刘国 栋，1994).80年代后，中国科学院地球物理研究所、长春地质学院、中国地质大学(北京)等相继研发出了低频数字大地电磁测深仪、GEM-1宽频数字大地电磁测深仪和长周期大地电磁测深仪等，一些主要技术指标已经达到当时国 际 同 类 仪 器 水 平 (张 秀 成，1989;王 家 映，1997;巩秀钢等，2014).在瞬变电磁仪研制方面我国也具有较早的历史.原地矿部物化探研究所、原中南工业大学、北京矿产地质研究院等较早开展了 TEM仪器的研发.目前，技术相对成熟、且有一定市场的瞬变电磁仪器系统有：重庆地质仪器厂 GATEM 系列、重庆奔腾数控研究所 WTEM 系列、北京矿产地质研 究 院 TEMS 系列、骄 鹏 科 技 公 司 MDTEM64系列、中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所IGGETEM 系统、中国科学院地质与地球物理研究所 CASTEM 系统、吉 林 大 学 ATEM 系列、中 国地质大学(武汉)CUGTEM 系列和中南大学 HPTEM系列等(王华军和梁庆九，2005;嵇艳 鞠 等，2005;周平和施俊法，2007;付志红等，2008;武欣等，2016;席振铢等，2016).

　　在可控源电磁法和多功能电磁法方面，早期几乎全部被国外仪器垄断.21世纪初开始，在国家“十一五”863计划、科技部重大仪器专项，国 家 公 益 性行业专项和中国科学院战略先导性专项等项目支持下，我国在仪器设备自主研发方面取得跨越式发展，研制出了适用于三维分布式探测的可控源电磁法及多功能电磁法仪器，并在深部矿产勘查中得到较好的应用.比如中南大学研制的JSGY 广域 电 磁 探 测系统、中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所研制的 DEM 多功 能 电 磁 探 测 系 统、中 国 科 学 院地质与地球物 理 研 究 所 研 制 的 SEP 地面 电 磁 探 测系统、吉林大学研制的JLEM 大深度分布式电磁探测系统、中船重工第七二二研究所研制的 CEMT-03大地电磁探 测 系 统、骄 鹏 科 技 公 司 研 制 的 E60EM-3D多功能电磁法系统、中石油集团东方地球物理勘探公司研制的 TFEM 时频电磁仪和中国地震局等单位研制的大功率极低频/超低频(SLF/ELF)电磁接收机等(何 继 善，2010;蒋奇 云，2010;林品 荣 等，2010;王兰 炜 等，2010;张文 秀 等，2012;底青 云 等，2013;吕雪 峰 等，2015).在 “十 二 五”863 计 划 支 持下，我国在已有的研发基础上，完成了电磁探测技术与装备的升级和性能的全面提升，实现了更大发射功率、更大探测深度、更强抗干扰能力、更多采集参数的功 能.这 些 进 展 将 在 本 文 第 二 部 分 进 行 详 细介绍.

　　感应类电磁探测技术的核心是电磁场传感器.我国市场上使用的高、中、低频段的高灵敏度电磁传感器(包括线圈感应式和超导式)几乎全部被国外垄断，部分低频产品对我国禁止出口.由于磁性材料、工艺等技术的原因，很长一段时间我国还不能生产高灵敏度磁场传感器，尤其是低频磁场传感器，更缺乏对高灵敏度传感器的检测、标定技术和装置，长期以来一直制约着我国电磁探测技术的发展.通过“十二五”的努力，多家单位在高灵敏度、宽频电磁传感器研制方面取得突破性进展，总体达到、局部超过国外主流仪器的技术指标.比如，中国科学院电子所研发的 MT 磁场传感器工作频率范围达到10-3Hz～1kHz，0.1Hz时噪声水平达到5pT/√Hz(王言章等，2007;巨汉 基 等，2010;陈兴 朋 等，2012;朱万 华等，2015;赵毅等，2016;Duetal.，2018).在863计划支持下，重大项目实现了高灵敏度电磁传感器关键部件研制的重要进展，并在检测、标定技术和装置方面取得了零的突破，具体内容见本文第二部分.

　　近年，虽然我国在电磁勘探核心技术、仪器研制方面取得显 著 进 展，但 受 仪 器 的 工 业 化、商 品 化 设计、元器件质量等方面的影响，仪器在稳定性、实用性和可操作性方面与国外设备相比仍有较大差距.占据 我 国 矿 产 勘 查 领 域 的 主 流 仪 器 仍 是 V8、GDP32、EH4、GMS等国 外 仪 器.因 此，早 日 实 现 国产电磁法仪器的实用化和产品化，完全替代国外产品，还需要研发机构和企业紧密联合、共同努力.——论文作者：吕庆田1，2，张晓培3，汤井田4，金胜5，梁连仲6，牛建军3，王绪本7，林品荣2，姚长利5，高文利2，顾建松8，韩立国9，蔡耀泽10，

　　相关期刊推荐：《地球物理学报》创刊于1948年，是中国地球物理学会、中国科学院地质与地球物理研究所联合主办的有关地球物理科学的综合性学术刊物。主要刊载固体地球物理、应用地球物理、地磁和空间物理、大气和海洋地球物理，以及与地球物理密切相关的交叉学科研究成果的高质量论文。作者和读者对象主要为从事地球物理学、地球科学及其他相关学科的国内外科技工作者和大专院校师生。