“地球物理儀器”課程實驗教學(xué)探索

葛健+董浩斌

（中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）自動化學(xué)院，湖北 武漢 430074）

摘要：“地球物理儀器”是中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）專門針對測控技術(shù)與儀器專業(yè)開設(shè)的專業(yè)選修課。本文根據(jù)地球物理中的經(jīng)典探測方法，探索了相應(yīng)的實驗教學(xué)設(shè)計。在教學(xué)中注重將地球物理方法與儀器設(shè)計相結(jié)合，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并且有利于促進我國地球物理儀器人才的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：地球物理儀器；測控技術(shù)與儀器；實驗教學(xué)

中圖分類號：G642.0 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）50-0270-02

一、課程概況

中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）以地球科學(xué)為主要特色，學(xué)校設(shè)立的測控技術(shù)與儀器專業(yè)以地球探測儀器為主要辦學(xué)特色，是我國地球物理儀器人才培養(yǎng)的重要基地之一?！暗厍蛭锢韮x器”是該專業(yè)在2015年修訂的培養(yǎng)計劃中新增加的專業(yè)選修課，該課程旨在讓學(xué)生了解電法、地震法、磁法、重力法等經(jīng)典地球物理方法的最新儀器設(shè)備，要求初步掌握儀器的工作原理、性能與操作，因此實驗教學(xué)占有重要地位。

本文的主要目的是針對地球物理中經(jīng)典探測方法，來探索相應(yīng)的驗證性實驗的設(shè)計；并在實驗教學(xué)中注重將地球物理方法與電子儀器設(shè)計的專業(yè)知識相結(jié)合，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。實驗力圖將理論與實踐進行融合，使學(xué)生掌握地球物理儀器的基本原理與設(shè)計思路。

二、實驗內(nèi)容設(shè)計

根據(jù)地球物理方法探測原理的分類，將“地球物理儀器”課程實驗劃分為如下圖所示的四大類實驗：電法、地震法、磁法、重力法。它們所采用的儀器基本涵蓋了目前物探中所使用的常見儀器，具有一定的代表性，能夠使學(xué)生比較全面地了解地球物理儀器的探測原理、發(fā)展現(xiàn)狀。

1.電法實驗。電法是根據(jù)地質(zhì)體的介電性、導(dǎo)電性等電磁學(xué)特征的差異，通過探測人工可控場源激發(fā)或天然的電、磁場的分布，然后通過反演來獲取地下地質(zhì)體視電阻率等參數(shù)[1]。筆者所在學(xué)校配備了直流電法儀和多功能電磁法儀。由于電磁法儀通常需要大功率的激勵源，因此儀器體積一般比較龐大，考慮到開展實驗教學(xué)的實際可行性，實驗以直流電法儀為主。直流電法儀采用的是筆者研制的GMD高密度電法儀。該儀器通過單根電纜即可連接所有電極（最大240道）。與傳統(tǒng)的電法儀相比，該儀器僅需要通過軟件設(shè)置就可以實現(xiàn)不同裝置系數(shù)的電法探測，因此實驗的效率很高。

實驗步驟為：（1）簡要回顧直流電法基本原理。（2）結(jié)合電法理論，介紹儀器組成原理（電極、激勵模塊、數(shù)采模塊）、測量參數(shù)（供電電流和電位差）、性能指標(biāo)（最大通道數(shù)、最小測量電壓）、軟件設(shè)置、工作流程、注意事項等內(nèi)容。（3）選擇典型的“對稱四級裝置”作為學(xué)生的實驗內(nèi)容，并通過原理圖的形式對電極排列和視電阻率表達式進行講解。（4）引導(dǎo)學(xué)生在典型測線上開展實驗。在實驗前面要給學(xué)生示范電法儀的檢查，包括漏電情況、電接點和線號。然后進行導(dǎo)線和電極安裝，其中應(yīng)特別注意利用儀器自帶的自檢功能以保證電極接地良好。數(shù)據(jù)記錄完畢后，應(yīng)首先按照均方相對誤差檢查數(shù)據(jù)精度，然后進行數(shù)據(jù)處理與校正、成圖。

2.地震法實驗。地震法是根據(jù)地質(zhì)體的彈性差異，通過探測人工可控場源激發(fā)或天然的反射波、折射波或透射波，然后通過反演來推斷地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)和巖性[2]。筆者所在學(xué)校配備了淺層地震儀和深部地震儀，考慮到教學(xué)中測量結(jié)果的可驗證性，實驗以淺層地震儀為主。采用的是GEODE地震儀：單站配備3-24道采集通道，多采集站最多可擴展到1000道；采集帶寬為20kHz。

實驗步驟為：（1）簡要回顧地震法基本原理。

（2）介紹儀器組成原理（人工震源、檢波器、數(shù)據(jù)采集站等）、測量參數(shù)（時間和振幅）、性能指標(biāo)（通道數(shù)、ADC性能等）、軟件設(shè)置、工作流程等。（3）在實驗前，要開展試驗性工作以選取探測區(qū)域內(nèi)最佳的工作方法和技術(shù)，試驗的內(nèi)容主要包括干擾波調(diào)查、最佳激發(fā)和接收條件等。然后，確定測線，基本原則是：測線應(yīng)盡量為直線；主測線應(yīng)垂直構(gòu)造走向、聯(lián)絡(luò)測線平行構(gòu)造走向。接著，在測線上在布置炮點和接收點，記錄檢波道數(shù)、道間距、偏移距、最大炮檢距等。最后，進行數(shù)據(jù)采集、評價、處理、成圖。

3.磁法實驗。磁法可通過探測地質(zhì)體的磁性差異所引起的磁異常，來推斷地質(zhì)構(gòu)造、礦產(chǎn)資源等目標(biāo)的分布規(guī)律[3]。筆者所在學(xué)校配備了質(zhì)子旋進式和磁通門式。對于學(xué)生實驗而言，要求儀器具有體積小、功耗低、磁測精度高等特點，因此實驗以質(zhì)子旋進磁力儀為主。質(zhì)子旋進磁力儀采用的是筆者研制的Overhauser磁力儀[4]。其測量范圍是20000—100000nT，靈敏度為15pT/Hz1/2。儀器可進行地磁場的自動跟蹤和配諧，因此比較適合用于學(xué)生實驗。

實驗步驟為：（1）簡要回顧磁法基本原理。（2）介紹儀器組成原理（探頭、信號放大模塊、測頻模塊）、測量參數(shù)（FID信號頻率）、性能指標(biāo)（測量范圍，靈敏度等）、工作流程等。此外還應(yīng)在實驗教學(xué)中向?qū)W生講解儀器的手動配諧方法。（3）在實驗前要給學(xué)生示范磁力儀的檢查，包括：噪聲水平，一致性和系統(tǒng)誤差的測定。儀器檢查完畢后，在進行實驗的同時要注意進行地磁場日變的觀測。實驗結(jié)束后應(yīng)首先進行測點數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查，然后再進行處理、作等值線圖。

4.重力法實驗。重力法根據(jù)探測對象與圍巖的密度差異，可通過測量地球重力場的時空分布規(guī)律來進行大地測量、地質(zhì)學(xué)研究、礦產(chǎn)資源勘查[4]。筆者所在學(xué)校同時配備了絕對重力儀和相對重力儀?？紤]到野外實驗的可操作性，實驗以相對重力儀為主。采用的是CG-5石英彈簧重力儀：測量范圍為7000 mGal，精度約10—20 microGal。

實驗步驟為：（1）簡要回顧重力法基本原理。（2）介紹儀器組成原理（彈性系統(tǒng)、測讀機構(gòu)）、測量參數(shù)、性能指標(biāo)（格值變化范圍與分段等）、工作流程等。（3）首先，在實驗前要給學(xué)生示范重力儀的檢驗，包括：儀器檢查及調(diào)節(jié)、重力儀靜態(tài)和動態(tài)試驗、一致性檢驗。由于采用的是相對重力測量，為了降低儀器零點漂移的影響，需要將測量結(jié)果換算到統(tǒng)一的水平，因此在測量前要選取合適的重力基點。接著，按照規(guī)范進行數(shù)據(jù)采集，結(jié)束后還應(yīng)對測點觀測質(zhì)量進行檢查，并獲取巖石密度資料、平面坐標(biāo)及高程，以便對觀測結(jié)果進行校正。最后，對采集數(shù)據(jù)進行校正、處理、成圖。

三、總結(jié)

本文結(jié)合地球物理中基本探測方法，探討了“地球物理儀器”課的實驗教學(xué)體系的構(gòu)建，在教學(xué)中引入了最新的儀器，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情并促進其掌握地球物理儀器的前沿信息。未來，筆者還將根據(jù)實際教學(xué)效果，不斷優(yōu)化實驗教學(xué)內(nèi)容。

參考文獻：

[1]董浩斌，王傳雷.高密度電法的發(fā)展與應(yīng)用[J].地學(xué)前緣，2003，10（1）：171-176.

[2]牟義，黎靈，張永超，等.淺層地震法探測淺煤層采空區(qū)試驗研究[J].煤炭技術(shù)，2014，（6）：69-71.

[3]葛健，陸承達，董浩斌，等.基于Overhauser傳感器的近地表UXO磁梯度法探測技術(shù)[J].儀器儀表學(xué)報，2015，36（5）：961-974.

[4]沈博，袁尚武，馬玄龍，等.CG-5重力儀的漂移與壽命[J].物探與化探，2015，39（2）：383-386.