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发挥学术组织的特殊作用,集中力量组织攻关,争取在关键领域中形成我国具有自主知识产权的先进地球物理技术和仪器.
关键词：
地球物理勘探仪器发展历程新技术高精度重力测量
1、我国地球物理仪器发展历程的回顾
（1）重磁仪器
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10～20nT／格逐步提高到1～2nT／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。
我国从上个世纪的50年代末开始探索测量垂直分量的磁通门磁力仪，60年代初开始研制质子磁力仪等电子式磁力仪，但限于当时的条件，如主要器件只能使用电子管，电源只有干电池，探头和电路设计水平也极其有限，仪器的体积、重量远比光学机械式磁力仪大许多，无法推广使用。
到1962年，研制出了用锗晶体管为主要器件的质子磁力仪，到1983年共推出6个型号，生产了1500多台，“发”到了全国的物探队，几经推广，却未得到普遍应用，主要原因是可靠性差，故障率太高，另外，广大物探工作者也还不太熟悉所测的总向量的推断解释方法。
1983年，达到国外70年代后期水平的灵敏度达到1nT的CZM--2型质子磁力仪的问世，使我国物探界正式开始使用电子磁力仪，特别是在地震预报领域得到大面积推广使用，到目前，这种仪器及其改进型号CZM一2A已经生产近600台。
1986年，我国地矿和核工业系统分别引进了加拿大的IGS--2／MP--4型和美国的G--856A型的“微机质子磁力仪”，灵敏度为0.1nT，观测精度达到±
2．5nT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-1／2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。
进入21世纪以来，随着国家对地质事业投资力度的加大，以及铁矿和多金属矿产资源的短缺，对质子磁力仪的需求猛增，北京地质仪器厂在MP一4经验的基础上、开发了全新的CZM一3型仪器，2005年投入市场。
核工业系统的京核鑫隆公司在G856A的基础上，不断改进，最近推出了G856F高精度智能质子磁力仪，采用锂电池供电，外形保持了传统的结构。
据悉，该系列产品已出口上千台，国内销售也达到几百台，在地震、有色、地质、环保、冶金、石油勘探、煤田、科研等领域广泛应用。
2006年3月重庆奔腾数控技术研究所／重庆万马物探仪器有限公司在参照国外仪器的基础上，根据本国国情开发的WCZ一1质子磁力仪投产，灵敏度0．1T，至今已售出数百台。
2006年，廊坊瑞星仪器有限公司推出了灵敏度0．1nT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。
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10μGaL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。
令人遗憾的是，进入90年代，随着地质事业投资的锐减，物探工作的萎缩，重力仪的需求量也随之大降，北京地质仪器厂被迫撤销了重力车间，技术人员和技术工人纷纷转行或流失，为了保住这个在全世界产量曾经是第三位（1000台以上，第一和第二位是I&
R1500台和Worden1500台）、在亚洲乃至整个第三世界仅有的一个石英弹簧重力仪生产基地，工厂坚持保留下了一个重力组，到2005年，仅有两名技术工人留守阵地，年产量仅10台左右，在技术上也几乎没有太大变化，这种状态，远远不能满足近几年来国内外猛增的市场需求，如伊朗的客户开口订5台，厂方却无法供货。
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。
当前，国内的用户呈现出多元化趋势，换言之，使用重磁仪器的群体，由于地质市场的变化，已从过去单一的物探专业工作者发展到地质工作者、非地质工作者、民营企业甚至农民兄弟，测量的精度也因目标的不同，高、中、低并存，这就使重磁仪器，特别是磁力仪，从磁通门、质子、光泵都有各自的市场。
很多专业的物探队，到国外承包物探、地质工程甚至是买下一片土地进行风险开发，工作的地点多在东南亚、南半球各国，于是出现了“准国外市场”，这些单位和个人，从国内买了仪器到国外工作，所以，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、MP～4出口到越南，G856A／F通过返销出口到很多国家。
（2）地震勘探仪器
1、模拟地震仪时期
建国初期，我国使用的模拟光点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一26—51凸型地震仪，1957年西安仪器厂仿照进口仪器研制生产了DZ57—1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。
这种仪器的研制生产始于40年代末，50年代初。
当时先进的电子元器件是电子管、变压器，是电子管发展的鼎盛时期。
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。
模拟光点记录地震仪原理框图如图2所示，放大器增益由自动增益和半自动增益控制，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10～20dB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。
2、我国数字地震仪时期
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。
1960年美国研制第一台模拟放大器数字磁带记录地震仪，型号为GS-1型,我国物探局仪器厂于1965年开始研制GC—l型就是这种放大器的仪器，1966年、1967年进行了野外试验，其原理框图如图4所示。
3、瞬时浮点放大器数字记录地震仪
1970年美国首先推出DFS—IV型浮点放大器仪器，1971年法国也生产了SN338浮点放大器仪器。
1975年西安石油仪器总厂和物探局仪器厂也开始研制浮点放大器数字磁带记录地震仪，并先后于1978年和1980年研制出SDZ一751A型数字地震仪和SK-8000数控型地震仪浮点放大器的框图分别如图6所示。
4、瞬时浮点增益放大器遥测地震仪阶段
为了解决和克服集中式浮点放大器仪器的弊端，首先由美国GUS公司在1975年研制出192道／1ms的GUS—BUS遥测地震仪，1977年法国的SerceL公司和其他厂家也先后研制出遥测仪器。
我国石油物探局仪器厂和西安石油仪器总厂也分别研制出SK一1004和YKZ-480遥测仪，并于1991年3月10日通过“七五”国家重点科技攻关项目的鉴定和验收，从此便开始了批量生产遥测仪器。
SK--1004仪器，采用当时先进的小型机PDP11／24作为整机控制，单总线结构，每线21ms采样192道，最大8线输入达1536道，单站6道，可进行现场处理，用2.5字节SEG--D格式,数传编码类似于I／O—I、II仪器。
YKZ-480仪器采用PC—AT主机做为整机控制，VME总线，基本单元2ms，采样480道．可扩展到960道，用2．5字节SEG—D格式，用SC--1或SN368仪器的采集站，单站单道，数传编码采用SN368、SN388仪器的方式。
现代遥测地震仪的主机与地面站（包括采集站、交叉站、电源站、中继站）之间的数据和命令要进行传输，为了保证其可靠性，要进行编码和解码。
其方式很多，不管那种方式，主要采用的手段是窄带传输和冗余校验I／O系统I、Ⅱ仪器：
命令线采用美国标准代码（ASC）Ⅱ码，传输率256KHz数据线采用交替标志反相码（AM1）传输率为5MHz。
5、24位模数转换器遥测地震仪阶段
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△Σ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AhalogDevice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、I／O、HGS等其他公司相继开发出具有△--Σ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。
图l2是△--Σ技术的调制器原理框图,V1是一个差分器，它是将输入信号与模数转换器的输出求差，即取△，在V2积分累加器里求和，即取Σ，V3是一比较器，输出一位数据流，经多次运行就完成△-Σ的过程，产生模数转换器的一位数据流输出,调制器采用了过采样技术，往往采样速率是被采样信号最高频率的二百倍以上。
做为—个实例，达到国际同类产品的先进水平。
与此同时西安石油勘探仪器总厂也开发出来并在胜利油田进行了试验。
（3）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：
①高分辨率，高信噪比；
②宽频带，大动态范围；
③高集成，多功能，低功耗；
④操作简单，轻便灵活，现场实时显示结果。
1、大地电磁测深仪（MT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1．2m，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10000Hz～10000s，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1O～100倍，在高频段的噪声低至5*10-7nT／Hz-2，并且没有温漂和时漂，见图1。
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。
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0．5μs，在使用40m×
40m的发射线框情况下，关断时间也只有2．5μs，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。
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、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。
2、地球物理勘探仪器的新技术（高精度重力勘探）
目前，随着数字技术及计算机技术的发展与应用，不仅使得重力与磁场磁力的仪器测量结果更加准确，应用更加方便，而且使得对重磁资料的数据处理、成图及异常解释逐步实现自动化，大大提高了解释速度和效果，同时又推动了复杂重磁异常解释理论的应用和发展。
这两种技术无论在金属与非金属矿产勘探、石油与天然气勘探、岩土与军事工程、文化考古勘探以及地壳结构与深部构造研究方面都在发挥越来越重要的作用。
总之，重磁勘探在国民经济和人们生活中占有十分重要的位置。
在未来的日子，更广泛的社会需求将引导人们更多地认识、扶持并发展这项传统科学技术。
伴随着新的测量设备、更完善的解释理论的不断出现，其发展和应用将达到新的水平，也将更多地造福于人类。
（1）高精度重力勘探
高精度重力测量是从应用地球物理勘探的中理方法发展而来的。
从而方法原理上它与一般的重力勘探史没有区别的。
一般的中立方法是指勘探对象和勘探区域规模较大的概查式的测量，而高精度重力测量一般是指勘探对象和规模较小的细测式的精密重力测量，由于测量精度的提高，重力方法的应用领域和所能解决的问题尤在寻找矿产资源的能力方面相应的得到了开拓和发展。
关于这一点已逐渐被人们认识和重视。
加之它在某些方面的应用比其他勘探方法更具有某些优越性，因此在国外（尤其在欧洲）还较广泛的用于土建工程方面。
在我国也已开始这方面的科研和生产工作。
高精度重力测量又称为微重力测量。
两者若从测量精度的角度来讲，应该是同一的，一般是指测量精度为10nm/s²
级的相对重力加速度测量。
在地质和工程勘察领域i还具有研究对象的规模较小相应的测量区面积和测网间距离均较小的含意，即研究的是较小的地址体的重力测量问题。
当然广义的微重力测量还应包含其他一些的微重力效应的测量，如地球固体潮，地球自有振荡，大气影响以及地哦求动力学原因造成的地球质量位移引起的微小的重力变化的测量等，就目前大学本科阶段来说微重力测量和高精度重力测量部作严格区分。
最早关于高精度重力测量的报导中，有古巴的铬铁矿勘测（Hammmer，1953，1954），所报导的仪器观测或然误差为500nm/s²
。
相当于均方误差±
340nm/s²
，而探测到的异常约500nm/s²
这种用于矿产资源勘探的技术庄谈一直延续到60年代中后期。
在这个时期曾经有很多人企图用重力测量解决工程地质上浅小构造问题，都因重力仪的精度太低而使这些浅小构造所引起的异常才得到解决，到1969年拉科斯特—隆贝格（LaCosteRomberg简记LCR）D型重力仪问世高精度的微重力测量才正式发展成为一种中立测量的新方法、新技术。
“微重力”或“微重力测量”一词最初出现在70年代早期的文献中（Bowlaker，1973；
Calrara1973；
Neumann1972）。
第一台LCR-D型出现以前还没有真正的10nm/s²
级重力仪。
那时最灵敏的仪器也只有100nm/s²
，而D型仪器的灵敏度为10～20nm/s²
沿剖面测量重力差时误差约为50nm/s²
（指附有电子读书器的D型重力仪）由于在读数中部用目镜而采用电子读书，从而提高了读数的精确度。
应该说LCR—D型重力仪的问世拉开了微重力测量的序幕。
（2）技术方法
高精度重力测量的基本原理与常规意义上的重力测量没有根本上的区别，只不过需要在重力测量过程中对各个中间环节实施更严格的技术要求以及在改正计算中使用一些新的计算方法，最终提高重力资料的精度。
1、技术规定
为了进一步提高实测重力资料的质量，我国不断研制、引进了多种地面高精度重力仪、水底重力仪、航空摄影解析制图技术、GPS及电子计算机技术。
国家主管部门还颁布了多种配套的技术规定，使野外重力数据采集精度有了大幅的提高。
如在重力找矿中布格重力异常总精度可达0.3～0.8。
一般在平坦地区可达0.3或更高，在山区可达0.82，高程坐标精度可达十余厘米。
新颁布的技术规定主要有：
《1:
5万比例尺重力调查技术规定》、《1km1km节点网地形高程数图技术规定》、《物化探航空摄影测量细则》、《气压测高方法技术手册》、《物化探GPS测量手册》等。
2、标定场和基点网的建立
建立了8个国家级重力仪格值标定场，12个省级（或自治区）的标定场。
同时建立了国家重力基点网和24个省级（或自治区）的重力I级基点网（478个基点）。
标定场和基点网的建立，统一了全国重力测量仪器的尺度、重力起算值和重力观测的精度控制。
国家的基本重力点已与巴黎国际重力点进行了联测。
3、地形改正的新方法
我国是多山国家，研制了球面远区地改，山区数字地形多种剖分体高精度地改和地改残差估算方法，对提高重力测量结果的精度，扩大重力资料的用途十分重要。
山区高精度地改的实质是利用大比例尺地形图或航空照片做成数字地形图并用多种剖分体割地形，使地改地形力争逼近实际地形，从而提高地形改正精度，达到能在山区有效地进行重力勘探工作的目的。
不断提高数字地形的精度和剖分体的细致程度，则地改值曲线将逐渐趋近于某一渐近值，该值可以被近似看作“真值”。
地改残差方法用归一化地改值渐近线进行估值，估算出地改残差。
3、数据库的建立
目前，国土资源部已建立了全国的省（自治区）和行业性的重力数据库、重力模型数据库和重力资料处理解释工作站。
重力数据库已存贮了大陆960平方公里的节点网高程数据和一部分海域的海底高程数据，存贮了目前已完成的区域重力调查大部分数据。
她除了具备一般数据库功能外，还建有重力资料处理计算程序子库，可为用户进行重力资料的常规改算和解释推断。
重力模型数据库采用积木式结构，可组成模拟实际地质情况、简单或复杂的模型及引力位多阶导数的计算，用于试验重力资料处理和解释方法的准确性、适应性，同时还用于研究复杂异常规律，改进和探寻新方法。
重力工作站集中了上百种经筛选优化的处理和解释推断方法，并编出了商品化的工作站1.0版本，以方便推广应用。
（3）高精度重力测量技术的应用
1、在1:
1万～1:
5万比例尺的矿区勘探工作中的应用
在一些已知矿区或成矿远景区开展重力测量，其精度一般在0.5～2,这些资料在重新认识矿区地质构造，控矿因素和寻找高（低）密度体矿产方面取得成效。
如长江中下游某火山岩盆地，，原认为火山岩较厚，经过重力工作后，发现火山岩覆盖在沉积岩上面，为在覆盖层下寻找有关沉积岩扩大了工作范围。
又如在湖南省用重力间接找矿，该区多金属矿一般出现在酸性岩体周围，因此用重力低异常圈出花岗岩体即可在其周边寻找到多金属矿。
再如在甘肃省用重力高异常验证见富铁矿，在云南地区用重力低异常找到低密度盐矿床。
2、在国内各个油田新开辟远景区的应用效果
由于重力勘探精度较六七十年代提高了1～2个数量级，因此在寻找个中圈闭的能力和发现深部构造信息上也有了很大的提高。
国内各个油田近些年来几乎都开展了高精度重力测量，以配合油气勘查各个阶段的工作。
尤其是在地震勘探得不到良好信息的地区。
在山区、沿海潮间带及水深5m以内的浅海区以及工农业发达的居民密集区更有独特作用。
在地形平坦有良好生贮油
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