了得網工業技術_地球深部探測儀器裝備技術原理及應用

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內容簡介

《地球深部探測儀器裝備技術原理及應用》為“深部探測技術與實驗研究”國家科技專項 (Sino Probe) 第九項目“深部探測關鍵儀器裝備研制與實驗” (Sino Probe-09) 的研究成果總結。作者以近年來我國在深部探測裝備研發的科學實踐為基礎, 著重論述探測地球深部電、磁、重、震等地球物理現像和深部大陸科學鑽探的尖端裝備技術以及應用實踐。涉及的內容包括大功率和大深度探測能力的深部地球物理探測儀器、大面積和高效率航空無人機探測繫統, 高集成工藝和超大深度鑽探裝備以及針對海量多類型數據的移動平臺綜合地球物理資料處理和解釋軟件繫統。內容從基本原理和方法切入, 到地球物理儀器和裝備研發過程所面臨的核心技術, 為提高我國地球深部探測能力和水平提供技術支持。

作者簡介

目錄
叢書序
前言
**章地球深部探測儀器裝備技術發展概況 1
**節深部地質問題和研究思路 1
第二節地球重力場探測儀器及解釋理論發展 3
第三節地球磁場探測儀器及解釋理論發展 5
第四節地球電磁場探測儀器及解釋理論發展 6
第五節地震波探測儀器及解釋理論發展 16
第六節大陸科學鑽探技術發展 21
第七節綜合探測方法及軟件技術發展 31
第二章重力場探測及數據處理解釋技術 34
**節重力場探測原理及實現技術 34
第二節重力測量形式與重力測量儀器 40
第三節重力數據整理、預處理與異常劃分 52
第四節重力數據及多分量數據的處理解釋方法 62
第五節重力場及梯度場解釋方法及聯合解釋技術 73
第六節重力勘探模型及實例 77
第三章磁測及數據處理解釋技術 90
**節單軸磁總場分析方法原理及局限 90
第二節矢量場探測及數據分析方法原理 98
第三節磁測儀器研發關鍵技術 103
第四節多軸觀測數據處理及聯合解釋技術 112
第五節大深度磁場勘探增強型技術 115
第六節模型與實例 117
第七節示範區地球物理場特征 119
第四章地面電磁探測理論與應用技術 127
**節電磁場探測基本原理 127
第二節大功率地面電磁探測(SEP) 繫統研制關鍵技術 135
第三節大功率地面電磁探測(SEP) 儀器繫統的組合及特點 151
第四節電磁場探測數據處理解釋和可視化軟件 153
第五節大深度電磁場勘探增強型技術 180
第六節 SEP繫統的實例研究 182
第五章深層地震勘探儀器及數據處理解釋技術 206
**節深層地震勘探原理 206
第二節深層地震勘探手段及特點 207
第三節無纜自定位地震儀研發關鍵技術 215
第四節地震數據處理技術及流程 307
第五節地震數據解釋方法技術 332
第六節大深度地震勘探增強型技術 334
第七節以地震數據為主導的地球物理建模技術 338
第六章大陸科學鑽探技術與裝備 341
**節大陸科學鑽探驗證目標及應用策略 341
第二節大陸科學鑽探工藝與關鍵技術 345
第三節大陸科學鑽探裝備特點與技術參數 351
第四節 “地殼一號”萬米大陸科學鑽探裝備 356
第五節深部大陸科學鑽探應用工程設計 384
第六節超萬米大陸科學鑽探主要技術難題 405
第七章儀器裝備野外實驗示範研究 408
**節實驗示範區選擇的依據 408
第二節測試範圍及內容 414
第三節測試過程的規範化管理研究 417
第四節儀器比對與信息反饋機制 426
第五節深部地質目標發現率與儀器適用性評估 430
第六節野外應用實例 444
第八章深部探測綜合數據解釋一體化軟件工程與實踐 450
**節深部探測綜合數據解釋特點 450
第二節多方法綜合解釋技術原理 453
第三節綜合數據處理解釋建模一體化軟件構架與設計 463
第四節大型軟件基礎層開發關鍵技術 466
第五節軟件應用層開發關鍵技術 468
第六節數據融合與高效管理關鍵技術 474
第七節深部探測綜合數據處理解釋應用實例 484
參考文獻 503
後記 516

前言

媒體評論

在線試讀

**章地球深部探測儀器裝備技術發展概況
**節深部地質問題和研究思路
固體地球的深部(深地) 是一個**高溫高壓條件下的地球固體層圈繫統。深地可分為兩大層次: ①地殼與岩石圈上地幔是地球深部探測、觀測與實驗研究的主要對像，也是解決資源環境問題的關鍵立足點；②軟流圈、下地幔與地核是*終揭示地球奧秘和動力學問題的核心。研究表明，地表看到的現像根源在深部，缺了深部研究，地球繫統就無法理解。深部物質與能量交換的地球動力學過程是引起地球表面的地貌變化、環境變化和氣候變化的主要控制因素，是解釋成山、成盆、成岩、成礦和成災等形成過程的核心驅動力和依據。因此，SinoProbe制定的目標是充分利用科學手段揭示地球深部奧秘。
SinoProbe獲取的參數和數據包括地質觀察分析、地球物理和地球化學等多種類型，可根據不同的應用目的(或領域) 形成不同形式的參數組合，為科學分析研究提供依據。相關科學分析研究的方向有: ①深化認識造山帶、克拉通和盆山耦合繫統的岩石圈組成、結構和動力學演化過程，全面提升地球認知程度和地球科學發展水平；②揭示成藏成礦控制因素，探討控制大規模成礦作用和礦集區形成的地質過程，發現能源“新區”，開闢深部找礦“新空間”，提高資源勘查水平；③探討重大地質災害發生機理和深部條件，提升地質災害監測預警能力；④為地下空間利用與國防安全需求提供地殼與深部地球物理參數。
深部探測、觀測與實驗研究的主要對像是地殼與岩石圈上地幔。地殼是地球演化歷史的檔案，大陸地殼中保存了岩漿活動、變質作用、沉積過程和地殼形成事件的可靠記錄，同時也保存了成礦和成岩的過程記錄。通過繫統獲取從地表到深部的地學信息，分析地形地貌、地表地質現像和深部活動過程關繫，可以從中發現和揭示大陸地殼的結構與演化過程規律，掌握地質時代變遷和古環境演化過程中的沉積、變質、構造和岩漿與火山活動等影響程度。
在工作流程上，目前，國內外了解地球深部信息遵循大體相同的探測策略和工作流程。首先，通過各種地球物理勘探方法和手段，獲取大面積空間分布的地震波場、重力場、磁力場、電磁場、地溫場、放射性能譜、遙感多光譜等地球物理數據，通過深部科學鑽探獲取地下深處實物驗證數據；其次，通過數字信號分析原理和計算機處理技術手段，完成針對勘探方法特點的傳統數據處理過程，從復雜干擾的實測數據中提取有用信息；然後，在此基礎上進行數據轉換、位場正反演等以增強信號和恢復探測對像形態和屬性為目的的一繫列計算分析，為揭示地下深層隱伏目標提供參考依據；*後，通過聯合地質和地球物理各類領域專家，完成對探測對像的推斷、解釋、分析，預測和恢復深部地質構造和屬性分布模型，為進一步鑽探驗證奠定基礎。*終建立的地質-地球物理模型，可用於了解地殼深部構造和物質成分分布規律，由此推斷解釋地殼活動的規律及其對人類生活造成的影響，包括油氣能源和礦產資源分布以及地質災害產生的原因等，為專業人員提供了分析手段和模型參考。
在技術手段上，廣泛應用大面積、大深度探測技術，獲取分析地殼深部大範圍的地質現像分布數據，通過探測數據處理和綜合解釋揭示地球深部奧秘。目前，我國開展的地殼深部探測實驗示範工程專項所采用的探測儀器和裝備體繫是以獲取大面積和海量探測數據為主要考量，建立多種探測方法技術組合，實現陸海空立體探測；通過信息和海量數據集成分析方法和軟件技術，形成構建三維地質-地球物理模型的高效率解決方案(圖1.1)。
圖1.1 構建三維地質-地球物理模型的高效率解決方案圖
SinoProbe采用的技術手段是應用海、陸、空對地立體探測技術，獲取大面積、大深度綜合地質和地球物理信息
在深部探測采用的綜合地球物理勘探技術中，地震勘探通過獲取和分析地震波信號，為精密揭示地下構造和物質屬性提供了重要依據。該技術在深部油氣藏勘探開發中起著至關重要的作用，盡管勘探成本相對較高，在大深度地球科學探測研究中仍然是不可替代的主要方法。大深度地震勘探信號獲取主要采用“深地震反射剖面法”、配套進行“寬角反射與折射地震剖面法” 以及“寬頻帶數字地震移動臺站法”。三種方法的組合應用共同承擔揭示深部結構圖像與變化、追蹤深部過程、實現地殼精細結構的探測任務。
然而，地震勘探技術和探測成果也存在局限性和多解性，容易受到勘探條件和環境影響，尤其是應用在深部探測領域中，隨著探測深度加大造成解決問題的難度加大。因此，開展大深度地質勘探調查必須結合其他非地震勘探方法，如大面積和高精度重力和磁力測量、大地電磁測深、大地熱流等探測技術方法。從大面積勘探入手，結合地震和測井等局部參考資料，對岩石圈密度、磁性以及電性等綜合物理屬性深入研究，揭示深部構造區域性背景環境以及斷裂和接觸帶等特殊部位的精細結構，彌補單一地震勘探技術的不足。
我國地球探測技術與裝備精度、分辨率、維度、深度、高效搭載平臺與國外相比落後至少20年，總體處於“跟跑” 狀態，進口率高達90% 以上。我國傳感器材料與制備工藝嚴重落後，專用芯片全部依賴進口，新型傳感器尚未研發或處於摸索階段。同時，我國深部探測裝備和核心軟件絕大部分依賴進口，形成市場壟斷、價格昂貴。近地表或淺地表精細探測技術零散，探測精度與分辨率低、效率低、抗干擾能力差；萬米以淺深部探測技術裝備種類少，探測能力弱、誤差大，實用化與產業化較國外差距巨大。這些嚴重制約著我國地球科學、能源與礦產資源勘探的發展，也直接制約著我國參與國際資源競爭的能力。
第二節地球重力場探測儀器及解釋理論發展
地球重力場與人類生活密不可分，一直伴隨著人類文明進程的發展，人類也未曾停止過對它們的觀測、研究和利用。重力勘探的主要目的是測量地球重力場分布，進而研究地下目標體產生的異常並對其進行相應的處理與解釋，達到研究地殼結構構造和找礦勘探的目的。重力野外測量結果經過零點漂移改正之後，再將各測點相對於基點的讀數差換算成重力差。這種重力差值並不能算作重力異常值，因為地面重力測量是在實際的地球表面上進行，由於地球表面的起伏不平，使這種重力差值包含了各種干擾因素的影響，並且干擾程度隨測點而變化。為了使各測點的重力差值有一個相同的標準，就需要將觀測資料進行整理，求得真正的重力異常值，以便在外界條件一致的前提下，對各種測點的重力異常進行比較。重力資料的整理主要包括緯度改正、地形改正、高度改正及中間層改正。重力實測數據需經過預處理、處理、反演及解釋來獲得地下場源體的分布。
1.重力數據預處理
重力數據的預處理是根據異常的數學物理特征，對實測異常進行必要的加工處理，提高信噪比，突出有用異常使實際異常滿足或接近解釋理論所要求的條件。重力異常的預處理主要包括異常的網格化、異常圓滑等，對於航空重力數據還需進行數據調平處理。
數據網格化是進行重力異常的野外工作時，由於某些客觀原因，有時某些點位上無法進行測量，結果會出現漏點或造成實測點分布不均勻；另外，如果利用某些原始的重力異常圖件進行有用信息的再開發，必要時需要用數字化軟件重新取數，這樣的取樣點也可能呈不規則分布。當對重力數據進行反演計算時，一般要求數據必須均勻地規則分布，因此，必須將不規則的實測數據或數字化後取出的數據換算成規則網格節點上的數據，這個過程就是數據的網格化。數據網格化的實質問題就是對不規則分布的數據點進行插值。插值的方法很多，有拉格朗日多項式法、克裡格法，*小二乘法、加權平均法等。異常圓滑是為了去除測量誤差對數據的干擾，從而為後續的數據計算提供更加可靠的基礎數據，主要采用平均值圓滑法、中值濾波、*小二乘擬合法等。
2.重力數據處理
重力異常是地表到深部所有密度不均勻分布的綜合反映，為了更好地完成地質體的解釋工作，數據處理過程包括濾波、延拓、求導、場分離、曲化平等操作，目的是使實際異常滿足或接近解釋理論所要求的假設條件，將復雜異常處理成簡單異常，使實際異常滿足解釋方法的要求，突出解釋需要的重、磁異常信息。
濾波是為了去掉數據中的誤差或**干擾以及小異常體的干擾，獲得更加準確的基礎數據，從而避免後續處理過程帶來誤差。主要有空間域*小二乘濾波、頻率域數字濾波方法等。延拓根據觀測平面上的觀測異常計算出場源以外其它空間位置的重磁異常過程，包括向上延拓和向下延拓，向上延拓可削弱局部干擾異常，突出深部較大地質體的異常，壓制淺部小異常體。向下延拓可劃分水平疊加異常，評價低緩異常，突出淺部異常，壓制深部異常。主要實現的方法是頻率域方法，為了壓制延拓過程中帶來的噪聲放大問題，采用積分-迭代延拓法，導數迭代延拓法等，有效地提高了延拓的精度。求導是突出淺源異常、區分疊加異常、確定場源體邊界以及削弱背景異常的常用方法，被廣泛地應用於異常的解釋，主要采用FFT、DCT、Z、Hartley 等變換方法來完成計算。場分離為了提取出目標體的異常需對綜合異常進行低通濾波處理。頻譜分析技術是進行重磁異常場分離操作的常用方法之一，但該類方法易模糊掉不同形態異常之間的界線特征。後來人們又提出小子域濾波、插值切割法等來獲得更好的場分離結果。
3.重力數據反演
根據重力異常的分布，利用數學物理的方法求出地質體的形態、產狀、空間位置及密度參數，即已知場的分布求場源，稱為反演問題。多解性問題是地球物理勘探反演解釋中共同存在的問題，主要原始是觀測的異常數據通常是有限的和離散的，且地球物理問題本身固有的。反演問題是解釋推斷的數理基礎，應該指出，數學物理語言不能代替地質語言，在解反問題時，從理論上是作了一些假設的，即物體是密度均勻的，形狀是規則的幾何形狀體，如球體、柱體、板狀體等。如果形狀復雜，不規則，其正演問題的計算是繁雜困難的，同時地質體密度不可能是均勻變化的。由於實際地質情況不可能完全滿足這些假設條件，所以解釋推斷結果隻能是近似的，這些假設條件與實際地質情況越接近，解釋推斷的結果準確性就高一些，反之誤差就大一些。反演方法較多，因此在進行反演方法分類時應依據反演得到的地質參數進行劃分，主要包括針對地質體範圍的導數類方法、地質體形狀參數的自動解釋技術、地質體物性反演方法、構造特征的比值反演技術等。邊界識別是位場數據自動解釋中必不可少的任務之一，其可清晰地反映出地層之間的界線以及場源體的分布範圍。現有的邊界識別濾波器大多僅能識別出較淺地質體的邊界，而較深地質體的邊界則比較模糊。為了改善這一問題，本書提出水平與垂直導數的相關繫數法進行地質體邊界的識別。隨著地球物理儀器勘探效率的不斷加快、勘探精度的不斷提高，地球物理人員更加傾向於利用自動解釋方法估算異常體的位置和構造指數。位場自動解釋方法主要包括維納反褶積法、解析信號法、歐拉反褶積法、*小二乘法、場源參數成像(局部波數) 法及神經網絡法等。密度反演是依據觀測異常獲得地下半空間的物性變化，有效地避免了大規模方程的求解，提高了效率，並以異常的均方差和迭代前後屬性參數的變化同時作為迭代停止條件，提高了計算結果的準確性。隨著地球物理儀器勘探效率、探測精度、數據參數和容量的不斷提高，很多傳統的重力解釋方法不適用。張量探測技術是一種新興的地球物理觀測手段，其能提供地質體在不同方向上的導數反映，能更準確地描述地質體的特征，為完成該類方法的解釋，為此人們從理論公式出發推導出適用於張量數據解釋的歐拉反褶積法、物性反演法、局部波數法等。
4.重力異常解釋
根據重力資料、岩(礦) 石(目標物) 的物性資料以及地質和其他物化探資料，運用位場理論和地質理論解釋推斷引起重力異常的地質原因及其相應地質體(目標體) 的空間賦存狀態，平面展布特征，礦產和地質構造或其它目標體分布的全過程。
第三節地球磁場探測儀器及解釋理論發展
地球磁場探測根據搭載平臺可分地面與航空磁力探測。航空磁力探測(簡稱航磁探測) 是將航空磁力儀及其配套的輔助設備裝載在飛行器上，在探測地區上空按照預先設定的測線和高度對地磁場強度或梯度進行探測的地球物理方法。航空磁

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