地球物理学报  2019, Vol. 62 Issue (10): 3629-3664   PDF    
引用本文
吕庆田, 张晓培, 汤井田, 等. 2019. 金属矿地球物理勘探技术与设备:回顾与进展. 地球物理学报, 62(10): 3629-3664, doi: 10.6038/cjg2019N0056.  
Lü Q T, Zhang X P, Tang J T, et al. 2019. Review on advancement in technology and equipment of geophysical exploration for metallic deposits in China. Chinese J. Geophys. (in Chinese), 62(10): 3629-3664, doi: 10.6038/cjg2019N0056.  
金属矿地球物理勘探技术与设备:回顾与进展
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, 张金昌11, 刘宝林12, 赵金花1     
1. 中国地质科学院矿产资源研究所, 北京 100037;
2. 中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所, 河北廊坊 065000;
3. 吉林大学建设工程学院, 长春 130026;
4. 中南大学地球科学与信息物理学院, 长沙 410083;
5. 中国地质大学(北京)地球物理与信息技术学院, 北京 100083;
6. 北京奥地探测仪器有限公司, 北京 100015;
7. 成都理工大学地球物理学院, 成都 610059;
8. 中国船舶重工集团公司第七一五研究所, 杭州 310023;
9. 吉林大学地球探测科学与技术学院, 长春 130026;
10. 中地装(重庆)地质仪器有限公司, 重庆 400033;
11. 中国地质科学院勘探技术研究所, 河北廊坊 065000;
12. 中国地质大学(北京)工程技术学院, 北京 100083
收稿日期 2019-02-15, 2019-08-29 收修定稿
基金项目: 国家高技术研究发展计划(863计划)重大项目"深部矿产资源勘探技术"(2014AA06A600)资助
第一作者简介: 吕庆田, 男, 1964年生, 研究员, 博士生导师, 863计划重大项目首席专家, 主要从事矿产勘查技术方法及应用研究.E-mail:lqt@cags.ac.cn
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     
Review on advancement in technology and equipment of geophysical exploration for metallic deposits in China
LÜ QingTian1,2, ZHANG XiaoPei3, TANG JingTian4, JIN Sheng5, LIANG LianZhong6, NIU JianJun3, WANG XuBen7, LIN PinRong2, YAO ChangLi5, GAO WenLi2, GU JianSong8, HAN LiGuo9, CAI YaoZe10, ZHANG JinChang11, LIU BaoLin12, ZHAO JinHua1     
1. Institute of Mineral Resources, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037, China;
2. Institute of Geophysical and Geochemical Exploration, Chinese Academy of Geological Sciences, Hebei Langfang 065000, China;
3. College of Construction Engineering, Jilin University, Changchun 130026, China;
4. Institute of Geosciences and Info-Physics, Central South University, Changsha 410083, China;
5. School of Geophysics and Information Technology, China University of Geosciences, Beijing 100083, China;
6. Beijing Aodi Detection Instrument Company Limited, Beijing 100015, China;
7. College of Geophysics, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China;
8. 715th Research Institute of China Shipbuilding Industry Corporation, Hangzhou 310023, China;
9. College of Geo-Exploration Science and Technology, Jilin University, Changchun 130026, China;
10. China Geological Instrument(Chongqing) Company Limited, Chongqing 400033, China;
11. The Institute of Exploration Techniques, Chinese Academy of Geological Sciences, Hebei Langfang 065000, China;
12. School of Engineering Technology, China University of Geosciences, Beijing 100083, China
Abstract: Geophysical technology is a main technical tool of exploration for deep mineral resources. For a long time, China's technology and equipment in this industry rely heavily on imports, the Chinese made exploration techniques, whether instruments or equipment, and methods or software, cannot meet the growing demand in the country. To tackle this problem, a major project "Exploration Techniques for Deep Mineral Resources" was initiated as part of the National 863 Program in the 12th Five-year Plan of China. It focused on increasing the exploration depth, precision, resolution and the anti-interference capability of exploration and developing technology and equipment of high-precision gravity-magnetic, electrical and electromagnetic, seismic, drilling and down-hole exploration. After 4 years of efforts, more than 10 key technologies have been broken through, such as the high-precision microgravity sensor, cesium optical pump magnetic field sensor and broadband induction electromagnetic sensor; 18 sets of exploration geophysical instruments and equipment have been developed, improved and upgraded respectively, including ground high-precision digital gravimeters, proton magnetometers, high-power pseudo-random wide-field electromagnetic detection systems, and distributed multi-parameter electromagnetic detection systems. Meanwhile, 20 exploration geophysical data processing and inversion methods have been innovated and improved; 2 sets of large-scale software systems suitable for data processing and interpretation of metallic deposits and 8 sets of other special software systems have been developed and improved. These achievements have greatly raised the technical level of geophysical exploration in China. This paper aims to introduce primary achievements of this project. Firstly, it reviews the development history of geophysical exploration technology in China, and then presents main achievements and progress of the major project of "Deep Mineral Resources Exploration Technology". Finally, we give our views and suggestions on the further development of geophysical exploration technology in China.
Keywords: Gravity exploration    Magnetic exploration    Electromagnetic exploration    Seismic exploration for metallic deposit    Logging for metallic ore exploration    Well-ground exploration    
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ZSM 3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ZSM 3、ZSM 4和ZSM 5三种型号的石英弹簧重力仪，ZSM 4重力仪器量程≥5000 mGal，读数精度为0.01 mGal，观测精度≤±0.03 mGal，混合零漂≤±0.1 mGal/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5~10 μGal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0.1 nT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0.1 nT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0.1 nT/0.5 m(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0.02 nT)和HC-2000型航空氦光泵磁力仪(灵敏度0.003 nT).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，带宽0~30 kHz，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(Zhang et al., 2004; Chen et al., 2015; 牟力和陈召曦，2015；任强强等，2016；Zhang et al., 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; Ren et al., 2018b; Wang et al., 2017b; Chen et al., 2018; Tang et al., 2018; Zhang et al., 2018b；Zhao et al., 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；Wang et al., 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(Lü et al., 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~1 kHz，0.1 Hz时噪声水平达到5 pT/√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; Du et al., 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.

(3) 数据处理与解释技术

随着电磁探测技术在矿产资源勘查、工程勘察中越来越广泛的应用，相应的数据处理及解释技术得到极大发展.在正反演方面，有限差分、自适应非结构化网格有限元、边界元、积分方程、有限体积等高精度数值模拟方法已广泛用于正反演计算；一维/二维反演技术已经非常成熟，三维带地形直流电法、激电法、可控源电磁法、大地电磁法等反演算法也已经实现，并得到较好的应用；电性各向异性的研究也取得系列成果，多参数互约束联合反演技术研究已经展开，并取得进展(杨辉等，2002；Wu, 2003; Wang et al., 2013, 2017d; Zhang et al., 2014; 顾观文等，2014；杨磊等，2016；Yin et al., 2016; 陈晓等，2017；曹金华等，2017; 赵宁等，2017；Peng et al., 2018; Ren et al., 2018a; Chen and Li, 2019).中国地质大学(北京)、中南大学、吉林大学、中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所等单位研发了适用于起伏地形的TDIP/SIP、CSAMT、AMT/MT反演解释软件和TEM定量解释软件，极大提高了电与电磁探测技术的实用性.在电磁抗干扰数据处理技术方面，除了常规的时序叠加、频谱分析、数字滤波等技术之外，相关辨识、稳健统计、数学形态滤波、经验模态分解、小波分析、分形技术等手段也被应用于海量电磁数据的自动化处理，为进一步实现电磁三维高精度探测打下了坚实基础(Li et al., 2013, 2017, 2018; 武莹等，2014；Liu et al., 2016; Mo et al., 2017, 徐信等，2017；Wang et al., 2017a; Yang et al., 2018; 周文强等，2019).

1.3 金属矿地震勘探技术

(1) 仪器设备研制

地震仪器按照数据传输方式可分为三种：有缆遥测地震仪、节点地震仪和无缆遥测地震仪.无缆遥测地震仪由于受到数据传输效率、速度和稳定性等影响，市场应用不太普及，但前景看好.按照震源性质分为人工源和天然源地震仪，前者更多用于勘探，后者多用于探测和监测，近年出现的节点地震仪架起了人工源和天然源的桥梁，即可同时接收人工和天然源信号.从硬件角度，并没有针对金属矿勘探研制的地震采集设备，从实际应用看，金属矿地震勘探多数仍使用油气勘探的有缆数字地震采集设备，比如，法国Sercel公司的428、408、388等；美国I/O公司的System II、System 2000、Image; 加拿大Geo-X公司的ARAM-24、ARAM-ARIES等.我国一直在致力开发具有自主知识产权的有缆遥测地震仪(万道地震仪)以及配套的人工震源和检波器，经过多年的努力，近年中国石油集团公司东方地球物理公司、中国科学院地质与地球物理研究所等单位在数字地震仪器、MEMS检波器、可控震源等方面取得突出进展，国产地震仪器取代进口指日可待.(张子三等，2000；佟训乾等，2012；陈瑛和宋俊磊，2013；刘振武等，2013；李怀良等，2013；赵春蕾等，2013；王京京等，2017).

国内有多家单位已经研发出多型号的节点地震仪，比如，重庆地质仪器厂研制的EPS便携式数字地震仪、CZS一体化宽频数字地震仪；吉林大学地球探测科学与技术学院在863计划、国家公益性行业专项支持下，研发了无缆遥测地震仪；中国科学院地质与地球物理研究所等单位研发出了无缆存储式数字地震仪等(孙明等，2001；孙明和林君，2002；杨泓渊等，2009；王肃静等，2015；赵金龙等，2016；田入运等，2017)，这些仪器已经开展了前期实验，取得一定效果，但距大规模产品化使用尚有一定距离.国内研制的无缆节点式地震采集仪器在电源管理、制造工艺和数据回收系统等方面与国外仪器尚有一定差距(郭建和刘光鼎，2009).

目前, 国内外还缺少针对金属矿地震勘探的采集系统，大多数仪器还是用在油气勘探、煤田和工程勘探上.金属矿产勘探具有地质、地形条件复杂、难“进入”和有效信号弱等特点，客观上要求无缆、轻便、多道、大动态范围的仪器设备，适应金属矿勘探特殊的地表和地下地质条件.

(2) 数据处理与解释技术

我国金属矿地震数据处理与解释技术整体仍处在发展阶段.由于金属矿区成层性(连续性)差、波阻差异较小、反射信号弱等特点，客观上要求数据处理技术的创新.但是目前还没有看到有针对金属矿产特殊的处理解释技术，总体上还是沿用油气地震勘探的技术，只是在个别处理环节针对金属矿区和硬岩地区的特点进行重点处理，如去噪、均衡、偏移等.近十多年来，也有一些专家针对金属矿产勘查的特点，探索了金属矿散射波的模拟和成像技术，但是更多的还是停留在理论层面.比如，国内的孙明和林君(2001)依据微扰理论，进行了金属矿地震散射波场的数值模拟研究.实验结果表明：可通过地震波散射响应的强弱推断矿体，散射波相干性的好坏与杂乱散射体的不均匀性有关.刘学伟课题组对散射波的基础理论、物理模拟和成像剖面进行了研究，通过大量地质模型(单点、多点、层状、单体、多体)的地震散射波场的数值模拟和正演研究，对单炮记录和叠加偏移剖面上散射波的波组特征与其所反映的地质模型之间的对应关系提出了新的认识(尹军杰等，2005；李灿苹等，2005；勾丽敏等，2007；李敏锋等，2007).

金属矿区的地震剖面解释一般不能沿用盆地反射地震的解释思路.一般要根据地震反射特征，比如：反射纹理、强弱变化、空间关系、密集程度、反射“亮点”等，结合矿区地质特征、成矿和控矿模式等进行解释.在这方面一些专家做了有意义的尝试.Li和Eaton(2005)在东天山土屋铜矿成功地运用地震方法发现大约1 km深的与斑岩铜矿有关的岩体和岩体的内部结构；吕庆田等(2004)在铜陵狮子山矿田利用反射地震发现了主要赋矿层“五通组”的深部分布形态；在庐枞的罗河铁矿深部发现了新的反射界面，后经钻探验证，在1600 m深处发现了小包庄铁矿(吕庆田等，2010).

虽然金属矿地震借鉴已经成熟的石油地震技术，但仍然面临很多技术上的挑战，如复杂构造、低信噪比、不连续反射和强散射等，要解决这些问题，必须发展新的采集和处理解释技术.

1.4 井中物探及测井技术

(1) 仪器研发

我国是开展地下电磁波勘探较早的国家之一，自20世纪60年代初地矿部物化探研究所研制出第一台仪器并开展工作至今，全国先后有几十个科研单位、高等院校和生产单位开展了地下电磁波层析技术的应用和研究.研究内容涉及理论分析、模型实验、仪器制造、层析算法、软件研制、解释和应用诸方面.先后研制和生产了具有代表性的JWT-1、JWT-2、JWQ-3、WKT1-4、JW-4、JW-5等多种型号的仪器，开发了多种行之有效的层析算法，在矿产勘查、工程地质、环境地质和考古等众多领域中发挥了重要作用(曾凡超和蔡柏林，1985；吴铭德，2002).

最近二三十年，中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所、重庆地质仪器厂、重庆奔腾数控技术研究所、北京地质仪器厂、上海地学仪器研究所等单位先后研制出地下电磁波CT、声波CT、井中磁力仪、井中激电测量仪、井中TEM测量仪等多种类型的仪器产品.但整体而言，我国的井中物探装备研发一直处于相对跟踪状态，随着深部找矿工作的深入开展，已有仪器暴露出的问题越来越多(周平等，2009).目前，我国井中物探技术还面临着测量参数少、发射功率和接收灵敏度低等问题.

在综合地球物理测井仪器方面，代表性的产品有重庆地质仪器厂的JGS型、上海地学仪器研究所的JHQ-2D型、渭南煤矿专用设备厂的TYSC-QB型、北京地质研究院的HD-40型等数字测井系统.但上述仪器在装备性能和批量配套生产方面与西方公司仍有一定差距(曾凡超和蔡柏林，1985；吴铭德，2002).中国石油测井有限公司等单位曾开展了高性能测井技术与装备的研发工作，但主要针对油气测井，在固体矿产资源勘查中很少应用.

目前，金属矿小口径测井设备存在测井深度浅、测量参数少、缺乏必要的检测标定装置(参数井)以及现场实时处理解释软件等问题，与国外同类产品存在一定差距(周平等，2009).因此，研发深孔小口径、多参数、轻便自动化、稳定可靠的综合测井仪器是目前深部资源勘探的一项重要内容.

(2) 数据处理与解释技术

近20年来，我国在地下物探及测井数据处理解释方面取得了重要进展.国内学者先后开展了井-地电磁三维正反演研究，开发出了井-地电阻率、激电相位三维正反演软件和可视化CT处理与解释系统，可实现地下电磁波、声波数据与钻孔资料的实时交互处理(Wang et al., 2006; 武军杰等，2017).中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所等单位还研发了一套包含地下电磁波和声波透视层析成像的地下物探综合工作站；吉林大学、中国地质大学(北京)、中国地质大学(武汉)、成都理工大学、核工业203研究所等单位先后设计实现了测井资料处理解释软件系统(邵才瑞等，2005；原福堂等，2005；邹长春等，2010).在地质解释方面，中国地质调查局及所属单位先后完成了《地-井脉冲瞬变电磁法物理模拟曲线图册》、《井-地大功率充电法数值和物理模拟曲线图册》，制定了井中磁测、井中激发极化法、钻孔电磁波法、金属矿地球物理测井等相关技术规程，为地下物探异常的推断解释提供了有实用价值的参考资料.上述成果为今后逐步实现地下多物理场多参数多成像系统的综合集成打下了良好的基础.

1.5 硬岩深井岩心钻探技术

20世纪50年代前，我国的岩心钻探设备主要靠进口.50年代中期国内开始仿制，60年代中国地质科学院勘探技术研究所研制出我国第一台岩心钻机；70年代起，为了适应金刚石取心钻进的需要，开始研制高转速立轴式钻机及与之配套的泥浆泵，成功研制了XY系列钻机与BW系列泥浆泵(甄玉娜和王均，2001).在全液压顶驱式钻机研制方面，“八五”期间成功研制了我国第一台车装钻机，主要供300 m以内金属矿勘探空气反循环岩心取样钻进使用.“十五”中期，又通过引进、消化吸收国外先进技术，研发出我国第一台拖装式千米全液压顶驱钻机样机(文田，2007；石艺，2008; 张金昌，2016).

“十二五”之前国内研制的全液压动力头地质岩心钻机主要有:连云港黄海机械厂的HYDX-4、HYDX-5、HYDX-6型，钻深能力分别为700 m、1300 m和1600 m.山东省地质探矿机械厂的XD-3、XD-5型，钻深能力分别为700 m和1200 m.还有其他一些厂家研制的不同型号的全液压动力头钻机，钻探深度多在2000 m以内.2007年立项的“十一五”国家“863”计划重点科技项目“2000 m地质岩心钻探关键技术与装备”于2010年底结题，完成了优质、高效深孔钻进工艺研究以及2000 m全液压岩心钻机及配套设备的研制.进入“十二五”以来中国地质科学院探矿工艺研究所联合中国地质装备集团公司研制成功3000 m电动直驱顶驱钻机，中国地质调查局勘探技术研究所研制了3500 m地质岩心钻机、400 m轻便钻机、浅层取样钻机和600 m反循环钻机等(张金昌等，2012；张金昌，2016).

我国拥有居国际领先地位的液动锤冲击回转钻进技术，该技术将轴向高频冲击载荷施加到钻头上，使钻进效率较纯回转钻进方法大大提高，在东海中国大陆科学钻探工程中，创造了5158 m的液动锤工作深度之最(王人杰和苏长寿，1999).我国绳索取心钻进技术起步于20世纪80年代初，但因钻杆强度问题存在较大的阻力(孙建华等，2011).近年，针对钻杆强度薄弱的问题，一些研究单位与施工单位选择了优质管材和加大钻杆壁厚的方法，但钻进孔径59 mm钻孔的小口径绳索取心钻杆强度仍不能很好地解决，因此，难以进行深孔钻进.小口径定向钻探技术达到了相当的水准，80年代末在铜陵冬瓜山铜矿床于一个主干孔内成功施工了6个全方位分布的定向分枝孔，平均深度达856 m，钻孔中靶精度在1.29~5.86 m.在组合钻具的研究上也做了大量的工作.80年代初、中期，我国扩孔翼式不提钻换钻头钻具(钻孔直径75 mm)、绳索取心液动锤钻具(最小钻孔直径59 mm)相继问世，尽管存在较多的问题，但也指明了一定的完善途径与发展前景.2001年，中国大陆科学钻探工程启动，使我国首创的大口径岩心钻探组合工具的研究与应用达到了前所未有的高度.螺杆钻+液动锤提钻取心钻进方法取得了举世瞩目的辉煌成果；螺杆钻+绳索取心钻具、液动锤+绳索取心钻具(绳冲二合一)、螺杆钻+液动锤+绳索取心钻具(三合一)样机入井实钻试验，均有一定的成果，为研究小口径组合钻具积累了可借鉴的经验.

进入“十二五”之后，我国在钻探技术和装备研制方面不断取得突破，本文将在第二部分进行详细介绍.

2 金属矿勘探技术新进展

为加快我国矿产勘查技术的发展，“十二五”期间，科技部设立了“深部矿产资源勘探技术”重大项目，该项目根据金属矿勘查需要多方法综合探测的特点，从重磁探测技术、电法及电磁探测技术、金属矿地震探测技术、钻探及井中探测技术四个方面部署研发任务(图 1).其中，重磁探测技术包括：全数字地面重力勘探仪器、高精度地面量子磁测技术及仪器，以及地球物理多参数约束反演技术与软件系统研发等内容；电法及电磁探测技术包括：高灵敏度、宽频带电磁传感器技术，大功率伪随机广域电磁探测技术与装备，大功率井-地电磁成像系统，分布式多参数高密度电磁探测系统，长周期分布式大地电磁观测系统等研发内容；金属矿地震探测技术包括：轻便分布式遥测地震勘探系统和金属矿地震处理、解释新技术与软件系统研发；钻探及井中探测(测井)技术包括：金属矿小口径地下物探技术与设备、大深度小口径多参数测井技术及仪器研制，4000 m地质岩心钻探成套技术装备和自动化智能化岩心钻探技术与设备研制等内容.通过上述技术方法的研发，为500~2000 m深部金属矿精细探测提供技术支撑.

图 1 863重大项目“深部矿产资源勘探技术”研究框架及课题设置示意图 Fig. 1 Framework and sub-projects of National 863 Program: exploration techniques for deep mineral resources

下文按照四个方面的任务部署，分别介绍四个方面取得的成果.首先是进展概述，介绍每个方面在关键技术突破、仪器研制、方法创新和软件研发取得的总体进展情况；然后是代表性成果，选择2~3个“亮点”成果，介绍关键技术突破的思路，或仪器的研制方案和软件系统框架与功能.

2.1 重磁探测技术 2.1.1 进展概述

关键技术研发方面，项目突破了高稳定性熔融石英弹簧装置、高分辨率差动电容测微(位移)技术、高精度倾斜测量技术和高稳定性恒温与测温技术等核心技术，大幅度降低了零漂，测量灵敏度达到国外同类技术(CG-5)的水平(耿启立，2016；秦佩等，2019)；攻克了铯光泵磁场传感器核心技术，突破了铯灯室制作、铯探头设计、宽带信号处理检测系统等核心技术(张谨等，2015；黄成功等，2019).

在仪器研制方面，成功研制了地面高精度数字重力仪、地面高精度绝对重力仪，其中地面高精度数字重力仪实现了商品化，实现了批量生产能力(耿启立，2016；黄雯迪等，2017)；研制出了高精度直流激发型质子磁力仪、动态激发核磁共振磁力仪、DGB-8型数字式氦光泵磁力仪、铯光泵磁力仪(样机)等4种高灵敏度磁力仪(张谨等，2015；贺宁波，2016；黄成功等，2019).高精度直流激发型质子磁力仪CZM-863T是对前几代质子磁力仪性能指标的全面提升.通过磁传感器的优化设计，降低了噪声干扰，增大了梯度容限.对旋进信号进行数字化处理和精确测频，实现磁场值的高精度测量，分辨率达到0.05 nT.动态激发核磁共振磁力仪突破了多项技术难点，填补了国内在动态激发核磁共振磁力仪领域的技术空白，测程范围为20000~120000 nT，静态噪声0.01 nT.DGB-8型数字式氦光泵磁力仪是基于氦光泵技术的新一代数字化磁力仪，用于总场、梯度的连续测量，测程范围为10000~100000 nT，静态噪声0.005 nT.CZM-863T和DGB-8磁力仪设备集成了GPS定位模块，系统软件功能齐全，操作简便，适用于地面、低空磁法勘探.铯光泵磁力仪测量技术实现零的突破.

在方法创新和软件系统研发方面，开发出了先进的重磁数据处理、反演解释技术和软件系统.实现了复杂地表条件下的重、磁三维约束反演、重-震匹配三维反演、直流电阻率三维反演、激发极化法三维反演、地磁与井中磁测联合多参量三维反演、重力及其梯度数据三维联合反演等反演解释技术(李泽林等，2019；刘强等，2019；于平等，2019；张刚和吕庆田，2019)；优化了包括化极求导在内的十八种常规方法、曲化平、低纬度化极、场源边界识别等数据处理技术，通过软件集成开发，研发出了一个用于重磁电数据处理与正反演解释的综合软件(刘彩云等，2015；英高海等，2016；王泰涵等，2019；汤井田等，2019；郑元满等，2019).并在下列关键技术和算法上实现创新：

使用小波压缩、等效正演计算、数据自适应采样、CPU/GPU并行计算等手段，实现了大数据重磁三维反演计算，使得大数据三维反演达到实用化；

提出重磁三维稀疏反演算法，有效地利用已知的物性信息，实现了深度分辨率高、具有尖锐边界的反演效果，有效提高了反演的分辨率；

提出了重-震匹配反演算法，通过引入重-震匹配项，提高了反演结果的横向和纵向分辨率.提出了重磁场及其梯度数据三维联合反演算法，有效地利用已知的多参量重磁场数据，改善反演结果的深度分辨率.

2.1.2 代表性成果

(1) 高精度重力传感器及数字重力仪

高精度重力传感器是高精度重力仪的核心部件(图 2a)，主要由石英弹簧系统、位移传感电路、恒温测温电路、倾斜测量设备、真空仓等组成.它通过作用在重荷(动极板)上的重力、石英弹簧的弹力、反馈静电力间的平衡原理，实现地面重力变化的精确测定(图 2b).高精度重力仪在我国具有较长的研发历史，原北京地质仪器厂曾经成功研制出ZSM-3、4、5型中精度重力仪，但由于材料、微位移测量、温控/温补技术不过关，一直达不到高精度测量标准.

图 2 熔融石英重力传感器(a)、石英重力传感器原理示意图(b)和ZSM-6高精度数字重力仪(c) Fig. 2 Fused quartz gravity sensor (a), principle of quartz gravity sensor (b) and high precision digital gravimeter (c)

关键技术和工艺创新：

石英扭丝导电膜制作工艺.对于直径仅有几十微米的石英扭丝，采用了特殊的技术和工艺实现其导电膜的制作，使其具有良好的导电性和附着力；

石英部件退火工艺.用于高精度重力传感器的石英部件，采用特殊的工艺进行退火处理，消除了石英部件内应力；

石英弹簧的灵敏度调整工艺.经过特殊的抗压精密调整，精细调整石英弹簧的粗细，保证其弹力系数符合设计要求；

石英传感器参数选择.精细结构参数和电参数的设计，确定测微传感器基础电容值和测程范围；

三维限位调整.通过限位间隙百纳米级三维限位精密调整，减小弹性后效对重力仪读数的影响，提高仪器使用的安全性.

高精度恒温测温技术.通过使用双层恒温电路，并通过PID闭环控温电路控制其温度，实用精密温度差动全桥测量电路检测残余温度变化，精确测出温度变化后设计软件算法进行自动温度补偿，最后确保测温精度0.00001 ℃，重力温度补偿精度为1微伽/0.00001 ℃.

新研制的ZSM-6地面高精度数字重力仪，各项技术指标基本达到国际先进水平(图 2c，表 1)实现了温度、倾斜、漂移和固体潮自动补偿改正，重力值测量过程全自动化，填补了我国高精度数字重力仪的空白.目前已实现批量生产，可以满足地质科学研究、矿产资源勘探、工程勘查、地质灾害调查和国防建设等领域的需求.

表 1 ZSM-6数字重力仪与CG-5重力仪指标对比 Table 1 Comparison of technical specifications of ZSM-6 and CG-5 gravimeters

(2) 铯光泵磁场传感器与磁力仪

铯光泵磁传感器为单光系结构，包含：铯灯室、光学镜片、光敏传感器(光电转换)、圆偏振片、铯灯室加热和恒温部件等.铯灯、铯吸收室为玻璃封装结构，内部充入高纯度的铯原子(Cs133)金属，铯吸收室被加热线圈加热汽化并控制45 ℃恒温.铯灯工作时被功率模块激励发光输出894.3 nm的泵浦光，铯原子气室内铯原子在光泵作用下产生磁共振.通过研究铯灯、铯室制作工艺以及铯灯室制作系统，设计铯光泵传感器探头，研制信号处理电路、恒温控制电路等，获取光磁共振信号，并输出磁场信号，完成了铯光泵磁力仪原理样机研制，实现了我国铯光泵磁力仪研制零的突破，样机技术指标基本达到设计指标(表 2).

表 2 铯光泵磁力仪(样机)的技术指标 Table 2 Technical specifications of Cesium photopump magnetometer

关键技术和工艺创新：

铯灯和铯吸收室的制作工艺：通对铯原子气室缓冲气体最佳压力计算和试验分析、仿真计算，铯灯室样品的磁共振线宽测试和检测分析等工作，完成关键部件铯灯、铯室的设计和样品制作；

铯光泵磁力仪探头的方向误差：从铯光泵的物理基础、铯的磁共振信号、“分裂波束”设计入手，分析铯光泵磁力仪的Sx信号及角相关性，并在探头光学设计中采用分裂波束设计，解决了铯光泵磁力仪探头的方向误差问题；

铯光泵磁力仪信号检测技术：通过激励、恒温控制、磁共振信号调理、90°宽带移相、拉莫尔计数器电路的设计，实现对铯光泵传感器输出的磁共振信号的检测.

(3) 地球物理多参数反演技术与软件系统

地球物理数据转换与反演是获得地质认识的基础，它通常通过软件系统来实现，在勘探地球物理学科中有极其重要的地位.项目以现代反演解释技术为重点，在前期研发的基础上，实现了多种有效的重磁三维反演方法技术，解决了起伏地形、大数据、有剩磁影响等复杂情况下的三维反演关键技术问题.形成了一套交互性强、方法先进，集数据管理、处理、地质建模和反演的多功能一体化的软件系统.

软件系统架构采用自下而上分层设计策略，包括：底层基础系统层、软件框架系统层、基础功能模块层、专业处理模块层、软件交互操作界面层和系统集成层.软件系统采用模块化设计，模块之间通过相应接口进行调用，使得各个模块具有良好的封装性和独立性.根据功能划分子系统，一共划分为5个子系统，即：重磁常规处理子系统、辅助处理工具子系统、图形图像绘制子系统、交互处理与解释子系统和多参数反演子系统.各系统功能：

① 重磁常规处理子系统包括：化极、延拓、滤波、边界增强等处理.开发实现了21个处理模块：磁异常化极、磁异常三分量转换、磁异常任意方向分量转换、磁源重力异常、重力插值切割、向上延拓、向下延拓、一阶总导数模、一阶水平导数模、一阶任意方向导数模、二阶任意方向导数模、补偿圆滑滤波、正则化滤波、深度信息分离提取、构造增强、趋势分析、窗口滑动平均法光滑、圆周平均法光滑、等效源曲化平、等效源化极、全张量梯度数据组合分析识别场源边界(图 3).

图 3 地球物理多参数反演解释软件系统：重磁数据处理和可视化界面 Fig. 3 Gravity and magnetic data processing and visualization interface: Multiparameter geophysical inversion and interpretation software system

② 辅助处理工具子系统包括：网格数据基本信息查看工具、网格数据任意剖面数据提取工具、三维数据任意切片提取工具等.

③ 图形图像绘制子系统包括：二三维数据成图可视化功能，我们开发实现了剖面曲线图、平剖图、等值线图、颜色栅格图、立体晕渲图、三维曲面图、三维等值面显示图、三维切片显示图、三维阈值显示图.

④ 交互处理与解释子系统包括：二度半模块交互建模处理解释系统、三维模型交互建模处理解释系统.

⑤ 多参数反演子系统包括：三维重磁光滑反演、三维重磁聚焦反演、三维重磁稀疏反演、三维重磁场及梯度数据联合反演、重震匹配反演、井地磁多参量联合反演、二维电阻率反演、三维电阻率反演、二维激发极化法反演、三维激发极化法反演等.

2.2 电法及电磁探测技术 2.2.1 进展概述

关键技术研发方面，项目通过磁芯的导磁材料的组份配比、制备方法、热处理工艺参数研究，以及感应式电磁传感器的制造及装配工艺研究，攻克了高灵敏度宽频感应式电磁传感器技术，研制出了适用于瞬变电磁法的TEMC104型电磁传感器，适用于CSAMT/MT的MC-30、MC-50型电磁传感器，在一致性、稳定性和重复性上超过国外同类产品.针对我国缺乏感应式电磁传感器检测和标定设备及规程的现状，项目研发出了适用于高灵敏度感应式电磁传感器检测系统，并制定了相应的检测和标定技术规程，为进一步提升电磁传感器的技术性能提供了研究平台(汪杰等，2017；王勇等，2019).

采用基于传统双磁芯差分探头结构和检测线圈与反馈线圈共用的技术方案，通过磁通门建模和电磁场仿真等手段论证了磁通门结构、尺寸和性能指标，提出制作方案，成功研发出高灵敏度三轴分离式磁通门传感器(LMT-FS02)，经过第三方机构检测主要指标达到国际同类产品(英国Bartington公司的Mag-03传感器)的水平，频响范围DC-1 kHz时，单轴噪声水平约为，三轴正交误差 < 0.5%(高嵩等，2019).

为实现硬岩表面电场的有效观测，借鉴于医疗设备中生物电信号观测的耦合式电极原理，成功研制出电容耦合式电场传感器，有效解决了井地电磁方法在坑道内进行电磁场观测的特殊需求(Chen et al., 2017; 陈凯等，2019).

在仪器研制方面，研制、完善和发展了分布式多参数高密度电磁探测系统、大功率伪随机广域电磁探测系统、坑-井-地电磁成像系统和长周期分布式大地电磁观测系统，具体技术指标达到或超过国外同类产品，前三者实现小批量生产和初步的产品化(高嵩等, 2016, 2019；文尚石等，2018；高金定等，2019；王猛等，2019；陈凯等，2019；郑采君等，2019).分布式多功能电磁法仪器、伪随机广域电磁法仪器已在10多个地区进行了应用，取得了良好的地质效果.相比常规电磁仪器，具有抗干扰能力强、勘探深度大、分辨率高、工作效率高等优点.三套设备的研发成功，将逐渐改变我国多功能电法仪器依赖国外的现状，提高国产电法/电磁法勘探的效率，满足不同勘探目标对多功能电磁勘探方法(DCIP/SIP/CSAMT/ AMT/MT/LMT)的需求.

地球物理电磁法理论、方法取得创新性进展，形成了以全域电阻率、多场源激励和信噪分离为核心的时空阵列(广域)电磁法技术体系.包括：提出了多场源激励-阵列分布式接收的三维电磁法勘探方案；实现了电性源和磁性源所有电磁场分量及其比值的广域视电阻率定义及稳定计算，为矢量和张量广域电磁法测量与应用奠定了基础；提出了基于磁场旋度的视电阻率定义；研究了多种强干扰情况下的信噪分离算法和评价方法，包括基于压缩感知的稀疏表示与正交匹配追踪的强干扰分离算法，基于FFT-EEMD及移不变稀疏编码(SISC)、基于周期信号特征及逆FFT的电磁法信噪分离方法，以及各种噪声评价和有效信号筛选方法(Li et al., 2017, 2018, 2019; 李晋等，2019；陈超健等，2019；刘卫强等，2019).建立了多场源输入-多时刻激励-多站道输出的电磁勘探模型，实现了基于场源的信号分离，不仅可压制输入端强相关干扰及其他噪声，还可以统一大地电磁法、可控源音频大地电磁法和广域电磁法的野外采集和数据处理工作，初步形成了时空阵列广域电磁法理论技术体系(周聪等，2019).

在人工源电磁法正反演方面，提出并实现了基于有限元-无限元耦合的人工源电磁法三维正演与反演、带任意地形的基于非结构化网格和虚拟场的体-面积分方程法正演，以及任意复杂模型的波数空间混合域人工源电磁法三维快速正反演(汤井田等，2014；Ren et al., 2018a; Zhou et al., 2018; 原源等，2019).在此基础上，开发了基于工区管理的广域电磁法数据处理、三维正反演和可视化交互解释软件平台，极大地提升了广域电磁法资料处理与解释水平.

在常规电磁法正反演方面，提出了多种大深度电磁探测三维正反演方案，实现了基于工区的可视化三维反演与交互解释软件方案(郭泽秋和董浩，2019；李勇等，2019；罗威等，2019; 王宁等，2019).研究了基于FFT的快速2.5D正反演；提出了坑-地一体化带地形三维反演算法；还研发了其他电磁软件系统，界面友好、交互性较好的分布式长周期大地电磁数据处理软件(LMTPro-V1.0)和长周期大地电磁二、三维正反演解释软件LMT3D-V1.0等.

2.2.2 代表性成果

(1) 感应式电磁传感器

电磁传感器是电磁探测仪器的核心部件，我国电磁勘探仪器设备严重依赖国外进口，特别是高性能电磁传感器更是为国外少数几家公司垄断，一些低频传感器对我国采取严格的出口管制.根据国内电磁探测设备的需要，项目开展了瞬变电磁(TEM)、音频电磁(CSAMT/AMT)和大地电磁法(MT)电磁传感器的研制.

感应式电磁传感器一般包括：磁芯、感应线圈、标定线圈、前置放大电路、电反馈电路、屏蔽层、支撑及封装件等部分组成.项目从磁芯材料、装配工艺、检测技术等方面开展研制工作，通过大量的对比试验，优选出适合制作高性能感应式电磁传感器磁芯的导磁材料的组份配比、工艺制备方法、热处理工艺参数，研制了一套高性能电磁传感器的制造及装配工艺(图 4)，使得研制的高性能电磁传感器在一致性、稳定性和重复性上达到，或超过国外同类产品的技术水平.

图 4 全数字化一体式设计，具温度补偿、标定与数据采集功能的MT传感器 Fig. 4 Digital MT sensor with temperature compensits, calibration and data acquisition function

关键技术和工艺创新：

磁芯软磁材料制造工艺创新：加入由某种合金材料制成的磁芯，再开展组份配比、热处理工艺参数、制备工艺方法以及残余应力消除方法等方面的研究，通过磁性参数的对比分析，形成一整套制造高灵敏度电磁传感器磁芯的软磁材料的制造工艺参数；

装配工艺创新：通过封装材料选型、屏蔽材料选型以及部件之间连接方式的研究，避免磁芯受力，以降低传感器使用的时效性，研发一套从材料、加工以及装配的完整的制造工艺流程；

磁屏蔽技术及温控系统：如何屏蔽外界电磁环境噪声是电磁检测和标定系统的关键.项目按照GB/T 50719-2011的技术标准建造了电磁屏蔽室，用于抑制1 KHz~10 GHz的射频干扰.在标定仓内部设计有四层屏蔽体，其中最内层采用1J85坡膜合金作为屏蔽材料，用于抑制低频电磁干扰.

三种感应式传感器达到的主要技术指标：

TEM(TEMC104)传感器主要技术指标：频带范围为1 Hz~250 kHz，灵敏度为5.952 mV/nT@1 kHz，静态噪声水平；

CSAMT/AMT(MC-30)传感器的主要技术指标：频带范围为0.01 Hz~10 kHz，静态噪声水平在1 Hz时为时为100 Hz时为时为灵敏度为215 mV/nT；

MT(MC-50)传感器主要技术指标：频带范围为0.0001 Hz~360 Hz，静态噪声水平在0.01 Hz时为时为时为时为灵敏度为1359 mV/nT.

研制的三种类型的电磁传感器与国外同类型传感器进行了室内及野外的对比试验，从对比试验的结果看，项目研制的三种类型的传感器技术性能已经达到国外同类型产品的水平.

在高灵敏度传感器研发过程中，还建立了一套电磁传感器的测评系统和测评方法.测评系统主要包括：磁屏蔽室、温度控制系统、交变磁场复现装置、标定仓及测控系统等部分.其中测控系统分别设置有8个高速通道和8个低速通道，可以实现被检测传感器不同频带范围内数据的采集工作.由于系统内部设置有温度控制系统，可以研究环境温度对电磁传感器技术性能的影响效应.

感应式电磁传感器检测与标定技术关键是磁屏蔽技术及温控系统，按照GB/T 50719-2011的技术标准项目建造了电磁屏蔽室，用于抑制1 kHz~10 GHz的射频干扰.在标定仓内部设计有四层屏蔽体，最内层采用某种坡膜合金作为屏蔽材料，用于抑制低频电磁干扰.温控系统采用水浴循环方法实现标定仓内范围为-40 ℃~+80 ℃温度的调节，该方式的最大优点在于能够在标定仓内部创建均匀的温度场.

该系统可以实现MT、CSAMT/AMT以及TEM电磁传感器的主要技术指标的测评工作.为实现测试过程的标准化，项目还制定了传感器主要技术指标的测试流程以及数据处理方法等，为感应式电磁传感技术指标的测评提供重要的技术支撑.

(2) 广域电磁探测系统

广域电磁探测系统由大功率发射系统和电磁信号采集系统构成.主要包括：大功率伪随机电流信号发送机、伪随机信号控制器、多分量电磁数据采集站和数据采集与控制软件等.发电机组交流输出经调压整流后，在GPS与伪随机信号控制器的控制下向接地导线或不接地回线发送伪随机电流，并全波形记录电流数据；在数据采集软件控制下，二通道或五通道数据采集站全波形、高精度、大动态范围地记录大地对发送电流的电磁场响应信号.通过对电流数据与接收的电磁数据进行去噪等处理、广域电阻率计算和反演，获得地下一定深度视电阻率.

关键部件研制与主要技术指标：

伪随机信号控制器：伪随机信号控制器是系统的重要部件，要求具有人机交互功能、数字信号传输与处理功能以及少量的模拟量处理能力.控制器硬件结构以A2F500为核心，外围再增加电源电路、USB通信、LAN通信、信号驱动电路，以及人机交互的LCD显示屏、键盘接口电路，和LED指示灯电路.A2F500内部集成了cortexM3硬核和50万门的FPGA，具有安全性、稳定性、低功耗等特点.

200 kW大功率电磁信号发送机：发送机总体结构包括主回路和控制回路.主回路将750 V 50 Hz的三相交流电通过输入过流保护和主接触器输送到由二极管全桥构成的三相整流器，再送往滤波组件变为1000 V的平滑直流电.直流高压输往IGBT全桥逆变模块，变换为含有信号波形的输出功率信号，通过输出电缆将此信号送到发送电极AB端(图 5).控制回路包括控制电源系统、控制开关、监控电路、显示电路，以及IGBT驱动电路等单元.

图 5 200 kW电磁信号发送机总体结构 Fig. 5 Structure of 200 kW electromagnetic signal transmitter

叠层母排技术：为了减弱寄生电感对功率开关IGBT的危害，减小发射机体积，增强发射机的长时间工作可靠性与稳定性，发射机中将主回路，包括整流、滤波、逆变等组件，采用叠层母排技术，将其融为一个整体.叠层母排具有低成本、安全、可靠和节省空间等优点；叠层母排本身的电感和阻抗比较低，与传统电缆相比，具有更好的载流能力，温度升高较慢.

外观结构设计：野外面临灰尘、振动、潮湿等复杂环境.外观和内部结构设计上充分考虑了以下因素：内部模块承重、散热、防震、防水、防潮、防盐雾等，按照相关标准考虑安全性和电磁兼容性，以及便于零件安装和维修检测等.

电磁数据采集站：数据采集站接收电场信号或磁场信号，经过超低噪声前置放大、低通滤波、程控放大等信号处理，然后进行24位ADC数字化；采用高可靠FPGA系统控制ADC的转换，并将多道电磁数据存储或传送给ARM处理器进行存储.采集站硬件电路设计包括三部分：模拟电路、数字电路和GPS电源三大部分，每部分零部件的选型充分考虑了先进性、可靠性和适用性.

经第三方测试，伪随机广域电磁发射机和接收机技术指标如下:

发射机技术指标：最高发射电压：1025 V；最大发射电流：205 A；最大发射功率：201 kW；测试期间同步误差变化范围：18~25 ns；发送机可靠性：满负荷工作5h无异常；频率稳定度Fs：2.12×10-8.

接收机主要技术指标：噪声：0.1 Hz~10 Hz各通道最大RMS值为0.208 μV；动态范围：最小值为122.3 dB；一致性：误差均方值为：0.17%；输入阻抗：最小值为5.84 MΩ；精度：各个通道精度最大值为：0.39%(RMS)；接收机带宽：0.01~28 kHz.50 Hz陷波指标：最大陷波深度为：-66.73 dB；环境温度：-40 ℃，且在常温与-40 ℃环境温度下一致性误差最大为1.04%.

项目成功研制出实用化、产品化的200 kW广域电磁探测系统(图 6)，技术指标总体达到和优于国外同类型产品，实现了小批量生产能力.并在多个矿区进行了应用，取得了较好应用效果.

图 6 广域电磁探测系统发送机和接收机实物图 Fig. 6 High-power wide-field electromagnetic transmitter and receivers

(3) 坑-井-地电磁成像系统

大功率坑-井-地电磁成像系统由发射系统、接收系统及其辅助设备组成.发射系统主要包括：大功率发电机、大功率可调变压整流器、大功率电磁发射机，以及发射控制器等.接收系统根据接收的位置可以分为地面、坑道和井中单元、发射电流记录仪等.地面单元主要包括数据记录仪、磁传感器、不极化电极等.坑道和井中接收单元分别根据空间限制采用不同的传感器和配套的设备.系统可以利用已有的坑道、矿井、井孔空间，实现地面和地下准三维观测，获取地下介质导电性、极化特性等多种参数，并进行综合地质解释.系统突破了传统地表观测或者井中观测方式，支持地面发射，井中、或坑道、或地面接收方式；井中发射，井中、或坑道、或地面接收等多种工作模式.发射系统支持的发送制式包括：可控源音频大地电磁测深法、时间域激电法、频率域激电法、多频、伪随机等，同时也支持频率域任意频率的发射.

关键部件研制与主要技术指标：

① 发射机与发射控制器：发射机主要包括：全桥整流、支撑电容、大功率逆变模块、散热系统、状态监测系统等(图 7a).外部的高压通过高压输入接口进入发射机，经过全桥整流单元和支撑电容后给大功率逆变模块提供电能，然后通过高压输出接口将逆变产生的多制式矩形人工源信号发送出去；状态监测系统采集发射机内部的温度、电流和电压信号，并通过RS485总线传送到发射控制器，显示发射机工作状态，同时控制大功率逆变模块的信号发送.

图 7 井-地电磁系统发射机和发射控制器原理结构(a)、(b)及实物图(c)、(d) Fig. 7 Schematic diagrams of well-ground electromagnetic transmitter (a) and transmit controller (b) and photos of real objects (c) and (d)

发射机控制器核心主控采用STM32F103单片机与复杂可编程逻辑器件(CPLD)组合而成，主要电路包括时钟、实时时钟(RTC)、无线通信、电源管理、数据存储和驱动放大电路，以及与发射机通信接口等.发射机通过无线Wi-Fi与上位机进行数据交互，主控通过读取上位机的控制指令，将指令中的频率、发送时间长度、开启发射时间等信息提取出来，并用于发射机的发射配置(图 7b).

② 电流记录仪：电流记录仪主要包括电流传感器、ADC电路、主控FGPA+ARM核心电路、时钟、电源以及外围接口电路等.研制的关键技术是电流幅值的精度、时间精度、全波形记录等.采用与数据记录仪相同的软硬件平台，保证了较高的数据吞吐率；在电流传感器、通道动态范围方面，实现了电流记录器的低噪声及大动态范围特性；高精度时间方案与数据记录仪方案一致.

③ 地面-坑道电磁接收机：接收机内部主要有采集电路、电池组、机壳、接插件等组成，采集电路包括前端接口板、磁场通道板、电场通道板、FPGA时钟逻辑板、ARM控制板、时钟板与电源板等7部分.外围接口包括GPS天线、3通道磁场、3通道电场、LED指示灯、软开关按钮和电池输出、输入口等.

④ 井中电磁接收机：井中接收机包括井口控制单元、绞车和电缆、井中探管等部分组成.井口控制单元实现绞车电缆收放控制、电缆长度记录、与井中探管通讯、数据显示、计算、存储等工作；井中探管实现四分量电磁场信号的传感、采集、存储、传输.

坑道环境下进行磁场信号观测时，由于空间受限、磁棒方向难以确定，采用微型三分量音频磁传感器.它将三轴感应线圈集成至一个边长为30 cm的立方箱体，三轴线圈及放大电路保持相对独立，三轴线圈相比磁棒现场作业有更好的正交度.

经第三方测试，大功率井-地电磁成像系统的技术指标如下:

发射机技术指标：最大发射电流：60 A；最大发射功率：48 kW；发射机时间同步精度：初始误差：±0.1 μs，时钟漂移：20 μs/hr；发送机可靠性：满负荷工作8h无异常；发射波形频率：10 kHz~0.01 Hz(IP：100~0.01 Hz).

接收机主要技术指标：电场噪声：< 0.1 μVrms/m(0.1~10 Hz)；磁场灵敏度：优于100 mV/nT；测量动态范围：120 dB(0.1~10 Hz)；输入阻抗：最小值为3 MΩ；功耗：小于15 W(低频模式)；接收机带宽：0.01~10 kHz.50 Hz抑制程度：优于60 dB；环境温度：-10~ +50 ℃.

发射机和发射控制器实物图如图 7c、d所示.

2.3 金属矿地震探测技术 2.3.1 进展概述

关键技术研发方面，项目采用新型32位模/数转换器ADS1282和系列工艺设计，实现了高保真、高分辨率数据采集，研制的数字采集单元具有低功耗、小体积、高精度、高分辨率的特点；采用差分电缆传输技术、采集链路通讯使用STM32F103芯片，实现通讯及采集单元无址链接；创新采用独特的混合遥测通讯技术，即单站链路电缆通讯、交叉站间以电缆、或光缆、或无线电通讯(如4 G通讯)，完成控制指令的发送和地震数据的回收，这种混合遥测通讯技术可以使系统以交叉站位单元任意布置，适合复杂地形条件下灵活部署采集单元.

在仪器研制方面，在攻克上述关键技术基础上，成功研制出SE863轻便分布式遥测地震探测系统；突破了小型化液压伺服可控震源关键测控技术，完成了小型化扫频可控震源的研制，为实现相控阵定向照明技术在金属矿勘探中的应用奠定了技术基础.整个系统在轻便主站、混合遥测交叉站和小型可控震源技术等方面具有很强的创新性和独特之处，并兼具大型地震采集系统(法国Sercel)的高分辨、高保真地震信号实时采集功能和超万道采集能力，为金属矿三维地震勘探提供了国产技术和设备(杜立志等，2019).

在方法创新和软件系统研发方面，创新金属矿地震勘探方法技术，形成了相对完整的数据处理解释技术体系.包括：全波形反演技术、多目标地震偏移成像技术、高分辨地震处理技术系列、多域多尺度去噪技术系列、地震数据高分辨率谱分解技术系列、复杂介质金属矿地震正演模拟照明分析方法、多震源混合采集与处理方法等(董新桐等，2019；葛奇鑫等，2019；巩向博等，2019；毛博和韩立国，2019；魏亚杰等，2019；邢贞贞等，2019；张盼等，2019；郑升等，2019).形成了国内最为完善和领先的金属矿地震数据采集、处理和解释技术体系.在次基础上，研发了金属矿地震处理、解释新技术与软件系统和三维地震数据采集与观测系统设计软件.

2.3.2 代表性成果

(1) 轻便分布式遥测地震探测系统

轻便分布式遥测地震探测系统(SE863)包括多道(至万道)采集站、电源站、交叉站和主控站组成(图 8).采集站与交叉站之间用电缆连接，每个交叉站可连接4~384个采集站，交叉站负责控制采集站的数据采集、管理和上传；交叉站基于互联网技术设计，可自动侦测有线、无线、2 G/3 G/4 G网络连接，激活后与主站构建主干通讯、接收主站指令进行数据采集.由于4 G网络具有高带宽、高质量信号传输、低时延的特点，使得遥测地震仪器利用4 G技术实现地震数据的采集、数据高速传输及地震记录的实时监控成为了可能.

图 8 轻便分布式遥测地震勘探系统构成 Fig. 8 Components of potable telemetry seismic exploration system

中央主控站：主控站硬件是轻便式分布地震采集系统的控制中心，主要负责采集过程大量子站的管理、大数据量的数据接收和发送，选择一款数据处理和传输能力强的CPU是系统成败的关键；利用以太网接口实现数据高速、远程传输.主控站的中央单元为工作站，工作站通过有线网络接口接入非对称数据路由单元，通过有线网络或无线网络接入交叉站主干通讯网；主要由3 G通讯单元、无线多跳单元、ARM-Linux通讯控制板、爆炸机控制器、辅助采集道构成.工作站采用inter i7-8250四核CPU图形工作站，16 G内存，512 GB固态硬盘.主机接口由三个网络接口，可驳接上下区块的交叉站，内置三个辅助采集通道，与链路同步采集，可驳接可控震源相关道信号或井口道信号.

4 G无线网络的交叉站：交叉站采用ARM嵌入式系统为主控单元，利用嵌入系统内置的以太网口与控制单元建立的基于UDP通讯协议下的链接，实现采集站编码、采集参数下发、采集状态的建立以及采集数据的上传和存储等功能.

主控单元的核心为ARM-Linux通讯控制板，主要负责地震数据的汇总、压缩、备份和上传，收集到的地震数据会被实时压缩、实时上传、实时存入CF卡存储设备；左侧采集链主机和右侧采集链主机分别完成左右地震采集链的运行控制，包括采集参数设置、自检、噪声监测、数据回收等操作；非对称数据路由单元自动侦测有线网络和无线网络的连接情况，寻找可用通讯网络，接入交叉站主干通讯网；

采集站(子站)：子站包括馈电模块、通讯模块、采集模块和自检模块等.参考国外先进技术，以STM32F103作为CPU，与交叉站通讯采用4芯电缆，同时实现了电缆馈电，子站本身不带电池，达到了轻便、灵巧的系统设计.采集模块中采用新型模/数转换器ADS1282进行数据转换，获得高保真度、高信噪比、高分辨率的数字信号，同时还可以利用其片上的数据选择器及校准引擎实现自检和系统校准功能，从而保证采集信号质量不随时间、地点、环境和条件而变化.

电源站：当链接子站较多时，由主站方向来的馈电就不足以让后端的子站正常工作，因此，项目设计了智能化电源站.主要特点：可以智能识别主供电电源方向，管理电源输出，在整个系统充当中继电源的作用；同时有兼容子站通讯模式，在叫站的时候，采集当前电源站的电池电压，耦合在返回的叫站信息帧里发给主站；在数据采集传输过程中，实现无损透传接力模式.

经第三方检验与测试，SE863轻便遥测地震系统的技术指标(附Sercel 428的技术指标)如表 3所示.

表 3 项目研发的SE863系统与法国Sercel 428系统技术参数对比 Table 3 Comparison of technical parameters between SE863 system developed by the project and Sercel 428 system by France

(2) 金属矿地震处理、解释新技术与软件系统

针对国内缺乏硬岩地区和金属矿地震数据处理的现状，项目在数据处理新方法研究基础上，研制了金属矿地震处理、解释软件系统.系统除拥有常规的反射地震勘探数据处理能力外，还集成了针对非层状弱反射的金属矿地震数据专门处理模块，主要包括：复杂地表处理、复杂介质特殊成像、金属矿建模和金属矿地震属性提取与分析等模块等.系统基于QT平台开发，可运行于Linux/Windows操作平台上，系统的总体架构如图 9所示.

图 9 金属矿地震数据处理系统：MMINESEIS软件系统界面(a)与目录结构(b) Fig. 9 Metal ore seismic data processing system: MMINESEIS software system interface (a) and directory structure (b)

MineSeis系统用C++语言编写，采用四层级结构框架，具有以下特点：极强的可扩充性；便于维护升级；稳定性强.系统的四层结构架构为：

① 数据层：将所有地震数据、成果数据，按特征抽象成数据类.

② 数据管理层：完成对所有类型数据的有效管理.

③ 控制层：每个数据类均有相应控制类与之绑定，相互依赖.一个数据类对象可与多个控制类对象关联，实现统一数据，多重操作.

④ 界面层：界面只起到连接用户与控制类的作用，具体的操作或显示由控制类完成.界面可以通过自身的属性加以影响，实现个性化的操作.

系统包括100多个模块，根据功能划分为五类，即：软件平台模块、预处理模块、处理模块、特殊处理模块、新方法新技术模块等.可实现金属矿地震数据的去噪、信号处理、成像、正演、反演等功能.各类模块功能：

① 软件平台模块：包括数据加载与输出、流程控制、数据库管理、图形显示等，主要功能为建立和管理处理流程.

② 预处理模块：包括数据编辑、格式转换、道集分选、真振幅恢复、频谱分析、时频分析、信噪比分析、简单静校正等，主要为地震数据的处理提供可直接处理的单炮数据.

③ 处理模块：主要包括高分辨率速度分析模块系列、高分辨率水平叠加模块、地表一致性处理、静校正处理模块、反褶积处理、反Q滤波处理、叠前与叠后时间偏移、逆时深度偏移处理等.

④ 特殊处理模块：针对金属矿和硬岩地区地震勘探处理的模块，包括起伏地表直接偏移模块、散射偏移成像模块、稀疏约束最小二乘偏移模块、稀疏表示去噪系列模块、共反射面叠加、高分辨率谱分解系列模块、随机介质波场正演模拟、非层状金属矿正演模拟方法、地震照明分析系列等.

⑤ 新方法新技术模块：根据地震勘探方法的发展趋势，研发了一系列新方法新技术，并集成为处理模块，包括声波全波形反演速度建模模块，弹性波多参数全波形反演模块，被动源地震数据成像，主、被动源地震数据联合反演与成像，多震源地震数据偏移成像等.

2.4 钻探及井中物探与测井技术 2.4.1 进展概述

在岩心钻探关键技术方面，从满足小口径深孔施工的重载、高速和自动化作业出发，精心设计研发出高速电动顶驱钻进系统，该系统由直驱电机、提升承载机构、摆管上卸扣装置、水龙头循环装置、滑车导向机构和电液控制系统六部分组成；为提高钻进效率，研制了绳索取心钻杆孔口操作自动化技术，主要包括孔口夹持拧卸系统、钻杆移摆系统、钻杆自动排放系统和钻进过程智能化监控系统.绳索取心钻杆的强度和可靠性是大深度钻进的关键技术，项目通过优选合金钢坯、降低有害元素、增加有益元素含量，以及热处理和表面处理工艺方面的创新，成功研制出高性能薄壁精密冷拔绳索取心钻探管材，为深孔钻进提供高强度钻杆.

在钻探装备研制方面，成功研制出4000 m交流变频电驱动地质岩心钻机(图 10a)，采用H规格钻具钻深能力达4000 m.钻机以400 V电源为源动力，采用全转矩控制、机械化作业、数字化操作，满足金刚石绳索取心、冲击回转、定向钻进、反循环连续取心(样)等多种深孔地质钻探工艺要求.项目还配套研制出自动化智能化岩心钻探系统，极大提升了钻探效率(刘凡柏等，2018；高鹏举等，2019).

图 10 4000 m地质岩心钻机实物(a)与钻探智能控制系统软件(b) Fig. 10 Photo of 4000 m geological core drilling equipment (a) and intelligent drilling and controlling software system (b)

在钻探方法创新和软件研发方面，建立了孔内异常工况判别准则和神经网络模型，采用多参数、多因素层次分析法，可模糊识别出烧钻、断钻、卡钻等7种异常工况，并据此提出优化钻进模式.根据小直径特深孔绳索取心钻进工艺特点，提出了小直径特深孔(3000~5000 m)绳索取心口径系列和钻柱方案；研发出了岩心钻探智能化钻进监控软件系统(图 10b)；4000 m岩心钻机控制软件系统，系统采用主站、从站分布式设计，实现设备远程启停操作，设备实时数据显示.同时系统采用上位机系统，采集现场设备运行参数，达到现场实时监控的目的(康维维等，2016；刘智键等，2018).

井中物探关键技术方面，在理论分析和试验的基础上，通过创新研究，攻克了井中电磁波层析成像仪器的耐高温高压以及大功率发射、高灵敏度接收关键技术，大幅度提高了探测深度和透视距离.突破了井中激电多通道全波形数据采集技术，解决了各通道间串音干扰、多通道同步采集、全波列电法参量提取等技术难题，极大提高了仪器抗干扰能力和野外工作效率.

井中物探和小口径测井仪器研发方面，研制出JW-8大功率地下电磁波层析成像系统，实现了2000 m井深条件下100 W大功率脉冲调制发射，最大跨孔透视距离达500 m，最高探测精度达到厘米级.研制出BMIP-1大功率井中激电测量系统，实现20 kW大功率发射，地面48道、井中24道电位/梯度全波形同步接收.研制了小口径多参数地球物理测井仪，以及配套仪器设备(陈仁才，2017).

在井中物探方法创新方面，提出了钻孔资料约束的三维井-地磁测数据自动联合反演方法及井中三分量磁测资料实时处理解释技术.实现了观测数据的实时快速处理解释，并以钻孔岩心物性资料作为约束条件，控制三维井-地磁测联合反演过程，得出更加客观、准确的反演结果，大大提高了工作效率和反演解释精度.提出了估计辐射参数的井间电磁波层析成像方法，设定初始辐射场强与发射点位置相关，方向因子随射线角度而变化，并根据钻孔资料对模型施加约束，避免了不合理的初始辐射场强和方向因子改正带来的误差，有效提高了反演解释的准确性(冯杰等，2019；欧洋等，2019).研发出了金属矿地下物探数据处理解释系统，包括电磁波层析成像、井中磁测、井中激电、地球物理测井四个部分，包括地下电磁波数据整理、图形显示与预处理、模型正演与反演成像；井中磁测数据分析、数据预处理、反演与解释、三维井地联合约束成像；井中激电三维正反演、地-井三维正演计算、井-井三维正演计算；综合测井数据转换、数据预处理、绘图与综合解释等14个功能模块.

2.4.2 代表性成果

(1) 4000 m地质岩心钻探成套技术装备

根据钻探技术发展趋势和应对不同工况的需求，4000 m地质岩心钻机设计以400 V电源为源动力，采用全转矩控制、机械化作业、数字化操作的工作模式，融机、电、液、气、电子及信息化于一体，具有顶驱+转盘双回转系统，满足金刚石绳索取心、冲击回转、定向钻进、反循环连续取心(样)等多种深孔地质钻探工艺要求，可广泛应用于地质、水文、油气勘探等施工领域.钻机系统主要由垂直起升式井架、底座、天车、游车大钩、电顶驱、电驱转盘、电驱主绞车与自动送钻系统、电驱绳索取心绞车、液气系统、VFD房、司钻室、电驱泥浆泵等组成，另外配套液压吊卡、吊环、吊钳、气动卡盘、液压锚头、动力钳、水龙头、倒绳机、地面高压管汇系统、防坠器、安全带等附属设备与安全器具.

主要部件研制与主要技术指标：

垂直升降式井架平台：井架结构总体上分为天车、井架、底座、二层台4大部分组成.井架型式为K形、金属桁架结构，从上至下共分七段，段与段之间采用销轴连接，便于快速拆卸与组装.采用液压油缸链条倍速给进机构实现井架分段垂直升降，可显著地减少钻探现场用土地、安全性能高.钻机5 m高的平台为井口安装井控设备、泥浆回流管等提供了充裕空间.

电顶驱：主要由直驱电机、提升承载机构水龙头循环装置、摆管上卸扣装置、滑车导向机构、电液控制系统几大部分组成.最大特点是无齿轮传动，采用低速大扭矩交流变频电机直接驱动，从井架上部旋转钻柱进行超长行程的复杂地层钻探，降低深孔钻探事故的发生概率；其辅助作业系统可进行自动加减单根、立根、起下钻等作业，大大减少辅助作业时间，提高钻进效率.

电驱绳索取心绞车：由交流变频调速电机、减速机、电磁离合器、钳盘制动器、卷筒、智能排绳机构等组成.采用交流变频驱动与控制、智能排绳机构，具备盘刹制动与能耗制动双模式，采用电磁离合器与盘刹结合，实现绞车的无动力可控自由下落.

电驱主绞车：由主电机、送钻电机、主减速机、送钻减速机、气胎离合器、联轴器、盘式刹车、卷筒、机架等主要部件组成.集成400 kW大功率提下钻系统与15 kW小功率送钻系统于主绞车一身，即可提高作业效率，又可有效降低能耗.

电驱转盘：采用ZP175型转盘，通过万向轴与变频电机连接，由变频电机直接驱动，结构进一步简化；顶驱与转盘两种回转方式共用一套变频控制器，通过旋钮来切换选择，减少电控系统的成本.

电传动及电控系统：采用西门子公司S7-300可编程序控制器、ABB ACS880系列变频器、Profibus工业网络及智能操作单元构成钻机一体化控制系统.

经实验室和野外实际施工测试，4000 m地质岩心钻探成套技术装备达到的技术指标：

钻进能力：H规格钻杆(φ89 mm)钻深4000 m；

井架平台：箱叠式平台高5 m，K型垂直起升井架高31 m，承载力135 t；

升降系统：天车轮系6×5，主电机功率400 kW，送钻电机功率15 kW；

顶驱系统：最大扭矩12000 N·m，转速0~600 rpm；

转盘系统：最大扭矩20000 N·m，转速0~200 rpm；

绳索取心绞车：电机功率45 kW，单绳最大提升力4 t.

(2) 井中电磁成像系统

井中电磁波层析成像系统包括井中电磁波发射机、井中电磁波接收机、地面收录控制器、天线及附件设备等.通过提高电路的集成度、选用耐高温器件以及优化机械结构设计，提高了井下仪器耐高温、高压性能，使其满足2000 m井深的温压条件(耐温85 ℃、耐压25 Mpa)和小口径钻孔要求(仪器直径≤50 mm)，增加了仪器探测深度；通过研究大功率脉冲调制发射技术，将发射功率提高到100 W，增大跨孔透视距离；通过提高工作频率，使得探测分辨率进一步提高.该套系统具备大深度(2000 m)、大透距(500 m)以及高分辨率(厘米级)的探测能力.

主要部件与主要技术指标：

井中发射机：发射机由宽频带功率合成器，可程控频率合成器，输出电压采样/保持，单片机控制器及电源等部分组成, 工作原理见图 11a.

图 11 井中电磁成像系统发射机(a)和接收机(b)组成框图 Fig. 11 Borehole EM imaging system: transmitter (a) and receivers (b)

井中接收机：接收机由低噪声宽带高频放大器，可程控频率合成器，高增益中频放大器，单片机控制器及电源等部分组成，工作原理见图 11b.

地面数据收录控制器：该控制器是电磁波层析成像系统的重要组成部分，主要包括数据采集驱动板、工业控制计算机、液晶显示触摸屏、井下探管驱动控制接口、光码盘深度计数模块、锂电池电源、USB键盘鼠标等.

地下电磁波层析成像系统经第三方测试和野外试验，主要技术指标为：工作频率：0.1~35.0 MHz；扫频间隔：0.1~9.9 MHz；发射机脉冲功率：≥100 W；接收机测量范围：0.1 μV~0.1 V；接收机测量误差：-120~-30±3 dB；井中仪器尺寸：发射机Φ=50 mm，接收机Φ=40 mm；井中仪器耐温耐压：温度85 ℃，压力25 MPa.

(3) 小口径多参数金属矿测井系统

系统由井下测井探管(传感器)、地面数据采集控制系统和绞车等辅助设备组成.目标是实现小口径3000 m、多参数的金属矿测井.主要包括核测井、磁测井、电阻率测井、声波测井和钻孔参数测井，一共13个参数(电阻率、自然γ、磁化率、磁三分量、声波速度、孔隙度等).系统具有测井数据(曲线)实时动态显示、工况状态自动监控和数据定时备份功能.系统组成及工作原理如图 12.

图 12 小口径大深度多参数测井系统组成及原理图 Fig. 12 Components of multi-parameter logging system with small diameter and large depth capacity

关键部件研制与主要技术指标：

关键部件在井下探管(传感器)部分.其中仪器小口径、耐高温高压、多参数组合级联、抗干扰长距离数据传输是其共性关键技术.

参数组合级联及分类设计：将不同参数的探管设计为内含传感器的“短节”，短节的两端为连接上下的“接口”(是探管的核心部件)，负责数据的处理和传输，同时还实现与上下“短节”的级联.探管的外管全部采用无磁不锈钢(钛)管，连接采用分段装配，依靠丝扣和螺钉连在一起.这种组合可以级联8种方式，实现对不同需求、不同参数的井中测量.

耐高温设计和温度补偿：在井下高温状态工作仪器必需具有耐高温特性，同时还要进行实时温度补偿校正.采用宽温军品级器件解决耐高温问题，可以达到125℃，能够满足设计要求；采用软补偿技术消除各种测量参数随时间、温度的零点漂移.

耐高压设计：采用双密封结构形式，第一层在“短节”端头密封，再通过丝扣和螺钉连接密封，保证在≥45 MPa压力下不透水.

探头的小口径设计：满足小于ϕ50 mm(外径)的探头设计，重点考虑探头内线路板和测量传感器的小型化问题.将测量传感器设计为独立的部件，线路板设计为多块长条型，电子元器件采用贴片封装形式来减小体积.

经现场试验和第三方测试，小口径多参数金属矿测井系统主要技术指标：井下探管耐压：≥45 MPa(可调压力井内保压2 h)；井下探管直径：≤Φ50 mm；工作温度：-10 ℃~120 ℃(可调温度井内保温2 h)；参数级联个数：8个；测量参数：电阻率、磁化率、磁三分量、声波、中子、测斜和常规测井参数.

主要参数测量范围及精度：磁化率：10~10000×10-4SI，刻度精度≤5%；磁H(Z)分量：±95000 nT，转向差均方误差≤80 nT；放射性：自然γ：5~10000 API，误差≤±5%，补偿密度(γ-γ)：1~4 g·cm-3，±0.02 g·cm-3；测斜：倾角：0~45°，精度±0.1°；方位：0~360°，精度≤2°.

3 挑战及下一步研发方向

自“十一五”开始，国家将资源勘查技术列入863计划资源环境技术领域，得到了国家项目的持续支持.经过10多年的发展，从航空、地面到井中地球物理勘查技术取得了快速发展，突破了包括高精度重力传感器、宽频带感应式电磁传感器在内的一批核心技术，一批仪器设备基本达到实用化程度，形成了从航空到地面相对完善的国产地球物理勘探技术体系，有效遏制了不断上涨的勘探仪器价格，一定程度上打破了国外勘探仪器“垄断”我国市场的局面.然而，挑战依然存在！我们不断进步的同时，国外勘探技术的研发并没有停止，新一代更高精度、更宽频带、更轻便的仪器设备已经悄然出现在市场.当我们为这几年取得的勘探技术发展而“沾沾自喜”时，突然发现我们的技术仍然处于落后或跟踪状态.

为加速我国勘探地球物理技术的发展，尽快缩短与国外的技术差距，对下一步的发展方向谈谈作者自己的认识，供正在或将来准备从事勘探地球物理技术研发的科技人员参考：

(1) 核心技术.除了方法外，地球物理勘探仪器的核心技术与高性能材料、电子技术、精密加工和芯片产业的发展密不可分，实质上就是这些国外“卡脖子”的技术.“中兴事件”告诉我们，“核心技术是买不来的”，必须发展自己的核心技术.这需要国家制定更长远的发展规划，顶层设计、统筹布局.除了通用核心技术外，勘探地球物理技术本身还有很多核心技术需要攻破，如钾光泵磁场传感器、低温或高温超导磁场传感器，井中高精度重力传感器、超长周期、极宽频带电磁传感器，极端环境(高温、高压和极低温)下的重、磁、电磁、震动传感器等，这些应是下一步我国尽快迎头赶上和大力发展的核心技术.

(2) 产品化与市场化.与国外的勘探设备相比，国产新技术、新设备的产品化过程较为缓慢.思考一下可能存在两方面原因：一是研发与市场脱节.我国的技术研发力量多数集中在研究所、或大学，而成果的转化需要市场的推动，这正是科研人员的弱项，客观上造成研发与市场脱节；二是研发单位只重视技术研发，追求技术指标的先进性，而忽视实际应用对技术的需求.近年国家出台一系列优惠政策，大力鼓励技术转化，希望不久的将来，可以看到局面有大的改变.勘探仪器主要用于野外，除了要求测量精度高外，从野外实际出发，还要求轻便、抗震、防尘、防潮、防水、安全和抗干扰等，这些特点要求在仪器研发的产品化阶段，进行特殊设计.此外，从国际勘探仪器发展的趋势看，我国需要加快发展分布式、全三维、大深度探测仪器，如三维分布式电法和混场源电磁探测成像系统，轻便震源和无缆节点地震采集系统，智能、多类型数据的重磁测量系统等，满足不断增长的深部资源勘查的需求.

(3) 处理解释新方法.地球物理反演的不稳定性、地质解释的多解性是长期困扰勘探地球物理应用的大问题.加上，资源勘查逐渐走向深部对大深度、高分辨率探测的需求增加，社会的发展造成各类人文干扰增加等因素，发展新的方法技术已经十分迫切.为了降低地球物理解释的多解性、提高探测的分辨率，目前通用的做法是添加约束、多类型数据的联合反演.虽然本项目在多类型数据联合反演方面取得重要进展，但在如何增加地质约束，仍然还有很多工作要做.去噪是另外一个大问题，引进人工智能，加强基于专家知识和噪声模型库的去噪技术研究将是很有前景的研究方向.

(4) 测试、检测和标定基础设施.勘探地球物理仪器属于高精密仪器，要求灵敏度极高、本底噪声极低.一般的实验室测试手段往往难以满足技术要求，一些高灵敏度传感器的测试、检测和标定需要特殊的技术设备.我国在此领域尚有一定的差距，一定程度上影响核心技术的研发.因此，从国家层面应该建立完整的地球物理探测仪器测试、检测和标定实验室，制定相应的国家标准，为勘探地球物理仪器研发创造一流的基础条件.

勘探地球物理设备的性能及应用效果，除了在实验室要进行测试、标定外，还需要在实际工况条件下进行检验.因此，建议建设1~2处国家勘探地球物理仪器野外试验场，针对不同的勘探技术方法，试验新仪器在野外使用中的各种性能(防尘、防震、防水等)和测量的可靠性，提高研发仪器的质量和实用性.如果可能，依托一些技术研发单位，成立专门的机构和队伍，从事新仪器设备的野外试验工作，给出评判结论.

4 结论

经过重大项目参与者近年的不懈努力，我国勘查地球物理技术取得了较大进展，突破了一批核心技术，研发、完善和升级了一批勘探地球物理仪器设备；创新了一批方法技术，研发了2个大型软件系统.大幅度缩小了我国地球物理勘探技术与国外的差距.主要成果归纳如下：

(1) 突破了10多项深部资源勘探核心技术.主要包括：高精度微重力传感器技术；铯光泵磁力仪传感器技术；宽带感应式电磁传感器技术；高灵敏度三分量磁通门传感器技术；感应式电磁传感器检测与标定技术；井中电磁波大功率脉冲调制发射技术；井中激电多道全波形接收技术；电容式电场传感器技术；地震信号高保真实时采集及分布遥测技术；液压伺服可控震源技术；高速电动顶驱钻进系统；绳索取心钻杆孔口操作自动化技术；高性能薄壁精密冷拔绳索取心钻探管材等.

(2) 研发、完善和升级了18套勘探地球物理仪器设备.主要包括：地面高精度数字重力仪，地面高精度绝对重力仪，质子磁力仪，氦光泵磁力仪，铯光泵磁力仪和动态激发核磁共振磁力仪.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；长周期分布式大地电磁观测系统；坑-井-地三维电磁成像系统；井间电磁波层析成像系统；井中多道激发极化仪；小口径多参数地球物理测井仪.轻便分布式遥测地震勘探采集系统，自行式小型液压伺服可控震源，浅井液压伺服可控震源.4000 m地质岩心钻探成套技术装备和自动化智能化岩心钻探设备.

(3) 创新和完善了20余项深部资源勘探方法.主要包括：

直流电阻率与极化率三维反演方法，重磁三维约束反演方法，重震匹配三维反演方法，地磁与井中磁测联合多参量三维反演方法，以及重力及其梯度数据三维联合反演方法；

基于电场和磁场旋度的视电阻率计算方法，时空阵列(广域)电磁探测技术方法，强干扰区的电磁信噪分离方法，基于虚拟场的可控源电磁法三维正反演方法，以及分布式大地电磁张量分析与同步三维反演方法；

三维井-地磁测联合约束反演方法，估计辐射参数的井间电磁波层析成像方法，坑-地一体化带地形三维电磁反演方法；

全波形反演技术系列，多目标地震偏移成像体系，高分辨地震处理技术系列，多域多尺度去噪技术系列，地震数据高分辨率谱分解技术系列，复杂介质金属矿地震正演模拟照明分析方法，以及多震源混合采集与处理方法；

典型孔内工况判别准则及优化钻进模式，小直径特深孔绳索取心钻进口径系列研究.

(4) 研发和完善了2套适合金属矿数据处理和解释的大型软件系统，8套其他专用软件系统.研制了多参量地球物理数据处理与反演软件系统，金属矿地震处理、解释新技术与软件系统2套大型软件系统.形成了多功能三维电磁正反演与可视化交互解释软件系统，广域电磁三维反演解释系统，长周期大地电磁数据处理及三维正反演软件系统，多参数井-地电磁数据处理系统，金属矿地下物探数据处理解释系统，三维地震数据采集与观测系统设计软件，岩心钻探智能化钻进监控软件和4000 m岩心钻进控制软件系统等8个专用软件.

文章最后还讨论了勘探地球物理技术研发面临的挑战及下一步重点研发方向.

致谢  感谢科技部社会发展科技司、原国土资源部科技司和中国地质调查局科外部有关领导对我国矿产勘查技术的支持.在项目执行过程中，863重大项目专家委员会成员、863计划主题专家组成员一直参与项目、课题的设计审查、中期评估、软硬件测试等工作，对项目及课题的执行提出了建设性的意见和建议，对项目的顺利完成做出了巨大贡献.感谢两位匿名评审专家，他们建设性的意见和建议使本文更加完善.
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