我國(guó)深部探測(cè)技術(shù)與裝備研制取得重大進(jìn)展

（來(lái)源：中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局網(wǎng)站，2012－06－15作者：潘鋒、李曉明）

本刊注：近十年來(lái)，我國(guó)地質(zhì)勘查技術(shù)與裝備取得了舉世矚目的成就。本刊將陸續(xù)刊登介紹我國(guó)地質(zhì)勘查技術(shù)與裝備研究進(jìn)展的文章，供廣大讀者參考，了解國(guó)內(nèi)動(dòng)態(tài)。

自上世紀(jì)六七十年代地學(xué)革命以來(lái)，地球深部探測(cè)一直引領(lǐng)世界地球科學(xué)的發(fā)展。一定程度上，地球深部探測(cè)技術(shù)的發(fā)展標(biāo)志著一個(gè)國(guó)家地球科學(xué)的水平。

2008年底，中國(guó)地球深部探測(cè)的“入地計(jì)劃”拉開序幕。作為國(guó)家地殼探測(cè)工程的培育性研究計(jì)劃，“深部探測(cè)技術(shù)與實(shí)驗(yàn)研究”專項(xiàng)（簡(jiǎn)稱深部探測(cè)專項(xiàng)－SinoProbe）在財(cái)政部、科技部的支持下全面啟動(dòng)。該專項(xiàng)由國(guó)土資源部管理，中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院組織實(shí)施。深部探測(cè)專項(xiàng)的核心任務(wù)是：為“地殼探測(cè)工程”解決關(guān)鍵探測(cè)技術(shù)難點(diǎn)，研制深部探測(cè)關(guān)鍵儀器裝備，集成深部探測(cè)技術(shù)方法，作好關(guān)鍵性技術(shù)準(zhǔn)備。這一核心任務(wù)背后的嚴(yán)峻現(xiàn)實(shí)卻是，長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)地球深部探測(cè)實(shí)驗(yàn)用的儀器、裝備、軟件研發(fā)能力十分薄弱，所使用的高端產(chǎn)品完全依賴進(jìn)口，自主創(chuàng)新能力提升和創(chuàng)新性受到嚴(yán)重制約。

盡管落后歐美國(guó)家深部探測(cè)計(jì)劃近30年，站在新的技術(shù)發(fā)展臺(tái)階上的深部探測(cè)專項(xiàng)具有明顯的后發(fā)優(yōu)勢(shì)。經(jīng)過(guò)中國(guó)科學(xué)家4年的艱苦努力和探索，我國(guó)深部探測(cè)關(guān)鍵技術(shù)和儀器設(shè)備研制取得重大進(jìn)展，全面提升了我國(guó)深部探測(cè)和超深鉆探技術(shù)，必將實(shí)現(xiàn)地質(zhì)科學(xué)研究、深部資源勘查、自然災(zāi)害預(yù)測(cè)等重大發(fā)現(xiàn)，從深層次推動(dòng)我國(guó)從地質(zhì)大國(guó)向地質(zhì)強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)變。

1 深地震反射與折射同震源同機(jī)聯(lián)合采集技術(shù)獲突破

深部探測(cè)猶如利刃切開地殼與上地幔，追蹤地球演化。深地震反射技術(shù)如CT掃描一樣獲得地殼精細(xì)結(jié)構(gòu)圖像，地震折射技術(shù)獲得地殼速度，有助于判斷深部物質(zhì)的屬性，但其分辨尺度不甚精細(xì)。兩者的結(jié)合就可以既獲得結(jié)構(gòu)直觀信息，又獲得判斷介質(zhì)性質(zhì)的間接信息，這是地殼探測(cè)技術(shù)的一個(gè)進(jìn)步。深部探測(cè)專項(xiàng)（SinoProbe－02）開展實(shí)驗(yàn)，成功地在一根線纜上同時(shí)實(shí)現(xiàn)了深地震反射與折射同震源同機(jī)聯(lián)合采集技術(shù)的突破。

圖1 野外觀測(cè)系統(tǒng)與反演的地殼淺層初步結(jié)果

圖2 移動(dòng)平臺(tái)綜合地球物理數(shù)據(jù)處理與集成系統(tǒng)用戶界面

這項(xiàng)技術(shù)關(guān)鍵有二：一是將改制的折射地震三分量檢波器接在反射地震采集站上，由反射地震儀器接收寬角反射信號(hào)，實(shí)現(xiàn)與反射信號(hào)同纜傳輸、同機(jī)接收；二是同震源同時(shí)激發(fā)，即深地震反射和寬角地震反射共享相同震源和激發(fā)時(shí)間。兩項(xiàng)技術(shù)均涉及儀器改制、野外試驗(yàn)、資料處理、地殼模型計(jì)算等一系列技術(shù)實(shí)驗(yàn)。采集系統(tǒng)，反射采用目前主流地震采集設(shè)備Sercel 408／428，折射使用改制的L22型儀器，在道集上，寬角反射三分量檢波器拾取的地震信號(hào)與反射混排，實(shí)現(xiàn)了地殼結(jié)構(gòu)和物性信息的同時(shí)獲取。在華北北緣地震實(shí)驗(yàn)中，三分量數(shù)據(jù)反演的速度結(jié)構(gòu)與反射初至波層析反演結(jié)果吻合很好，且比反射初至波層析反演結(jié)果深度大。

2 地殼活動(dòng)性與應(yīng)力測(cè)量和監(jiān)測(cè)技術(shù)日趨成熟

2011年3月11日13時(shí)46分，日本宮城北部發(fā)生里氏9.0級(jí)強(qiáng)烈地震，中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院平谷地應(yīng)力綜合監(jiān)測(cè)站成功監(jiān)測(cè)到此次地震前后應(yīng)力及水位變化的寶貴信息，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了新研制的地應(yīng)力綜合監(jiān)測(cè)儀器具有良好的應(yīng)用前景。

應(yīng)力解除地應(yīng)力測(cè)量方法是國(guó)際上公認(rèn)的原地應(yīng)力測(cè)量成熟方法，是國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)測(cè)試技術(shù)方法委員會(huì)推薦的技術(shù)。項(xiàng)目組對(duì)壓磁元件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一系列優(yōu)化設(shè)計(jì)和創(chuàng)新性研發(fā)，使其測(cè)試精度、可靠性及其可操作性得到顯著的提升，完成了新一代深孔壓磁應(yīng)力解除系統(tǒng)、深孔壓磁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)樣機(jī)的研制。目前該測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)量深度從原先的幾十米深已延伸到200m以上，到達(dá)了同類地應(yīng)力測(cè)量及監(jiān)測(cè)方法的國(guó)際領(lǐng)先水平。

此外，該項(xiàng)目在青藏高原東南緣進(jìn)行的地應(yīng)力測(cè)量與監(jiān)測(cè)過(guò)程中也對(duì)這一新系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。為該地區(qū)獲取迄今為止最為系統(tǒng)的地應(yīng)力測(cè)量成果，進(jìn)而為地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測(cè)預(yù)警提供了有力的技術(shù)支撐。

圖3 新型壓磁應(yīng)力解除系統(tǒng)和壓磁應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)樣機(jī)

3 地下物質(zhì)成分探測(cè)技術(shù)取得驕人成績(jī)

元素周期表列出了所有元素的原子結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)，但是迄今為止，人們對(duì)這些元素在地球表面是如何分布的卻知之甚少。地球化學(xué)家的一個(gè)夢(mèng)寐以求的理想是繪制出化學(xué)元素在全球的分布的地球化學(xué)圖。

深部探測(cè)專項(xiàng)（SinoProbe－04）創(chuàng)新性地發(fā)展了高精度地殼全元素分析技術(shù)，首次實(shí)現(xiàn)對(duì)地殼表層78個(gè)天然元素的高精度分析，所有元素分析精度和靈敏度處于國(guó)際領(lǐng)先水平。首次研發(fā)了基于Arc－Globe的“化學(xué)地球”軟件，這是世界上首個(gè)能提供具有三維地球化學(xué)屬性的應(yīng)用系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)全球地球化學(xué)圖制作和發(fā)布。

目前專項(xiàng)初步建立了一個(gè)覆蓋全國(guó)的地球化學(xué)基準(zhǔn)網(wǎng)，涵蓋地殼全部元素，為研究中國(guó)大陸過(guò)去地球化學(xué)演化歷史和預(yù)測(cè)未來(lái)全球化學(xué)變化提供了參照標(biāo)尺，同時(shí)還會(huì)對(duì)人們賴以生存的地球化學(xué)環(huán)境、工業(yè)化進(jìn)程所造成的影響提供最直接的評(píng)價(jià)依據(jù)。

此外，納米深穿透地球化學(xué)探測(cè)技術(shù)取得了原創(chuàng)性成果。發(fā)明了納米微粒探測(cè)技術(shù)，包括采集、分離、觀測(cè)、分析的系列專用儀器設(shè)備和專有解譯技術(shù)軟件。直接探測(cè)深度可達(dá)500m，居于同類技術(shù)的國(guó)際領(lǐng)先水平。納米微粒的發(fā)現(xiàn)在理論上使得勘查地球化學(xué)從描述性模型走向?qū)嵶C性科學(xué)，被國(guó)際同行公認(rèn)為近些年勘查地球化學(xué)最顯著的進(jìn)展。國(guó)際應(yīng)用地球化學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議的3個(gè)評(píng)委一致稱其為“創(chuàng)新性研究成果”，“對(duì)覆蓋區(qū)礦產(chǎn)勘查具有深刻影響”。

圖4 中國(guó)“化學(xué)地球”（Au分布）

4 我國(guó)首臺(tái)萬(wàn)米大陸科學(xué)鉆探鉆機(jī)研制下線

鉆探技術(shù)是唯一可以直接獲取深部樣品的技術(shù)。目前，世界上超過(guò)萬(wàn)米的鉆孔只有前蘇聯(lián)科拉半島超深科學(xué)鉆，為12261m。深部科學(xué)鉆探工程已經(jīng)列入國(guó)際重大科學(xué)計(jì)劃，包括大陸科學(xué)鉆探計(jì)劃（ICDP）和大洋科學(xué)鉆探計(jì)劃（IODP）?？茖W(xué)鉆探工程成功與否的一個(gè)主要因素取決于鉆探裝備超深鉆進(jìn)能力。

深部探測(cè)專項(xiàng)（SinoProbe－09－05）研制的萬(wàn)米大陸科學(xué)鉆探鉆機(jī)已于2011年12月20日成功下線。這標(biāo)志著中國(guó)深部探測(cè)技術(shù)能力獲得新突破。

該鉆機(jī)在“深井高轉(zhuǎn)速大扭矩全液壓頂驅(qū)系統(tǒng)”和“懸掛式自動(dòng)鉆桿排放裝置”兩大技術(shù)上實(shí)現(xiàn)突破。其中SP－I－01型高轉(zhuǎn)速大扭矩全液壓頂驅(qū)為機(jī)電液一體化控制的鉆井裝置，采用了動(dòng)力機(jī)直接驅(qū)動(dòng)液壓泵構(gòu)造閉環(huán)液壓系統(tǒng)，具有效率高、調(diào)速性能好的特點(diǎn)，無(wú)須配置交流變頻頂驅(qū)通常采用的發(fā)電機(jī)組、整流、逆變和變頻裝置，既提高了能量效率又大幅度降低制造成本。SP－I－02型全液壓自動(dòng)鉆桿排放裝置集成了機(jī)電液一體化技術(shù)，具有平移、回轉(zhuǎn)、伸展、升降、夾持、調(diào)垂等多項(xiàng)功能和智能操作，實(shí)現(xiàn)了高空鉆塔的無(wú)人排管操作。該鉆機(jī)的研制具有“設(shè)計(jì)虛擬化、控制數(shù)字化、操作自動(dòng)化和功能多樣化”的“四化”特點(diǎn)，其整機(jī)設(shè)計(jì)理念、功能配置、制作工藝和產(chǎn)品質(zhì)量接近國(guó)際一流水平。

目前，該鉆機(jī)已整裝待發(fā)，擬參與6600m深的松遼盆地“松科二井”的科學(xué)鉆探任務(wù)，在實(shí)踐中進(jìn)行檢驗(yàn)、改進(jìn)和發(fā)展。

圖5 萬(wàn)米超深科學(xué)鉆探裝備

5 固定翼無(wú)人機(jī)航磁探測(cè)系統(tǒng)成型

無(wú)人機(jī)不僅是當(dāng)今軍事對(duì)抗的核心技術(shù)載體，也是資源勘查的關(guān)鍵技術(shù)平臺(tái)。深部探測(cè)專項(xiàng)（SinoProbe－09－03）針對(duì)無(wú)人機(jī)航磁特點(diǎn)，相繼在核心磁傳感器、磁補(bǔ)償?shù)汝P(guān)鍵儀器部件方向取得突破?？傮w技術(shù)參數(shù)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

針對(duì)復(fù)雜地形條件和探測(cè)空域需求，“一站多機(jī)”式航磁無(wú)人機(jī)高效作業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)研制取得了突破。已完成自主開發(fā)高精度、高穩(wěn)定、高效的無(wú)人機(jī)自動(dòng)飛行控制與導(dǎo)航系統(tǒng)，解決了自動(dòng)駕駛儀、通訊鏈路和地面站控制多項(xiàng)關(guān)鍵問(wèn)題。2011年4月成功實(shí)現(xiàn)了“一站三機(jī)”飛行控制，有效提高了無(wú)人機(jī)航磁探測(cè)系統(tǒng)的適應(yīng)性、安全性和可靠性。

該項(xiàng)技術(shù)的突破，表明我國(guó)在高效航磁探測(cè)系統(tǒng)研制方面邁出了堅(jiān)實(shí)的一步，在該領(lǐng)域已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

圖6 一站三機(jī)飛行實(shí)驗(yàn)

6 大功率地面電磁探測(cè)（SEP）系統(tǒng)研制新進(jìn)展

對(duì)地殼電性和磁性測(cè)量是金屬找礦勘探的基本手段之一，提高探測(cè)深度和分辨率是當(dāng)今電磁儀的發(fā)展方向。目前，我國(guó)地質(zhì)礦產(chǎn)勘查普遍使用的高端電測(cè)儀幾乎全是進(jìn)口，核心技術(shù)受制于人。深部探測(cè)專項(xiàng)（SinoProbe－09－02）重點(diǎn)攻關(guān)核心傳感器技術(shù)。課題組已突破極低頻微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)、高磁導(dǎo)率磁芯設(shè)計(jì)和線圈設(shè)計(jì)與加工工藝等關(guān)鍵技術(shù)。經(jīng)過(guò)野外對(duì)比測(cè)試表明，自主研制的傳感器指標(biāo)與國(guó)外先進(jìn)產(chǎn)品指標(biāo)相當(dāng)。其中，工作頻率范圍10000s～1kHz，噪聲水平在1Hz時(shí)為0.1pT／√Hz，功耗＜200mW＠6V，重量＜6千克，長(zhǎng)度為950mm，直徑＜6cm。

這項(xiàng)技術(shù)可廣泛應(yīng)用于地殼結(jié)構(gòu)探測(cè)、三維地質(zhì)填圖、礦產(chǎn)資源和地質(zhì)災(zāi)害深部背景調(diào)查等領(lǐng)域。被認(rèn)為是深部探測(cè)的一個(gè)亮點(diǎn)。

圖7 磁場(chǎng)傳感器在野外實(shí)驗(yàn)時(shí)場(chǎng)景

7 無(wú)纜自定位地震探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)展喜人

地震探測(cè)是地球深部探測(cè)分辨率最高的技術(shù)方法，也是油氣勘探中最成熟的技術(shù)方法，廣泛用于資源勘查、地球深部探測(cè)領(lǐng)域。

深部探測(cè)專項(xiàng)（SinoProbe－09－04）自主研制適用于深部探測(cè)特點(diǎn)的無(wú)纜自定位地震勘探儀器，突破了有纜地震儀采集道數(shù)和道間距限制等技術(shù)瓶頸。通過(guò)GPS定位和授時(shí)實(shí)現(xiàn)了多個(gè)地震采集站的空間自定位和同步采集，擺脫了通訊電纜的束縛，無(wú)道數(shù)限制，自帶存儲(chǔ)器可長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)記錄，實(shí)現(xiàn)了隨時(shí)、隨地（適用于復(fù)雜地形）、免測(cè)線測(cè)量、存儲(chǔ)和無(wú)線混合接收、根據(jù)觀測(cè)需要設(shè)置任意道間距的地震數(shù)據(jù)采集。多個(gè)采集站可任意組成靜態(tài)GPS基線向量網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)各觀測(cè)點(diǎn)的三維空間位置自測(cè)量，定位精度為厘米級(jí)；支持任意排列的地震數(shù)據(jù)采集；基于802.11g無(wú)線通訊協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)距離無(wú)線狀態(tài)監(jiān)測(cè)和短距離無(wú)線地震數(shù)據(jù)快速回收。單個(gè)采集站支持iOS、安卓、Windows Phone平臺(tái)的手持終端的無(wú)縫數(shù)據(jù)接入，可實(shí)時(shí)配置儀器工作參數(shù)、查看儀器運(yùn)行狀態(tài)和實(shí)時(shí)顯示采集波形。數(shù)據(jù)回收中心支持有線、無(wú)線數(shù)據(jù)回收；兼容炸藥、可控震源、地震錘等多種震源。無(wú)纜自定位地震勘探儀器支持多種地震勘探的野外作業(yè)方式，主要性能指標(biāo)達(dá)到或超過(guò)國(guó)際同類地震儀設(shè)計(jì)水平。可廣泛應(yīng)用于礦集區(qū)資源調(diào)查、地殼深部反射及折射探測(cè)、天然地震觀測(cè)等地球深部探測(cè)領(lǐng)域。

圖8 無(wú)纜自定位地震儀

8 移動(dòng)平臺(tái)綜合地球物理數(shù)據(jù)處理與集成系統(tǒng)填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白

深部探測(cè)專項(xiàng)（SinoProbe－09－01）以三維地質(zhì)目標(biāo)模型為中心的綜合研究一體化集成分析平臺(tái)，將多類勘探方法、海量數(shù)據(jù)、多種處理和解釋技術(shù)融為一體，建立高效率的工作流程，實(shí)現(xiàn)深部數(shù)據(jù)融合與共享管理。

該系統(tǒng)研發(fā)策略是，通過(guò)引進(jìn)和自主研發(fā)“紅藍(lán)軍”雙軌路線，完善高端平臺(tái)功能聯(lián)合，強(qiáng)化研發(fā)和應(yīng)用人員的系統(tǒng)化訓(xùn)練；通過(guò)追蹤國(guó)外前沿技術(shù)，規(guī)范化與國(guó)際對(duì)接的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，加速跟進(jìn)國(guó)外軟件發(fā)展步伐。

這項(xiàng)研發(fā)成果具有跨操作平臺(tái)、數(shù)據(jù)融合、靈活擴(kuò)充、數(shù)據(jù)共享管理等功能。該軟件的自主研發(fā)和原創(chuàng)性技術(shù)突破亮點(diǎn)是，遵循國(guó)際高端地學(xué)軟件的開發(fā)理念，完成了OpenPro圖形庫(kù)的軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)，奠定了新一代軟件自主性和原創(chuàng)性開發(fā)基礎(chǔ)；嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)流程，高質(zhì)量完成架構(gòu)支撐系統(tǒng)所涉及的基礎(chǔ)組件、應(yīng)用組件、交互處理模塊、場(chǎng)景渲染模塊、場(chǎng)景構(gòu)造模塊、地質(zhì)場(chǎng)景建模模塊、多通道可視化模塊、大型數(shù)據(jù)處理與可視化模塊等功能塊；初步建成擁有自主產(chǎn)權(quán)的與國(guó)外最先進(jìn)水平接近的“處理－分析－管理”一體化大型軟件工作平臺(tái)；研發(fā)了針對(duì)移動(dòng)平臺(tái)探測(cè)條件下的系列軟件，填補(bǔ)了國(guó)外產(chǎn)品缺少的內(nèi)容，滿足大面積高效率探測(cè)任務(wù)需求。