01次课 地球物理仪器课概述及地球物理仪器历史、现状及发展
1．0本门课概述
地球物理学在本质上是一门观测科学，需要采集大量的有效信息，可靠信息和信息量的缺乏或不足则是任何数学技巧和图像显示无法弥补的。高精度和高分辨率的观测与实验仪器和设备乃是在地球物理学发展进程中的“前哨”．为此，在我国地球物理学领域里，在对仪器和设备的研究中必须转变观念，即在引进技术，仿造和合作研制的基点上发展自己的研究与研制体系，并在不断深化的进程中，逐步开创中国地球物理仪器研究和研制的新局面，形成具有中国特色的，并具有独立主权和品牌的地球物理仪器及设备的创新研究和研制体制，进而开拓新市场，走向世界，并独立于世界科技之林．
在地球物理学领域，地球物理场主体上分为重力场、地磁场(包括航磁)、电场、地热场、放射性辐射场和地震波场。对矿产资源、油气能源和环境的勘察与监测，对地震灾害的预测与预防，对地球深部圈、层结构以及物质组成和空间状态的探测等都是通过物理场完成的。随着地球物理学在理论、方法和应用方面的不断进步，科学与技术发展的需求日益增加，相应学科的仪器与设备得到了迅速发展，物理学、力学、信息学和计算技术中的一些新成就得到了广泛应用，地球物理观测的精度和对信息的分辨率不断提高。
地球物理勘查仪器的基本要求与特点：
众所周知，在野外进行地球物理勘查要求所使用的仪器重量轻、体积小、坚固耐用，要能防潮、防晒、不怕振动，无论在寒冷的北极或是在炎热的赤道地区都能正常工作。同时还要求仪器有多种功能，即能同时测量多种参数，例如不仅能测重力值、磁场值，而且还能测定他们的梯度；不仅能用来做电阻率法，也能用来做激发极化法、交流电法等。我国是一个多山国家，在固体矿产资源勘查中迫切需要有轻便多功能的地球物理仪器；同时，我国又是一个幅员辽阔的国家，海洋及西部的沙漠戈壁石油资源有待于开发，城市与环境物探方兴未艾，也迫切需要功能强，精度高，运用现代物理、电子与计算机技术的地球物理仪器装备。
为了反映地球物理仪器的技术性能，人们常用灵敏度、精密度、准确度、
稳定性、测量范围等各种技术参数来描述它们。
灵敏度：指仪器反映地球物理场参数，如强度等最小变化的能力（敏感程度）。有时也称分辨率。对于用数码显示器读取地球物理场参数的仪器，在其读数装置上估读的最小可分辨的变化，称为显示灵敏度（读数能力），如质子磁力仪1nT/字，0.1nT/字等。由于仪器有一个噪声水平问题，因此灵敏度与显示灵敏度在概念上是有区别的。
精密度：它是衡量仪器重复性的指示，是指仪器自身测定地球物理场的各种参数所能达到的最小可靠值。由一组测定值与平均值的偏差表示。在仪器说明书上，称为自身重复精度。
准确度：系指仪器测定真值的能力，即与真值相比的总误差。
通过地球物理仪器课的学习，掌握地球物理传感器的原理、地球物理仪器基本电路方框图和地球物理仪器正确使用的基本技能，掌握一般地球物理仪器采集信号的特点和使用注意事项，熟悉其参数指标、基本性能并能正确操作地球物理仪器。
1.1重磁仪器 1.1.1 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lnT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。 1.1.2 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10 μGaL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 &R 1500台和Worden 1500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。 1.2 地震勘探仪器 1.2.1模拟地震仪时期
我国的模拟地震仪器时期是从建国初期到七十年代末，大致分为光点和磁带记录二个阶段。
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