地球物理仪器题库(2)

作程序大抵如下:发送器将其产生的各种时变函数信号,即各种时变波形的电流，通过供电电极或者线圈去激发大地或准备研究的目的物。仪器的接收测量部分在一次场不存在时，即发送电流停止工作的时段内，将测量电极或感应线圈，及其他类似的磁场传感器所接收到的大地或目的物的瞬变响应（常以衰变电压的形式出现）传送至宽频带测量放大器进行放大和处理，最后显示、记录或者存入存储器。时间域电法仪是采用分时、顺序方式进行工作的，即激发时，不进行测量，停止激发时，测量工作开始，直至下一次激发到来之前为止，并如此循环工作。瞬变电磁仪所使用的时变电流的重复频率通常为数赫兹至数十赫兹。测量所占用的时间间隔为数毫秒至数百毫秒。时间域激电仪所使用的时变电流的重复周期常为数秒至数十秒。时间域电法仪对瞬变（衰变）响应的测试和记录并不是连续的，而是按照一定的时间间隔进行离散采样。一般，激电仪的采样间隔较宽，采样的数目较少，并且起始采样的时间亦较晚。而瞬变电磁仪则不同,它的起始采样时间很早（约n×101微秒）,采集的样品数目较多（可达数十个），采样的时间间隔也较窄。仪器工作时所用的同步方式多为石英钟同步。当对测量精度要求不很高时，也可用发送电流停止工作时的脉冲信号进行同步。

与频率域电法仪相比，时间域电法仪对测量技术的要求更高，更复杂。这主要反映在：要求整个测试系统具备有高精度、高稳定度的时间基准；要求在数毫秒的时间范围内,不失真地放大幅度变化范围为105～106倍的电信号；在宽带放大的前提下提取强噪声背景下的微弱信号；发送器瞬时最大发送电流需达数十安培至 100～200安培。电法仪器今后可能会沿着两个截然相反的方向发展。一是全能的、集数据采集、处理和自动解释为一身的大系统；一是小、巧、优的智能化专用仪器。

5.论述石油地震勘探仪器和工程地震勘探仪器的区别和联系。

石油地震勘探仪器种类很多﹐一般常用的是数字地震仪。这种仪器是把检波器输出的信号数字化﹐并将数字化的信息按一定格式记录在磁带上。这种仪器的特点是动态范围大﹑频带宽﹑精度高等。仪器的主体包括3个箱体﹕模拟箱体﹑逻辑箱体和磁带机。另外还有两个辅助箱体﹕覆盖开关(包括电台)和照相记录仪。60道或120道地震检波器接收到的地震信号﹐经过滤波前置放大器﹐模拟滤波﹐再经多路转换开关对各道地震信号进行采样﹐瞬时浮点放大和模数转换﹐送至控制箱体﹐经过记录逻辑系统再送入磁带机最後记录在磁带上。 工程地震勘探仪器主要是工程地质领域的浅层地震仪。一般是指勘探深度近数百米范围内的地震勘探仪器。按其工作原理分计数型﹑波形表示型和信息增强型3大类。广泛用于矿产﹑水文地质﹑工程地质等领域。浅层地震仪常见的有传真式地震仪。它的记录方式是只记录幅度超过一定阈值电平的信号﹐并用归一的“短划”形式记录在电敏纸上。一方面通过地震波的非线性变换﹐将连续的地震信号用幅度比较器转换为脉冲讯号﹔另一方面用逻辑门对双信号道的信号利用相关波长滤波技术进行处理﹐可得到记录良好的浅层反射波。计数型浅层地震仪是通过地震波由检波器1到检波器2的传播时间来得知振动速度的。即把地震波到检波器1﹑2产生的信号分别作为启停控制脉冲﹐并用时钟电路提供的计时脉冲﹐将两个信号的时间间隔数字化﹐用数字的计时单位直接给出观测值。波形表示型浅层地震仪主要有光线示波器型和紫外线示波器型﹑阴极射线管指示器型和传真摹写型等。它的波形显示方式具有直观显示特点﹐能进行续至波记录﹐还能提供地震波的动力学特征。增强型浅\\层地震仪是一种采用信号叠加的处理方法来改善检出信号的信噪比﹐以增大探测深度或便于在干扰严重地区进行有效工作。它测量在同一锤击点多次激发的地震波﹐将其到达检波器的时刻与各地震界面相对应的相同信号叠加在一起﹐从而使信号得到增强﹐而相位紊乱的随机干扰信号随锤击次数增加而趋于互相抵消。

6.论述海底MCSEM发送机的原理及设计需求。

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海洋可控源电磁仪海洋可控源电磁仪由一台拖拽式发送机和多台布置在海底、可以回收的接收机组成。发送机的发送电偶极子距离海底50米左右，由施工船拖拽，距离海底的高度可自动控制，发送电流300-1000安培，电偶极子长度为100-300米。海洋可控源发送机的基本原理为甲板系统将船上的3相交流系统升压后通过拖拽电缆发送到海底，海底拖拽单元降压、整流、逆变后发送出去。海底拖拽单元可以和甲板单元通讯，将拖拽单元的信息发送到船上。甲板电源系统将480V交流升压到1450V交流后输送到海底，海底变压器降压到67.5V，再整流到58VDC后逆变输出。输出电流为90A。甲板电源系统将120V/250A交流升压到2000V/15A交流后输送到海底，海底变压器降压到67.5V/550A，再整流到36V/500A后逆变输出。输出电流为500A。目前，国际上的最高水平大于1000A。发送电极接地电阻与电极长度和电极直径成反比。海洋可控发送机发送电流可发送含多种频率成分波形，纹波与整流系统有关。

7.论述海底MCSEM接送机的原理及设计需求。

海底可控源电磁法接收机可下沉到海底，数据采集完成后通过声学释放单元回收。海底可控源电磁法数据记录器原理框图，接收机采集正交的电场和磁场分量。接收机信号调理部分采用斩波放大器消除1/ f噪声，高通滤波器压制极低频大地电磁信号及电极极差。海底电磁接收系统一般有4～6个道，接收电磁场4～6个分鼍，即E、E，、见、H，、E及H。目前用得较多的为四分量采集站(E、E、H、H，)。采集站由电场传感器、磁场传感器、数据记录系统、定位系统、声控系统、浮球及水泥重块等构成。每个采集站由船上自由下沉到海底。通过声波超短基线通讯装置可以精确确定接收器位置。采集结束后通过船上发送声波控制信号，带有采集系统的浮球与水泥重块分离浮出海面，实现采集资料的回收。一般单个采集站的布设需1～2h左右。视海况条件而定。

8.海底MT仪器和MCSEM仪器有何区别和联系。

海洋电磁方法可以分为天然场源(MarineMT——海洋大地电磁法)和人工场源(MarineCSEM——海洋可控源电磁法)两类，在油气直接检测中发挥关键作用而进入勘探阶段的是后者。海洋可控源电磁法，根据施工方法差异又可以分为浅海拖曳施工和深海固定施工。至于其他分类和地面可控源方法一样：有时间域(TCSEM)和频率域(FCSEM)方法，激发有线源，电偶极源和大回线源，接收有电偶极和磁棒(或回线)，根据不同组合可以得到不同的施工方法。目前海洋可控源电磁采集站大多兼备采集海洋大地电磁信号能力，自采集站沉入水底就开始记录海洋大地电磁信号，在室内处理中要把海洋大地电磁(MMT)和人工可控源电磁信号分离，分别进行处理。（何展翔，余刚，2008） 海底大地电磁探测是把仪器布置在海底，采集海底大地电磁场数据，从而研究海底以下不同深度上介质导电性的分布规律，达到了解地下不同深度地质情况的目的（魏文博，邓明，谭捍东，金胜，2001）。大地电磁测深是一种天然场源的方法，设备相对简便，比较容易在海洋条件下施工，不受高阻层屏蔽的影响，对低阻层反映灵敏，探测深度可以达到下地壳和上地幔，因此在电磁法众多的方法技术中，成为海洋电磁探测首选的方法技术。实际上，它基本是把常规的陆上方法移用过来。从方法的基础理论、数据采集、处理流程和资料解释反演成像方法等方面看，它都与陆地上的大地电磁测深相近。但是，由于海洋和陆地环境的不同，两者在仪器、数据采集作业技术和噪声影响等方面必然存在一些差别。在海底采集大地电磁场信号，首先面临的是导电海水层对电磁波的衰减。显然，海底的大地电磁场信号要比陆地上微弱得多。因此，要求海底大地电磁仪器有比陆地仪器更高的灵敏度（Steven et aI .，1998）。为了适应海洋环境，要求信号采集器尽可能小型化，并实现智能化、大存储量和低功耗，还需要解决仪器、设备的承压、密封技术。此外，海上作业基本是按照“投放仪器，

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布置海底测站，释放、回收仪器”的流程进行，这都需要有特殊的设备和技术。由此不难看出，实现海底大地电磁探测，关键在于利用现代高新技术研制出性能优良的海底大地电磁仪器，同时还需要研究切实可行的海上作业技术。图1所示是魏文博、邓明、谭捍东、金胜研制的“高精度海底大地电磁数据采集器”硬件原理框图。数据采集器由电道前放板、磁道前放板、主放板、辅助通道板、时钟板、数字板、标定信号板和PC - 104主机板等共同构成层叠式电路结构。电路板整体体积为90 X 96 X 170mm3，重量约1.0kg；采集器使用+ 5V和1 12V三路电源，工作状态下整机功耗7W。根据电路板元器件温度指标估计，采集器正常工作的环境温度为- 20C ~ + 70C。

目前所研制的海底大地电磁仪最长记录时间为7d，频率范围100~ 0.0001Hz，魏文博，邓明，谭捍东，金胜研制综合考虑采集数据量、省电和减少电磁干扰等因素，数据采集器配置容量为144MB的固态电子盘。为了压制干扰，采集器设置2级陷波深度> 40dB的50Hz陷波器和2级低通滤波，滤波频率可选择128，16，0.16Hz 3档。考虑到尽可能拓宽仪器频率范围，以便满足海陆两用的需要，采集器硬件设置4000，1000，500，250，125，64Hz共7个采样频率供选择，而后软件可实现更多的采样频率。以魏文博，邓明，谭捍东，金胜研制的“五分量海底大地电磁系统”。为例，它主要由浮球、结构框架、数据采集器、仪器承压密封舱、声学释放器、磁传感器、磁传感器承压密封舱、海底不极化电极、水密电缆、电极电缆导管、锚系等零部件集合而成。（魏文博 邓明 谭捍东 金胜，我国海底大地电磁探测技术研究的进展，2001）。 海洋可控源电磁勘探MCSEM仪器的丁作方法与海洋地震的工作方法类似，场源由位于船上的多频率信号发射机及位于海底的供电偶极拖曳系统构成，在海底测点上部署电磁信号采集站。一般工作流程为：首先按设计投放电磁采集站并测定实际坐标，开始自动记录；接着激发场源即海底的供电偶极拖曳系统按设计路线，以一定周期脉冲电流连续激发，沿采集站分布测线位置在海底上方30～50m／rain匀速移动；最后释放采集站上的水泥重块，回收电磁采集站，搬迁至下一排列或测线，海洋可控源电磁勘探的装备主要由三部分构成。船上电磁信号发射机、海底供电偶极拖曳系统、海底电磁信号接收站。（孙卫斌，何展翔，海洋可控源电磁勘探技术与装备，2010）

9.论述高密度电法仪发送部分的原理及设计要点。

高密度电法仪发送部分主要涉及发射电流的控制、信号远距离传输的稳定性和装置的供

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电问题。

1．发射机的性能指标

高密度电阻率法仪器工作时，由发射装置向大地注入电流，由主机控制电极排列方式、极距和自动组合测点来测得数据并分析获得较丰富的关于地电断面结构特征的地质信息。对于发射装置的一些的性能参数。以张志伟《大深度三维高密度电阻率法接收装置的研制与实验》为例总结高密度电法仪接收部分的工作原理。该系统的发射装置是使用的前人制作完成的发射机。发射桥路是采用两个H桥路级联方式连接的发射回路，输入电源为两组规格相同的开关电源。大深度三维高密度探测方法要求发射电压高、发射电流大，发射电压最大要达到500V，发射电流最大达到300A，这样探测深度才能够达到项目要求300m。高密度电阻率法发射装置的发射信号是双极性脉冲信号，发射波形如图 3.1 所示，性能指标见表 3.1。

发射电流通过发射电极注入地下，在接收电极排列组合之后就能检测到随地质体的不同而变化的电压信号。再根据注入到大地的发射电流值，就可以计算出随着排列变化的大地电阻率值，对电阻率值转换预处理后，利用高密度软件解释成图，对地断面分层解析。

2. 发射电流的采集和控制

在实际测量时只能测出接收电极之间的电压值，但是地下信息的解释数据需要大地电阻率值，因而就需要知道发射装置注入大地的信号脉冲部分的恒定电流值。由发射波形可知，就是求出信号脉冲部分的瞬时电流值。前人设计的发射机脉冲部分发射的是恒定电压，采用的是两个发射桥路级联的方式。 发射模块整体框图如图 3.2 所示，输入源为两组恒压电源，选用的开关稳压电源参数为输入 DC22~30V，输出电压值 DC0~300V，输出电流值为 0~5A。

（1）发射电流的检测

电流检测模块主要由电流互感器、峰值电路（求脉冲部分电流值）以及 A/D 数据采集部分三部分组成。电流检测的原理是利用电流互感器感应发射回路中的电流，转换为电压值经过峰值电路变换输入到 A/D 转换芯片。单片机将 A/D 采集的结果经过运算之后再转换

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为电流值送给上位机显示。由于采集的电流信号为高压脉冲信号，系统选用抗干扰强的 89C51 单片机，并且容易实现单片机与上位机的通讯。

（2）发射电流的控制

仪器的发射桥路输出方式为两个 H 桥路级联输出，在改变电源输出电压时需要分别调节两组电源的控制旋钮，这样两路调节很可能不同步。张志伟在《大深度三维高密度电阻率法接收装置的研制与实验》中考虑到上面的问题，设计了一种方案来同时调节两组电源。同时，桥路输出脉冲部分为恒压信号，而实际勘测时要求注入大地稳定的电流，在恒压发射的基础上采用闭环控制的方法来保持发射电流的恒定。

10.高密度电法仪自动电极的实现的主要方式有哪些？各有什么优缺点？

根据实现电极转换方式的不同，可以将高密度电法仪分为两大类，集中式和分布式。电极转换开关方面主要分为3类：机械式电极转换、电子式电极转换及分布式智能电极。采用集中式电极转换的有重庆地质仪器厂、重庆奔腾数控技术研究所、北京地质仪器厂和ABEM公司研制的各种高密度电法仪。采用分布式电极转换的有吉林大学工程技术研究所、中国地质大学和AGI公司推出的高密度电法仪。（陈儒军，伪随机多频电磁法观测系统研究，2003） 早期高密度仪器的发展，就是不同厂家推出的各式各样的电极转换开关的发展。机械式电极转换开关见于早期的高密度电法仪，并由人工手工电极转换，之后发展为由微机控制的步进电机的电极转换而实现野外数据的自动采集；后期随着电子技术的发展，实现了电子电极转换；有部分厂家把电极转换部分分布在各个电极，甚至把信号转换部分(A／D转换部分)分布在各个电极。后两类电极转换开关仍在广泛使用，且不同厂家推出的电法仪及其转换开关种类繁多、性能各异、各有千秋。其中分布式智能电极是近些年来推出的新型高密度电法勘探仪器，正在不断发展和改进之中（李晓斌，张贵宾，贾正元，新型分布式高密度电法仪器发展瞻望，2008）。目前，国产高密度电法仪采用多芯电缆，电极均匀分布在电缆上，在主机上通过继电器开关的转换完成对不同电极、不同极距的切换，自动完成整个排列的观测任务（吕玉增，阮百尧，密度电法工作中的几个问题研究）。在以多功能电法仪配合多路电极转换器组成的高密度电法仪中，每根电极都需电缆线直接与主机相连，随着电极数目的增加电缆芯数随之增加，当达到100道以上时，笨重的电缆将成为提高工作效率的瓶颈。采用智能电极选通技术，只需一根10芯电缆线最大可实现1024根电极的排列切换和测量工作（梁庆九，梁咏仁，LGM一2000型高密度电法仪）。 分布式高密度电法测量是未来发展的主流，功能最突出的应属德国DMT公司研制生产的RESECS高密度电法仪。RESECS仪是将开关单元分布在各个电极(解码器)，其主机有一个电流测量通道和能够扩展为6个电位测量的通道。在工作时，主机发送命令(编码)给各个解码器，由解码器根据编码命令把任何一对接地电极切换为供电电极，而把最高可达6对其他接地电极切换为电位测量通道，并实现实时采集。在单道和多道工作情况下均可最高控制960个电极。在国内有利用用RESECS仪地面高密度电法测量和井间电法测量的实例，应用效果明显，可接入最高外部转换电源为440V，A／D转换精度为16位。自引进高密度电法以来，有不少单位投入了该方法的理论、方法技术和仪器准备的研制。1994年《地学仪器》杂志上发表文章，报道了原地质矿产部机电研究所研制的GHI高密度电法仪，其结构将机械电极转换开关改进成由单片机控制的电子开关。国内重庆地质仪器厂和重庆奔腾数控研究所等厂家生产的高密度电法仪就是引用该技术。其中武汉地大高科资源探测研究所推出的CUGBGM密度电法仪采用了8通道采集技术。西安澳立华公司推出的flashRes64高密度直流电法仪可高达61道同时采集的高密度直流电法仪器。从结构分析，国内生成的高密度电法

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