地球深部探測關鍵技術裝備研發現狀及趨勢

黃大年，于 平，底青云，郭子祺，林 君，孫友宏，徐學純

1.吉林大學地球探測科學與技術學院，長春 130026 2.中國科學院地質與地球物理研究所，北京 100029 3.中國科學院遙感應用研究所，北京 100101 4.吉林大學儀器科學與電氣工程學院，長春 130026 5.吉林大學建設工程學院，長春 130026 6.吉林大學地球科學學院，長春 130061

地球深部探測關鍵技術裝備研發現狀及趨勢

黃大年1，于 平1，底青云2，郭子祺3，林 君4，孫友宏5，徐學純6

1.吉林大學地球探測科學與技術學院，長春 130026 2.中國科學院地質與地球物理研究所，北京 100029 3.中國科學院遙感應用研究所，北京 100101 4.吉林大學儀器科學與電氣工程學院，長春 130026 5.吉林大學建設工程學院，長春 130026 6.吉林大學地球科學學院，長春 130061

地球深部探測技術裝備為實施國家地殼探測工程戰略計劃、揭示地球深部奧秘提供技術保障，其發展水平將決定在遼闊的國土和海洋區域大面積、大深度獲取數據和信息的能力。瞄準國際前沿裝備技術，從國家高科技發展戰略出發，針對復雜地質環境的探測能力和效率，自主研發深部探測儀器裝備。基于研究現狀和基礎，從6個關鍵技術開展工作，分階段落實探測工程戰略計劃，迅速提升整體技術水平。通過跨部門聯合建設研發基地、匯集優秀人才、培訓人員，引進、消化、吸收國外高端產品技術，加速完善自主創新、產學研用相結合的發展模式，迅速改變我國深探儀器裝備長期依賴進口局面，在較短時期內完成從起步到成熟階段的跨越式發展。

深部探測；技術裝備；引進；自主創新

0 前言

地殼探測工程的主要目標是了解地球深部構造和物質成分分布及演化規律，由此推斷解釋其對淺層地殼活動的影響，包括能源和礦產資源分布規律以及地質災害產生的原因和預警、預防措施。探測裝備通過采用最先進的技術，獲取高精度的數據和構建分析依據，推動人類對地球的認知水平向更深層次發展。基于目前探測技術發展所提供的手段和能力，可以有效實現的階段性科學目標包括：建立空天—地面—深部—海域的立體探測、觀測技術方法體系和超級地球模擬器平臺；構建對地探測與觀測全球網絡體系，提供基礎科學數據；尋找深部能源“新區”、礦產資源“新空間”，保障資源可持續供應；揭示大陸地殼、巖石圈結構，提高對內動力作用把握，提升自然災害預警、預報能力；同時，探索解決CO2地質儲存、核廢料地質處置的新途徑，發展地熱能開發技術。為實現上述目標，形成了一攬子實施方案，即國家領導頂層設計，跨部門聯合國內優勢科研力量，分階段推進完成攻關目標任務。在此框架下，中國地殼深部探測工程從2008年開始，由國土資源部組織實施、中國地質科學院牽頭管理，已經在遼闊的國土區域分階段全面展開，并向海域延伸。目前，已經基本完成“深部探測技術與實驗研究專項”（英文簡稱：SinoProbe）階段任務，基本實現了經驗、技術和人才儲備的階段性目標，為下階段地殼探測工程的全面開展提供堅實基礎和技術支撐［1－2］。

根據中國大陸地質構造格局，部署了大面積臺網觀測、超長和超深探測剖面以及深鉆和超深鉆驗證工程，覆蓋和跨越了主要地質構造單元。骨干性超長和超深探測剖面縱橫連續穿越不同地塊邊界和造山帶以及關鍵構造帶，控制了典型地質活動區帶、地質災害頻發區以及重要含油氣盆地與大型礦集區。通過采用能夠反映地下精細結構的地震探測儀器裝備實現深地震反射、折射、寬頻帶數據采集和處理解釋。同時結合重、磁和大地電磁等地球物理聯合深部探測技術，并輔助應用大面積地球化學、遙感等淺層探測手段，構成海量和多元信息數據綜合分析基礎和科學依據。在海量和多元信息基礎上，精細了解中國大陸典型地域的三維結構、格架與圖像，揭示巖石圈與軟流圈等層圈與更深部地幔之間的相互作用和規律（圖1）［3－5］。

探測裝備技術的先進性和科學組合將決定獲取數據的信息程度、精確程度、探測效率、應用條件以及對實現地殼探測工程目標所提供的技術保障程度。長期以來，深部探測儀器裝備技術一直依賴進口，并按照勘探任務需求和特定應用條件制定進口方案。這些引進技術可以針對來自地球深部的磁、電和聲波等地球物理現象進行探測分析，在揭示地球深部奧秘的SinoProbe 8個地學工程項目中扮演著積極的作用。應用過程中，我國科技人員積累和掌握了大量的經驗和技術；同時也意識到，實現深部探測工程目標需要專門的技術組合支撐，對裝備的先進性、可靠性、實用性和需求量要求更大，維護成本更高。中國作為國土疆域遼闊、能源和資源需求大國，不可能長期依賴裝備技術進口，應該具有自主研發關鍵儀器裝備的戰略性思考、推動和落實。從國家高科技發展戰略目標出發，制定國產裝備發展計劃，適應勘探對象、手段和應用條件等實際需求，迅速提升儀器裝備研發的基礎能力和整體技術水平。我國的“深部探測關鍵儀器裝備研制與實驗”項目（SinoProbe－09）在此背景下應運而生，計劃為SinoProbe 8個工程項目和其他相關探測工程領域提供裝備技術支撐。經過兩年多的努力，SinoProbe－09研發人員在學習和掌握國外先進裝備技術的基礎上，逐漸形成了按照先進裝備制造要求建立的研發基地和人才梯隊。實驗性項目和工程樣機研制如期推進，關鍵核心部件研制獲得了突破性進展，縮短了與國際一流儀器裝備技術產品的距離。

圖1 “地殼深部探測工程”第一階段（2008—2012）任務——“深部探測技術與實驗研究專項’工作部署Fig.1 Work arrangement of the initial phase of SinoProbe—deep exploration technology and experimentation

1 深部探測儀器裝備技術組合

目前了解地球深部信息的主要途徑是通過獲取和分析地球重力場、磁力場、電磁場、地溫場、放射性能譜、光波和地震波等地球物理現象以及深部科學鉆探帶來的實物驗證數據，解釋和推斷產生這些現象的深部地質對象物理屬性和分布規律。其中，依據地震學原理組織的探測方案仍然是主要探測手段，被稱為深部探測的技術先鋒。美國COCORP［6］、英國BIRPS計劃［7］、澳大利亞 GLASS EARTH 計劃［8］、加拿大的 LITHOPROBE［9］均將基于地震波原理分析技術作為探測布署的重點探測手段，形成的解釋模型和參數為揭示地下構造和物質屬性提供了重要依據。針對深層探測特點，廣泛應用了“深地震反射剖面法”，還配套進行“寬角反射與折射地震剖面法”和“寬頻帶數字地震移動臺站法”。在實現地殼精細結構探測任務過程中，3種方法組合應用，共同揭示整個深部結構圖像與變化，追蹤深部過程。針對深層地質構造和屬性的復雜性，其他非震勘探方法，如大地電磁測深、大面積和高精度重力和磁力測量、大地熱流等方法通常作為重要的輔助手段，對巖石圈密度、磁性以及電性等綜合物理屬性研究，揭示深部構造區域性背景以及斷裂和接觸帶等特殊部位的精細結構，彌補單一地震技術組合帶來的局限性和多解性。相比較而言，地震方法在界面成像技術和局部構造精細識別和劃分方面存在很大優勢；但是，由于應用成本高，難以用于圈定大區域油氣藏遠景和構造，尤其是應用在鹽丘、火山巖等弱信號區時，則難以發揮其優勢。而非震方法基于諸如巖石密度和傳播速度等屬性間的內在聯系，在改進地震弱信號解釋圖像、圈定大面積儲油氣構造以及正反演地質體方面有著獨到的優勢；其客觀存在的反演多解性問題可以通過地震資料的約束得到有效控制。經驗表明，現有探測能力通常以地震探測技術為先導，同時融合其他方法技術，形成面向共同的地質對象實施多元參數定量綜合分析解釋。并由此發展基于數據處理、分析、建模和管理多功能融為一體的地學軟件分析平臺，將不同方法技術提供的信息以及領域專家參與的解釋過程融為一體，實現相互間約束和參數調整，提高解釋精度，減小勘探風險。通過提高探測儀器精度，并對傳統探測技術方法實施組合，對成果進行有機融合，可以有效加深對地球深部結構和演化規律的認知。由此，儀器裝備研發方向必將圍繞現有研發能力和探測技術組合進行策劃并逐步完善和展開。

根據上述方法技術特點和勘探實施方式，深部探測關鍵儀器裝備的研發方向可分為地面探測、快速移動航空探測、鉆井取樣驗證以及海量和多元數據處理分析一體化軟件平臺。針對地面定點觀測方式和復雜地形條件，發展地震勘探系統和大地電磁勘探系統；針對航空搭載快速移動探測方式，發展高效率和高精度的航空重力、磁力、電磁法勘探系統；針對深部和萬米超深科學鉆探驗證方式，充分利用國家工業基礎和技術集成條件，突破多種工程極限瓶頸，發展大功率大陸科學鉆探系統；針對多種方法驗證和數據集成、分析環境，發展面向地質模型綜合研究一體化軟件平臺；針對儀器研發指標、實用化和規范化管理要求，建設探測儀器裝備野外實驗與示范基地。

1.1 綜合研究一體化軟件平臺（SinoProbe－09－01）

面向三維的地質模型，將海量數據管理、數據處理和反演解釋技術、數據融合和建模方法等功能，按照高效率的工作流程方案融為一體，是當代軟件的研發方向。目前，西方發達國家占據大型地學軟件研發和銷售市場，形成壟斷地位。在石油軟件領域，斯倫貝謝公司通過兼并整合其他軟件公司，發展了一系列軟件處理平臺，如 Petrel、GeoFrame、Omega2、ProSource、TechLog等；在石油勘探和油藏領域，整合了廣泛使用的數據庫管理、數據處理解釋、三維可視化、建模和儲層橫向預測等先進軟件技術。CGGVeritas公司作為有力競爭對手，也推出具有特色的相關軟件。在二者引領下，形成市場競爭和發展的良性格局。在非震數據處理解釋領域，Geosoft公司經過30多年的發展，推出了針對電、磁、重以及GIS等非地震數據相融合的處理分析系統，著重于高精度海量數據處理與信息提取，并支持解釋處理。國內勘探軟件研發幾乎與國外同時起步，真正的市場化研究和產品化推出始于20世紀90年代初，初步形成研發高潮和規模。圍繞油藏技術服務支持方向，我國三大石油公司為此投入了大量資金和開發資源，對基地建設、人才培養和產品研發形成有力支持。中石油BGP經過20年的研發，在GRIstation和GRISYS基礎上，推出了二者合為一體的GeoEast地震資料處理和解釋軟件系統，并在行業內推廣使用［10］。中石化南京物研院經過10多年的研發也推出了大型地震解釋系統NEWS，并在此基礎上開發研制了NEWS油藏綜合解釋系統，在實用性和穩定性方面有突破性進展［11］。然而，GeoEast和NEWS都基于石油行業應用軟件的功能開發，大量軟件內容繼承了早期基礎、設計思想和功能框架，以致于后續研發受控于早期研發所缺乏的系統化考慮以及軟件平臺技術支撐，容易遭遇軟件系統研發過程中穩定性、兼容性和擴充效率等方面的常見“硬傷”。在油氣專業軟件應用轉向深探領域的過程中，由于兼容性的限制，難以針對特定研究目標進行功能重組和有效調整。

在實驗研究階段，SinoProbe－09－01項目通過引進和自主研發軟件平臺（“紅藍軍”）兩條路線，瞄準當代軟件發展方向，研發綜合研究一體化軟件平臺，為深部探測綜合信息集成與分析提供技術支撐。研發思想是：針對應用于油氣勘探的地震數據處理分析軟件進行應用目標轉向技術改造，完善高端平臺服務于深探需求的多功能聯合；同時，強化研發和應用2類人員的系統化訓練和經驗積累，規范軟件產品研發指標管理，加速跟進國外軟件發展步伐。具體方案為：在“紅藍軍”高端軟件平臺上，面向深探任務需求進行二次開發，將電、磁、重、震、井數據處理分析融為一體，實現插件、跨平臺和超算功能，有效融合深探數據的多元信息以及分析過程中所需的計算機超算能力硬件資源。研發內容包括：硬件環境、操作系統等操作環境要素；數據存儲、管理、通用組件研發和數據處理領域組件研發等技術層面支撐；綜合處理解釋系統應用層和人機交互層設計。經過近兩年的努力，完成了框架設計和關鍵技術部件的研發測試，初步具備了國際高端軟件產品研發的基礎和能力，階段產品測試結果令人鼓舞（圖2）。

1.2 大功率地面電磁系統（SinoProbe－09－02）

圖2 自主研發的針對深部探測海量和多元數據的處理、分析和融合一體化軟件平臺視窗Fig.2 Zndeperdent developed all－in－one software interface facing huge and multiple data processing，analysis and merging of deep exploration

地球電磁特性測量技術是了解深部電性物理結構和尋找金屬礦藏的重要手段，提高探測深度和分辨率是當今電磁儀的發展方向。目前，我國地質礦產勘查普遍使用的高端地面電磁系統幾乎全是進口，主要以加拿大鳳凰公司生產的V8系列產品為代表，核心技術受制于人。由此造成針對深探項目實施所需的大批量、大面積、大功率、大深度技術改造以及相關技術保障遭遇重重困難。在實驗研究階段，SinoProbe－09－02項目組從基礎研發入手，明確攻關方向，以突破磁芯材料和低頻微弱信號檢測等磁傳感器的關鍵技術為核心，推動感應式寬頻帶磁傳感器原理樣機研制；同時針對大功率發射、數據采集、數據處理等系列部件開展了攻關研究，取得了重要進展。感應式磁場傳感器是大地電磁方法（MT）、可控源音頻大地電磁方法（CSAMT）等儀器的核心部件，是制約我國地球物理電磁方法儀器發展的瓶頸［12－13］。該系統目前已突破極低頻微弱信號檢測技術、高磁導率磁芯設計和線圈設計與加工工藝等關鍵技術。多次實驗室測試和野外測試表明，自主研制的傳感器指標與國外先進產品指標相當（圖3）。但是目前研制的發射功率、觀測頻段等指標仍不能充分滿足深探計劃的更大需求，需要更加深入地優化發射、采集和數據處理技術方案，采用多機聯合式大功率電磁法發射、低頻磁傳感器、陣列式低功耗觀測和高精度三維正反演的組合技術。在此基礎上，實現大功率地面電磁儀國產化、批量化，形成新一代大范圍、大深度（達到2 000m）的地面電磁勘探系統，逐步替代國外產品，形成可持續的自主創新力量。在掌握研發技術的基礎上，根據我國資源探測要求的不斷變化，進一步向加大探測深度、范圍以及適應野外施工環境等需求的方向發展，強化觀測陣列式、實時性、長時間、大范圍，以及裝置模塊化、智能化、便攜化。

1.3 固定翼無人機航磁勘探系統（SinoProbe－09－03）

無人機探測系統作為現代高科技探測手段，適用于復雜地形條件和高危環境下高效率、高精度采集空間位場數據，可以有效揭示地下磁場的場源分布規律。目前，智能化無人機探測技術屬于國際前沿技術和研究熱點，僅為美國、英國、日本、加拿大、德國、瑞典等少數發達國家所掌握。近5年，加拿大Fugro公司投資研發用于資源探測的無人機航磁系統，已進入試飛階段。國外航磁探測領域已經建立了完備的技術體系，實用化和工程化程度較高，具備了從信息采集、處理到解釋與應用的綜合實力，解決實際問題能力較強。鑒于潛在軍事應用的敏感性，國外在幾個關鍵技術方面，對我國采取了嚴格的技術封鎖政策。盡管航空磁力儀、磁補償器等低端器件可銷售我國，但核心技術和集成系統整套裝備卻一直處于嚴控狀態。我國在無人機探測系統整套裝備研發領域起步較晚，目前僅有少量作為科學試驗目的研究樣機，沒有用于探測目的的工程化產品。

在實驗研究階段，SinoProbe－09－03針對復雜地形條件下航空物探的要求，攻克智能化無人機飛行平臺研制的關鍵技術，研發性能可靠、穩定的無人機物探飛行平臺，研制多探頭、多分量的航磁張量探測系統，打破國外的技術壟斷，滿足我國礦產資源詳細勘查和地殼深部探測的重大需求。在低磁無人機制作、高可靠性自駕導航儀研制、氦光泵航空磁力儀與超導航空磁力儀已經配套的數據預處理系統開發方面取得了重大階段性突破，使我國在無人機飛行平臺、自動控制與導航儀、高精度航空磁力儀和運動平臺的磁補償技術幾個關鍵核心技術方面具備了向國際先進行列邁進的產業基礎。針對無人機航磁特點，相繼在核心磁傳感器、磁補償等方面取得突破，研制出高靈敏度、快速采樣、高分辨率、大工作范圍、智能化、低功耗、高穩定性的航空氦光泵磁力儀等關鍵儀器部件；可實現多路光泵磁力儀及磁通門三軸儀同步測量，能夠滿足磁補償、梯度計算、磁場方向計算的需要；研制出低溫超導SQUID芯片和電路，推進了三軸磁強計和單軸梯度計構成的超導集成組件研發；總體技術參數達到國際先進水平（圖4）。在遙控、遙測地面監控站研究中，“一站三機”高效航磁無人機探測控制系統取得了突破。針對復雜地形條件和探測空域需求，研制出多種類型的航磁探測設備和高低空無人機搭載平臺；自主開發高精度、高穩定、高效的無人機自動飛行控制與導航系統。研發思路和集成技術有效提高了無人機航磁探測系統的適應性、安全性和可靠性［14］。

1.4 無纜自定位地震勘探系統（SinoProbe－09－04）

地震勘探系統作為深部探測最有效的技術手段，能夠揭示地下深層更為精細的地質結構和屬性。國際上，正在向超萬道、超低耗、超小型、寬頻帶、有線和無線混合數據傳輸、大噸位可控震源、適用于復雜地形、可用于多波多分量勘探等方向發展。法國的SERCEL公司處于行業領先地位，不斷推出分別適用于陸地、山區、海洋等區域勘探的系列產品。近年來，無纜存儲式地震儀研究針對山區應用特點迅速發展，成為國外主要廠商研究的熱點。法國SERCEL公司推出了UNITE無纜地震數據采集系統，美國ION公司推出了Firefly無纜地震數據采集系統，美國REFTEK公司推出了REFTEK系列寬頻地震儀（僅用于天然地震監測）。產品的主要特征和創新表現為大容量數據存儲、無線通訊、自定位、數據回收等多項關鍵技術，為復雜地形的地震勘探提供了有效的工具。我國研究水平嚴重落后于國外，缺乏專用集成電路技術，在體積和功耗上遭遇瓶頸，嚴重制約了自主研發地震勘探采集系統的競爭力，導致依賴國外裝備，形成了技術制約和壟斷態勢。國外裝備難以滿足我國復雜地形的勘探需求、大批量的產品需求、大范圍的維護保障需求，尤其是國家經濟發展所需的技術發展結構需求。

目前，SinoProbe－09－04在原有的技術基礎上，經過近2年的努力，自主研制成功適用于深部探測特點的無纜自定位地震勘探儀器，突破了有纜地震儀采集道數和道間距限制等技術瓶頸。研發的核心技術為：采用數字存儲架構，通過GPS高精度定位和授時實現了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和無道數的限制，自帶存儲器可長時間連續記錄，實現了隨時、隨地（適用于復雜地形）和免測線測量、存儲和無線混合接收、根據觀測需要設置任意道間距的地震數據采集。采集站具備多項先進功能：高精度GPS定位、多個采集站可任意組成靜態GPS基線向量網、實現各觀測點的三維空間位置自測量、定位精度為厘米級、支持任意排列的地震數據采集。勘探儀器基于802.11g無線通訊協議，結合無線通訊基站構成分層自組織無線通訊網絡，實現了長距離無線狀態監測和短距離無線地震數據快速回收。單個無纜自定位地震采集站支持iOS、安卓、Windows Phone平臺的手持終端的無縫數據接入，可實時配置儀器工作參數、查看儀器運行狀態和實時顯示采集波形。地震勘探數據回收中心支持有線、無線分布式數據回收，兼容炸藥、可控震源、地震錘等多種震源［15－16］（圖5）。

1.5 萬米大陸科學鉆探系統（SinoProbe－09－05）

圖3 自主研發的電磁勘探系統部分核心部件、控制電路和磁傳感器（a）及野外測試視電阻率對比（b）Fig.3 Zndependent developed SEP system，control circuit and magnetic sensor（a）and field testing resistivity result（b）

科學鉆探技術是唯一可以直接獲取地球深部樣品的技術，在地球深部探測過程中起著至關重要的作用。自20世紀70年代以來，超深科學鉆探工程已經被列為國際重大科學計劃，包括大陸科學鉆探計劃（ICDP）和海洋科學鉆探計劃（IODP）。很多發達國家陸續實施了多項科學鉆探計劃，具有代表性的有前蘇聯的科拉半島12 261m超深鉆［17］，德國的KTB 9 101m主孔深鉆［18］和美國的夏威夷科學鉆探［19］。我國于2005年在江蘇省東海縣完成了CCSD－I科探井，井深5 158m，取得了寶貴經驗。大陸科學深鉆由深部取心鉆探與機具關鍵設備組成。施工過程中具有周期長、負荷大的特點，需要在高地溫、高地壓等極端條件下完成施工、鉆井、固井、錄井、測井、測斜防斜和完井工藝等項任務，工作難度大、風險大；對地面鉆探設備和孔內機具綜合應用指標提出超出常規的使用要求。前蘇聯和德國憑借鉆探技術與機電設備研發方面的技術優勢，至今仍然保持著世界領先的科學鉆探超深孔作業紀錄［20－21］。

圖4 自主研發的無人機航磁探測系統部分核心部件、超導磁梯度儀、自導航系統、光泵磁力儀和低空無人機（a）及磁補償系統測試結果比較（b）Fig.4 Zndependent developed UAV aeromagnetic exploration system，including superconductive magnetic gradiometer，self navigation system，optically pumped magnetometer and low altitude unmanned plane（a）and magnetic compensation system testing result（b）

目前，SinoProbe－09－05萬米超深科學鉆探主體裝備已經成功下線，并實現了“深井高轉速大扭矩全液壓頂驅系統”和“懸掛式自動鉆桿排放裝置”兩大技術突破。其中：SP－I－01型高速大扭矩全液壓頂驅采用了動力機直接驅動液壓泵構造閉環液壓系統，具有效率高、調速性能好的特點，無需電傳動鉆機通常采用的發電機組、整流、同期和逆變裝置，大幅度降低了整個鉆機系統的制造成本；SP－I－02型全液壓自動鉆桿排放裝置集成了機電液一體化技術，整機動作齊全、結構緊湊、操作方便、自動化程度高、設計理念及技術先進，功能配置和制作工藝接近國際水平。超深科學鉆探成套裝備技術集多學科先進技術于一體，所取得的成果涵蓋地面設備、孔內機具、先進鉆探工藝3個技術范疇，是國家制造業綜合實力的體現。通過跨行業技術聯合以及產學研一體化發展模式的優勢，形成具有自主知識產權的深部科學鉆探技術裝備理論體系及系列化產品，并進一步拓展至海洋深部鉆探應用領域，使我國深部大陸科學鉆探技術研發水平躋身國際先進行列，在滿足國內需求的同時，向海外拓展［22－23］（圖6）。

圖5 自主研制的地震勘探系統測試現場（a）和寬頻帶地震數據采集技術特性（b）Fig.5 Zndependent developed seismic exploration system testing（a）and wide band seismic data acquisition quality contrast（b）

圖6 萬米科學鉆探升級改造設計（a）及主體裝備下線儀式（b）Fig.6 Upgrading and rebuilding design of ultra－deep drilling system （a）and main parts completion ceremony（b）

1.6 野外實驗與示范基地（SinoProbe－09－06）

在深部探測技術與裝備的實驗研究中，野外實驗將完成檢測儀器裝備和技術方法實用性、可靠性的任務，發現和解決研發過程中存在的問題，推動儀器裝備研發的規模化研發、測試實驗管理進程。通過對各種探測儀器的質量和探測能力進行對比研究，儀器裝備的各項指標將得到認證和按照國際標準化管理，由此推動市場化并參與國際競爭。發達國家均在勘探開發后期建立實驗示范區，以檢測儀器裝備和方法的有效性。例如，澳大利亞利用老礦區Broken Hill［24］建立野外實驗示范基地，對各種新方法新技術進行實用性測試和儀器比對試驗。目前，我國急需建立一個高標準、數字化的深部探測儀器裝備野外實驗與示范基地，滿足檢測自主研發探測儀器裝備和技術方法的需求，實現自主研發探測儀器裝備的統一高標準檢測和應用技術方法的創新，同時開展國外進口探測儀器裝備的檢驗和比對研究，促進和提高探測儀器裝備自主研發水平和能力，保障地殼探測工程的順利實施。

圖7 探測儀器裝備的野外實驗示范區中地質走廊帶重要的地質單元巖性及接觸關系Fig.7 The main geological units and contact relationship of field experiment area of exploration instruments

在實驗研究階段，SinoProbe－09－06項目圍繞吉林大學興城地質教學基地以及周邊環境開展了大范圍野外地質和地球物理調查。經過綜合分析和比較，確定穿越不同巖石與構造單元的地質走廊帶可作為野外實驗與示范區，明確了儀器裝備野外實驗與示范基本地質要素和檢測單元及實驗靶區。計劃將野外實驗與示范基地建成四位一體的實驗研究基地，即具有國際化標準的探測儀器裝備野外實驗檢測基地、地學綜合型人才培養基地、地質科學研究基地和地學科普教育基地。同時，實驗與示范基地具有海陸交互的地質條件，不但是開展地殼探測儀器裝備陸地實驗研究的良好場所，也是開展海洋實驗研究的有利地區。在陸地實驗研究的基礎上，進一步開展海洋探測儀器裝備的野外實驗研究，為進一步的海洋研究和海洋資源的開發利用提供儀器裝備保障（圖7）。

2 挑戰和應對策略

深部探測儀器裝備屬于高科技裝備，對探測深度、周期和精度有特殊要求，其研發水平與研發機構所具備的工業制造能力和基礎密切相關，涉及材料、電子和精密加工等核心工藝技術。我國在此方面的基礎、研究程度和資金投入遠落后于發達國家，在國際市場和技術交流過程中處于被動地位，尤其在核心傳感器和加工工藝技術上處于啟動階段，專門人才和經驗嚴重短缺。所以，研發策略必須采取國家高科技發展計劃（“863”計劃）中所倡導的核心思想，瞄準國際前沿研究成果，通過引進人才、技術，直至部分和整套產品，推動自主研發。在裝備技術上，采用酌情引進、系統吸收和跨部門聯合攻關創新的思路，實現對發達國家的追趕和超越。首先，從提高核心部件、產品和技術的國際競爭力出發，學習和研究對手，融入國際競爭環境，制定符合國際規范的研發計劃和方案。其次，加大人員和資金投入力度，充分利用國內制造能力，輔以國際對外加工技術，在器件設計、制造、測試、系統集成和可靠性等技術難點方面進行有針對性的合作、引進、消化、吸收和有效擴展，從而掌握技術制高點和主動權。對于個別短期難以自主開發的關鍵部件，直接從國外購進、學習和創新，逐步推動儀器裝備的國產化。同時，還要加強對國際高端裝備制造流程的管理，對研發人員資質、工藝流程和產品質量實施規范化評估，攻克器件設計、制造、測試、系統集成和可靠性等技術難點，提高產品國際競爭力。最終，充分利用我國深部探測儀器裝備的巨大市場潛力，加強宏觀規劃和協調，實現學科交叉優勢互補的國內相關科研、設計、制造企業的強強聯合。在已有技術積累的基礎上，堅持原始創新、集成創新、引進消化吸收再創新相結合的技術重組策略，加速實現高端裝備自主研發戰略目標。

國內外經驗表明，自主研發實力的提高，將減緩對國外先進技術和裝備的依賴，形成技術對等和公平合作局面，將是研發過程中不得不面對的戰略性思考。深部探測儀器裝備將結合地球深部探測應用目標，充分體現國力和科技水平，對研發型和應用型兩大類人才隊伍提出更高的專業技能要求，需要大量系統性培訓和教育投入。針對兩大類專業人才需求，通過引進吸收國外最先進的裝備技術和理念，形成訓練和培養系統方案，參照國際市場專業人才技能和資質考核標準，造就具有國際視野和專業競爭力的人才群體，強化產業發展所需的人才資源基礎。人員的素質和能力是裝備產業化的基本要素，將決定大型裝備研發系統中自主研發和引進集成方式所占比例，從而保障設備整體在市場上的國產率和競爭力。只有通過高端人才訓練、人才獲得、人才重組、高水平團隊優化，才有可能建立高水平研究基礎，研制出具有國際水準的儀器裝備。

3 發展潛力和前景

近30年來，在精密儀器和重型裝備制造領域，由于信息科學技術的迅猛發展，帶動了高新技術行業全面發展，尤其是材料技術、制造技術、電子技術、通信技術、空間技術等相關領域迅速發展，從而推動了探測裝備集成技術全面發展。在科學應用領域，地球科學研究的方向已經從觀測描述與推論結合的模式迅速走向數據處理、數值分析與模擬、時空演化趨勢預測等量化型研究模式，加大了認知地球的視角和能力，從而擴大了儀器裝備的應用領域和范圍。深部探測重型裝備關鍵技術研發順應潮流、應運而生、蓄勢待發，呈現巨大發展潛力和應用前景。該技術是集高端科學原創技術、集成技術、研發和應用相結合的經驗技術以及多學科聯合攻關組織等融為一體的系統工程技術。由于深部探測工程的復雜性和超極限應用需求，產品質量和指標不得不面臨前所未有的挑戰，從而激發多學科協調攻關的動力和責任。它的發展勢必拉動多種學科和行業的進步，尤其是推動高端產品制造、精密制造、敏感器件制造和特殊工藝技術大范圍發展，也勢必拉動相關產業鏈的重新組合和發展，對市場需求重新布局、調整和新產業構建形成產生重要影響。在形成產業化過程中，該項系統工程技術將在其基礎研發階段、產品生產階段、組合測試階段以及最終集成成果和調試階段，都有著將不同階段成果推向產品和形成新型產業終端的巨大潛力。

有理由認為，實驗研發階段所取得的突出階段性成果將推動下一步地殼探測工程在全國范圍內的全面展開，探測領域和需求范圍也將從陸地拓展到海洋，對取得的成果應用也將提出更高要求。海洋資源和能源探測從來都是大國和發達國家擴大影響的戰略重點，也是國力和能力的體現。海域深部探測相對于陸地深部探測，具有更高的風險性和探索性。對此，針對我國疆域特點，重點發展了系列性具有國際先進水準的海洋探測裝備，尤其是深水油氣地球物理探測技術。海洋深部資源勘探面臨的主要挑戰是：大面積施工難度、海況對施工的影響、船載探測項目海洋環境保護限制、復雜的海床地貌環境、深海水下驗證和鉆探驗證難度等。這些難題迫使陸地探測手段必須進行相關的技術更新，以適應海洋探測應用需求。一些發達國家傾注巨大人力、財力，積極推進勘探和開發涉海資源，獲得巨大回報。如美國墨西哥灣深海油氣田勘探和大西洋東西沿岸國家油氣勘探。中國南海周邊國家通過引入國際聯合勘探技術，成功獲取南海油氣資源。技術亮點包括：針對海域和海底復雜地質構造條件的重、磁、震、井融合技術；針對薄層和低阻層的MPSI地震隨機反演解釋技術；針對深海油氣藏探測的可控源電磁法與地震數據聯合解釋技術；針對深海鉆探精確布孔的地震及重力梯度聯合正反演技術；采用CGGVeritas技術進行切面幅值反演恢復圖像清晰度和發現油氣蓋層泄露等項國際先進成果技術；針對深海鉆探選址的無人潛航器搭載海底微生物和油氣滲漏探測聯合驗證技術。這些成功應用的探測技術手段引起了我國同行的關注，應有充分的技術準備和儲備，充分利用大國發展戰略優勢，通過了解信息、制定方案、趕超目標，形成有利于我國海域深部探測的技術優勢。

4 小結

目前，獲取和分析地球重、磁、電、放、地溫和地震波等地球物理現象以及深部科學鉆探成為了解地球深部信息的主要途徑，由此解釋和推斷深部地質對象物理屬性和分布規律。探測裝備技術的先進性和科學組合將決定獲取相關數據的信息程度、精確程度、探測效率、應用區域以及技術保障程度。深部探測儀器裝備技術有別于淺層探測技術，是集高端科學原創技術、集成技術、研發和應用相結合的經驗技術，以及多學科聯合攻關組織等融為一體的系統工程技術。由于歷史原因，我國深部探測儀器裝備長期依賴進口，研發處于起步階段。其被動局面嚴重制約著我國地球科學能源、礦產資源勘探的發展，直接影響我國參與國際資源競爭的能力。通過引進、消化、吸收國外先進技術，發展自主研發儀器裝備，滿足遼闊國土疆域探測需求，將被動變為主動已成為迫在眉睫的任務，具有現實意義。

“深部探測關鍵儀器裝備研制與實驗”項目由6大技術分支組成，瞄準國際前沿和高端產品制定了第一階段發展目標和實施方案，并取得了突破性進展。它的實施為改善我國在此類產品研發所呈現被動局面起著積極推動作用。近10年來，我國在材料、電子、傳感器和相關制造工藝技術方面有長足發展，為推動探測儀器裝備研發奠定了良好基礎，也將為陸地探測擴展到海洋領域深部探測提供了良好的技術實現環境。中國南海周邊國家成功獲取資源的技術手段和發達國家的技術介入，已成為我國同行密切關注的對象。嚴峻的現實將迫使我方研發人員通過研究應用對象和儀器裝備的科學組合、落實人才培養和基礎建設戰略任務、發揮現有優勢，實現我國自主研發深部探測儀器裝備在較短時期內完成從起步到成熟階段的跨越式發展。

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Development of Key Instruments and Technologies of Deep Exploration Today and Tomorrow

Huang Da－nian1，Yu Ping1，Di Qing－yun2，Guo Zi－qi3，Lin Jun4，Sun You－hong5，Xu Xue－chun6
1.College of Geo Exploration Science and Technology，Jilin University，Changchun 130026，China 2.Institute of Geology and Geophysics，Chinese Academy of Science，Beijing 100029，China 3.Institute of Remote Sensing Applications，Chinese Academy of Science，Beijing 100101，China 4.College of Instrumentation and Electrical Engineering ， Jilin University，Changchun 130026，China 5.College of Construction Engineering，Jilin University，Changchun 130026，China 6.College of Earth Sciences，Jilin University，Changchun 130061，China

Deep exploration instrumentation and technologies provide technology supporting for national crust probing plan that discovery deep earth profound，which development level will decide capability of acquisition and interpretation of data and information from huge continental and marine areas and ultra deep in China.In light of national high technique strategy with aiming at international high－ranked technology，development by the country has to be carried out to meet the request of probing capability and efficiency in geological complexity environment.The development has been designed inseveral phases and six technique directions，in order to speed up the level of the development.With strengthening cooperation of development units，R＆D basis is established with introducing experts，professional training，importing and learning high－end products and techniques.In this way，it is possible to refined innovation and university manufactory－academic－utilization role and to fast change embarrassing situation of a long term relying on importing all of instruments and technologies.It is hopefully benefit to a huge span pace from the beginning to qualification.

deep exploration；instrumentation and technology；importing；innovation

P631

A

1671－5888（2012）05－1485－12

2012－07－01

國家深部探測技術與實驗研究專項SinoProbe－09（201011078）；國土資源部礦產資源保障項目（3R210U114423）；國土資源部海洋資源保障項目（3D6100004423）

黃大年（1958—），男，教授，博士生導師，國家“千人計劃”特聘專家，SinoProbe－09項目首席科學家，主要從事快速移動平臺探測技術研究，E－mail：dnhuang＠jlu.edu.cn

于平（1978—），女，副教授，主要從事地震勘探和綜合地球物理解釋研究，E－mail：yuping＠jlu.edu.cn。