“地球物理儀器”課程實驗教學探索

葛健+董浩斌

（中國地質大學（武漢）自動化學院，湖北 武漢 430074）

摘要：“地球物理儀器”是中國地質大學（武漢）專門針對測控技術與儀器專業開設的專業選修課。本文根據地球物理中的經典探測方法，探索了相應的實驗教學設計。在教學中注重將地球物理方法與儀器設計相結合，激發了學生的學習興趣，并且有利于促進我國地球物理儀器人才的培養。

關鍵詞：地球物理儀器；測控技術與儀器；實驗教學

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）50-0270-02

一、課程概況

中國地質大學（武漢）以地球科學為主要特色，學校設立的測控技術與儀器專業以地球探測儀器為主要辦學特色，是我國地球物理儀器人才培養的重要基地之一。“地球物理儀器”是該專業在2015年修訂的培養計劃中新增加的專業選修課，該課程旨在讓學生了解電法、地震法、磁法、重力法等經典地球物理方法的最新儀器設備，要求初步掌握儀器的工作原理、性能與操作，因此實驗教學占有重要地位。

本文的主要目的是針對地球物理中經典探測方法，來探索相應的驗證性實驗的設計；并在實驗教學中注重將地球物理方法與電子儀器設計的專業知識相結合，以激發學生的學習興趣。實驗力圖將理論與實踐進行融合，使學生掌握地球物理儀器的基本原理與設計思路。

二、實驗內容設計

根據地球物理方法探測原理的分類，將“地球物理儀器”課程實驗劃分為如下圖所示的四大類實驗：電法、地震法、磁法、重力法。它們所采用的儀器基本涵蓋了目前物探中所使用的常見儀器，具有一定的代表性，能夠使學生比較全面地了解地球物理儀器的探測原理、發展現狀。

1.電法實驗。電法是根據地質體的介電性、導電性等電磁學特征的差異，通過探測人工可控場源激發或天然的電、磁場的分布，然后通過反演來獲取地下地質體視電阻率等參數[1]。筆者所在學校配備了直流電法儀和多功能電磁法儀。由于電磁法儀通常需要大功率的激勵源，因此儀器體積一般比較龐大，考慮到開展實驗教學的實際可行性，實驗以直流電法儀為主。直流電法儀采用的是筆者研制的GMD高密度電法儀。該儀器通過單根電纜即可連接所有電極（最大240道）。與傳統的電法儀相比，該儀器僅需要通過軟件設置就可以實現不同裝置系數的電法探測，因此實驗的效率很高。

實驗步驟為：（1）簡要回顧直流電法基本原理。（2）結合電法理論，介紹儀器組成原理（電極、激勵模塊、數采模塊）、測量參數（供電電流和電位差）、性能指標（最大通道數、最小測量電壓）、軟件設置、工作流程、注意事項等內容。（3）選擇典型的“對稱四級裝置”作為學生的實驗內容，并通過原理圖的形式對電極排列和視電阻率表達式進行講解。（4）引導學生在典型測線上開展實驗。在實驗前面要給學生示范電法儀的檢查，包括漏電情況、電接點和線號。然后進行導線和電極安裝，其中應特別注意利用儀器自帶的自檢功能以保證電極接地良好。數據記錄完畢后，應首先按照均方相對誤差檢查數據精度，然后進行數據處理與校正、成圖。

2.地震法實驗。地震法是根據地質體的彈性差異，通過探測人工可控場源激發或天然的反射波、折射波或透射波，然后通過反演來推斷地下介質結構和巖性[2]。筆者所在學校配備了淺層地震儀和深部地震儀，考慮到教學中測量結果的可驗證性，實驗以淺層地震儀為主。采用的是GEODE地震儀：單站配備3-24道采集通道，多采集站最多可擴展到1000道；采集帶寬為20kHz。

實驗步驟為：（1）簡要回顧地震法基本原理。

（2）介紹儀器組成原理（人工震源、檢波器、數據采集站等）、測量參數（時間和振幅）、性能指標（通道數、ADC性能等）、軟件設置、工作流程等。（3）在實驗前，要開展試驗性工作以選取探測區域內最佳的工作方法和技術，試驗的內容主要包括干擾波調查、最佳激發和接收條件等。然后，確定測線，基本原則是：測線應盡量為直線；主測線應垂直構造走向、聯絡測線平行構造走向。接著，在測線上在布置炮點和接收點，記錄檢波道數、道間距、偏移距、最大炮檢距等。最后，進行數據采集、評價、處理、成圖。

3.磁法實驗。磁法可通過探測地質體的磁性差異所引起的磁異常，來推斷地質構造、礦產資源等目標的分布規律[3]。筆者所在學校配備了質子旋進式和磁通門式。對于學生實驗而言，要求儀器具有體積小、功耗低、磁測精度高等特點，因此實驗以質子旋進磁力儀為主。質子旋進磁力儀采用的是筆者研制的Overhauser磁力儀[4]。其測量范圍是20000—100000nT，靈敏度為15pT/Hz1/2。儀器可進行地磁場的自動跟蹤和配諧，因此比較適合用于學生實驗。

實驗步驟為：（1）簡要回顧磁法基本原理。（2）介紹儀器組成原理（探頭、信號放大模塊、測頻模塊）、測量參數（FID信號頻率）、性能指標（測量范圍，靈敏度等）、工作流程等。此外還應在實驗教學中向學生講解儀器的手動配諧方法。（3）在實驗前要給學生示范磁力儀的檢查，包括：噪聲水平，一致性和系統誤差的測定。儀器檢查完畢后，在進行實驗的同時要注意進行地磁場日變的觀測。實驗結束后應首先進行測點數據質量檢查，然后再進行處理、作等值線圖。

4.重力法實驗。重力法根據探測對象與圍巖的密度差異，可通過測量地球重力場的時空分布規律來進行大地測量、地質學研究、礦產資源勘查[4]。筆者所在學校同時配備了絕對重力儀和相對重力儀。考慮到野外實驗的可操作性，實驗以相對重力儀為主。采用的是CG-5石英彈簧重力儀：測量范圍為7000 mGal，精度約10—20 microGal。

實驗步驟為：（1）簡要回顧重力法基本原理。（2）介紹儀器組成原理（彈性系統、測讀機構）、測量參數、性能指標（格值變化范圍與分段等）、工作流程等。（3）首先，在實驗前要給學生示范重力儀的檢驗，包括：儀器檢查及調節、重力儀靜態和動態試驗、一致性檢驗。由于采用的是相對重力測量，為了降低儀器零點漂移的影響，需要將測量結果換算到統一的水平，因此在測量前要選取合適的重力基點。接著，按照規范進行數據采集，結束后還應對測點觀測質量進行檢查，并獲取巖石密度資料、平面坐標及高程，以便對觀測結果進行校正。最后，對采集數據進行校正、處理、成圖。

三、總結

本文結合地球物理中基本探測方法，探討了“地球物理儀器”課的實驗教學體系的構建，在教學中引入了最新的儀器，有利于激發學生的學習熱情并促進其掌握地球物理儀器的前沿信息。未來，筆者還將根據實際教學效果，不斷優化實驗教學內容。

參考文獻：

[1]董浩斌，王傳雷.高密度電法的發展與應用[J].地學前緣，2003，10（1）：171-176.

[2]牟義，黎靈，張永超，等.淺層地震法探測淺煤層采空區試驗研究[J].煤炭技術，2014，（6）：69-71.

[3]葛健，陸承達，董浩斌，等.基于Overhauser傳感器的近地表UXO磁梯度法探測技術[J].儀器儀表學報，2015，36（5）：961-974.

[4]沈博，袁尚武，馬玄龍，等.CG-5重力儀的漂移與壽命[J].物探與化探，2015，39（2）：383-386.