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黄大年领衔研究专著《地球深部探测仪器装备技
2017-10-11 17:15:00 来源:中国学术期刊网 访问:
摘要:【书籍信息】 书名:地球深部探测仪器装备技术原理及应用 书号: 978-7-03-053531-3 著者:黄大年 等著 出版时间:2017年6月 定价:338元 出版社:科学出版社 【内容简介】 《地球深部探测
【书籍信息】
 
  书名:地球深部探测仪器装备技术原理及应用
 
  书号: 978-7-03-053531-3
 
  著者:黄大年 等著
 
  出版时间:2017年6月
 
  定价:338元
 
  出版社:科学出版社
 
  【内容简介】
 
  《地球深部探测仪器装备技术原理及应用》为“深部探测技术与实验研究”国家科技专项 (Sino Probe) 第九项目“深部探测关键仪器装备研制与实验” (Sino Probe-09) 的研究成果总结。作者以近年来我国在深部探测装备研发的科学实践为基础, 着重论述探测地球深部电、磁、重、震等地球物理现象和深部大陆科学钻探的尖端装备技术以及应用实践。涉及的内容包括大功率和大深度探测能力的深部地球物理探测仪器、大面积和高效率航空无人机探测系统, 高集成工艺和超大深度钻探装备以及针对海量多类型数据的移动平台综合地球物理资料处理和解释软件系统。内容从基本原理和方法切入, 到地球物理仪器和装备研发过程所面临的核心技术, 为提高我国地球深部探测能力和水平提供技术支持。
 
  【作者简介】
 
  黄大年(1958年8月28日——2017年1月8日),男,广西南宁市人,汉族,1975年10月参加工作,中共党员,著名地球物理学家、国家“千人计划”专家。曾任吉林大学新兴交叉学科学部学部长,地球探测科学与技术学院教授、博士生导师。
 
  【编辑推荐】
 
  《地球深部探测仪器装备技术原理及应用》为«中国深部探测研究丛书» 之一。编者以所掌握的国内外大量一手资料为基础,结合近年来我国在深部探测装备研发的科学实践,由项目组成员共同编写完成。着重论述探测地球深部电、磁、重、震等地球物理现象的尖端装备技术以及应用实践。涉及的内容主要包括大功率和大深度探测能力的深部地球物理探测仪器、大面积和高效率航空无人机探测系统、高集成工艺和超大深度钻探装备以及针对海量多类型数据的移动平台综合地球物理资料处理和解释软件系统。内容从基本方法原理切入,到现代科技前沿所面临的核心技术等地球物理仪器和装备研发过程,着重体现重型装备技术研发程序和流程、检测指标和相关技术配备以及高端工程项目管理程序等研发理念。希望通过加强尖端装备研发和配备,加强地质科学理论和技术实践的结合,为提高我国地球深部探测能力和水平提供技术支持。
 
  【目录】
 
  丛书序
 
  前言
 
  第一章 地球深部探测仪器装备技术发展概况
 
  第一节 深部地质问题和研究思路
 
  第二节 地球重力场探测仪器及解释理论发展
 
  第三节 地球磁场探测仪器及解释理论发展
 
  第四节 地球电磁场探测仪器及解释理论发展
 
  第五节 地震波探测仪器及解释理论发展
 
  第六节 大陆科学钻探技术发展
 
  第七节 综合探测方法及软件技术发展
 
  第二章 重力场探测及数据处理解释技术
 
  第一节 重力场探测原理及实现技术
 
  第二节 重力测量形式与重力测量仪器
 
  第三节 重力数据整理、预处理与异常划分
 
  第四节 重力数据及多分量数据的处理解释方法
 
  第五节 重力场及梯度场解释方法及联合解释技术
 
  第六节 重力勘探模型及实例
 
  第三章 磁测及数据处理解释技术
 
  第一节 单轴磁总场分析方法原理及局限
 
  第二节 矢量场探测及数据分析方法原理
 
  第三节 磁测仪器研发关键技术
 
  第四节 多轴观测数据处理及联合解释技术
 
  第五节 大深度磁场勘探增强型技术
 
  第六节 模型与实例
 
  第七节 示范区地球物理场特征
 
  第四章 地面电磁探测理论与应用技术
 
  第一节 电磁场探测基本原理
 
  第二节 大功率地面电磁探测(SEP) 系统研制关键技术
 
  第三节 大功率地面电磁探测(SEP) 仪器系统的组合及特点
 
  第四节 电磁场探测数据处理解释和可视化软件
 
  第五节 大深度电磁场勘探增强型技术
 
  第六节 SEP系统的实例研究
 
  第五章 深层地震勘探仪器及数据处理解释技术
 
  第一节 深层地震勘探原理
 
  第二节 深层地震勘探手段及特点
 
  第三节 无缆自定位地震仪研发关键技术
 
  第四节 地震数据处理技术及流程
 
  第五节 地震数据解释方法技术
 
  第六节 大深度地震勘探增强型技术
 
  第七节 以地震数据为主导的地球物理建模技术
 
  第六章 大陆科学钻探技术与装备
 
  第一节 大陆科学钻探验证目标及应用策略
 
  第二节 大陆科学钻探工艺与关键技术
 
  第三节 大陆科学钻探装备特点与技术参数
 
  第四节 “地壳一号”万米大陆科学钻探装备
 
  第五节 深部大陆科学钻探应用工程设计
 
  第六节 超万米大陆科学钻探主要技术难题
 
  第七章 仪器装备野外实验示范研究
 
  第一节 实验示范区选择的依据
 
  第二节 测试范围及内容
 
  第三节 测试过程的规范化管理研究
 
  第四节 仪器比对与信息反馈机制
 
  第五节 深部地质目标发现率与仪器适用性评估
 
  第六节 野外应用实例
 
  第八章 深部探测综合数据解释一体化软件工程与实践
 
  第一节 深部探测综合数据解释特点
 
  第二节 多方法综合解释技术原理
 
  第三节 综合数据处理解释建模一体化软件构架与设计
 
  第四节 大型软件基础层开发关键技术
 
  第五节 软件应用层开发关键技术
 
  第六节 数据融合与高效管理关键技术
 
  第七节 深部探测综合数据处理解释应用实例
 
  参考文献
 
  后记
 
  【后记】
 
  本书是以黄大年教授为首席科学家的SinoProbe-09项目组的集体成果。历时五年,他带领来自不同单位的几百位优秀科学家将智慧融为一体、将勤奋汇为一渠,亲历和见证了深地探测整装装备从无到有的艰辛历程。使我国掌握了该领域的核心研发技术和经验,由技术“ 跟进” 和“ 跟跑” 阶段转向“ 齐头并进” 并力争“领跑” 阶段。用黄大年教授的话说: “中国人只要精心组织、抱团努力,就没有办不成的事。中国应成为即将到来的高端探测装备时代的主人,而不是只会喝彩的看客。”
 
  项目进行过程中,我们无法准确计算出黄大年教授到底多少次出差,到国土资源部和深探中心等有关部门进行项目汇报、技术研讨;多少次深入各项目参与单位给予技术指导、沟通协调;多少个地质宫的不眠之夜,他为了项目的顺利进行,埋头设计实施方案、钻研技术指标、总结研究成果......但我们清楚地知道他头上的白发越来越多了;地质宫五楼办公室的灯熄灭地越来越晚了;他病倒在工作中的状况发生得越来越频繁了,直到2016 年12月被查出了胆管癌。从12 月8日住院,到2017 年1 月8 日去世,他58年短暂人生的最后一个月还在惦记着深部探测装备的最新成果、本书的校对出版和国家深探计划的下一步进展。他说: “没有科研激情和对祖国的热爱,就不会有始终如一的坚持,初衷不变、童心难改。幸运的是,能与一群志同道合的伙伴并肩战斗,一路走来,开心愉快!”
 
  在此,谨将此书作为一份纪念,送给已经离开我们的伙伴、“时代楷模”、“杰出科学家”——黄大年教授,感谢他带领SinoProbe-09团队克服重重困难,突破国外高端装备技术封锁,实现了中国在深部探测关键仪器装备技术上跨代研究的设计目标,为向地球深部进军打造了国产利器。同时,我们要以他为榜样,学习他心有大我、至诚报国的爱国情怀,学习他教书育人、敢为人先的敬业精神,学习他淡泊名利、甘于奉献的高尚情操,把爱国之情、报国之志融入祖国改革发展的伟大事业之中、融入人民创造历史的伟大奋斗之中,从自己做起,从本职岗位做起。为实现“两个一百年” 奋斗目标、实现中华民族伟大复兴的中国梦贡献智慧和力量。为我国的深地探测事业不懈奋斗、砥砺前行。
 
  “人生的战场无所不在, 很难说哪一个最重要,事业重要,生活和家庭同样重要,但健康最重要!” 这是黄大年老师朋友圈的最后一条留言,献给所有读者。
 
  SinoProbe-09 项目组全体成员
 
  2017年6月18日

第一章 地球深部探测仪器装备技术发展概况
 
  第一节 深部地质问题和研究思路
 
  固体地球的深部(深地) 是一个极端高温高压条件下的地球固体层圈系统。深地可分为两大层次: ①地壳与岩石圈上地幔是地球深部探测、观测与实验研究的主要对象,也是解决资源环境问题的关键立足点;②软流圈、下地幔与地核是最终揭示地球奥秘和动力学问题的核心。研究表明,地表看到的现象根源在深部,缺了深部研究,地球系统就无法理解。深部物质与能量交换的地球动力学过程是引起地球表面的地貌变化、环境变化和气候变化的主要控制因素,是解释成山、成盆、成岩、成矿和成灾等形成过程的核心驱动力和依据。因此,SinoProbe制定的目标是充分利用科学手段揭示地球深部奥秘。
 
  SinoProbe获取的参数和数据包括地质观察分析、地球物理和地球化学等多种类型,可根据不同的应用目的(或领域) 形成不同形式的参数组合,为科学分析研究提供依据。相关科学分析研究的方向有: ①深化认识造山带、克拉通和盆山耦合系统的岩石圈组成、结构和动力学演化过程,全面提升地球认知程度和地球科学发展水平;②揭示成藏成矿控制因素,探讨控制大规模成矿作用和矿集区形成的地质过程,发现能源“新区”,开辟深部找矿“新空间”,提高资源勘查水平;③探讨重大地质灾害发生机理和深部条件,提升地质灾害监测预警能力;④为地下空间利用与国防安全需求提供地壳与深部地球物理参数。
 
  深部探测、观测与实验研究的主要对象是地壳与岩石圈上地幔。地壳是地球演化历史的档案,大陆地壳中保存了岩浆活动、变质作用、沉积过程和地壳形成事件的可靠记录,同时也保存了成矿和成岩的过程记录。通过系统获取从地表到深部的地学信息,分析地形地貌、地表地质现象和深部活动过程关系,可以从中发现和揭示大陆地壳的结构与演化过程规律,掌握地质时代变迁和古环境演化过程中的沉积、变质、构造和岩浆与火山活动等影响程度。
 
  在工作流程上,目前,国内外了解地球深部信息遵循大体相同的探测策略和工作流程。首先,通过各种地球物理勘探方法和手段,获取大面积空间分布的地震波场、重力场、磁力场、电磁场、地温场、放射性能谱、遥感多光谱等地球物理数据,通过深部科学钻探获取地下深处实物验证数据;其次,通过数字信号分析原理和计算机处理技术手段,完成针对勘探方法特点的传统数据处理过程,从复杂干扰的实测数据中提取有用信息;然后,在此基础上进行数据转换、位场正反演等以增强信号和恢复探测对象形态和属性为目的的一系列计算分析,为揭示地下深层隐伏目标提供参考依据;最后,通过联合地质和地球物理各类领域专家,完成对探测对象的推断、解释、分析,预测和恢复深部地质构造和属性分布模型,为进一步钻探验证奠定基础。最终建立的地质-地球物理模型,可用于了解地壳深部构造和物质成分分布规律,由此推断解释地壳活动的规律及其对人类生活造成的影响,包括油气能源和矿产资源分布以及地质灾害产生的原因等,为专业人员提供了分析手段和模型参考。
 
  在技术手段上,广泛应用大面积、大深度探测技术,获取分析地壳深部大范围的地质现象分布数据,通过探测数据处理和综合解释揭示地球深部奥秘。目前,我国开展的地壳深部探测实验示范工程专项所采用的探测仪器和装备体系是以获取大面积和海量探测数据为主要考量,建立多种探测方法技术组合,实现陆海空立体探测;通过发展多元信息和海量数据集成分析方法和软件技术,形成构建三维地质-地球物理模型的高效率解决方案。
 
  在深部探测采用的综合地球物理勘探技术中,地震勘探通过获取和分析地震波信号,为精密揭示地下构造和物质属性提供了重要依据。该技术在深部油气藏勘探开发中起着至关重要的作用,尽管勘探成本相对较高,在大深度地球科学探测研究中仍然是不可替代的主要方法。大深度地震勘探信号获取主要采用“深地震反射剖面法”、配套进行“宽角反射与折射地震剖面法” 以及“宽频带数字地震移动台站法”。三种方法的组合应用共同承担揭示深部结构图像与变化、追踪深部过程、实现地壳精细结构的探测任务。
 
  然而,地震勘探技术和探测成果也存在局限性和多解性,容易受到勘探条件和环境影响,尤其是应用在深部探测领域中,随着探测深度加大造成解决问题的难度加大。因此,开展大深度地质勘探调查必须结合其他非地震勘探方法,如大面积和高精度重力和磁力测量、大地电磁测深、大地热流等探测技术方法。从大面积勘探入手,结合地震和测井等局部参考资料,对岩石圈密度、磁性以及电性等综合物理属性深入研究,揭示深部构造区域性背景环境以及断裂和接触带等特殊部位的精细结构,弥补单一地震勘探技术的不足。
 
  我国地球探测技术与装备精度、分辨率、维度、深度、高效搭载平台与国外相比落后至少20年,总体处于“跟跑” 状态,进口率高达90% 以上。我国传感器材料与制备工艺严重落后,专用芯片全部依赖进口,新型传感器尚未研发或处于摸索阶段。同时,我国深部探测装备和核心软件绝大部分依赖进口,形成市场垄断、价格昂贵。近地表或浅地表精细探测技术零散,探测精度与分辨率低、效率低、抗干扰能力差;万米以浅深部探测技术装备种类少,探测能力弱、误差大,实用化与产业化较国外差距巨大。这些严重制约着我国地球科学、能源与矿产资源勘探的发展,也直接制约着我国参与国际资源竞争的能力。
 
  第二节 地球重力场探测仪器及解释理论发展
 
  地球重力场与人类生活密不可分,一直伴随着人类文明进程的发展,人类也未曾停止过对它们的观测、研究和利用。重力勘探的主要目的是测量地球重力场分布,进而研究地下目标体产生的异常并对其进行相应的处理与解释,达到研究地壳结构构造和找矿勘探的目的。重力野外测量结果经过零点漂移改正之后,再将各测点相对于基点的读数差换算成重力差。这种重力差值并不能算作重力异常值,因为地面重力测量是在实际的地球表面上进行,由于地球表面的起伏不平,使这种重力差值包含了各种干扰因素的影响,并且干扰程度随测点而变化。为了使各测点的重力差值有一个相同的标准,就需要将观测资料进行整理,求得真正的重力异常值,以便在外界条件一致的前提下,对各种测点的重力异常进行比较。重力资料的整理主要包括纬度改正、地形改正、高度改正及中间层改正。重力实测数据需经过预处理、处理、反演及解释来获得地下场源体的分布。
 
  1.重力数据预处理
 
  重力数据的预处理是根据异常的数学物理特征,对实测异常进行必要的加工处理,提高信噪比,突出有用异常使实际异常满足或接近解释理论所要求的条件。重力异常的预处理主要包括异常的网格化、异常圆滑等,对于航空重力数据还需进行数据调平处理。
 
  数据网格化是进行重力异常的野外工作时,由于某些客观原因,有时某些点位上无法进行测量,结果会出现漏点或造成实测点分布不均匀;另外,如果利用某些原始的重力异常图件进行有用信息的再开发,必要时需要用数字化软件重新取数,这样的取样点也可能呈不规则分布。当对重力数据进行反演计算时,一般要求数据必须均匀地规则分布,因此,必须将不规则的实测数据或数字化后取出的数据换算成规则网格节点上的数据,这个过程就是数据的网格化。数据网格化的实质问题就是对不规则分布的数据点进行插值。插值的方法很多,有拉格朗日多项式法、克里格法,最小二乘法、加权平均法等。异常圆滑是为了去除测量误差对数据的干扰,从而为后续的数据计算提供更加可靠的基础数据,主要采用平均值圆滑法、中值滤波、最小二乘拟合法等。
 
  2.重力数据处理
 
  重力异常是地表到深部所有密度不均匀分布的综合反映,为了更好地完成地质体的解释工作,数据处理过程包括滤波、延拓、求导、场分离、曲化平等操作,目的是使实际异常满足或接近解释理论所要求的假设条件,将复杂异常处理成简单异常,使实际异常满足解释方法的要求,突出解释需要的重、磁异常信息。
 
  滤波是为了去掉数据中的误差或随机干扰以及小异常体的干扰,获得更加准确的基础数据,从而避免后续处理过程带来误差。主要有空间域最小二乘滤波、频率域数字滤波方法等。延拓根据观测平面上的观测异常计算出场源以外其它空间位置的重磁异常过程,包括向上延拓和向下延拓,向上延拓可削弱局部干扰异常,突出深部较大地质体的异常,压制浅部小异常体。向下延拓可划分水平叠加异常,评价低缓异常,突出浅部异常,压制深部异常。主要实现的方法是频率域方法,为了压制延拓过程中带来的噪声放大问题,采用积分-迭代延拓法,导数迭代延拓法等,有效地提高了延拓的精度。求导是突出浅源异常、区分叠加异常、确定场源体边界以及削弱背景异常的常用方法,被广泛地应用于异常的解释,主要采用FFT、DCT、Z、Hartley 等变换方法来完成计算。场分离为了提取出目标体的异常需对综合异常进行低通滤波处理。频谱分析技术是进行重磁异常场分离操作的常用方法之一,但该类方法易模糊掉不同形态异常之间的界线特征。后来人们又提出小子域滤波、插值切割法等来获得更好的场分离结果。
 
  3.重力数据反演
 
  根据重力异常的分布,利用数学物理的方法求出地质体的形态、产状、空间位置及密度参数,即已知场的分布求场源,称为反演问题。多解性问题是地球物理勘探反演解释中共同存在的问题,主要原始是观测的异常数据通常是有限的和离散的,且地球物理问题本身固有的。反演问题是解释推断的数理基础,应该指出,数学物理语言不能代替地质语言,在解反问题时,从理论上是作了一些假设的,即物体是密度均匀的,形状是规则的几何形状体,如球体、柱体、板状体等。如果形状复杂,不规则,其正演问题的计算是繁杂困难的,同时地质体密度不可能是均匀变化的。由于实际地质情况不可能完全满足这些假设条件,所以解释推断结果只能是近似的,这些假设条件与实际地质情况越接近,解释推断的结果准确性就高一些,反之误差就大一些。反演方法较多,因此在进行反演方法分类时应依据反演得到的地质参数进行划分,主要包括针对地质体范围的导数类方法、地质体形状参数的自动解释技术、地质体物性反演方法、构造特征的比值反演技术等。边界识别是位场数据自动解释中必不可少的任务之一,其可清晰地反映出地层之间的界线以及场源体的分布范围。现有的边界识别滤波器大多仅能识别出较浅地质体的边界,而较深地质体的边界则比较模糊。为了改善这一问题,本书提出水平与垂直导数的相关系数法进行地质体边界的识别。随着地球物理仪器勘探效率的不断加快、勘探精度的不断提高,地球物理人员更加倾向于利用自动解释方法估算异常体的位置和构造指数。位场自动解释方法主要包括维纳反褶积法、解析信号法、欧拉反褶积法、最小二乘法、场源参数成像(局部波数) 法及神经网络法等。密度反演是依据观测异常获得地下半空间的物性变化,有效地避免了大规模方程的求解,提高了效率,并以异常的均方差和迭代前后属性参数的变化同时作为迭代停止条件,提高了计算结果的准确性。随着地球物理仪器勘探效率、探测精度、数据参数和容量的不断提高,很多传统的重力解释方法不适用。张量探测技术是一种新兴的地球物理观测手段,其能提供地质体在不同方向上的导数反映,能更准确地描述地质体的特征,为完成该类方法的解释,为此人们从理论公式出发推导出适用于张量数据解释的欧拉反褶积法、物性反演法、局部波数法等。
 
  4.重力异常解释
 
  根据重力资料、岩(矿) 石(目标物) 的物性资料以及地质和其他物化探资料,运用位场理论和地质理论解释推断引起重力异常的地质原因及其相应地质体(目标体) 的空间赋存状态,平面展布特征,矿产和地质构造或其它目标体分布的全过程。
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