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地球物理学报 2017年第11期杂志 文档列表

地球物理学报杂志地球物理仪器新技术专栏

推动地球物理方法创新，引领探测仪器技术未来4145-4148

摘要：地球物理学是一门应用物理学原理、方法及仪器研究和认识地球及其近地空间的学科．地球物理研究与国家建设、社会发展和巩固国防有着密切关系．它不仅对能源的勘探与开发、环境的监测与保护、灾害的预测与防治、国防的发展和壮大具有重要作用，而且随着我国大规模的经济建设和党中央“一带一路”倡议的展开，还有相当多的领域有待于运用地球物理方法及探测仪器进行开拓．全球经济一体化发展的广泛需求，向地球物理学提出了挑战，也提供了良好的机遇，目前我国广大地球物理工作者正践行着社会主义核心价值观，投身于建设有中国特色的社会主义伟大事业，为实现“两个一百年”奋斗目标和中华民族伟大复兴的中国梦而矢志奋斗．在筑梦中，切实需要解决国民经济主战场上涌现出来的各种实际问题．

MCSEM电磁场能流密度分布特征研究4149-4159

摘要：采用海洋可控源电磁方法进行海底油气和水合物的勘查，需事先在海底布放接收机阵列，而后用一艘携带深拖缆的科考船将大功率电磁发射机牵引至海底，沿预设路线慢速走航，并将大功率电磁场导入海底.海底的人工电磁场中，空气波和直达波对提取勘探目标体的异常信息不做贡献.只有当折射波经过被测目标体时，产生电磁感应，海底的接收机对此感应信号进行数据采集，经数据处理，揭示被测目标体的几何大小和物理属性.异常体的有用信息与导入海底电磁场的能流密度（坡印廷矢量）有着密切的关系，以致于后者决定了前者的有效探测范围、有效带宽以及尽可能达到的最佳测量精度.能流密度在海底的分布情况十分复杂，但在均匀全空间中可较清楚地认识其分布特征，可为复杂地质条件的情况作理论铺垫.以此推广，在水平层状介质的地电条件下，建立能流密度的数理模型，利用海洋生产作业中的典型物性与几何参数，对海底以下有覆盖层的高阻体（可模拟油气或天然气水合物）进行正演，建立电磁场能流密度分布特征与数据采集技术的有机联系，为海洋可控源电磁发射机和接收机的优化改进提供理论依据.

高频大功率CSAMT发射技术研究4160-4164

摘要：近年来，随着我国对矿产资源需求量的逐年增加，人工源大地电磁法作为地球电性探测的感应类电法得到了迅猛发展，自主研制的地球物理仪器陆续推出.电磁法仪器的出现逐步摆脱了对国外相关仪器的依赖，可控源音频大地电磁法（CSAMT）发射机作为该方法的电偶极子源具有举足轻重的作用，然而，当前野外施工所用的CSAMT发射机普遍存在高频电流发射受阻，发射功率较小，收发距的大小受到很大的限制；到低频区，较小的收发距，使得接收机进入近场区，待后续数据处理时需要做近场校正，不仅增加了一个校正工序，也带来了校正数据误差，同时，较小的收发距，限制了野外施工的效率.另外，随着CSAMT的研究逐步深入，CSAMT三维阵列式探测也逐渐引起学者的重视，实现高频大电流的发射，为CSAMT三维阵列式探测提供了有利支持.本文详细分析了实现高频大功率发射技术的方法，通过模型建立和方程求解，获得了影响发射电流的主要因素，进而，有望达到高频发射电流大于低频发射电流的目的.

海洋电磁低时钟漂移及自动增益采集技术研究4165-4173

摘要：作为地震探测的有效补充，电磁法在海洋油气资源勘探中发挥着越来越重要的作用.本文针对海洋电磁法中极低时钟误差、大动态范围采集等要求，提出使用GPS和高精度原子钟解决低时钟漂移问题；采集电路中设计增益可调的放大电路，MCU通过对采集到的信号进行实时分析，实现增益动态调整，解决海洋电磁信号大动态范围采集问题；研制的海洋电磁信号数据记录单元每天时间误差小于0.3 ms、电场通道动态范围可以达到160 dB、磁场通道动态范围可以达到134 dB.通过在室内指标测试、室外试验，表明设计的数据记录单元能够稳定可靠工作.为证明数据纪录单元的有效性，将数据记录单元和国外商用MT仪器进行野外一致性对比实验，数据记录单元与商用仪器结果基本一致；在水深100 m海域进行了海底MT信号采集，得到了有效的结果.该研究为海洋电磁信号低时钟漂移、大动态范围采集提供了一种有效解决方案.

近钻头井斜动态测量重力加速度信号提取方法研究4174-4183

摘要：利用加速度计进行近钻头井斜动态测量时，钻具的高速旋转，井下强振动、强冲击环境给重力加速度测量带来极大干扰，如何从干扰噪声中有效提取重力加速度信号对于提高井斜角和工具面角的测量精度至关重要.根据重力加速度径向和切向分量为周期性信号，轴向分量为近似直流信号，离心加速度为缓慢变化信号，振动和冲击加速度为随机信号的特征，提出一种基于互相关检测的重力加速度信号提取方法，选择径向或切向磁力计信号作为参考信号.利用相关检测方法分别对仿真数据、实验室旋转测试数据和振动测试数据进行处理，并计算了井斜角和工具面角，结果表明相关检测方法可以有效提取重力加速度信号，基于MEMS加速度计的井斜角测量精度优于0.5°，工具面角变化连续平滑，满足井斜动态测量需求.通过进一步开展实际钻井环境测试，该方法有望应用于近钻头地质导向系统或旋转导向钻井系统等需要近钻头井斜动态测量的场合.

地下核磁共振小尺寸线圈设计和实验4184-4193

摘要：很多国家在进行隧道挖掘、地下矿体开采时，经常会遇到突水涌泥事故.核磁共振方法（Magnetic Resonance Sounding，MRS）作为目前唯一一种直接找水的地球物理技术，在探测诱发灾害的水体方面具有明显的优势.本文首先给出了多匝分离式线圈的MRS信号响应和核函数的计算公式，分析了线圈的匝数、边长和含水层位置对MRS信号响应的影响.分析表明，在限定空间内，利用多匝分离式线圈的设计方法可以提高小尺寸线圈的探测能力.同时，对高匝数线圈给探测系统带来的不利因素进行了分析和改进.最后，为了验证本研究所采用的方法，利用6 m边长的方形线圈和改进型MRS探测系统在中国温州一处在建隧道内的地下场地进行实地探测，探测结果与瞬变电磁方法结果对比表明，6 m边长的方形线圈可以对地下30 m内的含水层进行有效探测.

基于压缩感知的多跳地震数据采集技术与方法4194-4203

摘要：随着油气地震勘探目标的复杂程度日益提高，地震数据采集系统的道容量也需要得到进一步的提升.本文根据压缩感知、稀疏表示等理论，提出了一种多跳恒传输量的数据采集框架，以减少每条测线上地震数据的传输量，进而提升采集系统的道容量.为了能够明显地提高带道能力，设计了基于有序并行原子更新的字典学习算法，该算法能够在计算量较小的前提下有效的得到相应数据的稀疏变换矩阵.基于压缩感知的多跳地震数据采集方法已能够在吉林大学研制的无缆自定位地震仪中实现.本文最后使用一组仿真数据和一组实测数据进行测试，其结果表明，数据采集信噪比控制在14 dB以上（引入噪声约18%）时，最多可以将系统的道容量提高3倍以上.

电磁法观测系统采样时钟不确定度及误差研究4204-4211

摘要：电磁法观测系统中，采样时钟质量直接影响高精度ADC的信噪比，而高精度ADC芯片的信噪比作为电磁法观测系统信号检测非常关键的指标，决定了获取数据的质量.采样时钟的时间抖动是时钟孔径不确定度产生的原因，导致电磁法观测系统中ADC数据转换的信噪比变差，严重影响电磁系统观测质量，为此提出了ADC采样时钟不确定度最大时间抖动的确定方法.该方法通过对ADC采样过程进行时域、频域分析，借助正弦波导数给出采样时钟孔径不确定度引起的采样数据误差数学描述，结合极大值法与ADC信噪比计算方法获取系统信噪比需求范围内的最差时钟孔径不确定度，进而计算出相应采样时钟的最大时间抖动误差.以地球物理仪器中常用的ADC芯片AD7760为例进行了相应的时钟抖动误差计算，确定时钟的孔径不确定度抖动时间.根据信噪比指标确定了时钟孔径不确定度后，采用压控恒温晶振跟踪GPS信号中的秒脉冲的方法，保证时钟抖动误差能够满足AD7760的要求，根据测试表明，在GPS失锁4 h内，时钟输出能够满足技术要求.

重力场向下延拓Milne法4212-4220

摘要：重力场向下延拓能够突出局部和浅部的异常信息，分离叠加的异常特征.但是向下延拓通常具有过程不稳定、下延深度小、结果不准确等问题.针对向下延拓所存在的不足，本文利用重力场及其垂向一阶导数，基于辛普森（Simpson）求积公式，推导出重力场向下延拓米尔尼（Milne）公式.将本文向下延拓方法应用于模型数据，向下延拓模型结果及误差曲线表明，相对于向下延拓快速傅里叶变换（FFT）法和积分迭代法，向下延拓Milne法的深度更大，相对误差更小；相对模型值，向下延拓Milne法能够获得稳定且准确的结果.对加拿大乃查科（Nechako）盆地地区实测航空重力数据进行本文方法向下延拓验证，处理结果表明，相对于实测异常，本文方法向下延拓结果能够很好还原实测数据，并且在进一步向下延拓中反映原始异常的趋势，增强局部和细小异常信息.

激光干涉绝对重力仪参考棱镜隔振系统仿真4221-4230

摘要：在激光干涉绝对重力仪中，参考棱镜在背景振动和系统自振的作用下呈现复杂的振动模式，严重影响了整机的测量准确度.针对此问题，本文基于磁悬浮原理设计了参考棱镜的反馈式两级振动隔离系统，建立了系统的动力学模型，在不同的反馈方式下推导了相应的传递函数，进行了Matlab仿真分析以确定最优的反馈方式.系统仿真结果表明绝对速度反馈方式的隔振效果可达100 dB，与自主研发的Age-110型激光干涉绝对重力仪的联合测试结果表明，该隔振系统可将Age-110的测量精度再提高1.5倍.

基于三元伪随机编码的冲击夯可控震源控制系统设计4231-4240

摘要：冲击夯可控震源具有移动方便、质量轻、输出力大等优点，在城市工程勘察以及中浅层地震勘探等领域具有一定的应用前景.其激励信号主要基于二元伪随机编码技术，由于旁瓣效应导致相关干扰严重、地震记录信噪比低等问题，制约了冲击夯震源的推广应用.本文针对传统控制方法的不足，开展了基于三元伪随机的冲击夯可控震源编码技术和编码匹配控制方法研究，并在此基础上设计和实现了相应的控制系统.野外实验结果表明：相比于二元伪随机编码控制方法，三元伪随机编码控制方法得到的地震子波的主旁瓣比提高了4.04 dB；震源信号穿透力强，在测线远端处能量约为30磅锤击震源的100倍，约为二元伪随机方法的4倍；单炮地震记录中干扰抑制能力强，信噪比显著提升，子波频带宽，提高了分辨率，在一定程度上提高了地震勘探效果.

一种数字三分量地震微测井仪器设计4241-4252

摘要：针对当前地震微测井仪器在施工和数据采集方面的难题，从提高数据采集质量及仪器功能性方面提出了几种改进方法.主要利用MEMS加速度传感器结合多路并行处理采集方法设计了数字检波器，并集成姿态检测技术直接实现水平分量数据的校正功能，保证系统采集的质量；提出了Ethernet-RS485分布式总线自动控制技术，实现各级联探管的随机组合，同时采用电动方式控制探管操作，提高系统的集成化程度.文中详细分析了利用姿态检测技术实现水平分量数据校正的方法，解决了级联探管随机组合控制和震源激发方位的判定问题.仪器单节探管支持三分量并行采集，有效分辨率达18位，参数可远程配置，同时具备快速显示探管姿态的功能，且支持远程控制，非常适于复杂环境下的工程勘探，整个系统实现全数字化操作且仅需四芯电缆互连，从而缩小了设备的体积和重量，降低施工布线的复杂性.

新型坐底式海洋可控源电磁发射系统及其海试应用4253-4261

摘要：利用拖曳式海洋可控源电磁发射系统在探测埋藏较浅的天然气水合物资源时，会遇到一些新问题.如拖曳式轴向发射偶极源不能贴紧海底，发射偶极源和海底间海水的电磁衰减，使得10 Hz以上的相对高频能量难以导入至海底以下介质；发射偶极源有可能出现水平或垂向摆动；拖曳式发射时，时间窗口内叠加的数据有限；拖曳路线可能与海底构造走向平行，不利于揭示探测目标体的异常形态.新型坐底式发射系统有望解决上述问题.坐底式发射系统的硬件部分包括甲板端供电和监控单元、长距离电力和数据通信单元，以及水下发射机主体.新型坐底式发射系统的发射电极紧贴海底，没有海水层衰减，有利于相对高频的人工源电磁信号经过海底以下介质传输至接收端；通过超短基线信标更容易精确定位发射机拖体，利用姿态方位参考系统确定发射电极的供电方向，可以精确校正电偶源水平偏角的影响；增加单点供电时间，提高接收信号信噪比；提供两对电偶极源，从两个相互垂直的方向对异常体进行人工源激发.2015年海洋试验的结果表明，坐底式与拖曳式发射系统联合作业，可从多角度对海底异常体进行宽频带电磁激发，为数据采集提供丰富的场源信息.

海底可控源电磁接收机及其水合物勘查应用4262-4272

摘要：海洋可控源电磁法在国外已成为海底天然气水合物调查的有效手段之一.为实现我国海域深水条件下水合物的海洋可控源电磁探测，本文从方法原理出发，采用低功耗嵌入式控制、前端低噪声斩波放大、高精度时间同步和水声通讯等技术，设计并开发了由承压舱、玻璃浮球、采集电路、电场与磁场传感器、姿态测量装置、声学释放器、USBL定位信标、测量臂、水泥块等部件组成的海底可控源电磁接收机，实现了海洋微弱电磁场信号的高精度采集.海底可控源电磁接收机具有高可靠性、低噪声、低功耗和低时漂的特点.利用研制的海底可控源电磁接收机，在琼东南海域进行水合物勘查，采集得到了可靠的人工源电磁场数据.通过数据处理及反演，获得了研究区海底的电阻率模型，结合地震资料，对高阻异常体进行推断解释，其结果为天然气水合物钻探井位布置提供了电性依据.

单通道无线存储式地震仪关键技术4273-4281

摘要：当前地震勘探装备多数价格昂贵、体积大、功耗高，导致大规模的地震勘探产生很大困难.新型的无缆存储式地震仪，省去了大线传输，解决了复杂环境下进行大道数地震数据采集的问题.但是由于缺乏有效的监测手段，无法对其进行现场实时质量监控，施工质量和效率难以保证，具有封闭性的技术缺陷.针对此问题，本文研制了一款基于无线网络通讯技术的低功耗、低成本、小体积、高精度的现场可实时质量监控型单通道无线存储式地震仪.地震仪以Cortex-M4型内核MCU为核心，构成系统的主控模块，负责管理系统运行.采用32位A/D采集模块、大容量SD卡存储模块、高效率DC-DC电源管理模块、低功耗无线WiFi模块以及有线以太网模块，完成地震数据的采集、存储、质量监控和回收.研制的基于无线通讯技术的单通道无线存储式地震仪以其便携性、低成本、可现场实时质量监控以及地震数据本地存储的特点，降低了勘探成本，提高了大规模勘探的可操作性，在大道数、高密度、宽方位的地震勘探中具有广泛的应用前景.

水力压裂微地震井地联合监测系统及仪器4282-4293

摘要：水力压裂技术是油气田增产和低渗透油田开发的有效技术手段，通过监测油层裂缝延展过程中产生的微地震事件，能够有效地判断裂缝走向.现有的井中监测方法存在成本较高、施工难度大的问题；地面监测存在信号信噪比低、垂向分辨能力差等问题.本文采用井地联合微地震监测的方法，在地面布置采集仪器的同时，选择邻近的单口监测井放置井中仪器，对微地震事件进行联合监测定位.采用联合监测的方法，在水平方向和垂直方向上都能够获得较好的监测视角，对比单一监测方法提高了微地震事件的定位精度.在此方法的基础上研制的井地联合微地震监测仪器系统，解决了现有仪器系统在进行联合监测时通讯链路不通的问题，实现了在压裂施工现场对微地震联合监测数据的实时回收、处理及结果呈现.应用本系统在大庆油田进行现场监测，获取的微地震事件对压裂裂缝进行了有效评价；通过对已知射孔点进行反演定位，采用井地联合监测将定位误差由地面监测的32 m降低至14 m，验证了本文技术的有效性.

深海6000m拖曳式瞬变电磁系统及其应用4294-4301

摘要：针对我国西南印度洋合同区热液硫化物矿快速、有效以及便捷地质勘探装备的要求，研发了由甲板控制系统、万米光电复合缆、仪器舱拖体和天线拖体组成的深海6000 m拖曳式瞬变电磁系统.为了便于拖体布放和快速发现异常，选择重叠回线收发装置类型；采用理论数值计算确定了在拖曳高度不大于50 m的前提下，观测1~100 ms窗范围内的二次场响应，可以发现近海底深海热液硫化物矿堆；另外，通过不同拖延深度海上试验，研究了拖曳深度对瞬变电磁的影响规律及仪器性能.大洋第30航次第二航段在西南印度洋脊热液区，应用该系统发现了明显的瞬变电磁异常.印证了系统的有效性.

一种多波宽频地震数据采集设计与仪器实现关键技术4302-4312

摘要：随着多波多分量技术的发展，宽频数据采集逐渐成为地震勘探的发展趋势.通过高保真获取全波场信息，并尽可能保留高频有效成分，进而利用多种波场信息相互验证和补充，是提高地震勘探精度的有效方法.受仪器带宽限制，常规设备在高频段很难同时保持高分辨率和大动态范围特征，在多波地震采集时，极容易出现分辨率不足和限幅失真等现象，极大影响多波多分量方法的实际应用效果.鉴于此，本文给出一种利用积分器、高频ADC、DAC和抽取滤波器构成的低成本宽频数据采集方法.通过构造环路滤波器（调制器），对高频ADC输出数据中的量化噪声二次整形，并配合抽取滤波，对带外噪声进行有效压制.实际测试表明，通过精细电路结构设计，采集站有效分辨率可达24位（采样率为2 kHz），动态范围超过140 dB，SNR达142 dB.相比传统设备，其采集数据在5-25 Hz的低频段和100 Hz以上的高频段都具有更加丰富的有效信息，非常适合多波多分量数据采集.