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地球物理仪器课程实验教学
摘 要：“地球物理仪器”是中国地质大学（武汉）专门针对测控技术与仪器专业开设的专业选修课.本文根据地球物理中的经典探测方法,探索了相应的实验教学设计.在教学中注重将地球物理方法与仪器设计相结合,激发了学生的学习兴趣,并且有利于促进我国地球物理仪器人才的培养.
关键词：地球物理仪器；测控技术与仪器；实验教学
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）50-0270-02
一、课程概况
中国地质大学（武汉）以地球科学为主要特色,学校设立的测控技术与仪器专业以地球探测仪器为主要办学特色,是我国地球物理仪器人才培养的重要基地之一.“地球物理仪器”是该专业在2015年修订的培养计划中新增加的专业选修课,该课程旨在让学生了解电法、地震法、磁法、重力法等经典地球物理方法的最新仪器设备,要求初步掌握仪器的工作原理、性能与操作,因此实验教学占有重要地位.
本文的主要目的是针对地球物理中经典探测方法,来探索相应的验证性实验的设计；并在实验教学中注重将地球物理方法与电子仪器设计的专业知识相结合,以激发学生的学习兴趣.实验力图将理论与实践进行融合,使学生掌握地球物理仪器的基本原理与设计思路.
二、实验内容设计
根据地球物理方法探测原理的分类,将“地球物理仪器”课程实验划分为如下图所示的四大类实验：电法、地震法、磁法、重力法.它们所采用的仪器基本涵盖了目前物探中所使用的常见仪器,具有一定的代表性,能够使学生比较全面地了解地球物理仪器的探测原理、发展现状.
1.电法实验.电法是根据地质体的介电性、导电性等电磁学特征的差异,通过探测人工可控场源激发或天然的电、磁场的分布,然后通过反演来获取地下地质体视电阻率等参数[1].笔者所在学校配备了直流电法仪和多功能电磁法仪.由于电磁法仪通常需要大功率的激励源,因此仪器体积一般比较庞大,考虑到开展实验教学的实际可行性,实验以直流电法仪为主.直流电法仪采用的是笔者研制的GMD高密度电法仪.该仪器通过单根电缆即可连接所有电极（最大240道）.与传统的电法仪相比,该仪器仅需要通过软件设置就可以实现不同装置系数的电法探测,因此实验的效率很高.
实验步骤为：（1）简要回顾直流电法基本原理.（2）结合电法理论,介绍仪器组成原理（电极、激励模块、数采模块）、测量参数（供电电流和电位差）、性能指标（最大通道数、最小测量电压）、软件设置、工作流程、注意事项等内容.（3）选择典型的“对称四级装置”作为学生的实验内容,并通过原理图的形式对电极排列和视电阻率表达式进行讲解.（4）引导学生在典型测线上开展实验.在实验前面要给学生示范电法仪的检查,包括漏电情况、电接点和线号.然后进行导线和电极安装,其中应特别注意利用仪器自带的自检功能以保证电极接地良好.数据记录完毕后,应首先按照均方相对误差检查数据精度,然后进行数据处理与校正、成图.
2.地震法实验.地震法是根据地质体的弹性差异,通过探测人工可控场源激发或天然的反射波、折射波或透射波,然后通过反演来推断地下介质结构和岩性[2].笔者所在学校配备了浅层地震仪和深部地震仪,考虑到教学中测量结果的可验证性,实验以浅层地震仪为主.采用的是GEODE地震仪：单站配备3-24道采集通道,多采集站最多可扩展到1000道；采集带宽为20kHz.
实验步骤为：（1）简要回顾地震法基本原理.（2）介绍仪器组成原理（人工震源、检波器、数据采集站等）、测量参数（时间和振幅）、性能指标（通道数、ADC性能等）、软件设置、工作流程等.（3）在实验前,要开展试验性工作以选取探测区域内最佳的工作方法和技术,试验的内容主要包括干扰波调查、最佳激发和接收条件等.然后,确定测线,基本原则是：测线应尽量为直线；主测线应垂直构造走向、联络测线平行构造走向.接着,在测线上在布置炮点和接收点,记录检波道数、道间距、偏移距、最大炮检距等.最后,进行数据采集、评价、处理、成图.
3.磁法实验.磁法可通过探测地质体的磁性差异所引起的磁异常,来推断地质构造、矿产资源等目标的分布规律[3].笔者所在学校配备了质子旋进式和磁通门式.对于学生实验而言,要求仪器具有体积小、功耗低、磁测精度高等特点,因此实验以质子旋进磁力仪为主.质子旋进磁力仪采用的是笔者研制的Overhauser磁力仪[4].其测量范围是20000—100000nT,灵敏度为15pT/Hz1/2.仪器可进行地磁场的自动跟踪和配谐,因此比较适合用于学生实验.
实验步骤为：（1）简要回顾磁法基本原理.（2）介绍仪器组成原理（探头、信号放大模块、测频模块）、测量参数（FID信号频率）、性能指标（测量范围,灵敏度等）、工作流程等.此外还应在实验教学中向学生讲解仪器的手动配谐方法.（3）在实验前要给学生示范磁力仪的检查,包括：噪声水平,一致性和系统误差的测定.仪器检查完毕后,在进行实验的同时要注意进行地磁场日变的观测.实验结束后应首先进行测点数据质量检查,然后再进行处理、作等值线图.
4.重力法实验.重力法根据探测对象与围岩的密度差异,可通过测量地球重力场的时空分布规律来进行大地测量、地质学研究、矿产资源勘查[4].笔者所在学校同时配备了绝对重力仪和相对重力仪.考虑到野外实验的可操作性,实验以相对重力仪为主.采用的是CG-5石英弹簧重力仪：测量范围为7000 mGal,精度约10—20 microGal.
实验步骤为： （1） 简要回顾重力法基本原理.（2）介绍仪器组成原理（弹性系统、测读机构）、测量参数、性能指标（格值变化范围与分段等）、工作流程等.（3）首先,在实验前要给学生示范重力仪的检验,包括：仪器检查及调节、重力仪静态和动态试验、一致性检验.由于采用的是相对重力测量,为了降低仪器零点漂移的影响,需要将测量结果换算到统一的水平,因此在测量前要选取合适的重力基点.接着,按照规范进行数据采集,结束后还应对测点观测质量进行检查,并获取岩石密度资料、平面坐标及高程,以便对观测结果进行校正.最后,对采集数据进行校正、处理、成图.
三、总结
本文结合地球物理中基本探测方法,探讨了“地球物理仪器”课的实验教学体系的构建,在教学中引入了最新的仪器,有利于激发学生的学习热情并促进其掌握地球物理仪器的前沿信息.未来,笔者还将根据实际教学效果,不断优化实验教学内容.
参考文献：
[1]董浩斌,王传雷.高密度电法的发展与应用[J].地学前缘,2003,10(1):171-176.
[2]牟义,黎灵,张永超,等.浅层地震法探测浅煤层采空区试验研究[J].煤炭技术,2014,(6):69-71.
[3]葛健,陆承达,董浩斌,等.基于Overhauser传感器的近地表UXO磁梯度法探测技术[J]. 仪器仪表学报,2015,36(5):961-974.
[4]沈博,袁尚武,马玄龙,等.CG-5重力仪的漂移与寿命[J].物探与化探,2015,39(2):383-386.
实验教学论文范文结:
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