地质仪器②

　　地质仪器 geological instrumentations

　　地质工作中使用的收集、存储、识别、处理地质信息，解释和推断地质现象的器具。地质信息涉及的范围极为广泛。宏观方面包括大地构造、地形、地貌、地层、地球物理场、岩石和矿物的各种物性参数，土壤和水域中化学元素的含量与分布状况等；微观方面包括岩石、矿物的光片和薄片在显微镜下呈现的物质组成、结构和演变特征,元素的裂变径迹等。地质信号的波谱窗口,从射线开始，经X射线、可见光、红外辐射、雷达波,到甚低频波，遍及各波段。地质信号往往十分微弱，被淹没在强大的噪声与干扰背景之中。电信号有时只有百分之几微伏，元素含量有时只有十亿分之几。因此要求提取和处理这些地质信息的仪器要有极高的灵敏度、分辨能力和抗干扰能力。

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　　仪器用途

　　地质仪器种类繁多，其工作原理几乎涉及物理和化学的各学科，同时又是地球科学知识与电子技术、微弱信号检测技术、通信技术、自动化技术、计算机技术、光技术、航空与航天技术等多种高科技相结合的产物。

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　　发展简史

　　最早的地质仪器大多是光学仪器或机械仪器。中国古代四大发明之一的罗盘的应用，导致了地磁偏角的发现。它同长期以来使用的铁锤和放大镜，一直是野外地质工作的基本工具。东汉张衡发明的地动仪就是一种机械式地震仪机械式磁力仪差不多使用了400年之久。常规化学分析方法（如重量法、滴定法等）的仪器，使用历史也很久，有的沿用至今。

　　1906年制造成功的三极管使人类步入电子时代，地质仪器也由此迅速发展。仪器的测读系统经历了电子管和晶体管两代。早期采用反馈技术来提高稳定性和输入阻抗等技术指标，利用电磁屏蔽和各种模拟滤波器来抗干扰和作原始的数据处理。第二次世界大战以后，离散时间信号处理理论和统计通信处理理论逐渐成熟；60年代集成电路出现，使这些理论的应用成为可能，地质仪器向数字技术方向发展，并开始使用相关接收、锁相接收、匹配滤波、多次平均等技术解决强干扰背景中微弱信号的检测和估值问题。

　　60年代后期,计算机技术开始引入地质研究,被用于地质数据采集、处理、运算、地质图件绘制，地质资料的推断解释等多方面。野外或室内采集的原始数据，先记录在数字磁带或磁盘等媒介中，经过校正、偏移、滤波、延拓、微分等处理，提取有用信息，用以建立数据库，或作进一步的分析和运算。计算或处理的结果，可用于绘制各种地质图件。在推断解释方面，利用人机联作方式，采用图像综合技术，与多元统计或模糊数学结合，据以划分矿带、古生物带、岩性岩相带、判别矿与非矿等。人工智能在发展地质专家系统方面也取得了显著进展。

　　70年代后期，使用了微型计算机，野外或室内仪器由简单的数据采集系统，发展到具有操作管理、故障自检、现场或实时处理、成图等功能，并能进行一定的解释推断。

　　地质仪器的灵敏度随着物理学的进展而不断提高。如1945年发现核子旋进信号前，机械式磁秤的灵敏度只有几百纳特，而50年代初，高分辨率的核子旋进磁力仪，灵敏度约为0.1纳特。1957年,利用塞曼效应研制的光泵磁力仪,首次用于地球物理测量一般灵敏度在10(～10(赫兹范围内可达10(纳特。70年代后期,利用约瑟夫森效应制成的超导磁力仪灵敏度比光泵磁力仪高1～2个数量级以上。

　　地质仪器的另一个方面的重要发展与遥感技术的应用有关。地质遥感技术是找矿、找水、找油(气)和地热勘查等地质工作的先进手段。有些矿体（如铜、铅、锌、煤等）,有特殊的热异常,可以通过红外遥感发现；利用雾状异常和构造圈闭可寻找石油；利用色调异常可以找水；利用人造卫星上不同波段的遥感装置测得地壳、地幔和地核的重力、磁力异常，可以研究地球内部构造。遥感技术包括 3个系统。第一个系统是遥感信息收集系统,其仪器装备包括传感器和运载工具。传感器有:①能以摄影方式同步取得同一目标物反射多波段信息的多光谱照相机；②采取扫描方式获取目标物本身发射中远红外信息的红外扫描仪；③用扫描方式同步取得同一目标物反射或发射多波段信息的多光谱扫描仪；④通过扫描取得目标物本身发射微波信息的微波扫描仪；⑤通过扫描取得目标物散射雷达脉冲回波信息的微波雷达等。运载工具有：遥感汽车和遥感高塔等，属地面遥感运载工具;飞机和气球,属航空运载工具；资源火箭、卫星、宇宙飞船和航天飞机，属航天运载工具，主要是使用飞机和卫星作为运载工具。第二个系统是遥感信息接收和预处理系统,即地面系统,包括遥感信息的接收、记录、预处理和贮存用的仪器装备。第三个系统是遥感资料的分析解释系统。

　　遥感技术发展很快。卫星类型将向高质量、长寿命、能往返和专业化发展；世界各国将各自建立多功能、综合性的地面接收系统，遥感信息的获取、传送和接收技术将更加实时和快速；专业化的卫星（如陆地卫星-D）的发射将能提供更丰富的地质信息。

　　可以说，离开地质仪器就没有地质科学的深入发展。例如，显微镜在地质学中的应用结束了历史上关于岩石成因的水成说与火成说之争。又如根据下地壳地震波速特征，地质学家们曾长期认为，地壳岩石相当于辉长石，然而高温高压实验表明，稳定的岩石应更接近于榴辉岩和石榴子石变粒岩。地质科学与地质仪器的发展常常是相辅相成的。例如,30年代晶体化学在地学中的应用,使分析测试仪器进入地学仪器的行列。电子显微镜、电子探针等高精度仪器的出现，使微矿物学、微观结构及微区分析技术迅速发展，成为地质学新的分支学科。

　　地质仪器正朝着多功能、多参数、多信息、具有综合处理功能的智能化系统的方向发展。

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　　仪器分类

　　按照地质学的研究内容，地质仪器大体上可分为以下3类：

　　① 用于研究地球组成物质的仪器。在样品化学特征（成分与分配等）研究方面，除常规的重量法、容量法、比色法所用设备外，常用实验室精密仪器有各种原子吸收光谱仪、原子荧光光谱仪等。这类仪器能测定60～70种微、痕量元素，检出限可达到ppb级。波长色散X射线荧光光谱仪是硅酸盐全分析、化探样品中多元素分析和难溶元素分析的重要仪器,检出限一般为ppm级。电感偶合等离子体光量计的分析质量与原子吸收分光光度计相当，但能同时测定包括15个稀土元素在内的30～60种元素，动态范围可达4～6个数量级。采用中子活化法的多道能谱仪,检出限低达10(～10(米，在痕量和超量元素分析中具有优势。测定阴离子、酸根、官能团的离子色谱仪，气相色谱仪，液相色谱仪和红外光谱仪等也都用于地球物质成分的分析。

　　在岩石矿物的鉴定与结构研究等方面，双目显微镜、偏光显微镜、干涉显微镜等仍是快速初步鉴定，进行宏观描述以至研究显微构造的基本工具。由电视摄像机、微型计算机等组成的全自动图像分析仪，是对岩矿薄片或光片图像几何要素进行定量测定的工具。它可以提供如沉积物的粒度、形态、基质和孔隙度等方面的数据，还可对岩石的矿物组成作模式分析，以及研究卫星图片等。

　　X射线衍射仪是矿物晶体结构研究的主要仪器,能快速有效地鉴定矿物，或者为研究矿物形成的历史，提供变形和辐射损伤等信息。利用电子衍射成像的透射电子显微镜，能够对直径20纳米的微区进行形态、成分和结构等综合研究，分辨率达0.1纳米。另外,透视电子显微镜的应用，使对矿物晶体缺陷及其地质力学和地质构造意义的研究又深入了一步。

　　扫描电子显微镜景深大，能获得三维图像，二次电子图像分辨率小于10纳米，能用来对样品的形貌、成分、结晶学及其他性质进行观察和分析。样品不需专门制备，原始状况不会受到破坏。

　　电子探针显微分析仪与扫描电子显微镜类似，但样品需制成薄片或光片,分辨率为1微米。主要用途是对矿物作定量化学分析，研究化学组成和微量元素含量的变化，对光片或薄片中的细小矿物作定位或就地鉴定，检出限约为100ppm。离子探针分析仪能提供无机地质样品的微量元素和同位素成分数据，检出限约为1ppm。激光探针能给出无机和有机地质样品和同位素组成信息，检出限为 1～10ppm。原子探针能对样品中原子序数大于4的元素(用光谱)作不破坏样品的微量元素成分分析，检出限1～100ppm。同步加速器辐射分析,能补充质子探针不及的轻元素成分分析,检出限可低达几百个ppb。拉曼探针则是利用拉曼光谱鉴定矿物，作结构分析。

　　以近代固体物理为基础，通过研究矿物晶体的微观结构和精细结构来研究岩石、矿物的形成、特征物理性质的有核磁共振谱仪、电子顺磁共振谱仪、晶体场光谱仪和穆斯堡尔谱仪等设备。

　　根据岩石矿物的物理性质进行鉴定的仪器有差热分析仪和居里点测试仪等。前者根据差热反应曲线的峰谷点温度鉴定矿物，后者用于测试铁磁性矿物。

　　为适应野外作业或小型实验室的需要，还出现了轻便仪器，包括手提式X-荧光分析仪、可携式发光矿物分析仪。此外，还有用于测定特定指示元素的测汞仪、测氡仪等，用于生物地球化学勘查的取样器，收集空中微尘的航空微迹系统等。

　　② 用于研究地球构造的仪器。随着地质学和地质工作的发展，越来越多地涉及地球深部及掩盖地区（包括海底），必须使用地球物理勘探、地球化学勘查的方法和仪器取得必要的地质信息，使用遥感技术取得地表构造的大片直观影像和深部资料。

　　地球物理勘探仪器包括地震勘探仪器、磁法勘探仪器、重力勘探仪器、电法勘探仪器、核法勘探仪器、测井仪及物性研究等方面的仪器。

　　地震勘探仪器是记录地面振动的仪器。根据地震勘探仪器记录到的弹性波在地下的传播特性，可探明地质构造,区分地层,推断地球内部物理性质以及监测地震活动。地震勘探仪器分天然地震仪和人工地震仪两类。天然地震仪主要用于地震监测和地球物理研究。人工地震仪用于记录人工爆炸或其他可控震源激发的震波，在地震勘探和水文地质、工程地质等领域使用，以获得包括岩石类型等在内的区域和局部构造的详细资料。按照不同用途分为石油勘探地震仪、工程浅层地震仪，以及用在地震工程中的强震仪等（见地震勘探仪器）。

　　磁法勘探仪器是测量磁场强度和磁性参数的仪器。根据磁测数据,可以划分岩性，发现和追踪断裂构造,研究基底构造，居里点深度界面以上磁性变化及其结构形态等（见磁法勘探仪器）。

　　重力勘探仪器是测定重力加速度的仪器。它以地下岩（矿）石密度差为依据，提供大地测量、地球物理及地质勘探和空间技术所需的重力资料(见重力勘探仪器)。

　　电法勘探仪器是利用自然电场、大地电磁场或人工电流场，测量地壳中岩石、矿石的电磁学性质的时间域或者频率域响应的仪器。测取频域特性的有各种电阻率仪、频率测深仪等。时间域仪器测取大地的自由响应特性，各种瞬变电磁仪以此为依据。地质雷达及无线电波透视仪也可用来研究地质情况；地电化学探测仪是将电法与化探相结合的仪器（见电法勘探仪器）。

　　核法勘探仪器是测量地壳内放射性元素辐射的或通过人工激发由非放射性元素辐射的射线的仪器。可以用来查找放射性矿床及其共生的金属矿床，寻找油气圈闭构造、基岩裂隙水，以及地质填图，在工程中探查隐伏断裂等。常用仪器有 和辐射仪、能谱仪、射气仪、X 射线荧光分析仪、热释光剂量仪、径迹扫描仪以及室内样品分析用的各种放射性测量仪器(见核法勘探仪器)。

　　钻探机是在掩盖地区(包括水下)为取得实物，必须使用钻机，钻机按深度、钻孔口径、钻进方法、冲洗液种类等划分有多种类型（见钻探机）。

　　勘探地球物理测井仪器是运用物理学原理和方法，沿钻孔（钻井）剖面测量岩石的物性参数的仪器。按所利用的岩石物理性质不同，分为电法测井仪器、磁法测井仪器、声波测井仪器、放射性测井仪器、热测井仪器和重力测井仪器等。根据所测各种地质参数，可划分钻井剖面的岩性，评价（油）气、水层，发现矿藏，确定矿层含量、品位，研究地质构造、沉积环境以及检查井下技术状况等。

　　③ 用于研究地球演变过程或地质事件年龄的仪器。根据放射性同位素衰变原理而建立的同位素地质年代测定法，以及通过测定稳定同位素的比例来确定岩石或矿石中某些成分的来源的方法。所使用的仪器有各种超高真空、高精度的质谱仪和离子探针，以及制备样品所需设备。用于地质年龄测定的还有裂变径迹法和热释光剂量法所用的仪器，包括显微镜、自动图像仪、热释光剂量仪等。

　　测定岩石的天然剩余磁性,分析它们的磁化历史,可以研究大陆漂移、海底扩张、确定岩石年龄、研究岩石地质史等。测量岩石剩余磁性的仪器有无定向磁力仪、旋转磁力仪、超导磁力仪及相应的退磁设备等。

　　高温高压实验设备是为地球的起源及演化理论模式等问题提供科学实验数据的重要工具，用来进行地壳和地幔中岩浆岩类及其矿床成因模式的实验研究，地球深部物性、相变和相互关系的实验研究，变质作用及交代作用的实验研究等。常用的高温高压设备如热液反应装置，可在500℃以下，0.1吉帕压力下工作；冷封口式高温高压水热设备,可在1050℃、1吉帕压力的状况下工作。金刚石压砧高压装置，利用强爆炸方式，能在瞬间提供相当于地幔到地核的压力：1000℃，25吉帕或25℃,172吉帕（见实验岩石学）。

　　除以上几方面外，地质工作所需的仪器还包括：海洋地质调查需用的导航、定位、测深设备；观察地球自转、极运动等用的甚长基线射电干涉仪；进行各种模拟实验的仪器设备以及水文地质工程地质需用的静力触探仪、测检仪、地下管道探测仪等。