勘探技术方法的历史、现状和发展趋势

人类的生存和发展从一开始就与岩石、土壤、矿物、盐和水等自然资源的开发和利用密切相关。人类历史上旧石器时代、新石器时代(包括使用粘土烧制的陶器)、青铜时代、铁器时代的划分，是根据人类对矿产品(生产力发展的标志)的开发利用水平来确定的。在各种矿产资源的开发利用过程中，逐渐形成了勘查技术和工程。

中国是一个有着五千多年悠久历史文化的文明古国，勘探技术的发展有着悠久的历史。成书于公元前180年的《管子地书》明确记载:“凡有山者，山下有铁；上有铅，下有银；上有朱砂，下有黄金；上有慈悲石者，下有铜金，在此山见荣者也。”不仅揭示了金与汞、铁、铜与金、铅与银的事实和规律，而且为现代地球化学勘查利用指示矿物(指示元素)找矿提供了启示。在我国西晋张华所著的《博物志》中，有“苦艾堆积三年，铅、锡从燃烧和体液上流下，已有实验”的描述，这其实是现代生物地球化学找矿的原始思路和方法(朱逊《地质科学与地质矿产》，1997)。

至于寻找地下水和取盐的钻探和挖掘技术，发展得更早，取得的成果也更辉煌。早在中国夏朝就有“伯夷作井”的说法。到北宋时期，为了从地下提取卤水制盐，四川遂宁的卓通井钻井深度已达3000 m，并发展出一整套钻井工程、工艺及相关技术，在自贡、遂宁、五通桥等地得到广泛应用。这项盐钻井技术被誉为“现代石油钻井之父”、“中国古代第五大发明”(中国矿业四川卷，1998)。

中国战国时期用天然磁铁研磨圆规，产生了中国古代四大发明之一。这是对岩石磁性和地球磁场的早期认识和具体应用。后来，英国伊丽莎白一世女王的医生(威廉·吉尔伯特)对指向北方的指南针做了进一步的研究，得出了地球本身就是一块巨大的不规则磁铁的结论。这个结论在某种程度上启发了牛顿思考树上的苹果为什么会掉到地上。他认为物体之间一定存在引力，最终他著名的引力理论(A.E.Mussett et al .，2000)产生了。地磁场和重力场理论的建立，为现代地球物理重磁勘探奠定了基础。我国东汉著名学者张衡于公元132年发明了地动仪——侯丰地动仪，这是我国学者对地震和地震灾害的认识以及地震观测技术发展的杰出贡献。图0-4是地动仪的形状和惯性原理使倒立摆向地震波传播的方向摆动并使龙口朝这个方向把球吐出来的示意图。

0.3.2现代勘探技术

现代勘探技术从19年末到20世纪初开始发展。1888，匈牙利学者罗兰·冯·E男爵？电视？s发明了扭秤；1900年欧洲用扭转比例尺绘制构造图。1922年德州发现盐丘构造重力异常，1926年首次用地球物理扭秤法发现盐丘构造中的石油。

图0-4候风地震仪及示意图

地震勘探方法是从地震波、天然地震和声波的理论研究中发展起来的。在1905中，L.P.Garret建议用地震折射波法寻找盐丘构造。1912年，英国泰坦尼克号在大西洋与水下冰山相撞沉没后，R.A .费森登立即开始研究水下冰山的探测，由此产生了水下声波探测法，并获得了美国专利。该专利授权号为1917，是世界上第一个利用地震波进行勘探的专利。更有实际应用价值的地震勘探方法是由德国学者Mintrop提出的。他在1914年发明了机械地动仪。基于这种仪器，他在1919申请了德国专利，题为“确定岩石结构的方法”。该专利发布于1926，专利中称可以通过人工爆炸产生机械波，并被地震仪器接收。通过分析各种地震波在地下传播的深度、走时和距离，可以确定地层的厚度和密度，以及地层结构的走向和倾角(R.E. Sharif，1995)，几乎涉及了现代地震勘探的所有重要内容。

1879年，R. Salem教授出版了《磁法找铁矿》一书，随后在瑞典成功制造了Salem-Tibberg磁力仪和Thomson-Salem磁力仪，形成了确定地下磁性岩脉埋深、走向和倾角的实用方法(W.M.Telford等，1990)。

电法勘探也有着悠久的发展历史。1815年，R. Fox发现某些矿物具有自极化特性，并预言这种效应可以用来寻找某些矿物。制造相应的仪器大约需要65，438+000年。65，438+0，965，438+03年，c .斯伦贝谢用这种仪器发现了硫化物矿床，后来他又发明了具有实际勘探价值的电阻率法和等势线法(M.B .多布林，65，438+0，976)。

人们在研究地壳物质的物理性质和结构的同时，也非常重视其化学成分，对元素及其丰度进行了长期的研究。65438-0889年，美国学者F.W .克拉克发表了著名论文《化学元素相对丰度》，开创了现代地球化学的研究。目前，人们通常将地壳中元素的丰度称为克拉克值。

0.3.3现代勘探技术及发展趋势

现代勘探技术和方法的形成和发展始于西方第二次世界大战后，中国1949年中华人民共和国成立后。

根据勘查技术的进步和应用领域的变化，现代勘查技术的发展可分为两个时期:第一个时期是20世纪40-80年代勘查技术的快速发展和成熟时期，应用领域以矿产勘查为中心。第二个时期，80年代至今，是应用领域不断变化和拓展的时期。

在以找矿为中心的第一个时期，勘探技术主要分为油气勘探技术和固体矿产勘探技术。

油气勘探技术的典型代表是地震勘探和地下地球物理。通过它们的发展，我们可以了解整个油气勘探技术的发展过程和概况。地震勘探的发展经历了以下三个阶段。

第一阶段(20世纪40-50年代)，地震仪器使用电子管组件，通过光学摄影获得以专用相纸为介质的地震记录，人工整理、处理和解释资料。包括我国大庆油田在内的许多大油田都是用这种仪器和技术方法首次发现的。这类设备的主要缺点是体积大，机动性差，无法对数据进行再处理，记录动态范围小(20 dB，只有10倍的幅度差)，数据处理效率低。

第二阶段(50-70年代)，地震仪器使用晶体管器件，以磁带为介质获取地震记录。这种录音可以反复回放，经过模数(A/D)转换后可以用模拟电子计算机或数字计算机进行处理。记录的动态范围增加了1个数量级(40 dB，可以识别相差100倍的信号)。磁带仪器的出现，使反射地震多次覆盖水平叠加技术得到了应用和发展，至今仍在有效使用，大大提高了地震勘探的能力和效果。

第三阶段(70-80年代)以数字磁带记录、数字计算机处理、多通道(1000通道以上)、高覆盖观测、大动态范围(100 dB以上，可识别差值65438+百万倍以上的信号)为特征。这促进了数字处理技术的快速发展。世界先进国家用于地震数据处理的电子计算机，无论是运算速度、性能优越还是存储容量大，都不亚于军事和气象部门，甚至有过之而无不及。

除地震勘探外，其他油气勘探技术方法也发展迅速。重力测量中不再使用重扭秤，取而代之的是高精度、轻量化的重力仪。它可以测量水下、地下和空中(空中重力)。地面重力测量的精度可以达到微重力水平，这样的高精度测量在其他方面也很有用。比如，20世纪70年代初，美国阿波罗-17登月飞船使用的月球-4重力仪和探测中使用的高精度重力仪出自同一家公司的同一设计师，其精度为微重力水平。实验的目的是以月球为参考质量，同时对地球和月球进行重力测量，以证实爱因斯坦关于重力波存在的预言。可惜因为一些微小的设计错误，这个实验失败了，重力仪的精度和高分辨率是非常确定的。

在此期间，油气钻井技术也迅速发展，出现了超深井、斜井、水平井和同井位多向钻井丛式井，以及以钻头为震源的随钻地震技术。

在固体矿产勘查等应用中，勘查仪器、设备和方法正朝着便携、数字化、高精度、高效率的方向发展。20世纪50-60年代，出现了精度更高的航空核磁力仪和光泵铯铷蒸汽磁力仪。航磁测量快速、高效，便于大范围测量，易于在地面难以进入的地区进行勘探，如沙漠、高山、极地和海洋，在铁矿勘探和含油气盆地基底描述中发挥重要作用。这一时期出现了遥感、航空摄影、卫星定位、航空电磁法、航空伽马、航空重力等其他航空勘查方法，以及地面和地下的放射性、地球化学、电法、探地雷达等各种新方法、新技术、新仪器，从整体上提高了矿产勘查的技术水平，全面增强了勘查功能，扩大了找矿效果。

20世纪80年代至今，是现代勘探技术工程发展的第二个时期，这一时期的方法和技术也在一定程度上代表了勘探技术的发展趋势。其显著特点是在勘查技术不断发展的同时，活动领域从以找矿为中心扩展到不仅服务于资源和能源的勘查，而且服务于生态环境、城镇和大型工程建设。活动字段的变化由以下因素决定。

首先，人们逐渐意识到环境保护的重要性。人类在开发利用自然，享受高科技创造的现代物质文明的同时，给自然和生态环境带来了严重的破坏。环境问题引起了世界各国的重视，环境地球物理学、环境地球化学等新的勘探技术工程分支也逐渐调整了自己的位置和方向。

二是大型工程建设速度和规模不断扩大，包括公路、铁路、地铁、机场、矿山、管道、大坝、建筑、核电站、码头等建设。这些设施的质量和安全及其相应的环境保护已经成为前所未有的关注。因此，工程地球物理学这一更古老的学科也受到了特别的重视，90年代开始出现了环境工程地球化学这一新学科。

环境工程地球化学是通过地球化学作用来改善环境的科学技术。其主要任务是防止污染，改善岩石和土壤的物理和化学性质，提高水质。

第三，随着城市化进程的加快和城市人口的增加，寻找地下水的城市地球物理、地理信息系统(GIS)、遥感(RS)和水资源勘探技术的市场需求迅速扩大。

上述源于不同应用领域的新勘探技术和方法仍由图0-2和图0-3中间所示的那些组成，各方法的适用范围仍应参照表0-1。该表主要是根据技术方法的性能确定的。在实际应用中，还要注意使用性价比来选择合适的方法，高的比例优先。用各种方法做同样的工作，经济成本是不一样的。

20世纪80年代以来，随着信息技术的进步和社会需求的变化，勘探技术有以下主要发展趋势。

充分利用信息、网络和计算机，使勘探技术在数据采集、传输、存储、处理、解释和显示方面更加现代化。巨型并行计算机、海量存储、网络数据的高速传输和通信、各种解释工作站和三维可视化显示将得到广泛应用。

勘探技术工程会根据研究对象的复杂程度，不断提高解决复杂问题的能力。地球是一个复杂而庞大的系统。目前只能用一个理想简单的数学物理模型来描述。根据这种理想模型和勘探技术人员在地表或上方观测到的有限数据来反演或解释地球内部是不准确的。它只能部分解决一些简单的问题，向人们展示一个复杂而真实的地球内部将是一项艰巨而长期的任务。

强化勘探技术功能，调整投资结构。指出了勘探技术的一些新的应用领域，如何在这些领域取得实质性进展是人们应该重点关注的另一个问题。水资源的开发是一个迫切的问题。全世界地下水勘探投资(1991年)只占勘探总投资的0.1%(r . e . Sheriff，1995)。像这样改变不合理的投资结构，可以促进技术向相应的方向发展。