地球深部探测关键技术装备研发现状及趋势

黄大年，于 平，底青云，郭子祺，林 君，孙友宏，徐学纯

1.吉林大学地球探测科学与技术学院，长春 130026 2.中国科学院地质与地球物理研究所，北京 100029 3.中国科学院遥感应用研究所，北京 100101 4.吉林大学仪器科学与电气工程学院，长春 130026 5.吉林大学建设工程学院，长春 130026 6.吉林大学地球科学学院，长春 130061

地球深部探测关键技术装备研发现状及趋势

黄大年1，于 平1，底青云2，郭子祺3，林 君4，孙友宏5，徐学纯6

1.吉林大学地球探测科学与技术学院，长春 130026 2.中国科学院地质与地球物理研究所，北京 100029 3.中国科学院遥感应用研究所，北京 100101 4.吉林大学仪器科学与电气工程学院，长春 130026 5.吉林大学建设工程学院，长春 130026 6.吉林大学地球科学学院，长春 130061

地球深部探测技术装备为实施国家地壳探测工程战略计划、揭示地球深部奥秘提供技术保障，其发展水平将决定在辽阔的国土和海洋区域大面积、大深度获取数据和信息的能力。瞄准国际前沿装备技术，从国家高科技发展战略出发，针对复杂地质环境的探测能力和效率，自主研发深部探测仪器装备。基于研究现状和基础，从6个关键技术开展工作，分阶段落实探测工程战略计划，迅速提升整体技术水平。通过跨部门联合建设研发基地、汇集优秀人才、培训人员，引进、消化、吸收国外高端产品技术，加速完善自主创新、产学研用相结合的发展模式，迅速改变我国深探仪器装备长期依赖进口局面，在较短时期内完成从起步到成熟阶段的跨越式发展。

深部探测；技术装备；引进；自主创新

0 前言

地壳探测工程的主要目标是了解地球深部构造和物质成分分布及演化规律，由此推断解释其对浅层地壳活动的影响，包括能源和矿产资源分布规律以及地质灾害产生的原因和预警、预防措施。探测装备通过采用最先进的技术，获取高精度的数据和构建分析依据，推动人类对地球的认知水平向更深层次发展。基于目前探测技术发展所提供的手段和能力，可以有效实现的阶段性科学目标包括：建立空天—地面—深部—海域的立体探测、观测技术方法体系和超级地球模拟器平台；构建对地探测与观测全球网络体系，提供基础科学数据；寻找深部能源“新区”、矿产资源“新空间”，保障资源可持续供应；揭示大陆地壳、岩石圈结构，提高对内动力作用把握，提升自然灾害预警、预报能力；同时，探索解决CO2地质储存、核废料地质处置的新途径，发展地热能开发技术。为实现上述目标，形成了一揽子实施方案，即国家领导顶层设计，跨部门联合国内优势科研力量，分阶段推进完成攻关目标任务。在此框架下，中国地壳深部探测工程从2008年开始，由国土资源部组织实施、中国地质科学院牵头管理，已经在辽阔的国土区域分阶段全面展开，并向海域延伸。目前，已经基本完成“深部探测技术与实验研究专项”（英文简称：SinoProbe）阶段任务，基本实现了经验、技术和人才储备的阶段性目标，为下阶段地壳探测工程的全面开展提供坚实基础和技术支撑［1－2］。

根据中国大陆地质构造格局，部署了大面积台网观测、超长和超深探测剖面以及深钻和超深钻验证工程，覆盖和跨越了主要地质构造单元。骨干性超长和超深探测剖面纵横连续穿越不同地块边界和造山带以及关键构造带，控制了典型地质活动区带、地质灾害频发区以及重要含油气盆地与大型矿集区。通过采用能够反映地下精细结构的地震探测仪器装备实现深地震反射、折射、宽频带数据采集和处理解释。同时结合重、磁和大地电磁等地球物理联合深部探测技术，并辅助应用大面积地球化学、遥感等浅层探测手段，构成海量和多元信息数据综合分析基础和科学依据。在海量和多元信息基础上，精细了解中国大陆典型地域的三维结构、格架与图像，揭示岩石圈与软流圈等层圈与更深部地幔之间的相互作用和规律（图1）［3－5］。

探测装备技术的先进性和科学组合将决定获取数据的信息程度、精确程度、探测效率、应用条件以及对实现地壳探测工程目标所提供的技术保障程度。长期以来，深部探测仪器装备技术一直依赖进口，并按照勘探任务需求和特定应用条件制定进口方案。这些引进技术可以针对来自地球深部的磁、电和声波等地球物理现象进行探测分析，在揭示地球深部奥秘的SinoProbe 8个地学工程项目中扮演着积极的作用。应用过程中，我国科技人员积累和掌握了大量的经验和技术；同时也意识到，实现深部探测工程目标需要专门的技术组合支撑，对装备的先进性、可靠性、实用性和需求量要求更大，维护成本更高。中国作为国土疆域辽阔、能源和资源需求大国，不可能长期依赖装备技术进口，应该具有自主研发关键仪器装备的战略性思考、推动和落实。从国家高科技发展战略目标出发，制定国产装备发展计划，适应勘探对象、手段和应用条件等实际需求，迅速提升仪器装备研发的基础能力和整体技术水平。我国的“深部探测关键仪器装备研制与实验”项目（SinoProbe－09）在此背景下应运而生，计划为SinoProbe 8个工程项目和其他相关探测工程领域提供装备技术支撑。经过两年多的努力，SinoProbe－09研发人员在学习和掌握国外先进装备技术的基础上，逐渐形成了按照先进装备制造要求建立的研发基地和人才梯队。实验性项目和工程样机研制如期推进，关键核心部件研制获得了突破性进展，缩短了与国际一流仪器装备技术产品的距离。

图1 “地壳深部探测工程”第一阶段（2008—2012）任务——“深部探测技术与实验研究专项’工作部署Fig.1 Work arrangement of the initial phase of SinoProbe—deep exploration technology and experimentation

1 深部探测仪器装备技术组合

目前了解地球深部信息的主要途径是通过获取和分析地球重力场、磁力场、电磁场、地温场、放射性能谱、光波和地震波等地球物理现象以及深部科学钻探带来的实物验证数据，解释和推断产生这些现象的深部地质对象物理属性和分布规律。其中，依据地震学原理组织的探测方案仍然是主要探测手段，被称为深部探测的技术先锋。美国COCORP［6］、英国BIRPS计划［7］、澳大利亚 GLASS EARTH 计划［8］、加拿大的 LITHOPROBE［9］均将基于地震波原理分析技术作为探测布署的重点探测手段，形成的解释模型和参数为揭示地下构造和物质属性提供了重要依据。针对深层探测特点，广泛应用了“深地震反射剖面法”，还配套进行“宽角反射与折射地震剖面法”和“宽频带数字地震移动台站法”。在实现地壳精细结构探测任务过程中，3种方法组合应用，共同揭示整个深部结构图像与变化，追踪深部过程。针对深层地质构造和属性的复杂性，其他非震勘探方法，如大地电磁测深、大面积和高精度重力和磁力测量、大地热流等方法通常作为重要的辅助手段，对岩石圈密度、磁性以及电性等综合物理属性研究，揭示深部构造区域性背景以及断裂和接触带等特殊部位的精细结构，弥补单一地震技术组合带来的局限性和多解性。相比较而言，地震方法在界面成像技术和局部构造精细识别和划分方面存在很大优势；但是，由于应用成本高，难以用于圈定大区域油气藏远景和构造，尤其是应用在盐丘、火山岩等弱信号区时，则难以发挥其优势。而非震方法基于诸如岩石密度和传播速度等属性间的内在联系，在改进地震弱信号解释图像、圈定大面积储油气构造以及正反演地质体方面有着独到的优势；其客观存在的反演多解性问题可以通过地震资料的约束得到有效控制。经验表明，现有探测能力通常以地震探测技术为先导，同时融合其他方法技术，形成面向共同的地质对象实施多元参数定量综合分析解释。并由此发展基于数据处理、分析、建模和管理多功能融为一体的地学软件分析平台，将不同方法技术提供的信息以及领域专家参与的解释过程融为一体，实现相互间约束和参数调整，提高解释精度，减小勘探风险。通过提高探测仪器精度，并对传统探测技术方法实施组合，对成果进行有机融合，可以有效加深对地球深部结构和演化规律的认知。由此，仪器装备研发方向必将围绕现有研发能力和探测技术组合进行策划并逐步完善和展开。

根据上述方法技术特点和勘探实施方式，深部探测关键仪器装备的研发方向可分为地面探测、快速移动航空探测、钻井取样验证以及海量和多元数据处理分析一体化软件平台。针对地面定点观测方式和复杂地形条件，发展地震勘探系统和大地电磁勘探系统；针对航空搭载快速移动探测方式，发展高效率和高精度的航空重力、磁力、电磁法勘探系统；针对深部和万米超深科学钻探验证方式，充分利用国家工业基础和技术集成条件，突破多种工程极限瓶颈，发展大功率大陆科学钻探系统；针对多种方法验证和数据集成、分析环境，发展面向地质模型综合研究一体化软件平台；针对仪器研发指标、实用化和规范化管理要求，建设探测仪器装备野外实验与示范基地。

1.1 综合研究一体化软件平台（SinoProbe－09－01）

面向三维的地质模型，将海量数据管理、数据处理和反演解释技术、数据融合和建模方法等功能，按照高效率的工作流程方案融为一体，是当代软件的研发方向。目前，西方发达国家占据大型地学软件研发和销售市场，形成垄断地位。在石油软件领域，斯伦贝谢公司通过兼并整合其他软件公司，发展了一系列软件处理平台，如 Petrel、GeoFrame、Omega2、ProSource、TechLog等；在石油勘探和油藏领域，整合了广泛使用的数据库管理、数据处理解释、三维可视化、建模和储层横向预测等先进软件技术。CGGVeritas公司作为有力竞争对手，也推出具有特色的相关软件。在二者引领下，形成市场竞争和发展的良性格局。在非震数据处理解释领域，Geosoft公司经过30多年的发展，推出了针对电、磁、重以及GIS等非地震数据相融合的处理分析系统，着重于高精度海量数据处理与信息提取，并支持解释处理。国内勘探软件研发几乎与国外同时起步，真正的市场化研究和产品化推出始于20世纪90年代初，初步形成研发高潮和规模。围绕油藏技术服务支持方向，我国三大石油公司为此投入了大量资金和开发资源，对基地建设、人才培养和产品研发形成有力支持。中石油BGP经过20年的研发，在GRIstation和GRISYS基础上，推出了二者合为一体的GeoEast地震资料处理和解释软件系统，并在行业内推广使用［10］。中石化南京物研院经过10多年的研发也推出了大型地震解释系统NEWS，并在此基础上开发研制了NEWS油藏综合解释系统，在实用性和稳定性方面有突破性进展［11］。然而，GeoEast和NEWS都基于石油行业应用软件的功能开发，大量软件内容继承了早期基础、设计思想和功能框架，以致于后续研发受控于早期研发所缺乏的系统化考虑以及软件平台技术支撑，容易遭遇软件系统研发过程中稳定性、兼容性和扩充效率等方面的常见“硬伤”。在油气专业软件应用转向深探领域的过程中，由于兼容性的限制，难以针对特定研究目标进行功能重组和有效调整。

在实验研究阶段，SinoProbe－09－01项目通过引进和自主研发软件平台（“红蓝军”）两条路线，瞄准当代软件发展方向，研发综合研究一体化软件平台，为深部探测综合信息集成与分析提供技术支撑。研发思想是：针对应用于油气勘探的地震数据处理分析软件进行应用目标转向技术改造，完善高端平台服务于深探需求的多功能联合；同时，强化研发和应用2类人员的系统化训练和经验积累，规范软件产品研发指标管理，加速跟进国外软件发展步伐。具体方案为：在“红蓝军”高端软件平台上，面向深探任务需求进行二次开发，将电、磁、重、震、井数据处理分析融为一体，实现插件、跨平台和超算功能，有效融合深探数据的多元信息以及分析过程中所需的计算机超算能力硬件资源。研发内容包括：硬件环境、操作系统等操作环境要素；数据存储、管理、通用组件研发和数据处理领域组件研发等技术层面支撑；综合处理解释系统应用层和人机交互层设计。经过近两年的努力，完成了框架设计和关键技术部件的研发测试，初步具备了国际高端软件产品研发的基础和能力，阶段产品测试结果令人鼓舞（图2）。

1.2 大功率地面电磁系统（SinoProbe－09－02）

图2 自主研发的针对深部探测海量和多元数据的处理、分析和融合一体化软件平台视窗Fig.2 Zndeperdent developed all－in－one software interface facing huge and multiple data processing，analysis and merging of deep exploration

地球电磁特性测量技术是了解深部电性物理结构和寻找金属矿藏的重要手段，提高探测深度和分辨率是当今电磁仪的发展方向。目前，我国地质矿产勘查普遍使用的高端地面电磁系统几乎全是进口，主要以加拿大凤凰公司生产的V8系列产品为代表，核心技术受制于人。由此造成针对深探项目实施所需的大批量、大面积、大功率、大深度技术改造以及相关技术保障遭遇重重困难。在实验研究阶段，SinoProbe－09－02项目组从基础研发入手，明确攻关方向，以突破磁芯材料和低频微弱信号检测等磁传感器的关键技术为核心，推动感应式宽频带磁传感器原理样机研制；同时针对大功率发射、数据采集、数据处理等系列部件开展了攻关研究，取得了重要进展。感应式磁场传感器是大地电磁方法（MT）、可控源音频大地电磁方法（CSAMT）等仪器的核心部件，是制约我国地球物理电磁方法仪器发展的瓶颈［12－13］。该系统目前已突破极低频微弱信号检测技术、高磁导率磁芯设计和线圈设计与加工工艺等关键技术。多次实验室测试和野外测试表明，自主研制的传感器指标与国外先进产品指标相当（图3）。但是目前研制的发射功率、观测频段等指标仍不能充分满足深探计划的更大需求，需要更加深入地优化发射、采集和数据处理技术方案，采用多机联合式大功率电磁法发射、低频磁传感器、阵列式低功耗观测和高精度三维正反演的组合技术。在此基础上，实现大功率地面电磁仪国产化、批量化，形成新一代大范围、大深度（达到2 000m）的地面电磁勘探系统，逐步替代国外产品，形成可持续的自主创新力量。在掌握研发技术的基础上，根据我国资源探测要求的不断变化，进一步向加大探测深度、范围以及适应野外施工环境等需求的方向发展，强化观测阵列式、实时性、长时间、大范围，以及装置模块化、智能化、便携化。

1.3 固定翼无人机航磁勘探系统（SinoProbe－09－03）

无人机探测系统作为现代高科技探测手段，适用于复杂地形条件和高危环境下高效率、高精度采集空间位场数据，可以有效揭示地下磁场的场源分布规律。目前，智能化无人机探测技术属于国际前沿技术和研究热点，仅为美国、英国、日本、加拿大、德国、瑞典等少数发达国家所掌握。近5年，加拿大Fugro公司投资研发用于资源探测的无人机航磁系统，已进入试飞阶段。国外航磁探测领域已经建立了完备的技术体系，实用化和工程化程度较高，具备了从信息采集、处理到解释与应用的综合实力，解决实际问题能力较强。鉴于潜在军事应用的敏感性，国外在几个关键技术方面，对我国采取了严格的技术封锁政策。尽管航空磁力仪、磁补偿器等低端器件可销售我国，但核心技术和集成系统整套装备却一直处于严控状态。我国在无人机探测系统整套装备研发领域起步较晚，目前仅有少量作为科学试验目的研究样机，没有用于探测目的的工程化产品。

在实验研究阶段，SinoProbe－09－03针对复杂地形条件下航空物探的要求，攻克智能化无人机飞行平台研制的关键技术，研发性能可靠、稳定的无人机物探飞行平台，研制多探头、多分量的航磁张量探测系统，打破国外的技术垄断，满足我国矿产资源详细勘查和地壳深部探测的重大需求。在低磁无人机制作、高可靠性自驾导航仪研制、氦光泵航空磁力仪与超导航空磁力仪已经配套的数据预处理系统开发方面取得了重大阶段性突破，使我国在无人机飞行平台、自动控制与导航仪、高精度航空磁力仪和运动平台的磁补偿技术几个关键核心技术方面具备了向国际先进行列迈进的产业基础。针对无人机航磁特点，相继在核心磁传感器、磁补偿等方面取得突破，研制出高灵敏度、快速采样、高分辨率、大工作范围、智能化、低功耗、高稳定性的航空氦光泵磁力仪等关键仪器部件；可实现多路光泵磁力仪及磁通门三轴仪同步测量，能够满足磁补偿、梯度计算、磁场方向计算的需要；研制出低温超导SQUID芯片和电路，推进了三轴磁强计和单轴梯度计构成的超导集成组件研发；总体技术参数达到国际先进水平（图4）。在遥控、遥测地面监控站研究中，“一站三机”高效航磁无人机探测控制系统取得了突破。针对复杂地形条件和探测空域需求，研制出多种类型的航磁探测设备和高低空无人机搭载平台；自主开发高精度、高稳定、高效的无人机自动飞行控制与导航系统。研发思路和集成技术有效提高了无人机航磁探测系统的适应性、安全性和可靠性［14］。

1.4 无缆自定位地震勘探系统（SinoProbe－09－04）

地震勘探系统作为深部探测最有效的技术手段，能够揭示地下深层更为精细的地质结构和属性。国际上，正在向超万道、超低耗、超小型、宽频带、有线和无线混合数据传输、大吨位可控震源、适用于复杂地形、可用于多波多分量勘探等方向发展。法国的SERCEL公司处于行业领先地位，不断推出分别适用于陆地、山区、海洋等区域勘探的系列产品。近年来，无缆存储式地震仪研究针对山区应用特点迅速发展，成为国外主要厂商研究的热点。法国SERCEL公司推出了UNITE无缆地震数据采集系统，美国ION公司推出了Firefly无缆地震数据采集系统，美国REFTEK公司推出了REFTEK系列宽频地震仪（仅用于天然地震监测）。产品的主要特征和创新表现为大容量数据存储、无线通讯、自定位、数据回收等多项关键技术，为复杂地形的地震勘探提供了有效的工具。我国研究水平严重落后于国外，缺乏专用集成电路技术，在体积和功耗上遭遇瓶颈，严重制约了自主研发地震勘探采集系统的竞争力，导致依赖国外装备，形成了技术制约和垄断态势。国外装备难以满足我国复杂地形的勘探需求、大批量的产品需求、大范围的维护保障需求，尤其是国家经济发展所需的技术发展结构需求。

目前，SinoProbe－09－04在原有的技术基础上，经过近2年的努力，自主研制成功适用于深部探测特点的无缆自定位地震勘探仪器，突破了有缆地震仪采集道数和道间距限制等技术瓶颈。研发的核心技术为：采用数字存储架构，通过GPS高精度定位和授时实现了地震采集站的空间自定位和同步采集，摆脱了通讯电缆的束缚和无道数的限制，自带存储器可长时间连续记录，实现了随时、随地（适用于复杂地形）和免测线测量、存储和无线混合接收、根据观测需要设置任意道间距的地震数据采集。采集站具备多项先进功能：高精度GPS定位、多个采集站可任意组成静态GPS基线向量网、实现各观测点的三维空间位置自测量、定位精度为厘米级、支持任意排列的地震数据采集。勘探仪器基于802.11g无线通讯协议，结合无线通讯基站构成分层自组织无线通讯网络，实现了长距离无线状态监测和短距离无线地震数据快速回收。单个无缆自定位地震采集站支持iOS、安卓、Windows Phone平台的手持终端的无缝数据接入，可实时配置仪器工作参数、查看仪器运行状态和实时显示采集波形。地震勘探数据回收中心支持有线、无线分布式数据回收，兼容炸药、可控震源、地震锤等多种震源［15－16］（图5）。

1.5 万米大陆科学钻探系统（SinoProbe－09－05）

图3 自主研发的电磁勘探系统部分核心部件、控制电路和磁传感器（a）及野外测试视电阻率对比（b）Fig.3 Zndependent developed SEP system，control circuit and magnetic sensor（a）and field testing resistivity result（b）

科学钻探技术是唯一可以直接获取地球深部样品的技术，在地球深部探测过程中起着至关重要的作用。自20世纪70年代以来，超深科学钻探工程已经被列为国际重大科学计划，包括大陆科学钻探计划（ICDP）和海洋科学钻探计划（IODP）。很多发达国家陆续实施了多项科学钻探计划，具有代表性的有前苏联的科拉半岛12 261m超深钻［17］，德国的KTB 9 101m主孔深钻［18］和美国的夏威夷科学钻探［19］。我国于2005年在江苏省东海县完成了CCSD－I科探井，井深5 158m，取得了宝贵经验。大陆科学深钻由深部取心钻探与机具关键设备组成。施工过程中具有周期长、负荷大的特点，需要在高地温、高地压等极端条件下完成施工、钻井、固井、录井、测井、测斜防斜和完井工艺等项任务，工作难度大、风险大；对地面钻探设备和孔内机具综合应用指标提出超出常规的使用要求。前苏联和德国凭借钻探技术与机电设备研发方面的技术优势，至今仍然保持着世界领先的科学钻探超深孔作业纪录［20－21］。

图4 自主研发的无人机航磁探测系统部分核心部件、超导磁梯度仪、自导航系统、光泵磁力仪和低空无人机（a）及磁补偿系统测试结果比较（b）Fig.4 Zndependent developed UAV aeromagnetic exploration system，including superconductive magnetic gradiometer，self navigation system，optically pumped magnetometer and low altitude unmanned plane（a）and magnetic compensation system testing result（b）

目前，SinoProbe－09－05万米超深科学钻探主体装备已经成功下线，并实现了“深井高转速大扭矩全液压顶驱系统”和“悬挂式自动钻杆排放装置”两大技术突破。其中：SP－I－01型高速大扭矩全液压顶驱采用了动力机直接驱动液压泵构造闭环液压系统，具有效率高、调速性能好的特点，无需电传动钻机通常采用的发电机组、整流、同期和逆变装置，大幅度降低了整个钻机系统的制造成本；SP－I－02型全液压自动钻杆排放装置集成了机电液一体化技术，整机动作齐全、结构紧凑、操作方便、自动化程度高、设计理念及技术先进，功能配置和制作工艺接近国际水平。超深科学钻探成套装备技术集多学科先进技术于一体，所取得的成果涵盖地面设备、孔内机具、先进钻探工艺3个技术范畴，是国家制造业综合实力的体现。通过跨行业技术联合以及产学研一体化发展模式的优势，形成具有自主知识产权的深部科学钻探技术装备理论体系及系列化产品，并进一步拓展至海洋深部钻探应用领域，使我国深部大陆科学钻探技术研发水平跻身国际先进行列，在满足国内需求的同时，向海外拓展［22－23］（图6）。

图5 自主研制的地震勘探系统测试现场（a）和宽频带地震数据采集技术特性（b）Fig.5 Zndependent developed seismic exploration system testing（a）and wide band seismic data acquisition quality contrast（b）

图6 万米科学钻探升级改造设计（a）及主体装备下线仪式（b）Fig.6 Upgrading and rebuilding design of ultra－deep drilling system （a）and main parts completion ceremony（b）

1.6 野外实验与示范基地（SinoProbe－09－06）

在深部探测技术与装备的实验研究中，野外实验将完成检测仪器装备和技术方法实用性、可靠性的任务，发现和解决研发过程中存在的问题，推动仪器装备研发的规模化研发、测试实验管理进程。通过对各种探测仪器的质量和探测能力进行对比研究，仪器装备的各项指标将得到认证和按照国际标准化管理，由此推动市场化并参与国际竞争。发达国家均在勘探开发后期建立实验示范区，以检测仪器装备和方法的有效性。例如，澳大利亚利用老矿区Broken Hill［24］建立野外实验示范基地，对各种新方法新技术进行实用性测试和仪器比对试验。目前，我国急需建立一个高标准、数字化的深部探测仪器装备野外实验与示范基地，满足检测自主研发探测仪器装备和技术方法的需求，实现自主研发探测仪器装备的统一高标准检测和应用技术方法的创新，同时开展国外进口探测仪器装备的检验和比对研究，促进和提高探测仪器装备自主研发水平和能力，保障地壳探测工程的顺利实施。

图7 探测仪器装备的野外实验示范区中地质走廊带重要的地质单元岩性及接触关系Fig.7 The main geological units and contact relationship of field experiment area of exploration instruments

在实验研究阶段，SinoProbe－09－06项目围绕吉林大学兴城地质教学基地以及周边环境开展了大范围野外地质和地球物理调查。经过综合分析和比较，确定穿越不同岩石与构造单元的地质走廊带可作为野外实验与示范区，明确了仪器装备野外实验与示范基本地质要素和检测单元及实验靶区。计划将野外实验与示范基地建成四位一体的实验研究基地，即具有国际化标准的探测仪器装备野外实验检测基地、地学综合型人才培养基地、地质科学研究基地和地学科普教育基地。同时，实验与示范基地具有海陆交互的地质条件，不但是开展地壳探测仪器装备陆地实验研究的良好场所，也是开展海洋实验研究的有利地区。在陆地实验研究的基础上，进一步开展海洋探测仪器装备的野外实验研究，为进一步的海洋研究和海洋资源的开发利用提供仪器装备保障（图7）。

2 挑战和应对策略

深部探测仪器装备属于高科技装备，对探测深度、周期和精度有特殊要求，其研发水平与研发机构所具备的工业制造能力和基础密切相关，涉及材料、电子和精密加工等核心工艺技术。我国在此方面的基础、研究程度和资金投入远落后于发达国家，在国际市场和技术交流过程中处于被动地位，尤其在核心传感器和加工工艺技术上处于启动阶段，专门人才和经验严重短缺。所以，研发策略必须采取国家高科技发展计划（“863”计划）中所倡导的核心思想，瞄准国际前沿研究成果，通过引进人才、技术，直至部分和整套产品，推动自主研发。在装备技术上，采用酌情引进、系统吸收和跨部门联合攻关创新的思路，实现对发达国家的追赶和超越。首先，从提高核心部件、产品和技术的国际竞争力出发，学习和研究对手，融入国际竞争环境，制定符合国际规范的研发计划和方案。其次，加大人员和资金投入力度，充分利用国内制造能力，辅以国际对外加工技术，在器件设计、制造、测试、系统集成和可靠性等技术难点方面进行有针对性的合作、引进、消化、吸收和有效扩展，从而掌握技术制高点和主动权。对于个别短期难以自主开发的关键部件，直接从国外购进、学习和创新，逐步推动仪器装备的国产化。同时，还要加强对国际高端装备制造流程的管理，对研发人员资质、工艺流程和产品质量实施规范化评估，攻克器件设计、制造、测试、系统集成和可靠性等技术难点，提高产品国际竞争力。最终，充分利用我国深部探测仪器装备的巨大市场潜力，加强宏观规划和协调，实现学科交叉优势互补的国内相关科研、设计、制造企业的强强联合。在已有技术积累的基础上，坚持原始创新、集成创新、引进消化吸收再创新相结合的技术重组策略，加速实现高端装备自主研发战略目标。

国内外经验表明，自主研发实力的提高，将减缓对国外先进技术和装备的依赖，形成技术对等和公平合作局面，将是研发过程中不得不面对的战略性思考。深部探测仪器装备将结合地球深部探测应用目标，充分体现国力和科技水平，对研发型和应用型两大类人才队伍提出更高的专业技能要求，需要大量系统性培训和教育投入。针对两大类专业人才需求，通过引进吸收国外最先进的装备技术和理念，形成训练和培养系统方案，参照国际市场专业人才技能和资质考核标准，造就具有国际视野和专业竞争力的人才群体，强化产业发展所需的人才资源基础。人员的素质和能力是装备产业化的基本要素，将决定大型装备研发系统中自主研发和引进集成方式所占比例，从而保障设备整体在市场上的国产率和竞争力。只有通过高端人才训练、人才获得、人才重组、高水平团队优化，才有可能建立高水平研究基础，研制出具有国际水准的仪器装备。

3 发展潜力和前景

近30年来，在精密仪器和重型装备制造领域，由于信息科学技术的迅猛发展，带动了高新技术行业全面发展，尤其是材料技术、制造技术、电子技术、通信技术、空间技术等相关领域迅速发展，从而推动了探测装备集成技术全面发展。在科学应用领域，地球科学研究的方向已经从观测描述与推论结合的模式迅速走向数据处理、数值分析与模拟、时空演化趋势预测等量化型研究模式，加大了认知地球的视角和能力，从而扩大了仪器装备的应用领域和范围。深部探测重型装备关键技术研发顺应潮流、应运而生、蓄势待发，呈现巨大发展潜力和应用前景。该技术是集高端科学原创技术、集成技术、研发和应用相结合的经验技术以及多学科联合攻关组织等融为一体的系统工程技术。由于深部探测工程的复杂性和超极限应用需求，产品质量和指标不得不面临前所未有的挑战，从而激发多学科协调攻关的动力和责任。它的发展势必拉动多种学科和行业的进步，尤其是推动高端产品制造、精密制造、敏感器件制造和特殊工艺技术大范围发展，也势必拉动相关产业链的重新组合和发展，对市场需求重新布局、调整和新产业构建形成产生重要影响。在形成产业化过程中，该项系统工程技术将在其基础研发阶段、产品生产阶段、组合测试阶段以及最终集成成果和调试阶段，都有着将不同阶段成果推向产品和形成新型产业终端的巨大潜力。

有理由认为，实验研发阶段所取得的突出阶段性成果将推动下一步地壳探测工程在全国范围内的全面展开，探测领域和需求范围也将从陆地拓展到海洋，对取得的成果应用也将提出更高要求。海洋资源和能源探测从来都是大国和发达国家扩大影响的战略重点，也是国力和能力的体现。海域深部探测相对于陆地深部探测，具有更高的风险性和探索性。对此，针对我国疆域特点，重点发展了系列性具有国际先进水准的海洋探测装备，尤其是深水油气地球物理探测技术。海洋深部资源勘探面临的主要挑战是：大面积施工难度、海况对施工的影响、船载探测项目海洋环境保护限制、复杂的海床地貌环境、深海水下验证和钻探验证难度等。这些难题迫使陆地探测手段必须进行相关的技术更新，以适应海洋探测应用需求。一些发达国家倾注巨大人力、财力，积极推进勘探和开发涉海资源，获得巨大回报。如美国墨西哥湾深海油气田勘探和大西洋东西沿岸国家油气勘探。中国南海周边国家通过引入国际联合勘探技术，成功获取南海油气资源。技术亮点包括：针对海域和海底复杂地质构造条件的重、磁、震、井融合技术；针对薄层和低阻层的MPSI地震随机反演解释技术；针对深海油气藏探测的可控源电磁法与地震数据联合解释技术；针对深海钻探精确布孔的地震及重力梯度联合正反演技术；采用CGGVeritas技术进行切面幅值反演恢复图像清晰度和发现油气盖层泄露等项国际先进成果技术；针对深海钻探选址的无人潜航器搭载海底微生物和油气渗漏探测联合验证技术。这些成功应用的探测技术手段引起了我国同行的关注，应有充分的技术准备和储备，充分利用大国发展战略优势，通过了解信息、制定方案、赶超目标，形成有利于我国海域深部探测的技术优势。

4 小结

目前，获取和分析地球重、磁、电、放、地温和地震波等地球物理现象以及深部科学钻探成为了解地球深部信息的主要途径，由此解释和推断深部地质对象物理属性和分布规律。探测装备技术的先进性和科学组合将决定获取相关数据的信息程度、精确程度、探测效率、应用区域以及技术保障程度。深部探测仪器装备技术有别于浅层探测技术，是集高端科学原创技术、集成技术、研发和应用相结合的经验技术，以及多学科联合攻关组织等融为一体的系统工程技术。由于历史原因，我国深部探测仪器装备长期依赖进口，研发处于起步阶段。其被动局面严重制约着我国地球科学能源、矿产资源勘探的发展，直接影响我国参与国际资源竞争的能力。通过引进、消化、吸收国外先进技术，发展自主研发仪器装备，满足辽阔国土疆域探测需求，将被动变为主动已成为迫在眉睫的任务，具有现实意义。

“深部探测关键仪器装备研制与实验”项目由6大技术分支组成，瞄准国际前沿和高端产品制定了第一阶段发展目标和实施方案，并取得了突破性进展。它的实施为改善我国在此类产品研发所呈现被动局面起着积极推动作用。近10年来，我国在材料、电子、传感器和相关制造工艺技术方面有长足发展，为推动探测仪器装备研发奠定了良好基础，也将为陆地探测扩展到海洋领域深部探测提供了良好的技术实现环境。中国南海周边国家成功获取资源的技术手段和发达国家的技术介入，已成为我国同行密切关注的对象。严峻的现实将迫使我方研发人员通过研究应用对象和仪器装备的科学组合、落实人才培养和基础建设战略任务、发挥现有优势，实现我国自主研发深部探测仪器装备在较短时期内完成从起步到成熟阶段的跨越式发展。

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Development of Key Instruments and Technologies of Deep Exploration Today and Tomorrow

Huang Da－nian1，Yu Ping1，Di Qing－yun2，Guo Zi－qi3，Lin Jun4，Sun You－hong5，Xu Xue－chun6
1.College of Geo Exploration Science and Technology，Jilin University，Changchun 130026，China 2.Institute of Geology and Geophysics，Chinese Academy of Science，Beijing 100029，China 3.Institute of Remote Sensing Applications，Chinese Academy of Science，Beijing 100101，China 4.College of Instrumentation and Electrical Engineering ， Jilin University，Changchun 130026，China 5.College of Construction Engineering，Jilin University，Changchun 130026，China 6.College of Earth Sciences，Jilin University，Changchun 130061，China

Deep exploration instrumentation and technologies provide technology supporting for national crust probing plan that discovery deep earth profound，which development level will decide capability of acquisition and interpretation of data and information from huge continental and marine areas and ultra deep in China.In light of national high technique strategy with aiming at international high－ranked technology，development by the country has to be carried out to meet the request of probing capability and efficiency in geological complexity environment.The development has been designed inseveral phases and six technique directions，in order to speed up the level of the development.With strengthening cooperation of development units，R＆D basis is established with introducing experts，professional training，importing and learning high－end products and techniques.In this way，it is possible to refined innovation and university manufactory－academic－utilization role and to fast change embarrassing situation of a long term relying on importing all of instruments and technologies.It is hopefully benefit to a huge span pace from the beginning to qualification.

deep exploration；instrumentation and technology；importing；innovation

P631

A

1671－5888（2012）05－1485－12

2012－07－01

国家深部探测技术与实验研究专项SinoProbe－09（201011078）；国土资源部矿产资源保障项目（3R210U114423）；国土资源部海洋资源保障项目（3D6100004423）

黄大年（1958—），男，教授，博士生导师，国家“千人计划”特聘专家，SinoProbe－09项目首席科学家，主要从事快速移动平台探测技术研究，E－mail：dnhuang＠jlu.edu.cn

于平（1978—），女，副教授，主要从事地震勘探和综合地球物理解释研究，E－mail：yuping＠jlu.edu.cn。