重力与磁法勘探生产教学实习的思考与实践

肖锋 杜晓娟

摘 要：生产教学实习是连接理论教学与生产实践的重要纽带。文章结合在辽宁省兴城市夹山工区以及吉林大学兴城教学实习基地开展的重力与磁法勘探生产教学实习活动，主要提出了重力与磁法勘探生产教学实习的实践策略。

关键词：重力与磁法勘探；生产教学实习；勘查技术与工程

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1002-4107（2016）10-0019-03

重力与磁法勘探是历史悠久的物探方法，广泛地应用于金属、非金属固体矿产、石油和天然气的勘查。另外，在工程地质、地震预报、水文、考古等领域，这两种勘探方法也有诸多应用。它们具有勘探效率高、成本低、横向分辨率高的特点[1-2]。作为一门课程，其又是地球物理学、勘查技术与工程等专业本科生的必修课程。其理论教学改革一直是高校相关领域教师关注的重点[3-7]。勘查技术与工程等专业对地球物理课程的要求是理论与实践教学同等重要。其中，生产教学实习是衔接理论教学与生产实践之间的重要环节，是多数学生走向生产单位之前的最后一次野外实地教学演练。如何利用这一次机会培养学生发现问题、解决问题的能力也是值得物探方法实习指导教师思索和探究的问题。结合近年来吉林大学地球探测科学与技术学院在辽宁省兴城市夹山工区以及吉林大学兴城教学实习基地开展的重力与磁法勘探生产教学实习活动，对我们取得的一些经验进行了总结。

一、大胆使用新仪器

长期以来，吉林大学地球探测科学与技术学院的重力与磁法勘探生产教学实习都是使用国产仪器。其原因是参与实习的学生人数众多，只有国产仪器的台套数才能满足生产教学的需求。另外，因学生对仪器操作不当或保护不到位等原因造成仪器故障的情况也偶尔发生。相比之下，进口物探仪器非常昂贵，例如：加拿大生产的石英弹簧重力仪（CG-5）一台仪器售价超过一百万人民币，其售价高、维修成本高和维修周期长的特点阻碍了它在野外生产教学活动中的应用。

近年来，学校在物探教学仪器与设备上的投入有所增加，新购进了CG-5以及GSM-19T、GSM-19TG等重力与磁法勘探进口仪器，为我们将先进的仪器设备应用于生产教学实习提供了条件。尽管进口仪器的数量有限，还不能完全满足教学的需求，但也为开拓学生视野、激发学生学习兴趣、培养学生实际动手操作能力打下了基础。在实际教学中，为了让更多的学生接触到先进的仪器设备，我们将学生分成多个小组，每个小组在保障国产仪器配给的前提下，轮流使用进口仪器。以CG-5为例，每个小组只使用它完成1条测线的重力测量。多个小组的测量结果综合到一起可以实现测区（多条测线）的全覆盖。

引进了贵重的新仪器，还需要有相应的配套措施才能让参加实习的师生放心使用。为此，我们在以下几个方面采取了措施：加强对师生规范操作的培训，严格按照用户手册的要求执行；与厂家代理商密切联系，了解其他用户在使用该类仪器时的常见故障，并制定相应的防范措施；加强仪器的日常保养与维护；培训教师掌握处理一些小的硬件、软件问题的技能，例如：焊接GSM-19T断裂的探头缆线；自制CG-5背包，便于在陡峭山地运输；及时升级仪器的系统软件；对于使用CG-5的学生小组，教师在野外实习过程中全程陪同，帮助学生选择安全的上、下山路线，及时制止学生不规范的操作或危险的搬运动作，降低重力仪发生故障的风险等等。

针对岩石密度测量，我们引进了台湾产的MH-600Z密度仪。与我们学校以前自制的电子密度仪相比，尽管同样是使用排水法测量岩石标本密度，但是新仪器在小型化和自动化方面有很大的优势。自制的电子密度仪外包装有行李箱大小，使用时需要配备一个水桶作为盛水容器，而且只能外接交流电源；相比之下，进口仪器的体积只有自制仪器的四分之一左右，自带小型水箱及防风罩。新仪器不仅可以在室内使用交流电供电，还可以依靠其内置电池，在野外岩石标本采集现场也可以工作。经过岩石标本的对比测试，新仪器具有方便快捷、精度高、重复性好的优点，因此我们用它替换了自制的仪器。

磁化率测量方面，我们引进了捷克产的SM-30磁化率仪。这种仪器只有普通手机大小，采用纽扣电池供电。其优势是方便携带，可以直接在野外测量岩石的磁性参数（磁化率），而且测量效率高。缺陷是有效测试深度很有限，一般不超过30 cm。但是它可以作为地表磁化率填图的工具使用。在野外的每个测点，学生在不到一分钟的时间内就可以完成磁化率测量，其结果还可以辅助GSM-19T的测量结果进行地球物理——地质解释[8]。所以，在磁法勘探生产教学实习中，我们也尝试将它列入了实习内容。

关于定向标本的磁性参数测量，我们既有本学院教师自制的纯塑料以及纯铜的岩石标本测量架，也有新购置的铝合金测量架；有的适用于高斯第一位置测量，有的适用于高斯第二位置测量。为了拓展学生的知识面，两套装置都用于实践教学，使学生掌握不同的测量方法。通过不同测量装置、不同测量方式的对比，学生可以体会到磁性参数测量过程中的误差大小，理解标本统计分析的必要性。

经过这几年的探索与实践，在师生的爱惜使用和精心维护下，新仪器（包括进口仪器）的返厂率为零。它们凭借其高精度、高可靠性，获得了师生们的一致好评。它们在野外生产教学实习中发挥了重要作用。

二、巧妙设计勘探任务

我们的重力与磁法生产教学实习的主场地位于辽宁省兴城市的夹山，工区布设有范围为400m×400m的测网，网度为40m×20m。测区最高海拔为133m，地形起伏高达80m。在夹山山脚有一条北西向的深沟横切多条重、磁测线，山顶还有走向呈“L”形的含铁石英砂岩岩脉出露。重力与磁法勘探任务是查明断层性质、走向；查明含铁石英砂岩岩脉的展布情况，并估算其埋深。

教师通过设置以上的地质问题，的确能锻炼学生学习和掌握多种重、磁数据处理方法的能力。但是由于物探领域中广泛存在的多解性，学生对他们的数据处理和解释成果并没有信心。特别是对勘探目标在地下埋藏深度的估算，不同学生的计算结果出入较大。我们也没有条件在夹山布设钻孔来逐一验证。然而转换一下思路，我们可以通过巧妙设计其他勘探任务来验证我们数据处理方法的有效性。

例如：在杨家杖子镇上黑鱼沟地质剖面下方有一处铅锌矿的矿洞，它的走向与地质剖面的方位正交。矿洞入口的上顶到地质剖面所在的那条小路路面的距离大约4m，矿洞的中心深度约5.5m。我们在矿洞上方的路面上，以矿洞为中心布设长60m的重力精测剖面，点距1m。利用CG-5进行高精度重力测量，以路边基岩为重力基点，获得相对布格重力异常。学生根据这条剖面的重力数据估算出矿洞的中心埋深，这样就能将他们的解释成果与测量到的矿洞中心埋深进行直观的对照，从而验证所采用数据处理、解释方法的有效性。

再例如异常分离的问题。在重磁勘探领域中，由于位场天然的叠加性，观测到的异常是不同尺度不同深度场源的综合反映。因此通常需要先在总的观测异常中分离出代表埋藏浅、规模小的地质体引起的局部异常和代表埋藏深、规模大的地质体引起的区域异常。然后，再根据不同的勘探目标，选取分离后的异常数据进行后期处理和解释。而传统教学活动中都是通过理论模型进行讲解演示，学生并没有对实际勘探工作中不同规模、不同深度的场源产生异常的感性认识。在夹山工区，根据实测重、磁异常进行区域与局部异常分离也会出现多种结果。为了让学生直观地了解区域异常与局部异常，我们在吉林大学兴城教学实习基地院内的一片小树林里，用测绳布设了一个范围为2.1m×2.1m的磁法勘探小工区，网度为0.3m×0.3m。勘探目标是一把学生随意扔在测区中央内的斧头。由于斧头的磁性较弱，采用四节探杆的质子旋进磁力仪已经无法观测到斧头引起的磁异常。因此，我们只用一节探杆，以增强有效信号的强度。我们先测试一遍包含斧头在内的总磁异常，以此作为区域异常和局部异常的叠加场。然后将斧头从工区内移走，再测试一次不含斧头的磁异常，这就是区域背景场。最后叠加场减去区域背景场，即可获得仅由斧头引起的局部磁异常。通过这个实验，学生对区域与局部异常的不同幅值、不同规模及不同形态有了深刻的认识。

理论课上已经学习过重力或磁异常的垂直梯度具有突出浅部异常、压制深部异常的作用，即对背景场的干扰有抑制作用。学生们也知道实测的梯度数据与通过实测的总场转换而成的梯度数据之间会有差异。这些理论知识在实际勘探过程中也是可以得到验证的。因此，我们依托加拿大GEM公司生产的质子梯度仪GSM-19TG，设计了相应的验证试验。同样利用“寻找斧头”的磁法工作测网，在前一次利用质子磁力仪GSM-19T进行总场测量的基础上，再用磁梯度仪进行一次测量。将实际观测到的磁梯度（垂直梯度）数据与通过将总场数据求垂向一阶导数计算而得到的数据进行对比，可以加深学生对二者差异的印象。此外，将测量的磁梯度数据与通过异常分离获得的剩余异常的形态进行对比，也可以突出梯度测量的优势。借此“显而易见”的勘探试验，我们引导学生去分析这些实验数据相似或存在差异的原因，从理论和实践两方面去深化认识。

诸如以上的新的实践教学内容，不但巩固了学生对理论知识的理解，还加深了他们对重磁勘探方法解决实际问题的效果的认识。重磁的近地表勘探任务和夹山工区的地质勘探任务，使学生体会到重磁方法在解决不同规模、不同尺度的工程和地质问题中发挥的作用。

三、鼓励应用新技术

随着时代的发展，重磁领域也不断有新技术涌现。以重磁成果的图件表达为例，我们最开始是采用手工绘制剖面图、平面剖面图和平面等值线图。现在随着计算机技术的发展，绘制三维图形已经不再困难。应用学院购买的Oasis montaj教学软件，不但可以快速绘制出彩色的平面等值线图，还可以绘制立体阴影图等。当然，部分图件的手工绘制仍然是我们教学的内容。因为它可以加深学生对成图过程的理解，体会到在绘制图件过程中需要考虑的各种因素。坚持手工与计算机绘制图件相结合，既可以巩固学生绘图的基础知识，也可以使重磁测量成果的表现形式满足现代勘探行业的需求。在编制图件的过程中，我们也注意到了多种行业规范以及不同项目的要求，鼓励学生用MapGIS或ArcGIS专业软件绘制规范图件。

同样以地质体埋深的计算为例，鼓励学生们在掌握基本方法（切线法、特征点法、欧拉反褶积法）的前提下，应用更多的方法进行实践。部分同学经过大学生创新计划或开放性实验的训练，已经掌握了一些新的算法，例如各种成像技术、反演方法等。我们鼓励学生用自己亲自测量到的数据对新的算法加以验证。通过新旧方法的对比，学生才能对各个方法的优劣进行综合评判。

物探数据采集精度的提升是一个相对漫长的过程，它依赖于软、硬件技术的发展。因此，在比较长的一段时期内，数据本身的精度是不会过时的。学生们在野外生产教学实习中采集到的数据是一笔宝贵财富，它不仅可以用于实习报告的编写，还可以用于后续的学习当中。但是，不同的数据处理方法和解释技术从相同的数据中获取到的有用信息却大有不同。在大四的重力与磁法相关的专业选修课中，甚至是一些毕业设计中，我们也要求学生用实习的实测数据去验证新的方法技术、或者对数据进行重新加工再利用，从而获得新的信息。

四、坚持进行综合解释

我们在夹山工区开展的野外测量项目有地形、重力、磁法和电法测量。对于同一个地质目标，如果满足开展多种物探工作的勘探条件，那么进行多种物探方法的综合解释是减少多解性的有效手段。

例如：夹山工区的含铁石英岩脉的磁异常和电性异常都非常明显，而且它们在两幅异常图上的空间展布形态是一致的；测区西南角的断裂构造在布格异常图和高精度磁异常图上都有显著的特征，呈北西向的异常梯级带等等。所以，在兴城生产教学实习中，不仅要求学生对每一种物探方法单独编写实习报告，还要求提交一份综合解释报告。针对特定的勘探目标，要求学生综合分析它的重力异常、磁异常和电性异常。根据其重、磁、电的物性参数，分析其理论异常与实测异常的对应关系，从而训练学生利用综合物探来降低多解性、提高解释成果可靠性的能力，以及培养学生对问题进行综合分析、结合地质与地球物理进行解释的能力。

尽管学生对工区的地质认识相同，他们以小组为单位开展测量，而这一小组获得的地球物理数据也是完全相同，但是每个学生对同一套数据的处理方法和解释方法各不相同。因此，综合解释之后的成果也存在着差异。由于每一项实习内容的勘探目标是客观存在的，基于地球物理勘探方法本身的局限性以及学生对知识的掌握程度不同，学生之间不同的解释成果反映的是它们对这一客观事实的逼近程度不同。所以，我们也教育学生正确看待这些差异，在报告编写过程中切忌弄虚作假，要实事求是。

教学活动是一个逐步积累经验的过程，也是持续完善的过程。伴随着重磁勘探领域的软件和硬件的发展，工业界对本专业学生能力的期望以及当代学生自身的特点，重力与磁法勘探生产教学实习内容也应该有相应的调整。其根本目的是让学生完成从理论知识到生产实践的顺利过渡，为走向工作岗位打好基础。此外，教学本身也是富有创造性的活动，需要师生共同努力持续不断地探索和总结一些更好的经验与方法，推动教育事业向前发展。

参考文献：

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