勘查技术方法的历史、现状及发展趋势

产业现状 以全国矿产资源潜力评价结果为重要依据确定的国家级整装勘查区，现已成为找矿突破的龙头。2012年，78片整装勘查区新发现矿产地135处，其中大型33处、中型52处。找矿突破战略行动实施以来，找矿突破战略行动指挥部以全国重要矿产总

理 研究自（质貌植水文气象等）、文（经济历史政治城市等）布及内规律并指导类（规划、决策等）科 理科
测绘 由测绘理论指导（、卫星、精密、工程等）科实用测量技术 工科
球物理 球物理勘测技术关注质层面（矿、石油勘探、工程质等）勘测 工科

0.3.1 古代的勘查技术

人类的生存与发展从一开始就和岩石、土壤、矿产、盐和水等自然资源的开发和利用息息相关。人类历史上的旧石器时代、新石器（包括粘土烧制的陶器的使用）时代、铜器时代、铁器时代的划分就是按照人类对矿产品的开发利用水平（生产力发展的标志）确定的。在各种矿产资源的开发利用过程中，勘查技术与工程也就逐渐形成了。

我国是一个有五千多年悠久历史和文化的文明古国，勘查技术的发展具有很长的历史。公元前180年成书的《管子·地数篇》明确记载着：“山有赭者，其下有铁；上有铅者，其下有银；上有丹砂者，其下有金；上有慈石者，其下有铜金，此山之见荣者也。”它不仅揭示了矿床学上金、汞共生，铁、铜、金共生，铅、银共生的事实与规律，而且还为现代地球化学勘查采用指示矿物（指示元素）找矿提供了启蒙思想。我国西晋时期张华所著《博物志》中，有“积艾草三年后，烧，津液下流成铅锡，已有试验”的记述，实际上就是现代生物地球化学找矿的原始思路与方法（朱训《地质科学与地矿事业》，1997）。

至于找地下水和取盐的钻掘技术则发展更早，成就更加辉煌。早在我国夏代就有“伯益作井”之说。到了北宋，为从地下采卤制盐，四川遂宁卓筒井的打井深度已达3000 m，发展出了一整套钻井工程、工艺及相关技术，并在自贡、遂宁，五通桥等地广为使用，世代相袭，至今仍保留着几十口这样的井。该项采盐钻井技术，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）。

我国的战国时期已能利用天然磁铁磨制指南针，并产生了我国古代的四大发明之一的罗盘。这是人类对岩石磁性和地球磁场的早期认识和具体应用。后来英国伊丽莎白女王一世的医生（威廉·吉尔伯特）通过对罗盘指向北方的进一步研究，得出了地球本身是一个巨大而又非规则的磁体的结论。这一结论在某种程度上又启发了牛顿思考树上的苹果为什么要落地?他认为，一定是物体与物体之间有引力，最后产生了他著名的重力理论（A.E.Mussett等，2000）。地球磁场和重力场理论的建立，奠定了现代地球物理重、磁勘探的基础。我国东汉时期著名学者张衡在公元132年发明了地震仪——候风地动仪，这是我国学者对地震、地震灾害的认识和地震观测技术发展的杰出贡献。图0-4是候风地动仪的外形和利用惯性原理使其中的倒立摆向着地震波传播方向摆动引发该方向龙嘴的小球吐出的原理图。

0.3.2 近代勘查技术

近代勘查技术是从19世纪末到20世纪初开始发展起来的。1888年，匈牙利学者 Baron Roland Von Eötvös发明了扭秤（torsion balance）；1900年在欧洲开始用扭秤进行地质构造图的绘制；1922年在美国得克萨斯州发现了盐丘构造的重力异常，并于1926 年首次用地球物理扭秤法发现了盐丘构造中的石油。

图0-4 候风地动仪及原理图

地震勘探方法是从地震波的理论研究、天然地震研究和声波等研究中发展起来的。1905年，L.P.Garret建议用地震折射波法寻找盐丘构造。1912年发生了英国的泰坦尼克号轮船在大西洋与水下冰山相撞沉没的惨痛事件之后，R.A.Fessenden立即着手水下冰山的探测研究，于是产生了水下声波探测法，并获得了美国专利。该专利于1917年发布，是世界上用地震波进行勘探的首项专利。更有实际应用价值的地震勘探方法是德国学者Mintrop提出的，他于1914年发明了机械地震仪，以该仪器为基础，他在1919年申报了德国专利，名为“确定岩石构造的方法”。该专利于1926年发布，阐述了机械波可用人工爆炸产生震源，用地震仪器接收，通过分析各种地震波在地下传播的深度，走时和距离能够确定地层的厚度、密度以及地层构造的走向和倾角等等（R.E.谢里夫，1995），这几乎涉及到了现代地震勘探所有的重要内容。

1879年，R.萨伦教授出版了他的著作《用磁法找铁矿》，随后在瑞典成功制造了萨伦-堤伯格磁力仪和汤姆森-萨伦磁力仪，并形成了确定地下磁性岩脉埋藏深度、走向和倾角的实用方法（W.M.Telford等，1990）。

电法勘探亦有较长的发展历史，1815年，R.福克斯发现某些矿物具有自极化特性，并预言可利用这一效应寻找某些矿产。过了约100年相应的仪器才制造出来，1913年，C.施伦伯格采用这种仪器发现了硫化物矿床，此后他还发明了有实际勘探价值的电阻率法和等位线法（M.B.多布林，1976）。

在研究地壳物质的物理性质和结构的同时，人们对其化学成分亦十分重视，并对元素和元素的丰度进行了长期的研究。1889年，美国学者F.W.克拉克发表了《化学元素相对丰度》的著名论文，开创了现代地球化学研究的先河，目前人们通常把地壳中元素的丰度称为克拉克值。

0.3.3 现代勘查技术及发展趋势

现代勘探技术方法的形成与发展，在西方是从第二次世界大战后，在我国则是从1949年中华人民共和国成立之后开始的。

按勘查技术的进步和应用领域的变化可将现代勘查技术的发展以上世纪80年代为界分为两个时期：第一个时期在20世纪40～80年代是勘查技术快速发展和成熟的时期，应用领域以矿产勘查为中心。第二个时期从20世纪80年代到现在是应用领域不断变化和扩大的时期。

在以找矿为中心的第一个时期，勘查技术主要分为油气勘查技术和固体矿产勘查技术两种。

油气勘查技术的典型代表是地震勘探和井下地球物理，通过它们的发展可了解整个油气勘查技术的发展进程和概貌，地震勘探的发展经历了如下三个阶段。

第一阶段（上世纪40～50年代），地震仪器采用电子管元件，以光学照相的方式获取以专用相纸为介质的地震记录，用人工进行资料的整理、处理和解释，很多的大油田，包括我国大庆油田的发现，最初都是用这种仪器和技术方法发现的。这类设备的主要缺点是笨重，机动性差，资料不能重新处理，记录动态范围小（20 dB，只能识别10倍大小的振幅差别），资料处理效率低。

第二阶段（上世纪50～70年代），地震仪器采用晶体管器件，以磁头录制的方式获取用磁带作介质的地震记录。这种记录可以反复回放处理，在处理中可使用模拟电子计算机处理，也可通过模数（A/D）转换后用数字计算机处理，记录的动态范围提高了1个数量级（40 dB，可识别相差100倍大小的信号）。磁带仪器的出现，使至今仍在有效使用的反射地震多次覆盖水平叠加技术得以应用与发展，大大提高了地震勘探的能力与效果。

第三阶段（上世纪70～80年代），以数字磁带记录、数字电子计算机处理，超多道（千道以上）、高覆盖观测，大动态范围（100 dB以上，可识别强弱相差10万倍以上的信号）为特点。这推动了数字处理技术的迅速发展。世界各先进国家用于地震资料处理的电子计算机的运算速度之快，性能之优越，存储量之大与军事、气象部门是并驾齐驱的，或者说有过之而无不及。

除地震勘探之外，为油气勘查服务的其他技术方法也有快速的发展，重力测量已不再使用笨重的扭秤，代之而来的是精度高、轻便的重力仪。它能在水下、井下和空中（航空重力）测量。地面重力测量精度可达微伽级，这样的高精度测量在其他方面亦很有用处，例如20世纪70年代初美国阿波罗-17登月飞船到达月球时所使用的月球-4号重力仪与勘查工作中所用的高精度重力仪出自同一公司的同一设计者（LaCoste），其精度就是微伽级的。实验目的是想把月球作为参照质量，在地球和月球上同时进行重力测量以证实爱因斯坦关于存在重力波的预言。可惜因为一些小的设计错误，这项实验未能成功，重力仪的精度和高分辨率是十分肯定的。

这一时期的油气钻井技术工艺也发展很快，出现了深度7000 m以上的超深井、斜井、水平井和同一井位多方向钻进的丛式井，以及把钻头作为震源的随钻地震技术等等。

在固体矿产勘查和其他方面的应用中，勘查仪器设备和方法向着轻便化、数字化、高精度和高效率的方向发展。20世纪50～60年代先后出现了航空核子磁力仪和更高精度的光泵型铯、铷蒸气磁力仪。航空磁测速度快、效率高，便于大面积测量，容易从事地面难以进入地区：沙漠、高山、极地和海洋等的勘查工作，对铁矿的勘查和含油气盆地基底的描绘发挥了重要作用。这一时期与航空磁测相媲美的还出现了遥感、航空摄影、卫星定位、航空电磁法、航空γ、航空重力等空中勘查方法和地面与井下的各种放射性、地球化学、电法、探地雷达等新方法、新技术和新仪器，整体上提高了矿产勘查技术水平，全面增强了勘查功能，扩大了找矿效果。

从20世纪80年代起到现在是现代勘查技术工程发展的第二个时期，这个时期的方法和技术，在一定程度上也代表着勘查技术的发展趋势。其显著特点是在勘查技术继续发展的同时，其活动领域从找矿为中心扩大到既继续为资源、能源的勘查服务，又为生态环境建设、城镇建设和大型工程建设服务。活动领域的转变是由以下因素决定的。

首先，人们逐步意识到环境保护的重要性，人类在开发利用大自然，享受用高科技创造的现代物质文明的同时，给大自然和生态环境带来了严重的破坏。环境问题引起世界各国重视，环境地球物理和环境地球化学等新的勘查技术工程的学科分支逐步调整自己的位置与方向。

第二，大型工程的建设速度和规模不断扩大，这包括公路、铁路、地铁、机场、矿山、管道、水坝、大厦、核电站、码头的建设等等，这些设施的质量和安全及其相应的环境保护，成为人们空前关注的问题。因此，工程地球物理这个较老的学科也受到了特别的重视，环境工程地球化学新学科在20世纪90年代也开始出现。

环境工程地球化学是利用地球化学作用改善环境的科学技术，主要任务有防止污染，改善岩石和土壤的物理、化学性质，改善水的质量。

第三，城镇化进程加快，城市人口不断增加，为城镇建设服务的城市地球物理、地理信息系统（GIS）、遥感（RS）和寻找地下水的水资源勘查技术的市场需求迅速扩大。

由应用领域不同而出现的上述新的勘查技术方法仍由图0-2和图0-3的中部所示的那些方法组合而成，各种方法的适用范围仍应参考表0-1。该表主要是根据技术方法的性能确定的，实际应用中还应注意利用性能价格比来选择适当的方法，比值高的应当优先选择。各种方法在做同一工作的经济成本是有差别的。

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，勘查技术有以下的主要发展趋势。

充分利用和发挥信息、网络和计算机的作用，使勘查技术在数据的采集、传输、存储、处理、解释和显示等方面更加现代化。巨型并行计算机、海量存储器、网络数据的高速传输与通讯，各种解释工作站和三维可视化显示将普遍使用。

勘查技术工程将按照研究对象的复杂性，继续提高自身解决复杂问题的能力。地球是一个复杂的巨大系统，目前只能用理想的、简单的数学物理模型去描述它，以这种理想化的模型为基础结合勘查技术工作者在地表或上空观测的有限数据去反演或解释地球内部是不精确的。它只能部分地解决某些简单的问题，如何将一个复杂的、真实的地球内部展示在人们的面前，将是一项困难和长期的任务。

增强勘查技术的功能，调整投入结构。前面已经指出了勘查技术某些新的应用领域，如何在这些领域中取得实质性进展则是人们应着重思考的另一个问题。水资源的勘查就是一个紧迫的问题。世界各国对地下水勘查的投入（1991年）只占勘查总投入的0.1%（R.E.Sheriff，1995）。改变类似这样不合理的经费投入结构，可促进相应方向技术的发展。