随着我国国民经济的快速发展，矿产资源需求急剧增大，后备探明储量严重不足，这已成为制约我国经济发展的重大瓶颈。为保障资源和能源的可持续发展，国家明确提出实施“立足国内，找矿增储”的资源保障战略，向地下深部要资源是国内外最主要的战略选择之一。鉴于地球物理场固有的穿透能力，地球物理探测技术是“透视和照明”地球内部的主体手段，亦是“攻深探盲”的关键所在。然而长期以来，我国大型地球物理探测装备和核心软件几乎全部依赖进口，面临技术垄断的风险。地球物理探测装备与技术落后的现状严重制约着我国矿产资源勘探的发展，也直接制约着我国参与国际资源竞争的能力。因此，开展深部地球物理核心装备研发是深部资源勘探的迫切需求。
2013年，在中科院和财政部的策划支持下，中国科学院地质与地球物理研究所组织国内优势研究队伍开始了国家重大科研装备研制项目“深部资源探测核心装备研发”的研制工作。依据矿产资源“攻深探盲”勘探流程中靶区优选、矿区勘查、矿体详查3个层面的技术需求，项目遴选了卫星磁测载荷、航空超导全张量磁梯度测量装置、航空瞬变电磁勘探仪、探矿重力仪、多通道大功率电法勘探仪、金属矿地震探测系统、深部矿床测井系统和组合式海底地震探测装备共8套深部资源探测装备开展攻关研制，重点突破传感器等核心部件。项目科研团队由院内外30余家单位500余人组成。研制期限自2013年1月至2016年12月，共48个月，项目编号为ZDYZ2012-1。项目已于2017年6月19日顺利通过验收。
|
| “攻深探盲”勘探流程示意图 |
项目组经过4年的艰苦攻关，8套装备的研制皆已完成，主要技术指标达到并部分超过了设计要求。研制的8套探测装备能够从靶区优选尺度实现航空大探测作业，从矿区勘查尺度开展陆上4 000 m深度范围内精细结构探测，从矿体详查尺度实现声波-放射性-电阻率矿床测井，并成功研制了用于海底资源探测的组合式海底地震探测装备。这些装备打破了国外技术垄断，填补了多项国内技术空白，支撑了“向地球深部进军”的国家战略。各子项目情况与研制进展如下。
|
| 深部探测核心装备研究进展 |
（1）卫星磁测载荷。由中国科学院地质与地球物理研究所承担，从卫星探测矿产资源引起的地磁场微弱变化。所研制的高精度的质子旋进磁传感器性能稳定、工艺完善。高精度、稳定的磁检测标定仪为星载磁强计标定提供了弱磁环境和设备基础，与地面数据处理软件和地球物理解释软件构成完整的卫星磁测载荷，提升了我国卫星磁测载荷水平。
|
| 航空超导全张量磁梯度测量装置在内蒙古兴安盟野外试验 |
|
| 全航空模态瞬变电磁勘探系统 |
|
| 探矿绝对重力仪 |
（2）航空超导全张量磁梯度测量装置。由中国科学院上海微系统与信息技术研究所承担，从空中探测地质矿体引起的地磁场微弱变化。突破系统设计、系统集成与测控、合成梯度计软件算法、磁干扰和磁补偿、涡流干扰与补偿、射频干扰、运动噪声抑制等关键技术，实现了超导磁强计、梯度计芯片的国产化，成功研制基于直升机飞行平台的国际第二套超导全张量磁梯度测量系统。梯度芯片噪声160 fT/（m · Hz0.5），系统噪声水平0.7 pT/（m · Hz0.5），系统分辨率0.019 nT/m（0.01—5 Hz），并经多次飞行验证，系统实现初步实用化，实际飞行系统分辨率接近国际领先水平。
（3）航空瞬变电磁勘探仪。由中国科学院电子学研究所承担，从空中探测矿产资源引起的地球导电性微弱变化。研制了具有自主知识产权的航空瞬变电磁勘探系统，完成了全航空模态、半航空模态工程样机，感应式矢量磁传感器工作频率范围25 Hz—75 kHz、等效输入噪声水平0.7 nV/sqrt(Hz)，发射磁矩0.75 MA·m2。系统性能指标均达到了国外同类先进系统水平，打破了发达国家的技术垄断和装备封锁。已为国内多家地方企事业单位及行业部门提供勘探服务，累计测线长度逾2 500 km；勘探效果良好，成果得到用户单位认可，并取得了良好的社会效益。
（4）探矿重力仪。由中国科学院测量与地球物理研究所承担，从地面探测矿产资源引起重力场微弱变化。研制了观测精度优于50 μGal的探矿绝对重力仪实用样机，在体积和重量上较国外现有同类产品具有优势，缩短了测量时间，使用便捷，可快速为勘探提供重力控制点。为各类动态重力测量应用研制了动基座调平精度为1′（角分）的陀螺稳定平台。为重力仪、重力梯度仪的标定测试需求研制了国内首套弱力测试平台；平台通过液压举升装置改变扰动质量的位置高度来改变扰动引力场的大小，在思路和方法上具备独特的创新性。
（5）多通道大功率电法勘探仪。由中国科学院地质与地球物理研究所承担，从地面探测矿产资源引起的地球电磁微弱变化。研制了50 kW宽频带伪随机编码电磁发射机、200道低噪声电磁数据采集站、实时高速数据传输子系统、基于石墨烯材料的新型电场传感器、正反演与偏移像数据处理软件，集成一套完整的能在陆上开展4 000 m深度范围电性精细结构探测的新型多通道大功率电法勘探系统，弥补了传统瞬变电磁法信号弱、探测深度小的问题。
（6）金属矿地震探测系统。由中国科学院地质与地球物理研究所承担，用地震波场探测控矿构造和成矿界面。从天然源和人工源两方面，研发深、浅两类金属矿地震勘探装备，由深到浅给地球做地震CT。研制了天然地震采集器、相控阵电火花可控震源、2 000道分布式地震数据采集系统、MEMS数字检波器等；其中，分布式地震数据采集系统和天然地震采集器的性能与国际主流仪器相当，而研制的MEMS数字检波器核心芯片则突破了国外垄断。
|
| 多通道大功率电法勘探仪在内蒙古兴安盟野外作业 （a）团队照片；（b）反演电性剖面 |
|
| 2 000道分布式地震数据采集系统 |
|
| 深部矿床测井仪器系列 |
|
| 组合式海底地震探测装备出海试验 |
（7）深部矿床测井系统。由中国科学院声学研究所承担，从井中探测矿产资源引起声、电、磁、核等多物理场微弱变化，实现矿体详查。攻克高温高压小尺寸、高性能声波、电磁和放射性测井传感器、高强度隔声体、仪器电路“瘦身”等多项关键技术，成功研发了国内首套适应小井眼、大探深的深部矿床测井装备（包含声波、电磁和放射性仪器的井下仪器单元、地面采集单元、高速传输单元，及配套的模拟处理解释软件和测试标定平台），填补了国内4 000 m井深矿床测井成套装备领域的空白，整体性能达到或部分超过国际同类仪器先进水平，具备工程化实施条件，为我国深部矿床测井技术应用与发展提供了坚实的基础和重要的支撑。
（8）组合式海底地震探测装备。由中国科学院地质与地球物理研究所承担，将陆地延伸到海洋，探测海底下部地质构造与资源分布。攻克了整机结构设计、微功耗采集、耐压封装、磁阻式电子罗盘标定等多项关键技术研究；通过地震检波器扩频电路开发，有效扩展了采集频带范围，将低频采集下限降低至2 Hz；通过采用新型钛合金材料和结构优化，在同等体积条件下降低了整机重量，同时增加了耐压深度。成功研发的组合式海底地震探测装备，适应复杂海底地形环境，可实现高密度、长排列、低噪声地震采集，相对传统海面地震拖缆探测具有更好的分辨率，主要技术指标达到当今国际先进水平，填补了该类型装备国内技术空白。
中央电视台新闻频道、《人民日报》、中新社、《科技日报》等10余家媒体对该项目给予了积极报道与高度评价；在财政部2017年绩效评估中综合绩效级别为“优”，财政部将绩效评价报告作为优秀项目提交全国人大常委会参阅；被选为中国科学院“十二五”率先成果展亮点内容，评为中国科学院2017年第二季度科技创新亮点成果。该项目突破了深部探测装备传感器等核心技术，初步形成空间、地面、海洋、钻井立体探测装备体系，支撑了我国4 000 m深部资源探测，为“向地球深部进军”的国家战略提供了强有力的技术支撑。
核心、关键技术（1）卫星磁测载荷系统。磁通门磁强计在国内首次突破三轴同心结构，采用高精度高阶Sigma-Delta全数字化微弱信号提取技术和闭环反馈电路技术，实现了星载磁通门磁强计的小型化、低功耗和极端环境下大动态高精度的磁场测量。
（2）航空超导全张量磁梯度测量装置。攻克了高平衡度超导梯度计芯片制备、高可靠全张量模块集成、运动噪声抑制等关键技术，实现了超导磁强计、梯度计芯片的国产化。
（3）航空瞬变电磁勘探仪。突破了大电流发射技术、大动态接收技术、飞行平台综合改装技术、感应式矢量磁场传感器、航空三维电磁正反演（包含全航空与半航空）等关键技术。
（4）探矿重力仪。探矿绝对重力仪优化后的真空腔体结构，大幅度减小了仪器的体积和重量；配合自主研制的双叶曲面轮式落体系统，保证了仪器的观测速度和稳定性；首次在绝对重力仪中使用了EvenTech事件计数器，更高精度匹配更短的落体距离。
（5）多通道大功率电法勘探仪。突破了高阶数、高电压强电流编码信号的大功率发射技术，大动态范围、高灵敏度、高同步精度、低功耗、轻便化接收技术，低功耗多通道数据传输技术。
（6）金属矿地震探测系统。突破了模块化相控阵电火花可控震源技术、分布式地震数据采集系统、数字检波器核心芯片。
（7）深部矿床测井系统。突破了高温高压声波、电磁、X荧光、自然伽马能谱等小尺寸测井传感器、高强度隔声体、井下高温电路瘦身以及阵列感应数据合成与软聚焦等技术瓶颈，提出了三维混合模式声波远程探测新方法。
（8）组合式海底地震探测装备。攻克了地震检波器扩频电路开发、低功耗数据采集、整机结构设计等技术难点，发展了多台套采集节点同时数据传输和快速充电技术。
在满足国家重大需求方面的代表性应用案例（1）航空超导全张量磁梯度测量装置。研制出国际第二套航空超导全张量磁梯度测量系统，并经多次飞行验证，系统初步实用化，实际飞行系统分辨率接近国际领先水平。项目组先后在黑龙江沾河、内蒙古四子王旗红格尔苏木、内蒙古兴安盟科尔沁右翼前旗桃合木苏木开展了航空超导全张量磁梯度测量试验飞行与应用示范，成功获取国内首张超导全张量磁梯度分布图，反演结果与已知地质资料相符合。
（2）航空瞬变电磁勘探仪。已经为行业部门及地方企事业单位提供飞行勘探服务，并累计完成商业服务飞行逾2 500测线公里，勘探效果良好，成果得到用户单位认可，并取得了良好的社会效益。
（3）探矿重力仪。研制的探矿绝对重力仪在小型化与观测速度上的优势，已引起我国军方的高度重视。
（4）多通道大功率电法勘探仪。在河北、内蒙古等多个地区开展了野外试验，获得了与已知地质资料相符的结果，实现了最大偏移距11 000 m、深度大于4 000 m的地电精细结构探测。
（5）金属矿地震探测系统。在河北衡水、山东单县和内蒙古兴安盟等多个地区开展大型试验，对研发的探测系统进行了集成优化和性能测试，结果显示该系统探测深度可达4 000 m，能够满足金属矿等陆域中浅层地震勘探的需求。
（6）深部矿床测井系统。已与中石化胜利工程公司达成深部矿床测井系统推广应用的初步计划；与此同时，还拓展了声波远探测技术在石油测井领域的应用，结合新疆碳酸盐勘探开发需求，为中石化胜利工程公司研发了国内首支横波远探测测井仪，已在新疆油田完成6口6 000 m以上超深井的综合测试试验，井外径向探测距离超过40 m，使测井走出“一孔之见”，探测和识别矿产资源的能力延伸得更深、更远，大大拓展测井的应用范围。
（7）组合式海底地震探测装备。开展了多次海上测试，实际作业表明装备的海上作业可操作性强，数据质量良好，达到工程化应用试验的要求。目前已有多家海洋单位（中海油服、福建省地震局等）提出了合作意向，应用前景广阔。
专家点评项目紧紧围绕深部矿产资源短缺这一制约我国经济发展的瓶颈，针对“攻深探盲”勘探流程中靶区优选、矿区勘查、矿体详查3个层次需求，根据设置的8个子项目任务要求，完成了8套深部探测装备研制工作。突破了航天级磁通门磁强计、质子旋进磁强计、低温超导芯片与磁传感器、感应式矢量磁传感器、MEMS数字地震检波器、高温小型声电放测井传感器、低功耗采集等制约我国深部探测装备发展的核心部件。研制的卫星磁测载荷、航空瞬变电磁勘探仪、多通道大功率电法勘探仪、金属矿地震探测系统、深部矿床测井系统、组合式海底地震探测装备达到了工程化水平，研制的航空超导全张量磁梯度测量装置、探矿重力仪达到了实用样机水平。部分探测装备技术指标达到了国际先进水平，打破了国外技术垄断。
——李廷栋，中国科学院院士，国土资源部咨询研究中心和中国地质科学院研究员