肖鋒 杜曉娟

摘 要：生產(chǎn)教學(xué)實習(xí)是連接理論教學(xué)與生產(chǎn)實踐的重要紐帶。文章結(jié)合在遼寧省興城市夾山工區(qū)以及吉林大學(xué)興城教學(xué)實習(xí)基地開展的重力與磁法勘探生產(chǎn)教學(xué)實習(xí)活動，主要提出了重力與磁法勘探生產(chǎn)教學(xué)實習(xí)的實踐策略。

關(guān)鍵詞：重力與磁法勘探；生產(chǎn)教學(xué)實習(xí)；勘查技術(shù)與工程

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1002-4107（2016）10-0019-03

重力與磁法勘探是歷史悠久的物探方法，廣泛地應(yīng)用于金屬、非金屬固體礦產(chǎn)、石油和天然氣的勘查。另外，在工程地質(zhì)、地震預(yù)報、水文、考古等領(lǐng)域，這兩種勘探方法也有諸多應(yīng)用。它們具有勘探效率高、成本低、橫向分辨率高的特點[1-2]。作為一門課程，其又是地球物理學(xué)、勘查技術(shù)與工程等專業(yè)本科生的必修課程。其理論教學(xué)改革一直是高校相關(guān)領(lǐng)域教師關(guān)注的重點[3-7]?？辈榧夹g(shù)與工程等專業(yè)對地球物理課程的要求是理論與實踐教學(xué)同等重要。其中，生產(chǎn)教學(xué)實習(xí)是銜接理論教學(xué)與生產(chǎn)實踐之間的重要環(huán)節(jié)，是多數(shù)學(xué)生走向生產(chǎn)單位之前的最后一次野外實地教學(xué)演練。如何利用這一次機(jī)會培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力也是值得物探方法實習(xí)指導(dǎo)教師思索和探究的問題。結(jié)合近年來吉林大學(xué)地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院在遼寧省興城市夾山工區(qū)以及吉林大學(xué)興城教學(xué)實習(xí)基地開展的重力與磁法勘探生產(chǎn)教學(xué)實習(xí)活動，對我們?nèi)〉玫囊恍┙?jīng)驗進(jìn)行了總結(jié)。

一、大膽使用新儀器

長期以來，吉林大學(xué)地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院的重力與磁法勘探生產(chǎn)教學(xué)實習(xí)都是使用國產(chǎn)儀器。其原因是參與實習(xí)的學(xué)生人數(shù)眾多，只有國產(chǎn)儀器的臺套數(shù)才能滿足生產(chǎn)教學(xué)的需求。另外，因?qū)W生對儀器操作不當(dāng)或保護(hù)不到位等原因造成儀器故障的情況也偶爾發(fā)生。相比之下，進(jìn)口物探儀器非常昂貴，例如：加拿大生產(chǎn)的石英彈簧重力儀（CG-5）一臺儀器售價超過一百萬人民幣，其售價高、維修成本高和維修周期長的特點阻礙了它在野外生產(chǎn)教學(xué)活動中的應(yīng)用。

近年來，學(xué)校在物探教學(xué)儀器與設(shè)備上的投入有所增加，新購進(jìn)了CG-5以及GSM-19T、GSM-19TG等重力與磁法勘探進(jìn)口儀器，為我們將先進(jìn)的儀器設(shè)備應(yīng)用于生產(chǎn)教學(xué)實習(xí)提供了條件。盡管進(jìn)口儀器的數(shù)量有限，還不能完全滿足教學(xué)的需求，但也為開拓學(xué)生視野、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)生實際動手操作能力打下了基礎(chǔ)。在實際教學(xué)中，為了讓更多的學(xué)生接觸到先進(jìn)的儀器設(shè)備，我們將學(xué)生分成多個小組，每個小組在保障國產(chǎn)儀器配給的前提下，輪流使用進(jìn)口儀器。以CG-5為例，每個小組只使用它完成1條測線的重力測量。多個小組的測量結(jié)果綜合到一起可以實現(xiàn)測區(qū)（多條測線）的全覆蓋。

引進(jìn)了貴重的新儀器，還需要有相應(yīng)的配套措施才能讓參加實習(xí)的師生放心使用。為此，我們在以下幾個方面采取了措施：加強(qiáng)對師生規(guī)范操作的培訓(xùn)，嚴(yán)格按照用戶手冊的要求執(zhí)行；與廠家代理商密切聯(lián)系，了解其他用戶在使用該類儀器時的常見故障，并制定相應(yīng)的防范措施；加強(qiáng)儀器的日常保養(yǎng)與維護(hù)；培訓(xùn)教師掌握處理一些小的硬件、軟件問題的技能，例如：焊接GSM-19T斷裂的探頭纜線；自制CG-5背包，便于在陡峭山地運輸；及時升級儀器的系統(tǒng)軟件；對于使用CG-5的學(xué)生小組，教師在野外實習(xí)過程中全程陪同，幫助學(xué)生選擇安全的上、下山路線，及時制止學(xué)生不規(guī)范的操作或危險的搬運動作，降低重力儀發(fā)生故障的風(fēng)險等等。

針對巖石密度測量，我們引進(jìn)了臺灣產(chǎn)的MH-600Z密度儀。與我們學(xué)校以前自制的電子密度儀相比，盡管同樣是使用排水法測量巖石標(biāo)本密度，但是新儀器在小型化和自動化方面有很大的優(yōu)勢。自制的電子密度儀外包裝有行李箱大小，使用時需要配備一個水桶作為盛水容器，而且只能外接交流電源；相比之下，進(jìn)口儀器的體積只有自制儀器的四分之一左右，自帶小型水箱及防風(fēng)罩。新儀器不僅可以在室內(nèi)使用交流電供電，還可以依靠其內(nèi)置電池，在野外巖石標(biāo)本采集現(xiàn)場也可以工作。經(jīng)過巖石標(biāo)本的對比測試，新儀器具有方便快捷、精度高、重復(fù)性好的優(yōu)點，因此我們用它替換了自制的儀器。

磁化率測量方面，我們引進(jìn)了捷克產(chǎn)的SM-30磁化率儀。這種儀器只有普通手機(jī)大小，采用紐扣電池供電。其優(yōu)勢是方便攜帶，可以直接在野外測量巖石的磁性參數(shù)（磁化率），而且測量效率高。缺陷是有效測試深度很有限，一般不超過30 cm。但是它可以作為地表磁化率填圖的工具使用。在野外的每個測點，學(xué)生在不到一分鐘的時間內(nèi)就可以完成磁化率測量，其結(jié)果還可以輔助GSM-19T的測量結(jié)果進(jìn)行地球物理——地質(zhì)解釋[8]。所以，在磁法勘探生產(chǎn)教學(xué)實習(xí)中，我們也嘗試將它列入了實習(xí)內(nèi)容。

關(guān)于定向標(biāo)本的磁性參數(shù)測量，我們既有本學(xué)院教師自制的純塑料以及純銅的巖石標(biāo)本測量架，也有新購置的鋁合金測量架；有的適用于高斯第一位置測量，有的適用于高斯第二位置測量。為了拓展學(xué)生的知識面，兩套裝置都用于實踐教學(xué)，使學(xué)生掌握不同的測量方法。通過不同測量裝置、不同測量方式的對比，學(xué)生可以體會到磁性參數(shù)測量過程中的誤差大小，理解標(biāo)本統(tǒng)計分析的必要性。

經(jīng)過這幾年的探索與實踐，在師生的愛惜使用和精心維護(hù)下，新儀器（包括進(jìn)口儀器）的返廠率為零。它們憑借其高精度、高可靠性，獲得了師生們的一致好評。它們在野外生產(chǎn)教學(xué)實習(xí)中發(fā)揮了重要作用。

二、巧妙設(shè)計勘探任務(wù)

我們的重力與磁法生產(chǎn)教學(xué)實習(xí)的主場地位于遼寧省興城市的夾山，工區(qū)布設(shè)有范圍為400m×400m的測網(wǎng)，網(wǎng)度為40m×20m。測區(qū)最高海拔為133m，地形起伏高達(dá)80m。在夾山山腳有一條北西向的深溝橫切多條重、磁測線，山頂還有走向呈“L”形的含鐵石英砂巖巖脈出露。重力與磁法勘探任務(wù)是查明斷層性質(zhì)、走向；查明含鐵石英砂巖巖脈的展布情況，并估算其埋深。

教師通過設(shè)置以上的地質(zhì)問題，的確能鍛煉學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握多種重、磁數(shù)據(jù)處理方法的能力。但是由于物探領(lǐng)域中廣泛存在的多解性，學(xué)生對他們的數(shù)據(jù)處理和解釋成果并沒有信心。特別是對勘探目標(biāo)在地下埋藏深度的估算，不同學(xué)生的計算結(jié)果出入較大。我們也沒有條件在夾山布設(shè)鉆孔來逐一驗證。然而轉(zhuǎn)換一下思路，我們可以通過巧妙設(shè)計其他勘探任務(wù)來驗證我們數(shù)據(jù)處理方法的有效性。

例如：在楊家杖子鎮(zhèn)上黑魚溝地質(zhì)剖面下方有一處鉛鋅礦的礦洞，它的走向與地質(zhì)剖面的方位正交。礦洞入口的上頂?shù)降刭|(zhì)剖面所在的那條小路路面的距離大約4m，礦洞的中心深度約5.5m。我們在礦洞上方的路面上，以礦洞為中心布設(shè)長60m的重力精測剖面，點距1m。利用CG-5進(jìn)行高精度重力測量，以路邊基巖為重力基點，獲得相對布格重力異常。學(xué)生根據(jù)這條剖面的重力數(shù)據(jù)估算出礦洞的中心埋深，這樣就能將他們的解釋成果與測量到的礦洞中心埋深進(jìn)行直觀的對照，從而驗證所采用數(shù)據(jù)處理、解釋方法的有效性。

再例如異常分離的問題。在重磁勘探領(lǐng)域中，由于位場天然的疊加性，觀測到的異常是不同尺度不同深度場源的綜合反映。因此通常需要先在總的觀測異常中分離出代表埋藏淺、規(guī)模小的地質(zhì)體引起的局部異常和代表埋藏深、規(guī)模大的地質(zhì)體引起的區(qū)域異常。然后，再根據(jù)不同的勘探目標(biāo)，選取分離后的異常數(shù)據(jù)進(jìn)行后期處理和解釋。而傳統(tǒng)教學(xué)活動中都是通過理論模型進(jìn)行講解演示，學(xué)生并沒有對實際勘探工作中不同規(guī)模、不同深度的場源產(chǎn)生異常的感性認(rèn)識。在夾山工區(qū)，根據(jù)實測重、磁異常進(jìn)行區(qū)域與局部異常分離也會出現(xiàn)多種結(jié)果。為了讓學(xué)生直觀地了解區(qū)域異常與局部異常，我們在吉林大學(xué)興城教學(xué)實習(xí)基地院內(nèi)的一片小樹林里，用測繩布設(shè)了一個范圍為2.1m×2.1m的磁法勘探小工區(qū)，網(wǎng)度為0.3m×0.3m?？碧侥繕?biāo)是一把學(xué)生隨意扔在測區(qū)中央內(nèi)的斧頭。由于斧頭的磁性較弱，采用四節(jié)探桿的質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀已經(jīng)無法觀測到斧頭引起的磁異常。因此，我們只用一節(jié)探桿，以增強(qiáng)有效信號的強(qiáng)度。我們先測試一遍包含斧頭在內(nèi)的總磁異常，以此作為區(qū)域異常和局部異常的疊加場。然后將斧頭從工區(qū)內(nèi)移走，再測試一次不含斧頭的磁異常，這就是區(qū)域背景場。最后疊加場減去區(qū)域背景場，即可獲得僅由斧頭引起的局部磁異常。通過這個實驗，學(xué)生對區(qū)域與局部異常的不同幅值、不同規(guī)模及不同形態(tài)有了深刻的認(rèn)識。

理論課上已經(jīng)學(xué)習(xí)過重力或磁異常的垂直梯度具有突出淺部異常、壓制深部異常的作用，即對背景場的干擾有抑制作用。學(xué)生們也知道實測的梯度數(shù)據(jù)與通過實測的總場轉(zhuǎn)換而成的梯度數(shù)據(jù)之間會有差異。這些理論知識在實際勘探過程中也是可以得到驗證的。因此，我們依托加拿大GEM公司生產(chǎn)的質(zhì)子梯度儀GSM-19TG，設(shè)計了相應(yīng)的驗證試驗。同樣利用“尋找斧頭”的磁法工作測網(wǎng)，在前一次利用質(zhì)子磁力儀GSM-19T進(jìn)行總場測量的基礎(chǔ)上，再用磁梯度儀進(jìn)行一次測量。將實際觀測到的磁梯度（垂直梯度）數(shù)據(jù)與通過將總場數(shù)據(jù)求垂向一階導(dǎo)數(shù)計算而得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，可以加深學(xué)生對二者差異的印象。此外，將測量的磁梯度數(shù)據(jù)與通過異常分離獲得的剩余異常的形態(tài)進(jìn)行對比，也可以突出梯度測量的優(yōu)勢。借此“顯而易見”的勘探試驗，我們引導(dǎo)學(xué)生去分析這些實驗數(shù)據(jù)相似或存在差異的原因，從理論和實踐兩方面去深化認(rèn)識。

諸如以上的新的實踐教學(xué)內(nèi)容，不但鞏固了學(xué)生對理論知識的理解，還加深了他們對重磁勘探方法解決實際問題的效果的認(rèn)識。重磁的近地表勘探任務(wù)和夾山工區(qū)的地質(zhì)勘探任務(wù)，使學(xué)生體會到重磁方法在解決不同規(guī)模、不同尺度的工程和地質(zhì)問題中發(fā)揮的作用。

三、鼓勵應(yīng)用新技術(shù)

隨著時代的發(fā)展，重磁領(lǐng)域也不斷有新技術(shù)涌現(xiàn)。以重磁成果的圖件表達(dá)為例，我們最開始是采用手工繪制剖面圖、平面剖面圖和平面等值線圖?，F(xiàn)在隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，繪制三維圖形已經(jīng)不再困難。應(yīng)用學(xué)院購買的Oasis montaj教學(xué)軟件，不但可以快速繪制出彩色的平面等值線圖，還可以繪制立體陰影圖等。當(dāng)然，部分圖件的手工繪制仍然是我們教學(xué)的內(nèi)容。因為它可以加深學(xué)生對成圖過程的理解，體會到在繪制圖件過程中需要考慮的各種因素。堅持手工與計算機(jī)繪制圖件相結(jié)合，既可以鞏固學(xué)生繪圖的基礎(chǔ)知識，也可以使重磁測量成果的表現(xiàn)形式滿足現(xiàn)代勘探行業(yè)的需求。在編制圖件的過程中，我們也注意到了多種行業(yè)規(guī)范以及不同項目的要求，鼓勵學(xué)生用MapGIS或ArcGIS專業(yè)軟件繪制規(guī)范圖件。

同樣以地質(zhì)體埋深的計算為例，鼓勵學(xué)生們在掌握基本方法（切線法、特征點法、歐拉反褶積法）的前提下，應(yīng)用更多的方法進(jìn)行實踐。部分同學(xué)經(jīng)過大學(xué)生創(chuàng)新計劃或開放性實驗的訓(xùn)練，已經(jīng)掌握了一些新的算法，例如各種成像技術(shù)、反演方法等。我們鼓勵學(xué)生用自己親自測量到的數(shù)據(jù)對新的算法加以驗證。通過新舊方法的對比，學(xué)生才能對各個方法的優(yōu)劣進(jìn)行綜合評判。

物探數(shù)據(jù)采集精度的提升是一個相對漫長的過程，它依賴于軟、硬件技術(shù)的發(fā)展。因此，在比較長的一段時期內(nèi)，數(shù)據(jù)本身的精度是不會過時的。學(xué)生們在野外生產(chǎn)教學(xué)實習(xí)中采集到的數(shù)據(jù)是一筆寶貴財富，它不僅可以用于實習(xí)報告的編寫，還可以用于后續(xù)的學(xué)習(xí)當(dāng)中。但是，不同的數(shù)據(jù)處理方法和解釋技術(shù)從相同的數(shù)據(jù)中獲取到的有用信息卻大有不同。在大四的重力與磁法相關(guān)的專業(yè)選修課中，甚至是一些畢業(yè)設(shè)計中，我們也要求學(xué)生用實習(xí)的實測數(shù)據(jù)去驗證新的方法技術(shù)、或者對數(shù)據(jù)進(jìn)行重新加工再利用，從而獲得新的信息。

四、堅持進(jìn)行綜合解釋

我們在夾山工區(qū)開展的野外測量項目有地形、重力、磁法和電法測量。對于同一個地質(zhì)目標(biāo)，如果滿足開展多種物探工作的勘探條件，那么進(jìn)行多種物探方法的綜合解釋是減少多解性的有效手段。

例如：夾山工區(qū)的含鐵石英巖脈的磁異常和電性異常都非常明顯，而且它們在兩幅異常圖上的空間展布形態(tài)是一致的；測區(qū)西南角的斷裂構(gòu)造在布格異常圖和高精度磁異常圖上都有顯著的特征，呈北西向的異常梯級帶等等。所以，在興城生產(chǎn)教學(xué)實習(xí)中，不僅要求學(xué)生對每一種物探方法單獨編寫實習(xí)報告，還要求提交一份綜合解釋報告。針對特定的勘探目標(biāo)，要求學(xué)生綜合分析它的重力異常、磁異常和電性異常。根據(jù)其重、磁、電的物性參數(shù)，分析其理論異常與實測異常的對應(yīng)關(guān)系，從而訓(xùn)練學(xué)生利用綜合物探來降低多解性、提高解釋成果可靠性的能力，以及培養(yǎng)學(xué)生對問題進(jìn)行綜合分析、結(jié)合地質(zhì)與地球物理進(jìn)行解釋的能力。

盡管學(xué)生對工區(qū)的地質(zhì)認(rèn)識相同，他們以小組為單位開展測量，而這一小組獲得的地球物理數(shù)據(jù)也是完全相同，但是每個學(xué)生對同一套數(shù)據(jù)的處理方法和解釋方法各不相同。因此，綜合解釋之后的成果也存在著差異。由于每一項實習(xí)內(nèi)容的勘探目標(biāo)是客觀存在的，基于地球物理勘探方法本身的局限性以及學(xué)生對知識的掌握程度不同，學(xué)生之間不同的解釋成果反映的是它們對這一客觀事實的逼近程度不同。所以，我們也教育學(xué)生正確看待這些差異，在報告編寫過程中切忌弄虛作假，要實事求是。

教學(xué)活動是一個逐步積累經(jīng)驗的過程，也是持續(xù)完善的過程。伴隨著重磁勘探領(lǐng)域的軟件和硬件的發(fā)展，工業(yè)界對本專業(yè)學(xué)生能力的期望以及當(dāng)代學(xué)生自身的特點，重力與磁法勘探生產(chǎn)教學(xué)實習(xí)內(nèi)容也應(yīng)該有相應(yīng)的調(diào)整。其根本目的是讓學(xué)生完成從理論知識到生產(chǎn)實踐的順利過渡，為走向工作崗位打好基礎(chǔ)。此外，教學(xué)本身也是富有創(chuàng)造性的活動，需要師生共同努力持續(xù)不斷地探索和總結(jié)一些更好的經(jīng)驗與方法，推動教育事業(yè)向前發(fā)展。

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