吊舱式直升机航空电磁技术示范应用

王卫平， 周锡华， 范正国， 金龙哲， 于长春， 吴成平

(中国国土资源航空物探遥感中心， 北京　100083)

吊舱式直升机航空电磁技术示范应用

王卫平， 周锡华， 范正国， 金龙哲， 于长春， 吴成平

(中国国土资源航空物探遥感中心， 北京100083)

摘要：吊舱式直升机频率域电磁、磁综合系统(以下简称“吊舱系统”)采用新型的宽带技术，数字化程度较高，系统较为灵活，尤其适合于地形较为复杂地区的矿产和水工环勘查工作。但由于吊舱系统在复杂山区飞行难度大，且没有实际工作经验，因此通过选择3个测区的吊舱系统试生产工作，在测量方法技术,数据处理方法和成果解释方面，以及基础地质研究、矿产勘查、地下煤火勘查方面均取得了显著成果。解决了航空电磁方法探测地下煤火区的电性结构特征问题，以及航空电磁方法直接寻找良导矿体的关键问题，弥补了航磁间接寻找多金属矿的不足，并取得了明显的勘查效果。

关键词：吊舱式直升机航空电磁技术; 矿产勘查; 地下煤火勘查; 示范应用

Email：911733417@qq.com。

0引言

频率域航空电磁法是利用地下物质的导电性、导磁性(有时也包括介电性或电化学性)的差异在飞行器中测量不同频率变化下的电磁场的空间分布和频率特性，进而推断地下不同物质的分布，从而解决各类地质问题的方法。固定翼频率域航空电磁系统虽然在中国的地质调查中发挥了重要作用，但在复杂山区不能有效降低飞行高度，因此影响了该类系统的勘查效果。吊舱系统技术先进，并且可以低高度沿地形起伏飞行，对探测目标物分辨率较高。但由于吊舱系统在复杂山区飞行难度大，且没有实际工作经验，因此选择地形复杂的内蒙古乌达地区、广东河源幅龙门地区、江西武夷山北部地区(宜黄)开展吊舱系统试生产测量，并在工作实践中研究和总结相应的方法技术，以便验证吊舱系统在复杂山区的地质勘查效果。通过吊舱系统的试生产工作，在测量方法技术,数据处理方法和成果解释方面，以及基础地质研究、矿产勘查、地下煤火勘查方面均取得了显著成果。解决了航空电磁方法探测地下煤火区的电性结构特征问题，以及航空电磁方法直接寻找良导矿体的关键问题，弥补了航磁间接寻找多金属矿的不足，并取得了明显的勘查效果。该项成果属于吊舱系统在基础地质、矿产勘查、地下煤火勘查中的示范应用和相关方法技术研究。

1吊舱系统方法技术研究成果

1.1　测量方法技术成果

(1)实现了大比例尺航空物探勘查的突破。根据地质情况和地下煤火探测目标的分布情况，在我国首次进行了1∶5 000大比例尺的航空物探测量，探头平均离地高度49 m,测线偏航距小于20 m,系统采样率30次/秒(相当于1 m一个采样点)，大大提高了航空物探系统对探测目标的分辨率，实现了航空物探在大比例尺精细地质勘查测量的突破。

(2)建立了吊舱系统野外飞行方法。建立了吊舱系统直升机临时机场的选择和建立方法，直升机拖吊电磁探头起飞、降落和日常保障方法，以及吊舱式航电系统零点校准的飞行方法[1]。根据直升机的飞行速度、爬升率，以及探头姿态，首次在国内建立了直升机沿复杂地形起伏飞行的方法，探头离地平均高度49~79 m，因此在勘查中获得了较高的探测分辨率。为了减少外界干扰，减少温度变化对电磁系统零点漂移的影响，提高系统观测精度，采用飞行期间缩短高度飞行校准零点漂移的飞行方法。

(3)实现了航空物探质量评价的图示分析方法。对测线偏航距、飞行高度、漏码率、电磁噪声、电磁零点漂移、航磁四阶差分和磁日变质量用航迹的方式在平面图中表示出来，以便快速和直观地指导生产工作。

1.2　数据处理方法技术成果

(1)航空电磁数据可视化调平方法。在频率域航空电磁法测量中，由于偶极激发的大地电磁响应具有方向性，而且零点漂移随时间的变化不是线性的，现有方法很难完全有效去除条带问题。本次研制的可视化电磁调平软件将频率域航空电磁自动趋势调平方法和人机交互的经验调平相结合，在航空电磁数据调平中获得了好的调平结果[2，3]。

(2)电磁探头姿态校正方法。采用三维频率域有限差分方法模拟计算频率域航空电磁系统的电磁响应，分析了不同频率、不同收发线圈姿态变化类型对水平共面和垂直同轴线圈装置的电磁响应影响，并根据姿态误差几何校正方法进行了电磁数据校正[4]，有效地去除了因线圈姿态变化造成的误差响应。

(3)航空电磁地形校正方法。利用频率域有限差分法开展了复杂地形条件下的频率域航空电磁响应计算和分析研究。采用二维和三维的地形校正方法对重点成矿地区的电磁数据进行了校正[5-7]，有效地去除和压制了地形引起的电磁干扰异常，突出了异常体引起的电磁异常，提高了频率域航空电磁的解释效果。

(4)磁导率、电导率等多参数转换方法。根据层状介质模型研究了考虑磁导率和电阻率因素条件下的电磁场正演计算方法[8-11]，并且分析了不同磁性介质对频率域电磁响应的影响规律。在此基础上，提出了磁导率和电阻率的双频反演方法，电阻率是通过两个频率的虚分量之比计算得到的，计算结果更加可靠，提高了磁性区域视电阻率填图的精度。

1.3　解释方法技术成果

(1)频率域航空电磁法视中心深度计算方法。根据频率域电磁法趋肤效应这一原理，将每一个频率的观测结果转换成对应的一个质心深度和(视)电阻率，其计算结果与实际地质剖面的电性分布相似，并称为视中心深度算法[12]。该方法为一种电阻率拟断面技术，可以产生电阻率随视深度函数变化的断面图。

(2)频率域航空电磁异常特征分类方法。由于吊舱系统总共有6个频率的实、虚分量曲线，异常分析工作量较大。通过利用和分析野外实测电磁数据和地质解释成果，研究地质体性质与电磁频率特性的关系，在综合分析的基础上，将频率域航空电磁响应划分为5类异常特征，并分析了各类电磁异常特征与矿产的关系。该方法简化了频率域航空电磁法定性解释过程的复杂性，方法直观，便于应用。应用频率域航空电磁5类异常特征，可以有效识别干扰异常，提取对找矿有意义的航空电磁异常，对于提高频率域航空电磁法矿产勘查效果具有一定的现实意义。

(3)空地异常组合特征与找矿分析方法。根据该区的直升机航空电磁、磁测资料，并结合地面查证资料(包括地质观察、地面磁法、电法、化探等)，探讨了空地异常组合特征与铁及多金属矿的关系[13]，指出了与矿产有关的异常和非矿异常，通常具有不同的空地异常组合特征，并建立了空地异常组合特征寻找铁及多金属矿的分析方法，该方法对于今后利用空地综合方法确定找矿目标具有一定的指导意义。

(4)多频航空电磁资料编制岩性地质构造图方法技术。采用数值分析方法对调查区的多频航空电磁实、虚分量和视电阻率进行分类，在综合分析地面地质、物化探资料的基础上，采用岩性地质组合单元建立解释模型进行电性地质构造填图。

1.4　吊舱式直升机航空电磁测量技术要求

在对吊舱式直升机航空电磁测量系统的工作方法进行系统研究的基础上，建立了吊舱系统的工作程序和技术评价标准，在广范调研[14]、反复审议、不断完善的基础上，编制了“吊舱式直升机航空电磁测量技术要求”，为今后进行吊舱系统的生产测量奠定了技术基础。

一是总结和归纳出吊舱式直升机航空电磁测量系统的野外工作方法及技术要求，其中包括测量选区、设计、系统维护，以及野外工作程序，重点规范了直升机沿复杂地形起伏飞行的方法和技术要求，这对今后进行吊舱系统的生产测量具有指导作用。

二是根据吊舱系统的特点，并借鉴国外同类系统的质量评价方法和技术标准，对吊舱式直升机航空电磁测量质量(电磁噪声、零点漂移评价方法和评价标准)和测网精度标准进行了分析研究，建立了吊舱系统的测量质量技术要求，并对测量中可能遇到的特殊干扰和情况，提出了处理意见。

三是对吊舱系统的野外预处理(重点包括电磁噪声、零点漂移的校正方法及要求)、室内数据处理、以及数据解释方法进行了分析和研究，建立了吊舱系统数据处理和解释的工作程序及技术要求，对数据处理工作中的工作难点和值得注意的问题提出了处理意见。

四是建立了吊舱系统测量的多频电磁基础图件、多频电磁转换图件以及成果推断图件的编图方法及技术要求，并对图件的使用提出了若干注意事项。对吊舱系统的综合解释方法进行了分析和研究，提出了吊舱系统在基础地质勘查、矿产勘查以及水工环勘查的综合解释方法及技术要求。

2应用示范区勘查效果

填补了3个应用示范区航空电磁资料的空白，获得了研究区不同深度和不同层次的电性信息，并利用本次研究的航空电磁数据填图方法对研究区进行了多层次的岩性构造填图，反映了不同层次的地质构造特征，为研究区地质研究、找矿或探测地下煤火提供了重要的基础资料和地质信息。通过示范区的应用研究，解决了航空电磁方法探测地下煤火区的电性结构特征问题，以及航空电磁方法直接寻找良导矿体的关键问题，弥补了航磁间接寻找多金属矿的不足，并取得了明显的勘查效果，具体应用效果如下。

2.1　内蒙古乌达地区

通过野外地下煤火区实地磁性测定及对不同岩性标本进行不同温度下的磁性和电性测定，获得了地下煤火区的磁性和电性变化规律。即煤层的围岩在升温和降温过程中其最高温度必须达到500 ℃以上的温度才能获得磁性，且岩石磁性在降温过程中的数值要比升温过程的数值大得多。对于煤火区的电性特征，在500 ℃以上的高温区，煤层和围岩呈现低阻特征。

分析了航空电磁异常、航磁特征与已知地下煤火区的分布关系,总结了地下煤火区的航空电磁异常、航磁异常特征，并进行了成因分类，其中航空电磁异常包括地下煤火引起的异常39个、煤矸石异常6个；航磁异常包括煤火烧变岩异常40个，煤火烘烤岩石异常44个，燃烧煤矸石堆异常区12个。

编制了研究区岩性构造图，分析探讨了地下煤火区与断裂构造的关系，认为该区F9、F10、F12和F13断裂为煤层氧化、自热、蓄热，到燃烧阶段提供了氧气的通道，控制着研究区东部和西部2条地下煤火带的分布和发展。分析了地下煤火的燃烧中心位置，并判断地下煤火的燃烧方向。

地面查证结果表明，地下煤火区的空、地电磁和磁异常基本对应，并经地面踏勘和钻探验证，其中3处航空电磁、磁异常与已知地下煤火区的范围和深度基本吻合，并证实了2处新发现的隐伏煤火区的分布范围。

将研究区地下煤火划分为燃烧初期、中早期、中期、中晚期和死火期5个燃烧阶段，并分析研究了不同燃烧阶段地下煤火区的电性、磁性结构特征。共圈出地下煤火区22处(其中新圈定的6处)，煤矸石堆11处(其中新圈定的7处)，圈出86片地下煤火烧变岩和烘烤岩石分布区①王卫平，周锡华，方迎尧，等.内蒙古乌达地区直升机航空电磁测量试生产成果报告[R].北京：中国国土资源航空物探遥感中心，2007:75-135.(图1)。

本次工作所取得的技术成果为推动利用航空物探测量进行地下煤火研究提供了宝贵的经验，并对乌达煤田地下煤火研究、了解地下煤火的分布，以及布置地下煤火灭火工程提供了重要的基础资料和依据。

图 1　内蒙古乌达地区直升机航空物探推断地下煤火区分布图Fig.1　Distribution of underground fire inferred from aero geophysical survey in Wuda, Inner Mongolia1. 燃烧初期; 2. 燃烧中早期; 3. 燃烧中期; 4. 燃烧中晚期;5. 死火区; 6. 煤矸石堆; 7. 烧变岩; 8. 无烧变岩

2.2　广东河源幅龙门地区

划分了研究区的控岩控矿构造。特别是左潭圩—东海凹和塘面—凹背塘这两条一级断裂的发现，对研究区的地质构造、岩浆岩分布，以及寻找与其有关的矿产具有重要的地质意义。新发现隐伏岩体42个，蚀变岩15处。这些岩体和蚀变岩的圈定，不仅为研究该区构造特征、岩浆活动等提供了依据，而且也为该区寻找与其相关的铅、锌、铜、金、银多金属矿产奠定了基础。提供了一批具有找矿潜力的航空物探异常和找矿靶区，应用航空电磁异常特征分类方法和空地异常组合特征方法，对航空电磁异常进行了异常分类和筛选，确定具有寻找铅、锌、铜、铁等矿潜力较大的航空电磁异常18个，为研究区提供了重要的找矿靶区。地面查证表明：山下北勘查区(粤D-2005-100)的地下良导体构造位置位于隐伏岩体边缘，边部有锰、铅元素化探异常，是寻找铁、锰、铅、锌的有利场所(图2)。2009年6月对该异常进行了地面钻探验证，在52~185 m见累计厚度达93 m的黄铁矿化，局部见铅锌矿化，经化验分析铁含量达12%~25%，银和钛含量接近工业品位②王卫平，周锡华，方迎尧，等. 广东河源地区直升机航空电法测量试生产成果报告[R].北京：中国国土资源航空物探遥感中心，2008:36-98.。

2.3　江西武夷山北部(宜黄)地区

全区共划出16条断裂(新发现6条、扩展7条)；新发现隐伏或半隐伏花岗岩体15个(隐伏9个、半隐伏6个)；新圈出蚀变带19条。并建立了研究区铅、锌、铜、铁综合找矿标志，圈定6个找矿远景区，确定具有寻找铅、锌、铜、铁等找矿潜力较大的航空电磁异常15个，为研究区提供了重要的找矿靶区。经地面检查，确认了5处对寻找铁和铅锌矿具有良好找矿前景的找矿目标，其中3处航空电磁异常在地表见褐红色、灰色磁铁矿，2处航空电磁异常见黄铁矿和铅锌矿化体。其中赣C-2008-4和赣D-2008-68组合航空物探异常地表见褐红色、灰色磁铁矿，成矿环境与严坑铁矿相似，铁矿资源潜力很大。赣C-2008-15和赣D-2008-39组合航空物探异常地表见黄铁矿化和铅锌矿化，为矿化体或多金属矿引起，为在该区进一步寻找铅、锌、铁矿产提供了重要的找矿线索③王卫平，方迎尧，吴成平，等.江西武夷山北部地区直升机航空物探试生产成果报告[R] 北京：中国国土资源航空物探遥感中心，2010:67-115.。

3主要创新点

(1)该项成果是吊舱系统首次在我国复杂山区进行的勘查测量工作，也是吊舱系统首次进行的1∶5 000大比例尺的航空物探测量，在国内首次系统地研究了利用吊舱系统进行基础地质、矿产勘查、地下煤火勘查的方法技术，其中包括野外飞行勘查、工作方法和解释方法技术，为今后利用吊舱系统进行地质勘查提供了范例。

(2)在对吊舱系统工作方法进行系统研究的基础上，建立了吊舱系统的工作程序和技术评价标准，编制了“吊舱式直升机航空电磁测量技术要求”，为今后进行吊舱系统的生产测量奠定了技术基础。

图 2　粤D-2005-100航空电磁异常综合剖面图Fig.2　Integrated profile of line D-2005-100 in Guangdong provincea: Mn. 锰化探异常; Zn. 锌化探异常; Pb. 铅化探异常; Cu. 铜化探异常。 b: σ930. 930Hz电导率; σ4650. 4650Hz电导率; σ23250. 23250Hz电导率。 c: 可控源电磁法转换的电阻率—深度断面。 d: 地质剖面

(3)首次在综合分析各种地质体频率特性的基础上，将频率域航空电磁响应划分为5类异常特征，并研究了各类航空电磁异常特征与矿产的关系。本次研究的航空电磁异常特征分类法，对于识别干扰异常，提取对找矿有意义的电磁异常具有明显效果。

(4)根据航空物探资料，以及地面查证资料，包括地质观察、地面磁法、电法、化探等，研究了空、地异常组合特征与铁、多金属矿产的关系，在综合分析的基础上，建立了利用空、地异常组合特征寻找铁及多金属矿的技术方法，该方法对于今后利用空地综合方法确定找矿目标具有一定的指导意义。

(5)经对广东河源地区的航空电磁异常进行筛选，确定了18处对寻找铅锌铜铁潜力较大的找矿目标，并对山下北勘查区的粤D-2005-100航空电磁异常进行了钻探验证，在52~185 m见累计厚度达93 m的黄铁矿化，局部见铅锌矿化，经化验分析铁含量达12%~25%，银和钛含量接近工业品位。

(6)经对江西武夷山北部宜黄地区进行地面检查，确认了5处对寻找铁和铅锌矿具有良好找矿前景的找矿目标，其中3处航空电磁异常在地表见褐红色、灰色磁铁矿，2处航空电磁异常见黄铁矿和铅锌矿化体，为在研究区进一步寻找铅、锌、铁等矿产提供了重要的找矿线索。

(7)以在实验室对岩石标本进行加温和降温过程的磁性和电性测试，以及野外实测煤火区的岩石磁性基础上，并结合空、地异常综合分析，研究出了地下煤火区的航磁异常和航空电磁异常的产生机理，以及地下煤火区的航磁异常和航空电磁异常的特征规律。

(8)在内蒙古乌达煤田地区总共圈出地下煤火区22处，其中本次新圈定6处；圈定煤矸石堆11处，其中本次新圈定7处；圈出86片地下煤火烧变岩和烘烤岩石。为乌达煤田地下煤火研究、布置地下煤火灭火工程提供了重要的基础资料和依据。

4结论

(1)该项成果是吊舱系统首次在我国复杂山区进行的勘查测量工作，也是吊舱系统首次进行的1∶5 000大比例尺的航空物探测量，在国内首次系统地研究了利用吊舱系统进行基础地质、矿产勘查、地下煤火勘查的方法技术，其中包括野外飞行勘查、工作方法和解释方法技术，为今后利用吊舱系统进行地质勘查提供了范例。

(2)该项成果为推动利用吊舱式直升机电磁、磁系统进行基础地质、矿产勘查、地下煤火勘查提供了方法技术和宝贵的实际经验，并对3个示范区的基础地质研究、圈定找矿目标或隐伏地下煤火区提供了重要的基础资料和依据。

(3)我国的西南三江成矿带、秦岭成矿带、湘西—鄂西成矿带、川滇黔相邻成矿区、武夷成矿带等的地形、地貌和成矿条件与广东河源地区、江西武夷山北部地区类似，吊舱式直升机电磁、磁系统在上述成矿带进行矿产勘查具有很大的应用潜力。

(4)在新疆、甘肃、宁夏和内蒙古等地区也存在其他诸多地下煤火分布区，地电、磁性条件与内蒙古乌达地区类似，可利用吊舱式直升机电磁、磁综合测量系统快速圈定地下煤火分布范围。

致谢： 在论文编写的过程中，得到了有关单位电磁专家的大力帮助。中国地质科学院物化探研究所的孟庆敏教授级高级工程师，中国地质大学的胡祥云教授、谭捍东教授，吉林大学的李桐林教授、曾昭发教授给予了大力帮助，并提出了宝贵意见，在此表示衷心的感谢！

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Demonstration Application of Towered Bird Helicopter-borne Electromagnetic Technique

WANG Wei-ping, ZHOU Xi-Hua, FAN Zheng-Guo, JIN Long-Zhe, YU Chang-Chun, WU Cheng-ping

(ChinaAeroGeophysicalSurveyandRemoteSensingCenterforLandandResources,Beijing100083,China)

Abstract:Towed bird helicopter-borne frequency domain electromagnetic and magnetic synthetic system (hereafter towed bird system) with new broadband technology, high digitized degree and flexible system is very suitable for mineral, hydrological, engineering, environmental exploration in complex terrain, but it′s hard to work in complicated mountainous regions, and we didn′t have practical experience. Basing on trial-produce in three survey regions, we acquired outstanding achievements in survey method and technique, data processing, data interpretation, basic geological research, mineral exploration, and underground coal fire exploration. It worked out the problem of feature of electrical property in coal fire area, and the key problem of searching conductive ore body directly with aero electromagnetic method. It remedied the weaknesses in searching polymetallic ore body with aero-magnetic method indirectly, and had brought very good prospecting effects.

Key words:towed bird helicopter-borne electromagnetic technique; mineral exploration; underground coal fire exploration; demonstration application

作者简介：王卫平(1963—)， 男， 教授级高级工程师， 长期从事航空物探勘查、 数据处理、 成果解释和方法研究工作。

基金项目：中国地质调查 “重点成矿区带航空物探调查与技术应用示范(编号：12120114026501)”项目资助。

收稿日期：2015-03-04； 改回日期： 2015-04-02。

中图分类号：P318.6+3

文献标志码：A

文章编号：2095-8706(2015)05-0001-07