梁盛軍，張力卡，曹學(xué)峰，劉前坤

(1.中國國土資源航空物探遙感中心，北京 100083;2.國土資源部航空地球物理與遙感地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083;3.山東省城鄉(xiāng)建設(shè)勘察院，山東濟(jì)南 250031)

1 儀器系統(tǒng)

時(shí)間域航空電磁法是以飛行器為載體，通過機(jī)載或在空中拖拽發(fā)射和接收裝置進(jìn)行探測(cè)的方法，是航空電磁法的一個(gè)重要分支。其原理是通過人工源激發(fā)，觀測(cè)地下介質(zhì)在供電及關(guān)斷發(fā)射源后的電磁場(chǎng)響應(yīng)，探測(cè)地下地質(zhì)體的分布。時(shí)間域航空電磁法除了具有航空電磁法的一般特點(diǎn)，如效率高、使用地域廣泛、操作靈活等特點(diǎn)外，還具有分辨率高、探測(cè)深度大的優(yōu)勢(shì)(Steuer et al.，2009)。時(shí)間域航空電磁系統(tǒng)應(yīng)用比較廣泛，目前已應(yīng)用于礦產(chǎn)勘查、環(huán)境監(jiān)測(cè)、海冰探測(cè)和地下管道探測(cè)等方面，有許多應(yīng)用在找礦和地質(zhì)填圖方面的實(shí)例(Anderson et al.，1993)。國內(nèi)有學(xué)者對(duì)直升機(jī)TEM系統(tǒng)的應(yīng)用前景進(jìn)行了分析，認(rèn)為直升機(jī)同心系統(tǒng)發(fā)射裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輕便，儀器分辨率高，是我國直升機(jī)TEM發(fā)展的首選方向，并且能夠在礦產(chǎn)、水工環(huán)勘查中具有廣泛的應(yīng)用前景(王衛(wèi)平等，2010)。

1948年加拿大試飛的航空電磁系統(tǒng)被認(rèn)為是航空電磁法的開端。隨著時(shí)間域航空電磁系統(tǒng)的問世，解釋方法也逐步開展。2011年中國國土資源航空物探遙感中心(航遙中心)從加拿大引進(jìn)了一套直升機(jī)時(shí)間域航空電磁系統(tǒng)，該系統(tǒng)已進(jìn)行試生產(chǎn)飛行，取得良好效果。2012年，航遙中心依托863項(xiàng)目自主研制出吊艙式直升機(jī)航空電磁系統(tǒng)，該系統(tǒng)已經(jīng)在野外試飛并通過中華人民共和國科技部驗(yàn)收，目前該系統(tǒng)仍處于改進(jìn)階段，已經(jīng)成功采集大量野外試驗(yàn)數(shù)據(jù)。兩套系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)后，在了解國內(nèi)外時(shí)間域航空電磁系統(tǒng)的解釋方法發(fā)展的基礎(chǔ)上，需要研究實(shí)測(cè)航空電磁數(shù)據(jù)處理、解釋方法。

2 資料預(yù)處理

航空電磁數(shù)據(jù)一般需要進(jìn)行預(yù)處理之后再進(jìn)行正反演和解釋。不同的航空電磁系統(tǒng)收錄數(shù)據(jù)的格式各不相同，而且進(jìn)行預(yù)處理后的數(shù)據(jù)格式也不同，一般包括去除一次場(chǎng)、滯后校正和抽道等(Leeming et al.，1999)。解釋工作使用預(yù)處理之后的數(shù)據(jù)，需要解釋人員對(duì)數(shù)據(jù)預(yù)處理過程有一定的了解。由于時(shí)間域航空電磁法數(shù)據(jù)量大，相應(yīng)算法不成熟、正反演所需時(shí)間長(zhǎng)，嚴(yán)重制約解釋工作的開展，目前有學(xué)者對(duì)航空電磁異常篩選開展嘗試工作(丁志強(qiáng)等，2012)。航空電磁數(shù)據(jù)預(yù)處理后需要進(jìn)行解釋才能最終成為可應(yīng)用資料，解釋工作包括數(shù)值模擬、反演、推斷地質(zhì)解釋等工作。近幾年來，開展了大量針對(duì)航空電磁的硬件和數(shù)據(jù)校正方面研究工作，主要集中在數(shù)據(jù)去噪、硬件姿態(tài)校正、補(bǔ)償方法和數(shù)據(jù)模擬誤差校正等(嵇艷鞠等，2011;王世隆等，2011;鄭凱等，2010)，使得航空電磁的研究程度提高了許多，同時(shí)也為時(shí)間域航空電磁法在更多領(lǐng)域應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

3 正反演研究

正反演算法的穩(wěn)定性和計(jì)算速度是影響航空電磁法解釋工作的重要因素，目前仍缺乏實(shí)用的正反演算法。

1962年P(guān)emberton R H總結(jié)了航空電磁的發(fā)展和應(yīng)用，并對(duì)當(dāng)時(shí)應(yīng)用的一些系統(tǒng)應(yīng)用進(jìn)行了說明(Pemberton，1962)。從此以后時(shí)間域航空電磁法大量應(yīng)用于尋找硫化物礦產(chǎn)，并取得了成功。1969年Becker A模擬正弦波形激發(fā)生的航空電磁二次場(chǎng)響應(yīng)(Becker et al.，1969)，同年 Nelson 和 Morrison 等人也做了相似的工作(Morrison et al.，1969;Nelson et al.，1969)，其工作都是針對(duì)已有航空電磁系統(tǒng)的理論計(jì)算，提出了不同特征異常體的采樣時(shí)間應(yīng)有差別對(duì)待。1976年，D.Gupta Sarma等使用瞬變電磁場(chǎng)場(chǎng)值而不是其對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)來提高信噪比，預(yù)測(cè)此方法可以在探測(cè)深度和定量解釋方面提高時(shí)間域航空電磁系統(tǒng)性能，提出非均質(zhì)介質(zhì)和抽道時(shí)間對(duì)解釋有影響，增加接收線圈接收低頻信號(hào)能力可以收錄衰減慢的電磁信號(hào)(Sarma et al.，1976)。20世紀(jì)80年代，Becker A使用單匝線圈預(yù)測(cè)航空電磁系統(tǒng)在異常體上方的響應(yīng)，將其預(yù)測(cè)結(jié)果使用Input時(shí)間域電磁系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，能夠?yàn)楹娇针姶畔到y(tǒng)的發(fā)射時(shí)間參數(shù)選取提供可靠依據(jù)，但不推薦在復(fù)雜地質(zhì)模型計(jì)算時(shí)使用(Becker et al.，1984)。1986年Lazenby P G和Becker A在一份報(bào)告中重新定義了Input航空電磁系統(tǒng)，將電磁系統(tǒng)中核心部件改進(jìn)為數(shù)字收錄和計(jì)算機(jī)數(shù)字處理，在成功改進(jìn)并應(yīng)用的基礎(chǔ)上提出高速收錄是系統(tǒng)改進(jìn)性能的關(guān)鍵，數(shù)字收錄系統(tǒng)能夠提高航空電磁系統(tǒng)的探測(cè)深度(Lazenby et al.，1986)。Annan 等人從理論上分析了各種波形激發(fā)條件下簡(jiǎn)化、近似和有限電阻情況下的響應(yīng)，并與GEOTEM系統(tǒng)在半空間良導(dǎo)體實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，結(jié)果表明發(fā)射機(jī)打開和發(fā)射機(jī)關(guān)閉時(shí)接收的數(shù)據(jù)對(duì)于地質(zhì)體解釋都有用(Annan et al.，1996)。

21世紀(jì)以來，時(shí)間域航空電磁法得到了更廣泛的應(yīng)用和更深入細(xì)致的研究。2000年，Lane R采用三維電導(dǎo)率成像方法對(duì)TEMPEST系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行解釋，得出了與地面電磁探測(cè)和鉆探相近的結(jié)果(Lane et al.，2000)。2002 年，James E Reid 對(duì)航空電磁數(shù)據(jù)進(jìn)行有限電阻模型模擬，通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，增加電流強(qiáng)度能增加水平板狀體的異常響應(yīng)寬度，但不一定能增加其峰值幅度(Reid et al.，2002)。同年，Li Wei-dong在其博士學(xué)位論文中描述了時(shí)間域航空電磁法的模擬和反演方法，對(duì)二維和三維時(shí)間域反演算法進(jìn)行了分析，開發(fā)出有限元法2.5維時(shí)間域航空電磁數(shù)值模擬算法(Li，2002)。2007年，Eldad Haber等人研究出時(shí)間域電磁法三維反演算法，其算法適用于地面、鉆孔和航空電磁法，通過激發(fā)源的校正大大減少了模擬和反演的模型體積(Haber et al.，2007)。

此外，一些學(xué)者在航空電磁解釋影響因素和校正方面也進(jìn)行了研究。2001年，Richard S.Smith對(duì)比了航空電磁法、半航空電磁法(地面源空中接收)和地面電磁法反演結(jié)果，指出半航空電磁法具有航空和地面電磁法的優(yōu)勢(shì)。2005年，Sean Scrivens對(duì)直升機(jī)和固定翼時(shí)間域電磁法進(jìn)行了比較，固定翼系統(tǒng)有較大的探測(cè)深度，直升機(jī)系統(tǒng)有較高的空間分辨率。S.W.Hefford詳細(xì)論證了接收和發(fā)射線圈位置幾何參數(shù)對(duì)探測(cè)體的影響，從收發(fā)距、高度和線圈形狀在垂直板狀體模型上方進(jìn)行模擬，提出如果知道上述參數(shù)的準(zhǔn)確值可以剔除其在二次場(chǎng)響應(yīng)中的影響，該理論適用于所有的時(shí)間域航空電磁系統(tǒng)(Hefford et al.，2006)。此外，Anders 等對(duì)系統(tǒng)參數(shù)描述不清晰引起的模擬誤差進(jìn)行了分析(Christiansen et al.，2011)。

圖1 SPECTREM系統(tǒng)反演結(jié)果對(duì)比圖(Pare，2012)Fig.1 Comparison of inversion results of the SPECTREM system(after Pare，2012)

我國在時(shí)間域航空電磁法解釋方面起步較晚，主要研究從20世紀(jì)80年代開始。1989年徐龍強(qiáng)應(yīng)用Tridem系統(tǒng)在我國鹽堿化地區(qū)尋找地下淡水取得了明顯效果，證實(shí)了航空電磁系統(tǒng)的有效性(徐龍強(qiáng)，1989)。20世紀(jì)90年代以來，時(shí)間域航空電磁技術(shù)反演技術(shù)得到了快速發(fā)展。1990年黃皓平使用廣義逆矩陣?yán)碚搶?duì)時(shí)間域航空電磁數(shù)據(jù)進(jìn)行反演，采用水平二層大地和球體模型為例進(jìn)行了計(jì)算，需要幾次迭代便可穩(wěn)定收斂到真值，能夠區(qū)分出重要參數(shù)和無關(guān)緊要參數(shù)，對(duì)于時(shí)間域航空電磁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、野外測(cè)量和資料解釋具有重要的參考價(jià)值(黃皓平等，1990)。Huang在1991年使用阻尼最小二乘法反演吊艙式時(shí)間域航空電磁數(shù)據(jù)，通過INPUT系統(tǒng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)測(cè)試，反演結(jié)果與鉆探數(shù)據(jù)和電阻率法測(cè)量數(shù)據(jù)相符(Huang et al.，1991)。昌彥君等(1995)對(duì)電磁場(chǎng)從頻率域轉(zhuǎn)換到時(shí)間域的幾種算法進(jìn)行了比較，如果需要精確計(jì)算較晚期的響應(yīng)，宜選用余弦變換多項(xiàng)式近似算法，但其耗時(shí)最長(zhǎng)。羅延鐘等(2003)給出了一種時(shí)間域航空電磁法一維正演數(shù)值算法，推導(dǎo)階躍波激發(fā)情況下的電磁響應(yīng)公式，對(duì)典型地電斷面進(jìn)行了計(jì)算，指出一維條件下航空瞬變電磁響應(yīng)只決定于發(fā)射線圈和接收線圈高度之和，建議研究時(shí)間域航空電磁法全時(shí)域視電阻率算法及程序。

我國目前研究主要集中在簡(jiǎn)單模型的計(jì)算，對(duì)于實(shí)際工作中遇到的復(fù)雜模型反演工作缺乏有效的算法。

4 應(yīng)用實(shí)例

航空電磁法已經(jīng)有許多應(yīng)用，但不同算法計(jì)算結(jié)果對(duì)比工作較少，與實(shí)際地質(zhì)情況驗(yàn)證過的更少。國外學(xué)者Pare對(duì)時(shí)間域航空電磁法數(shù)據(jù)反演對(duì)比結(jié)果進(jìn)行說明(Pare，2012)，能夠?qū)Σ煌惴ㄓ?jì)算結(jié)果的差異進(jìn)行對(duì)比參考。圖1中a剖面為EMFlow軟件計(jì)算電導(dǎo)率成像圖結(jié)果，剖面反映測(cè)線中部地面高導(dǎo)異常體，異常體下方探測(cè)深度明顯降低;圖1中b剖面為SPECTREM計(jì)算電導(dǎo)率成像圖，高導(dǎo)異常體范圍小，異常體位置反映深度與兩側(cè)相同。圖1中c剖面為3維反演結(jié)果，能夠反映出多個(gè)高導(dǎo)異常體，對(duì)異常體的形態(tài)能夠清晰地反映，且異常體在深度上收斂。圖1中d剖面為1維反演結(jié)果，能夠反映出3條斷續(xù)的高導(dǎo)異常體，異常體沿測(cè)線變化大。對(duì)比四種反演方法可以發(fā)現(xiàn)，電導(dǎo)率成像與反演結(jié)果差異比較大，尤其是深度控制方面。三維反演能夠在深度上得到收斂，而且更符合實(shí)際地質(zhì)情況。2010年，李永興等編制出方波激發(fā)條件下時(shí)間域航空電磁一維正反演程序，其算法比Zohdy算法反演具有更高的精度;指出在定量反演方法中，奧康姆反演方法適于電磁法的特點(diǎn)，其穩(wěn)定性較高(李永興，2010;李永興等，2010)。圖2中為三層模型反演算例，兩種方式反演的結(jié)果形態(tài)和數(shù)值上都和真實(shí)模型相吻合，李永興算法和Zohdy法的反演結(jié)果作了比較，其算法比Zohdy的算法反映深部地層的效果更好。2011年，周俊杰實(shí)現(xiàn)了航空瞬變電磁法的2.5維正演算法，在一定程度上解決了計(jì)算耗時(shí)過長(zhǎng)的問題，建議將并行計(jì)算技術(shù)引入到航空瞬變電磁法正反演計(jì)算中(周俊杰，2011)。2012年，印紅軍編制出能夠計(jì)算cole-cole模型的時(shí)間域航空電磁二維正演算法，文中引入cole-cole模型參數(shù)計(jì)算，能夠突出模型的電磁場(chǎng)(印紅軍，2012)。航磁異常查證和解釋方法為航空電磁法的解釋和應(yīng)用提供了重要的參考(楊海等，2013;余學(xué)中等，2011)。國內(nèi)的航空電磁法實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)解釋方法需要不斷研究完善。

圖2 三層模型反演算例(據(jù)李永興，2010)Fig.2 Inversion results of a 3－layer model(after Li，2010)

5 發(fā)展趨勢(shì)

時(shí)間域航空電磁法已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，包括尋找地下淡水、礦產(chǎn)勘探、未爆炸炮彈探測(cè)和環(huán)境監(jiān)測(cè)等(徐龍強(qiáng)，1989;Wynn J，2002;Hashemi A et al.，2004;Vrbancich J et al.，2007;Okazaki K et al.，2011)。硬件系統(tǒng)研究日趨完善，數(shù)據(jù)處理和解釋方法也在逐步探索中前進(jìn)，在礦產(chǎn)勘查方面直升機(jī)時(shí)間域電磁系統(tǒng)已經(jīng)逐步成為主流(Nabighian M N et al.，2005)。

目前我國時(shí)間域航空電磁工作開展少，解釋工作仍在理論研究階段，獲取海量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)能夠?yàn)檠芯抗ぷ魈峁┯欣闹?。筆者認(rèn)為時(shí)間域航空電磁法有以下幾個(gè)方向發(fā)展:

(1)更完善的儀器系統(tǒng)。減小噪聲干擾，提取更多的有用信息。

(2)更有效的處理方法，有利于發(fā)現(xiàn)更小規(guī)模的異常體。

(3)開發(fā)出適合實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用的穩(wěn)定算法，能夠適合航空電磁海量數(shù)據(jù)的正反演計(jì)算。

(4)更精細(xì)的解釋方法。結(jié)合多源信息綜合解釋研究，加強(qiáng)與實(shí)際生產(chǎn)工作相結(jié)合，參考其它已有的航空物探方法解釋手段，提高解釋精度。

我國自主研制的時(shí)間域航空電磁系統(tǒng)已經(jīng)成功試飛，引進(jìn)的時(shí)間域航空電磁系統(tǒng)試生產(chǎn)工作逐步開展。隨著生產(chǎn)工作大量開展，需要加強(qiáng)時(shí)間域航空電磁方法探索研究工作，以滿足實(shí)際生產(chǎn)需求。

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