利用無人機和光泵磁力計進行航磁測量找礦

在哈薩克斯坦，這是首次使用無人機進行航空磁測量。本次研究采用銣泵浦磁力儀，旋翼型無人機作為載體平臺。革命性的新型航空磁系統(tǒng)結(jié)合了無人機的可操作性和磁測設(shè)備的高靈敏度。該系統(tǒng)可以在極低的海拔、平坦的地形和困難的地形條件下進行詳細的地形測量。由于這項新技術(shù)，可以將測量的細節(jié)水平和性能提高十倍，大大提高磁測量的精度，原則上已經(jīng)可以利用階梯高度測量進行磁場體積研究。

磁法勘探被認為是地球物理勘探中最有效的方法之一，并被廣泛應(yīng)用于地質(zhì)勘探的各個階段：尋找鐵礦和其他礦物(包括碳氫化合物)、地質(zhì)填圖、構(gòu)造研究等。高精度精密磁力測量在考古調(diào)查和工程測量中同樣發(fā)揮著重要的作用。有系統(tǒng)地將磁力計用于勘探目的可以追溯到上個世紀初。1919年，在I.M. Gubkin院士、P.P. Lazarev工程師和a.c. Arkhangelsky工程師的領(lǐng)導(dǎo)下，開始了對庫爾斯克磁異常的系統(tǒng)研究，隨后在俄羅斯的庫爾斯克、別爾哥羅德和奧廖爾地區(qū)發(fā)現(xiàn)了獨特的磁鐵礦鐵質(zhì)石英巖礦床。自上世紀40年代以來，哈薩克斯坦共和國的領(lǐng)土通過比例尺1:100萬至1:20萬的區(qū)域磁測進行了系統(tǒng)的研究，領(lǐng)土的大部分地區(qū)通過比例尺1:50000、1:25000和1:10000的詳細測量進行了研究。 然而隨著時間推移，地磁在地質(zhì)勘探中的重要性不但沒有減少，人們對它的興趣在逐年增加。

在這些年的技術(shù)發(fā)展中，至少使用了四種類型的磁力儀。在第一階段，光機平衡磁力計使用了50多年。隨后，磁通門、質(zhì)子和光泵磁力計被研制出來。目前，磁勘探主要采用核進動(質(zhì)子)磁力計和光泵磁力計。針對各種測量條件，地面、井下、海上和空中作業(yè)用的專用磁力儀被大量生產(chǎn)。

由于性能高、精度高，航空磁學(xué)研究是磁學(xué)研究的主要部分。現(xiàn)代光泵磁力計具有高分辨率(靈敏度可達0.001 nT)和高性能(每秒可達100次測量)的特點，確保了磁場記錄精度0.2-0.5 nT，使用標準空中平臺時觀測點之間的距離約為0.5 - 1m。采用差分數(shù)據(jù)平差的現(xiàn)代GPS導(dǎo)航系統(tǒng)可以獲得亞米精度的觀測點位置。而精確的標記又可大大降低航磁測量的總體誤差，并可構(gòu)建精度無與倫比的磁場圖。航空磁測在研究足夠大的區(qū)域時是最有效益的——最初的一千平方公里或更大的區(qū)域。當研究相對較小的區(qū)域(幾十/ 100平方公里)時，由于設(shè)備和飛機租賃的成本占很大比例，調(diào)查的運行公里成本急劇增加，動員/遣散，有時從基地到調(diào)查地點的大量非生產(chǎn)性飛行，等等，因此，由于性能較低，該區(qū)域的研究使用了徒步磁力計，其性能水平勉強可接受，但精度大大低于航空磁力計。

利用快速發(fā)展的無人機航磁測量技術(shù)，可以較好地解決小區(qū)域磁勘探所面臨的問題。重量不到一公斤的小型高精度高速磁測系統(tǒng)的開發(fā)，一系列無人機的廣泛生產(chǎn)，導(dǎo)致了一種全新的航空磁測技術(shù)的發(fā)展，它結(jié)合了無人機的高機動性和磁測設(shè)備的高靈敏度。因此，磁測量的細節(jié)水平提高了許多倍。

目前，正在積極開展超輕型航空磁系統(tǒng)工業(yè)樣品的制作和測試工作。在俄羅斯聯(lián)邦，Geoscan LLC、伊爾庫茨克國立技術(shù)研究大學(xué)俄羅斯科學(xué)院西伯利亞分院特羅菲穆克石油地質(zhì)與地球物理研究所(Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics)正在研究這個問題，加拿大和世界其他國家也在進行類似的研究。在哈薩克斯坦，SPC Geoken LLP于2017年9月至10月進行了使用無人機進行的航空磁測技術(shù)的首次測試。試驗工作與Kazzinc LLP的地質(zhì)勘探部門和俄羅斯公司Geoscan LLC合作進行，Geoscan LLC公司提供了一個基于無人機和光泵磁力計的航空磁測系統(tǒng)。

多旋翼型無人機- Geoscan 401四軸飛行器-被用作勘測的空中平臺(圖1)。

圖1 無人機- geoscan401四軸飛行器

四軸飛行器配備有自動控制系統(tǒng)(自動駕駛儀)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、雙系統(tǒng)(GPS/GLONASS)導(dǎo)航接收機、工作負載控制單元和用于傳輸指令和遙測數(shù)據(jù)的數(shù)字通信通道。無人機由基于一臺筆記本電腦和Geoscan Planner軟件的地面控制站(GCS)控制。GCS能夠準備飛行任務(wù)，監(jiān)視和控制飛行和顯示從UAV獲得的遙測數(shù)據(jù)。起飛、根據(jù)飛行任務(wù)在測量航線上工作、降落均在自動模式下進行，操作員可及時更改飛行任務(wù)。無人機與地面站通過數(shù)字通信信道連接。所有來自無人機的數(shù)據(jù)-坐標，航向，滾轉(zhuǎn)，俯仰，速度，電池剩余電量等-在GCS實時顯示。

無人機由鋰聚合物電池供電。四軸飛行器最大水平速度為50 km/h (14 m/s)，航磁測量以36 km/h (10 m/s)的速度進行。最大負載重量為2kg。相對安全高度最小為25米，最大為500米。飛行時長(從起飛到降落)由無人機的電池容量決定，最長為40分鐘。在這段時間內(nèi)，可以計算出22公里的航磁路線(根據(jù)進近和轉(zhuǎn)彎進行調(diào)整)。在一個工作日內(nèi)，可以進行6-8次飛行，并進行120-160公里的勘測。磁場由由光泵的銣磁敏磁力計記錄。磁力計使用20米長的卡普綸繩索固定在無人機上(圖2)。

圖2 懸掛桿處的量子銣磁力計，由無人機用卡普綸繩索牽引

磁場采樣率為1000hz。單片GPS接收器與磁力計一起安裝在吊桿上。定位數(shù)據(jù)記錄速率10hz。GPS接收器天線固定在距磁力計傳感器約1米的桿上。原始的磁力計和定位數(shù)據(jù)記錄在可移動存儲器上。飛行結(jié)束后，所有數(shù)據(jù)都會被復(fù)制到筆記本電腦上，以檢查數(shù)據(jù)的完整性和質(zhì)量。

將磁力計原始數(shù)據(jù)由二進制轉(zhuǎn)換為文本后，對原始數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計處理，并將磁場數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫進行進一步處理，采樣率為0.1 s，對應(yīng)于航磁路徑上0.8-1 m的間距。磁力計和定位數(shù)據(jù)使用GPS時間對齊。

所有航空磁測量都有高質(zhì)量地磁變化記錄的支持。地磁變化測量在三個地面MVS進行。其中兩個在固定位置，第三個站-移動的一個-位于無人機起飛/著陸點附近，并隨著區(qū)域的計算移動。

為評估飛行方向?qū)Υ帕τ嬜x數(shù)的影響而進行的測試表明，偏差修正不超過1.0 nT。

在使用無人駕駛飛機進行航空磁測之前，已從主管當局取得所有必要的授權(quán)，按照既定程序商定每天飛行高度超過50米。

測試工作結(jié)果

此項新技術(shù)在哈薩克斯坦東部和中部的Kazzinc LLP勘探地區(qū)進行了試驗。測試的主要任務(wù)是在實踐中查明該系統(tǒng)在進行航空磁測時在最低安全高度和最佳飛行速度下的能力，評估磁強測量誤差，并檢測需要更新和改進的技術(shù)特征。此外，還解決了純工業(yè)性質(zhì)的任務(wù)：在找金-石英礦和層狀多金屬礦時，為地質(zhì)填圖和預(yù)測估計建立詳細的高精度磁測數(shù)據(jù)。全面開展航磁實驗工作，測量路線1500多公里。建立了1:50 000和1:10000比例尺的探區(qū)磁場數(shù)字模型。對照測量，測量均方根誤差為±0.25-0.35 nT。

航空磁測區(qū)位于哈薩克斯坦東部，位于哈薩克斯坦阿爾泰西南山脊的南坡上。根據(jù)構(gòu)造分類方案，本區(qū)位于西卡爾賓斯克構(gòu)造帶的中部，根據(jù)成礦帶資料，本區(qū)屬于西卡爾賓斯克金礦帶。航磁測量是金-石英型礦石綜合找礦的一部分。航磁測區(qū)為復(fù)雜起伏地形(圖3)，海拔685 ~ 1360 m。山坡上長滿了1-2米高的刺狀灌木，行走時很難穿越。沿著河床——生長著一片樹木高達10米的森林。航空磁測是在地表以上50米的磁力計傳感器高度進行的。為了評價多高程航空磁測在體積地質(zhì)填圖方面的效率，除了在50米高度進行的主要調(diào)查外，還在離地面30和70米的磁力計高度測量了局部地區(qū)的磁場。要在給定高度飛行且地形跟隨，必須有足夠精確的數(shù)字地形模型(DTM)。將預(yù)制DTM加載到GCS中，用于設(shè)計航磁路徑的垂直剖面。

圖3 哈薩克斯坦東部地區(qū)，位于山脈的斜坡上，景觀條件復(fù)雜

目前，Aster Global DEM和SRTM DEM模型是最容易獲得的免費使用的數(shù)字地形數(shù)據(jù)。SRTM DEM數(shù)據(jù)與高分辨率無人機影像攝影測量處理得到的地形數(shù)字模型(S. Mikhailov， Kazzinc， 2016)對比分析表明，在山地條件下，SRTM數(shù)據(jù)與地表實際高度的差異在無灌木的淺坡地為±3-4米，在丘陵山地和有喬灌木植被的地區(qū)為±9-10米。

在初始階段的研究中，SRTM數(shù)據(jù)用于飛行計劃時，由于模型的重大錯誤，因此，低估真正的地形和森林覆蓋，磁力儀的吊艙系統(tǒng)被樹木切斷了導(dǎo)致磁力計掉落。幸運的是，磁力儀沒有損壞，也沒有失去工作能力。隨后的飛行使用高精度DTM (cell/pixel size為2 m，高度絕對誤差±0.2 m)，使用無人機拍攝的高分辨率圖像的攝影測量處理數(shù)據(jù)構(gòu)建。后來就沒有這樣的事故了。

圖4為測量路徑垂直剖面示例。

圖4 航空磁測時地形跟隨的磁力計高度與地球表面圖

航磁測量在航線之間50米的距離進行。為了平整航磁測量數(shù)據(jù)，對與直線垂直鋪設(shè)的一系列連接線路進行了測量，連接線路之間的距離為1 km。磁力計在測量路線上的平均速度為36 km/h (10 m/s)。磁場采樣率為1000hz，坐標采樣率為10hz。對磁力計原始數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計處理后，將磁場記錄到結(jié)果數(shù)據(jù)庫中，時間增量為0.1 s，對應(yīng)于航空地球物理路徑上0.8-1 m的距離。

航磁測量結(jié)果為異常磁場彩色圖像(圖6a)和異常磁場垂直梯度計算結(jié)果(圖6b)。場的垂直梯度降低了原場的低頻分量，增強了局部分量，強調(diào)了場內(nèi)部結(jié)構(gòu)的要素。為了比較沿多條航磁路線的航磁測量和地面測量，利用G-859光泵磁力計進行了地面地磁測量(圖7)。

圖5 哈薩克斯坦東部地表起伏和航磁測量路線地形高程685 - 1360 m

圖6 異常磁場(上)和磁場垂直梯度(下)

圖7 使用G-859磁力計進行徒步磁測

磁場為自動模式記錄儀，時間增量為4 s，操作者沿導(dǎo)線的平均速度為1.8 km/h，徒步移動時相鄰測點之間的距離為0.5 ~ 4 m，取決于灌木密度和坡角。陸地磁力計平均采樣間隔為2米。在同一導(dǎo)線上進行的航空和陸地測量的磁場圖見圖8。

圖8 陸、航磁測量磁場圖對比

相對于無人機航磁測量數(shù)據(jù)而言，徒步運動時的磁場測量噪聲水平明顯較高。根據(jù)對照測量，陸地測量的均方根誤差為±2.3 nT，在地磁儀高度50 m處的航空磁測量的誤差為±0.25 nT。

哈薩克斯坦中部的試驗工作區(qū)域位于哈薩克斯坦共和國卡拉干達地區(qū)的Zhailminskaya下褶皺區(qū)。利用無人機進行航磁測量，用于地質(zhì)填圖、隔離和追蹤有希望的層狀鉛鋅、鐵錳礦帶。該地區(qū)預(yù)測與上法門統(tǒng)有機質(zhì)灰?guī)r有關(guān)，被風成砂和古近系粘土覆蓋。在上世紀70年代的找礦過程中，通過探井對方鉛礦和閃鋅礦嵌布細脈的石灰?guī)r進行了相交，深度為150 ~ 160 m。

研究區(qū)域地勢平坦，景觀條件為草原、半荒漠(圖9)。研究區(qū)域面積38平方公里，采用1:10000比例尺航磁測量。航磁線路總長度為465公里。地磁儀測量時高度為地表以上30米，線路間距為100米。根據(jù)控制測量，航磁測量的均方根誤差為±0.35 nT。

圖9 哈薩克斯坦中部地區(qū)自然景觀:風成沙、大草原、半沙漠

上世紀80年代在該區(qū)域進行了規(guī)模為1:25 000的綜合航空地球物理調(diào)查。該調(diào)查是在AN-2飛機上使用MMC-214光泵磁力計進行的，該磁力計具有模擬-數(shù)字磁場記錄。飛行高度為25-75米，航線間距離為250米，采用“泊斯克”無線電測地系統(tǒng)進行定位。定位誤差±13.7 m，磁場測量MSE±2.7 nT。

為了評估使用無人機進行的航磁測量的信息價值，將得到的地圖與以前進行的航磁測量的數(shù)據(jù)進行比較(圖10)。利用現(xiàn)代軟件Geosoft Oasis Montaj對歸檔的數(shù)字AMS數(shù)據(jù)進行再處理和可視化。為了便于比較，將磁場值降低到2017年的調(diào)查水平，同時使用相同的色標進行可視化。

新測得的磁測數(shù)據(jù)與以前高精度航磁測量的結(jié)果基本一致。因此，對比分析明確表明，使用無人機獲得的航磁數(shù)據(jù)具有更大的細節(jié)和空間分辨率。新的磁力測量幾乎比1988年進行的那次更精確。局部磁場分量(圖11)包含了以前無法獲得的有關(guān)該地區(qū)構(gòu)造和構(gòu)造剖面細節(jié)的新信息。隨后結(jié)合其他地質(zhì)和地球物理資料對新的磁力測量材料進行深入分析，很可能會發(fā)現(xiàn)鉛鋅礦化的其他找礦標準，并采取更合理的方法來確定有希望的地帶進行進一步研究。

圖10 2017年左側(cè)磁場異常- 1:10000測量;對，1988年1:25000的調(diào)查

進行的測試工作可以得出以下結(jié)論:

1. 利用無人機和光泵磁力計進行航磁測量技術(shù)試驗，取得了良好的結(jié)果。以無人機和光泵磁力計為基礎(chǔ)，利用銣磁敏傳感器構(gòu)建的航磁系統(tǒng)，將無人機的機動性與測磁設(shè)備的高靈敏度結(jié)合起來。該系統(tǒng)可以在極低的海拔、平坦的地形和困難的地形條件下進行詳細的地形測量。新技術(shù)的結(jié)果是，可以將測量的細節(jié)水平和性能提高10倍，從而顯著提高磁測量的精度。

2. 隨著該系統(tǒng)的引入，由于多次高程測量和垂直剖面處理，可以進行磁場的體積研究，這反過來又為磁測數(shù)據(jù)分析和解釋提供了使用新方法的可能性，這將導(dǎo)致構(gòu)建可靠度達到新水平的體積地磁模型。

3. 進一步改進和引進低空航空磁測技術(shù)，將有可能為詳細地質(zhì)填圖(比例尺1:10 000 - 1:10:從而提高地質(zhì)圖的質(zhì)量和可靠性，提高預(yù)測成礦分析和找礦生產(chǎn)力。

4. 當有人駕駛的飛機無利可圖，并且徒步測量需要更多的勞動力或由于地形條件惡劣而不可能時，使用該技術(shù)的最大效果預(yù)計是在中型地區(qū)(幾十平方公里，前數(shù)百平方公里)的勘探。未來幾年，利用無人機進行的低空航磁勘測很可能會被大量使用，在某些情況下幾乎完全取代陸地磁勘探，而磁測在地質(zhì)勘探中的效率和實際重要性不不斷增加。

關(guān)于生產(chǎn)商Geoscan：

Geoscan集團是俄羅斯無人機(UAV)制造商，攝影測量數(shù)據(jù)處理和三維數(shù)據(jù)可視化軟件的開發(fā)商。公司旗下地球物理部門開發(fā)了基于無人機和光泵磁力計的航磁測量系統(tǒng)，目前全球已有超過50多個客戶使用。上海昊量光電作為Geoscan在中國大陸地區(qū)獨家代理商，為您提供專業(yè)的選型以及技術(shù)服務(wù)。對于Geoscan有興趣或者任何問題，都歡迎通過電話、電子郵件或者微信與我們聯(lián)系。

審核編輯：符乾江