航空物理勘探
航空物理勘探 Physical Prospecting
国土资源部航空遥感和物理勘探合作伙伴
航空地球物理勘探aerogeophysical prospecting 简称航空物探,是物探方法的—种。它是通过飞机上装备的专用物探仪器在航行过程中探测各种地球物理场的变化,研究和寻找地下地质构造和矿产的一种物探方法。
  • 简 介
  • 发展情况
  • 方 法

航空地球物理勘探目前已经应用的航空物探方法有,航空磁测、航空放射性测量、航空电磁测量(航空电法)等。航空物探具有速度快,不受地面条件(如海、河、湖,沙漠)的限制,大面积工作精确度比较均一,可在一些地形条件比较困难的地区工作等优点。特别是自动控制和电子计算技术的发展,使航空物探综合化,从而提高了航空物探观测数据的计算和整理的速度及解释推断的水平,有力地促进了航空物探的发展。它的缺点是:对一些异常值较小的异常体反映不够清楚,分辨力要低些;其次是异常体的定位目前还不够十分准确,需要地面物探进行必要的补充工作。

装有专门探测仪器的飞机从空中测量地球各种物理场(如磁场、重力场、导电性等)的变化,从而了解地下地质和矿藏分布情况的作业,简称航空物探。它是第二次世界大战期间利用遥感技术发展起来的一种快速找矿和地质调查的方法。主要方法有航空磁法、航空放射性法、航空电法、航空重力法等。常用的是前两种方法。航空磁法主要用来勘探具有磁性的矿藏,如磁铁矿。探矿时的飞行高度一般为50~200米。航空放射性法用航空能谱仪等测量地球放射性射线强度(如γ射线),以寻找放射性元素矿藏。飞行高度一般为30~120米。航空物探与地面探矿方法比较具有一系列优点。它能克服种种不利地形条件和气候条件的限制,如在高寒地区、陡峭山区、原始森林、沼泽湖泊等人员难以到达的地区寻找矿藏和进行地质调查。航空物探速度快、效率高、使用劳力少,能在短期内取得大面积区域的探测资料。利用航空物探还能了解地球物理场在不同高度的变化情况,为解释地质现象和找矿提供更多的信息。航空物探通常使用低速性能好的小型飞机,飞行速度以150~200公里/时为宜。对飞机的要求是爬升性能好、转弯半径小、操纵灵活、低空和超低空性能好,以适应复杂的山区、丘陵地形的条件。飞机上应有便于安装各类探测仪器的部位,保证对不同仪器的磁场、电场、放射性干扰为最小。飞机上还应装有导航和无线电定位系统,以保证飞机在指定空域作精确的扫描飞行。用于航空物探的飞机通常需要在结构上进行适当的改装或进行专门的设计。

运用飞机(或其他飞行器)装载物探仪器在飞行中进行地球物理勘探,简称航空物探。它的优点是短时间内能在大面积地区上(包括地面难以通行的地区,如沙漠、森林、海洋、高山区等)进行连续的测量,在许多情况下,经济效益高、地质效果好。缺点是受飞机性能的限制,有些地区难以保证必须的低飞高度;并且需要有导航、定位设备,否则不能把空中测得的数据与地面位置联系起来,详细勘查的精度在很大程度上取决于定位的精确度。

航空物探开始于20世纪30年代。1936年,苏联用旋转线圈感应式航磁仪进行航空物探,灵敏度约达100纳特。第二次世界大战中,美国发明了灵敏度近1纳特的磁通门式航空磁力仪,在海上侦察敌国的潜艇,1946年开始用于地质勘探。1948年,加拿大首先试验航空放射性法成功,美国和英国同年也完成了类似的试验。1950年,第一台航空电磁仪在加拿大试用成功。1955年,瑞典和美国相继试验成功新类型的航空电磁仪,各种航空物探方法相继迅速发展。中国航空物探开始于1953年,首先应用航空磁法,以后陆续增加了航空放射性等方法,不断有新的进展。航空物探综合站现已进行工作。(见彩图)

1. 航空磁法

应用最广的航空物探方法,又称航空磁测或航空磁力勘探,简称航磁。目前航空磁测用的仪器有两类,一类是测总磁场模数的变化△T,另一类是测总磁场模数变化的梯度。目前在生产中应用的测总磁场模数变化的仪器主要是核子旋进磁力仪和光泵磁力仪,也有用磁通门磁力仪的(见磁法勘探)。测总磁场模数变化梯度的是航空磁力梯度仪。它用距离固定的两个磁力仪探头(如光泵磁力仪探头),同时测量地磁场并记录其差值(即磁力梯度,可测垂直梯度或水平梯度),一般灵敏度约达3×10-4~5×10-4纳特/米。 航空磁法在地质工作中应用较为广泛,用于以下几个方面的地质效果较好。

地质制图和研究大区域构造

在大片研究程度很低的地区和海上,可用小比例尺的航空磁测研究地质构造。许多火成岩和老变质岩都具有磁性。根据磁异常场的特征可以区分并圈定它们的范围,包括在沉积盖层下伏的部分。它们的分布、排列、组合有一定的规律,并且常可见到一些线形特征。例如,串珠状或雁行排列的局部异常,条带形或弧形的异常带,异常带的错动,异常场区域性特征的线形分界线等,据此可以发现或追索各种断裂、断裂带、褶皱构造等,然后划分地质构造单元。沉积岩一般磁性很小,但其下常有磁性岩体组成基底。对航空磁测资料进行定量计算,可以算出磁性体顶面距飞机的高度,减去航高,就可得到沉积岩层的估计厚度,从而圈出沉积盆地的范围,并研究它的特点。

找金属矿和其他固体矿藏

直接找强磁性矿体(例如磁铁矿)是航空磁法应用的重要方面。要求发现几十万吨至几亿吨的不同规模矿藏,飞机的飞行高度为几十米到上千米。有些矿藏虽然不能用航空磁法直接勘探,但可用它快速圈定成矿的远景区,然后进行地面磁测(见磁法勘探)。

普查石油和天然气根据小比例尺磁测研究区域构造和沉积盆地的特点,结合其他资料,可以提出找油的远景地区;在进一步的详细工作中,当条件有利的时候,用航空磁法能圈出控制储油构造的二级构造带;如沉积岩中夹有稳定的磁性岩层,还可直接发现可能储油的构造。

2. 航空放射性法

航空物探中应用较早的一种方法,简称航放。用它直接普查放射性矿藏的效果是显著的。

应用最多的仪器,是闪烁式γ能谱仪和多道能谱仪(见放射性勘探)。应用较广的是四道能谱仪。它所测的元素和特征谱线是:钾道40K-1.46 MeV,铀道214Bi-1.76 MeV,钍道208Th-2.62 MeV,总计数道0.4-3MeV。还有测五道、六道的。为了使每道都能有足够的灵敏度,晶体体积必须足够大,例如30000立方厘米或更大,从而使测量道能增加到500道以上,并且有微处理机安排分道取样和数据收录。 航放用于找寻放射性矿藏、含放射性矿物的非放射性矿和地质制图。 找各种放射性矿 用航空放射性法找寻各类型铀矿、铀-钍矿、钍矿、钍-稀土矿的效果是显著的。由于放射性强度在空气中随高度按指数衰减,因此要求飞机低飞,航测的有效高度与仪器的灵敏度(晶体的大小)和航速(必需的响应时间)有关,飞行高度一般要求在几十至一百多米。 找非放射性矿 有些非放射性矿体含有某些放射性矿物,可根据航放异常找到它们。例如:稀土、稀有金属,金、银、钨、锡、铝、铝土、汞、磷灰石、磷块岩、多金属、油页岩等。金伯利岩上放射性强度低,航放可帮助分辨航磁异常。 地质制图 按γ辐射的强度只能分辨少数几种岩石。而γ能谱的数据经过各种改正和换算以后,可以得出地表物质中几种放射性物质(钾、铀、钍)的百分比含量,从而可分辨各种岩石和进行地质制图。因为迄今发现的有工业价值的铀矿,都在“高铀区”或其边缘,用带大晶体的γ多道能谱仪先以较宽的线距(5~8公里)和较高航高(120~150米)圈出“高铀区”,它鉴别铀、钍含量变化的能力可达1~2ppm,然后在最有远景的地段布置大比例尺普查的航放工作。

3. 航空电磁法

简称航电。主要是音频电磁法,仪器有几十种,可以有多种分类法,如果按工作原理结合工作特点可分为以下6类。

(1)硬架式和直升飞机电磁系统
飞机上带有发射器,发射连续电磁波(一次场),另有接收器,用补偿法去掉所接收到的一次场,接收从地面导体感应产生的二次场。一般把发射和接收线圈固定在硬架上,为取得更大的探测深度,二者相距要尽可能远,因此安装在飞机的头尾或机翼的两端。若用直升飞机,则采用特制的拖吊式大吊舱(长至 9米),在其两头安放发射、接收线圈,称为直升飞机电磁系统,它可在山区作低飞勘探。测量与一次场同相(实)和异相(虚或正交)分量。为提高找矿效果,可同时发射和接收几种频率的电磁波。发射线圈和接收线圈有水平的或垂直的,或二者兼有,加上它们不同的组合方式,可以有许多变型,根据不同的探测目标和条件选用。

(2)异相(虚分量)系统
工作原理与上类同。由于异相分量不受发射、接收线圈距离变化的影响,只测异相分量时,可将接收线圈远远拖出机外(100米或更多)以加大探测深度。缺点是不能测同相分量,常用多个频率工作来弥补。 瞬变脉冲 (INPUT)和瞬变相关(COTRAN)系统 为避免一次场的干扰,在一次场(脉冲波)发射时不作测量,而测一次场断开后二次场衰减的情况(按一定时间间隔分道取样),称为瞬变脉冲系统,又称时间域系统。为取得足够强的响应,必须用比上两类大得多的发射场强,仪器也较复杂。但由于这一系统探测深度大和便于分辨地表导电层的干扰,仍得到广泛的应用。为将频率域和时间域的优点结合起来,现正试验用富含多种频率谐波的波形发射脉冲波,在发射时和断开后都进行接收测量,从发射与接收波形之差,检出有用信息,并与各种地质体模型的典型响应用计算机进行相关处理,提出推断意见,这就是“瞬变相关”系统。

(3)甚低频和天然音频电磁系统
甚低频 (VLF)和天然音频电磁系统 (AFMAG)飞机不带发射装置,只带接收装置,称为被动式系统,是用世界各地的甚低频(超长波)导航台或远处雷电作为一次场源。也有用长波台或广播电台的长波和中波系统的。因所测参数不同,可分为电相位、无线电相位、测磁等方法。这种电磁系统的成本最低,但它对不大的良导体(矿体)的反映时常比对大块的导体(如含水的断裂带、电阻率低的岩石)的反映弱,所以通常只作为找矿的辅助手段,或用于找水和地质制图。由于电磁波的趋肤效应,甚低频所能反映的只是地表下数十米内的电磁性差异,中波反映的只几米。天电法则因天电的规律较复杂,使用受到限制,应用不广泛。

(4)无限长导线法和土莱尔系统
无限长导线法 (Б.Д.К.) 和土莱尔(Turair)系统在地面布设一长导线(10公里以上)或一个大线圈(每边长数公里)发射一次场,在空中用小型直升飞机在其附近测实、虚分量或振幅、相位梯度,实为半航空法。由于紧贴地面用大功率发射,探测深度可较大。缺点是长导线或大线圈布设的工作量太大。

(5)超导电磁系统
一个线圈既作发射用又作接收用。二次场的响应表现为线圈电阻的微弱变化。这种微弱变化只有在线圈本身处于超导状态而电阻很小时才有可能被检测出来。它可以避免上述各种发射和接收线圈间的许多复杂关系,且电耗小。但超低温技术复杂,还处于试验阶段。

(6)应用
航空电磁法常用于找寻良导性矿体、地质填图、找地下水,以及分辨航磁异常。

① 找各种良导性矿 航空电磁法主要应用于寻找铜、铅、锌、钼等的硫化矿。除能直接发现矿体外,还能利用找控矿构造,间接找矿,包括找铀和其他一些金属矿。

② 地质填图、找地下水、解决工程地质问题 均匀布置的航电测量结果,可以推算出地表(一定深度内)的视电阻率图,有的还可以得出几种深度或几层的视电阻率图,用以填制地质图,研究包括地表覆盖层在内的几层的地质情况。大片的地下水体,充填有水的断裂带,含水的砾石层及褐煤层,采用此法能得到清楚的显示。

③ 帮助分辨航磁异常 影响电磁响应的因素之一是地质体的磁导率。磁性矿体与强磁性岩体的磁异常有时难以分辨,但岩体常有较强的剩余磁性,而矿体常有较高的磁导率,用航空电磁法有时可以区分这两种情况。

5. 航空重力法

航空重力测量从1957年开始试验以来,遇到了许多困难。首先要克服运动着的飞机所产生的扰动,这种扰动的加速度可以比有意义的重力异常值大10万甚至 100万倍。其次要作厄缶效应改正(即飞机绕地球飞行时产生的离心力的变化)。这种厄缶效应与飞行速度、航向和所处纬度位置有关。例如,在中纬度地区,当飞行速度为300公里/小时时,东西向飞行的厄缶改正值约1000毫伽,南北向飞行的厄缶改正值约130毫伽。因此航空重力法的观测精度不高,而成本较高,除非很特殊的情况,一般还不能大面积应用。半航空的方法是较易实现的,一般将海底重力仪用直升飞机悬挂在选定的测点上,将重力仪吊落到地面进行读数。在海滨、湖滨、沼泽地区试用已有成效,将来也可望在浩瀚的沙漠地区应用。