地质力学学报  2020, Vol. 26 Issue (5): 791-818
引用本文
熊盛青. 航空地球物理勘查科技创新与应用[J]. 地质力学学报, 2020, 26(5): 791-818.
XIONG Shengqing. Innovation and application of airborne geophysical exploration technology[J]. Journal of Geomechanics, 2020, 26(5): 791-818.
航空地球物理勘查科技创新与应用
熊盛青1,2    
1. 中国自然资源航空物探遥感中心, 北京 100083;
2. 自然资源部航空地球物理与遥感地质重点实验室, 北京 100083
摘要:简要回顾了中国航空物探技术的发展历程,重点阐述了21世纪以来、尤其是"十一五"以来国内航空物探的主要技术创新与应用成果,并对今后发展趋势进行了分析与预测。为满足国家与社会需求,"十一五"以来,中国的航空物探技术,尤其是航磁多参量、矢量测量、航空重力测量和时间域航空电磁测量技术得到快速发展;在航空物探技术创新过程中,航空物探资料的综合研究和应用得到了加强,在基础地质、固体矿产勘查与评价、能源勘查与评价等方面取得了重要成果,在地下水资源调查、工程地质勘查、环境地质调查等方面显示出了良好的应用前景。为满足国家资源勘查和环境评价对航空探测技术的需求,未来中国航空物探测量系统的分辨率、稳定性和实用性将进一步提高,航空物探在加强基础地质、固体矿产勘查、能源勘查等传统领域应用的基础上,将拓展及加强在深地探测、深海探测、深部地热调查、水资源调查、地质灾害调查、军事及测绘等领域的应用。
关键词航空地球物理勘查技术    航空物探    创新    应用    
DOI10.12090/j.issn.1006-6616.2020.26.05.063     文章编号:1006-6616(2020)05-0791-28
Innovation and application of airborne geophysical exploration technology
XIONG Shengqing1,2    
1. China Aero Geophysical Survey & Remote Sensing Center for Natural Resources, Beijing 100083, China;
2. Key Laboratory of Airborne Geophysics and Remote Sensing Geology, Ministry of Natural Resources, Beijing 100083, China
Abstract: This paper briefly reviews the development of China's airborne geophysical exploration technology, focuses on the main technological innovations and application achievements of airborne geophysical exploration in China since the 21st century, especially since the "Eleventh Five-Year Plan", and analyzes and forecasts the future development trend. In order to meet the needs of the state and society, since the "Eleventh Five-Year Plan", China's airborne geophysical exploration technologies, especially the aeromagnetic multi parameter survey, airborne vector magnetic survey, airborne gravity survey and time domain airborne electromagnetic survey, have been developed rapidly. In the process of airborne geophysical exploration technology innovation, the comprehensive research and application of airborne geophysical data have been strengthened. Important achievements have been made in many fields, including geology, solid mineral exploration and energy exploration and evaluation. Airborne geophysical exploration also has shown a good application prospect in groundwater resources survey, engineering geological exploration and environmental geological survey. To meet the demands for national resources and environmental survey, the resolution, stability and practicability of China's airborne geophysical survey system will be further improved in the future. On the basis of strengthening the application in traditional fields such as geology, solid mineral exploration and energy exploration, airborne geophysical exploration will expand and strengthen its application in deep-earth exploration, deep-sea exploration, deep geothermal exploration, water resources investigation, geological disaster investigation, surveying and mapping, military and other fields.
Key words: airborne geophysical exploration technology    airborne geophysical exploration    innovation    application    
0 引言

航空地球物理勘查(亦称航空物探)是以飞行器为载体,通过搭载多种物理探测仪器在飞行过程中探测地球物理场信息,并据此研究地球内部结构、物质组成,解决地质找矿与环境等问题的勘查方法,具有快速、高效、综合、经济、环保、便于大面积工作等突出优点(熊盛青,2009a),可在沙漠、戈壁、雪域、高山、沼泽、海洋、极地等开展工作。航空物探是重要的现代化地质矿产勘查技术,是国家公益性基础地质矿产调查技术的重要组成部分(熊盛青等,2018a),也是地球系统科学观测的重要组成部分,获取的重力场、磁场、电磁场、放射性等地球物理场数据是支撑能源资源安全保障、深地探测、深海探测,服务生态文明建设与国防建设的重要公益性、基础性和战略性地球科学信息。

航空物探是世界各国竞相发展的重要地质勘查技术,也是《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020)》优先支持发展的高新技术,体现了国家重大战略需求。中国的航空物探始于1953年,经过了60多年的发展,取得了重大科技创新与应用成果。发展历程按仪器灵敏度、测量参数、导航定位、记录方式、测量精度与应用领域等,大致可划分为三个发展阶段:20世纪50年代—70年代末期的中低精度测量阶段,20世纪80年代初期—90年代中期的高精度测量阶段(孙文珂,1984b卓松年,1985翟甲森,1992杨光庆等,1994),以及20世纪90年代末期—现在的高分辨测量阶段。其中,高分辨阶段具有更高的仪器灵敏度、更高测量精度、更高导航定位精度、更大的测量比例尺、更多参数(量)的特点,勘查能力和解决地质问题能力大幅度提高。

“十一五”以来,国家和社会对航空物探的需求迅速增加,同时也刺激了航空物探技术及应用的快速发展。为了增强航空物探技术创新能力与应用效果,国家高技术研究发展计划(863计划)先后于2006年、2012年启动“航空地球物理勘查技术系统”重大项目、“航空地球物理勘查技术与装备”主题项目;2017年启动国家重点研发计划“深地资源勘查开采”专项航空物探项目群。经过三个“五年规划”的科学技术创新与应用,攻克了相关理论和核心技术难题,促进了国内航空物探的自主创新能力和勘查技术水平的大幅度提高,实现了全系列、先进实用的航空物探勘查系统和技术的自主研制,填补了多项国内理论、技术和装备空白,打破了国外技术封锁和垄断,并通过结合地质调查项目的实施,实现了工程化应用(熊盛青等,2018a)。

航空物探测量存在飞行平台干扰、高动态条件下数据采集、远离探测目标导致信号弱等难点。为了解决这些技术难题,需要研制出抗强干扰的航空地球物理精密仪器,如研制高灵敏元器件、部件、探测器,抑制高速运动的强干扰和噪声,提高仪器采样率;同时需要解决高动态噪声条件下地球物理场微弱信息检测/提取,如解决航空重力载体加速度分离,时间域电磁一次场剔除,飞行平台干扰磁场的补偿,航空伽马能谱全谱精细解析等技术难题。另外还需要攻克多参数航空综合勘查系统集成技术,解决固定翼飞机、直升机、无人机等多飞行平台精细改装、多参数高精度同步与收录、全流程全参数同平台数据精细处理以及多参数综合地质解释等技术难题。

航空物探方法技术包括理论方法、仪器装备、飞机改装与系统集成、数据采集、数据处理、数据解释与应用、技术标准、校准设施等一系列方法技术,技术装备(硬件和软件)是制约中国航空物探技术发展和应用的“卡脖子”问题,自主研发是唯一选择。本文以航空物探仪器装备、方法与软件、应用方面的技术进步与成果为主线,在概述中国航空物探发展历程的基础上,重点论述了21世纪尤其是“十一五”以来国内航空物探技术创新、研发与应用的主要进展与成果,探讨了中国航空物探技术创新与应用发展的趋势。

1 航空物探技术

按照测量的物理场分类,航空物探可分为航空磁测(简称航磁)、航空重力测量(简称航重)、航空电磁测量(简称航电)和航空放射性测量(简称航放)等四类测量方法。四类方法的理论基础、物理性质及测量对象不同(表 1)。根据探测目标和任务不同,可选择不同的方法有机组合,进行综合测量。经过几十年的技术创新,经过中低精度、高精度及高分辨测量三个阶段,尤其是“十一五”以来,实现了中国航空地球物理勘查仪器装备快速发展(图 1),各类方法总体达到了国际先进水平,其中航磁矢量测量技术等处于国际领先水平(表 2)。

表 1 航空物探方法的理论基础、物理性质及探测对象 Table 1 Theory, physical properties and detection objects of the airborne geophysical exploration methods

图 1 自主研制航空物探仪器装备及其技术指标的标志性进展 Fig. 1 China's airborne geophysical exploration instruments and the landmark progress of technical indicators

表 2 国内外航空地球物理勘查系统核心仪器关键指标对比表 Table 2 Comparison of key indicators of domestic and foreign airborne geophysical exploration systems

“十一五”以来,针对国内各类测量方法所处的不同发展现状、水平及存在的技术难题,有的放矢地采用不同的技术创新策略,实现了各类测量方法的快速发展(表 3),主要技术进展体现在以下几方面。

表 3 中国不同时期航空地球物理勘查技术对比表 Table 3 Comparison of airborne geophysical exploration techniques of different periods in China
1.1 航空磁测技术

航空磁测(aeromagnetic survey)按采集的参量类型进行分类,可分为标量(总场、总场梯度)、矢量(三分量、张量梯度)测量。航空磁测是最早发展起来、应用最广泛的航空物探方法,始于20世纪30年代。1935年,苏联开始研制旋转线圈感应式航空磁力仪,并于1936年开展第一次航空磁测试验。中国于1953年开展了首次航空磁测试验(杨光庆,1959)。航磁主要应用于铁及多金属矿产勘查、油气勘查、地质填图、工程稳定性评价、军事、深部探测、深海探测与地球内部结构探测等。航磁测量技术是国内航空物探传统的优势技术(杨光庆和朱英, 1955, 1979程信尧,1958)。

(1) 仪器装备方面

20世纪80年代中期以来,自主研发的氦光泵磁力仪技术长期处于国际一流水平行列(卓松年,1985翟甲森,1992杨光庆等,1994熊盛青, 1999, 2002, 2007, 2009a熊盛青等,2018a)。20世纪80年代,自主研发的HC-85氦光泵磁力仪灵敏度达到0.01 nT,达到世界领先水平(孙文珂,1990; 孙文珂等,1997)。经过不断改进,2002年自主研发的HC-2000型氦光泵磁力仪的性能和精度又有很大提高,静态灵敏度达到0.3 pT,继续处于世界一流水平。在“十一五”期间实现了氦光泵磁力仪的全数字化(Xiong, 2011),进一步提高了测量的稳定性。并在同期自主研制出国内首套AGS-863全数字化航磁全轴梯度勘查系统,解决了多参量收录同步、航磁梯度补偿等技术难题,实现了航磁由单/双参量测量向多参量测量的转变,系统的水平梯度动态噪声优于2 pT/m,垂向梯度动态噪声优于10 pT/m,主要技术指标与国际上同类系统相当(熊盛青等,2018a)。“十二五”期间,自主研制出国内首套AGS-863航磁矢量(三分量)测量系统,解决了航磁三分量数据校准及补偿等技术难题,实现了航磁由标量测量向矢量测量的转变,矢量测量噪声优于3 nT,处于国际领先水平(林君等,2017熊盛青等,2018aXie et al., 2020Behura, 2020),并于“十三五”期间初步实用化,实现了地磁场7个要素测量。自“十二五”以来,超导航磁全张量梯度测量系统的研制稳步推进,目前已完成工程样机研制与试验飞行,但该技术与国外相比仍有较大差距。

(2) 方法技术方面

21世纪以来,在航磁数据采集、数据处理、位场转换、微弱信息提取、反演及解释技术等研究方面在已有基础上取得了重要进展,总结形成了用于指导航磁测量、质量评价、数据处理与资料应用等的行业规范(熊盛青等,2010b)和磁测资料应用技术要求(范正国等,2010),创新了区域航磁-地质解释理论方法(朱英,2013熊盛青等,2016a),形成了完整、先进、实用的航空磁测方法技术体系。针对中高山、低纬度、大跨度航磁应用需求,研发了复杂地形条件下低飞行高度控制、磁日变网观测与数据校正、起伏观测面位场数据转换处理、信息增强、反演解释方法等(熊盛青等,2009);开发了针对低磁纬度区ΔT剖面磁异常解释的切线法(郭志宏等,2003)和交互式航磁异常解释切线法系统(黄旭钊等,2007);针对覆盖区寻找隐伏矿产的需求,开发了高分辨航磁测量与数据精细处理解释技术(于长春等,2007熊盛青等,2008);为了增加磁异常的强度,提出了从飞行高度向下延拓至地形线的等效源和边界单元法以及将航磁数据向下延拓至海面的迭代法(徐世浙,2004徐世浙等,2007);研究了基于偏移抽样的航磁梯度分量转换方法(Li et al., 2010),曲面上航磁异常与梯度分量转换方法(余海龙等,2011)以及航磁垂直梯度调整ΔT水平的方法(骆遥等,2012);研究了磁张量梯度数据的边界识别、空间位置反演(王泰涵等,2019);重磁2D和3D定量解释技术在全国推广;等等。

1.2 航空重力测量技术

航空重力测量(airborne gravity survey)按采集的参量类型进行分类,可分为标量总场、梯度和矢量测量。航空重力测量技术研究最早开始于20世纪50年代(Thompson, 1959Nettleton et al., 1960)。1958年,美国进行了第一次航空重力测量试验。直到20世纪90年代,随着全球差分卫星导航系统、惯性导航系统及高灵敏度、高稳定度重力仪器的发展及应用,航空重力测量的研究与应用才取得了突破性进展。航空重力测量主要应用于油气勘查、固体矿产勘查、地质填图、测绘、军事、深部探测、深海探测与地球内部结构研究等领域。

中国航空重力测量研究基础差、起步晚,实质性研究始于20世纪90年代(张永明等,2006)。在测绘领域,于2000年引进了LCRⅡ型航空重力仪;在地质调查、资源勘探领域,于2006年引进了GT-1A型航空重力仪,集成了更高精度航空重力测量系统,形成了实际生产能力(郭志宏等,2008熊盛青, 2009a, 2009b王静波等,2009熊盛青等,2010a李晓斌和刘寅彪,2010)。

(1) 仪器装备方面

“十一五”以来,在国家科技计划持续支持下,国内开展了航空重力和重力梯度技术攻关和测量系统的研制工作,于2011年自主研发出国内首套捷联式SGA-WZ01航空重力测量系统,空间分辨率5 km(半波长)时,内符合精度±1.5 mGal,填补了国内空白(Cai et al., 2012, 2013Huang et al., 2012Zhao et al., 2015熊盛青等,2018a),经国内外仪器的试验对比,SGA-WZ01航空重力仪测量精度接近于GT-1A航空重力仪水平(欧阳永忠等,2013);2016年自主研发出国内首套SGA-WZ3捷联+平台式航空重力测量系统,并于2018年实现初步实用化,空间分辨率3 km(半波长)时,内符合精度±0.6 mGal,实现了高精度航空重力测量系统由引进向自主研发与引进相结合的转变;集成了多种飞行平台的航空重力和航空重磁综合勘查系统,测量精度和应用水平达到国际先进水平。“十三五”期间,自主研制出航空重力梯度测量系统样机,为进一步提升航空重力测量空间分辨能力打下了基础。

(2) 方法技术方面

中国在开展航空重力测量系统研制的同时,开展了测量理论、方法技术与应用研究,逐步形成了国内关于航空重力测量技术、数据处理及解释方法(熊盛青等, 2010a, 2018a),建立了初步实用化航空重力勘查技术体系,有效地服务于资源勘查和基础地质研究。具体上讲,在飞行方法方面,研究了航空重力测量起伏飞行方法等(周锡华等,2015);在质量评价及数据处理方面,开发了航空重力重复线数据质量评价方法(郭志宏等, 2007, 2008),基于交叉点不符值统计的航空重力测量质量评估方法(姜作喜等,2018),航空重力数据窗函数法FIR低通滤波、无限脉冲响应低通滤波(郭志宏等, 2007, 2011)、卡尔曼滤波(王静波等,2012郑崴和张贵宾,2016)以及小波滤波方法(王静波等,2020)等;在反演方法方面,研究了航空重力梯度数据三维物性反演(张楠等,2019);等等。

1.3 航空电磁测量技术

航空电磁测量(airborne electromagnetic survey)根据方法原理不同可以细分为人工场源的频率域航空电磁测量和时间域航空电磁测量方法,以及天然场源的大地电磁测量方法。1948年,加拿大进行了固定翼飞机航空电磁系统的首次成功飞行,标志着勘探地球物理的新分支——航空电磁测量的诞生(Fountain,1988)。航空电磁测量主要应用于地质调查、矿产与油气资源勘查、水文、工程及环境调查评价等。

(1) 仪器装备方面

中国航空电磁系统的发展始于20世纪50年代,于1959年开始研制长导线半航空电磁探测仪器。20世纪60年代至90年代,先后研制出了天电系统、M-1、M-2型固定翼时间域航电测量系统(因故中断未实用化)、HDY-202单频、HDY302双频、HDY401三频固定翼频率域航电测量系统(程信尧,1982韩登峰,1994),引进了TRIDEM三频固定翼频率域航电测量系统(韩登峰,1994)。进入21世纪,研制了HDY-402和AGS-863型频率域(三频)航电测量系统,引进了Impulse直升机频率域(六频)航空电磁系统和AeroTEM-Ⅳ时间域航空电磁测量系统(熊盛青等,2006袁桂琴等,2011王卫平等,2011张昌达,2013梁盛军等,2014殷长春等,2015aGuo et al., 2020)。。

2006年国内开展时间域航空电磁测量系统的自主研发,于2011年成功研制出CHTEM-Ⅰ型直升机航空电磁测量样机。“十二五”期间完成了硬架式时间域直升机CHTEM-Ⅰ型航电测量系统实用化研究,主要技术指标达到国际先进水平(陈斌等,2014b熊盛青等,2018a武欣等,2019);自主研发了固定翼时间域航电测量系统样机并开展了空中试飞(胡平等,2012熊盛青,2018a),完成了自主研发的AGS-863三频航电系统的实用化,实现了航电测量由单方法(频率域)向多方法(频率域及时间域)的转变,实现了时间域航电测量系统由引进向自主研发的转变。采用地面与空中结合,即地面发射、空中接收的工作方式,自主研发了地-空时间域航电测量系统、地-空频率域航电测量系统(嵇艳鞠等, 2011, 2013刘富波等,2017Ji et al., 2018Lin et al., 2019Wu et al., 2019a, 2019b),并开展了与系统相关的建模及反演解释方法研究(Wu et al., 2019a)。地-空系统具备航空电磁测量工作效率高和地面电磁法勘探深度大的优势,并采用无人机装载接收机,使系统更具灵活、方便及经济性(Lin et al., 2019)。“十三五”期间,自主研制出CHTEM-Ⅱ硬支架时间域直升机航电测量系统和直升机航空大地电磁测量系统(样机),并完成了试验飞行,进一步提升测量系统水平及自主科研创新能力。

(2) 方法技术方面

在仪器系统研发及应用的同时,开展了测量技术、数据处理和解释方法研究,建立和完善了中国航空电磁勘查技术体系。总结了频率域航空电磁方法及其应用(王卫平等,2011),研发了频率域航空电磁数据处理及正反演方法(周道卿等,2010刘云鹤和殷长春,2013殷长春等,2014蔡晶等,2014)及时间域航空电磁数据处理及正反演方法(毛立峰等,2011陈斌等,2014a殷长春等, 2015b, 2016, 2018苏扬等,2019齐彦福等,2020)等等,提高了国内航空电磁法解决地质问题的能力。

1.4 航空放射性测量技术

航空放射性测量(airborne radioactivity survey)是航空飞行器搭载航空放射性测量仪器系统,在飞行过程中探测空中伽马射线强度及其能谱成份变化,并据此进行地质调查、矿产与油气资源勘查和环境调查评价等的主要航空物探方法(Morse,1977国防科学技术工业委员会,2005李怀渊等,2018)。1944年,加拿大使用盖革计数器开始航放γ总量测量试验性飞行,1948年航放测量试验取得成功。20世纪60年代以来,美国和加拿大先后研制出基于NaI(Tl)闪烁计数器的四道和多道航空伽马能谱仪,开启了航空伽马能谱测量。中国于1955年开始航空放射性测量,1972年开始航空伽马能谱测量(于百川,1992)。航空放射性测量主要应用于铀矿、稀土稀有金属矿、钾盐矿勘查,地质填图、核应急监测与环境评价等领域,在油气调查甚至考古等领域中也有所应用(章晔等,1990于百川,1990Zhang et al., 1998刘裕华等,2002)。

(1) 仪器装备方面

中国在20世纪60年代后期开始自主研制航空放射性仪器,先后研制出FD-115型闪烁航空伽马测量仪、FD-123型四道航空伽马能谱仪等仪器并应用于生产,但在20世纪70年后期停止了研发工作,完全依赖于进口,并先后从国外引进了多种型号的航放测量设备。通过对引进的仪器设备进行消化吸收和再创新,使设备的更新换代一直紧跟国际先进水平(周锡华和乔广志,2002李怀渊等,2018)。自“十一五”开始,自主研制新一代全数字化航放测量系统(葛良全等, 2011, 2016倪卫冲等,2011Zeng et al., 2014熊盛青等,2018aLi et al., 2020),并于2012年研制出新一代AGS-863数化字航空伽马能谱测量系统,实现了多项关键性技术突破,目前已完成实用化和产品化,技术指标达到或优于国际同类仪器指标,结束了国内主要靠引进国外仪器的局面。2013年自主研制出AGRSS-15型适合直升机装载的小型化航放、航磁测量系统,解决了多项关键技术难题(房江奇等,2016李怀渊等,2018)。2017年自主研制出模块化数字航空伽马能谱测量系统,该系统可选择性搭配固定翼飞机、直升机、多转翼无人机、无人直升机、飞艇等不同载荷、不同巡航速度的飞行器。

(2) 方法技术方面

中国长期自主开展了航空放射性测量方法技术研究,系统建立了航空伽马能谱勘查理论、方法与解释技术,开发出航空伽马能谱解释处理系统(熊盛青等,1993李怀渊等,2018);提出了多种高度改正方法和地形改正方法(熊盛青,1998范正国和于长春,2005张文斌等,2007米耀辉等,2013);提出了多种航空伽马能谱数据岩性统计分类、地质填图方法,以及多种航空伽马能谱数据微弱信息增强方法(张文斌和熊盛青,1990熊盛青等,1993黄旭钊等, 2004, 2010赵希刚等,2007陈树军等,2007),有效应用于地质填图和铀矿、钾盐、稀有稀土等矿产勘查;提出了航空伽马能谱预测地-空界面上环境放射性、提取人工核素的解谱方法等(Xiong et al., 2012b李怀渊等,2018),应用于天然辐射评价和核应急监测领域等。

1.5 航空物探遥感综合测量技术

航空物探遥感综合测量(integrated survey of airborne geophysics and remote sensing)是以航空飞行器为载体,通过搭载航空物探及遥感设备,在飞行过程中同步进行地球物理场及遥感测量的一种综合测量技术。国际上一些航空物探遥感技术发达的国家已开展过航空物探遥感联合探测技术集成研究,如加拿大、德国等国家集成了航空遥感、航空物探等全新探测设备和直接找矿仪器,主要用于同步获取高空间分辨率的航磁、航放和光学遥感数据(朱卫平等,2014)。“十一五”以来,中国自主研制出适应于航空物探飞行模式的遥感相机及多种航空物探配套设备,解决了系统集成与综合飞行等多项关键技术,研制集成了国内首套完全国产化航磁/航重/遥感综合勘查系统等(熊盛青等,2018a),可同时获取航空物探、遥感和地形等信息,整体达到国际先进水平,实现了中国航空物探遥感综合测量技术由“无”到“有”,由单一测量(物探或遥感)向综合测量(物探遥感综合)的转变。

1.6 航空地球物理软件平台技术

自20世纪70年代,国外就已着手开发航空地球物理数据处理及解释软件系统,并初步形成了商业化软件。21世纪以来,逐步形成了以OASIS Montaj等为代表的非地震勘探领域(物探、化探、钻探)数据处理与解释软件,该软件使用插件技术开发,支持二次开发,是平台化的代表,在全世界范围内推广和应用。中国地球物理数据的计算机自动化处理解释始于20世纪70年代末期,先后研发出了一些地球物理软件,但实际工作中主要是使用国外软件。

21世纪以来,国内研发出一些实用化的航空地球物理软件,如AirProbe航空物探资料处理及成图软件系统(刘浩军等,2003)、RGIS物探数据处理解释软件及GeoIPAS地学信息处理研究应用系统等,这些软件侧重点不同,各具特色,与国外相关领域有影响的软件相比,在系统可扩展性和可定制性、数据处理速度、成图效果等,以及软件产品化方面存在一定的差距(王林飞等,2011)。

自“十一五”开始,国内采用国际先进的软件开发理念与技术,自主研发国内首套航空地球物理软件平台GeoProbe Mager,集成了航空物探(重、磁、电、放、综合)数据处理解释方法软件,实现了航空物探数据全流程、多参数、多维度、同平台快速处理解释,国内外推广应用,解决了制约国内航空地球物理高效勘查应用的“软装备”问题,带动了全行业地球物理数据处理解释技术的全面进步,提高了航空物探技术应用效果。该平台采用软件插件技术,既支持软件二次开发,又支持软件集成(王林飞等,2013熊盛青等,2018a),改变了国内航空物探专业软件小作坊开发模式、无法扩展功能和难于推广的现状,以及靠引进国外软件的局面,实现了同类软件平台由“无”到“有”的转变,并集成了地面非震数据处理及解释方法模块,目前为4.0版本。

1.7 高分辨综合航空地球物理勘查技术体系

发展航空物探技术是一项复杂的系统工程,技术的发展是一个循序渐进的过程。在已有研究基础上,经过二十多年持续攻关和勘查应用,逐步形成了先进实用的高分辨综合航空地球物理勘查技术体系(图 2)。该技术体系的特点主要体现在,①高分辨率,是指通过采用高灵敏度仪器装备,获取与分析高精度、高分辨率数据,达到对探测目标高空间分辨与识别的目的。②综合探测,通过综合测量获取高精度的多参数、多参量数据,提高探测效率;通过精细数据处理与解释,多源多维多尺度数据融合和协同处理解释、地质-地球物理建模等,减少多解性,提高对探测目标的属性分辨能力,即提高对目标体识别的准确性与探测效果。

图 2 高分辨综合航空地球物理勘查技术体系 Fig. 2 Technical system of the high resolution integrated airborne geophysical exploration

与第二代航空物探相比,主要技术进步(见表 3)体现在以下几方面:①航空物探仪器(包括重力仪、磁力仪、磁补偿仪、电磁仪、伽马能谱仪等核心仪器,以及专用导航定位等配套仪器与装置)实现自主创新与初步国产化,技术指标总体达到国际同类仪器先进水平,显著地缩小了与发达国家的差距并总体同步发展,实现重大跨越;②飞行平台进一步多样化,飞机改装与系统集成技术持续提高,基于固定翼飞机、直升机、无人机、飞艇等多种类型平台,集成了多种高精度航空物探测量系统以及航空磁/重、航空磁/电/放、航空磁/重/遥等综合勘查系统;③测量参数与参量大幅度增加(增加29个参量),如航空重力测量填补空白,航磁由总场测量发展到总场、梯度和矢量测量,航空电磁由频率域发展到频率域与时间域测量,实现航空物探遥感综合测量等;④发展了高原、中高山区和海域等复杂条件下低高度—高信噪比—高精度—快速获取勘查数据的飞行测量技术,形成了全地域、多尺度、高精度的航空综合探测能力;⑤研发了成套的专用数据处理、解释与成图技术方法和大型软件平台,显著地提高了航空物探数据的处理解释能力与地质应用效果;⑥建立了系列勘查技术标准;等等。

2 航空物探应用

航空物探在世界矿产勘查史上一直发挥着重要作用,为许多大型金属矿床和油气田的发现作出了重要的先导性贡献,在基础地质、水文地质、工程地质、测绘、军事、环境评价等应用领域也发挥了重要作用。航空物探作为高技术含量的勘探方法,在地质勘探中的作用越来越重要。根据四类方法不同的探测对象,可开展多种用途的应用,这些应用既有不同也有交叉(表 4)。

表 4 不同航空物探方法的主要用途及相应的测量比例尺 Table 4 Main application of different airborne geophysical methods and corresponding measurement scales

中国航空物探经过60多年的发展,获取了海量的区域地球物理资料,基本完成了国内陆域和大部分海域的航磁调查,覆盖面积1144×104 km2,其中陆域934×104 km2,海域210×104 km2;航重测量覆盖面积139×104 km2,其中陆域76×104 km2,海域63×104 km2;航电测量覆盖面积133.6×104 km2;航放测量覆盖面积588×104 km2。海量的航空物探数据及其应用成果为解决制约中国找矿突破的重大地质问题和国防建设提供了重要基础资料和科学依据。“十一五”以来,在航空物探技术创新的过程中,开展了各类仪器系统的试生产、应用示范及正式生产等,进一步提高了航空物探测量的精度及工作程度,新增或更新了一大批高精度航空物探数据,并在基础地质、矿产勘查与评价、能源勘查与评价、地下水资源调查及工程地质等领域的应用取得了重要进展。

2.1 基础地质应用

航空物探资料对研究基础地质问题起到重要作用。航磁资料对大地构造研究,特别是对划分构造单元和深大断裂的分辨和圈定有特殊作用(管志宁,2005),如依据航磁资料提出的郯城—庐江大断裂带、龙门山深断裂、北秦岭深断裂、雅鲁藏布江深断裂等,已经被地质界普遍接受(孙文珂,1984a)。多年来,利用不同历史时期的全国航磁资料,编著出版了多个版本的全国性航磁图,代表性的图件有,1989版《中国及其毗邻海区航空磁力异常图(1:400万)》(刘寿彭,1989),2004版《中国及其毗邻海域航空磁力ΔT异常图(1:500万)》(王乃东,2004),2013版《中国陆域航磁系列图及说明书(1:500万)》(熊盛青等,2013)(图 3),2015版《中国陆域航磁系列图及说明书(1:250万)》(熊盛青等,2015c)等。

图 3 中国陆域航磁ΔT化极立体阴影图(Xiong et al., 2016a) Fig. 3 Stereo shaded-relief image of aeromagnetic ΔT data of continental China with magnetic pole reduction. (Xiong et al., 2016a)

利用全国航磁资料研究中国陆域及海域的地质构造,形成了一批全国性的研究成果。如研究了中国陆域及沿海地区古大陆基础构造分区(朱英,2013),划分了中国地学断块构造(杨华和梁月明,2013),研究了中国陆域磁性基底和深部构造(图 4熊盛青等, 2014b, 2015a),研究了中国陆域断裂及岩浆岩分布(图 5Xiong et al., 2016a, 2016b),划分了中国陆域构造单元(熊盛青等, 2015b, 2016a)等。航磁资料还用于计算居里面深度,编制了中国陆域居里面深度图(图 6),为深部构造研究和地热资源勘探开发确定远景区提供基础资料(熊盛青等,2016b)。

图 4 中国陆域磁性基底深度图(Xiong et al., 2016a) Fig. 4 Magnetic basement depth map of continental China (Xiong et al., 2016a)

图 5 中国陆域断裂及岩浆岩分布图(Xiong et al., 2016a) Fig. 5 Distribution of faults and magmatic rocks in continental China based on aeromagnetic data (Xiong et al., 2016a)

图 6 中国陆域居里面深度图(熊盛青等,2016b) Fig. 6 Depth map of curie surface in continental China (Xiong et al., 2016b)

这些图件和研究成果为地学工作者深入研究区域构造和地球内部结构,特别对国内成山、成盆、成岩、成矿、成灾和深化认识陆区本体,提供了详实的地球物理资料,在地学界产生了重要影响。

青藏高原岩石圈变形特征、动力学过程及其资源环境效应是地球科学的研究前沿(滕吉文等,2019b李秋生等,2020)。自20世纪60年代以来,经过几代人的不懈努力,突破航空勘查“禁区”,实现了青藏高原的航磁全覆盖(熊盛青等, 2001a, 2012)。许多学者依据航磁资料进行了青藏高原地学问题研究,在研究青藏高原的构造格局、内部结构、岩浆岩特征、大陆碰撞带及雅鲁藏布江缝合带等方面取得了许多新的认识(熊盛青等, 2001a, 2001b, 2012, 2014a张先和赵丽,2003侯增谦等, 2006, 2012贺日政等, 2007a, 2007b滕吉文等,2011王德发等,2013杨文采和于常青,2014Wang et al., 2020)。如杨文采和于常青(2014)认为,航磁资料可以比较准确地对大陆碰撞带及古俯冲带定位,在研究青藏高原等热点地区的地质问题中起到了重要作用,在其编制的青藏高原构造单元划分与地震分布图中用数字编号的6条构造单元边界,就是航磁异常图定位出来的。依据航磁发现的雅鲁藏布江双异常带,提出雅鲁藏布江缝合带系印度板块向欧亚板块两次俯冲与碰撞形成模式(熊盛青等,2001b),后续的调查发现该南、北两条强磁异常带与沿雅鲁藏布江缝合带发育两条空间分离、但平行展布的蛇绿岩和蛇绿混杂岩带相对应,并已公认强磁异常南带标定了雅鲁藏布江缝合带南界(侯增谦等,2012)。依据航磁调查发现的纵跨高原中部的近南北向深源负异常带(区),提出它由深部热流沿北北东向上升引起局部岩浆熔融,使上地壳下部具有较高的地温,导致磁性层底部消磁,与此同时加快了青藏高原隆升幅度的演化模式(熊盛青等,2001b周伏洪等,2002),进一步研究发现该负磁异常带(区)与印度—亚洲大陆主碰撞应力方向相一致,与地体拼贴缝合带相交切,显示出一条规模巨大的深部构造带,由此也引发了青藏高原地学研究的热点问题——南北向构造研究(侯增谦等, 2006, 2012贺日政等,2007b腾吉文等,2011)。

航磁资料可用于盆地结构、构造、磁性基底等研究,如圈定了松辽盆地的坳陷范围及构造轮廓,圈出了渤海坳陷及其中的多处局部构造,发现或圈定了北部湾、珠江口、东海、南海等大型含油气坳陷(孙文珂,1984a)。自20世纪50年代以来,国内在塔里木盆地进行了多轮航磁调查,在盆地结构、断裂构造、火成岩研究及油气远景评价等方面取得了重要成果(杨光庆和朱英,1979朱英,1989乔日新和张用夏,2002)。近年来,多位学者对塔里木盆地的岩石磁性和航磁资料进行了研究,如利用航磁资料建立盆地的磁源体结构模型(杨文采等,2012),利用航磁异常带解释了盆地内的构造背景(何碧竹等,2011)等。许多学者还开展了重磁资料综合解释研究,如滕吉文等(2019a)依据重力、航磁异常研究了攀枝花古地幔柱。

航空重力资料应用于基础地质研究也取得了重要进展。2006年以来,中国完成了渤海、黄海、东海北部、羌塘盆地、松辽盆地西部、塔里木盆地东北部、准噶尔盆地中西部等海域或盆地的航空重力或航空重磁调查,为区域构造演化和油气远景评价等提供了重要依据。航空重力资料对盆地构造单元划分,研究盆地断层、沉积厚度、深大断裂的空间展布及构造几何学特征等可发挥重要作用(李文勇等,2010Li et al., 2016)。

航空电磁及航空放射性资料在基础地质的应用主要包括岩性填图、地质构造研究等(Jaques et al., 1997),如航电资料应用于地质填图,补充区域地质调查未发现的地质构造信息(方迎尧等,2010),厘定华北地台局部边界(孙栋华等,2017),利用航放资料编制第四系岩性地貌图(范正国等,2007)等。

2.2 固体矿产勘查与评价应用

自1953年在内蒙古白云鄂博铁矿开展航磁测量试验以来,国内航空物探在固体矿产勘查与评价中发挥了重要作用,为许多固体矿床直接或间接找矿做出了重要的贡献。直接找矿是探测目标物为矿体,包括引起异常的矿物是主要矿物、次要有用矿物以及伴生矿物,如根据航磁及航放异常可直接用于发现铁矿、铀矿等;间接找矿是探测目标物为控矿因素,包括控矿断层、地层、岩体、构造、火山机构等,如根据磁性及放射性等的变化划出接触带寻找受接触带构造控制的矽卡岩型多金属矿、在超基性岩中寻找铬、镍等金属矿等。20世纪50年代末至80年代初,是中国物探方法找矿效果的最佳时期,采用区域展开(航空物探)与重点突破(地面物探)的找矿模式,通过查证航磁和航放异常找到了大量的铁矿、铀矿等矿产,中国80%的铁矿是通过查证磁异常发现的,已勘查的铀矿中94.4%是由地面放射性方法和航空放射性方法发现的(刘士毅,2016),其中著名的相山铀矿田就是航空放射性方法发现的(李怀渊等,2018)。截至2011年统计,全国发现航磁局部异常46017个,根据航磁局部异常查证发现或扩大规模的矿床(点)1214处(范正国等,2015),矿种包括铁、铬、铜、镍、铅、锌、钼、锡、钴、金刚石、金、银、铂、金刚石、铝土矿等20多种。1991年开展的航空伽马能谱测量为罗布泊超大型钾盐矿的发现作出了重要的先导性贡献(李钟模,2009)。

21世纪以来,随着找矿难度的加大,国内矿产勘查工作重点向西部和深部转移。航空物探重点加强了西部地区矿产快速勘查评价和中东部地区的深部找矿工作,采用新的和不断改进的航空物探技术获得了一批大比例尺高精度航空物探数据和研究成果,取得了显著成效,有力地支撑了全国找矿突破战略行动的实施。在快速勘查方面,在西天山、西昆仑、阿尔金地区发现航磁异常1165处,随后经过地面地球物理勘探和钻探工作,发现了一系列铁矿,如松湖南铁矿、尼新塔格铁矿、备战铁矿等,取得了当年飞行,当年查证,当年见矿的明显成效(董连慧等,2008兰险等,2010),为新疆阿吾拉勒、塔什库尔干等铁矿资源基地的建立发挥了重要作用。2015年以来,开展了秦岭及天山等重点成矿带的高精度航空物探调查,比例尺为1:1万—1:5万,覆盖面积57×104 km2,选编航空物探异常9698处,其中航磁异常8223处、航放异常1292处、航电异常68处、航重异常115处,经地面查证发现矿床或矿(化)点67处,其中金矿床1处、铀矿化14处、铜镍铁等多(贵)金属矿体(化)52处;采用航放测量为北秦岭华阳川铀矿勘查确定了新的找矿方向(杨海等,2019);航磁和航放综合测量在鄂尔多斯盆地、潮水盆地、宁安盆地、内蒙古巴升河等地区的铀成矿潜力分析及成矿远景预测中也取得了重要进展(蔡文军等,2017陈江源等,2017陈江源,2019卢辉雄等,2020)。在深部找矿方面也形成了许多典型的例子,例如,采用高分辨航磁测量技术,准确预测出大冶铁矿深部大型富铁矿,并得到钻探验证(于长春等, 2007, 2010熊盛青等,2008高宝龙等,2010);基于航磁、重力异常交互反演技术研究了鞍山地区铁矿床,预测了深部存在大型铁矿体(Fan et al., 2014);2017年以来,通过科技攻关解决了山东齐河铁矿深部矿体定位预测难题,采用航空重磁为主的空-地-井协同勘查技术,通过弱信息提取、数据融合、精细反演确定找矿靶区,指导钻探发现深部富铁矿体,增加预测可达到大型规模,结束了两年“钻而不遇”的局面,实现了富铁矿找矿的新突破;等等。

新勘查方法的应用也取得了好的找矿效果,如采用时间域航空电磁测量在新疆白石泉地区浅覆盖区发现金矿(熊盛青等,2018a),在新疆启鑫浅覆盖区发现镍矿,含量达1.8%,预测深部有规模更大的矿体;在青海五龙沟金矿发现了金银铅锌矿体(相丽娜等,2018)。

此外,利用历年来的航磁资料完成了全国铁矿资源潜力评价(熊盛青等;2015d),查清了全国铁矿资源潜力,预测全国磁性铁矿2000 m以浅资源量1334×109吨,成为基本国情数据;提出了铁矿预测区1283个,解决了“到哪里找矿”的问题,指导全国铁矿勘查选区。

2.3 能源勘查与评价应用

在能源勘查与评价应用中,航磁及航重测量是重要的非震勘探方法,主要应用于油气盆地、断裂、侵入岩、火山岩圈定,沉积盖层分层,基底结构、隆起和凹陷与性质推断,局部构造异常圈定,油气有利构造区划分,成藏地质背景研究等。航放测量主要应用于区分与油气相关的沉积单元,划分表层与油气圈闭有关地质构造等(蔡振京,1989王平和戴丽君,1992熊盛青等,1992王平和熊盛青,1997万建华等,2012李怀渊等,2018Walker et al., 2018);航电测量主要应用于确定构造中的含油、含水特征,降低干井率(Smith et al., 2006Pfaffhuber et al., 2009殷长春等,2015a)。

中国普查石油的航空磁测工作始于1956年,已有六十多年的历史,覆盖了陆地主要含油气盆地和邻近海域,近年来完成了塔里木、准噶尔、松辽等盆地以及黄海、渤海等海域的航空重力测量,为油气勘探提供了重要基础及成果资料。据不完全统计,共圈定陆域150多个盆地(坳陷),发现3000多个油气局部构造异常,促进了大庆油田等多个工业油气田的发现(杨光庆和朱英,1979韩登峰,1994);圈定海域16个盆地,197个油气远景区带。

“十一五”以来,利用航空重磁综合测量在能源勘查与评价应用取得了重要进展。例如,利用航空重磁数据揭示了羌塘盆地深部构造特征,认为北羌塘基底埋深较大且相对稳定,没有发生大规模隆升,有利于油气生成与保存(熊盛青等,2020),并提出了“北好于南、西好于东”的总体油气勘探前景;利用航重资料研究胜利油田的断层、隆起和凹陷(Li et al., 2015);利用航空重磁数据圈定了南黄海中—古生界海相地层分布特征,为南黄海油气资源调查提供依据(Tong et al., 2018);利用重磁数据进行盆地油气远景预测(冯旭亮和刘斌,2019);利用航空重磁数据刻画了松辽盆地西部隆坳构造格局,发现了两处页岩油远景区,支撑了该区页岩油的找矿突破;等等。

2.4 水文地质调查

航空物探方法可对地下水进行综合调查,确定水文地质单元,辅助建立地下水地质模型,进而科学管理地下水,还可用于土壤盐渍化及海岸带海水入侵调查等。随着航空电磁法的发展,国外大范围的地下水调查越来越多地使用航空电磁法(Sengpiel and Meiser, 1981Sengpiel,1983Siemon et al., 2009Bedrosian et al., 2013),意大利、德国、丹麦、荷兰、澳大利亚、美国、印度尼西亚等国家使用航空电磁法开展了水文地质调查。例如,应用于海啸灾后重建的淡水调查(Steuer et al., 2008);开展海水入侵调查(Jørgensen et al., 2012);研究地下水盐化度及地表水和地下水之间的转换关系(Viezzoli et al., 2010);开展冻土层调查(Minsley et al., 2012Foley et al., 2020)等。

中国航空物探水文地质调查始于20世纪80年代(满延龙,1990),取得了重要进展。先后在大连、黄河口、连云港、上海、深圳、珠海、莱州湾南岸等地进行了航空物探综合测量,研究海水入侵范围,划分咸、淡水界线,确定古河道、洪积扇位置,寻找浅层淡水源,并进行区域水环境的综合评价(王卫平和王越胜,1999王卫平和徐东宸,1999卢建忠等, 2007, 2010);采用航空电磁法在吉林乾安、内蒙古通辽等地区开展浅层水和土壤盐渍化普查,推断水质分布特征及圈定土壤盐渍化范围(孟庆敏等,2004Meng et al., 2006廖桂香等,2013)等。

近年来,利用航空电磁法结合钻井资料,对雄安新区地下含水层组深度、厚度进行了划分;利用时间域航电资料对唐山曹妃甸地区海水入侵进行了刻画,反映出咸水层位和淡水含水层空间分布状况(图 7He et al., 2019)。

图 7 曹妃甸地区不同深度电阻率切片(He et al., 2019) Fig. 7 Resistivity slices corresponding to elevation levels in Caofeidian area (He et al., 2019)
2.5 工程地质、环境调查等领域应用

航空物探可根据勘查的需要,选取不同的综合测量参数、飞机载体等,开展工程地质勘查、环境地质调查等其他领域的应用。在工程方面,主要应用于铁路、隧道、管道、未爆破物探测、大型建筑选址工程等方面。在环境方面,主要包括放射性污染调查、核应急、工业废弃物排放调查以及垃圾填埋场泄露调查等。国外航空物探在工程地质、环境调查等领域的应用较为广泛。例如,挪威使用航空物探综合调查开展铁路隧道选址调查,查明断裂、岩体等分布,为选址提供证据(Beard and Lutro, 2000);采用直升机航磁垂向梯度测量进行未爆破物位置探测(Doll et al., 2008, 2012);采用航放测量监测核电站泄漏事故放射性扩散情况(Hodges et al., 2015);采用航空物探综合测量进行垃圾填埋场泄露调查(Lohva et al., 2008)等。

中国航空物探在工程地质勘查、环境调查等领域的应用也取得了重要进展。例如,采用航放测量开展城市环境放射性调查(Xiong et al., 2012b),日本核泄漏事故的放射性应急监测(葛良全等,2016);采用航磁、航电测量开展地下煤层自燃区调查(熊盛青等,2006熊盛青和于长春,2013);采用地-空无人机航电测量系统进行了地下巷道探测(方涛等,2015)、铁矿采空区调查(Xue et al., 2018)及煤矿采空区调查(Li et al., 2019);2019年,采用大比例尺直升机航磁测量数据圈定破碎带,服务川藏铁路隧道规划设计;2020年,采用航空重力测量首次开展珠穆朗玛峰南北坡重力测量,测量数据为解算出更高精度的大地水准面提供了关键基础数据。

3 展望

“十四五”及今后一段时期,中国关键矿产的需求不断增加,同时由于逆全球化引发的各种势力对抗,关键矿产被“卡脖子”的担忧空前高涨(毛景文等,2019);开展地球深部探测,开辟深层找矿新空间,实现能源与重要矿产资源重大突破,缓解国内资源压力,提升地质灾害监测预警能力,揭示大陆岩石圈结构、活动过程与动力学机制(董树文等,2012);开展军民融合,为实现国防和军队现代化提供丰厚的资源和可持续发展的后劲;中国地质灾害防治形势依然严峻复杂,为切实加强地质灾害防治能力建设,需继续加强地质灾害调查;为合理开发利用矿产资源、土地资源、水资源等自然资源,为生态环境建设和保护,需继续加强生态地质调查。新的需求为航空物探发展提供了新的机会,同时也面临前所未有的挑战,需要持续开展航空地球物理勘查技术与装备攻关,推进航空地球物理勘查技术的示范与应用。

一是突破新型、高灵敏度传感器等“卡脖子”的关键核心技术,研制航空重力梯度仪等一批航空地球物理尖端技术装备、先进的数据处理解释方法与软件,进一步提高对目标物的分辨能力和探测深度。从应用角度讲,航空物探技术将向“深”和“浅”两个方向发展,“深”就是以满足深部找矿和地球深部探测等方面的需求为主要目标,不断地提高探测深度是其攻关重点;“浅”就是探测地表以下一定深度(如200 m以浅)目标物,以服务于生态地质、环境地质、城市等地下空间、地下水资源、军事(如水下目标物等)等领域为主要目标,不断提高对探测目标的空间与属性分辨率是其攻关重点。

二是积极拓展服务领域,加强科技创新与地质调查的结合,加快解决新技术新方法推广应用中的问题,充分发挥航空物探在基础地质调查、关键矿产资源勘查、清洁能源调查(页岩油、页岩气、铀矿、地热等)、地球深部探测、深海探测、地质灾害、生态环境调查、水资源调查、工程地质、城市地质调查、军事地质调查,以及“一带一路”资源环境调查等领域的作用。

三是加强科技创新平台建设,建设一流团队,加快人才培养,进一步发展国内航空地球物理勘查科学技术体系,持续提高航空地球物理科技创新能力。

航空物探技术创新及应用主要发展趋势主要为以下几个方面。

3.1 航空物探技术创新

航磁全参量勘查技术:研制航磁全张量梯度仪和实用化的勘查系统,实现地磁场全要素、全参量的航空测量;研究航磁多参量数据精细处理与解释技术,如航磁矢量数据的矢量信息提取与解释、矢量数据三维反演技术等,进一步提高对深部探测目标的空间和属性分辨率。

航空重力/重力梯度勘查技术:突破航空重力空间分辨率难于满足金属矿产勘查的“瓶颈”,研制航空重力梯度仪和实用化的勘查系统,精度达到10 E。

多深度航空电磁勘查技术:研制大发射磁矩时间域航空电磁(ATEM)勘查系统,探测深度提高到1000 m;研制航空大地电磁(ZTEM)勘查系统,探测深度达到3000 m;优先发展地下水资源和地下空间探测航空电磁技术。

航空放射性勘查技术:研制出航空放射性新型探测器和勘查系统,分辨率从4%提高到1%,实现资源与环境的综合探测与评价。

综合地球物理勘查技术:实现优化组合,研发出航空物探(重/磁/电)“深地、深海、深空”综合探测技术;大力发展无人机航空探测技术,空中-地面-井中地球物理协同勘查技术体系,实现精细探测。

地球物理数据处理方法与软件平台技术:开发功能强大的地球物理数据处理解释系统,实现产品化;研发数据精细处理与解释技术、三维地质-地球物理建模与可视化技术,以及基于大数据、人工智能的多源地学信息智能化调查评价技术,支撑资源环境“全息地球平台”建设。

3.2 航空物探应用

除了进一步加强航空物探在基础地质、固体矿产勘查、能源勘查等传统领域的应用外,继续拓展及加强以下领域的应用能力。

深地探测与深海探测:采用高精度综合航空物探技术可查明深部结构构造和物质组成,以解决岩石地层构造等基础地球科学问题及多圈层作用基础地质问题。重点关注主要盆地、山系、陆块和远海。

深部地热能调查:采用高精度综合航空物探技术查明断裂构造位置、基底深度、深部居里面和地温梯度情况,圈定深部隐伏岩体及判定其物质成分,为深部地热能勘查选区提供依据。重点关注京津冀、东南沿海、松辽盆地、青海共和盆地等。

水文、工程、环境调查:航空物探在水工环(水文、工程、环境)调查领域具有很好的应用前景。将重点关注以下几方面:采用航空电磁技术开展海岸带海水入侵调查、淡水资源调查、地下水地层结构调查,为查明大型含水系统、水循环建模提供技术支撑;以流域、平原盆地等为单元,开展全国水资源调查评价;开展滑坡、冰川、冻土调查,为减灾防灾提供科学依据;对废弃矿山、垃圾填埋场对地下水污染情况等进行调查与监测。开展航空放射性天然辐射调查评价;开展川藏铁路沿线等重大工程的航空物探精细调查;等等。

城市地下空间结构探测:开展航空物探城市地下空间结构探测,为城市地下空间资源利用、城市规划建设、城市安全及城市大型工程建设等提供地质科学支撑。

3.3 航空地球物理勘查科学技术体系建设

在加强航空物探技术创新及应用的基础上,进一步巩固及加强航空地球物理勘查科学技术体系建设,继续开展理论创新、硬件系统研发、测量方法研究、数据处理解释方法与技术研究,软件平台开发、技术标准制定、以及校准场和海陆一体化的地球物理数字基准建设,为航空地球物理勘查可持续发展奠定新的基础,最终实现工程化应用(图 8)。

图 8 航空地球物理勘查科学技术体系建设框图 Fig. 8 Flow chart for the construction of science and technology system of airborne geophysical exploration
4 结语

中国航空物探经过近70年的发展,从“无”到“有”,从低精度到高精度/高分辨率,从单参数/单参量到多参数/多参量,从单一方法到多方法综合测量,技术装备从靠引进到自主研发,从技术落后到国际先进,从传统的能源矿产应用领域到传统与新兴领域并重,取得了多项重要的科技创新与应用成果,形成了自主创新的航空物探科学技术体系,具备了全地域、多尺度、高精度的航空综合探测能力,实现了复杂条件下的高分辨率、中—大深度、经济高效的探测。特别是“十一五”以来,中国航空物探的自主创新能力和技术应用水平得到了大幅度提高,攻克了多项核心技术难题,实现了全系列、先进实用的航空物探勘查系统和技术的自主研制,填补了多项国内空白,打破了国外技术封锁和垄断,实现了多领域的工程化应用。

中国航空物探的发展始终以满足国家应用需求为导向,以国际一流和形成实用化生产能力为目标,以关键技术研究为突破口,走出了一条自主创新的发展道路。今后一段时间,中国航空物探将围绕科学技术创新及多领域应用,进一步提升技术装备水平,加强新参数(量)、新方法的综合应用,加强传统领域及拓展新兴领域的应用,为国家公益性基础地质矿产调查,支撑能源资源安全保障,服务生态文明建设与国防建设做出应有贡献。

致谢: 在本文撰写过程中谢汝宽高工做了大量的资料收集和整理工作,李怀渊、范正国、郭志宏、周锡华、于长春、周道卿等许多专家提供了资料和帮助,胡健民研究员、评审专家刘士毅教授、陈超教授和编辑部等提出了宝贵的意见,在此谨表谢意!限于水平和篇幅,本文仅对我国航空物探技术进展与应用成果做了挂一漏万的介绍,疏漏和不对之处,敬请批评指正。

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