动力滑翔机航磁系统在大兴安岭地区的示范测量
杨生1, 王庆乙2, 郭刚1, 张文杰1, 徐立忠3, 徐飞2, 张楠3
1. 有色金属矿产地质调查中心,北京 100012
2. 北京矿产地质研究院,北京 100012
3. 中色地科矿产勘查有限公司,北京 100012

作者简介: 杨生(1959-),男,教授级高级工程师,博士,主要从事地球物理勘探工作。Email:ys1959@sina.com

摘要

通过在多宝山地区进行的动力滑翔机航磁测量示范性工作,评价了该系统的功能和特点。根据在同一测线上不同飞行方向实测数据的对比和对平面数据的处理分析,表明资料中既无滞后现象也无方向差,说明该系统的磁三分量补偿较完善;采用重复线数据作为检查数据,通过平面内插和高度延拓,获得和检查点相同空间位置的磁场值作为被检查数据,统计的工作精度为4.0 nT。示范工作成果表明动力滑翔机航磁系统具有轻便、高效、适应性强和高精度的特点。

关键词: 动力滑翔机航磁测量系统; 示范测量; 性能评价; 多宝山
中图分类号:P631 文献标志码:A 文章编号:1000-8918(2017)02-0291-08
Demonstration survey of the powered glider aeromagnetic system in the Da Hinggan Mountains
YANG Sheng1, WANG Qing-Yi2, GUO Gang1, ZHANG Wen-Jie1, XU Li-Zhong3, XU Fei2, ZHANG Nan3
1.China Geological Survey of Nonferrous Metal Resources,Beijing 100012,China
2. Beijing Institute of Geology for Mineral Resources,Beijing 100012
3.Sinotech Minerals Exploration,Beijing 100012,China
Abstract

Through the aeromagnetic survey of the power glider in Duobaoshan area, the authors evaluated the function and characteristics of the powered glider aeromagnetic system. The comparison of measured data and the processing analysis of graphic data in different flight directions on the same measuring line indicates that there is no lag and no direction difference in the data, and the three-component magnetic compensation system is relatively complete. The working accuracy is 4.0nT by using the repeated line data as the check data, the inspection data of the same spatial position with the check points can be obtained by means of interpolation and height extension. The demonstration results indicate that the powered glider aeromagnetic system has the characteristics of portability, high efficiency, high adaptability and high precision.

Keyword: powered glider aeromagnetic system; demonstration survey; performance evaluation; Duobaoshan

在森林沼泽覆盖区、地形切割复杂区以及水域等难以开展地面磁法勘探的工作区, 大比例尺航空磁测将发挥其重要作用。为实现低成本、高效的航磁测量系统, 有色金属矿产地质调查中心和北京矿产地质研究院于2009年研发了以动力滑翔机为载体的低空高精度航磁系统[1], 先后在国内外完成了两千多平方公里的万分之一航磁测量。2013年承担了中国地质调查局的“ 整装勘查区关键地质问题攻关与找矿方法技术示范” 计划项目中的“ 动力滑翔机航磁勘查系统示范应用与推广” 子项目, 目的是通过在大兴安岭成矿带北段森林沼泽坡积物覆盖地区的航磁测量工作, 对动力滑翔机高精度航磁系统的性能进行综合评价, 建立相应的工作规程。示范工作完成航磁测线总长度约2016 km, 笔者将通过本次工作, 主要介绍动力滑翔机航磁系统性能、工作方法和测量成果。

1 动力滑翔机航磁系统

动力滑翔机航磁系统是以动力滑翔飞行器为载体, 整合当前先进的硬、软件技术, 进行低空高精度航磁测量的系统[1]。系统由动力滑翔飞行器、导航控制器、磁测系统、补偿系统、定位系统和数字化采集系统6部分组成(图1)。

图1 动力滑翔机航磁系统
① 氦光泵磁探头; ② 三分量磁补偿系统; ③ GPS定位系统; ④ 导航控制器; ⑤ 数字化采集系统; ⑥ 激光高度计

飞行器为澳大利亚生产的912XT动力翼滑翔机, 属航空体育器材, 结构简单, 安全、轻便、灵活, 飞行速度慢, 飞行高度低。重量小于300 kg; 拆卸滑翔翼后, 长宽高为3.5 m× 2.5 m× 1.6 m, 飞行速度80~100 m/s, 飞行高度50~800 m, 续航能力400 km, 起降跑道200 m。

磁测系统采用的是高精度RS-GB10氦光泵磁力仪, 灵敏度± 0.01 nT, 取样率10~2 次/s, 显示精度/读出速度0.02 nT/0.1 s、0.01 nT/0.2 s、0.005 nT/0.5 s; 量程:35 000~70 000 nT。

三分量事后软补偿系统的取样率10~2 次/s, 灵敏度1 nT; 分辨率0.1 nT。GPS定位系统的取样率5 次/s; 平面定位精度1.8 m; 高程精度3.6 m。

动力滑翔机航磁系统有如下特点:

1)轻便。系统总重量小于300 kg, 拆卸滑翔翼后的长宽高为3.5 m× 2.5 m× 1.6 m, 一辆小型厢式货车既可作为飞行器的机库, 又是陆地运输工具。飞行作业条件简单, 无需正规机场和跑道, 只需200 m长, 比较开阔汽车可通行的地方, 就可以起飞和降落。

2)工作效率高。正常气象条件下, 日飞行作业2次, 一次可完成200 km测线, 1:1万磁测下相当20 km2测区。所以一天可完成万分之一磁测工作40 km2, 工作效率高。

3)适应性强。可在如沙漠、戈壁、水域、森林和地形切割严重等地面磁测无法工作的景观区进行航磁测量。

4)精度高。采用氦光泵磁测仪, 灵敏度± 0.01 nT; 因飞行速度慢, 取样点距在2 m左右, 磁测成果分辨率高。

2 示范区地质和地球物理概况

测区位于黑龙江省黑河市嫩江县北部, 东距黑河市约160 km。隶属多宝山镇管辖。平均海拔高度476 m, 最高610 m, 最低350 m, 高差约260 m。区内大部分为森林沼泽坡积物覆盖区, 地面磁法工作十分困难, 以往磁法工作仅有1:5万的航磁工作, 除矿区外, 未开展过大比例尺的地面高精度磁测工作。

2.1 地质概况

示范区位于多宝山岛弧地质单元内。多宝山岛弧是大兴安岭弧盆系中次一级构造单元, 北西侧为海拉尔— 呼玛弧后盆地, 东南侧为贺根山— 黑河蛇绿混杂岩带。早古生代多宝山岛弧的弧基底为兴华渡口岩群和落马湖岩群, 晚古生代在岛弧之上叠加了罕达气弧间裂谷, 中生代盆岭构造岩浆活动强烈[2]

工作区归属兴安岭分区, 出露地层主要为奥陶系和泥盆系地层, 其次有少量的志留系和二叠系地层(图2)。

图2 示范区地质(摘自1:20万地质图)
1— 星火组:安山岩、含角砾凝灰岩夹火山角砾岩; 2— 泥盆系中统乌奴尔组:石英砂岩、凝灰质砂岩, 火山岩、灰岩; 3— 泥盆系下统罕达气组:酸性凝灰岩, 片理化酸性火山岩; 4— 泥盆系下统泥鳅河组:粉砂绢云绿泥板岩、变质粉砂岩、细粒岩肖砂岩夹结晶灰岩; 5— 志留系中统八十里小河组:变质粉砂岩、灰绿、灰紫色安山玢岩; 6— 奥陶系上统裸河组:钙质砂岩夹大理岩透镜体, 凝灰细砂岩; 7— 奥陶系上统多宝山组:山玢岩, 英安玢岩及其凝灰岩; 8— 奥陶系中统关鸟河组:泥板岩, 千枚岩夹中性熔岩; 9— 斜长花岗岩; 10— 花岗闪长岩; 11— 断层; 12— 示范区范围

奥陶系中统关鸟河组(O2g):灰绿色绿泥板岩, 豆状千枚岩夹中性熔岩, 硬砂岩, 底部有砂砾岩。

奥陶系上统多宝山组(O3d)灰绿色安山玢岩, 英安玢岩及其凝灰岩; 裸河组(O3l):岩性为黄绿、灰绿色钙质砂岩夹灰白色、灰紫色大理岩透镜体。上部为凝灰细砂岩等。

志留系中统八十里小河组(S2b)下部为黄绿色、灰紫色硬砂质长石石英砂岩、变质粉砂岩、细砂岩。中部为灰绿、灰紫色安山玢岩、玄武安山岩、杏仁状玄武岩、杂色含砾凝灰砂岩。上部为灰绿色、灰紫色硬砂质长石石英砂岩、变质粉砂岩。

泥盆系下统泥鳅河组(D1n):粉砂绢云绿泥板岩、变质粉砂岩、细粒岩肖砂岩夹结晶灰岩; 罕达气组(D1h):酸性凝灰岩, 片理化酸性火山岩。

泥盆系中统乌奴尔组(D2w):石英砂岩、凝灰质砂岩, 火山岩、灰岩。

测区内除上述地层外, 尚有少量的侏罗系地层, 出露面积小, 分布零星。第四系河漫滩沉积及现代河谷冲积层也比较发育。

区内侵入岩较发育, 以酸性、中酸性花岗岩类为主, 其次是中性闪长岩类及少量的基性辉长侵入体。与铜矿成因关系密切的是花岗闪长岩与花岗闪长斑岩。

示范区内断裂极为发育, 可分为北西向、北西西向、北东向、近南北向及近东西向五组构造, 其中北西向弧形构造是由七条压扭性断层和片理化带组成。多宝山矿田北西向构造线走向是:报捷至多宝山一线为北20° 西, 逐渐变为北40° 西, 多宝山— 铜山一带由北40° 西逐渐变为北60° ~70° 西, 形成一个在多宝山矿区向南西突出的弧形构造带, 并与北东向构造相交叉, 相互切割, 互相影响, 多次活动, 共同控制矿体的形成[3]

区内分布有多宝山斑岩铜矿床, 其次是多宝山铁矿点、小多宝山铁矿点、小多宝山铜矿点、跃进铜矿点、小山头铜矿点、小孤山铜矿点、报捷铜矿点、小平山铜矿点等。其中多宝山斑岩铜矿、小多宝山铜矿均产于绢云母化花岗闪长岩中, 矿体均受断裂和硅化带控制, 小平山铜矿产于安山岩和凝灰岩中, 小山头铜矿、报捷铜矿产于花岗闪长岩中, 跃进铜矿点产于花岗闪长岩和安山岩的接触带。主要矿物为黄铜矿、斑铜矿、辉钼矿、黄铁矿等, 其次是辉铜矿、方铅矿、闪锌矿等[4, 5]

2.2 岩(矿)石磁性特征

在航磁测量工作过程中, 对测区岩(矿)标本进行了磁性测量, 统计结果, 见表1, 结合以往物性测量结果, 磁化率特征如下:

碎屑沉积岩、变质岩类:多显弱磁性或无磁性, 其磁化率一般为(0~n× 10)× 4π × 10-6SI, 个别达数百单位, Q值较小。

火山沉积岩类:磁性参数变化范围较大n× (102~n× 103)× 4π × 10-6SI, 属中等磁性。

中酸性侵入岩:该类岩石磁性较强, 一般磁化率约为n× (103~104)× 4π × 10-6SI, 与沉积岩类相比有较明显的差异, 此特征为在大面积范围内区分岩体与地层的分布状态奠定了基础。

其他岩类:脉岩、蚀变岩等磁化率变化较大, 规律性不强。如脉岩的磁性随基性程度而变化, 蚀变岩的磁性随含磁铁矿物多少而变化。这类岩石分布不普遍, 仅能在较小的范围形成局部异常, 对区域场影响不大。

总之, 由表1可以看出, 本区花岗闪长岩和铁矿化岩石具有较强的磁性, 其磁化率大于10 000 (4π × 10-6SI), 剩磁强度亦较强; 凝灰岩具有中等磁化率, 磁化率均值为1 000 (4π × 10-6SI); 花岗岩、细脉状铜矿石、板岩、铜矿化英云闪长岩弱磁性, 其磁化率均值均小于1 000 (4π × 10-6SI); 石英脉岩基本无磁性。

测区正常场地磁要素地磁倾角:67.6° ; 地磁偏角:-11.7° ; 地磁场强度:57 309.5 nT。

表1 实测岩(矿)石标本磁性参数统计
3 航磁工作方法
3.1 野外飞行测量工作

航磁工作按1:10 000比例尺布设测网, 143条测线, 每条测线长度约14.325 km, 线距100 m, 测线方向36.78° (北偏东), 设计控制面积:200 km2。垂直测线布置了10条切割线, 切割线线距1.5 km, 第一条切割线以及最后一条切割线距边界线0.5 km。布置了3条重复线, 3条地磁检查线和1条典型地质剖面的航磁测线(图3)。

滑翔机起降跑道距测区最近距离为5.6 km, 最远距离为25.7 km。日变站距起降场约700 m。在日变站无磁扰、磁暴日连续24 h观测地磁场, 算术平均求取日变站基本磁场值为T0=57 140.313 nT。

图3 动力滑翔机低空航磁测量实际工作材料

正式飞行测量前, 首先进行磁补偿飞行测量, 确定补偿参数 69。选择了在测区附近地磁场相对平稳地段, 在高度500 m左右的高空布置正方形测线框(单边长2 km), 飞机作侧滚(± 10° ), 俯仰(± 5° ), 侧滑(± 5° )3组动作, 获取0° 、90° 、180° 、270° 四个方位上, 不同飞行姿态的补偿参数。然后以正方形中点为中心, 作往返十字线飞行, 线长 4 km, 用以检查补偿效果。图4a是本次补偿飞行正方形航迹和十字飞行线航迹, 图4b~e为4条不同飞行方位补偿前后的实测磁场剖面曲线。补偿前4条实测曲线, 因航向、姿态不同, 曲线起伏跳动, 并有系统差。补偿后, 4条曲线变圆滑, 场值一致。根据文献[10]介绍的航磁软补偿质量评价方法计:补前标准差为0.443 nT, 补后标准差为0.061 nT, 改善率7.26倍。

面积性航磁测量实飞15个架次, 测线总公里数2 048 km, 总测点数83万个, 实际控制面积204.8 km2。切割线飞行公里数142.4 km, 重复线飞行公里数42.2 km。此外, 还完成了典型地质剖面航磁测线公里数8.1 km。地面检查磁测剖面30 km, 岩矿石标本磁性测量444块。

飞行参数为平均飞行高度68.1 m(标准偏差为14.4 m); 航偏距标准偏差为3.5 m(远小于规范要求的1/3线距); 平均点距2.1 m。

3.2 Δ T异常计算与调平

Δ T异常计算与调平包括通过各项校正计算Δ T异常和调平等处理。

1) Δ T异常计算:航磁数据的校正包括三分量补偿校正、日变改正和正常场改正。三分量补偿校正是系统自动实时进行的, 原始数据记录了磁力仪实测值, 校正值和校正后的数据。日变校正数据是将日变站观测数据减去日变站基值得到的。正常场校正数据采用2010年国际地磁场参考模型IGRF计算的正常场。

Δ T计算公式如下:

ΔT=(T-Tb)-(Td-T0)-Tn-dT, (1)

其中:T航空磁力仪实测磁场值; Tb三分量补偿校正磁场值; Td日变站测量仪实测磁场值; T0日变站基磁场值; Tn地磁正常场值。dT调平校正综合值(包括飞行高度、飞行方向差, 滞后等校正值), 单位为nT。

图4 补偿飞行航迹和实测及补偿航磁曲线
a— 补偿飞行正方形航迹和十字检查线航迹; b— 180° 检查线补偿前、后磁场曲线; c— 0° 检查线补偿前、后磁场曲线; d— 270° 检查线补偿前、后磁场曲线; e— 90° 检查线补偿前、后磁场曲线

图5为经各项改正后得到的测区航磁Δ T异常平面阴影图(调平前)。为了清晰地辨认沿测线的条带状异常现象, 成图时有意将光源放置在垂直测线的方向上(北偏西45° ), 调平处理的目的就是剔除这些非正常的沿测线的条带异常。

2) 调平处理:调平处理是航磁数据处理中的一步重要工作[11], 一般航磁数据调平分4步进行, 分别是:滞后调平、航向调平、切割线调平[12, 13, 14]和微调平[15, 16, 17]

如果航磁系统记录的磁场数据和定位数据不同步, 会有滞后现像, 另外因磁场传感器和GPS在飞行器上的位置不同, 也会有滞后现像, 在异常平面图上会出现“ 人” 字型异常。但因本系统磁场传感器和GPS在飞行器上安装的距离小于1 m, 两者的取样率都较高且同步, 所以实测数据几乎无滞后现象。

飞行器和磁场传感器在空间的相对位置不同时, 飞行器对磁场传感器的影响是不同的, 在补偿不完善时, 会有航向异常, 特点是不同航向的异常有系统偏差。图6是在L508测线上两次相反向飞行的实测曲线, 两条曲线不仅形态一致, 极值无位移, 而且没有系统差, 同时图6也无“ 人” 字型异常现象, 说明该航磁系统实测数据不仅无滞后现象, 也因三分量补偿较完善, 无航向差。仅需要对因飞行高度变化引起的条带状异常进行后两项调平。

图5 调平前Δ T异常平面阴影

图6 L508线两次飞行的实测Δ T异常曲线(测线和重复线飞行方向相反)

由于切割线和测线的高度可能不同, 磁场传感器的水平位置也可能不同, 测线和切割线的磁场可能不属于同一空间位置的磁场, 所以切割线调平仅是一种粗调平方法, 最后需要进行微调平才能较好地剔除条带状异常现象。最终调平后的结果见图7、8, 是室内资料处理解释的原始成果。

图7 调平后Δ T异常平面阴影

图8 航磁Δ T异常平面剖面

4 动力滑翔机航磁系统性能评价

1)飞行质量

本次工作平均偏航距为0.9 m, 偏航距统计标准偏差为3.5 m, 极差为-12~16 m。平均飞行高度68.1 m, 统计标准偏差为14.4 m, 极差24.3~127 m。平均点距2.13 m, 统计标准偏差为0.41 m, 极差 0.52~3.5 m。上述指标均优于规范[18]要求。

2)航磁测量数据精度

以重复线作为检查数据, 本次航磁测量的工作精度为4.0 nT。本次工作根据地磁规程[19]中的方法, 评价数据质量, 以重复线测量的磁场值作为检查数据 2021, 获得和检查点相同空间位置的磁场值作为被检查数据, 共有 20 000 多个检查点, 图9是其中一条测线(L508线)上检查和被检查磁异常曲线对比图, 2条曲线几乎重合, 以3条重复线为检查线, 统计的工作精度为 4.0 nT(均方误差), 该精度涵盖了所有子系统和各项改正、处理带来的误差, 反映的是原始成果资料的精度, 该精度和地面1:10 000的高精度磁测精度相当。

图9 L508线调平后的Δ T异常原测曲线和检查曲线对比

3)空地磁测剖面的对比

本次工作中, 沿实测航磁测线, 在地面布置了3条地磁剖面(图3), 地面磁测点距20 m。图10是其中一条测线(L2线)地磁异常与航磁异常的对比曲线, 图中同时划出了上延70 m后的地磁异常曲线, 以便在同高度上进行两者的对比。

如不考虑近地表的磁性体引起的局部异常, 上延70 m(航磁测量平均飞行高度68.1 m)的地面磁异常和本次的航磁异常基本一致, 详见图10

图10 地磁L2线磁异常和对应该线航磁异常曲线对比

测区位于火山岩分布区, 浅部磁性不均匀性明显, 所以地磁剖面曲线蹦蹦跳跳。为了提取有意义的地磁异常, 必须进行圆滑滤波, 否则很难把握异常全貌。而航磁异常较圆滑、规律性较强, 因此, 航磁在抑制地表局部干扰能力方面优于地磁。

对比情况说明1:1万的低空航磁异常和1:1万的地磁异常对应较好。地面磁测检查工作肯定了航磁异常的可靠性, 既无假异常, 也未漏掉异常。

4)典型地质剖面上的航磁测量成果

在多宝山铜矿幅1:5万地质图(M-51-72-A、B多宝山铜矿幅)[22]上, 标注了一条EF地质剖面, 其西段位于本次航磁测区范围内(图3), 在此地质剖面上进行了航磁剖面测量, 航磁测量结果见图11。图中220 nT的峰值异常, 异常窄、梯度大, 对应地质剖面上的煌斑岩脉(基性脉岩, 磁性较强)。英安岩、凝灰岩以及花岗闪长岩对应中高异常, 板岩、灰岩等对应低磁异常。符合一般规律和物性特征。上述工作说明1:1万的低空航磁工作能较好地圈定地质异常体, 有助于大比例尺地质勘探工作。

图11 已知地质剖面上航磁异常曲线
1— 煌斑岩脉; 2— 金水组:细、粉砂岩, 绿泥石板岩; 3— 罕达气组:英安质流纹质凝灰熔岩; 4— 泥鳅河组和西古兰河组:变质细砂、粉砂岩, 板岩凝灰岩; 5— 多宝山组:英安岩、凝灰岩; 6— 花岗闪长岩; 7— 流纹质凝灰岩及熔岩

5 结语

动力滑翔机航磁系统以动力滑翔飞行器为载体, 借助当前较先进的硬、软件技术研发而成的, 该系统具有轻便、高效、适应性强和高精度的特点, 既可用于1:5万区调航磁调查工作, 也可用于1:1万矿调航磁调查工作。

本次航磁测量工作平均偏航距为0.9 m, 平均飞行高低68.1 m, 平均点距2.13 m, 上述指标均达到或优于规范要求。

目前按相关航磁规范, 航磁测量的误差采用调平后切割线和测线交点上的两个数据作为检查点和被检查点进行误差统计, 如果按此方法统计, 本次工作的精度小于0.01 nT(均方误差), 且检查点仅仅有1 430个, 但笔者认为这种统计方法是不合理的, 没有真正反映航磁资料的精度, 因为切割线数据曾用于调平处理, 在调平过程中, 已将交点处测线的磁测值平移或拟合到切割线上的值了, 如采用的是折线法, 这两个值完全一致, 理论上为0, 这个值显然不能代表实际资料的精度。所以本次工作探讨了采样重复线数据作为检查数据的方法, 评价数据质量, 以3条重复线为检查线, 检查点数为20 000多个, 统计的工作精度为4.0 nT(均方误差), 该精度涵盖了各项改正、调平处理带来的误差, 反映的是原始成果资料的精度, 该精度和地面1:1万的高精度磁测精度相当。

示范工作表明, 动力滑翔机航磁系统具有轻便、高效、适应性强和高精度的特点。

The authors have declared that no competing interests exist.

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