引用本文
高维, 舒晴, 屈进红, 米耀辉. 国外航空物探测量系统近年来若干进展[J]. 物探与化探, 2016,40(6): 1116-1124.
GAO Wei, SHU Qing, QU Jin-Hong, MI Yao-Hui. New progress of aerogeophysical techniques abroad[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2016,40(6): 1116-1124.
Doi:10.11720/wtyht.2016.6.10  
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国外航空物探测量系统近年来若干进展
高维1, 舒晴1,2, 屈进红1, 米耀辉1
1.中国国土资源航空物探遥感中心,北京 100083
2.吉林大学 地球探测科学与技术学院,吉林 长春 130021

作者简介: 高维(1983-),女,2009年毕业于中国地质大学(北京),工程师,主要从事航磁解释及综合研究工作。

收稿日期: 2016-05-10
基金: 国家高科技研究发展计划(“863”计划)项目(2011AA060501); 中国地质调查局地质调查“航空物探调查成果集成与综合”项目(1212011120901)
摘要

航空物探测量作为一种高效的地球物理勘查技术方法,在地质调查、油气与固体矿产资源勘查等许多领域发挥着重要的作用,已成为开展国土资源调查及矿产资源潜力评价研究的重要技术手段。笔者较为系统地介绍了国内外航空磁力梯度测量系统、航空电磁测量系统、航空伽马能谱测量系统、航空重力测量系统及配套测量技术的相关技术指标、研究现状与趋势以及应用领域。通过对比分析发现,该方法在国外已经发展的比较成熟,然而,在国内该项技术仍处于发展中,许多航空物探关键测量技术与国外相比仍存在较大的差距。因此,我国航空物探测量技术还需要加快发展。

关键词: 航空物探测量技术; 航空磁力梯度系统; 航空重力梯度系统
中图分类号:P631 文献标志码:A 文章编号:1000-8918(2016)06-1116-09 doi: 10.11720/wtyht.2016.6.10
New progress of aerogeophysical techniques abroad
GAO Wei1, SHU Qing1,2, QU Jin-Hong1, MI Yao-Hui1
1.China Aero Geophysical Survey and Remote Sensing Center for Land and Resources,Beijing 100083,China
2.College of Geoexploration Science and Technology,Jilin University,Changchun 130021,China
Abstract

The aerogeophysical survey method,as one of the effective geophysical exploration technologies,plays an important role in the geological survey of oil and mineral resources,and is also an important technical means for the survey of the land and resources as well as potentiality assessment of mineral resources.This paper gives a comprehensive description of airborne magnetic gradiometer system,airborne electromagnetic system,airborne gamma system and airborne gravity system and their associated equipment techniques as well as indexes and applications.The above discussion shows that the development of aerogeophysical technology is very mature abroad.In China,however,this technique is only at the developing stage.The key technique of the aerogeophysical survey in China remains rather backward in comparison with that of the developed countries.The technology of aerogeophysical survey in China needs rapid development.

Keyword: aerogeophysical survey technique; airborne magnetic gradiometer system; airborne gravity gradiometer system

近年来, 随着资源能源与环境调查对航空物探需求的急速增长, 尤其是现代找矿逐渐向深部延伸, 航空物探勘查技术也面临了新的要求。为了适应现代矿产资源的勘查需求, 国外航空物探测量技术有了不少的新发展, 各类测量系统逐渐朝高精度、高灵敏度、大量程和低噪声等多个方面不断发掘潜力, 为深部资源探测提供技术支撑。笔者拟围绕航空磁力梯度、航空电磁、航空伽马能谱和航空重力测量技术研究重点和热点, 简要介绍当前国外航空物探测量技术及应用现状, 为今后我国航空物探测量系统发展提供借鉴。

1 航磁梯度测量技术

航磁总场梯度测量技术起源于20世纪90年代, 21世纪初逐渐发展成熟, 目前已经成功应用于商业勘探, 其基本原理是利用多个光泵磁力仪同时测量不同位置的磁总场信息, 然后通过位置差分解算得到磁总场梯度。根据飞行搭载平台及仪器安装集成方式, 航磁总场梯度测量系统分为直升机吊舱式、直升机硬架式、固定翼硬架式3类。

1.1 航磁总场梯度测量系统

航磁梯度测量技术包括航磁总场梯度和航磁张量梯度两大类, 前者主要测量磁场模量在空间上的变化率, 后者测量磁场矢量三个分量在空间上的变化率。与传统的航磁总场测量相比, 航磁梯度测量可以消除磁日变影响、提高空间分辨率、提供更为多元的磁场信息, 从而提高成果解释质量和找矿效果。

1.1.1 直升机吊舱式航磁总场梯度测量系统

直升机吊舱式航磁梯度测量系统有三轴梯度系统和水平梯度系统两类, 前者架构通常为4个高精度光泵磁探头组装于四面体(非正四面体)的4个角点, 以点— 点、点— 线、点— 面形式解算三轴梯度, 后者通常与航空电磁测量系统配套使用, 采用两个探头测量水平梯度。目前, 商业应用的三轴梯度系统有3-axis AMG和bluebird两种, HGrad水平梯度测量系统为3-axis AMG的简化型。直升机吊舱式航磁梯度测量系统主要用于寻找与弱磁梯度异常有关的金、银、铂族等贵金属矿床, 金刚石勘探以及工程地质测绘和地质填图[1]。

3-axis AMG系统(图1)由加拿大Geotech公司研发, 磁传感器采用Geometric公司铯光泵探头, 磁探头水平和垂直间距均为3.83 m, 同时配有GPS接收机和小型陀螺测斜仪进行高精度定位和姿态补偿。HGrad系统为3-axis AMG系统的简化型, 主要与时间域电磁测量系统(VTEM)搭配使用, 两探头间距12.5 m。铯光泵探头灵敏度为0.004 nT, 绝对测量精度小于3 nT, 传感器转向差小于± 0.15 nT。

图1 Geotech公司3-axis AMG系统

bluebird系统由Aeroquest公司在2010年推出, 磁传感器采用加拿大GEM公司生产的钾光泵磁探头, 该套系统三轴梯度测量的灵敏度达到0.0 007 nT, 横向梯度噪声5 pT/m, 纵向梯度噪声10 pT, 同时直升机搭载吊舱式传感器可以在离地小于40 m的高度上进行作业测量, 另外配有精度优于0.5 m的GPS导航系统。该套系统所测的航磁梯度数据具有可靠性高, 图像细节丰富等特点[2]。

1.1.2 直升机硬架式航磁总场梯度测量系统

直升机硬架式航磁梯度测量系统受直升机结构限制, 以水平梯度测量为主, 目前常用的仪器系统有Xplorer和AirMAG。由于搭载直升机进行测量, 该系统更适合于在复杂地形或山地起伏明显的地区进行测量作业。

Xplorer系统(图2a)是南非开普敦NRG Exploration公司研发的高精度直升机硬架式航磁水平梯度测量系统, 磁传感器采用SCINTREX公司CS-3铯光泵探头, 使用双磁通门传感器提供高精度磁补偿, 其新型RDAC Ⅱ 型数据收录系统最高采样超过1000 Hz, 通过事后数据处理和磁补偿可提供低噪声航磁数据, 非常适合高分辨率、低高度航空勘探[2]。

图2 国外直升机硬架式航磁总场水平梯度测量系统
a— Xplorer系统; b— AirMAG测量系统

AirMAG系统(图2b)由加拿大Pico公司生产研发, 系统采用两个铯光泵探头, 探头灵敏度优于1 pT, 采样率最高可达100 Hz, 横向梯度噪声0.002 nT/m。该系统最多支持8个磁探头同时测量, 可根据客户需求, 实现实时补偿或事后补偿。系统采用GPS导航定位, 探头同步性较高, 目前多用于丛林和丘陵等复杂地形测量。

1.1.3 固定翼飞机航磁总场梯度测量系统

固定翼航磁梯度测量系统主要以全轴梯度测量为主, 目前常用的仪器、系统分别为Sanders公司的仪器和Pico公司的AutoGRAD系统, 由于该套系统搭载固定翼飞机, 故更适合开展远程高海拔测量任务。

Sander Geophysics公司拥有固定翼全轴航磁梯度测量系统(图3a), 该套系统选用4个铯光泵磁力仪, 由于铯光泵磁力仪有非常高的灵敏度和出色的稳定性, 其探头灵敏度达到0.005 nT, 该系统采样率可以根据测量需要调整, 可选择范围为2~10 Hz, 横向梯度噪声5 pT/m, 纵向梯度噪声5 pT/m, 垂直梯度噪声20 pT/m, 能够实现实时在线数字磁补偿。

图3 国外固定翼航磁总场梯度测量系统
a— Sander公司测量系统; b— Pico公司AutoGRAD系统

加拿大Pico公司2010年推出AutoGRAD航磁梯度系统(图3b), 该套系统是一套全自动化高灵敏度的磁梯度测量系统, 该系统的优势是既可以搭载在固定翼飞机上, 又可以选择安装在硬架式直升飞机上实现航磁梯度测量。AutoGRAD系统采用铯光泵磁力仪, 磁探头灵敏度达到0.5 pT, 数据采样率为5~10 Hz, 横向梯度噪声5pT/m, 纵向梯度噪声3pT/m, 测量中可以实现无人值守, 磁补偿可以实时补偿或事后补偿[3]。

1.2 航磁张量梯度测量系统

20世纪初, 德国、澳大利亚等国研究人员开始构思、设计和研发航磁张量梯度测量系统, 该项测量技术是建立在航磁矢量测量基础上的, 其关键技术为高精度的超导磁探头和惯性系统单元。该系统目前已经研制成功, 还处于发展阶段, 未应用于商业勘查。

Anglo American公司与IPHT(Institute for Physical High Technology)公司经过了漫长的研发周期和试生产阶段, 于2010年在德国推出了世界上第一台基于超导量子干涉技术的航磁张量梯度测量设备, 命名为MagSQUID系统。该系统应用了高精度高温超导磁探头SQUID(superconducting quantum interference device), 该探头安装在-269℃低温液态氦杜瓦瓶中运行。SQUID超导磁探头有较高的信噪比, 噪声水平达到1~2 fT/ Hz, 可以测量极微弱的磁场。2013年研究人员在南非开展了首次航磁张量梯度测量, Spectrem Air 飞机以吊舱方式搭载了该套系统(图4), 所测磁场梯度的噪声水平达到10 pT/m。由于MagSQUID航磁张量梯度测量系统有较高的灵敏度和采样率, 故该套系统在探测金刚石、铁矿及稀有金属矿床方面有很广阔的应用前景[4, 9, 15, 28, 29]。

图4 MagSQUID航磁张量梯度测量系统吊舱

2 航空电磁测量技术

航空电磁测量分为频率域和时间域电磁测量[5], 其基本原理是通过人工源激发, 观测地下介质在供电及关断发射源后的电磁场响应, 推测地下地质体的分布。航空电磁法对金属硫化物矿床、含矿裂隙水和矿化蚀变有很好的响应, 在一定电性的条件下, 能快速有效地探测信息, 这点恰恰弥补了航磁对弱磁金属矿床探测的不足。近几年, 国外多数地球物理公司大力发展和改进航空电磁测量技术, 使得该项技术发展十分迅速, 测量系统在原有的基础上不断改进, 朝着大功率、多个基本频率、全时段接收, 多参数输出等方向发展。

2.1 频率域航空电磁测量系统

频率域航空电磁测量技术近几年得到了一定发展, 并成为了矿业勘探的重要手段之一。但2010年前后, 由于多家地球物理公司重组和兼并, 目前报导较多的频率域航空电磁勘查设备是CGG公司的DIGHEM系统和RESOLVE系统。DIGHEM为直升机吊舱式频率域航空电磁系统, 该系统有5对发射线圈和接收线圈, 测量频率较多, 系统分辨能力强, 其中3个水平共面线圈的频率为900、7 200、560 000 Hz, 两个垂直同轴线圈为1 000 Hz和5 500 Hz, 根据探测对象的电性、磁性和深度要求, 可自主选择频率范围和发射功率。目前该系统已经累计采集200万公里测线的数据, 勘探深度150 m, 目前仍在持续研发中[6]。

CGG公司的另一套频率域航空电磁系统是RESLOVE系统, 该系统有6个发射频率, 水平共面线圈的频率为40、140、400、1 800、8 200 Hz, 垂直同轴线圈的频率为3 300 Hz[6]。

2.2 时间域航空电磁测量系统

与频率域航空电磁测量技术相比, 时间域航空电磁测量技术这几年从未停止发展的脚步, 各地球物理公司不断提高自己的产品性能, 增加脉冲宽度, 加大偶极矩, 减小噪声水平, 从而大大提高了仪器穿透能力。技术的改进带来应用领域的拓宽, 除了调查金属硫化物矿床和地下水资源外, 近几年时间域航空电磁测量系统还应用于极地冰层研究、地下管网布设、古水道调查和海水入侵等多个领域。目前, 国际上商业用的时间域航空电磁测量系统主要有VTEM、SKYTEM、AirTem、Equator 、Novatem和P-THEM等系统[2, 3, 4, 7, 8] 。

VTEM时间域航空电磁系统由Geotech公司于2001年初开始研制, 2002年底投入商业服务。[9]目前, VTEM系统的特点是发射磁矩大, 探测深度可达300~500 m。现有3款产品分别是VTEM mini、VTEM plus和VTEM max, 它们的共同特点是发射波形采用梯形, 都可以外挂高灵敏度的磁力仪, 不同的是线圈直径、发射磁偶极矩及基频等参数不同。其中VTEM max是VTEM系统中功能较强大的产品, 该系统发射线框直径35 m, 发射磁偶极矩峰值达到1.3× 106 Am2, 接收机能够同时测量dB/dt以及B在x、y、z方向的场值。2014年, 全球有超过30个VTEM系统在进行测量, 每年工作量数十万测线公里, 找矿效果和商业成就突出, 累计飞行200万测线公里, 主要进行海岸带、水文地质和金伯利岩的勘查, 目前该套系统仍在不断的完善优化[10]。

SkyTEM直升机时间域航空电磁测量系统由丹麦Aarhus大学HydroGeophysics组开发(图5c), 最初是为了勘查地下水资源和调查环境而设计研发。该系统基本频率可调, 发射波形采用梯形波, 系统频带很宽, 发射磁偶极矩峰值达到8× 104 Am2, 接收机以往只测量dB/dt , 现在可测量多分量x、y、z方向的值。该系统可实现数据实时发送功能, 将接收到的数据以高频发射到地面接收站, 操作员可以在地面实时控制数据质量。探测深度可达80~100 m, 适用于平坦小测区。2012~2014年, 该系统硬件不断被完善的同时, 相应配套的软件和解释方法也在国际上处于领先, 可以应用于水资源与环境调查[4]。

图5 国外时间域航空电磁测量系统
a— Air tEM系统; b— P-THEM系统; c— Sky TEM系统

AirTem直升机时间域航空电磁测量系统是俄罗斯Aerogeophysica公司的产品(图5b), 目前具备多个工作基频, 可以满足不同深度的探测需求, 发射磁偶极矩峰值达到6.5× 104 ~1.5× 106 Am2, 该套系统自带交互式软件, 可以绘出垂向电导率图, 实现双频3D模型反演, 该系统接收数据类型可以和任意第三方数据处理、解释软件兼容。目前, 研发该套系统的技术人员还在不断的提高发射功率及降低信号噪声, 以满足市场对寻找小型地质体及目标体与围岩界限不清矿体的需求[2]。

俄罗斯Geotechnologies公司在2010年推出Equator直升机时间域航空电磁测量系统(图6a), 该套系统的特色是软架式的接收器和发射器, 可以自由选择时间域或频率域测量, 同时该套系统配备高精度的接收、发射定位系统能消除一次场的干扰, 发射磁偶极矩峰值达到1.0× 105 Am2, 而且能获得全时段的数据, 并且应用于窄带信号探测技术, 适合探测构造细节丰富的目标体。目前, Geotechnologies公司主要提高该套系统的稳定性和功能性, 使野外勘查作业更加灵活和效率。[2]

图6 国外时间域航空电磁测量系统
a— Equator系统; b— Novatem系统

Novatem直升机时间域航空电磁测量系统是加拿大R& D公司的产品(图6b), 该系统目前配备两套工作基频, 北美地区多用30~90 Hz, 欧洲地区多用25~75 Hz, 发射磁偶极矩峰值达到1.6× 105 Am2, 发射线圈面积100 m2, 三分量接收, 发射周期在5 μ s~10 ms。目前, 加拿大R& D公司正不断完善Novatem系统的软件功能, 包括:数据处理、反演及建模等功能, 改进后的数据处理解释系统会与硬件更匹配, 该套系统多用于寻找地下水资源[2]。

Fugro公司在2005年推出了HeliGEOTEM系统。该套系统采用了固定翼时间域GEOTEM系统和MEGATEM系统的许多成熟的技术[8], 能够提供发射磁矩为2.0× 106 Am2, 发射波形为半正弦波, 基本频率30 Hz, 同时测量异常响应的x、y、z三个方向在通电和断电时间内dB/dt或B。HeliGEOTEM系统发射一次场电流非常大, 但是其接受器在接受二次场时噪声却非常的小, 这大大提高了探测的精度。

P-THEM直升机时间域航空电磁测量系统是加拿大Pico公司在2010年研制成功的航空电磁测量系统(图5b), 发射磁偶极矩峰值为2× 105~3.8× 105 Am2, 具备多个工作基频25~75 Hz, 可全段接收, 探测深度可达350 m, 自带数据处理软件, 该套系统的优势是小巧、轻便, 适合复杂地形测量, 特别是陡峭的山区勘查(表1)。

表1 国外主要直升机时间域航空电磁测量系统的技术指标
3 航空伽马能谱测量技术

近年来, 航空伽马能谱仪发展的趋势是由模拟多道能谱仪改进为数字化多道能谱仪, 该项技术的改进可以大大消除测量中出现的死时间和峰值检测难等问题。同时能谱仪向高度集成化、轻型化改进, 将晶体探测器、数字可调增益放大器、数字化多道脉冲分析电路、电源电路等全部集成在晶体箱内部, 大大减少了仪器的体积和质量, 提高了系统集成时载体的空间利用率。目前国际上占主导、广泛应用于商业化测量的航空多道伽马能谱仪为Pico公司生产的AGRS-10和RSI公司生产的RS-500、RS-700, 系统主要应用于矿产资源勘查尤其是战略型铀矿资源勘查、环境监测、核电站选址及核泄漏应急监测等领域。

AGRS-10能谱仪为加拿大Pico公司生产。2009~2010年, Pico公司在原有两款产品GRS-10和GRS-16的基础上, 开始了AGRS-10能谱仪的改进。 2011~2014年, AGRS-10能谱仪取得了较大进展, 改进了单晶体信号独立处理技术, 对每个探测器输出的模拟信号通过光电倍增管(PMT)、独立高速(ADC)模块和数字峰值探测器(DPD)进行脉冲幅度分析, 从而实现能谱数据的采集。改进后的能谱仪提高了线性度和更高的计数率, 同时改进了脉冲堆积, 实现了现场灵活更换探测器, 具备自动基线恢复功能和探测器自动基于天然放射性元素校准等功能[11]。

加拿大RSI公司生产的RS-500系统的核心就是先进的数字能谱仪ADS (Advanced Digital Spectrometer)模块。每个NaI(Tl)晶体探测器都有与之相对应的高速(60 MHz)模数转换器ADS以及一个FPGA/DSP处理器。该模块以1 000 000道的分辨率将探测器输出的模拟脉冲信号转化为数字能谱, 最后线性地压缩为512或1 024道高分辨率的能谱数据。RS-500采用了独立探测器ADS和FPGA/DSP处理器, 有效改善了脉冲堆积现象, 大大提高了晶体探测器的灵敏度。在进行天然放射测量时, 基本实现了无测量死时间。同时DSP高速处理器必要时对脉冲信号进行校正, 使在高计数率的情况下(250 000 cps/晶体)不出现失真[12] 。目前该套系统广泛的应用于环境辐射调查和铀矿资源勘查等领域。

4 航空重力测量技术

航空重力测量技术包括航空重力标量测量和航空重力梯度测量, 由于该项技术广泛的应用于大地测量、油气、矿产资源勘查和军事领域而备受青睐。目前, 航空重力标量测量技术较为成熟且商业应用广泛, 而航空重力梯度测量技术属于二十世纪尖端技术, 目前只有为数不多的几个国家拥有, 且该项技术仍处于不断改进和完善过程中[9, 21]。

4.1 航空重力测量系统

20世纪90年代至今, 航空重力测量技术试验获得成功, 并逐步实现了商业化运行。这主要归功于动态差分GPS定位技术的发展, 实现了高精度飞机导航定位, 使航空重力测量所必需的垂直扰动加速度修正精度和厄特渥斯改正的精度得到提高[13]。 目前, 国际上广泛应用于商业的航空重力测量系统主要有:俄罗斯GT公司制造的GT-2A系统, 加拿大SGL 公司制造的AirGrav系统, 俄罗斯中央电器仪表所制造的CHEKAN-AP系统和美国Micro-g/LaCoste公司制造的TAGS系统[13, 14, 15, 16]。

TAGS-6系统由美国Micro-g/LaCoste公司制造(图7a), 该类系统是基于LaCoste & Romberg Ⅱ /Ⅲ 型海空重力仪发展而来, 其核心传感器为斜拉石英零长弹簧, 惯性平台为两轴阻尼平台。由于其设计的局限性, 交叉耦合效应较大, 重复线内符合精度为0.73 mGal左右, 在实际测量过程中对天气要求较高, 在退出测线时需要锁摆, 而再次进入测线需提前5 min对准, 因此, 勘探效率相对较低。基于以上原因, 该类系统主要应用于大地水准面测量[13]。

图7 国外航空重力测量系统
a— TAGS系统; b— GT-2A系统; c— CHENKAN-AP系统

GT公司在2006年开始研制GT-2A重力测量系统(图7b), 2008~2009年在加拿大安大略省、南非东北部、芬兰湾等地进行了严格的测线和重复线飞行测试, 改进后的GT-2A日漂移小于2 mgal, 量程1 mgal, 测量精度为 0.3~0.6 mGal, 仪器可以适应24 h飞行, 不受白天气流扰动等条件限制, 山地缓起伏飞行较GT-1A效果更好。目前该系统主要应用于区域地质填图和油气资源勘查领域, 包活确定区域构造形态、划分断裂、推断盆地基底深度、圈定盐丘位置以及推断地质体密度特征等。国外在应用GT-2A航空重力勘查系统的同时, 也在策划研制更加小型紧凑的GT-X航空重力测量系统[4, 17, 34]。

AirGrav系统由加拿大Sander公司研制, 该套系统采用三轴舒勒调谐平台, 仪器系统由Sander公司独家使用, 重复线测量内符合精度为0.5 mGal左右, 与GT-1A相当, 使用其数据增强处理后, 精度能达到0.2 mGal左右, 目前Sander公司拒绝对外公布其技术细节[18, 19, 32] 。

CHEKAN-AP系统由俄罗斯中央电器仪表所制造(图7c), 使用两轴阻尼平台, 该套系统最初为船载测量系统, 后经改进用于航空测量, 重复线测量内符合精度为1 mGal左右, 日漂移0.1 mGal, 陀螺稳定平台静态误差30角秒, 与TAGS系统相当, 该套测量系统主要应用于大地测量(表2)[13]。

表2 国外主要航空重力测量系统的技术指标
4.2 航空重力梯度测量系统

航空重力梯度测量技术是搭载在动态平台上测量重力加速度在空间上的变化率。该项技术以其经济、高效、对小尺度地质目标体有特有的高分辨率等特点在金属矿产勘查中发挥着重要作用。但重力梯度信号本身非常微弱, 测量难度大, 其核心技术是加速度计的灵敏度、微弱信号检测与提取、稳定平台等。目前, 针对航空应用而研发中的重力梯度仪主要有:旋转加速度计重力梯度仪、超导重力梯度仪和原子干涉型重力梯度仪[20, 21, 35, 36, 37] 。

超导重力梯度仪(superconducting gravity gradiometer, SGG)研制起源于20世纪70~80年代。近10年来, 超导航空重力梯度仪作为下一代主力航空重力梯度勘探系统, 已经成为目前研究的重点和热点[4], 国际上许多矿业公司和研究机构正在致力于该项研究, 如美国Bendix field Engineering、Stanford大学、Maryland大学、Smithsonian Astrophysical Obseratory(SAO)、Sperry Defense System、澳大利亚的西澳大学(UWA)和力拓公司(Rio Tinto)、加拿大GEDEX公司、意大利Piano Spaziale Nazionale(PSN)、英国ARKeX公司和Strathclyde大学等。

超导重力梯度系统的设计指标为噪声水平优于1 E, 目前成型并且处于试飞准备阶段的超导重力梯度仪主要有3类: EGG重力梯度系统, 由ARKeX公司自行研制(图8a); HD-AGGTM重力梯系统, 由 Gedex公司和马里兰大学联合研制(图8b); VK-1重力梯度仪由力拓公司(Rio Tinto)和西澳大学(UWA)联合研制(图8-c)[21, 22] 。

图8 航空超导重力梯度测量系统
a— EGG系统; b— HD-AGGTM系统; c— VK-1系统

原子干涉型重力梯度仪应用了目前物理学的最新技术, 包含了量子光学和原子光学技术近10年来的最新进展, 属于最前沿且极具潜力的技术。美国斯坦福大学诺贝尔奖获得者朱棣文领导的小组, 在1991年利用原子干涉技术进行重力测量, 其灵敏度达到3× 10-8 g。

近年来, 斯坦福大学根据冷原子干涉技术研制完成原子重力仪, 其分辨率达到3× 10-9 g, 绝对精度Δ g/g< 3× 10-9。斯坦福大学与耶鲁大学联合研制成功原子干涉型重力梯度仪和陀螺仪, 重力梯度仪在基线为1.4 m的情况下, 灵敏度能达到40 E左右, 陀螺仪灵敏度达到6× 10-10 rad· s-1/ Hz。美国航空航天局(NASA)下属喷气推进实验室(JPL)在Advanced Technology Component Program资助下, 完成了冷原子干涉重力梯度仪实验室样机的研制。目前, JPL已经完成车载重力梯度仪的研制, 并提交使用, 其下一个研究方向是研制星载重力梯度仪, 以研究全球重力场变化。此外, 欧洲非线性光谱实验室(LENS)、意大利佛罗仑萨大学、法国巴黎天文台(SYRTE)、巴黎第六大学(皮埃尔— 玛丽— 居里大学)等多家机构都在进行冷原子干涉重力/重力梯度测量技术的研究。欧空局(ESA)在其即将发射的HYPER卫星上使用了两个原子干涉陀螺仪进行差分测量。

目前, 原子干涉型重力梯度系统仪器庞大, 主要用于实验室测量牛顿万有引力常数、等效性原理验证等物理研究, 车载系统主要用于惯性导航等试验研究[21]。其下一步研究方向主要定位于空间应用相关的仪器研制和技术研发。当前的原子干涉型重力梯度系统对于航空应用而言, 距离实用化还有较大的差距, 但作为一项前沿技术, 非常值得关注。

5 航空物探配套测量技术

航空物探测量技术的不断提高, 离不开配套设备的改进和升级, 近年来发展较迅速的两项技术为航磁补偿技术和高精度单点定位技术。

航空磁测补偿技术发展迅速, 软补偿技术日趋成熟并完善。2013年, RMS仪器公司推出了新的航磁采集补偿仪DAS500, 它继承了以往DAARC500设备的基本功能, 同时在以往补偿仪的功能基础上改进了实时补偿功能, 最明显的特征是自适应能力强, 仪器可以在所搭载飞机飞行状态中不断“ 学习” 飞行动作, 调整补偿参数, 达到优化补偿结果的目的, 同时新添加的接口能支持8个探头同时在飞机上实现补偿功能, 并且提出了OBE(On-board electronic)技术, 该技术能补偿掉飞机上搭载电子设备直流电所产生的磁场, 目前该技术处于保密[2]。

在导航和定位技术方面, 加拿大NexTeq Navigation 公司推出了高精度GPS单点定位及ppp技术(Precise Point Positioning), 采用该项技术可以解决GPS定位精度受到飞机动态以及作业基线过长而造成定位精度降低的影响, 当基线距离大于30 km时, 采用单站GPS接收机以PPP方式工作, 经过事后处理的GPS数据, 定位精度可达2 cm, 优于双差分GPS系统, 该项技术也可以实现动态全球范围内的测量[4]。

6 结论

目前, 国外航空物探测量系统总体发展较为成熟, 特别是航磁总场梯度、时间域航空电磁、航空伽马能谱和航空重力测量系统, 被广泛的应用于商业勘查, 在固体矿产、油气资源勘查和环境调查等领域取得了良好的应用效果[23, 24, 25, 26, 27]。但航磁张量梯度测量系统与超导重力梯度测量系统仍处于发展中, 还未正式投入到商业勘查领域, 具有良好的应用前景。原子干涉型重力梯度系统作为航空物探测量领域的一项前沿技术, 对于航空应用而言, 距离实用化还有较大的差距。

我国航空物探技术体系与各测量要素已经发展的较为全面, 但是装备能力尚且不足, 这制约着我国航空物探数据采集的进度和应用程度。因此, 我们应加快推动硬件系统的研制和勘查系统的集成化, 大力发展航磁矢量测量、航空重力梯度和时间域航空电磁测量技术, 以获得更为多元的地球物理场信息, 提高航空地球物理探测的深度和弱信号的分辨能力。此外, 开展硬件系统研发的同时, 我们也应该研究相应的新方法、新技术, 不断的提高解释方面的能力。

我国航空物探勘查领域应根据自身需求不断的扩展, 不仅局限于矿产和油气资源勘查领域, 应从我国国情出发根据需求不断扩展到工程勘查、土壤调查及环境污染调查等潜在市场, 让航空物探勘查技术在我国众多领域发挥更大作用。

致谢:感谢周锡华教授和范正国教授的精心指导,在此表示诚挚的谢意。

The authors have declared that no competing interests exist.

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