殷長春, 張博, 劉云鶴, 任秀艷， 齊彥福， 裴易峰，邱長凱， 黃鑫， 黃威， 繆佳佳, 蔡晶

吉林大學(xué)地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 長春 130026

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航空電磁勘查技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及展望

殷長春, 張博*, 劉云鶴, 任秀艷， 齊彥福， 裴易峰，邱長凱， 黃鑫， 黃威， 繆佳佳, 蔡晶

吉林大學(xué)地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 長春 130026

航空電磁作為一種高效的地球物理勘查技術(shù)手段，其發(fā)展在國外(加拿大、澳大利亞等國家)已十分成熟.然而，在我國該項(xiàng)技術(shù)仍處于發(fā)展當(dāng)中，在國內(nèi)目前尚未形成具有實(shí)際探測能力的航空電磁系統(tǒng)和解釋手段.這一現(xiàn)狀嚴(yán)重影響了我國對(duì)地形地質(zhì)條件復(fù)雜區(qū)域(比如廣大西部地區(qū))礦產(chǎn)資源勘查的需求.本文旨在通過系統(tǒng)介紹航空電磁勘查技術(shù)中的基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵技術(shù)、儀器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理、解釋及應(yīng)用，并對(duì)未來我國航空電磁勘查技術(shù)的發(fā)展提出建議，使讀者了解該技術(shù)未來發(fā)展方向和研究熱點(diǎn)，以期該項(xiàng)技術(shù)在我國得到快速發(fā)展并獲得廣泛應(yīng)用.

礦產(chǎn)資源勘查； 航空電磁勘查技術(shù)； 頻域和時(shí)域航空電磁系統(tǒng)； 電磁數(shù)據(jù)處理； 數(shù)據(jù)成像和解釋

1 引言

航空電磁(AEM)是利用飛機(jī)平臺(tái)搭載電磁勘探設(shè)備的地球物理勘查技術(shù).由于該方法采用飛行平臺(tái)作為搭載裝置，無需地面人員接近勘查作業(yè)區(qū)，特別適合高山、沙漠、湖泊沼澤、森林覆蓋等地形復(fù)雜地區(qū).國外航空電磁勘查自20世紀(jì)五六十年代開始發(fā)展，目前已形成時(shí)間域和頻率域，主動(dòng)源和被動(dòng)源，固定翼和直升機(jī)吊艙平臺(tái)的系列航空電磁勘查系統(tǒng).應(yīng)用領(lǐng)域由傳統(tǒng)的金屬礦產(chǎn)和油氣資源勘查，發(fā)展到包括環(huán)境工程、地下水和地?zé)豳Y源、海洋地形調(diào)查、極地研究等應(yīng)用領(lǐng)域.國內(nèi)七八十年代曾發(fā)展過航空電磁系統(tǒng)，曾研制出了固定翼頻率域和時(shí)間域航空電磁系統(tǒng).90年代由于地質(zhì)行業(yè)蕭條航空電磁系統(tǒng)的開發(fā)基本處于停滯狀態(tài).近年，隨著國家經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，對(duì)礦產(chǎn)資源的需求急劇增加，而國內(nèi)地形地質(zhì)條件良好地區(qū)的礦產(chǎn)資源已基本勘查完畢.礦產(chǎn)勘查的目標(biāo)相應(yīng)地轉(zhuǎn)向占我國國土面積近三分之二的廣大西部地形條件復(fù)雜地區(qū)(高山、沙漠)和東部大面積森林覆蓋、湖泊沼澤地區(qū).這些地區(qū)由于地面人員無法接近，地球物理觀測程度較低.人們把眼光逐漸轉(zhuǎn)向航空地球物理勘查，特別是航空電磁勘查技術(shù).然而，由于國外的高技術(shù)封鎖和壟斷，航空電磁關(guān)鍵技術(shù)(比如超大功率發(fā)射、大動(dòng)態(tài)范圍多分量采集、吊艙動(dòng)態(tài)監(jiān)測和控制技術(shù)、飛行平臺(tái)背景場去除等)無法取得突破性進(jìn)展，使得國內(nèi)航空電磁技術(shù)發(fā)展一直停留在地面原理樣機(jī)階段，無法實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)飛行.本文通過對(duì)航空電磁勘查技術(shù)及國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀、航空電磁理論、數(shù)據(jù)處理和反演解釋等做出系統(tǒng)介紹，并結(jié)合應(yīng)用實(shí)例，對(duì)航空電磁勘查原理與應(yīng)用進(jìn)行分析，以期為我國航空電磁勘查關(guān)鍵技術(shù)的突破指明方向，從而推動(dòng)我國航空電磁勘查向?qū)嵱没较虬l(fā)展，早日實(shí)現(xiàn)我國地形復(fù)雜地區(qū)礦產(chǎn)資源勘查.本文在第2節(jié)對(duì)航空電磁勘查技術(shù)進(jìn)行總體介紹；第3節(jié)介紹國內(nèi)外航空電磁勘查技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀；第4節(jié)介紹航空電磁正反演理論；第5節(jié)介紹航空電磁勘查技術(shù)應(yīng)用；最后，對(duì)我國航空電磁技術(shù)發(fā)展做出展望.

2 航空電磁勘查技術(shù)

航空電磁勘查技術(shù)涉及到的基本概念較多，闡述這些概念是了解這種勘探方法的前提.下面我們對(duì)這些方法技術(shù)涉及到的基本概念做出介紹.

2.1 航空電磁勘查技術(shù)基本原理

航空電磁采用發(fā)射線圈發(fā)射電磁信號(hào)，通過接收線圈接收經(jīng)空氣傳播的一次場信號(hào)和經(jīng)地下介質(zhì)感應(yīng)產(chǎn)生的二次場信號(hào).當(dāng)?shù)叵虏淮嬖陔娦圆痪鶆蝮w時(shí)，接收線圈接收到的二次場信號(hào)為地下半空間的感應(yīng)信號(hào)(圖1a)；當(dāng)?shù)叵麓嬖陔娦援惓ｓw時(shí)，異常體也參與了電磁感應(yīng)，導(dǎo)致二次場信號(hào)與不含異常體時(shí)出現(xiàn)了差異(圖1b).通過分析由地下介質(zhì)產(chǎn)生的電磁場，可以得到地下電性結(jié)構(gòu)分布信息.航空電磁通常分為頻率域和時(shí)間域兩種方法.頻率域航空電磁法利用發(fā)射線圈發(fā)射諧變電磁信號(hào)，接收線圈接收相同頻率的電磁信號(hào)；而時(shí)間域航空電磁法則利用發(fā)射線圈發(fā)射脈沖信號(hào)，接收線圈接收隨時(shí)間變化的瞬變信號(hào).頻率域航空電磁根據(jù)發(fā)射和接收機(jī)的關(guān)系分為：水平共面(HCP)，直立共軸(VCA)，直立共面(VCP)和交叉裝置；而時(shí)間域航空電磁通常采用共中心或分離裝置.

2.2 發(fā)射波形

時(shí)間域航空電磁采用的發(fā)射波形種類很多，可大致分為階躍、脈沖、方波、半正弦波、三角波和梯形波，不同發(fā)射波形的激勵(lì)響應(yīng)強(qiáng)度有所不同.根據(jù)Liu(1998)，對(duì)斷電(off-time)電磁響應(yīng)來說，在發(fā)射信號(hào)寬度和強(qiáng)度相同的情況下，方波電磁響應(yīng)強(qiáng)于其他發(fā)射波形的電磁響應(yīng)且方波越寬，電磁響應(yīng)強(qiáng)度越大；多數(shù)波形存在最優(yōu)波形寬度(對(duì)應(yīng)最大響應(yīng)幅值的波形寬度)，半正弦波的最優(yōu)波形寬度為目標(biāo)體時(shí)間常數(shù)的2.5倍.陳曙東等(2012)對(duì)自由空間中導(dǎo)電回線電磁響應(yīng)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)目標(biāo)體時(shí)間常數(shù)較大時(shí)，不同發(fā)射波形的目標(biāo)體電磁響應(yīng)幅值之比近似等于波形與時(shí)間坐標(biāo)軸所構(gòu)成區(qū)域的面積之比.對(duì)供電(on-time)電磁響應(yīng)，當(dāng)目標(biāo)體時(shí)間常數(shù)較小時(shí)，方波電磁響應(yīng)強(qiáng)于其他發(fā)射波形；方波電磁響應(yīng)隨目標(biāo)體時(shí)間常數(shù)的減小而增加，而其他波形隨目標(biāo)體時(shí)間常數(shù)的減小趨于穩(wěn)定值；梯形波電磁響應(yīng)比方波小，但大于三角波和半正弦波.隨著時(shí)間常數(shù)的增加，方波激勵(lì)響應(yīng)持續(xù)減小，而半正弦波和三角波的激勵(lì)響應(yīng)先減小，而后趨于不變，并在時(shí)間常數(shù)較大時(shí)強(qiáng)度超過方波.因此，利用三角波和半正弦波的on-time信號(hào)易于探測地下低阻目標(biāo)體(陳曙東等，2012).

從關(guān)于趨膚深度的討論我們知道，通過發(fā)射不同頻率的電磁信號(hào)，我們可以勘探不同深度的目標(biāo)體，實(shí)現(xiàn)航空電磁的測深目標(biāo).同樣，對(duì)于時(shí)間域航空電磁系統(tǒng)，由于早期道信號(hào)高頻成分豐富，主要反映淺層信息；而晚期道信號(hào)中低頻成分豐富，主要反映深部地電信息.通過觀測全時(shí)時(shí)間域電磁信號(hào)，我們可以研究地下介質(zhì)從淺到深的電性分布特征.

2.3 On-time和off-time

如前文所述，時(shí)間域航空電磁發(fā)射脈沖信號(hào)，通過接收線圈接收瞬變電磁信號(hào).發(fā)射裝置供電和斷電期間分別稱為on-time(供電) 和off-time(斷電)，對(duì)應(yīng)接收線圈采集的數(shù)據(jù)稱為on-time和off-time數(shù)據(jù).on-time數(shù)據(jù)包含了一次場和二次場信號(hào)，且一次場比二次場大得多；off-time數(shù)據(jù)是在發(fā)射線圈斷電情況下采集的，因此只含有地下介質(zhì)感應(yīng)的二次場.目前航空電磁實(shí)際解釋中，off-time數(shù)據(jù)應(yīng)用較多.隨著航空電磁數(shù)據(jù)處理技術(shù)發(fā)展，人們對(duì)on-time數(shù)據(jù)的重視程度逐漸增加(殷長春等，2015).必須指出的是飛機(jī)作為一個(gè)飛行平臺(tái)是一個(gè)大的良導(dǎo)體，在電磁信號(hào)中由飛機(jī)產(chǎn)生的背景場必須予以去除.

圖1 航空電磁勘查技術(shù)原理(a) 不存在異常體；(b) 存在異常體(Greg Hodges,2011,個(gè)人通訊).Fig.1 Airborne electromagnetic technology(a) Without abnormal body; (b) With abnormal body (Greg Hodges, 2011, Personal communication).

2.4 Fiducial、PPM、bucking技術(shù)

航空電磁數(shù)據(jù)采樣間隔通常為0.1 s，稱之為一個(gè)Fiducial(簡稱Fid).由于頻率域航空電磁一次場和二次場同時(shí)存在，且一次場比二次場信號(hào)強(qiáng)得多，通常系統(tǒng)通過bucking技術(shù)分離出一次場和二次場，同時(shí)將二次場和一次場作比值，并乘以106，稱為ppm.然而，對(duì)于時(shí)間域航空電磁，由于主要應(yīng)用off-time數(shù)據(jù)，或者在on-time數(shù)據(jù)中剔除一次場，所以觀測信號(hào)直接使用磁感應(yīng)信號(hào)的單位(T/s，pT/s，fT/s等).航空電磁接收線圈接收到的信號(hào)中，能夠反映地下介質(zhì)信息的僅二次場信號(hào)，因此在對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理之前必須去除一次場.頻率域航空電磁采用bucking技術(shù)，而在時(shí)間域中通常采用互相關(guān)技術(shù)予以去除.

2.5 全區(qū)視電阻率概念

視電阻率是地下電性特征的綜合反映.它定義為可以替換地下不均勻介質(zhì)的均勻半空間電阻率，如果該均勻半空間對(duì)于相同的發(fā)射接收條件，在接收機(jī)處產(chǎn)生相同的電磁信號(hào).電磁勘查中傳統(tǒng)的早期和晚期視電阻率難以給出連續(xù)而且準(zhǔn)確的電性參數(shù)，為此人們提出了全區(qū)視電阻率的概念，即全時(shí)段/全區(qū)域視電阻率.殷長春和樸華榮(1991)研究了電偶源地面電磁全區(qū)視電阻率定義.他們發(fā)現(xiàn)由于磁場是均勻半空間電阻率的單值函數(shù)，使用磁場定義全區(qū)視電阻率優(yōu)于磁場時(shí)間導(dǎo)數(shù)，并利用多項(xiàng)式擬合電阻率關(guān)于磁場的反函數(shù)定義了全區(qū)視電阻率.強(qiáng)建科等(2010)研究了適用于航空電磁多分量觀測全時(shí)域電阻率計(jì)算方法，張瑩瑩(2013)使用牛頓迭代方法進(jìn)行電偶源地空系統(tǒng)全域視電阻率定義，戚志鵬等(2014)對(duì)大定源瞬變電磁三分量全域視電阻率進(jìn)行了定義.他們的視電阻率定義同樣是基于航空電磁響應(yīng)對(duì)于半空間電阻率的單值性，并通過對(duì)磁場關(guān)于半空間電阻率函數(shù)進(jìn)行泰勒展開和線性近似，由假設(shè)的初始視電阻率值利用迭代方法計(jì)算全區(qū)視電阻率.

2.6 Footprint

航空電磁勘探數(shù)據(jù)量龐大，導(dǎo)致航空電磁數(shù)據(jù)處理解釋耗時(shí)驚人.幸運(yùn)的是，航空電磁測量系統(tǒng)是緊湊系統(tǒng)，對(duì)于單個(gè)測點(diǎn)來說“敏感區(qū)域”遠(yuǎn)小于整個(gè)測區(qū).這個(gè)“敏感區(qū)域”就是航空電磁系統(tǒng)的“footprint”.航空電磁中footprint的第一個(gè)明確定義由Liu和Becker(1990)給出，此后很多學(xué)者對(duì)footprint進(jìn)行了研究(Kovacs et al.，1995；Reid and Vrbancich，2004; Reid et al.,2006；Beamish，2003).Yin等(2014)將footprint定義為均勻?qū)щ姲肟臻g中的最小區(qū)域，該區(qū)域邊界上感應(yīng)電流在接收機(jī)處產(chǎn)生相同的二次場，同時(shí)該區(qū)域中地下感應(yīng)電流在接收機(jī)處產(chǎn)生的二次場占整個(gè)半空間產(chǎn)生的二次場的90%.研究發(fā)現(xiàn)，航空電磁系統(tǒng)footprint主要取決于飛行高度.通常情況下，footprint為飛行高度的3～4倍.利用footprint的概念，我們在從事航空電磁數(shù)據(jù)反演時(shí)，可先基于footprint大小對(duì)測區(qū)進(jìn)行單元?jiǎng)澐?，在完成各測區(qū)單元的電磁數(shù)據(jù)反演后，集成得到測區(qū)總的電性分布.這為復(fù)雜二、三維模型反演節(jié)省大量計(jì)算成本.

2.7 良導(dǎo)和高阻體頻率域和時(shí)間域電磁信號(hào)特征

導(dǎo)電介質(zhì)中頻率域電磁信號(hào)在小感應(yīng)數(shù)(對(duì)應(yīng)于高阻或低頻)時(shí)，電磁信號(hào)的實(shí)部比虛部??；隨著感應(yīng)數(shù)的增大，電磁信號(hào)的實(shí)部逐漸增大直至達(dá)到飽和，而虛分量經(jīng)過極大值后逐漸衰減為零.在感應(yīng)數(shù)很大時(shí)(對(duì)應(yīng)于低阻或高頻)，電磁信號(hào)的實(shí)分量比虛分量大得多.相比之下，時(shí)間域電磁信號(hào)對(duì)于高阻體在斷電早期很強(qiáng)，然而隨時(shí)間衰減很快；而對(duì)于良導(dǎo)體，斷電早期電磁信號(hào)幅值相對(duì)較小，但隨時(shí)間衰減緩慢.因此，良導(dǎo)體對(duì)應(yīng)的晚期道信號(hào)較強(qiáng).利用時(shí)域/頻域電磁信號(hào)的變化特征，我們能從航空電磁觀測數(shù)據(jù)中有效識(shí)別地下高阻和良導(dǎo)體.

圖2給出了頻域和時(shí)域航空電磁信號(hào)特征及對(duì)高阻和低阻體識(shí)別的應(yīng)用實(shí)例.圖中A處地下存在高阻體，而C處為良導(dǎo)體.從圖可以看出，高阻介質(zhì)(A處)的時(shí)間域電磁信號(hào)在早期較強(qiáng)，晚期電磁響應(yīng)衰減較快，表現(xiàn)為各時(shí)間道信號(hào)非常稀疏.相應(yīng)地，頻率域信號(hào)在各頻段虛部均大于實(shí)部；良導(dǎo)體(C處)的時(shí)間域電磁信號(hào)在早期相對(duì)較弱，在晚期衰減較慢，表現(xiàn)為晚期各時(shí)間道信號(hào)比較密集.通過分析時(shí)域和頻域航空電磁數(shù)據(jù)的特征，可以定性識(shí)別地下高阻和低阻體.

2.8 地下介質(zhì)磁性、介電常數(shù)、各向異性對(duì)航空電磁響應(yīng)的影響數(shù).利用低頻電磁信號(hào)求解地下介質(zhì)的磁化率，利用高頻電磁信號(hào)求解地下介質(zhì)的介電常數(shù)，而電阻率則可利用所有頻點(diǎn)的電磁信號(hào)進(jìn)行求解.

Huang 和Fraser(2001)討論地下介質(zhì)磁性和介電常數(shù)對(duì)航空電磁響應(yīng)的影響特征，提出了利用航空電磁數(shù)據(jù)求解地下介質(zhì)的電磁特征和介電參

圖2 良導(dǎo)體C和高阻體A航空電磁響應(yīng)特征(Greg Hodges, 2011,個(gè)人通訊)Fig.2 AEM responses for conductive body C and resistive body A (Greg Hodges, 2011, Personal communication)

航空電磁勘探信號(hào)對(duì)地下介質(zhì)各向異性也相當(dāng)敏感.Yin和Fraser(2004a)研究一維各向異性介質(zhì)對(duì)航空電磁響應(yīng)的影響特征，得出如下結(jié)論：對(duì)電磁信號(hào)實(shí)分量，介質(zhì)各向異性的影響隨頻率的增加而變大，各向異性影響的最大值出現(xiàn)在高頻段；對(duì)信號(hào)虛分量，各向異性影響隨頻率增大先增加，到達(dá)某一頻率后開始變小，各向異性影響的最大值出現(xiàn)在中間頻段.對(duì)于VCA裝置，當(dāng)飛行方向改變時(shí)，各向異性對(duì)電磁響應(yīng)的影響特征發(fā)生明顯變化；而對(duì)于HCP裝置，各向異性對(duì)電磁信號(hào)的影響不受飛行方向的影響.利用VCA裝置電磁響應(yīng)隨飛行方向的變化特征，我們可以有效地識(shí)別地下各向異性的主電導(dǎo)率方向.

3 航空電磁勘查技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

航空電磁勘查技術(shù)已經(jīng)有大約70年的發(fā)展歷史， 經(jīng)歷了從簡單的單頻系統(tǒng)逐步發(fā)展成為多頻電磁系統(tǒng)、時(shí)間域系統(tǒng)、直升機(jī)和固定翼系統(tǒng)等.本節(jié)首先介紹航空電磁在國外的發(fā)展現(xiàn)狀，特別對(duì)目前具有國際領(lǐng)先水平的航空電磁系統(tǒng)和相關(guān)技術(shù)進(jìn)行介紹，然后再回顧國內(nèi)航空電磁的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀.

3.1 國外航空電磁發(fā)展現(xiàn)狀

1948年，固定翼航空電磁系統(tǒng)Stanmac-McPhar在加拿大試飛成功，這標(biāo)志著第一個(gè)航空電磁勘探系統(tǒng)的誕生(Fountain，1998).1954年，航空電磁勘探方法在加拿大New Braunswick省發(fā)現(xiàn)了Health Steele 礦床，這一發(fā)現(xiàn)極大地促進(jìn)了航空電磁勘查技術(shù)和系統(tǒng)的發(fā)展.1955年，第一個(gè)吊艙式硬支架直升機(jī)航電系統(tǒng)誕生.此后，Tony Barringer開發(fā)了第一個(gè)時(shí)間域固定翼INPUT系統(tǒng).該系統(tǒng)后經(jīng)歷不斷更新，一直沿用至今. Slichter(1955)闡明使用天然場代替人工場源可以大幅度提高航空電磁系統(tǒng)的探測深度.基于這一理論，第一個(gè)被動(dòng)源航空電磁系統(tǒng)AFMAG于1958年在加拿大研制成功.

在隨后的幾十年里，航空電磁系統(tǒng)得到不斷的優(yōu)化和改進(jìn).1965年，INPUT系統(tǒng)升級(jí)成為Mark V INPUT系統(tǒng)，增大了發(fā)射磁矩，進(jìn)而大幅度增加了系統(tǒng)的有效探測深度.1967年，一個(gè)新的多頻吊艙式航空電磁系統(tǒng)F-400被成功研發(fā).與之前的系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)采用水平偶極作為發(fā)射源，這種裝置對(duì)飛機(jī)的改造最小，便于在不同飛行裝置上移植.1969年，人們通過改造地面Turam系統(tǒng)研發(fā)出Turair半航空系統(tǒng).該系統(tǒng)通過利用地面大線圈發(fā)射增大了有效勘探深度.1970年，單頻多分量接收DIGHEM I型航空電磁系統(tǒng)研發(fā)成功.該系統(tǒng)采用X軸方向發(fā)射，接收X、Y、Z三分量.此外，Questor對(duì)Mark VI INPUT系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)，由此生產(chǎn)了兩個(gè)新的勘探平臺(tái)——Skyvan(1971)和Trislander(1973)系統(tǒng).同時(shí)，1970年前后印度開發(fā)了可以接收B和dB/dt的固定翼時(shí)間域航空電磁系統(tǒng)，然而該系統(tǒng)只做了試驗(yàn)飛行.此后，McPhar對(duì)F-400做出進(jìn)一步改進(jìn)，將其升級(jí)為多頻電磁系統(tǒng)并安裝在固定翼和直升機(jī)飛行平臺(tái)上.1976年，固定翼COTRAN和Smelting EM-30系統(tǒng)研發(fā)成功.COTRAN系統(tǒng)采用了INPUT系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，發(fā)射波形為方波，接收X和Z兩個(gè)分量，然而該系統(tǒng)沒有實(shí)現(xiàn)商業(yè)飛行.Smelting EM-30系統(tǒng)通過采用大收發(fā)距的共軸裝置達(dá)到較大的勘探深度.70年代末期，大收發(fā)距頻率域固定翼航空電磁系統(tǒng)基本被淘汰，固定翼航空電磁以時(shí)間域系統(tǒng)為主.直升機(jī)系統(tǒng)則朝著多頻發(fā)射、多分量接收方向發(fā)展.1976年，在DIGHEM I的基礎(chǔ)上，DIGHEM II成功研發(fā)，并通過系統(tǒng)改進(jìn)實(shí)現(xiàn)雙頻發(fā)射(900 Hz和3600 Hz)和多分量接收.

20世紀(jì)80年代中期，由于各大公司削減礦產(chǎn)勘查預(yù)算，航空電磁勘查技術(shù)走向蕭條.然而，航空電磁系統(tǒng)的研發(fā)并未因此停滯不前.1983年，Geoterrex引進(jìn)了一個(gè)新的INPUT航空電磁勘探平臺(tái)CASA 212，并于1985年研發(fā)成功針對(duì)這一平臺(tái)，且與INPUT系統(tǒng)具有相似結(jié)構(gòu)的GEOTEM系統(tǒng).相比于固定翼航空電磁系統(tǒng)受到的沖擊，基于直升機(jī)平臺(tái)的航空電磁系統(tǒng)得到迅速發(fā)展，很多新的直升機(jī)航空電磁系統(tǒng)研發(fā)成功.1982年，Questor公司成功研發(fā)直升機(jī)INPUT系統(tǒng)，以期在地形復(fù)雜地區(qū)獲得好的飛行數(shù)據(jù)；加州大學(xué)伯克利分校成功研發(fā)UNICOIL直升機(jī)系統(tǒng)(UNICOIL cryogenic helicopter system).該系統(tǒng)采用超導(dǎo)UNICOIL作為發(fā)射和接收線圈，工作頻率為40 Hz，具有較大的探測深度.然而，該系統(tǒng)由于需要大量液氦而飛機(jī)存儲(chǔ)空間有限，缺乏實(shí)用價(jià)值.到20世紀(jì)90年代，航空電磁系統(tǒng)主要發(fā)展方向?yàn)椋?)多頻、高分辨率的直升機(jī)吊艙系統(tǒng)；2)低頻固定翼時(shí)間域系統(tǒng).

經(jīng)歷了航空電磁勘查技術(shù)的蕭條，20世紀(jì)90年代礦產(chǎn)資源勘探開始回暖，給航空電磁帶來了新活力.固定翼時(shí)間域航空電磁系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了三分量接收、可選擇發(fā)射波形寬度和頻率、接收B和dB/dt信號(hào)等功能；而直升機(jī)吊艙式頻率域系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了多頻發(fā)射和接收，且發(fā)射和接收線圈多安裝在6～9 m的吊艙中.其中，90年代早期，World Geoscience開發(fā)了SALTMAP系統(tǒng).該系統(tǒng)是第一個(gè)專門為近地表電阻率成像而設(shè)計(jì)的固定翼時(shí)間域航電系統(tǒng).同時(shí)，Geotech公司引入HUMMING BIRD 直升機(jī)航電系統(tǒng).該系統(tǒng)發(fā)射和接收線圈安裝在4.5 m的吊艙中，以增加系統(tǒng)的靈活性；而Elliott Geophysics International 公司研發(fā)出一種新型半航空系統(tǒng)FLAIRTEM.該系統(tǒng)本質(zhì)上是TURAIR系統(tǒng)的時(shí)間域版本.90年代晚期，航空電磁系統(tǒng)研發(fā)如雨后春筍般蓬勃興起.其中，直升機(jī)系統(tǒng)包括1997年研發(fā)成功的Anglo ExplorHEM、 AERODAT HELITEM和HELI QUESTEM等，1998年研發(fā)成功的THEM和DIGHEM RES BIRD，1999年研發(fā)成功的AeroTEM、 NewTEM和SIAL PHOENIX等；固定翼系統(tǒng)包括1997年研發(fā)成功的GEOTEM， 1998年研發(fā)成功的MEGATEM和QUESTEM，1999年研發(fā)成功的GEOTECH HAWK系統(tǒng)(Thomson et al., 2007).

進(jìn)入21世紀(jì)，人們對(duì)航空電磁系統(tǒng)和勘查技術(shù)提出了更高要求.固定翼系統(tǒng)主要朝著具有更大發(fā)射功率和勘探深度的方向發(fā)展，而直升機(jī)系統(tǒng)主要朝著多線圈、寬頻帶、高分辨率和高精度方向發(fā)展.在此期間研發(fā)的航空電磁系統(tǒng)是目前各航空地球物理公司應(yīng)用的主力軍(表1)，主要有Fugro公司2001年研發(fā)的時(shí)間域固定翼MEGATEM II系統(tǒng)和2002年的頻率域直升機(jī)吊艙系統(tǒng)RESOLVE，2005年研發(fā)的時(shí)間域直升機(jī)吊艙系統(tǒng)HeliGEOTEM和2008年研發(fā)的HeliTEM系統(tǒng)； Geotech公司2004年研發(fā)的時(shí)間域直升機(jī)吊艙系統(tǒng)VTEM； Aeroquest公司2003年研發(fā)的時(shí)間域直升機(jī)吊艙系統(tǒng)AeroTEM，SkyTEM Surveys公司2003年研發(fā)的系列時(shí)間域直升機(jī)吊艙系統(tǒng)SkyTEM(Thomson et al., 2007).這些系統(tǒng)各具特色，承擔(dān)了全球超過90%航空地球物理勘查任務(wù).

3.2 國際主要航空電磁勘探公司

目前，國際上規(guī)模較大的航空電磁勘探公司有：加拿大Fugro(現(xiàn)為CGG)、Geotech、Aeroquest(現(xiàn)已被Geotech收購)和丹麥SkyTEM Surveys公司.

表1 直升機(jī)和固定翼航空電磁系統(tǒng)研發(fā)歷史(參考Thomson et al., 2007)
Table 1 Development history of helicopter and fixed wing AEM system (After Thomson et al., 2007)

這些公司擁有強(qiáng)大的技術(shù)實(shí)力和先進(jìn)的勘探設(shè)備，占領(lǐng)了全球航空地球物理勘查市場.

1) CGG公司

CGG公司成立于1931年，現(xiàn)已發(fā)展成為世界領(lǐng)先的地球物理勘探公司之一.2013年，CGG Veritas收購了Fugro的地球科學(xué)部.航空地球物理勘探是CGG提供的全球技術(shù)服務(wù)之一.該公司擁有的航空電磁系統(tǒng)包括DIGHEM、RESOLVE、GEOTEM、MEGATEM、HeliGEOTEM、HeliTEM、MULTIIMPULSE等.這些系統(tǒng)涵蓋了直升機(jī)和固定翼、時(shí)間域和頻率域等，使CGG公司能夠出色地完成各種地質(zhì)條件和目標(biāo)的勘探任務(wù).

DIGHEM和RESOLVE是全數(shù)字頻率域直升機(jī)系統(tǒng)，能夠提供先進(jìn)的校準(zhǔn)技術(shù)、較小的零漂、較低噪聲水平以及實(shí)時(shí)信號(hào)處理技術(shù).DIGHEM系統(tǒng)擁有三對(duì)水平共面和兩對(duì)直立共軸線圈、頻率覆蓋范圍大(900～56 kHz)，確保了該系統(tǒng)對(duì)地質(zhì)體有很大的靈敏度，適用于較淺目標(biāo)體勘查(<120 m)，主要用于勘探淺部礦產(chǎn)資源、環(huán)境工程、地下水、海侵和極地研究等.RESOLVE系統(tǒng)包含五對(duì)水平共面(頻率400～140 kHz)和一對(duì)直立共軸線圈(頻率3300 Hz).該系統(tǒng)憑借著較大的頻率覆蓋范圍、較高水平和垂向分辨率、高采樣率和實(shí)時(shí)信號(hào)處理技術(shù)，廣泛應(yīng)用于構(gòu)造填圖、礦產(chǎn)、地?zé)岷偷叵滤Y源勘查.GEOTEM和MAGTEM系統(tǒng)是固定翼時(shí)間域航空電磁系統(tǒng).GEOTEM是裝載于雙引擎固定翼飛機(jī)CASA212上的時(shí)間域電磁勘查系統(tǒng)，發(fā)射磁矩可達(dá)1百萬Am2，發(fā)射基頻可調(diào)，可進(jìn)行寬頻帶on-和off-time多分量觀測(Annan and Lockwood，1991).目前，該系統(tǒng)主要用于金屬礦、金剛石、鈾礦、油氣、地下水和其他地質(zhì)填圖.MEGATEM是基于GEOTEM系統(tǒng)研發(fā)的，采用四引擎固定翼飛機(jī)Dash-7作為飛行平臺(tái)(Smith et al., 2003).其發(fā)射磁矩超過2百萬Am2，是目前世界上發(fā)射功率和勘探深度最大的固定翼航空電磁系統(tǒng).它可進(jìn)行寬頻帶on-和off-time多分量觀測.目前主要用于大測區(qū)深部目標(biāo)勘查.HeliGEOTEM和HeliTEM系統(tǒng)是在GEOTEM基礎(chǔ)上發(fā)展起來的直升機(jī)吊艙式時(shí)間域航電系統(tǒng).HeliGEOTEM匯集了GeoTEM和MEGATEM系統(tǒng)的先進(jìn)技術(shù)，具有更好的靈活性和更高的分辨率(Fountain et al.，2005).HeliTEM系統(tǒng)在HeliGEOTEM基礎(chǔ)上進(jìn)行了較大改進(jìn).首先，由于采用銅線代替鋁管作為發(fā)射線圈，減輕發(fā)射線圈重量，增加發(fā)射磁矩，已達(dá)2百萬Am2；其次，由于將多分量接收機(jī)直接置于發(fā)射線圈上方(HeliGEOTEM系統(tǒng)采用獨(dú)立吊艙)，增加了系統(tǒng)對(duì)地下導(dǎo)電介質(zhì)的靈敏度；最后，HeliTEM系統(tǒng)可進(jìn)行寬頻帶on-和off-time多分量觀測.由于結(jié)合直升機(jī)系統(tǒng)的高橫向分辨率和時(shí)間域系統(tǒng)大發(fā)射功率和大勘探深度的優(yōu)點(diǎn)，目前該系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于礦產(chǎn)、油氣、地下水資源勘查和構(gòu)造填圖.由于所有CGG時(shí)間域航空電磁系統(tǒng)均采用三分量接收，采集到的二次場數(shù)據(jù)具有很低的噪聲水平，使得這些系統(tǒng)具有很高的探測靈敏度和很大的勘探深度.MULTIPULSE時(shí)間域航空電磁系統(tǒng)是由CGG現(xiàn)有的時(shí)間域電磁系統(tǒng)改進(jìn)而成，可以使用直升機(jī)或固定翼兩種飛行平臺(tái).該系統(tǒng)通過在前端先發(fā)射一個(gè)高能量的半正弦波，在末端再發(fā)射一個(gè)快速關(guān)斷的方波或梯形波，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)既能有很大的勘探深度，有利于深部目標(biāo)體探測，又具有較高的近地表分辨率的特點(diǎn)(Chen et al.，2014).

基于眾多優(yōu)良的航空電磁勘探系統(tǒng)，CGG在全球范圍內(nèi)出色完成了各種航空電磁勘探任務(wù).在非洲南部, CGG公司使用DIGHTEM對(duì)煤田進(jìn)行了勘查.2012年CGG公司使用HeliTEM在加拿大的Lalor湖對(duì)火山成因的硫化物礦床進(jìn)行了勘探(Yang and Oldenburg，2013).在加拿大，該公司使用MULTIPULSE系統(tǒng)對(duì)Athabasca油砂進(jìn)行了勘探.在Texas州西部，MEGATEM II系統(tǒng)被用于調(diào)查地下水鹽化度(Paine and Collins，2003).在德國北部海岸，RESOLVE系統(tǒng)對(duì)海侵情況進(jìn)行了調(diào)查(Wiederhold et al.，2010).在澳大利亞西部，GEOTEM DEEP系統(tǒng)被用于鎳礦勘查(Wolfgram and Golden，2001).此外，CGG公司的航空電磁系統(tǒng)在尋找金礦、鈾礦及環(huán)境和工程勘探方面都取得較好的應(yīng)用效果.

2) Geotech公司

Geotech公司已有超過三十年的發(fā)展歷史.過去三十年中，Geotech在不斷完善已有的系統(tǒng)基礎(chǔ)上，積極開發(fā)新系統(tǒng)以提高服務(wù)質(zhì)量.1982年，Geotech開發(fā)了四頻直升機(jī)航電系統(tǒng)，并在加拿大內(nèi)陸水域進(jìn)行勘探飛行；1983年，Geotech開發(fā)了第一個(gè)海水探測系統(tǒng)，并完成了NORDA水深勘查項(xiàng)目；1985年，Geotech開發(fā)了直升機(jī)航電系統(tǒng)，并于1987年為CRREL在阿拉斯加完成了冰層厚度勘查；1992年，Geotech開發(fā)了輕量級(jí)多頻數(shù)字式直升機(jī)航電系統(tǒng)；1998年，Geotech開發(fā)了可現(xiàn)場編程多頻固定翼航電系統(tǒng)；2000年，Geotech開發(fā)了全數(shù)字被動(dòng)源電磁勘探系統(tǒng)；2002年，Geotech開發(fā)了全數(shù)字時(shí)間域航空電磁系統(tǒng)VTEM(Witherly et al.，2004)；2006年，Geotech使用ZTEM系統(tǒng)進(jìn)行首次地球物理勘查飛行；2007年，Geotech第一次使用ZTEM系統(tǒng)進(jìn)行商業(yè)性礦產(chǎn)勘查(Witherly and Sattel，2013)；2010年，該公司研發(fā)了固定翼ZTEM系統(tǒng)——FWZTEM.

Geotech公司提供的航空電磁勘查服務(wù)主要基于他們的VTEM系統(tǒng)(多功能時(shí)域電磁系統(tǒng))和ZTEM系統(tǒng).VTEM系統(tǒng)采用共中心、垂直偶極收發(fā)裝置以產(chǎn)生對(duì)稱的系統(tǒng)響應(yīng)(Witherly et al., 2004).這種收發(fā)裝置確保任何不對(duì)稱電磁響應(yīng)都是由地下異常體產(chǎn)生的，而非系統(tǒng)傾斜或是飛行方向?qū)е碌?，從而使辨別異常體位置和分析電磁數(shù)據(jù)更加容易.此外，VTEM系統(tǒng)采用了低噪聲接收線圈和大功率發(fā)射線圈，使得該系統(tǒng)具有很低的噪聲水平.由于具有以上優(yōu)點(diǎn)，VTEM系統(tǒng)深受顧客的青睞，到目前為止該系統(tǒng)已經(jīng)飛行超過200萬測線公里.ZTEM系統(tǒng)是在AFMAG系統(tǒng)基礎(chǔ)上研發(fā)的頻率域電磁勘查系統(tǒng).該系統(tǒng)可以搭載在直升機(jī)或固定翼兩種飛行平臺(tái)上.與其他商業(yè)電磁系統(tǒng)不同，該系統(tǒng)使用電離層電流或自然界產(chǎn)生的25～720 Hz的雷電信號(hào)作為激發(fā)場源(Witherly and Sattel, 2012).由于采用了特制的接收裝置和先進(jìn)的信號(hào)處理技術(shù)，該系統(tǒng)擁有較低的噪聲、較高的分辨率和較大的勘探深度.ZTEM在過去四年時(shí)間里完成了超過25萬公里的勘探任務(wù).

利用VTEM和ZTEM系統(tǒng)，Geotech公司在全球完成了很多勘查任務(wù)(Witherly et al., 2004; Witherly and Sattel, 2012, 2013; Kaminski and Oldenburg, 2012).在坦桑尼亞Victoria地區(qū)，Geotech公司使用VTEM系統(tǒng)對(duì)金礦進(jìn)行了勘查；在North Arizona，該系統(tǒng)被用于對(duì)老鈾礦區(qū)勘查；在加拿大Québec省，該系統(tǒng)被用于對(duì)Caber礦床進(jìn)行勘查.在加拿大的Saskatchewan，Geotech公司使用ZTEM對(duì)鈾礦進(jìn)行了勘查；在Nevada東南部，該系統(tǒng)被用于對(duì)金銀礦床進(jìn)行勘查；2007年在加拿大安大略省，該系統(tǒng)被應(yīng)用于PGM-Cu-Ni礦藏勘探.

3) Aeroquest公司

Aeroquest航空地球物理公司曾經(jīng)擁有包括十架固定翼飛機(jī)和超過十套時(shí)間域航電系統(tǒng).憑借其全球業(yè)務(wù)能力，Aeroquest在世界各地尋找礦產(chǎn)和油氣資源，提供準(zhǔn)確的近地表成像結(jié)果.Aeroquest公司的時(shí)間域航空電磁勘探主要基于他們的直升機(jī)AeroTEM系統(tǒng)，該系統(tǒng)在全球范圍內(nèi)完成超過50萬測線公里的飛行觀測.通過不斷完善自己的系統(tǒng)，Aeroquest已經(jīng)開發(fā)了三代AeroTEM航電系統(tǒng)(AeroTEM II，AeroTEM IV，AeroTEM HD).AeroTEM系統(tǒng)具有以下特色：采用了聚焦footprint技術(shù)，可以提供地下導(dǎo)體的電性特征信息，圈定異常體范圍；能夠采集on-time和早期off-time數(shù)據(jù)，滿足弱導(dǎo)電地質(zhì)體勘探和電導(dǎo)率成像的需求；擁有大功率發(fā)射(在30 Hz時(shí)可達(dá)到1百萬Am2)，接收信號(hào)具有較高的信噪比，保證了較大的勘探深度(勘探深度可以達(dá)到500 m)；同時(shí)記錄X和Z分量數(shù)據(jù)，對(duì)垂直地質(zhì)體十分敏感.基于以上優(yōu)勢，AeroTEM時(shí)間域航空電磁系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于金屬礦和金剛石勘查、油砂、地下水調(diào)查等方面(Balch et al., 2003).

Aeroquest公司的頻率域航空電磁系統(tǒng)包括Impulse和GEM2A.系統(tǒng)具有如下特色：發(fā)射信號(hào)頻帶較寬(330～96 kHz)，具有很好的電導(dǎo)率成像功能，對(duì)弱導(dǎo)電性地質(zhì)體具有很高的探測靈敏度，勘探深度可達(dá)100 m.Aeroquest公司頻率域航空電磁勘探系統(tǒng)可提供視電阻率和視深度計(jì)算、離散電磁異常體篩選與分級(jí)、電磁異常體的數(shù)值模擬及系列成像產(chǎn)品、頻率域響應(yīng)譜分析等.Aeroquest頻率域航空電磁系統(tǒng)被成功應(yīng)用于金屬礦和金剛石勘探、覆蓋層厚度、地下管網(wǎng)、地質(zhì)填圖和工程勘察等.Aeroquest公司于2012年被Geotech公司收購.

4) SkyTEM Surveys公司

SkyTEM Surveys是國際領(lǐng)先的航空地球物理公司之一.該公司可以采集時(shí)間域電磁、磁和放射性數(shù)據(jù)(radiometric)，并提供先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理技術(shù).SkyTEM能夠?yàn)榭蛻籼峁┎煌南到y(tǒng)選擇.每一個(gè)系統(tǒng)都具有不同的特點(diǎn)，可以滿足不同勘查需求.SkyTEM的勘查系統(tǒng)主要有SkyTEM101、SkyTEM302、SkyTEM304、SkyTEM508、SkyTEM512.SkyTEM101系統(tǒng)專為近地表(50～120 m)電阻率精確成像設(shè)計(jì).該系統(tǒng)采用了符合空氣動(dòng)力學(xué)的框架作為載體，降低了系統(tǒng)的振動(dòng)噪聲，可以采集off-time的超早期無偏差(bias-free data)數(shù)據(jù)(斷電后3 μs)，從而得到近地表高分辨率解釋結(jié)果. SkyTEM302系統(tǒng)是針對(duì)埋深150～200 m的地質(zhì)體成像設(shè)計(jì)的.由于具有快速的關(guān)斷時(shí)間(4 μs)、較低的噪聲水平及超早期時(shí)間道數(shù)據(jù)記錄，SkyTEM302是解決近地表問題、高阻地層問題的理想選擇.SkyTEM304從2004年已成功應(yīng)用于地下水、礦產(chǎn)資源、油氣勘探以及巖土工程等領(lǐng)域.該系統(tǒng)最初配置了X和Z分量電磁接收線圈.2007年，系統(tǒng)進(jìn)行了更新升級(jí)，添加了與發(fā)射機(jī)同步的總磁場觀測技術(shù).該系統(tǒng)把所有的傳感器安置在承載框架上，使得這些傳感器與地表距離較近，從而確保了采集的數(shù)據(jù)具有較高的精度.SkyTEM508系統(tǒng)的開發(fā)旨在獲得具有較高信噪比的晚期道數(shù)據(jù).該系統(tǒng)與SkyTEM304在傳感器安置方面采取了相同措施，確保了采集的數(shù)據(jù)具有較高精度.該系統(tǒng)可以在飛行過程中進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)置，在35 ms的時(shí)間道仍然可以采集高質(zhì)量off-time數(shù)據(jù).SkyTEM512是SkyTEM開發(fā)的深部航空電磁探測系統(tǒng).由于擁有750000 Am2的發(fā)射磁矩，該系統(tǒng)的勘探深度可達(dá)500 m.此外，該系統(tǒng)采用獨(dú)特的安置在剛性框架上的零耦合接收線圈，使其具有較高的信噪比，從而進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的勘探深度和分辨率.

3.3 國內(nèi)航空電磁發(fā)展現(xiàn)狀

我國航空電磁系統(tǒng)的發(fā)展起步較早，然而由于歷史原因目前技術(shù)還極不成熟.從20世紀(jì)50年代末開始，原地礦部物化探所開始研制長導(dǎo)線半航空電磁探測儀器，后轉(zhuǎn)入硬支架頻率域航電系統(tǒng).1970—1974年，國土資源部航空物探遙感中心(原航空物探大隊(duì))開展過天電系統(tǒng)的研制，因空難事故中止；1976—1983年原長春地質(zhì)學(xué)院開展過固定翼時(shí)域(M-1)系統(tǒng)的研制和試飛，并在黑龍江物探隊(duì)和湖北航空物探隊(duì)?wèi)?yīng)用于生產(chǎn)飛行；1976年北京地質(zhì)儀器廠開展直升機(jī)時(shí)間域航電系統(tǒng)研制；1974—1980年，桂林冶金地質(zhì)研究所開展直升機(jī)時(shí)間域系統(tǒng)研制；1981—1983年原長春地質(zhì)學(xué)院在對(duì)M-1系統(tǒng)改進(jìn)基礎(chǔ)上研制M-2型固定翼時(shí)間域系統(tǒng)，由于缺少經(jīng)費(fèi)中途停止.20世紀(jì)90年代，由于地質(zhì)行業(yè)經(jīng)歷了轉(zhuǎn)型和不景氣，航空地球物理，特別是航空電磁勘查系統(tǒng)和技術(shù)研發(fā)處于停滯狀態(tài).進(jìn)入21世紀(jì)，隨著國家經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展和對(duì)能源和礦產(chǎn)資源的需求激增，地質(zhì)行業(yè)迎來春天！航空地球物理電磁勘查技術(shù)和儀器系統(tǒng)研發(fā)再度受到相關(guān)部門的高度重視.目前國內(nèi)自主研發(fā)的系統(tǒng)主要包括中國地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查所研發(fā)的固定翼三頻航空電磁系統(tǒng)HDY-402和國土資源航空物探遙感中心研發(fā)的CHTEM時(shí)間域直升機(jī)航空電磁勘查系統(tǒng).HDY-402系統(tǒng)采用直立共面發(fā)射和接收裝置，收發(fā)距為19.2 m，工作頻率為463 Hz、1563 Hz和8333 Hz，最大采樣率8次/秒，噪聲水平<20 ppm，零漂小于100 ppm/小時(shí)，勘探深度為100 m.由于受飛行高度影響，信號(hào)較弱，該系統(tǒng)應(yīng)用受到限制，主要用于淺部礦產(chǎn)和水資源勘查.相比之下，我國自主研發(fā)的時(shí)間域航空電磁系統(tǒng)由于技術(shù)原因，發(fā)射功率較小(～28萬Am2)，目前未能在我國礦產(chǎn)資源勘查中獲得應(yīng)用.近年，國內(nèi)相關(guān)單位從國外引進(jìn)航電系統(tǒng)，主要有中國冶金地質(zhì)局從加拿大引進(jìn)的TS150系統(tǒng)和中國科學(xué)院電子所從俄羅斯引進(jìn)的Impulse_A5系統(tǒng).TS150時(shí)間域直升機(jī)系統(tǒng)最高發(fā)射偶極矩為155000 Am2，可以記錄全波形B和dB/dt，基頻25～150 Hz，可多分量數(shù)據(jù)采集.Impulse_A5時(shí)間域直升機(jī)系統(tǒng)最大發(fā)射磁矩1.6×105Am2，發(fā)射基頻為25 Hz和75 Hz，懸掛裝置距離地表高度30～50 m，最大勘探深度可達(dá)400 m.另外，航遙中心還曾于2010—2011年間從加拿大Aeroquest公司引進(jìn)AeroTEM-IV時(shí)間域航電系統(tǒng)，然而由于該系統(tǒng)發(fā)射磁矩小(<40萬Am2)，勘探深度淺，至今未能在我國礦產(chǎn)資源勘查中發(fā)揮作用.

我國航空電磁勘探的另一個(gè)途徑是利用國外地球物理公司提供的飛行觀測服務(wù).這種途徑由于造價(jià)過于昂貴使用不多.國內(nèi)有少數(shù)單位目前從事半航空電磁勘查技術(shù)和系統(tǒng)研發(fā)，然而，由于該技術(shù)發(fā)射源與接收機(jī)距離較遠(yuǎn)，存在嚴(yán)重的體積效應(yīng)，喪失了常規(guī)航空電磁勘查系統(tǒng)的緊湊性(compact)和高目標(biāo)分辨率的特點(diǎn)，可以預(yù)計(jì)該系統(tǒng)在我國礦產(chǎn)資源勘查中將不會(huì)發(fā)揮太大作用.

航空電磁具有很長的發(fā)展歷史，國際上的航空電磁勘查系統(tǒng)相當(dāng)完善，技術(shù)已經(jīng)十分成熟.然而，我國的航空電磁勘查系統(tǒng)的研發(fā)還處于起步階段，尚未成功研發(fā)出能夠用于地形復(fù)雜地區(qū)和深部礦產(chǎn)資源勘查的航空電磁探測系統(tǒng).為了滿足我國深部和廣大地形復(fù)雜地區(qū)找礦的需求，迫切需要研發(fā)適合我國地形地質(zhì)條件的航空電磁系統(tǒng).

4 航空電磁正反演理論

4.1 航空電磁一維正演模擬

頻率域航空電磁法中常用的觀測裝置包括水平共面(HCP)和垂直共軸(VCA).根據(jù)Yin和Hodges(2007)及Yin 等(2014)，HCP裝置的磁場垂直分量為

(1)

而對(duì)于VCA裝置，x方向的水平磁場分量為

(2)

為計(jì)算時(shí)間域航空電磁響應(yīng)，通常采用將頻率域航空電磁響應(yīng)轉(zhuǎn)換到時(shí)間域的方法.根據(jù)牛之璉(2007)，利用傅里葉變換可以得到時(shí)間域響應(yīng)

(3)

式中H(ω)是頻率域響應(yīng).(3)式可轉(zhuǎn)化為貝塞爾函數(shù)積分，并可利用漢克爾變換進(jìn)行計(jì)算.殷長春等(2013)對(duì)航空電磁一維正演進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，而殷長春等(2015)對(duì)航空電磁探測能力進(jìn)行了研究.

4.2 航空電磁二、三維正演方法

航空電磁二、三維正演方法主要包括有限元法、有限差分法、積分方程法.有限差分法由于方法簡單易于實(shí)現(xiàn)，在電磁正演計(jì)算中應(yīng)用較為廣泛(Newman and Alumbaugh, 1995; Streich，2009；Liu and Yin，2013，2014), 但該方法目前只能采用規(guī)則矩形/六面體網(wǎng)格對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行剖分，無法精確擬合地形和復(fù)雜異常體邊界(Sasaki and Nakazato, 2003).有限元法既可使用規(guī)則矩形/六面體網(wǎng)格對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行剖分(Sugeng, 1998；王若等，2006)，又可使用不規(guī)則的三角形/四面體網(wǎng)格對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行剖分 (Key and Weiss, 2006; Ren et al., 2013)，因此可以更好地適用于復(fù)雜模型的模擬.隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，有限單元法在電磁正演模擬中得到了廣泛的應(yīng)用，正逐漸成為一種高效、通用的正演模擬手段.積分方程法也是一種常用的電磁響應(yīng)模擬手段(Farquharson and Oldenburg,2002；Abubakar et al.,2006；Kamm and Pedersen,2014).然而，該方法最終形成的求解矩陣是密實(shí)的，占用內(nèi)存過大，只可用于簡單模型電磁響應(yīng)的正演模擬.航空電磁系統(tǒng)具有多源性特征，計(jì)算每一個(gè)測點(diǎn)的正演響應(yīng)都需要求解一次方程.傳統(tǒng)的迭代求解大型線性方程組方法對(duì)每個(gè)測點(diǎn)需要單獨(dú)求解，計(jì)算效率很低.多波前分解算法只需進(jìn)行一次分解即可通過改變右端源項(xiàng)求解出所有測點(diǎn)的響應(yīng)，大幅度提高正演計(jì)算效率，能夠滿足航空電磁正演模擬的需求.

4.3 航空電磁數(shù)據(jù)處理

航空電磁在野外實(shí)際勘探時(shí)，由于受到大氣流、雷電、飛機(jī)自身振動(dòng)及速度不穩(wěn)定等因素的影響，測量數(shù)據(jù)包含大量噪聲.而對(duì)數(shù)據(jù)成像和反演有意義的是強(qiáng)度較弱的二次場信號(hào)，很小的噪聲對(duì)反演結(jié)果會(huì)產(chǎn)生很大影響.此外，隨著儀器科學(xué)的發(fā)展，航空電磁系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了多通道密集采樣，這在提高航空電磁勘探精度的同時(shí)，也使航空電磁數(shù)據(jù)量變得非常龐大，數(shù)據(jù)解釋成本極大提高.因此，通過數(shù)據(jù)預(yù)處理及處理技術(shù)，提高信噪比、改善數(shù)據(jù)質(zhì)量、同時(shí)適當(dāng)精簡數(shù)據(jù)量，對(duì)航空電磁成像與反演解釋有重要意義.通常航空電磁數(shù)據(jù)預(yù)處理包括天電和運(yùn)動(dòng)噪聲去除、疊加和抽道等，而數(shù)據(jù)處理包括姿態(tài)校正、濾波和調(diào)平等.

天電是指在大氣層中存在大量的帶電電荷，由于雷電作用，這些電荷通過放電產(chǎn)生電磁輻射，然后經(jīng)過空氣和地面進(jìn)行傳播.天電噪聲具有頻率高、幅值大的特點(diǎn)，在測量數(shù)據(jù)上表現(xiàn)出數(shù)據(jù)發(fā)生突跳.天電去除可采用Alpha-trim濾波實(shí)現(xiàn).

運(yùn)動(dòng)噪聲是飛機(jī)在飛行過程中，由于機(jī)身振動(dòng)、飛機(jī)速度不均勻、以及大氣氣流變化等原因引起發(fā)射與接收線圈振動(dòng)而產(chǎn)生的噪聲.去除系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)噪聲主要采用陷波法及拉格朗日最優(yōu)化算法.

航空電磁系統(tǒng)在飛行過程中數(shù)據(jù)采集非常密集.如果在后續(xù)數(shù)據(jù)處理時(shí)對(duì)全部數(shù)據(jù)進(jìn)行處理會(huì)花費(fèi)很多時(shí)間.通過疊加和抽道，可以大幅度降低數(shù)據(jù)量，同時(shí)提高數(shù)據(jù)的信噪比.疊加通常是通過對(duì)設(shè)定窗口內(nèi)數(shù)據(jù)加權(quán)平均獲得，而數(shù)據(jù)在疊加后可按一定的時(shí)間完成抽道.

航空電磁數(shù)據(jù)采集過程中，發(fā)射和接收線圈由于受到氣候環(huán)境和飛行條件等因素的影響會(huì)發(fā)生擺動(dòng)(Roll)、俯仰(Pitch)和旋轉(zhuǎn)(Yaw).這種線圈姿態(tài)的變化會(huì)對(duì)采集數(shù)據(jù)產(chǎn)生強(qiáng)烈的影響 (Fitterman and Yin，2004).為此，人們在采集數(shù)據(jù)時(shí)通常也記錄航空電磁系統(tǒng)的姿態(tài).Yin和Fraser(2004b)對(duì)姿態(tài)效應(yīng)的研究發(fā)現(xiàn)：根據(jù)系統(tǒng)姿態(tài)特征可計(jì)算出姿態(tài)校正因子，姿態(tài)效應(yīng)校正量可利用觀測值與校正因子的比值求得.王琦等(2013)、曲昕馨等(2014)在Yin和Fraser(2004b)研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了航空電磁系統(tǒng)姿態(tài)效應(yīng)和位移效應(yīng)的綜合校正算法.

航空數(shù)據(jù)調(diào)平的主要目的是消除由于物理環(huán)境變化造成的系統(tǒng)誤差.在成像圖中零漂偏移表現(xiàn)為塊狀或者條帶狀分布，通過調(diào)平可以校正這些數(shù)據(jù)誤差.常用的調(diào)平方法包括條件濾波法、自動(dòng)調(diào)平法、二維移動(dòng)平均濾波自動(dòng)調(diào)平方法以及基于線與線的航空頻率域測量數(shù)據(jù)相關(guān)性的調(diào)平方法(Huang and Fraser，1999；李文杰，2007；Huang, 2008).4.4 航空電磁數(shù)據(jù)成像與反演解釋

航空電磁反演和成像可從航空電磁數(shù)據(jù)中獲得地下電性分布信息.航空電磁數(shù)據(jù)成像本質(zhì)上不是反演，它是把電磁觀測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為某些中間參數(shù)，如視電導(dǎo)率和視深度等.這些參數(shù)表征地下介質(zhì)主要電性分布特征.由于沒有數(shù)據(jù)擬合，無需傳統(tǒng)反演算法的最優(yōu)化過程.成像算法速度快，能從海量航空電磁數(shù)據(jù)中提取出地下主要電性信息，適用于現(xiàn)場快速數(shù)據(jù)處理；同時(shí)它也可為復(fù)雜的航空電磁反演提供初始模型.頻率域常用的成像算法包括Sengpiel Section (Sengpiel，1988)和微分電阻率法 (Huang and Fraser，1996)；而時(shí)間域成像算法包括查表法、 CDI/CDT、EMFlow (Wolfgram and Karlik, 1995; Macnae et al., 1998) 等.

航空電磁數(shù)據(jù)反演是采用非線性最優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)擬合.其計(jì)算速度比成像慢，但能夠提供更為準(zhǔn)確的地電結(jié)構(gòu)信息.航空電磁數(shù)據(jù)反演是通過不斷改變地下模型參數(shù)來減小模型響應(yīng)與實(shí)測數(shù)據(jù)的擬合差，當(dāng)擬合差足夠小時(shí)，得到的模型即可認(rèn)為是反映地下介質(zhì)電性分布的最佳模型.航空電磁數(shù)據(jù)反演分為一維反演和多維反演，一維反演速度快、技術(shù)成熟，在實(shí)際生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用；多維反演雖然能夠提供更為精細(xì)的地下介質(zhì)分布信息，但由于計(jì)算速度慢等原因，目前還處于理論研究階段，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用較少.從搜索方法上說，航空電磁數(shù)據(jù)反演分為下降搜索和全球最小搜索法.下降搜索法主要是通過假設(shè)初始模型，在下降方向搜索新模型，以實(shí)現(xiàn)理論模型和實(shí)測數(shù)據(jù)的最優(yōu)擬合.由于采用下降搜索，反演迭代過程和反演結(jié)果與初始模型關(guān)系密切.當(dāng)初始模型選擇合適時(shí)(離真實(shí)模型較近)，則反演很快收斂，反之當(dāng)初始模型離真實(shí)模型較遠(yuǎn)時(shí)，反演迭代容易陷于局部極小值.下降搜索法包括Marquardt(范翠松，2013)方法，LCI(Auken et al.，2000；Siemon，2009；蔡晶等，2014)，非線性共軛梯度 (Rodi and Mackie, 2001; Kelbert et al., 2008)，高斯-牛頓 (Daniel, 1973; Jin, 2008)等方法.全球最小搜索法通常先假設(shè)初始模型，并按一定規(guī)則搜索新模型，當(dāng)模型結(jié)果和數(shù)據(jù)的擬合差下降時(shí)，則該模型被無條件接受，反之則附加一定條件(比如概率)予以接受.因此，反演迭代過程既可下降搜索，又容許一定程度的上升搜索.如此，反演模型在迭代過程中可以跳出局部極小值，達(dá)到全球極小值.全球極小搜索法與初始模型關(guān)系很小.該方法包括模擬金屬淬火Simulated Annealing(Yin and Hodges，2007)，Bayesian等算法(殷長春等，2014).

目前處理航空電磁二、三維反演問題常用的方法包括高斯牛頓方法(GN)、擬牛頓方法(QN)和非線性共軛梯度方法(NLCG).GN算法通常利用預(yù)處理的共軛梯度算法求解反演方程，每次的共軛梯度迭代中需要兩次額外的伴隨正演來計(jì)算靈敏度矩陣與向量的乘積.L-BFGS(標(biāo)準(zhǔn)的QN方法)和NLCG每次迭代都只需要計(jì)算一次梯度，即只需一次正演和一次伴隨正演.與GN方法相比，L-BFGS和NLCG每次迭代需要的計(jì)算量小，但收斂速度較慢(劉云鶴和殷長春，2013).GN方法由于需要精確計(jì)算海森矩陣，且在進(jìn)行伴隨正演過程中需要存儲(chǔ)每個(gè)源的全域解向量，因此不適合多源發(fā)射的電磁反演.相比之下，L-BFGS和NLCG方法可利用近似方法計(jì)算海森矩陣，在確定搜索方向后僅需計(jì)算搜索步長即可得到模型更新量，在航空電磁二、三維反演中得到了廣泛的應(yīng)用.

航空電磁數(shù)據(jù)具有多源性和緊湊性的特點(diǎn)，為加快反演速度，直接分解求解方程和footprint等技術(shù)被應(yīng)用于航空電磁反演中.直接分解求解方程算法在模型不變而僅右端源項(xiàng)變化的情況下能一次性求解多個(gè)源對(duì)應(yīng)的響應(yīng)，大幅度提高多源問題的正演和伴隨正演速度，進(jìn)而提高反演效率.由于航空電磁系統(tǒng)的影響范圍(footprint)較小，我們在對(duì)航空電磁數(shù)據(jù)進(jìn)行反演時(shí)可以將一個(gè)大的區(qū)域劃分成很多個(gè)小的區(qū)域分別進(jìn)行反演，從而減小反演模型的規(guī)模，加快反演速度.

航空電磁數(shù)據(jù)反演應(yīng)遵循由簡單到復(fù)雜的過程，通過利用成像技術(shù)獲得地下電性主要分布特征，并確定初始模型進(jìn)行一維反演獲得地下電性分布的大致信息，最后根據(jù)一維反演結(jié)果確定復(fù)雜模型用于航空電磁數(shù)據(jù)二、三維反演.Yin等(2015)對(duì)航空電磁數(shù)據(jù)反演進(jìn)行了詳細(xì)的介紹和評(píng)述，并給出了大量的模型算例.

5 航空電磁勘查技術(shù)應(yīng)用

航空電磁勘查技術(shù)應(yīng)用十分廣泛，主要包括礦產(chǎn)資源、油氣、環(huán)境與工程、地下水及地?zé)豳Y源勘查等.近年來在考古、核廢料處理和垃圾填埋、海洋地形調(diào)查、極地研究及軍事等方面也逐漸獲得應(yīng)用. 航空電磁勘查技術(shù)分為頻率域和時(shí)間域，機(jī)載平臺(tái)包括直升機(jī)和固定翼系統(tǒng).從20世紀(jì)70年代末，頻率域固定翼航電系統(tǒng)被逐漸淘汰，目前常用的系統(tǒng)主要為時(shí)間域固定翼系統(tǒng)和頻率域/時(shí)間域直升機(jī)系統(tǒng).時(shí)間域固定翼航電系統(tǒng)工作效率高、探測深度大，適合尋找埋藏較深、體積較大的目標(biāo)體，但其分辨率較直升機(jī)系統(tǒng)低.直升機(jī)航電系統(tǒng)分辨率高，但飛行效率低，適合尋找勘探區(qū)較小的目標(biāo)體.

5.1 航空電磁在礦產(chǎn)資源勘查中的應(yīng)用

礦產(chǎn)資源勘查是航空電磁技術(shù)最為廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域.早在1954年，人們使用航空電磁勘查技術(shù)找到了鋅-鉛-銀-銅多金屬礦.1974年，人們使用Mark VI INPUT時(shí)間域航空電磁系統(tǒng)在加拿大魁北克省找到了鋅-銅-銀礦床(Reed，1981).使用的發(fā)射波形為半正弦波，發(fā)射時(shí)間為1.05 ms，接收時(shí)間為2.42 ms，垂直發(fā)射線圈距離地表400 ft，接收線圈拖曳在發(fā)射線圈后320 ft，垂直距離為220 ft.在澳大利亞西部和坦桑尼亞人們使用航空電磁系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)Harmony、Maggie Hays North和Kabanga等三處硫化鎳礦床(Wolfgramand Golden，2001). 其中，Maggie Hays North礦床勘查使用了三個(gè)系統(tǒng)(GEOTEM Deep、QUESTEM 450和TEMPEST)進(jìn)行勘探，系統(tǒng)操作頻率均為25 Hz.QUESTEM數(shù)據(jù)由于氣候原因?qū)е略肼曔^大未能參與解釋，但GEOTEM Deep和TEMPEST系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)給出的結(jié)果基本一致 (Petersand Buck，2000).Harmony和Kabanga礦床的勘查均使用了GEOTEM系統(tǒng)，但Harmony使用的是25 Hz和4 ms發(fā)射信號(hào)，而Kabanga使用的是75 Hz和1 ms發(fā)射信號(hào).除以上應(yīng)用實(shí)例，航空電磁勘查技術(shù)在尋找金礦、鈾礦及金伯利巖(金剛石)等方面都獲得廣泛的應(yīng)用.2000年，F(xiàn)ugro公司使用MEGATEM系統(tǒng)對(duì)Matagami地區(qū)進(jìn)行了飛行觀測.這次觀測直接發(fā)現(xiàn)了Perseverance礦床，并于一個(gè)月后在該礦床附近發(fā)現(xiàn)了Perseverance West和Equinox兩處新礦床.2005年，Geotech公司在Zambia Lusaka 銅金礦利用VTEM系統(tǒng)進(jìn)行航空電磁勘查，數(shù)據(jù)解釋將目標(biāo)礦體沿走向方向延長了4倍.2008年，Geotech公司在加拿大安省Northern Empire金礦進(jìn)行時(shí)間域航空電磁勘查，揭示出位于金礦下部存在的良導(dǎo)體.2007和2010年Geotech公司利用VTEM和ZTEM系統(tǒng)在加拿大安省East Bull Lake礦區(qū)進(jìn)行航空電磁觀測，其中VTEM成功查明位于兩個(gè)成礦帶交叉部位的目標(biāo)體，并經(jīng)鉆探驗(yàn)證；而ZTEM觀測數(shù)據(jù)解釋揭示了礦區(qū)800 m深的構(gòu)造特征.2012年，CGG公司使用HeliTEM在加拿大的Lalor湖對(duì)火山成因的硫化物礦床進(jìn)行了勘探(Yang and Oldenburg，2013).雖然本次勘探目標(biāo)深度超出了傳統(tǒng)航空電磁系統(tǒng)勘探范圍，但HeliTEM由于勘探深度大很好地確定了礦體的異常位置.5.2 航空電磁在油氣勘查中的應(yīng)用

地震方法通過圈定構(gòu)造實(shí)現(xiàn)油氣勘查.然而，地震方法難以確定構(gòu)造中的含油、含水特征，容易導(dǎo)致油氣開發(fā)中的干井問題，浪費(fèi)資金.航空電磁勘探數(shù)據(jù)可以獲得地下介質(zhì)電阻率信息，在確定構(gòu)造前提下能夠進(jìn)一步判斷構(gòu)造中是否儲(chǔ)藏油氣，降低干井率.2008年，Aeroquest公司使用AeroTEM IV平臺(tái)在莫桑比克進(jìn)行了天然氣勘探(Pfaffhuber et al.，2009)，發(fā)射波形為75 Hz的三角波，通電時(shí)間和斷電時(shí)間分別為2.06和6 ms，發(fā)射線圈直徑為12 m，共五匝，接收線圈分別接收水平和垂直磁感應(yīng)分量.該航空電磁勘查項(xiàng)目為解譯測區(qū)構(gòu)造，識(shí)別天然氣運(yùn)移通道提供了重要依據(jù).2004年，F(xiàn)ugro公司使用RESOLVE 直升機(jī)系統(tǒng)在美國蒙大拿州東北部的East Poplar油田進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集和成像(Smith et al.，2006).該系統(tǒng)的吊艙內(nèi)安置了六對(duì)線圈(五對(duì)為水平共面，一對(duì)為直立共軸)，發(fā)射接收頻率范圍為400～14 kHz，傳感器距離地面高度為30 m.該項(xiàng)目數(shù)據(jù)解釋結(jié)果為East Poplar油田區(qū)域地下鹽水分布的精細(xì)刻畫提供了有利技術(shù)參數(shù).

5.3 航空電磁在環(huán)境工程領(lǐng)域的應(yīng)用

航空電磁在環(huán)境工程方面的應(yīng)用主要包括壩基勘測、永凍層和極地冰層研究、地下管網(wǎng)調(diào)查、山體滑坡、海侵及淺海海底地形調(diào)查等.1999年，奧地利Vorarberg州發(fā)生嚴(yán)重的山體滑坡后，管理部門使用Geotech系統(tǒng)對(duì)該地區(qū)進(jìn)行了地球物理勘查(Supper et al., 2008).該系統(tǒng)采用發(fā)射頻率為3200 Hz(共軸裝置)和7190 Hz(共面裝置)，系統(tǒng)同時(shí)還配有一個(gè)激光測高和兩個(gè)GPS裝置.此次勘查為該地區(qū)的山體滑坡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和制定有效的防治措施提供了重要的依據(jù).2003年，人們對(duì)Finland灣和Bothnia灣進(jìn)行了海冰厚度探測(Haas，2004)，使用的裝置為Alfred Wegener研究所開發(fā)的直升機(jī)吊艙系統(tǒng).吊艙長3.5 m，重100 kg，懸掛在直升機(jī)下20 m，距離海面約15 m，系統(tǒng)采用3.6 kHz和112 kHz兩個(gè)操作頻率.數(shù)據(jù)處理結(jié)果表明，本次海冰厚度測量具有較高精度，測量的海冰厚度比已有資料給出的海冰厚度大很多，對(duì)資料更新和分析海冰變化情況具有重要的意義.2006年，SkyTEM公司在Jutland, Denmark西南部海岸進(jìn)行了勘查，其目標(biāo)是了解該地區(qū)海水污染對(duì)民眾生活的影響.該公司使用的SkyTEM系統(tǒng)發(fā)射線圈面積314 m2，最大發(fā)射磁矩120000 Am2，同時(shí)接收X和Z分量數(shù)據(jù).此次勘查通過反演得到了測區(qū)的電阻率剖面，揭示了該區(qū)的海水及地下水的運(yùn)移特征.2008年至2009年，德國萊布尼茲研究所和聯(lián)邦地球科學(xué)與自然資源研究所(BGR)聯(lián)合對(duì)德國北部海岸的沿海含水地層和海侵情況進(jìn)行調(diào)查(Wiederhold et al.，2010).本次調(diào)查采用BGR的頻率域系統(tǒng)RESOLVE和SkyTEM Aps的時(shí)間域系統(tǒng)SkyTEM，勘查結(jié)果揭示了這一區(qū)域淡水和海水的分布特征信息，為了解該地區(qū)海侵情況提供了依據(jù).2010年，F(xiàn)ugro公司使用RESOLVE系統(tǒng)對(duì)阿拉斯加附近Yukon平原的永凍層進(jìn)行了勘查(Minsley et al.，2012).系統(tǒng)的操作頻率400～129 kHz，飛行的平均速度為30 m·s-1，飛行高度為30 m，測線長度共計(jì)900 km，覆蓋面積達(dá)300 km2.勘探數(shù)據(jù)及處理結(jié)果不僅提供了該地區(qū)永凍層的詳細(xì)信息，還揭示了該測區(qū)地下水分布信息.

5.4 航空電磁在地下水資源勘查中的應(yīng)用

地下水通常埋藏較淺，且其電阻率與圍巖有顯著差異.航空電磁法由于對(duì)淺層目標(biāo)體具有很高的分辨率，是地下水資源勘查的理想選擇之一.目前用于地下水勘查的航空電磁系統(tǒng)主要有Fugro的頻域直升機(jī)RESOLVE系統(tǒng)、SkyTEM公司的時(shí)間域直升機(jī)系統(tǒng)等.1998年，SkyTEM Aps使用時(shí)間域電磁系統(tǒng)在馬來西亞Selangor州進(jìn)行了地下水勘探.發(fā)射線圈面積為341 m2，最大發(fā)射偶極矩為150000 Am2，接收線圈接收X和Z分量數(shù)據(jù).此次勘查目的是在該地區(qū)尋找水源并確定打井位置，并為Kuala Lumpur、Putrajaya 和Selangor三個(gè)地區(qū)尋找可持續(xù)的水源.2001年，F(xiàn)ugro公司在美國Texas州西部的EI Paso和Sterling地區(qū)分別進(jìn)行了162和372 km2的地下水鹽化度勘查(Paine and Collins，2003).本次勘查使用的裝置為MEGATEM II系統(tǒng)，飛行高度為120 m，三分量電磁接收器拖曳在發(fā)射線圈后131 m處，距離地面高度75 m，發(fā)射線圈發(fā)射頻率為30 Hz，發(fā)射電流為1330 A的正弦波，發(fā)射偶極矩為2100000 Am2. 此次勘探通過將航空電磁數(shù)據(jù)與地面電磁和井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，摸清Sterling地區(qū)地下水鹽堿化情況，并在EI Paso找到了良好的淡水水源.2005年，F(xiàn)ugro公司使用RESOLVE頻率域航空電磁系統(tǒng)對(duì)Chowilla河漫灘進(jìn)行了地下水礦化調(diào)查(Tan et al.， 2009).吊艙距離地表30 m，使用五對(duì)水平共面(操作頻率為390～132 kHz)和一對(duì)直立共軸線圈對(duì)(操作頻率為3242 Hz).對(duì)該地區(qū)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行電導(dǎo)率成像和反演，揭示地下水鹽化情況和分布信息.2009年，SkyTEM在意大利Venice瀉湖對(duì)地表水、地下水轉(zhuǎn)換情況進(jìn)行了調(diào)查(Viezzoli et al.，2010).使用裝置的發(fā)射偶極矩為200000 Am2，基頻為12.5 Hz，吊艙距離地表30～40 m.這次勘查在陸地和水交界位置采集的航電數(shù)據(jù)為確定地下水鹽化度提供了寶貴的信息，并為了解地表水和地下水之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系提供了技術(shù)參數(shù).5.5 航空電磁在其他領(lǐng)域的應(yīng)用

航空電磁法因其工作效率高、對(duì)惡劣工作條件適應(yīng)性強(qiáng)，因此獲得更廣泛應(yīng)用.其領(lǐng)域已拓寬到農(nóng)業(yè)普查、核電站選址、尋找沉船、古墓探測等.1980年，航空電磁勘探在法國被應(yīng)用于核電站選址(Deletie and Lakshmanan，1986).他們使用的直升機(jī)系統(tǒng)的吊艙長9 m，內(nèi)部含有三個(gè)線圈對(duì)(垂直共面、水平共面、垂直共軸)，工作時(shí)吊艙距離地面高度30 m，工作頻率為375、900、3600和8000 Hz.這次勘查最終在法國找到了7處可供選擇的核電站建造地址.2001年，中國地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)研究所研制的HDY-402三頻航空電磁系統(tǒng)在吉林省乾安地區(qū)開展水資源普查，對(duì)該地區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)地質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià).該系統(tǒng)收發(fā)裝置采用垂直共面線圈對(duì)，收發(fā)距為19.2 m，工作頻率分別為463、1563和8333 Hz，最高采樣頻率為8次/秒，噪聲水平小于20 ppm.本次調(diào)查查明了吉林省乾安地區(qū)土壤鹽漬化，為該區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)的發(fā)展提供技術(shù)參數(shù).

6 結(jié)論與展望

我國現(xiàn)處于經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型和快速發(fā)展時(shí)期，對(duì)礦產(chǎn)資源的需求已經(jīng)成為制約國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素之一.國家近年不斷加大對(duì)礦產(chǎn)資源勘探開發(fā)力度，然而，我國地質(zhì)條件良好地區(qū)的礦產(chǎn)資源勘查工作已基本完成，勘查目標(biāo)已轉(zhuǎn)移到地球深部和廣大西部無人區(qū).航空電磁勘查技術(shù)由于采用飛行平臺(tái)無需地面人員接近，勘查效率高，成本較低，特別適合地形地質(zhì)條件復(fù)雜地區(qū)資源勘查.其應(yīng)用領(lǐng)域涉及到礦產(chǎn)、環(huán)境工程、地下水及地?zé)豳Y源勘查等.因此，大力發(fā)展適應(yīng)于我國復(fù)雜地形地質(zhì)條件的航空電磁系統(tǒng)迫在眉睫.

未來我國航空電磁勘查技術(shù)發(fā)展面臨的技術(shù)難點(diǎn)主要包括：1)大功率多脈沖發(fā)射技術(shù)； 2)多分量大動(dòng)態(tài)范圍電磁接收技術(shù)；3)on-和off-time電磁信號(hào)解釋技術(shù)，提高淺部地表和深部目標(biāo)體探測能力；4)基于物理成因的航空電磁數(shù)據(jù)處理技術(shù)；5)快速三維電磁正、反演技術(shù).通過系統(tǒng)總結(jié)國內(nèi)外航空電磁勘查技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，借鑒國外技術(shù)研究和系統(tǒng)開發(fā)的成功經(jīng)驗(yàn)，以期突破國內(nèi)航空電磁發(fā)展的技術(shù)瓶頸，發(fā)展適合我國特殊地質(zhì)條件的航空電磁勘查技術(shù)和儀器系統(tǒng).

鑒于時(shí)間域和頻率域航空電磁系統(tǒng)各具特色，勘探目標(biāo)和領(lǐng)域各不相同.建議在發(fā)展我國航空電磁勘查技術(shù)過程中同步研發(fā)時(shí)間域和頻率域電磁系統(tǒng).半航空系統(tǒng)由于采用了遠(yuǎn)距離接地發(fā)射，接收信號(hào)存在嚴(yán)重體積效應(yīng)，喪失了航空電磁勘查技術(shù)的高分辨率優(yōu)勢，勘查精度無法與傳統(tǒng)全航空電磁技術(shù)相比，在實(shí)際礦產(chǎn)勘查中無法取代全航空系統(tǒng).無人機(jī)航電系統(tǒng)由于受到飛機(jī)本身特性的制約難以承擔(dān)大規(guī)模的勘探任務(wù).在發(fā)射裝置方面由于無人機(jī)系統(tǒng)承載重量小，導(dǎo)致其發(fā)射功率和勘探深度都十分有限；在數(shù)據(jù)采集方面，無人機(jī)飛行平臺(tái)穩(wěn)定性較差，采集的數(shù)據(jù)難以滿足精細(xì)勘查的要求；而在實(shí)際操作方面，無人機(jī)飛行平臺(tái)氣候適應(yīng)能力差，無法應(yīng)用于地形條件復(fù)雜的地區(qū)，同時(shí)續(xù)航時(shí)間有限.無人機(jī)和半航空電磁勘查系統(tǒng)由于其自身固有的弱點(diǎn)，難以擔(dān)當(dāng)我國礦產(chǎn)資源勘查的主力軍，發(fā)展全航空電磁勘查系統(tǒng)應(yīng)該成為我國航空電磁勘查技術(shù)發(fā)展的主流方向.

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(本文編輯 何燕)

Review on airborne EM technology and developments

YIN Chang-Chun, ZHANG Bo*, LIU Yun-He, REN Xiu-Yan, QI Yan-Fu, PEI Yi-Feng, QIU Chang-Kai, HUANG Xin, HUANG Wei, MIAO Jia-Jia， CAI Jing

CollegeofGeo-explorationSciencesandTechnology,JilinUniversity,Changchun130026,China

As an effective and efficient geophysical tool, airborne EM (AEM) is specifically suitable for the exploration in areas of high mountains, desert, swamp, and forest. With the development of national economy of China, the demand for mineral resources increases sharply, geophysical explorations in areas with favorable geological conditions have been accomplished. The exploration target is switched to areas with unfavorable and complicated geological conditions, such as in Western China. Airborne EM works efficiently due to its moving platform of helicopter or fixed-wing aircraft, no human access is needed to the survey area. This technology is especially applicable for exploration in Western China with rugged mountains and deserts. In this paper, we review AEM technology systematically with the goal to make this technology quickly applicable in the mineral exploration in China.To make a comprehensive review, we introduce the AEM technology in following sequences. We first present basic AEM theory of on/off time, apparent resistivity and depth, footprint, etc. Then, we introduce the developments of AEM technology in Western countries, including CGG/Fugro, Geotech and Aeroquest in Canada, SkyTEM survey in Denmark, and we address specifically the status of this technology in China. Since the modeling and inversions are fundamental for AEM, we present 1D/2D/3D forward theory based on semi-analytical solutions, finite element, finite difference and integral equation methods. For the inversion theory, we follow the rule from simple to complex models by presenting 1D Marquardt, LCI, and 2/3D inversions by GS, NLCG and QN. Finally, we introduce successful applications of AEM technology in mineral, oil & gas, E&E, ground water, and natural hazard forest. We give our suggestions on future development of AEM technology in China.AEM technologies have been well developed in Western countries and are playing very important role in mineral, oil & gas, E&E, ground water explorations. However, AEM has not been well developed in China to the extent of practical use due to the fact that no breakthrough has been made on key technologies. Due to the fact that time-domain and frequency-domain AEM have different features and applications, we suggest to develop AEM technology in both frequency- and time-domain in China. The frequency-domain AEM is used in E&E, ground water exploration, while time-domain AEM is used in mineral, oil & gas in deep earth. Semi-airborne EM has serious problems of volume effect and thus is not recommended. Unmanned aerial vehicle (UAV) has a small load, making it difficult to transmit high-power signal. Besides, UAV doesn′t suit the complex climate and topography, so that it is not recommended, either.To explore the vast area in Western China with rugged mountains, desert, etc., we need to develop geophysical technologies based on moving platforms, like airborne EM. Considering that different AEM systems suit for different exploration targets, both frequency- and time-domain systems need to be developed. Both semi-airborne and UAV are not recommended for airborne EM due to their inherent defects, a full airborne EM technology is the best solution.

Mineral exploration; Airborne EM (AEM); Frequency-domain and time-domain AEM systems; AEM data processing; Imaging and data interpretation

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41274121)和國家青年基金項(xiàng)目(41404093)、國家重大科研裝備研究項(xiàng)目(ZDYZ2012-1-03和20130523MTEM05)、吉林大學(xué)研究生創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(2015053)聯(lián)合資助.

殷長春，男，1965年生，教授，國家“千人計(jì)劃”特聘專家，主要從事電磁勘探理論，特別是航空和海洋電磁方面的研究. E-mail: yinchangchun@jlu.edu.cn

*通訊作者張博，男，1989年生，博士生，主要從事航空電磁正反演研究. E-mail: em_zhangbo@163.com

10.6038/cjg20150804.

10.6038/cjg20150804

P631

2014-12-14，2015-06-29收修定稿

殷長春, 張博, 劉云鶴等.2015.航空電磁勘查技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及展望.地球物理學(xué)報(bào)，58(8):2637-2653,

Yin C C, Zhang B, Liu Y H,et al. 2015. Review on airborne EM technology and developments.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),58(8):2637-2653,doi:10.6038/cjg20150804.