武雪山 黃松 于昌明 張建收 余益敏 李泯

摘? ?要：備戰(zhàn)鐵礦地處西天山伊犁地塊東北緣活動(dòng)帶中，為中高山區(qū)，屬高山深切地貌。經(jīng)近十年開發(fā)，礦體淺層規(guī)模及形態(tài)已基本查明，深部潛力有待進(jìn)一步挖掘。由于地形切割劇烈，該礦區(qū)地面地球物理工作困難。采用小型旋翼無人機(jī)及數(shù)采組成的航磁測(cè)量系統(tǒng)在備戰(zhàn)鐵礦開展測(cè)試與應(yīng)用，獲得關(guān)鍵區(qū)域高精度磁異常數(shù)據(jù)。通過約束模型分析，推測(cè)深部分布有隱伏礦體。

關(guān)鍵詞：備戰(zhàn)鐵礦;旋翼無人機(jī);航磁

航空磁測(cè)是磁法勘探中應(yīng)用最廣泛的方法之一，具速度快、勘探成本低特點(diǎn)，可覆蓋火山、森林、極地、高原等地面磁測(cè)人員難以進(jìn)入地區(qū)[1]。傳統(tǒng)航空磁測(cè)在大面積、大規(guī)模地質(zhì)調(diào)查及礦產(chǎn)普查方面適用度很高，但在氣候條件惡劣，規(guī)模小的區(qū)域很難滿足需求，無人機(jī)航測(cè)則可解決此難題[2-3]。目前無人機(jī)航磁技術(shù)發(fā)展迅速，2003年英國(guó)Magsurvey公司首次開發(fā)了PrionUAV航空磁力測(cè)量系統(tǒng)[4-7]。國(guó)內(nèi)裝備系統(tǒng)及測(cè)試方法等也取得一定進(jìn)展，中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球物理與地球化學(xué)勘探研究所研發(fā)了CH-3測(cè)量系統(tǒng)，并在多寶山地區(qū)展開應(yīng)用[8-12]。目前無人機(jī)航磁系統(tǒng)搭載平臺(tái)主要分為固定翼和旋翼兩種，固定翼飛機(jī)對(duì)起降機(jī)場(chǎng)要求較高，飛行速度快，適合大區(qū)域掃描;旋翼直升機(jī)具成本低、起落、運(yùn)輸、控制方便、飛行速度慢等特點(diǎn)，適合小區(qū)域精細(xì)測(cè)量。隨著備戰(zhàn)鐵礦區(qū)開發(fā)工作的開展，高山深切地貌進(jìn)一步加劇，地球物理工作難度加大。本文采用六軸旋翼鋰電池?zé)o人機(jī)搭載的以光泵磁測(cè)傳感器為主體的數(shù)采測(cè)量系統(tǒng)，在備戰(zhàn)鐵礦進(jìn)行無人機(jī)航磁測(cè)量，獲得關(guān)鍵區(qū)域高精度磁異常數(shù)據(jù)?；谛虏杉拇女惓＿M(jìn)行精細(xì)分析，結(jié)合鉆探剖面，對(duì)礦區(qū)深部隱伏礦體進(jìn)行推測(cè)。

1? 旋翼無人機(jī)航磁測(cè)量系統(tǒng)

1.1? 旋翼無人機(jī)平臺(tái)

無人機(jī)在攝影、遙感等方面應(yīng)用廣泛，將測(cè)量模塊與無人機(jī)剛性耦合，直接掛載在無人機(jī)上，飛行平臺(tái)本身干擾很小。由于磁場(chǎng)探測(cè)中飛行平臺(tái)磁干擾問題突出，需采取措施，從系統(tǒng)架構(gòu)和材料兩方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。材料選擇全機(jī)身碳纖維材料飛行平臺(tái)，在保證自身強(qiáng)度和耐用性情況下，有效減輕飛機(jī)自重，碳纖維材料不會(huì)引起周圍空間磁場(chǎng)畸變。由于動(dòng)力系統(tǒng)不可避免產(chǎn)生背景噪聲，系統(tǒng)架構(gòu)采用非對(duì)稱水平懸掛技術(shù)，可最大限度增加磁探頭與電機(jī)間距離，減小干擾。

旋翼無人機(jī)航磁測(cè)量由飛行平臺(tái)和數(shù)字采集系統(tǒng)組成。選用飛行平臺(tái)為六軸旋翼無人機(jī)（型號(hào)為DJI-M600 PRO），鋰電池為動(dòng)力。為最大限度降低載荷重量，采用重量較輕的銣光泵為磁傳感器，通過長(zhǎng)4 m的碳纖維長(zhǎng)桿與機(jī)身剛性連接，保證數(shù)字采集系統(tǒng)方位相對(duì)固定，極大程度降低了飛行平臺(tái)產(chǎn)生的本底磁干擾（圖1）。數(shù)字采集系統(tǒng)由3部分組成，第一部分為磁場(chǎng)測(cè)量模塊，包括高精度銣光泵磁測(cè)傳感器，重約133 g，主要用于測(cè)量地磁總強(qiáng)度，三軸磁通門傳感器，可記錄地磁場(chǎng)三分量磁場(chǎng)強(qiáng)度;第二部分為高度計(jì)、溫度計(jì)和姿態(tài)傳感器等，記錄飛機(jī)飛行狀態(tài)及周圍環(huán)境傳感器;第三部分為數(shù)據(jù)采集器，包括數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存模塊等，用于獨(dú)立飛行控制系統(tǒng)記錄傳感器各種信息。

集成旋翼無人機(jī)航磁測(cè)量系統(tǒng)最大起飛海拔高度4 000 m，最大可承受風(fēng)速8 m/s，最大飛行時(shí)間25 mins，飛行速度10 m/s。系統(tǒng)具自由起落、靈活操縱、充電方便、抵御惡劣天氣等特點(diǎn)。系統(tǒng)主要參數(shù)見表1。

1.2? 數(shù)據(jù)采集及處理流程

野外數(shù)據(jù)采集需結(jié)合研究區(qū)地形特點(diǎn)及勘察目標(biāo)特征進(jìn)行測(cè)線設(shè)計(jì)，需考慮無人機(jī)飛行速度、飛行高度、航程等限制因素。通過野外測(cè)量，得到飛行平臺(tái)傳感器實(shí)測(cè)磁場(chǎng)、高度、姿態(tài)等數(shù)據(jù)及地面磁日變收錄數(shù)據(jù)。

無人機(jī)航磁數(shù)據(jù)處理基本流程包括預(yù)處理、校正處理、磁異常計(jì)算。①預(yù)處理。獲得數(shù)據(jù)后，進(jìn)行飛行數(shù)據(jù)預(yù)處理，在此步驟進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗。對(duì)磁傳感器采集狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，對(duì)原始數(shù)據(jù)中突跳點(diǎn)進(jìn)行刪除，對(duì)冗余數(shù)據(jù)進(jìn)行刪選、姿態(tài)評(píng)估及矯正等處理，得到完整的測(cè)線磁場(chǎng)數(shù)據(jù);②校正處理。通常需進(jìn)行日變改正、正常場(chǎng)改正、高度改正。日變校正采用測(cè)區(qū)內(nèi)同步觀測(cè)的日變數(shù)據(jù)，如日變測(cè)量每秒采樣率低于空中測(cè)量每秒采樣率，缺少的數(shù)據(jù)采用線性內(nèi)插值獲得。正常場(chǎng)矯正利用帶年變的國(guó)際地磁參考場(chǎng)（IGRF）模型[13]，逐點(diǎn)計(jì)算正常場(chǎng)進(jìn)行校正，據(jù)選定基點(diǎn)進(jìn)行高度改正。

2? 研究區(qū)應(yīng)用測(cè)試

2.1? 測(cè)區(qū)概況

備戰(zhàn)鐵礦位于我國(guó)著名的天山成礦帶，該區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，成礦作用多樣。備戰(zhàn)鐵礦處于伊犁微板塊伊犁石炭紀(jì)裂谷帶東端，裂谷帶南北以尼勒克斷裂及拉爾墩斷裂為界，北部為博羅科努早古生代陸緣褶皺帶，南部為巴侖臺(tái)古陸塊，出露地層為古元古界那拉提巖群片麻巖巖系[14]。礦體產(chǎn)于晚石炭世石英二長(zhǎng)斑巖與大哈拉軍山組灰?guī)r接觸帶，地表露頭較少，呈隱伏狀態(tài)。主要巖石礦物及磁黃鐵礦具強(qiáng)磁性，據(jù)磁異?？膳袛嗟V體傾向及預(yù)測(cè)隱伏礦體[15]。備戰(zhàn)礦區(qū)位于西天山伊連哈比爾尕山東段天山主峰-博羅霍洛山北坡天山主脊附近，為中高山區(qū)，地形切割劇烈。山體走向呈近 EW向，總體地勢(shì)南高北低，坡度25°～35°，溝深坡陡，屬高山深切地貌。

前人對(duì)西天山地區(qū)備戰(zhàn)鐵礦進(jìn)行了1∶5萬航磁普查1。據(jù)收集的備戰(zhàn)礦區(qū)巖石物性統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，備戰(zhàn)鐵礦區(qū)正常沉積的細(xì)碎屑與粗碎屑巖類多為低磁性;侵入巖類從酸性到基性，磁化率逐漸增強(qiáng);火山巖類中從酸性巖（流紋巖）→中性巖（安山巖）→基性巖（玄武巖）磁化率逐漸增強(qiáng);變質(zhì)巖物性取決于原巖巖性與變質(zhì)程度，偏向無磁與弱磁性。認(rèn)為礦區(qū)磁鐵礦石具高磁化率，與圍巖區(qū)分度大。

2.2? 研究區(qū)測(cè)試應(yīng)用

本次無人機(jī)航磁進(jìn)行了小面積數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)。據(jù)前期研究結(jié)果，飛行區(qū)域集中在礦體產(chǎn)出最好地段。數(shù)據(jù)采集以揭示主體礦脈特征為目標(biāo)，共布置5條平行測(cè)線。整體飛行方向大致與主體礦脈垂直，直線距離約2 200 m，線距200 m，飛行測(cè)線見圖2中虛線所示。將設(shè)計(jì)測(cè)量任務(wù)輸入飛行控制系統(tǒng)后，旋翼無人機(jī)航磁測(cè)量系統(tǒng)可按規(guī)劃的測(cè)量路線進(jìn)行自主飛行采集數(shù)據(jù)，無需手動(dòng)操作。在控制終端可進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控，處理突發(fā)事件。采集數(shù)據(jù)經(jīng)預(yù)處理、各種校正和計(jì)算后，得到磁異常數(shù)據(jù)（圖3-a）。西天山地區(qū)開展1∶5萬航空磁測(cè)，其中備戰(zhàn)鐵礦區(qū)磁異常特征明顯（圖3-b），強(qiáng)度大，在等值線平面圖上為一較規(guī)則的南正北負(fù)異常。據(jù)無人機(jī)航磁采集結(jié)果，磁異常呈近EW向展布，經(jīng)過礦體部分出現(xiàn)明顯高磁異常，整體形態(tài)與之前采集的航磁異常特征一致。由于EW向控制距離較短，未見異常閉合。通過旋翼無人機(jī)航磁測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域異常特征明顯，主礦體高值異常突出，與1∶5萬航磁結(jié)果變化趨勢(shì)一致，無人機(jī)航磁結(jié)果具更細(xì)致的磁場(chǎng)變化信息。

2.3? 約束建模

據(jù)礦區(qū)地質(zhì)資料，區(qū)內(nèi)巖漿活動(dòng)強(qiáng)烈，以火山巖、淺成次火山巖為主，矽卡巖化是控制鐵礦體的主要因素。礦石礦物主要為磁鐵礦、磁赤鐵礦，少量磁黃鐵礦等，它們是引起磁異常的主要因素。基于新采集的航磁資料，我們開展了磁異常約束建模工作，選取飛行區(qū)域內(nèi)一條擁有良好鉆孔控制的勘探剖面進(jìn)行二度半人機(jī)交互反演。主要步驟為：據(jù)研究區(qū)已有約束信息，建立合理的二維初始地質(zhì)模型，并設(shè)置延伸長(zhǎng)度，為二度半模型。通過人機(jī)交互方式修改初始地質(zhì)模型，并實(shí)時(shí)進(jìn)行二度半正演計(jì)算，使之?dāng)M合觀測(cè)磁力值，從而獲得研究區(qū)合理地質(zhì)模型。收集相關(guān)資料，結(jié)合巖石物性分析結(jié)果，建立反演剖面初始模型，有鉆井控制的礦脈為已知控制礦體。反演中磁化傾角為63.5°，磁偏角3.25°，磁化強(qiáng)度背景場(chǎng)為0～0.1 A/m。剖面位置見圖2，反演結(jié)果見圖4。

從反演結(jié)果看，考慮到觀測(cè)數(shù)據(jù)精度和實(shí)際剖面掌握的信息誤差，在計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)充分?jǐn)M合的情況下，推測(cè)深部還有一定成礦空間。發(fā)現(xiàn)已有鉆井控制礦體（紅色）部分延伸區(qū)存在隱伏礦體（灰色），深度范圍海拔2 800～3 300 m，推測(cè)為已知礦體向上延伸結(jié)果。

3? 結(jié)論

（1） 本研究基于小型六軸旋翼無人機(jī)搭載銣光泵傳感器，采用非對(duì)稱水平懸掛的剛性連接技術(shù)，完成旋翼無人機(jī)航磁測(cè)量系統(tǒng)集成工作。備戰(zhàn)鐵礦區(qū)屬高山深切地貌，通過測(cè)試應(yīng)用，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可用性和可靠性。該系統(tǒng)充分體現(xiàn)了無人機(jī)小型化、智能化突出特點(diǎn)，其靈活機(jī)動(dòng)性使無人機(jī)能保持較低的飛行高度，在復(fù)雜地形區(qū)域?qū)崿F(xiàn)低空航磁測(cè)量，效率高，可靠性好。需指出的是，由于采用電池動(dòng)力，旋翼無人機(jī)航磁測(cè)量系統(tǒng)單次飛行距離受限，適用于小面積精細(xì)測(cè)量，不利于大面積航磁測(cè)量工作。

（2） 基于新采集的航磁資料，開展磁異常約束建模工作，選取飛行區(qū)域內(nèi)一條有鉆孔控制的勘探線進(jìn)行二度半人機(jī)交互反演，推測(cè)該區(qū)隱伏礦體的分布。

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Abstract： The Beizhan iron ore is located in the active zone of the northeast edge of the Yili massif in the Western Tien Shan， which is a medium-high mountainous area and belongs to the deep mountainous terrain. After nearly ten years of development， the shallow scale and morphology of the ore body have been basically identified， and the deep potential needs to be further explored. The ground geophysical work in this area is difficult due to the intense topographic cutting. In this paper， an aerial magnetic survey system composed of a small rotary-wing UAV as well as a digital mining was tested and applied in the prepared iron ore mine， and magnetic anomaly data in key areas were obtained. Through model analysis， the distribution of deep hidden ore bodies was inferred.

Key words： Rotorcraft UAV;Aeromagnetic;Beizhan iron depsit