航空电磁理论与勘查技术

我国国土面积近2/3区域为高山、沙漠、湖泊沼泽、森林覆盖区，给地面地球物理探测带来极大困难。航空地球物理，特别是航空电磁探测技术是在这些区域进行地球物理勘探的有效手段。国外航空电磁经过逾50年的发展已成为非常成熟的探测技术，部分国家已实现国土面积全覆盖。我国自20世纪末开始，通过引进和消化国外技术研发基于固定翼和直升机平台的航空电磁探测装备，虽经多年技术攻关，关键技术仍没有取得重大突破。目前尚没有能够形成生产力的探测设备及配套的数据处理和解释软件。本书基于作者在国外多年从事航空电磁探测技术和装备研发的经验，瞄准国际**进的航空电磁探测技术，详细阐述航空电磁正反演理论、关键技术、装备发展现状、数据处理和解释及航空电磁勘查技术在能源资源、环境工程、地下水和地热及防灾减灾等领域的应用。期望本书能够对推动我国航空电磁勘查技术发展和应用起积极作用。

前言
第1章航空电磁勘查技术现状及展望1
1.1航空电磁勘查技术现状1
1.1.1国外航空电磁勘查技术现状1
1.1.2国内航空电磁勘查技术现状4
1.2航空电磁勘查系统发展现状5
1.2.1CGG/Fugro公司及其系统5
1.2.2Geotech公司及其系统10
1.2.3Aeroquest公司及其系统13
1.2.4SkyTEMSurveys公司及其系统14
1.3航空电磁数据处理技术现状16
1.3.1背景场去除16
1.3.2天电噪声去除17
1.3.3运动噪声去除17
1.3.4叠加17
1.3.5抽道17
1.3.6记录点位置校正18
1.3.7姿态校正18
1.3.8调平18
1.4航空电磁反演技术现状19
1.4.1航空电磁成像技术19
1.4.2航空电磁一维反演19
1.4.3航空电磁三维反演20
1.5航空电磁勘查技术展望21
参考文献22
第2章航空电磁正演理论26
2.1频率域航空电磁一维正演理论及数值计算方法26
2.1.1电磁感应方程26
2.1.2层状介质中电磁TE和TM极化模式27
2.1.3自由空间中偶极子电磁场29
2.1.4波数域电磁场30
2.1.5层状介质中波数域电磁场求解31
2.1.6TE和TM模式源项耦合33
2.1.7波数域电磁场合成34
2.1.8电性源和磁性源电磁场34
2.1.9空气中电性源和磁性源电磁场积分表达式38
2.1.10快速汉克尔变换及频率域航空电磁响应数值计算41
2.2时间域航空电磁一维正演理论及数值计算方法49
2.2.1脉冲响应和阶跃响应49
2.2.2任意波形时间域航空电磁响应50
2.3航空电磁各向异性正演和影响特征分析55
2.3.1航空电磁各向异性研究现状55
2.3.2层状任意各向异性介质航空电磁正演模拟57
2.3.3数值算例65
2.3.4野外实测数据例子71
2.3.5小结72
2.4航空电磁姿态效应73
2.4.1航空电磁系统吊舱姿态变化73
2.4.2层状介质电磁响应76
2.4.3直升机航空电磁系统姿态效应76
2.4.4基于叠加偶极的航空电磁姿态效应校正84
2.4.5实测航空电磁数据姿态校正87
2.4.6小结89
2.5航空电磁激发极化效应89
2.5.1激发极化效应对航空瞬变电磁扩散的影响89
2.5.2航空瞬变电磁激电效应正演模拟98
2.5.3小结103
2.6航空电磁位移电流效应103
2.6.1电磁场全解形式104
2.6.2自由空间位移电流的影响104
2.6.3地下介质位移电流的影响106
2.6.4理想导电半空间位移电流的影响107
2.6.5小结108
2.7航空电磁多参数正演及影响特征109
2.7.1航空电磁多参数正演计算109
2.7.2频率域航空电磁多参数响应特征109
2.7.3时间域航空电磁多参数响应特征112
2.8航空电磁扩散特征及“烟圈”效应119
2.8.1一维介质中电磁场正演计算120
2.8.2频率域电磁场扩散特征121
2.8.3时间域电磁场扩散特征124
2.8.4“烟圈”效应127
2.8.5成像深度131
2.8.6小结132
2.9半航空电磁系统一维正演理论132
2.9.1半航空系统电磁响应正演计算132
2.9.2半航空系统电磁响应特征133
2.9.3小结136
参考文献137
第3章航空电磁成像及反演理论141
3.1航空电磁成像理论141
3.1.1Sengpiel成像方法141
3.1.2差分视电阻率成像方法143
3.1.3电导率深度成像方法(CDI)146
3.1.4基于浮动薄板的电磁成像方法150
3.1.5时间域航空电磁Tau成像方法151
3.1.6小结158
3.2Marquardt￣Levenberg反演159
3.2.1基本原理159
3.2.2雅克比矩阵计算160
3.2.3频率域航空电磁理论数据反演164
3.2.4频率域航空电磁实测数据反演165
3.2.5时间域航空电磁理论数据反演165
3.2.6时间域航空电磁实测数据反演167
3.3横向约束反演169
3.3.1电阻率和厚度横向约束169
3.3.2深度约束170
3.3.3总体反演方程与阻尼最小二乘解171
3.3.4频率域航空电磁理论模型横向约束反演172
3.3.5时间域航空电磁理论模型横向约束反演173
3.3.6频率域航空电磁实测数据横向约束反演175
3.3.7时间域航空电磁实测数据横向约束反演176
3.3.8小结177
3.4拟三维模型空间约束反演178
3.4.1正演模拟179
3.4.2约束方案180
3.4.3反演理论181
3.4.4算例分析183
3.4.5小结188
3.5Occam反演191
3.5.1目标函数191
3.5.2模型更新192
3.5.3拉格朗日乘子搜索方法193
3.5.4数值算例193
3.5.5小结198
3.6变维数贝叶斯反演198
3.6.1后验概率分布200
3.6.2模型参数初始化201
3.6.3建议分布201
3.6.4接受概率203
3.6.5收敛条件203
3.6.6数值算例204
3.6.7小结215
3.7模拟金属淬火反演算法215
3.7.1模拟金属淬火基本原理217
3.7.2模型构造218
3.7.3随机行走用于模型更新218
3.7.4目标函数219
3.7.5模拟退火策略219
3.7.6反演结果220
3.7.7小结224
3.8航空电磁多参数反演225
3.8.1多参数反演理论225
3.8.2雅克比矩阵计算226
3.8.3反演算例227
3.8.4小结230
参考文献230
第4章航空电磁勘查关键技术236
4.1航空电磁系统Footprint236
4.1.1航空电磁系统Footprint概念236
4.1.2航空电磁系统Footprint计算方法237
4.1.3频率域航空电磁系统Footprint239
4.1.4航空电磁系统Footprint的影响因素244
4.1.5小结248
4.2导电异常环用于航空电磁系统测试248
4.2.1研究背景248
4.2.2理论推导249
4.2.3正演结果和实测数据分析252
4.2.4小结256
4.3航空电磁系统一次场去除技术256
4.3.1频率域航空电磁一次场去除技术257
4.3.2时间域航空电磁一次场去除技术257
4.4航空电磁视电阻率定义258
4.4.1概述258
4.4.2频率域航空电磁视电阻率定义259
4.4.3时间域航空电磁视电阻率定义263
4.4.4航空电磁全区视电阻率定义264
4.4.5小结267
4.5航空电磁多波形发射技术267
4.5.1多波形发射研究现状267
4.5.2多波形发射系统268
4.5.3多波形发射技术应用270
4.6航空电磁异常体探测能力分析270
4.6.1三维航空电磁系统正演模拟271
4.6.2柱状良导体模型272
4.6.3探测能力及影响因素分析273
4.6.4小结278
4.7频率域航空电磁系统校准技术278
4.7.1理论模型279
4.7.2航空电磁系统在导电大地上的校准方法281
4.7.3航空电磁数据校正288
4.7.4小结291
4.8航空电磁磁场计算和应用291
4.8.1磁场计算291
4.8.2磁场和磁感应探测能力分析292
4.8.3小结295
4.9任意线圈系互感的计算295
4.9.1互感计算原理295
4.9.2互感计算方法296
4.9.3几种线圈系的互感算例297
4.10高压线塔基接地电阻探测298
4.10.1高压线模型及感应电动势299
4.10.2电路求解300
4.10.3高压线-大地-接收机系统响应301
4.10.4发射机-大地-接收机系统响应303
4.10.5悬链线的影响304
4.10.6模型试验304
4.10.7小结309
参考文献310
第5章航空电磁数据处理313
5.1航空电磁数据质量监控313
5.1.1航空电磁数据质量监控方法313
5.1.2航空电磁数据质量监控统计报告317
5.2频率域航空电磁数据处理318
5.2.1频率域航空电磁数据预处理技术318
5.2.2频率域航空电磁数据处理技术318
5.3时间域航空电磁数据处理330
5.3.1时间域航空电磁数据预处理技术330
5.3.2时间域航空电磁数据处理技术342
5.4本章小结354
参考文献355
第6章航空电磁勘查技术应用357
6.1航空电磁勘查技术应用范围357
6.2金属矿产勘查359
6.3油气资源勘查362
6.4环境工程勘查363
6.5地下水及地热资源勘查368

    第1 章 航空电磁勘查技术现状及展望
    1.1 航空电磁勘查技术现状
    1.1.1 国外航空电磁勘查技术现状
    航空电磁勘查技术发展历史悠久，自第一套航空电磁系统成功试飞到现在，航空电磁技术已经历了大约70 年的发展历程。1948 年，固定翼航空电磁系统Stanmac￣McPhar 在加拿大试飞成功，这标志着第一个航空电磁勘探系统的诞生(Fountain，1998)。1954 年，航空电磁勘探方法在加拿大New Braunswick 发现了Health Steele 矿床，这一发现极大地推动了航空电磁系统和勘查技术的发展。1955 年，第一个吊舱式硬支架直升机航电系统AMAX 诞生。此后，与AMAX 类似的直升机频率域航电系统Hunting 开始研发，并于1957 年在Tasmania 进行了飞行观测，此次飞行是频率域直升机航电系统在澳大利亚首次进行飞行勘查。1959 年，Tony Barringer 研发了第一个时间域固定翼INPUT 系统，并成功试飞。然而，当时人们尚没有充分认识到INPUT 将对固定翼航空电磁系统发展带来的影响。随着航空电磁技术的进步，该系统被不断更新和应用，已经在全球范围内发现了价值逾百亿美元的矿产资源。Slichter(1955) 阐明使用天然场代替人工场源可以大幅度提高航空电磁系统的探测深度。基于这一理论，第一个被动源航空电磁系统AFMAG 于1958 年在加拿大研制成功。该系统使用雷电产生的天然音频磁场作为场源，勘探主要是针对埋深较大的目标体。与此同时，Russian BDK￣7和Geophysical Engineering Survey 半航空电磁系统被成功研发。这两个系统均使用长度达几千米的接地长导线作为发射源。20 世纪50 年代晚期，大多数现今使用的航空电磁系统基本框架已研发成功，然而这些系统在勘探深度？分辨率等方面仍存在较大问题。在随后的几十年里，人们通过对这些系统不断进行优化？升级和改造，开发出多套新型航空电磁系统。
    1965 年，INPUT 系统升级成为Mark V INPUT 系统，增大了发射磁矩，进而大幅度增加了系统的有效勘探深度。同时，新一代直升机航电系统被研发，并以DIGHEM 为代表逐渐向多分量数据采集方向发展。1967 年，人们成功研发出多频吊舱式航空电磁系统F￣400。与之前的航电系统相比，该系统采用水平偶极作为发射源，这种装置对飞机的改造最小，便于在不同飞行平台上移植。1966 年前后，McPhar KEM？Geonics EM￣18？ScintrexDeltair Barringer？？s Radiophase 和E￣phase 等使用甚低频电磁信号发射台作为发射源的航空电磁系统也相继开始研发。同时，人们通过改造地面Turam 系统成功研发出Turair 半航空系统。该系统通过地面大线圈发射增大了有效勘探深度。1970 年，单频多分量接收DIGHEM I 型航空电磁系统研发成功。该系统采用X 轴方向发射，接收X？Y？Z 三分量，吊舱长度为9m。此外，Questor 对INPUT 系统进行升级改造，研制出Mark VI INPUT 系统，同时引进两个新的Skyvan 飞行平台(1971 年) 和Trislander 飞行平台(1973 年)。1970 年前后，印度研发了可以接收B 和dB / dt 的固定翼时间域航空电磁系统，然而该系统只做了飞行试验。此后，McPhar 研发了三频和五频F￣400 和H￣400 航空电磁系统。这两套系统分别搭载在固定翼和直升机平台上，并在全球多个地区完成了飞行观测任务。1976 年，固定翼COTRAN 和Smelting EM￣30 航电系统研发成功。COTRAN 系统采用了INPUT 系统的基本构架，发射波形采用方波，接收X 和Z 两个分量，然而该系统没有实现商业化飞行。Smelting EM￣30 系统由于采用大收发距的共轴装置实现较大的勘探深度。20 世纪70 年代末期，大收发距频率域固定翼航空电磁系统基本被淘汰，固定翼航空电磁以时间域系统为主。直升机系统则向着多频发射？多分量接收方向发展。1976 年，在DIGHEM I 的基础上，DIGHEM II 研发成功，并通过系统改进实现双频发射(900Hz 和3600Hz) 和多分量接收。70 年代末期，一代更优选的甚低频航空电磁系统被成功研发，主要包括Herz Totem？Scintrex SE￣90 和Sander VLF￣EM II 系统。值得注意的是70 年代早期，人们曾提出使用飞艇作为航空电磁系统的搭载平台。这种平台的优势在于能够将导线设计为环绕飞艇的线圈，实现超大线圈面积和超大发射磁矩。然而，基于飞艇平台的航空电磁系统在飞行观测时，由于受天气等因素影响严重，飞行稳定性难以保证，最终未获得广泛应用。
    20 世纪80 年代早期，由于航空电磁在铀矿勘查中的出色表现及世界各大矿业公司非常活跃的矿产勘查实践活动，航空电磁系统得到了迅猛的发展。很多已有系统被升级，新一代系统被研发。80 年代中期，由于各大公司削减矿产勘查预算，航电技术走向萧条，这一时期航空电磁系统发展相对缓慢。1983 年，Geoterrex 开发了新的INPUT 航空电磁勘探平台CASA 212，并于1985 年成功研发针对这一平台且与INPUT 系统具有相似结构的GEOTEM 系统。相比于固定翼航空电磁系统受到的冲击，基于直升机平台的航电系统继续向着多频和多线圈结构的方向发展，许多新型多线圈？多频直升机航电系统被成功研发。1982 年，Questor 公司成功研发了新一代直升机INPUT 系统，旨在地形复杂地区获得好的飞行数据。该系统采用Z 方向大发射线圈，线圈匝数为6 匝。该系统的研发目标是开发一套与固定翼INPUT 系统具有相近的发射功率？勘探深度和分辨率的直升机系统，主要针对复杂地形条件下的目标体勘查。美国加利福尼亚大学伯克利分校成功研发UNICOIL 直升机系统(UNICOIL cryogenic helicopter system)。该系统采用超导UNICOIL 作为发射和接收线圈，工作频率为40Hz，具有较大的探测深度。然而，该系统由于需要大量液氦而飞机存储空间有限，缺乏实用价值。到90 年代，航电系统主要发展方向为多频？高分辨率的直升机吊舱系统和低频固定翼时间域系统。
    经历了航空电磁勘查技术的萧条，20 世纪90 年代矿产资源勘探开始回暖，给航空电磁勘查技术发展带来了新的活力。固定翼时间域航电系统基本实现了三分量接收？发射波形宽度和基频可调？接收B 和dB / dt 信号等功能，而直升机吊舱式频率域航电系统基本实现了多频发射和接收，发射和接收线圈通常被安置在6 ~ 9m 称为Bird 的吊舱中。其中，90 年代早期，World Geoscience 开发了SALTMAP 系统。该系统是第一个专门为近地表电阻率成像而设计的固定翼时间域航电系统。同时，Geotech 公司引入HUMMING BIRD 直升机航电系统。该系统发射和接收线圈均安装在4.5m 长的吊舱中，以增加系统的灵活性，而Elliott Geophysics International 研发出一种新型半航空系统FLAIRTEM。该系统本质上是TURAIR 系统的时间域版本。90 年代晚期，航空电磁系统研发再次得到快速发展。其中，固定翼系统包括1997 年研发成功的GEOTEM，1998 年研发成功的MEGATEM 和QUESTEM，1999 年研发成功的GEOTECH HAWK 系统(Thomson et al.，2007)，直升机系统包括1997 年研发成功的Anglo ExplorHEM？AERODAT HELITEM 和HELI QUESTEM 等，1998 年研发成功的THEM 和DIGHEM RES BIRD，1999 年研发成功的AeroTEM？NewTEM和SIAL PHOENIX 等航电系统。
    进入21 世纪，人们对航空电磁系统和勘查技术提出了更高要求。固定翼系统主要向着具有更大发射功率和勘探深度的方向发展，而直升机系统主要向着多线圈结构？宽频带？高分辨率和高精度方向发展。在此期间研发的航空电磁系统是目前全球各大航空地球物理公司应用的主要勘探系统(图1.1)，包括Fugro Airborne Surveys 公司2001 年研发成功的时间域固定翼MEGATEM II 系统和2002 年研发成功的频率域直升机吊舱RESOLVE 系统，2005 年研发成功的时间域直升机吊舱HeliGEOTEM 系统和2008 年研发成功的HELITEM 系统，Aeroquest 公司2003 年研发成功的系列直升机时间域吊舱系统AeroTEM，Geotech 公司2004 年研发成功的系列直升机时间域吊舱系统VTEM，SkyTEM Surveys 公司2003 年研发成功的系列直升机时间域吊舱系统SkyTEM (Thomson et al.，2007)。这些系统各具特色，目前承担了全球超过90%的航空地球物理电磁勘查任务。
    1.1.2 国内航空电磁勘查技术现状
    我国航空电磁系统发展起步较早，然而由于历史原因目前技术尚不够成熟。从20 世纪50 年代末开始，原地矿部物化探研究所开始研发长导线半航空电磁探测仪器，后转入硬支架频率域航电系统。1970 ~ 1974 年，国土资源部航空物探遥感中心(原航空物探大队) 开展航电系统研制，后因故中止，1976 ~ 1983 年原长春地质学院开展过固定翼时间域航空电磁M￣1 系统的研制，并被黑龙江物探队和湖北航空物探队应用于生产飞行，1976年北京地质仪器厂开展直升机时间域航电系统研制，1974 ~1980 年桂林冶金地质研究所开展直升机时间域航电系统研制，1981 ~1983 年原长春地质学院在对M￣1 系统进行改进的基础上研制出M￣2 型固定翼时间域航电系统，后因经费短缺停止。90 年代，由于地质行业经历了转型期和不景气，航空地球物理，特别是航空电磁勘查系统研发处于停滞状态。进入21 世纪，随着国家经济高速发展和对能源和矿产资源的需求激增，地质行业迎来春天。航空地球物理电磁勘查技术和仪器研发再度受到重视。目前，国内自主研发的系统主要包括中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所研发的固定翼三频航空电磁系统HDY￣402 和国土资源航空物探遥感中心和吉林大学合作研发的CHTEM 时间域直升机航空电磁勘查系统。HDY￣402 系统采用直立共面发射和接收装置，收发距为19.2m，工作频率为463Hz？1563Hz 和8333Hz，优选采样率为8 次/ s，噪声水平<20PPM，零漂小于100PPM/ h，勘探深度大约100m。由于受飞行高度影响，观测信号强度较弱，系统应用受到，主要用于浅部矿产和地下水资源勘查。我国自主研发的时间域航空电磁系统由于技术原因，发射功
    率较小( ~28 万Am2)，目前未能在我国矿产资源等勘查领域获得广泛应用。近年来，国内相关单位尝试从国外引进航空电磁探测系统，主要有中国冶金地质总局从加拿大引进的TS150 系统和中国科学院电子学研究所从俄罗斯引进的Impulse A5 系统。TS150 直升机时间域航电系统优选发射磁矩为155000Am2 ，记录全波形B 和dB / dt，基频25 ~150Hz，可进行多分量采集。Impulse A5 时间域直升机系统优选发射磁矩1.6×105 Am2 ，发射基频为25Hz 和75Hz，吊挂装置离地高度为30 ~ 50m。另外，中国国土资源航空物探遥感中心于2010 ~ 2011 年从加拿大Aeroquest 公司引进AeroTEM￣IV 时间域航空电磁系统。由于该系统采用硬支架设计，发射磁矩和勘探深度较小。该系统至今未能在我国矿产资源勘查中发挥作用。
    我国航空电磁勘探的另一个途径是利用国外地球物理公司提供的各种商业