無人機(jī)電磁探測(cè)技術(shù)

冰雪覆蓋、人跡罕至的南極，一直是科學(xué)家探索地球演化、氣候變化和自然資源的神秘大陸。

在中國第40次南極科學(xué)考察期間，考察隊(duì)在東南極拉斯曼丘陵首次開展了冰下基巖無人機(jī)電磁探測(cè)工作。這次探測(cè)工作不僅標(biāo)志著我國在南極地質(zhì)調(diào)查領(lǐng)域取得新的突破，也為南極地質(zhì)調(diào)查和地學(xué)研究提供了有力支撐。那么，什么是無人機(jī)電磁探測(cè)技術(shù)？它的探測(cè)原理又是什么呢？

“透視”冰蓋之下的地質(zhì)結(jié)構(gòu)

南極擁有特殊的地理位置和極端的低溫環(huán)境，這片大地上的許多奧秘仍未被揭開，其中一項(xiàng)就是冰蓋之下的地質(zhì)結(jié)構(gòu)——冰蓋下面多深有巖石？巖石類型有哪些？構(gòu)造有何特征？又蘊(yùn)藏著哪些自然資源？這些問題吸引著一代又一代地球科學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)家前往南極，探索冰下奧秘。

在地球科學(xué)研究，尤其是極地探測(cè)領(lǐng)域，科學(xué)家為了揭示南極洲冰蓋之下的神秘地貌與構(gòu)造特征，已經(jīng)開展了諸多研究，采用許多先進(jìn)的非侵入式技術(shù)，無需直接鉆取巖芯樣品即可獲取寶貴信息。這不僅大大降低作業(yè)成本與環(huán)境影響，還能為全面解析南極地質(zhì)狀況提供強(qiáng)有力的支撐。

現(xiàn)階段最新的一項(xiàng)技術(shù)則是無人機(jī)電磁探測(cè)技術(shù)。

無人機(jī)＋電磁探測(cè)技術(shù)：相互配合的“最佳拍檔”

電磁探測(cè)技術(shù)：

給冰下巖石做“CT”

地球在漫長的地質(zhì)構(gòu)造演化中，形成的不同介質(zhì)的物理性質(zhì)往往千差萬別，其中最明顯、最容易被探測(cè)的就是介質(zhì)的電磁特性，特別是電阻率（用來表示各種物質(zhì)電阻特性的物理量）參數(shù)。有些介質(zhì)，如冰、花崗巖、片麻巖等電阻率大，高達(dá)105Ω·m（歐姆·米，電阻率單位）或更高，而有些介質(zhì)，如海水、金屬礦物、飽水巖石等則電阻率小，低至10-3Ω·m或更低。電磁探測(cè)技術(shù)正是利用這些介質(zhì)的電磁學(xué)差異，實(shí)現(xiàn)地下結(jié)構(gòu)的“透視”。

“CT”檢查怎么做？

通常情況下，電磁探測(cè)設(shè)備包括發(fā)射器和接收器兩部分。發(fā)射器負(fù)責(zé)向地下發(fā)射電磁波，當(dāng)電磁波遇到目標(biāo)物體時(shí)，會(huì)發(fā)生反射、散射、吸收等相互作用。這些相互作用會(huì)導(dǎo)致電磁波的傳播路徑、強(qiáng)度、頻率等參數(shù)發(fā)生變化，接收器則負(fù)責(zé)接收反射回來的信號(hào)。

分析這些經(jīng)過相互作用的信號(hào)，并通過信號(hào)處理和分析技術(shù)，提取出目標(biāo)物體的相關(guān)信息，科學(xué)家就可以獲得冰下巖石的三維電阻率圖像，進(jìn)而推斷出冰下巖石的結(jié)構(gòu)和特征。打個(gè)比方，電磁探測(cè)就像給地球做一次CT檢查，而電阻率圖像也是類似于CT檢查后獲得的圖像，科學(xué)家可以利用這些圖像知曉地下信息，從而“對(duì)癥下藥”。

值得一提的是，與常溫環(huán)境不同，南極基巖上往往覆蓋著一層厚厚的冰蓋，而冰蓋上又有一層疏松的雪。冰蓋和雪層的存在會(huì)造成電磁波的大幅度衰減，這不僅使得電磁波穿透冰層的深度受到限制，還會(huì)影響探測(cè)信號(hào)的質(zhì)量和準(zhǔn)確性。因此，傳統(tǒng)的電磁探測(cè)方法，可能無法有效地在這些區(qū)域獲取精確的數(shù)據(jù)。為了克服這些問題，科學(xué)家通常采用更先進(jìn)的技術(shù)，如低頻電磁波或高功率信號(hào)，來增強(qiáng)探測(cè)信號(hào)的穿透能力。

此外，其他多種地球物理探測(cè)手段（如衛(wèi)星遙感、地面雷達(dá)以及井中探測(cè)等技術(shù)）相互佐證，也能有效提升數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性?，F(xiàn)如今，航空電磁探測(cè)技術(shù)在南極的最大探測(cè)深度可達(dá)600～700米，在一些冰蓋薄或裸露的基巖處，已經(jīng)能夠獲得關(guān)于地質(zhì)構(gòu)造的有效信息。

無人機(jī)配合：

綠色、高效考察的好幫手

南極地表地形復(fù)雜，氣候惡劣，很多區(qū)域科學(xué)考察難度極大?？茖W(xué)家又是如何在南極應(yīng)用電磁探測(cè)技術(shù)的呢？

為減少人力物力的投入、保障安全，科學(xué)家首先想到的便是無人機(jī)。

無人機(jī)，即無人駕駛飛行器，具有靈活、高效、低成本等優(yōu)點(diǎn)。每年夏天是南極考察作業(yè)的最佳窗口期，無人機(jī)有機(jī)會(huì)克服極端氣候和地形條件，快速覆蓋大范圍的冰蓋區(qū)域。

“飛”測(cè)數(shù)據(jù)

通過預(yù)先設(shè)定的飛行路線，無人機(jī)能在冰面上空進(jìn)行穩(wěn)定飛行，搭載的各種電磁傳感器和設(shè)備則負(fù)責(zé)收集數(shù)據(jù)。通過無人機(jī)與電磁探測(cè)裝備的有效組合，科學(xué)家不僅能夠大幅度降低科研人員在南極進(jìn)行人工操作的風(fēng)險(xiǎn)，還能顯著縮短數(shù)據(jù)采集的時(shí)間成本。同時(shí)，無人機(jī)的使用還減少了對(duì)環(huán)境的干擾，對(duì)南極環(huán)境來說是零污染，與現(xiàn)代科學(xué)考察的綠色、可持續(xù)發(fā)展要求相當(dāng)契合。

無人機(jī)和電磁探測(cè)技術(shù)的創(chuàng)新組合，使得科學(xué)家能更好地獲取南極冰蓋下面的地質(zhì)特征、沉積物分布、礦產(chǎn)類型以及潛在水體等信息。這些信息對(duì)于理解地球的演化過程、特定地質(zhì)事件（如冰期和間冰期的相互作用）以及板塊構(gòu)造活動(dòng)提供了新穎的方案。

此外，無人機(jī)電磁探測(cè)技術(shù)還可以對(duì)南極冰蓋進(jìn)行長期的監(jiān)測(cè)，例如監(jiān)測(cè)冰流的速度、冰川的穩(wěn)定性及其對(duì)氣候變化的響應(yīng)，從而為預(yù)測(cè)未來的冰蓋變化和海平面上升提供重要的數(shù)據(jù)支持。無人機(jī)電磁探測(cè)技術(shù)也可以保障科學(xué)考察更加安全、便捷和高效，有力推動(dòng)南極地質(zhì)和氣候變化研究向縱深發(fā)展。

隨著科技的飛速進(jìn)步和對(duì)極地考察的不斷深入，無人機(jī)電磁探測(cè)技術(shù)將在未來發(fā)揮更加重要和廣泛的作用，也將成為探索南極冰下地質(zhì)奧秘的新利器。

知識(shí)鏈接

開展冰下地質(zhì)調(diào)查的常用方法

重力法、磁法和可控震源地震法都是進(jìn)行冰下地質(zhì)調(diào)查的先進(jìn)技術(shù)方法。

重力法通過測(cè)量地面某一區(qū)域內(nèi)的重力異常變化，推測(cè)地下物質(zhì)密度分布狀況。巖石種類、地形起伏及含水量等因素會(huì)造成局部重力場(chǎng)差異，由此可以反映南極地下深部結(jié)構(gòu)。

磁法利用磁感應(yīng)原理，通過測(cè)量地磁場(chǎng)變化，根據(jù)地下巖石磁性差異來揭示南極地質(zhì)特征。

可控震源地震法是人工模仿觸發(fā)微弱地震事件，利用聲波在不同介質(zhì)間的傳播速度及衰減規(guī)律，進(jìn)一步獲取地質(zhì)構(gòu)造相關(guān)信息。

（責(zé)任編輯 / 王佳璇 美術(shù)編輯 / 周游）