無人機航空磁測在灘涂區(qū)地質(zhì)調(diào)查的應用試驗

西永在,吳珊,廖桂香,劉俊杰,路寧,李永博

(1.中國地質(zhì)科學院 地球物理地球化學勘查研究所，河北 廊坊 065000； 2.自然資源部 地球物理電磁法探測技術(shù)重點實驗室，河北 廊坊 065000；3.國家現(xiàn)代地質(zhì)勘查工程技術(shù)研究中心，河北 廊坊 065000)

0 引言

無人機航磁測量具有部署便捷、應用成本低、智能化、高效率、高精度等特點，目前已經(jīng)成為了航空物探測量技術(shù)的一個新興分支，其研發(fā)與應用日益受到世界各航空地球物理公司和單位的廣泛關(guān)注。如：2003年英國Magsurvey公司研發(fā)的PrionUAV航磁系統(tǒng)；2004年荷蘭Fugro公司在Insitu公司的協(xié)助下，改裝了掃描鷹無人機Georanger-Ⅰ型高精度無人機航磁系統(tǒng)；2005年加拿大萬能翼地球物理公司利用Venturer型無人機，集成銫光泵磁力儀形成無人機航磁系統(tǒng)；德國MGT公司利用無人直升機MD4-1000型搭載小型化磁通門磁力儀，應用于UXO及滑坡探測；2012年日本發(fā)展了多款基于無人直升機平臺的航磁系統(tǒng)，取得一定效果[1-9]。國內(nèi)相對起步較晚，2008年至2011年間，中船重工715所、中國科學院遙感與數(shù)字地球研究所、中國自然資源航空物探遙感中心以及勞雷工業(yè)公司等單位先后開展了基于固定翼無人機航磁測量技術(shù)的研究工作，均取得了一定研究成果，但未見應用于實際測量；2012年北京大學等多家單位也開展了這方面的專題研究，取得了一定量的實驗數(shù)據(jù)，但未得到推廣應用；桔燈勘探公司開展的基于多旋翼無人機搭載磁通門磁力儀系統(tǒng)，質(zhì)量輕但精度較低。

2013年，中國地質(zhì)科學院地球物理地球化學勘查研究所(簡稱物化探所)突破了無人機系統(tǒng)集成、磁補償?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)難題，成功將航磁儀搭載于CH-3型無人機平臺上，集成了我國首臺國產(chǎn)中型無人機航磁測量系統(tǒng)[10]，并在黑龍江多寶山、新疆克拉瑪依、喀什不同地形地區(qū)，開展了多種類型的地質(zhì)調(diào)查應用示范工作，數(shù)據(jù)質(zhì)量優(yōu)秀，取得了良好的地質(zhì)效果[11-12]。

在新時代條件下，海岸帶地質(zhì)調(diào)查工作被越來越重視，物化探所在江蘇試點灘涂區(qū)的海陸結(jié)合帶開展了CH-3型無人機航磁測量工作，通過對原有無人機航磁測量系統(tǒng)改進，為海陸對接帶地質(zhì)調(diào)查提供有效技術(shù)支撐，提高了測量效率及測量精度等，并在人文建設、區(qū)域性斷裂空間展布、磁性基底分布等方面取得了良好的效果。

1 CH-3型無人機航磁測量系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)組成

CH-3型無人機是一款國產(chǎn)中型無人機，也是目前國內(nèi)為數(shù)不多的較為成熟機型，其有效載荷可達160 kg，航程約1 600 km，巡航速度在170～200 km/h，磁場干擾低于10 nT，并且發(fā)動機性能及測控系統(tǒng)可靠性強，具有超低空飛行能力，適合開展航磁測量工作。

由物化探所自主研發(fā)的基于CH-3型無人機航磁測量系統(tǒng)主要由無人機平臺、地面測控系統(tǒng)、磁探頭、航磁補償及收錄儀組成(圖1)，該系統(tǒng)具有測量精度高、全自主飛行、遠程監(jiān)控等優(yōu)勢。經(jīng)過具體測試及驗證，磁探頭安裝在該飛機翼尖水滴形整流罩內(nèi)，此處磁場梯度最小(即磁場干擾最弱)，航磁補償及收錄儀位于機艙中部機腹內(nèi)。地面測控站通過通信軟件全程監(jiān)控無人機飛行過程，同時實時監(jiān)測航磁數(shù)據(jù)質(zhì)量。

圖1 CH-3型無人機航磁測量系統(tǒng)Fig.1 The CH-3 UAV aeromagnetic system

1.2 灘涂區(qū)測量系統(tǒng)改進

灘涂區(qū)測量范圍包括陸地、海岸結(jié)合帶和部分海域地區(qū)，測量范圍廣，為提高測量效率，需要盡可能提升無人機作業(yè)半徑，同時針對灘涂區(qū)開發(fā)的特殊性，需開展大比例尺、高精度航磁測量工作，這也需要優(yōu)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理軟件等，以滿足測量要求，因此，需要對現(xiàn)有無人機航磁測量系統(tǒng)進行改進提升。

1) 在無線電測控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，制定了無人機載航空磁力儀衛(wèi)星測控通訊協(xié)議，集成研發(fā)了一套基于海事衛(wèi)星和無線電雙測控模式的無人機航空磁測系統(tǒng)，在國內(nèi)首次成功應用于灘涂區(qū)航磁測量。該技術(shù)大幅度提升了無人機作業(yè)半徑，降低了人員和設備需求，為在地面測控站難以抵近的灘涂區(qū)作業(yè)提供了切實可行的解決方案。系統(tǒng)接口關(guān)系圖如圖2。

2) 通過改進完善數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理軟件，實現(xiàn)了無人機差分GPS定位數(shù)據(jù)同步采集和處理，定位數(shù)據(jù)刷新率由1 Hz提高至5 Hz，提高了定位精度和數(shù)據(jù)密度。通過該項改進，進一步提高了無人機航空電磁系統(tǒng)的電磁兼容性，簡化了系統(tǒng)硬件，降低了故障率。

3) 新系統(tǒng)通過改進接口硬件電路、測控軟件以及數(shù)據(jù)處理軟件，可以實現(xiàn)DAARC500和AARC510等不同型號、尺寸的航磁數(shù)據(jù)采集、收錄及實時補償系統(tǒng)的搭載能力，提高了系統(tǒng)集成靈活性。

4) 在磁總場測量系統(tǒng)基礎(chǔ)上，集成研發(fā)了無人機水平橫向梯度測量系統(tǒng)，成功開展了航磁梯度補償，并首次在灘涂區(qū)開展了應用實驗。

2 試點灘涂區(qū)地質(zhì)調(diào)查應用

2.1 試點灘涂區(qū)概況及測量質(zhì)量

試點灘涂區(qū)位于江蘇省南通市如東縣小洋口港附近，距離鹽城南洋國際機場約125 km，設計面積250 km2。試點區(qū)陸地部分約占1/3，灘涂及極淺海約占2/3，地形最大落差在20 m以內(nèi)，但是由于灘涂區(qū)的開發(fā)利用中建設有大量風車，為保證飛行安全，設計飛行高度為210 m，測量比例尺1∶2.5萬。本次測量平均飛行高度210 m，測網(wǎng)疏密度250±3.8 m，動態(tài)噪聲一級資料占比93.66%，總精度為2.51 nT，飛行和數(shù)據(jù)質(zhì)量優(yōu)秀[13]。

圖2 海事衛(wèi)星通訊測控系統(tǒng)接口關(guān)系Fig.2 Interface diagram of maritime satellite communication measurement and control system

2.2 地質(zhì)概況及磁性特征

實驗區(qū)位于海岸帶灘涂區(qū)，全區(qū)均為第四系和新近系厚覆蓋，第四系底界面埋深約為280～300 m。300 m以深最上部地層為新近系鹽城組灰綠色、棕黃色亞黏土夾粉砂巖、中粗砂，該地層頂部為棕黃、灰黃色夾灰綠色亞黏土(硬土層)，約10～15 m厚，是長江三角洲地區(qū)第四系與新近系地層分界標志層。該區(qū)位于環(huán)太平洋中新生代巖漿活動帶上，是長江中下游巖漿活動帶的東延部分，大致分為中生代燕山期和新生代喜馬拉雅期，中生代巖漿巖以中酸性—酸性侵入巖和中性火山巖為主；新生代巖漿巖以玄武巖為主。

第四系和新近系地層沉積巖屬于弱磁或無磁性層，且比較均勻。根據(jù)以往小比例尺航磁成果報告，侵入巖具有磁性且磁性較穩(wěn)定，磁場圖上呈平穩(wěn)升高的磁場特征；而中新生代火山巖磁化率變化范圍大，(如玄武巖磁化率均值(680～2 670)×4π×10-6SI、安山巖磁化率均值(155～3 410)×4π×10-6SI)，磁場圖上表現(xiàn)為雜亂異常特征。

斷裂構(gòu)造主要有兩條，分別是NW向的蹲門口—長沙港斷裂和NE向的栟茶斷裂，但是栟茶斷裂的位置及走向、展布等一直存在爭議。

圖3 江蘇沿岸灘涂區(qū)構(gòu)造及巖漿巖分布Fig.3 Structure and magmatic rock distribution map of coastal tidal flats in Jiangsu province

2.3 航磁局部異常及隱伏巖體

實驗區(qū)的范圍較小，磁場總體上呈北正南負的平穩(wěn)場特征，夾雜呈規(guī)律排列的單點高值異常及洋口鎮(zhèn)周邊的雜亂高值異常。經(jīng)地面查證，洋口鎮(zhèn)周邊的雜亂高值異常主要為洋口鎮(zhèn)建筑物的反映，呈規(guī)律排列的C-2018-1至C-2018-7局部異常是由灘涂區(qū)及海域中的發(fā)電風車所引起。局部異常C-2018-8在航磁ΔT剖面圖上呈線狀微弱正異常，而在航磁ΔT化極水平總梯度模量圖上表現(xiàn)為明顯線狀正負異常，推斷該異常為發(fā)電風車向洋口鎮(zhèn)輸送電力的傳輸電纜所引起(圖4)。

在洋口鎮(zhèn)附近有溫泉存在，由于溫泉的形成與巖漿熱液活動密切相關(guān)，并且根據(jù)1∶2.5 萬區(qū)調(diào)報告記錄該區(qū)西部分布有新近紀玄武巖，通過歐拉反褶積對磁性基底深度的計算(圖5)，共圈定C-2018-9至C-2018-12四處隱伏巖體，分析可能為玄武巖或中基性巖漿巖，最淺埋深約在2.1 km。

2.4 航磁推斷地質(zhì)構(gòu)造

2.4.1 推斷斷裂構(gòu)造

全區(qū)共推斷斷裂構(gòu)造3條，以NW向為主，近似平行分布(圖5)。推斷斷裂F1與已知的蹲門口—長沙港斷裂所在位置基本一致，該斷裂可能為蘇北盆地和南黃海盆地的分界斷裂，從地質(zhì)資料分析，南黃海古近紀與新近紀深斷陷盆地長軸為NW向，與蘇北海岸平行方向還存在新近系800～1 200 m陡坡，該陡坡可能是古近紀及新近紀南黃海拉張盆地的邊緣斷裂，與南黃海中央斷裂同期形成。蘇北NW走向的海岸可能是這條斷裂第四紀以來活動的反映。據(jù)徐映深等研究[14]，沿該斷裂地震明顯呈帶狀分布，證實其為一條燕山晚期至喜馬拉雅早期強烈活動，并在近期仍有活動的區(qū)域性斷裂。

a—航磁ΔT剖面；b—航磁ΔT化極水平總梯度模量a—aeromagnetic section diagram on the left;b—overall modulus diagram of aeromagnetic pole level on the right圖4 江蘇沿巖灘涂實驗區(qū)航磁從測量結(jié)果Fig.4 Aeromagnetic map of coastal tidal flats of Jiangsu Province

圖5 江蘇沿岸灘涂區(qū)磁性基底深度推斷構(gòu)造Fig.5 Inferred structural map of magnetic basement depth in beach area along Jiangsu coast

推斷斷裂F2具有明顯的隱伏巖體線性截止帶，斷裂帶以西磁性體分布密集，以東則明顯減少。推斷斷裂F3的空間展布位置與該區(qū)的地熱資源息息相關(guān)，可能為與栟茶斷裂近似平行的分支斷裂。

2.4.2 磁性界面分布

實驗區(qū)內(nèi)磁性界面深度由WS至EN方向逐漸變深，深度由約2.1 km逐漸過渡到7.3 km。洋口鎮(zhèn)有溫泉度假村，溫泉的形成一般與巖漿熱液活動有關(guān)，可能是底部有巖漿熱液活動形成的中基性火山巖存在，同時由以往磁性推斷結(jié)果也可驗證，測區(qū)西南部為中基性火山巖分布區(qū)，這也是磁性界面較淺(2.1 km以淺)的原因(圖5)。

3 結(jié)論

我國自主研發(fā)的無人機航磁測量系統(tǒng)近些年已經(jīng)應用到了多種地形的測量之中，在地質(zhì)填圖、區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造研究、礦產(chǎn)勘查以及圈定儲油構(gòu)造等方面取得了良好的地質(zhì)效果，此次灘涂區(qū)的測量示范工作使得該系統(tǒng)得到進一步的改進和完善，同時擴展了該系統(tǒng)的應用領(lǐng)域。

3.1 技術(shù)

海事衛(wèi)星和無線電雙測控系統(tǒng)的實用化成功，標志著該系統(tǒng)具備了超遠距離精準測控能力，可深入海洋、沙漠等測控車無法抵達的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)遠距離、高精度的測量工作；航磁系統(tǒng)實現(xiàn)差分GPS定位數(shù)據(jù)同步采集和處理，達到5 Hz刷新率，有效提高大比例尺測量的定位精度；優(yōu)化接口電路、測控軟件和數(shù)據(jù)處理等軟硬件，實現(xiàn)不同類型航空磁力儀搭載能力，提高系統(tǒng)集成靈活度，并可根據(jù)需要實現(xiàn)水平橫向梯度測量。

3.2 應用

本次灘涂區(qū)測量實驗工作采用1∶2.5萬的大比例尺進行測量，測網(wǎng)疏密度250±3.8 m，一級動態(tài)噪聲資料占比達93.66%，測量精度高。

航磁異常能有效圈定灘涂區(qū)地表發(fā)電風車位置，以及淺層輸電線纜的埋藏位置；圈定隱伏巖體及其最淺埋藏深度；小面積測量可以推斷斷裂構(gòu)造所在位置，以及磁性界面深度分布等。這些成果表明，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)大比例尺、高精度的測量工作，可以為灘涂區(qū)提供基礎(chǔ)地質(zhì)、工程地質(zhì)等資料，特別是準確獲得磁性界面深度特征和淺部地層內(nèi)人工開發(fā)利用信息，可廣泛用于灘涂區(qū)開發(fā)利用、重要工程選址等用途?？傊敬螢┩繀^(qū)應用實驗為今后該系統(tǒng)在沿海地區(qū)大規(guī)模應用積累了寶貴經(jīng)驗，為我國海岸帶開發(fā)利用的基礎(chǔ)調(diào)查工作增添了新手段。