無人機(jī)航磁測量技術(shù)在滄州火山巖調(diào)查中的應(yīng)用

摘" 要：為了滿足國家重點(diǎn)工程在滄州東部沿海地區(qū)基巖選址需求，該文基于該區(qū)域火山巖及其磁性特征，結(jié)合1∶10萬無人機(jī)高精度航磁測量技術(shù)對火山巖分布進(jìn)行研究。通過對比研究多方法數(shù)據(jù)處理結(jié)果，針對實(shí)測航磁數(shù)據(jù)先利用剩余異常開展解析信號、正則化傾斜角處理大致圈定工作區(qū)中玄武巖、火山巖的范圍，最后結(jié)合磁場特征圈定火山通道。結(jié)果表明，在小山地區(qū)有6片玄武巖、香坊地區(qū)有6片強(qiáng)磁性玄武巖區(qū)和多片中等磁性火山巖區(qū)，且香坊地區(qū)的火山通道為長軸北東向展布的橢圓狀，中間為強(qiáng)磁性火山巖。

關(guān)鍵詞：滄州東部；航磁測量；火山巖；火山通道；調(diào)查

中圖分類號：P587" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）05-0163-06

Abstract： In order to meet the site selection needs of key national projects in the eastern coastal area of Cangzhou， this paper studied the distribution of volcanic rocks based on volcanic rocks and their magnetic characteristics in the area， combined with 1：100，000 drone high-precision aeromagnetic measurement technology. By comparing and studying the data processing results of multiple methods， based on the measured aeromagnetic data， the remaining anomalies are used to analyze the signals and regularize the tilt angle processing to roughly delineate the range of basalt and volcanic rocks in the work area， and finally the volcanic channel is delineated based on the characteristics of the magnetic field. The results show that there are 6 basalt sheets in the Xiaoshan area， 6 strong magnetic basalt sheets and multiple isomagnetic volcanic rock sheets in the Xiangfang area， and the volcanic channel in the Xiangfang area is elliptical with its long axis spreading in the northeast direction， with strong magnetic volcanic rocks in the middle.

Keywords： eastern Cangzhou; aeromagnetic survey; volcanic rock; volcanic channel; investigation

河北境內(nèi)第四紀(jì)火山巖主要分布在滄州、孟村-鹽山、海興-小山、海興南-大山及黃驊東部等地的更新世地層中[1-2]。其中除海興小山由基性火山碎屑巖組成及高出地表36 m的錐狀火山外，其余均隱伏于平原之下，層位較穩(wěn)定。由于國家重點(diǎn)工程選址需求，需要了解滄州東部的黃驊、海興、鹽山一帶隱伏火山巖分布情況[3]。

近年來，無人機(jī)航測技術(shù)憑借無人機(jī)體積小、機(jī)動靈活、易于操作等特點(diǎn)逐漸在工程應(yīng)用領(lǐng)域得到廣泛使用，成熟的數(shù)據(jù)校正和調(diào)平技術(shù)、航磁數(shù)據(jù)計(jì)算處理方法進(jìn)一步推動了無人機(jī)航測技術(shù)的大范圍應(yīng)用[4-6]。

因此，本文基于滄州東部既有巖石磁參數(shù)特征，結(jié)合1∶10萬無人機(jī)高精度航磁測量技術(shù)，對滄州東部地區(qū)進(jìn)行航磁數(shù)據(jù)采集并校正和調(diào)平，磁化極轉(zhuǎn)換、剩余異常提取、總水平梯度（THDR）和解析信號（ASM）計(jì)算、正則化傾斜角（R-Ta）處理等，對研究區(qū)域火山巖的分布范圍及玄武巖的邊界、火山通道的具體位置進(jìn)行了大致圈定，為工程選址、設(shè)計(jì)施工提供了重要的借鑒意義和參考價(jià)值。

1" 地質(zhì)及巖石磁參數(shù)特征

1.1" 區(qū)域地質(zhì)背景

針對滄州東部的研究區(qū)域（工作區(qū)）主要位于：華北地臺（Ⅰ）東北部的渤海灣裂陷盆地（Ⅱ）的中東部，跨黃驊坳陷（Ⅱ5）和埕寧－沙壘田隆起（Ⅱ6）2個(gè)三級構(gòu)造單元。

該地區(qū)除河北海興小山、山東無棣大山一帶、山東有第四紀(jì)火山巖出露地表外，其他全部為第四系覆蓋區(qū)的平原區(qū)。黃驊坳陷為古生界沉積巖基底，埕寧－沙壘田隆起為太古界變質(zhì)巖基底。

1.2" 巖石磁參數(shù)特征

巖石磁物性參數(shù)是航磁測量資料解釋的重要依據(jù)，巖石磁參數(shù)依靠收集前人的物性測量數(shù)據(jù)和項(xiàng)目實(shí)測磁參數(shù)為主。表1展示的是收集以往工作區(qū)域的巖石磁性參數(shù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[7-8]。從磁物性參數(shù)可以看出，工作區(qū)的重要磁性巖石主要是太古界的變質(zhì)巖和第四紀(jì)的火山巖。

對工作區(qū)鉆孔72段巖心實(shí)測巖石磁性參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見表2[9]。從實(shí)測巖心的磁化率可以看出致密塊狀玄武巖磁化率在（855～1 476）×10-5 SI，多數(shù)在1 100×10-5 SI以上。氣孔狀玄武巖磁化率在（330～1 715）×10-5 SI，孔大孔多的磁化率較小，孔小孔少的磁化率高。B7#孔的晶屑凝灰?guī)r磁化率在3 053×10-5 SI。BK02孔的沉火山角礫巖磁化率在（141～2 460）×10-5 SI，也具有較強(qiáng)的磁性。黏土、泥巖類巖石磁化率在25×10-5 SI以下，基本為無磁性。

從收集和實(shí)測巖石磁化率數(shù)據(jù)可以看出，工作區(qū)東南部為較強(qiáng)磁性的太古界變質(zhì)巖基底。第四紀(jì)玄武巖、火山角礫巖均與中新生界蓋層有明顯的磁性差異，這為在該區(qū)域開展航磁測量提供了物理基礎(chǔ)。

2" 無人機(jī)航磁測量技術(shù)

無人機(jī)作為全新的航空物探測量、遙感、測繪等設(shè)備的機(jī)載平臺，已逐步應(yīng)用于航磁、航放、航電、航空高光譜和航空遙感等領(lǐng)域。

隨著無人機(jī)載重的不斷提高，無人機(jī)航磁測量技術(shù)在機(jī)型的選擇，儀器設(shè)備的集成、小型化等方面都日漸成熟和完善。該項(xiàng)技術(shù)較常規(guī)的固定翼飛機(jī)、直升機(jī)等有人機(jī)航磁測量具有自動化程度高、小型輕便靈活、小范圍測量綜合成本較低的特點(diǎn)，尤其適合小范圍大比例尺航磁測量。

2.1" 無人機(jī)載平臺

本次無人機(jī)航空磁法測量機(jī)載平臺為圖1所示的CW-25E純電動垂直起降固定翼無人機(jī)。其采用固定翼結(jié)合四旋翼的復(fù)合翼布局的形式，兼具固定翼無人機(jī)航時(shí)長、速度快、載荷大、距離遠(yuǎn)、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)和旋翼無人機(jī)垂直起降的功能。在選定的無人機(jī)起降點(diǎn)起飛降落無需跑道，全程自主飛行，無需操作人員干預(yù)就可以完成巡航、飛行狀態(tài)轉(zhuǎn)換、垂直起降等飛行階段。

2.2" 航磁測量系統(tǒng)

如圖1所示的航磁測量采用垂起固定翼無人機(jī)探桿式硬連接航磁系統(tǒng)，包括銫光泵磁力儀（CS-VL）、收錄系統(tǒng)、雷達(dá)高度計(jì)、GPS導(dǎo)航系統(tǒng)、2.4G無線傳輸電臺、電源、數(shù)據(jù)采集器和磁通門等集成。該測量系統(tǒng)體積小、重量輕，且具備飛行時(shí)實(shí)時(shí)采集高精度磁測數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)記錄等功能。

3" 航磁數(shù)據(jù)處理

3.1" 數(shù)據(jù)校正與調(diào)平處理

根據(jù)無人機(jī)獲取到的航磁數(shù)據(jù)先進(jìn)行磁數(shù)據(jù)校正，包括地球正常磁場校正、飛行海拔高度校正、磁日變校正、方向差和延遲校正[10]。受到測量方向和高度等的影響，實(shí)測數(shù)據(jù)和校正后的測線數(shù)據(jù)在相鄰區(qū)域的測線方向往往呈現(xiàn)出“條帶狀”，還需進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)平。

調(diào)平方法采用切割線統(tǒng)調(diào)法，通過計(jì)算每條測線和切割線交點(diǎn)處的測量差值，將每條測線統(tǒng)一歸算到切割線水平。切割線調(diào)平后再利用微調(diào)平功能進(jìn)行網(wǎng)格數(shù)據(jù)的微調(diào)，校正及調(diào)平處理結(jié)果如圖2所示。

3.2" 航磁數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

航磁數(shù)據(jù)進(jìn)行校正和調(diào)平之后，進(jìn)一步對航磁數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，包括磁化極轉(zhuǎn)換、剩余異常提取、總水平梯度（THDR）和解析信號（ASM）計(jì)算以及正則化傾斜角（R-Ta）處理等。

3.2.1" 磁化極轉(zhuǎn)換

為消除斜磁化對磁性體的影響，對航磁數(shù)據(jù)進(jìn)行化極處理，化極參數(shù)為磁傾角57.1°、磁偏角-7.5°。圖3為工作區(qū)航磁異?；瘶O轉(zhuǎn)換后等值線平面圖，化極前后異常中心向北偏西移250 m左右。

3.2.2" 剩余異常提取

航磁剩余異常提取是去除背景場突出淺部磁性體航磁異常信息比較常用的方法之一。而小波變換與帶通濾波能較好地分離出斷陷內(nèi)火山巖引起的磁異常，通過帶通濾波提取的磁異常與鉆遇火山巖的鉆井位置吻合度較為高[11]。

4" 工作區(qū)火山巖推斷

4.1" 火山巖分布范圍

根據(jù)地質(zhì)概況和巖石磁性特征分析可知，工作區(qū)內(nèi)的火山巖主要為第四紀(jì)火山巖，分布于更新世地層中，并且第四紀(jì)玄武巖、火山角礫巖均與中新生界蓋層有明顯的磁性差異，屬接近地表的淺部磁性體。

選擇合適的濾波窗口對工作區(qū)航磁數(shù)據(jù)進(jìn)行帶通濾波處理，除掉地表磁高頻干擾信息和深部磁性基底的磁低頻信息后提取的剩余異常，基本上是淺部火山巖引起的磁異常信息。根據(jù)對剩余異常進(jìn)行解析信號（ASM）、正則化斜傾角（R-Ta）處理結(jié)果可以圈定工作區(qū)火山巖的分布范圍及玄武巖的邊界。

由利用航磁解析信號圈定的火山巖分布區(qū)圖（圖8）可以看出，第四系火山巖主要分布在測區(qū)東南部的羊二莊-海興-趙毛陶鄉(xiāng)-高灣鎮(zhèn)以東地區(qū)。與收集以往見火山巖機(jī)井資料位置對比分析，見到較厚的火山巖機(jī)井如海農(nóng)3、滄14、滄16、滄13、海農(nóng)9、海農(nóng)6、8-17和黃農(nóng)10等位置基本在圈定的火山巖區(qū)范圍內(nèi)或邊部。由于海2、海農(nóng)5、海農(nóng)4、黃農(nóng)3和黃6僅見到薄層火山巖，磁性層體規(guī)模小引起的航磁異常也比較弱，其位置位于ASM圈定的異常區(qū)外。由此也可以看出，ASM異常圈定的火山巖是具有一定規(guī)模和厚度的火山巖分布區(qū)。

另外，測區(qū)西南部的鹽山縣至趙毛陶鄉(xiāng)區(qū)域有鹽山縣城建筑物、北西向高壓線塔及風(fēng)力發(fā)電風(fēng)車的干擾，這些地表干擾物引起的強(qiáng)磁異常即使采取了高通濾波也很難消除，但從圈定的大范圍異常分析，也不排除該區(qū)域有火山巖分布。在測區(qū)的中部及北部有4片工業(yè)園區(qū)存在工業(yè)建筑物干擾，但在8-17井至黃農(nóng)10井區(qū)域可以確定有火山巖分布，只是受工業(yè)園區(qū)的干擾因素，其范圍會有不準(zhǔn)確性。

4.2" 玄武巖邊界圈定

從剩余磁異常正則化斜傾角（R-Ta）處理結(jié)果（圖7）可知，利用R-Ta零值線圈定玄武巖分布區(qū)域，除北部和西南部的地表磁干擾區(qū)外，測區(qū)的玄武巖主要有3片分布區(qū)，分別是小泊頭鎮(zhèn)東部的大山玄武巖、小山鄉(xiāng)附近的玄武巖和香坊鄉(xiāng)附近的玄武巖。其中，大山玄武巖和小山玄武巖在地表局部有出露。香坊鄉(xiāng)附近的玄武巖為本次航磁測量新發(fā)現(xiàn)的隱伏玄武巖區(qū)。

大山附近僅在碣石山風(fēng)景區(qū)有玄武巖出露，而利用航磁R-Ta零值線圈定玄武巖的范圍比出露的范圍要大，呈規(guī)則的圓形直徑接近2 km。沿玄武巖外航磁R-Ta呈現(xiàn)明顯的環(huán)狀負(fù)值區(qū)，推測為大山火山巖區(qū)的火山通道位置。圍高灣鎮(zhèn)至小泊頭鎮(zhèn)周圍航磁R-Ta零值線圈定磁性體，推測為該區(qū)域基底磁性層的邊界范圍（如圖9所示）。

小山鄉(xiāng)西側(cè)地表有火山巖出露，巖性為凝灰?guī)r、凝灰砂巖、凝灰角礫巖，呈層狀產(chǎn)出實(shí)測巖石磁化率在（38～72）×10-5 SI，局部凝灰角礫巖磁化率可達(dá)100×10-5SI以上，大部分為弱磁性層（見表1）。該區(qū)域利用航磁R-Ta零值線圈定出6片玄武巖區(qū)，主要分布在小山鄉(xiāng)的西南側(cè)和南側(cè)（如圖10所示）。該區(qū)域最大的Ⅰ號玄武巖區(qū)位于小山鄉(xiāng)西側(cè)，呈西寬東窄的帶狀，東西長約5 km，寬約1～1.6 km，面積約5.6 km2。推測玄武巖厚度較大，頂面埋深較淺。李良志村東側(cè)Ⅱ號玄武巖區(qū)呈橢圓形，東西長約2 km，南北寬約1.5 km，面積約2 km2，推測其頂面埋深與Ⅰ號玄武巖區(qū)接近。在南部還分布有4片玄武巖區(qū)，推測其厚度較北側(cè)玄武巖較薄，頂面埋深較深。資料顯示，該區(qū)域中李村附近海農(nóng)3、滄14號機(jī)井在鉆井施工中見到了隱伏于地下的火山巖，巖性主要是玄武巖、凝灰?guī)r。海農(nóng)3、滄14號機(jī)井位置基本位于Ⅲ號和Ⅳ玄武巖區(qū)邊界附近，由此也證明圈定的玄武巖范圍較為可靠。

香坊鄉(xiāng)西北側(cè)地表全部為第四系覆蓋區(qū)，從收集的地質(zhì)資料可知該區(qū)域基底為太古界變質(zhì)巖基底，航磁測量以正磁背景場為主，其上疊加了由第四系火山巖（玄武巖、凝灰?guī)r、凝灰角礫巖）引起的局部磁異常，求取剩余磁異常發(fā)現(xiàn)火山巖分布較為集中分布區(qū)域，利用航磁R-Ta零值線圈定出6片較為明顯的玄武巖區(qū)和多片火山巖分布區(qū)段（如圖11所示）。在劉莊子北部區(qū)域，圈定出的大范圍放磁性體推測為基底強(qiáng)磁性體。該區(qū)域最大的Ⅰ號玄武巖區(qū)位于邊莊西北側(cè)，呈西北東向展布的橢圓狀，長約3.5 km，寬約1.5 km，面積約4.7 km2，推測玄武巖厚度較大，頂面埋深較淺。經(jīng)實(shí)際鉆探驗(yàn)證，在埋深30 m處見玄武巖。參照大山已知玄武巖的航磁R-Ta特征，沿玄武巖外圍航磁R-Ta呈現(xiàn)明顯的環(huán)狀負(fù)值區(qū)，推測為該火山巖區(qū)的火山通道位置。

劉莊子北側(cè)圈定的Ⅱ號玄武巖區(qū)呈圓形，直徑約2 km，面積約2.6 km2，推測其為疊加在強(qiáng)磁性基底之上的玄武巖區(qū)。香坊鄉(xiāng)西北側(cè)圈定的Ⅲ號玄武巖區(qū)內(nèi)的海農(nóng)9號機(jī)井在鉆井施工中見到了隱伏于地下的火山巖。在青先農(nóng)場東側(cè)的Ⅳ號及趙高莊東側(cè)圈定的Ⅴ、Ⅵ號3片玄武巖區(qū)，推測玄武頂面埋深較深，圈定的范圍可能包括一些凝灰角礫巖。除此以外，圈定的范圍推測有火山巖（玄武巖、凝灰?guī)r、凝灰角礫巖和凝灰質(zhì)砂巖等）分布的區(qū)段，火山巖的厚度可能較薄。

5" 結(jié)論

本文基于高精度無人機(jī)航磁測量技術(shù)，對航磁數(shù)據(jù)進(jìn)行校正和調(diào)平后，再分別進(jìn)行磁化極轉(zhuǎn)換，采用巴特沃斯帶通濾波方法對航磁剩余異常信息進(jìn)行提取，對剩余異常進(jìn)行正則化傾斜角處理。

對地表高頻磁干擾信號和深部磁性基底的低頻磁信號進(jìn)行不同程度的消減，有效突出了淺部第四紀(jì)火山巖的航磁異常特征。圈定出了工作區(qū)中等磁性火山巖及強(qiáng)磁性玄武巖的范圍，在小山地區(qū)圈定玄武巖6片，香坊地區(qū)圈定6片強(qiáng)磁性玄武巖區(qū)和多片中等磁性火山巖區(qū)。結(jié)合大山出露玄武巖及火山通道的磁場特征，大致圈定了香坊地區(qū)火山通道位置及范圍：香坊地區(qū)的火山通道為長軸北東向展布的橢圓狀，中間為強(qiáng)磁性火山巖。

本次航磁測量采用1∶10萬比例尺，測線間距較大，對火山巖區(qū)解釋精度存在一定影響，今后將重點(diǎn)開展1∶1萬無人機(jī)航磁測量及三維反演，進(jìn)一步探究玄武巖等火山巖的空間分布特征。

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