时间域航空电磁法研究进展综述

梁盛军，张力卡，曹学峰，刘前坤

(1.中国国土资源航空物探遥感中心，北京 100083;2.国土资源部航空地球物理与遥感地质重点实验室，北京 100083;3.山东省城乡建设勘察院，山东济南 250031)

1 仪器系统

时间域航空电磁法是以飞行器为载体，通过机载或在空中拖拽发射和接收装置进行探测的方法，是航空电磁法的一个重要分支。其原理是通过人工源激发，观测地下介质在供电及关断发射源后的电磁场响应，探测地下地质体的分布。时间域航空电磁法除了具有航空电磁法的一般特点，如效率高、使用地域广泛、操作灵活等特点外，还具有分辨率高、探测深度大的优势(Steuer et al.，2009)。时间域航空电磁系统应用比较广泛，目前已应用于矿产勘查、环境监测、海冰探测和地下管道探测等方面，有许多应用在找矿和地质填图方面的实例(Anderson et al.，1993)。国内有学者对直升机TEM系统的应用前景进行了分析，认为直升机同心系统发射装置结构简单、轻便，仪器分辨率高，是我国直升机TEM发展的首选方向，并且能够在矿产、水工环勘查中具有广泛的应用前景(王卫平等，2010)。

1948年加拿大试飞的航空电磁系统被认为是航空电磁法的开端。随着时间域航空电磁系统的问世，解释方法也逐步开展。2011年中国国土资源航空物探遥感中心(航遥中心)从加拿大引进了一套直升机时间域航空电磁系统，该系统已进行试生产飞行，取得良好效果。2012年，航遥中心依托863项目自主研制出吊舱式直升机航空电磁系统，该系统已经在野外试飞并通过中华人民共和国科技部验收，目前该系统仍处于改进阶段，已经成功采集大量野外试验数据。两套系统采集数据后，在了解国内外时间域航空电磁系统的解释方法发展的基础上，需要研究实测航空电磁数据处理、解释方法。

2 资料预处理

航空电磁数据一般需要进行预处理之后再进行正反演和解释。不同的航空电磁系统收录数据的格式各不相同，而且进行预处理后的数据格式也不同，一般包括去除一次场、滞后校正和抽道等(Leeming et al.，1999)。解释工作使用预处理之后的数据，需要解释人员对数据预处理过程有一定的了解。由于时间域航空电磁法数据量大，相应算法不成熟、正反演所需时间长，严重制约解释工作的开展，目前有学者对航空电磁异常筛选开展尝试工作(丁志强等，2012)。航空电磁数据预处理后需要进行解释才能最终成为可应用资料，解释工作包括数值模拟、反演、推断地质解释等工作。近几年来，开展了大量针对航空电磁的硬件和数据校正方面研究工作，主要集中在数据去噪、硬件姿态校正、补偿方法和数据模拟误差校正等(嵇艳鞠等，2011;王世隆等，2011;郑凯等，2010)，使得航空电磁的研究程度提高了许多，同时也为时间域航空电磁法在更多领域应用奠定了基础。

3 正反演研究

正反演算法的稳定性和计算速度是影响航空电磁法解释工作的重要因素，目前仍缺乏实用的正反演算法。

1962年Pemberton R H总结了航空电磁的发展和应用，并对当时应用的一些系统应用进行了说明(Pemberton，1962)。从此以后时间域航空电磁法大量应用于寻找硫化物矿产，并取得了成功。1969年Becker A模拟正弦波形激发生的航空电磁二次场响应(Becker et al.，1969)，同年 Nelson 和 Morrison 等人也做了相似的工作(Morrison et al.，1969;Nelson et al.，1969)，其工作都是针对已有航空电磁系统的理论计算，提出了不同特征异常体的采样时间应有差别对待。1976年，D.Gupta Sarma等使用瞬变电磁场场值而不是其对时间的导数来提高信噪比，预测此方法可以在探测深度和定量解释方面提高时间域航空电磁系统性能，提出非均质介质和抽道时间对解释有影响，增加接收线圈接收低频信号能力可以收录衰减慢的电磁信号(Sarma et al.，1976)。20世纪80年代，Becker A使用单匝线圈预测航空电磁系统在异常体上方的响应，将其预测结果使用Input时间域电磁系统进行测试，能够为航空电磁系统的发射时间参数选取提供可靠依据，但不推荐在复杂地质模型计算时使用(Becker et al.，1984)。1986年Lazenby P G和Becker A在一份报告中重新定义了Input航空电磁系统，将电磁系统中核心部件改进为数字收录和计算机数字处理，在成功改进并应用的基础上提出高速收录是系统改进性能的关键，数字收录系统能够提高航空电磁系统的探测深度(Lazenby et al.，1986)。Annan 等人从理论上分析了各种波形激发条件下简化、近似和有限电阻情况下的响应，并与GEOTEM系统在半空间良导体实测数据对比，结果表明发射机打开和发射机关闭时接收的数据对于地质体解释都有用(Annan et al.，1996)。

21世纪以来，时间域航空电磁法得到了更广泛的应用和更深入细致的研究。2000年，Lane R采用三维电导率成像方法对TEMPEST系统数据进行解释，得出了与地面电磁探测和钻探相近的结果(Lane et al.，2000)。2002 年，James E Reid 对航空电磁数据进行有限电阻模型模拟，通过数值模拟发现，增加电流强度能增加水平板状体的异常响应宽度，但不一定能增加其峰值幅度(Reid et al.，2002)。同年，Li Wei-dong在其博士学位论文中描述了时间域航空电磁法的模拟和反演方法，对二维和三维时间域反演算法进行了分析，开发出有限元法2.5维时间域航空电磁数值模拟算法(Li，2002)。2007年，Eldad Haber等人研究出时间域电磁法三维反演算法，其算法适用于地面、钻孔和航空电磁法，通过激发源的校正大大减少了模拟和反演的模型体积(Haber et al.，2007)。

此外，一些学者在航空电磁解释影响因素和校正方面也进行了研究。2001年，Richard S.Smith对比了航空电磁法、半航空电磁法(地面源空中接收)和地面电磁法反演结果，指出半航空电磁法具有航空和地面电磁法的优势。2005年，Sean Scrivens对直升机和固定翼时间域电磁法进行了比较，固定翼系统有较大的探测深度，直升机系统有较高的空间分辨率。S.W.Hefford详细论证了接收和发射线圈位置几何参数对探测体的影响，从收发距、高度和线圈形状在垂直板状体模型上方进行模拟，提出如果知道上述参数的准确值可以剔除其在二次场响应中的影响，该理论适用于所有的时间域航空电磁系统(Hefford et al.，2006)。此外，Anders 等对系统参数描述不清晰引起的模拟误差进行了分析(Christiansen et al.，2011)。

图1 SPECTREM系统反演结果对比图(Pare，2012)Fig.1 Comparison of inversion results of the SPECTREM system(after Pare，2012)

我国在时间域航空电磁法解释方面起步较晚，主要研究从20世纪80年代开始。1989年徐龙强应用Tridem系统在我国盐碱化地区寻找地下淡水取得了明显效果，证实了航空电磁系统的有效性(徐龙强，1989)。20世纪90年代以来，时间域航空电磁技术反演技术得到了快速发展。1990年黄皓平使用广义逆矩阵理论对时间域航空电磁数据进行反演，采用水平二层大地和球体模型为例进行了计算，需要几次迭代便可稳定收敛到真值，能够区分出重要参数和无关紧要参数，对于时间域航空电磁系统的设计、野外测量和资料解释具有重要的参考价值(黄皓平等，1990)。Huang在1991年使用阻尼最小二乘法反演吊舱式时间域航空电磁数据，通过INPUT系统实测数据测试，反演结果与钻探数据和电阻率法测量数据相符(Huang et al.，1991)。昌彦君等(1995)对电磁场从频率域转换到时间域的几种算法进行了比较，如果需要精确计算较晚期的响应，宜选用余弦变换多项式近似算法，但其耗时最长。罗延钟等(2003)给出了一种时间域航空电磁法一维正演数值算法，推导阶跃波激发情况下的电磁响应公式，对典型地电断面进行了计算，指出一维条件下航空瞬变电磁响应只决定于发射线圈和接收线圈高度之和，建议研究时间域航空电磁法全时域视电阻率算法及程序。

我国目前研究主要集中在简单模型的计算，对于实际工作中遇到的复杂模型反演工作缺乏有效的算法。

4 应用实例

航空电磁法已经有许多应用，但不同算法计算结果对比工作较少，与实际地质情况验证过的更少。国外学者Pare对时间域航空电磁法数据反演对比结果进行说明(Pare，2012)，能够对不同算法计算结果的差异进行对比参考。图1中a剖面为EMFlow软件计算电导率成像图结果，剖面反映测线中部地面高导异常体，异常体下方探测深度明显降低;图1中b剖面为SPECTREM计算电导率成像图，高导异常体范围小，异常体位置反映深度与两侧相同。图1中c剖面为3维反演结果，能够反映出多个高导异常体，对异常体的形态能够清晰地反映，且异常体在深度上收敛。图1中d剖面为1维反演结果，能够反映出3条断续的高导异常体，异常体沿测线变化大。对比四种反演方法可以发现，电导率成像与反演结果差异比较大，尤其是深度控制方面。三维反演能够在深度上得到收敛，而且更符合实际地质情况。2010年，李永兴等编制出方波激发条件下时间域航空电磁一维正反演程序，其算法比Zohdy算法反演具有更高的精度;指出在定量反演方法中，奥康姆反演方法适于电磁法的特点，其稳定性较高(李永兴，2010;李永兴等，2010)。图2中为三层模型反演算例，两种方式反演的结果形态和数值上都和真实模型相吻合，李永兴算法和Zohdy法的反演结果作了比较，其算法比Zohdy的算法反映深部地层的效果更好。2011年，周俊杰实现了航空瞬变电磁法的2.5维正演算法，在一定程度上解决了计算耗时过长的问题，建议将并行计算技术引入到航空瞬变电磁法正反演计算中(周俊杰，2011)。2012年，印红军编制出能够计算cole-cole模型的时间域航空电磁二维正演算法，文中引入cole-cole模型参数计算，能够突出模型的电磁场(印红军，2012)。航磁异常查证和解释方法为航空电磁法的解释和应用提供了重要的参考(杨海等，2013;余学中等，2011)。国内的航空电磁法实测数据解释方法需要不断研究完善。

图2 三层模型反演算例(据李永兴，2010)Fig.2 Inversion results of a 3－layer model(after Li，2010)

5 发展趋势

时间域航空电磁法已经得到了广泛的应用，包括寻找地下淡水、矿产勘探、未爆炸炮弹探测和环境监测等(徐龙强，1989;Wynn J，2002;Hashemi A et al.，2004;Vrbancich J et al.，2007;Okazaki K et al.，2011)。硬件系统研究日趋完善，数据处理和解释方法也在逐步探索中前进，在矿产勘查方面直升机时间域电磁系统已经逐步成为主流(Nabighian M N et al.，2005)。

目前我国时间域航空电磁工作开展少，解释工作仍在理论研究阶段，获取海量的实测数据能够为研究工作提供有利的支撑。笔者认为时间域航空电磁法有以下几个方向发展:

(1)更完善的仪器系统。减小噪声干扰，提取更多的有用信息。

(2)更有效的处理方法，有利于发现更小规模的异常体。

(3)开发出适合实际生产应用的稳定算法，能够适合航空电磁海量数据的正反演计算。

(4)更精细的解释方法。结合多源信息综合解释研究，加强与实际生产工作相结合，参考其它已有的航空物探方法解释手段，提高解释精度。

我国自主研制的时间域航空电磁系统已经成功试飞，引进的时间域航空电磁系统试生产工作逐步开展。随着生产工作大量开展，需要加强时间域航空电磁方法探索研究工作，以满足实际生产需求。

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