无人机航磁测量技术在沧州火山岩调查中的应用

摘" 要：为了满足国家重点工程在沧州东部沿海地区基岩选址需求，该文基于该区域火山岩及其磁性特征，结合1∶10万无人机高精度航磁测量技术对火山岩分布进行研究。通过对比研究多方法数据处理结果，针对实测航磁数据先利用剩余异常开展解析信号、正则化倾斜角处理大致圈定工作区中玄武岩、火山岩的范围，最后结合磁场特征圈定火山通道。结果表明，在小山地区有6片玄武岩、香坊地区有6片强磁性玄武岩区和多片中等磁性火山岩区，且香坊地区的火山通道为长轴北东向展布的椭圆状，中间为强磁性火山岩。

关键词：沧州东部；航磁测量；火山岩；火山通道；调查

中图分类号：P587" " " 文献标志码：A" " " " " 文章编号：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

河北境内第四纪火山岩主要分布在沧州、孟村-盐山、海兴-小山、海兴南-大山及黄骅东部等地的更新世地层中[1-2]。其中除海兴小山由基性火山碎屑岩组成及高出地表36 m的锥状火山外，其余均隐伏于平原之下，层位较稳定。由于国家重点工程选址需求，需要了解沧州东部的黄骅、海兴、盐山一带隐伏火山岩分布情况[3]。

近年来，无人机航测技术凭借无人机体积小、机动灵活、易于操作等特点逐渐在工程应用领域得到广泛使用，成熟的数据校正和调平技术、航磁数据计算处理方法进一步推动了无人机航测技术的大范围应用[4-6]。

因此，本文基于沧州东部既有岩石磁参数特征，结合1∶10万无人机高精度航磁测量技术，对沧州东部地区进行航磁数据采集并校正和调平，磁化极转换、剩余异常提取、总水平梯度（THDR）和解析信号（ASM）计算、正则化倾斜角（R-Ta）处理等，对研究区域火山岩的分布范围及玄武岩的边界、火山通道的具体位置进行了大致圈定，为工程选址、设计施工提供了重要的借鉴意义和参考价值。

1" 地质及岩石磁参数特征

1.1" 区域地质背景

针对沧州东部的研究区域（工作区）主要位于：华北地台（Ⅰ）东北部的渤海湾裂陷盆地（Ⅱ）的中东部，跨黄骅坳陷（Ⅱ5）和埕宁－沙垒田隆起（Ⅱ6）2个三级构造单元。

该地区除河北海兴小山、山东无棣大山一带、山东有第四纪火山岩出露地表外，其他全部为第四系覆盖区的平原区。黄骅坳陷为古生界沉积岩基底，埕宁－沙垒田隆起为太古界变质岩基底。

1.2" 岩石磁参数特征

岩石磁物性参数是航磁测量资料解释的重要依据，岩石磁参数依靠收集前人的物性测量数据和项目实测磁参数为主。表1展示的是收集以往工作区域的岩石磁性参数统计数据[7-8]。从磁物性参数可以看出，工作区的重要磁性岩石主要是太古界的变质岩和第四纪的火山岩。

对工作区钻孔72段岩心实测岩石磁性参数进行统计，见表2[9]。从实测岩心的磁化率可以看出致密块状玄武岩磁化率在（855～1 476）×10-5 SI，多数在1 100×10-5 SI以上。气孔状玄武岩磁化率在（330～1 715）×10-5 SI，孔大孔多的磁化率较小，孔小孔少的磁化率高。B7#孔的晶屑凝灰岩磁化率在3 053×10-5 SI。BK02孔的沉火山角砾岩磁化率在（141～2 460）×10-5 SI，也具有较强的磁性。黏土、泥岩类岩石磁化率在25×10-5 SI以下，基本为无磁性。

从收集和实测岩石磁化率数据可以看出，工作区东南部为较强磁性的太古界变质岩基底。第四纪玄武岩、火山角砾岩均与中新生界盖层有明显的磁性差异，这为在该区域开展航磁测量提供了物理基础。

2" 无人机航磁测量技术

无人机作为全新的航空物探测量、遥感、测绘等设备的机载平台，已逐步应用于航磁、航放、航电、航空高光谱和航空遥感等领域。

随着无人机载重的不断提高，无人机航磁测量技术在机型的选择，仪器设备的集成、小型化等方面都日渐成熟和完善。该项技术较常规的固定翼飞机、直升机等有人机航磁测量具有自动化程度高、小型轻便灵活、小范围测量综合成本较低的特点，尤其适合小范围大比例尺航磁测量。

2.1" 无人机载平台

本次无人机航空磁法测量机载平台为图1所示的CW-25E纯电动垂直起降固定翼无人机。其采用固定翼结合四旋翼的复合翼布局的形式，兼具固定翼无人机航时长、速度快、载荷大、距离远、结构稳定、可靠性高的优点和旋翼无人机垂直起降的功能。在选定的无人机起降点起飞降落无需跑道，全程自主飞行，无需操作人员干预就可以完成巡航、飞行状态转换、垂直起降等飞行阶段。

2.2" 航磁测量系统

如图1所示的航磁测量采用垂起固定翼无人机探杆式硬连接航磁系统，包括铯光泵磁力仪（CS-VL）、收录系统、雷达高度计、GPS导航系统、2.4G无线传输电台、电源、数据采集器和磁通门等集成。该测量系统体积小、重量轻，且具备飞行时实时采集高精度磁测数据及数据记录等功能。

3" 航磁数据处理

3.1" 数据校正与调平处理

根据无人机获取到的航磁数据先进行磁数据校正，包括地球正常磁场校正、飞行海拔高度校正、磁日变校正、方向差和延迟校正[10]。受到测量方向和高度等的影响，实测数据和校正后的测线数据在相邻区域的测线方向往往呈现出“条带状”，还需进行数据调平。

调平方法采用切割线统调法，通过计算每条测线和切割线交点处的测量差值，将每条测线统一归算到切割线水平。切割线调平后再利用微调平功能进行网格数据的微调，校正及调平处理结果如图2所示。

3.2" 航磁数据转换

航磁数据进行校正和调平之后，进一步对航磁数据进行转换处理，包括磁化极转换、剩余异常提取、总水平梯度（THDR）和解析信号（ASM）计算以及正则化倾斜角（R-Ta）处理等。

3.2.1" 磁化极转换

为消除斜磁化对磁性体的影响，对航磁数据进行化极处理，化极参数为磁倾角57.1°、磁偏角-7.5°。图3为工作区航磁异常化极转换后等值线平面图，化极前后异常中心向北偏西移250 m左右。

3.2.2" 剩余异常提取

航磁剩余异常提取是去除背景场突出浅部磁性体航磁异常信息比较常用的方法之一。而小波变换与带通滤波能较好地分离出断陷内火山岩引起的磁异常，通过带通滤波提取的磁异常与钻遇火山岩的钻井位置吻合度较为高[11]。

4" 工作区火山岩推断

4.1" 火山岩分布范围

根据地质概况和岩石磁性特征分析可知，工作区内的火山岩主要为第四纪火山岩，分布于更新世地层中，并且第四纪玄武岩、火山角砾岩均与中新生界盖层有明显的磁性差异，属接近地表的浅部磁性体。

选择合适的滤波窗口对工作区航磁数据进行带通滤波处理，除掉地表磁高频干扰信息和深部磁性基底的磁低频信息后提取的剩余异常，基本上是浅部火山岩引起的磁异常信息。根据对剩余异常进行解析信号（ASM）、正则化斜倾角（R-Ta）处理结果可以圈定工作区火山岩的分布范围及玄武岩的边界。

由利用航磁解析信号圈定的火山岩分布区图（图8）可以看出，第四系火山岩主要分布在测区东南部的羊二庄-海兴-赵毛陶乡-高湾镇以东地区。与收集以往见火山岩机井资料位置对比分析，见到较厚的火山岩机井如海农3、沧14、沧16、沧13、海农9、海农6、8-17和黄农10等位置基本在圈定的火山岩区范围内或边部。由于海2、海农5、海农4、黄农3和黄6仅见到薄层火山岩，磁性层体规模小引起的航磁异常也比较弱，其位置位于ASM圈定的异常区外。由此也可以看出，ASM异常圈定的火山岩是具有一定规模和厚度的火山岩分布区。

另外，测区西南部的盐山县至赵毛陶乡区域有盐山县城建筑物、北西向高压线塔及风力发电风车的干扰，这些地表干扰物引起的强磁异常即使采取了高通滤波也很难消除，但从圈定的大范围异常分析，也不排除该区域有火山岩分布。在测区的中部及北部有4片工业园区存在工业建筑物干扰，但在8-17井至黄农10井区域可以确定有火山岩分布，只是受工业园区的干扰因素，其范围会有不准确性。

4.2" 玄武岩边界圈定

从剩余磁异常正则化斜倾角（R-Ta）处理结果（图7）可知，利用R-Ta零值线圈定玄武岩分布区域，除北部和西南部的地表磁干扰区外，测区的玄武岩主要有3片分布区，分别是小泊头镇东部的大山玄武岩、小山乡附近的玄武岩和香坊乡附近的玄武岩。其中，大山玄武岩和小山玄武岩在地表局部有出露。香坊乡附近的玄武岩为本次航磁测量新发现的隐伏玄武岩区。

大山附近仅在碣石山风景区有玄武岩出露，而利用航磁R-Ta零值线圈定玄武岩的范围比出露的范围要大，呈规则的圆形直径接近2 km。沿玄武岩外航磁R-Ta呈现明显的环状负值区，推测为大山火山岩区的火山通道位置。围高湾镇至小泊头镇周围航磁R-Ta零值线圈定磁性体，推测为该区域基底磁性层的边界范围（如图9所示）。

小山乡西侧地表有火山岩出露，岩性为凝灰岩、凝灰砂岩、凝灰角砾岩，呈层状产出实测岩石磁化率在（38～72）×10-5 SI，局部凝灰角砾岩磁化率可达100×10-5SI以上，大部分为弱磁性层（见表1）。该区域利用航磁R-Ta零值线圈定出6片玄武岩区，主要分布在小山乡的西南侧和南侧（如图10所示）。该区域最大的Ⅰ号玄武岩区位于小山乡西侧，呈西宽东窄的带状，东西长约5 km，宽约1～1.6 km，面积约5.6 km2。推测玄武岩厚度较大，顶面埋深较浅。李良志村东侧Ⅱ号玄武岩区呈椭圆形，东西长约2 km，南北宽约1.5 km，面积约2 km2，推测其顶面埋深与Ⅰ号玄武岩区接近。在南部还分布有4片玄武岩区，推测其厚度较北侧玄武岩较薄，顶面埋深较深。资料显示，该区域中李村附近海农3、沧14号机井在钻井施工中见到了隐伏于地下的火山岩，岩性主要是玄武岩、凝灰岩。海农3、沧14号机井位置基本位于Ⅲ号和Ⅳ玄武岩区边界附近，由此也证明圈定的玄武岩范围较为可靠。

香坊乡西北侧地表全部为第四系覆盖区，从收集的地质资料可知该区域基底为太古界变质岩基底，航磁测量以正磁背景场为主，其上叠加了由第四系火山岩（玄武岩、凝灰岩、凝灰角砾岩）引起的局部磁异常，求取剩余磁异常发现火山岩分布较为集中分布区域，利用航磁R-Ta零值线圈定出6片较为明显的玄武岩区和多片火山岩分布区段（如图11所示）。在刘庄子北部区域，圈定出的大范围放磁性体推测为基底强磁性体。该区域最大的Ⅰ号玄武岩区位于边庄西北侧，呈西北东向展布的椭圆状，长约3.5 km，宽约1.5 km，面积约4.7 km2，推测玄武岩厚度较大，顶面埋深较浅。经实际钻探验证，在埋深30 m处见玄武岩。参照大山已知玄武岩的航磁R-Ta特征，沿玄武岩外围航磁R-Ta呈现明显的环状负值区，推测为该火山岩区的火山通道位置。

刘庄子北侧圈定的Ⅱ号玄武岩区呈圆形，直径约2 km，面积约2.6 km2，推测其为叠加在强磁性基底之上的玄武岩区。香坊乡西北侧圈定的Ⅲ号玄武岩区内的海农9号机井在钻井施工中见到了隐伏于地下的火山岩。在青先农场东侧的Ⅳ号及赵高庄东侧圈定的Ⅴ、Ⅵ号3片玄武岩区，推测玄武顶面埋深较深，圈定的范围可能包括一些凝灰角砾岩。除此以外，圈定的范围推测有火山岩（玄武岩、凝灰岩、凝灰角砾岩和凝灰质砂岩等）分布的区段，火山岩的厚度可能较薄。

5" 结论

本文基于高精度无人机航磁测量技术，对航磁数据进行校正和调平后，再分别进行磁化极转换，采用巴特沃斯带通滤波方法对航磁剩余异常信息进行提取，对剩余异常进行正则化倾斜角处理。

对地表高频磁干扰信号和深部磁性基底的低频磁信号进行不同程度的消减，有效突出了浅部第四纪火山岩的航磁异常特征。圈定出了工作区中等磁性火山岩及强磁性玄武岩的范围，在小山地区圈定玄武岩6片，香坊地区圈定6片强磁性玄武岩区和多片中等磁性火山岩区。结合大山出露玄武岩及火山通道的磁场特征，大致圈定了香坊地区火山通道位置及范围：香坊地区的火山通道为长轴北东向展布的椭圆状，中间为强磁性火山岩。

本次航磁测量采用1∶10万比例尺，测线间距较大，对火山岩区解释精度存在一定影响，今后将重点开展1∶1万无人机航磁测量及三维反演，进一步探究玄武岩等火山岩的空间分布特征。

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