航空電磁勘查技術發展現狀及展望

殷長春, 張博, 劉云鶴, 任秀艷， 齊彥福， 裴易峰，邱長凱， 黃鑫， 黃威， 繆佳佳, 蔡晶

吉林大學地球探測科學與技術學院， 長春 130026

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航空電磁勘查技術發展現狀及展望

殷長春, 張博*, 劉云鶴, 任秀艷， 齊彥福， 裴易峰，邱長凱， 黃鑫， 黃威， 繆佳佳, 蔡晶

吉林大學地球探測科學與技術學院， 長春 130026

航空電磁作為一種高效的地球物理勘查技術手段，其發展在國外(加拿大、澳大利亞等國家)已十分成熟.然而，在我國該項技術仍處于發展當中，在國內目前尚未形成具有實際探測能力的航空電磁系統和解釋手段.這一現狀嚴重影響了我國對地形地質條件復雜區域(比如廣大西部地區)礦產資源勘查的需求.本文旨在通過系統介紹航空電磁勘查技術中的基礎理論、關鍵技術、儀器系統、數據處理、解釋及應用，并對未來我國航空電磁勘查技術的發展提出建議，使讀者了解該技術未來發展方向和研究熱點，以期該項技術在我國得到快速發展并獲得廣泛應用.

礦產資源勘查； 航空電磁勘查技術； 頻域和時域航空電磁系統； 電磁數據處理； 數據成像和解釋

1 引言

航空電磁(AEM)是利用飛機平臺搭載電磁勘探設備的地球物理勘查技術.由于該方法采用飛行平臺作為搭載裝置，無需地面人員接近勘查作業區，特別適合高山、沙漠、湖泊沼澤、森林覆蓋等地形復雜地區.國外航空電磁勘查自20世紀五六十年代開始發展，目前已形成時間域和頻率域，主動源和被動源，固定翼和直升機吊艙平臺的系列航空電磁勘查系統.應用領域由傳統的金屬礦產和油氣資源勘查，發展到包括環境工程、地下水和地熱資源、海洋地形調查、極地研究等應用領域.國內七八十年代曾發展過航空電磁系統，曾研制出了固定翼頻率域和時間域航空電磁系統.90年代由于地質行業蕭條航空電磁系統的開發基本處于停滯狀態.近年，隨著國家經濟高速發展，對礦產資源的需求急劇增加，而國內地形地質條件良好地區的礦產資源已基本勘查完畢.礦產勘查的目標相應地轉向占我國國土面積近三分之二的廣大西部地形條件復雜地區(高山、沙漠)和東部大面積森林覆蓋、湖泊沼澤地區.這些地區由于地面人員無法接近，地球物理觀測程度較低.人們把眼光逐漸轉向航空地球物理勘查，特別是航空電磁勘查技術.然而，由于國外的高技術封鎖和壟斷，航空電磁關鍵技術(比如超大功率發射、大動態范圍多分量采集、吊艙動態監測和控制技術、飛行平臺背景場去除等)無法取得突破性進展，使得國內航空電磁技術發展一直停留在地面原理樣機階段，無法實現生產飛行.本文通過對航空電磁勘查技術及國內外發展現狀、航空電磁理論、數據處理和反演解釋等做出系統介紹，并結合應用實例，對航空電磁勘查原理與應用進行分析，以期為我國航空電磁勘查關鍵技術的突破指明方向，從而推動我國航空電磁勘查向實用化方向發展，早日實現我國地形復雜地區礦產資源勘查.本文在第2節對航空電磁勘查技術進行總體介紹；第3節介紹國內外航空電磁勘查技術發展現狀；第4節介紹航空電磁正反演理論；第5節介紹航空電磁勘查技術應用；最后，對我國航空電磁技術發展做出展望.

2 航空電磁勘查技術

航空電磁勘查技術涉及到的基本概念較多，闡述這些概念是了解這種勘探方法的前提.下面我們對這些方法技術涉及到的基本概念做出介紹.

2.1 航空電磁勘查技術基本原理

航空電磁采用發射線圈發射電磁信號，通過接收線圈接收經空氣傳播的一次場信號和經地下介質感應產生的二次場信號.當地下不存在電性不均勻體時，接收線圈接收到的二次場信號為地下半空間的感應信號(圖1a)；當地下存在電性異常體時，異常體也參與了電磁感應，導致二次場信號與不含異常體時出現了差異(圖1b).通過分析由地下介質產生的電磁場，可以得到地下電性結構分布信息.航空電磁通常分為頻率域和時間域兩種方法.頻率域航空電磁法利用發射線圈發射諧變電磁信號，接收線圈接收相同頻率的電磁信號；而時間域航空電磁法則利用發射線圈發射脈沖信號，接收線圈接收隨時間變化的瞬變信號.頻率域航空電磁根據發射和接收機的關系分為：水平共面(HCP)，直立共軸(VCA)，直立共面(VCP)和交叉裝置；而時間域航空電磁通常采用共中心或分離裝置.

2.2 發射波形

時間域航空電磁采用的發射波形種類很多，可大致分為階躍、脈沖、方波、半正弦波、三角波和梯形波，不同發射波形的激勵響應強度有所不同.根據Liu(1998)，對斷電(off-time)電磁響應來說，在發射信號寬度和強度相同的情況下，方波電磁響應強于其他發射波形的電磁響應且方波越寬，電磁響應強度越大；多數波形存在最優波形寬度(對應最大響應幅值的波形寬度)，半正弦波的最優波形寬度為目標體時間常數的2.5倍.陳曙東等(2012)對自由空間中導電回線電磁響應研究發現，當目標體時間常數較大時，不同發射波形的目標體電磁響應幅值之比近似等于波形與時間坐標軸所構成區域的面積之比.對供電(on-time)電磁響應，當目標體時間常數較小時，方波電磁響應強于其他發射波形；方波電磁響應隨目標體時間常數的減小而增加，而其他波形隨目標體時間常數的減小趨于穩定值；梯形波電磁響應比方波小，但大于三角波和半正弦波.隨著時間常數的增加，方波激勵響應持續減小，而半正弦波和三角波的激勵響應先減小，而后趨于不變，并在時間常數較大時強度超過方波.因此，利用三角波和半正弦波的on-time信號易于探測地下低阻目標體(陳曙東等，2012).

從關于趨膚深度的討論我們知道，通過發射不同頻率的電磁信號，我們可以勘探不同深度的目標體，實現航空電磁的測深目標.同樣，對于時間域航空電磁系統，由于早期道信號高頻成分豐富，主要反映淺層信息；而晚期道信號中低頻成分豐富，主要反映深部地電信息.通過觀測全時時間域電磁信號，我們可以研究地下介質從淺到深的電性分布特征.

2.3 On-time和off-time

如前文所述，時間域航空電磁發射脈沖信號，通過接收線圈接收瞬變電磁信號.發射裝置供電和斷電期間分別稱為on-time(供電) 和off-time(斷電)，對應接收線圈采集的數據稱為on-time和off-time數據.on-time數據包含了一次場和二次場信號，且一次場比二次場大得多；off-time數據是在發射線圈斷電情況下采集的，因此只含有地下介質感應的二次場.目前航空電磁實際解釋中，off-time數據應用較多.隨著航空電磁數據處理技術發展，人們對on-time數據的重視程度逐漸增加(殷長春等，2015).必須指出的是飛機作為一個飛行平臺是一個大的良導體，在電磁信號中由飛機產生的背景場必須予以去除.

圖1 航空電磁勘查技術原理(a) 不存在異常體；(b) 存在異常體(Greg Hodges,2011,個人通訊).Fig.1 Airborne electromagnetic technology(a) Without abnormal body; (b) With abnormal body (Greg Hodges, 2011, Personal communication).

2.4 Fiducial、PPM、bucking技術

航空電磁數據采樣間隔通常為0.1 s，稱之為一個Fiducial(簡稱Fid).由于頻率域航空電磁一次場和二次場同時存在，且一次場比二次場信號強得多，通常系統通過bucking技術分離出一次場和二次場，同時將二次場和一次場作比值，并乘以106，稱為ppm.然而，對于時間域航空電磁，由于主要應用off-time數據，或者在on-time數據中剔除一次場，所以觀測信號直接使用磁感應信號的單位(T/s，pT/s，fT/s等).航空電磁接收線圈接收到的信號中，能夠反映地下介質信息的僅二次場信號，因此在對采集數據進行處理之前必須去除一次場.頻率域航空電磁采用bucking技術，而在時間域中通常采用互相關技術予以去除.

2.5 全區視電阻率概念

視電阻率是地下電性特征的綜合反映.它定義為可以替換地下不均勻介質的均勻半空間電阻率，如果該均勻半空間對于相同的發射接收條件，在接收機處產生相同的電磁信號.電磁勘查中傳統的早期和晚期視電阻率難以給出連續而且準確的電性參數，為此人們提出了全區視電阻率的概念，即全時段/全區域視電阻率.殷長春和樸華榮(1991)研究了電偶源地面電磁全區視電阻率定義.他們發現由于磁場是均勻半空間電阻率的單值函數，使用磁場定義全區視電阻率優于磁場時間導數，并利用多項式擬合電阻率關于磁場的反函數定義了全區視電阻率.強建科等(2010)研究了適用于航空電磁多分量觀測全時域電阻率計算方法，張瑩瑩(2013)使用牛頓迭代方法進行電偶源地空系統全域視電阻率定義，戚志鵬等(2014)對大定源瞬變電磁三分量全域視電阻率進行了定義.他們的視電阻率定義同樣是基于航空電磁響應對于半空間電阻率的單值性，并通過對磁場關于半空間電阻率函數進行泰勒展開和線性近似，由假設的初始視電阻率值利用迭代方法計算全區視電阻率.

2.6 Footprint

航空電磁勘探數據量龐大，導致航空電磁數據處理解釋耗時驚人.幸運的是，航空電磁測量系統是緊湊系統，對于單個測點來說“敏感區域”遠小于整個測區.這個“敏感區域”就是航空電磁系統的“footprint”.航空電磁中footprint的第一個明確定義由Liu和Becker(1990)給出，此后很多學者對footprint進行了研究(Kovacs et al.，1995；Reid and Vrbancich，2004; Reid et al.,2006；Beamish，2003).Yin等(2014)將footprint定義為均勻導電半空間中的最小區域，該區域邊界上感應電流在接收機處產生相同的二次場，同時該區域中地下感應電流在接收機處產生的二次場占整個半空間產生的二次場的90%.研究發現，航空電磁系統footprint主要取決于飛行高度.通常情況下，footprint為飛行高度的3～4倍.利用footprint的概念，我們在從事航空電磁數據反演時，可先基于footprint大小對測區進行單元劃分，在完成各測區單元的電磁數據反演后，集成得到測區總的電性分布.這為復雜二、三維模型反演節省大量計算成本.

2.7 良導和高阻體頻率域和時間域電磁信號特征

導電介質中頻率域電磁信號在小感應數(對應于高阻或低頻)時，電磁信號的實部比虛部小；隨著感應數的增大，電磁信號的實部逐漸增大直至達到飽和，而虛分量經過極大值后逐漸衰減為零.在感應數很大時(對應于低阻或高頻)，電磁信號的實分量比虛分量大得多.相比之下，時間域電磁信號對于高阻體在斷電早期很強，然而隨時間衰減很快；而對于良導體，斷電早期電磁信號幅值相對較小，但隨時間衰減緩慢.因此，良導體對應的晚期道信號較強.利用時域/頻域電磁信號的變化特征，我們能從航空電磁觀測數據中有效識別地下高阻和良導體.

圖2給出了頻域和時域航空電磁信號特征及對高阻和低阻體識別的應用實例.圖中A處地下存在高阻體，而C處為良導體.從圖可以看出，高阻介質(A處)的時間域電磁信號在早期較強，晚期電磁響應衰減較快，表現為各時間道信號非常稀疏.相應地，頻率域信號在各頻段虛部均大于實部；良導體(C處)的時間域電磁信號在早期相對較弱，在晚期衰減較慢，表現為晚期各時間道信號比較密集.通過分析時域和頻域航空電磁數據的特征，可以定性識別地下高阻和低阻體.

2.8 地下介質磁性、介電常數、各向異性對航空電磁響應的影響數.利用低頻電磁信號求解地下介質的磁化率，利用高頻電磁信號求解地下介質的介電常數，而電阻率則可利用所有頻點的電磁信號進行求解.

Huang 和Fraser(2001)討論地下介質磁性和介電常數對航空電磁響應的影響特征，提出了利用航空電磁數據求解地下介質的電磁特征和介電參

圖2 良導體C和高阻體A航空電磁響應特征(Greg Hodges, 2011,個人通訊)Fig.2 AEM responses for conductive body C and resistive body A (Greg Hodges, 2011, Personal communication)

航空電磁勘探信號對地下介質各向異性也相當敏感.Yin和Fraser(2004a)研究一維各向異性介質對航空電磁響應的影響特征，得出如下結論：對電磁信號實分量，介質各向異性的影響隨頻率的增加而變大，各向異性影響的最大值出現在高頻段；對信號虛分量，各向異性影響隨頻率增大先增加，到達某一頻率后開始變小，各向異性影響的最大值出現在中間頻段.對于VCA裝置，當飛行方向改變時，各向異性對電磁響應的影響特征發生明顯變化；而對于HCP裝置，各向異性對電磁信號的影響不受飛行方向的影響.利用VCA裝置電磁響應隨飛行方向的變化特征，我們可以有效地識別地下各向異性的主電導率方向.

3 航空電磁勘查技術國內外發展現狀

航空電磁勘查技術已經有大約70年的發展歷史， 經歷了從簡單的單頻系統逐步發展成為多頻電磁系統、時間域系統、直升機和固定翼系統等.本節首先介紹航空電磁在國外的發展現狀，特別對目前具有國際領先水平的航空電磁系統和相關技術進行介紹，然后再回顧國內航空電磁的發展歷史和現狀.

3.1 國外航空電磁發展現狀

1948年，固定翼航空電磁系統Stanmac-McPhar在加拿大試飛成功，這標志著第一個航空電磁勘探系統的誕生(Fountain，1998).1954年，航空電磁勘探方法在加拿大New Braunswick省發現了Health Steele 礦床，這一發現極大地促進了航空電磁勘查技術和系統的發展.1955年，第一個吊艙式硬支架直升機航電系統誕生.此后，Tony Barringer開發了第一個時間域固定翼INPUT系統.該系統后經歷不斷更新，一直沿用至今. Slichter(1955)闡明使用天然場代替人工場源可以大幅度提高航空電磁系統的探測深度.基于這一理論，第一個被動源航空電磁系統AFMAG于1958年在加拿大研制成功.

在隨后的幾十年里，航空電磁系統得到不斷的優化和改進.1965年，INPUT系統升級成為Mark V INPUT系統，增大了發射磁矩，進而大幅度增加了系統的有效探測深度.1967年，一個新的多頻吊艙式航空電磁系統F-400被成功研發.與之前的系統相比，該系統采用水平偶極作為發射源，這種裝置對飛機的改造最小，便于在不同飛行裝置上移植.1969年，人們通過改造地面Turam系統研發出Turair半航空系統.該系統通過利用地面大線圈發射增大了有效勘探深度.1970年，單頻多分量接收DIGHEM I型航空電磁系統研發成功.該系統采用X軸方向發射，接收X、Y、Z三分量.此外，Questor對Mark VI INPUT系統進行升級，由此生產了兩個新的勘探平臺——Skyvan(1971)和Trislander(1973)系統.同時，1970年前后印度開發了可以接收B和dB/dt的固定翼時間域航空電磁系統，然而該系統只做了試驗飛行.此后，McPhar對F-400做出進一步改進，將其升級為多頻電磁系統并安裝在固定翼和直升機飛行平臺上.1976年，固定翼COTRAN和Smelting EM-30系統研發成功.COTRAN系統采用了INPUT系統的基本結構，發射波形為方波，接收X和Z兩個分量，然而該系統沒有實現商業飛行.Smelting EM-30系統通過采用大收發距的共軸裝置達到較大的勘探深度.70年代末期，大收發距頻率域固定翼航空電磁系統基本被淘汰，固定翼航空電磁以時間域系統為主.直升機系統則朝著多頻發射、多分量接收方向發展.1976年，在DIGHEM I的基礎上，DIGHEM II成功研發，并通過系統改進實現雙頻發射(900 Hz和3600 Hz)和多分量接收.

20世紀80年代中期，由于各大公司削減礦產勘查預算，航空電磁勘查技術走向蕭條.然而，航空電磁系統的研發并未因此停滯不前.1983年，Geoterrex引進了一個新的INPUT航空電磁勘探平臺CASA 212，并于1985年研發成功針對這一平臺，且與INPUT系統具有相似結構的GEOTEM系統.相比于固定翼航空電磁系統受到的沖擊，基于直升機平臺的航空電磁系統得到迅速發展，很多新的直升機航空電磁系統研發成功.1982年，Questor公司成功研發直升機INPUT系統，以期在地形復雜地區獲得好的飛行數據；加州大學伯克利分校成功研發UNICOIL直升機系統(UNICOIL cryogenic helicopter system).該系統采用超導UNICOIL作為發射和接收線圈，工作頻率為40 Hz，具有較大的探測深度.然而，該系統由于需要大量液氦而飛機存儲空間有限，缺乏實用價值.到20世紀90年代，航空電磁系統主要發展方向為：1)多頻、高分辨率的直升機吊艙系統；2)低頻固定翼時間域系統.

經歷了航空電磁勘查技術的蕭條，20世紀90年代礦產資源勘探開始回暖，給航空電磁帶來了新活力.固定翼時間域航空電磁系統基本實現了三分量接收、可選擇發射波形寬度和頻率、接收B和dB/dt信號等功能；而直升機吊艙式頻率域系統基本實現了多頻發射和接收，且發射和接收線圈多安裝在6～9 m的吊艙中.其中，90年代早期，World Geoscience開發了SALTMAP系統.該系統是第一個專門為近地表電阻率成像而設計的固定翼時間域航電系統.同時，Geotech公司引入HUMMING BIRD 直升機航電系統.該系統發射和接收線圈安裝在4.5 m的吊艙中，以增加系統的靈活性；而Elliott Geophysics International 公司研發出一種新型半航空系統FLAIRTEM.該系統本質上是TURAIR系統的時間域版本.90年代晚期，航空電磁系統研發如雨后春筍般蓬勃興起.其中，直升機系統包括1997年研發成功的Anglo ExplorHEM、 AERODAT HELITEM和HELI QUESTEM等，1998年研發成功的THEM和DIGHEM RES BIRD，1999年研發成功的AeroTEM、 NewTEM和SIAL PHOENIX等；固定翼系統包括1997年研發成功的GEOTEM， 1998年研發成功的MEGATEM和QUESTEM，1999年研發成功的GEOTECH HAWK系統(Thomson et al., 2007).

進入21世紀，人們對航空電磁系統和勘查技術提出了更高要求.固定翼系統主要朝著具有更大發射功率和勘探深度的方向發展，而直升機系統主要朝著多線圈、寬頻帶、高分辨率和高精度方向發展.在此期間研發的航空電磁系統是目前各航空地球物理公司應用的主力軍(表1)，主要有Fugro公司2001年研發的時間域固定翼MEGATEM II系統和2002年的頻率域直升機吊艙系統RESOLVE，2005年研發的時間域直升機吊艙系統HeliGEOTEM和2008年研發的HeliTEM系統； Geotech公司2004年研發的時間域直升機吊艙系統VTEM； Aeroquest公司2003年研發的時間域直升機吊艙系統AeroTEM，SkyTEM Surveys公司2003年研發的系列時間域直升機吊艙系統SkyTEM(Thomson et al., 2007).這些系統各具特色，承擔了全球超過90%航空地球物理勘查任務.

3.2 國際主要航空電磁勘探公司

目前，國際上規模較大的航空電磁勘探公司有：加拿大Fugro(現為CGG)、Geotech、Aeroquest(現已被Geotech收購)和丹麥SkyTEM Surveys公司.

表1 直升機和固定翼航空電磁系統研發歷史(參考Thomson et al., 2007)
Table 1 Development history of helicopter and fixed wing AEM system (After Thomson et al., 2007)

這些公司擁有強大的技術實力和先進的勘探設備，占領了全球航空地球物理勘查市場.

1) CGG公司

CGG公司成立于1931年，現已發展成為世界領先的地球物理勘探公司之一.2013年，CGG Veritas收購了Fugro的地球科學部.航空地球物理勘探是CGG提供的全球技術服務之一.該公司擁有的航空電磁系統包括DIGHEM、RESOLVE、GEOTEM、MEGATEM、HeliGEOTEM、HeliTEM、MULTIIMPULSE等.這些系統涵蓋了直升機和固定翼、時間域和頻率域等，使CGG公司能夠出色地完成各種地質條件和目標的勘探任務.

DIGHEM和RESOLVE是全數字頻率域直升機系統，能夠提供先進的校準技術、較小的零漂、較低噪聲水平以及實時信號處理技術.DIGHEM系統擁有三對水平共面和兩對直立共軸線圈、頻率覆蓋范圍大(900～56 kHz)，確保了該系統對地質體有很大的靈敏度，適用于較淺目標體勘查(<120 m)，主要用于勘探淺部礦產資源、環境工程、地下水、海侵和極地研究等.RESOLVE系統包含五對水平共面(頻率400～140 kHz)和一對直立共軸線圈(頻率3300 Hz).該系統憑借著較大的頻率覆蓋范圍、較高水平和垂向分辨率、高采樣率和實時信號處理技術，廣泛應用于構造填圖、礦產、地熱和地下水資源勘查.GEOTEM和MAGTEM系統是固定翼時間域航空電磁系統.GEOTEM是裝載于雙引擎固定翼飛機CASA212上的時間域電磁勘查系統，發射磁矩可達1百萬Am2，發射基頻可調，可進行寬頻帶on-和off-time多分量觀測(Annan and Lockwood，1991).目前，該系統主要用于金屬礦、金剛石、鈾礦、油氣、地下水和其他地質填圖.MEGATEM是基于GEOTEM系統研發的，采用四引擎固定翼飛機Dash-7作為飛行平臺(Smith et al., 2003).其發射磁矩超過2百萬Am2，是目前世界上發射功率和勘探深度最大的固定翼航空電磁系統.它可進行寬頻帶on-和off-time多分量觀測.目前主要用于大測區深部目標勘查.HeliGEOTEM和HeliTEM系統是在GEOTEM基礎上發展起來的直升機吊艙式時間域航電系統.HeliGEOTEM匯集了GeoTEM和MEGATEM系統的先進技術，具有更好的靈活性和更高的分辨率(Fountain et al.，2005).HeliTEM系統在HeliGEOTEM基礎上進行了較大改進.首先，由于采用銅線代替鋁管作為發射線圈，減輕發射線圈重量，增加發射磁矩，已達2百萬Am2；其次，由于將多分量接收機直接置于發射線圈上方(HeliGEOTEM系統采用獨立吊艙)，增加了系統對地下導電介質的靈敏度；最后，HeliTEM系統可進行寬頻帶on-和off-time多分量觀測.由于結合直升機系統的高橫向分辨率和時間域系統大發射功率和大勘探深度的優點，目前該系統廣泛應用于礦產、油氣、地下水資源勘查和構造填圖.由于所有CGG時間域航空電磁系統均采用三分量接收，采集到的二次場數據具有很低的噪聲水平，使得這些系統具有很高的探測靈敏度和很大的勘探深度.MULTIPULSE時間域航空電磁系統是由CGG現有的時間域電磁系統改進而成，可以使用直升機或固定翼兩種飛行平臺.該系統通過在前端先發射一個高能量的半正弦波，在末端再發射一個快速關斷的方波或梯形波，實現系統既能有很大的勘探深度，有利于深部目標體探測，又具有較高的近地表分辨率的特點(Chen et al.，2014).

基于眾多優良的航空電磁勘探系統，CGG在全球范圍內出色完成了各種航空電磁勘探任務.在非洲南部, CGG公司使用DIGHTEM對煤田進行了勘查.2012年CGG公司使用HeliTEM在加拿大的Lalor湖對火山成因的硫化物礦床進行了勘探(Yang and Oldenburg，2013).在加拿大，該公司使用MULTIPULSE系統對Athabasca油砂進行了勘探.在Texas州西部，MEGATEM II系統被用于調查地下水鹽化度(Paine and Collins，2003).在德國北部海岸，RESOLVE系統對海侵情況進行了調查(Wiederhold et al.，2010).在澳大利亞西部，GEOTEM DEEP系統被用于鎳礦勘查(Wolfgram and Golden，2001).此外，CGG公司的航空電磁系統在尋找金礦、鈾礦及環境和工程勘探方面都取得較好的應用效果.

2) Geotech公司

Geotech公司已有超過三十年的發展歷史.過去三十年中，Geotech在不斷完善已有的系統基礎上，積極開發新系統以提高服務質量.1982年，Geotech開發了四頻直升機航電系統，并在加拿大內陸水域進行勘探飛行；1983年，Geotech開發了第一個海水探測系統，并完成了NORDA水深勘查項目；1985年，Geotech開發了直升機航電系統，并于1987年為CRREL在阿拉斯加完成了冰層厚度勘查；1992年，Geotech開發了輕量級多頻數字式直升機航電系統；1998年，Geotech開發了可現場編程多頻固定翼航電系統；2000年，Geotech開發了全數字被動源電磁勘探系統；2002年，Geotech開發了全數字時間域航空電磁系統VTEM(Witherly et al.，2004)；2006年，Geotech使用ZTEM系統進行首次地球物理勘查飛行；2007年，Geotech第一次使用ZTEM系統進行商業性礦產勘查(Witherly and Sattel，2013)；2010年，該公司研發了固定翼ZTEM系統——FWZTEM.

Geotech公司提供的航空電磁勘查服務主要基于他們的VTEM系統(多功能時域電磁系統)和ZTEM系統.VTEM系統采用共中心、垂直偶極收發裝置以產生對稱的系統響應(Witherly et al., 2004).這種收發裝置確保任何不對稱電磁響應都是由地下異常體產生的，而非系統傾斜或是飛行方向導致的，從而使辨別異常體位置和分析電磁數據更加容易.此外，VTEM系統采用了低噪聲接收線圈和大功率發射線圈，使得該系統具有很低的噪聲水平.由于具有以上優點，VTEM系統深受顧客的青睞，到目前為止該系統已經飛行超過200萬測線公里.ZTEM系統是在AFMAG系統基礎上研發的頻率域電磁勘查系統.該系統可以搭載在直升機或固定翼兩種飛行平臺上.與其他商業電磁系統不同，該系統使用電離層電流或自然界產生的25～720 Hz的雷電信號作為激發場源(Witherly and Sattel, 2012).由于采用了特制的接收裝置和先進的信號處理技術，該系統擁有較低的噪聲、較高的分辨率和較大的勘探深度.ZTEM在過去四年時間里完成了超過25萬公里的勘探任務.

利用VTEM和ZTEM系統，Geotech公司在全球完成了很多勘查任務(Witherly et al., 2004; Witherly and Sattel, 2012, 2013; Kaminski and Oldenburg, 2012).在坦桑尼亞Victoria地區，Geotech公司使用VTEM系統對金礦進行了勘查；在North Arizona，該系統被用于對老鈾礦區勘查；在加拿大Québec省，該系統被用于對Caber礦床進行勘查.在加拿大的Saskatchewan，Geotech公司使用ZTEM對鈾礦進行了勘查；在Nevada東南部，該系統被用于對金銀礦床進行勘查；2007年在加拿大安大略省，該系統被應用于PGM-Cu-Ni礦藏勘探.

3) Aeroquest公司

Aeroquest航空地球物理公司曾經擁有包括十架固定翼飛機和超過十套時間域航電系統.憑借其全球業務能力，Aeroquest在世界各地尋找礦產和油氣資源，提供準確的近地表成像結果.Aeroquest公司的時間域航空電磁勘探主要基于他們的直升機AeroTEM系統，該系統在全球范圍內完成超過50萬測線公里的飛行觀測.通過不斷完善自己的系統，Aeroquest已經開發了三代AeroTEM航電系統(AeroTEM II，AeroTEM IV，AeroTEM HD).AeroTEM系統具有以下特色：采用了聚焦footprint技術，可以提供地下導體的電性特征信息，圈定異常體范圍；能夠采集on-time和早期off-time數據，滿足弱導電地質體勘探和電導率成像的需求；擁有大功率發射(在30 Hz時可達到1百萬Am2)，接收信號具有較高的信噪比，保證了較大的勘探深度(勘探深度可以達到500 m)；同時記錄X和Z分量數據，對垂直地質體十分敏感.基于以上優勢，AeroTEM時間域航空電磁系統被廣泛應用于金屬礦和金剛石勘查、油砂、地下水調查等方面(Balch et al., 2003).

Aeroquest公司的頻率域航空電磁系統包括Impulse和GEM2A.系統具有如下特色：發射信號頻帶較寬(330～96 kHz)，具有很好的電導率成像功能，對弱導電性地質體具有很高的探測靈敏度，勘探深度可達100 m.Aeroquest公司頻率域航空電磁勘探系統可提供視電阻率和視深度計算、離散電磁異常體篩選與分級、電磁異常體的數值模擬及系列成像產品、頻率域響應譜分析等.Aeroquest頻率域航空電磁系統被成功應用于金屬礦和金剛石勘探、覆蓋層厚度、地下管網、地質填圖和工程勘察等.Aeroquest公司于2012年被Geotech公司收購.

4) SkyTEM Surveys公司

SkyTEM Surveys是國際領先的航空地球物理公司之一.該公司可以采集時間域電磁、磁和放射性數據(radiometric)，并提供先進的數據處理技術.SkyTEM能夠為客戶提供不同的系統選擇.每一個系統都具有不同的特點，可以滿足不同勘查需求.SkyTEM的勘查系統主要有SkyTEM101、SkyTEM302、SkyTEM304、SkyTEM508、SkyTEM512.SkyTEM101系統專為近地表(50～120 m)電阻率精確成像設計.該系統采用了符合空氣動力學的框架作為載體，降低了系統的振動噪聲，可以采集off-time的超早期無偏差(bias-free data)數據(斷電后3 μs)，從而得到近地表高分辨率解釋結果. SkyTEM302系統是針對埋深150～200 m的地質體成像設計的.由于具有快速的關斷時間(4 μs)、較低的噪聲水平及超早期時間道數據記錄，SkyTEM302是解決近地表問題、高阻地層問題的理想選擇.SkyTEM304從2004年已成功應用于地下水、礦產資源、油氣勘探以及巖土工程等領域.該系統最初配置了X和Z分量電磁接收線圈.2007年，系統進行了更新升級，添加了與發射機同步的總磁場觀測技術.該系統把所有的傳感器安置在承載框架上，使得這些傳感器與地表距離較近，從而確保了采集的數據具有較高的精度.SkyTEM508系統的開發旨在獲得具有較高信噪比的晚期道數據.該系統與SkyTEM304在傳感器安置方面采取了相同措施，確保了采集的數據具有較高精度.該系統可以在飛行過程中進行遠程設置，在35 ms的時間道仍然可以采集高質量off-time數據.SkyTEM512是SkyTEM開發的深部航空電磁探測系統.由于擁有750000 Am2的發射磁矩，該系統的勘探深度可達500 m.此外，該系統采用獨特的安置在剛性框架上的零耦合接收線圈，使其具有較高的信噪比，從而進一步提高了系統的勘探深度和分辨率.

3.3 國內航空電磁發展現狀

我國航空電磁系統的發展起步較早，然而由于歷史原因目前技術還極不成熟.從20世紀50年代末開始，原地礦部物化探所開始研制長導線半航空電磁探測儀器，后轉入硬支架頻率域航電系統.1970—1974年，國土資源部航空物探遙感中心(原航空物探大隊)開展過天電系統的研制，因空難事故中止；1976—1983年原長春地質學院開展過固定翼時域(M-1)系統的研制和試飛，并在黑龍江物探隊和湖北航空物探隊應用于生產飛行；1976年北京地質儀器廠開展直升機時間域航電系統研制；1974—1980年，桂林冶金地質研究所開展直升機時間域系統研制；1981—1983年原長春地質學院在對M-1系統改進基礎上研制M-2型固定翼時間域系統，由于缺少經費中途停止.20世紀90年代，由于地質行業經歷了轉型和不景氣，航空地球物理，特別是航空電磁勘查系統和技術研發處于停滯狀態.進入21世紀，隨著國家經濟高速發展和對能源和礦產資源的需求激增，地質行業迎來春天！航空地球物理電磁勘查技術和儀器系統研發再度受到相關部門的高度重視.目前國內自主研發的系統主要包括中國地質科學院地球物理地球化學勘查所研發的固定翼三頻航空電磁系統HDY-402和國土資源航空物探遙感中心研發的CHTEM時間域直升機航空電磁勘查系統.HDY-402系統采用直立共面發射和接收裝置，收發距為19.2 m，工作頻率為463 Hz、1563 Hz和8333 Hz，最大采樣率8次/秒，噪聲水平<20 ppm，零漂小于100 ppm/小時，勘探深度為100 m.由于受飛行高度影響，信號較弱，該系統應用受到限制，主要用于淺部礦產和水資源勘查.相比之下，我國自主研發的時間域航空電磁系統由于技術原因，發射功率較小(～28萬Am2)，目前未能在我國礦產資源勘查中獲得應用.近年，國內相關單位從國外引進航電系統，主要有中國冶金地質局從加拿大引進的TS150系統和中國科學院電子所從俄羅斯引進的Impulse_A5系統.TS150時間域直升機系統最高發射偶極矩為155000 Am2，可以記錄全波形B和dB/dt，基頻25～150 Hz，可多分量數據采集.Impulse_A5時間域直升機系統最大發射磁矩1.6×105Am2，發射基頻為25 Hz和75 Hz，懸掛裝置距離地表高度30～50 m，最大勘探深度可達400 m.另外，航遙中心還曾于2010—2011年間從加拿大Aeroquest公司引進AeroTEM-IV時間域航電系統，然而由于該系統發射磁矩小(<40萬Am2)，勘探深度淺，至今未能在我國礦產資源勘查中發揮作用.

我國航空電磁勘探的另一個途徑是利用國外地球物理公司提供的飛行觀測服務.這種途徑由于造價過于昂貴使用不多.國內有少數單位目前從事半航空電磁勘查技術和系統研發，然而，由于該技術發射源與接收機距離較遠，存在嚴重的體積效應，喪失了常規航空電磁勘查系統的緊湊性(compact)和高目標分辨率的特點，可以預計該系統在我國礦產資源勘查中將不會發揮太大作用.

航空電磁具有很長的發展歷史，國際上的航空電磁勘查系統相當完善，技術已經十分成熟.然而，我國的航空電磁勘查系統的研發還處于起步階段，尚未成功研發出能夠用于地形復雜地區和深部礦產資源勘查的航空電磁探測系統.為了滿足我國深部和廣大地形復雜地區找礦的需求，迫切需要研發適合我國地形地質條件的航空電磁系統.

4 航空電磁正反演理論

4.1 航空電磁一維正演模擬

頻率域航空電磁法中常用的觀測裝置包括水平共面(HCP)和垂直共軸(VCA).根據Yin和Hodges(2007)及Yin 等(2014)，HCP裝置的磁場垂直分量為

(1)

而對于VCA裝置，x方向的水平磁場分量為

(2)

為計算時間域航空電磁響應，通常采用將頻率域航空電磁響應轉換到時間域的方法.根據牛之璉(2007)，利用傅里葉變換可以得到時間域響應

(3)

式中H(ω)是頻率域響應.(3)式可轉化為貝塞爾函數積分，并可利用漢克爾變換進行計算.殷長春等(2013)對航空電磁一維正演進行了詳細的介紹，而殷長春等(2015)對航空電磁探測能力進行了研究.

4.2 航空電磁二、三維正演方法

航空電磁二、三維正演方法主要包括有限元法、有限差分法、積分方程法.有限差分法由于方法簡單易于實現，在電磁正演計算中應用較為廣泛(Newman and Alumbaugh, 1995; Streich，2009；Liu and Yin，2013，2014), 但該方法目前只能采用規則矩形/六面體網格對計算區域進行剖分，無法精確擬合地形和復雜異常體邊界(Sasaki and Nakazato, 2003).有限元法既可使用規則矩形/六面體網格對計算區域進行剖分(Sugeng, 1998；王若等，2006)，又可使用不規則的三角形/四面體網格對計算區域進行剖分 (Key and Weiss, 2006; Ren et al., 2013)，因此可以更好地適用于復雜模型的模擬.隨著計算機技術的發展，有限單元法在電磁正演模擬中得到了廣泛的應用，正逐漸成為一種高效、通用的正演模擬手段.積分方程法也是一種常用的電磁響應模擬手段(Farquharson and Oldenburg,2002；Abubakar et al.,2006；Kamm and Pedersen,2014).然而，該方法最終形成的求解矩陣是密實的，占用內存過大，只可用于簡單模型電磁響應的正演模擬.航空電磁系統具有多源性特征，計算每一個測點的正演響應都需要求解一次方程.傳統的迭代求解大型線性方程組方法對每個測點需要單獨求解，計算效率很低.多波前分解算法只需進行一次分解即可通過改變右端源項求解出所有測點的響應，大幅度提高正演計算效率，能夠滿足航空電磁正演模擬的需求.

4.3 航空電磁數據處理

航空電磁在野外實際勘探時，由于受到大氣流、雷電、飛機自身振動及速度不穩定等因素的影響，測量數據包含大量噪聲.而對數據成像和反演有意義的是強度較弱的二次場信號，很小的噪聲對反演結果會產生很大影響.此外，隨著儀器科學的發展，航空電磁系統實現了多通道密集采樣，這在提高航空電磁勘探精度的同時，也使航空電磁數據量變得非常龐大，數據解釋成本極大提高.因此，通過數據預處理及處理技術，提高信噪比、改善數據質量、同時適當精簡數據量，對航空電磁成像與反演解釋有重要意義.通常航空電磁數據預處理包括天電和運動噪聲去除、疊加和抽道等，而數據處理包括姿態校正、濾波和調平等.

天電是指在大氣層中存在大量的帶電電荷，由于雷電作用，這些電荷通過放電產生電磁輻射，然后經過空氣和地面進行傳播.天電噪聲具有頻率高、幅值大的特點，在測量數據上表現出數據發生突跳.天電去除可采用Alpha-trim濾波實現.

運動噪聲是飛機在飛行過程中，由于機身振動、飛機速度不均勻、以及大氣氣流變化等原因引起發射與接收線圈振動而產生的噪聲.去除系統運動噪聲主要采用陷波法及拉格朗日最優化算法.

航空電磁系統在飛行過程中數據采集非常密集.如果在后續數據處理時對全部數據進行處理會花費很多時間.通過疊加和抽道，可以大幅度降低數據量，同時提高數據的信噪比.疊加通常是通過對設定窗口內數據加權平均獲得，而數據在疊加后可按一定的時間完成抽道.

航空電磁數據采集過程中，發射和接收線圈由于受到氣候環境和飛行條件等因素的影響會發生擺動(Roll)、俯仰(Pitch)和旋轉(Yaw).這種線圈姿態的變化會對采集數據產生強烈的影響 (Fitterman and Yin，2004).為此，人們在采集數據時通常也記錄航空電磁系統的姿態.Yin和Fraser(2004b)對姿態效應的研究發現：根據系統姿態特征可計算出姿態校正因子，姿態效應校正量可利用觀測值與校正因子的比值求得.王琦等(2013)、曲昕馨等(2014)在Yin和Fraser(2004b)研究的基礎上，進一步研究了航空電磁系統姿態效應和位移效應的綜合校正算法.

航空數據調平的主要目的是消除由于物理環境變化造成的系統誤差.在成像圖中零漂偏移表現為塊狀或者條帶狀分布，通過調平可以校正這些數據誤差.常用的調平方法包括條件濾波法、自動調平法、二維移動平均濾波自動調平方法以及基于線與線的航空頻率域測量數據相關性的調平方法(Huang and Fraser，1999；李文杰，2007；Huang, 2008).4.4 航空電磁數據成像與反演解釋

航空電磁反演和成像可從航空電磁數據中獲得地下電性分布信息.航空電磁數據成像本質上不是反演，它是把電磁觀測數據轉換為某些中間參數，如視電導率和視深度等.這些參數表征地下介質主要電性分布特征.由于沒有數據擬合，無需傳統反演算法的最優化過程.成像算法速度快，能從海量航空電磁數據中提取出地下主要電性信息，適用于現場快速數據處理；同時它也可為復雜的航空電磁反演提供初始模型.頻率域常用的成像算法包括Sengpiel Section (Sengpiel，1988)和微分電阻率法 (Huang and Fraser，1996)；而時間域成像算法包括查表法、 CDI/CDT、EMFlow (Wolfgram and Karlik, 1995; Macnae et al., 1998) 等.

航空電磁數據反演是采用非線性最優化算法實現數據擬合.其計算速度比成像慢，但能夠提供更為準確的地電結構信息.航空電磁數據反演是通過不斷改變地下模型參數來減小模型響應與實測數據的擬合差，當擬合差足夠小時，得到的模型即可認為是反映地下介質電性分布的最佳模型.航空電磁數據反演分為一維反演和多維反演，一維反演速度快、技術成熟，在實際生產中被廣泛應用；多維反演雖然能夠提供更為精細的地下介質分布信息，但由于計算速度慢等原因，目前還處于理論研究階段，在實際生產中應用較少.從搜索方法上說，航空電磁數據反演分為下降搜索和全球最小搜索法.下降搜索法主要是通過假設初始模型，在下降方向搜索新模型，以實現理論模型和實測數據的最優擬合.由于采用下降搜索，反演迭代過程和反演結果與初始模型關系密切.當初始模型選擇合適時(離真實模型較近)，則反演很快收斂，反之當初始模型離真實模型較遠時，反演迭代容易陷于局部極小值.下降搜索法包括Marquardt(范翠松，2013)方法，LCI(Auken et al.，2000；Siemon，2009；蔡晶等，2014)，非線性共軛梯度 (Rodi and Mackie, 2001; Kelbert et al., 2008)，高斯-牛頓 (Daniel, 1973; Jin, 2008)等方法.全球最小搜索法通常先假設初始模型，并按一定規則搜索新模型，當模型結果和數據的擬合差下降時，則該模型被無條件接受，反之則附加一定條件(比如概率)予以接受.因此，反演迭代過程既可下降搜索，又容許一定程度的上升搜索.如此，反演模型在迭代過程中可以跳出局部極小值，達到全球極小值.全球極小搜索法與初始模型關系很小.該方法包括模擬金屬淬火Simulated Annealing(Yin and Hodges，2007)，Bayesian等算法(殷長春等，2014).

目前處理航空電磁二、三維反演問題常用的方法包括高斯牛頓方法(GN)、擬牛頓方法(QN)和非線性共軛梯度方法(NLCG).GN算法通常利用預處理的共軛梯度算法求解反演方程，每次的共軛梯度迭代中需要兩次額外的伴隨正演來計算靈敏度矩陣與向量的乘積.L-BFGS(標準的QN方法)和NLCG每次迭代都只需要計算一次梯度，即只需一次正演和一次伴隨正演.與GN方法相比，L-BFGS和NLCG每次迭代需要的計算量小，但收斂速度較慢(劉云鶴和殷長春，2013).GN方法由于需要精確計算海森矩陣，且在進行伴隨正演過程中需要存儲每個源的全域解向量，因此不適合多源發射的電磁反演.相比之下，L-BFGS和NLCG方法可利用近似方法計算海森矩陣，在確定搜索方向后僅需計算搜索步長即可得到模型更新量，在航空電磁二、三維反演中得到了廣泛的應用.

航空電磁數據具有多源性和緊湊性的特點，為加快反演速度，直接分解求解方程和footprint等技術被應用于航空電磁反演中.直接分解求解方程算法在模型不變而僅右端源項變化的情況下能一次性求解多個源對應的響應，大幅度提高多源問題的正演和伴隨正演速度，進而提高反演效率.由于航空電磁系統的影響范圍(footprint)較小，我們在對航空電磁數據進行反演時可以將一個大的區域劃分成很多個小的區域分別進行反演，從而減小反演模型的規模，加快反演速度.

航空電磁數據反演應遵循由簡單到復雜的過程，通過利用成像技術獲得地下電性主要分布特征，并確定初始模型進行一維反演獲得地下電性分布的大致信息，最后根據一維反演結果確定復雜模型用于航空電磁數據二、三維反演.Yin等(2015)對航空電磁數據反演進行了詳細的介紹和評述，并給出了大量的模型算例.

5 航空電磁勘查技術應用

航空電磁勘查技術應用十分廣泛，主要包括礦產資源、油氣、環境與工程、地下水及地熱資源勘查等.近年來在考古、核廢料處理和垃圾填埋、海洋地形調查、極地研究及軍事等方面也逐漸獲得應用. 航空電磁勘查技術分為頻率域和時間域，機載平臺包括直升機和固定翼系統.從20世紀70年代末，頻率域固定翼航電系統被逐漸淘汰，目前常用的系統主要為時間域固定翼系統和頻率域/時間域直升機系統.時間域固定翼航電系統工作效率高、探測深度大，適合尋找埋藏較深、體積較大的目標體，但其分辨率較直升機系統低.直升機航電系統分辨率高，但飛行效率低，適合尋找勘探區較小的目標體.

5.1 航空電磁在礦產資源勘查中的應用

礦產資源勘查是航空電磁技術最為廣泛的應用領域.早在1954年，人們使用航空電磁勘查技術找到了鋅-鉛-銀-銅多金屬礦.1974年，人們使用Mark VI INPUT時間域航空電磁系統在加拿大魁北克省找到了鋅-銅-銀礦床(Reed，1981).使用的發射波形為半正弦波，發射時間為1.05 ms，接收時間為2.42 ms，垂直發射線圈距離地表400 ft，接收線圈拖曳在發射線圈后320 ft，垂直距離為220 ft.在澳大利亞西部和坦桑尼亞人們使用航空電磁系統發現Harmony、Maggie Hays North和Kabanga等三處硫化鎳礦床(Wolfgramand Golden，2001). 其中，Maggie Hays North礦床勘查使用了三個系統(GEOTEM Deep、QUESTEM 450和TEMPEST)進行勘探，系統操作頻率均為25 Hz.QUESTEM數據由于氣候原因導致噪聲過大未能參與解釋，但GEOTEM Deep和TEMPEST系統采集的數據給出的結果基本一致 (Petersand Buck，2000).Harmony和Kabanga礦床的勘查均使用了GEOTEM系統，但Harmony使用的是25 Hz和4 ms發射信號，而Kabanga使用的是75 Hz和1 ms發射信號.除以上應用實例，航空電磁勘查技術在尋找金礦、鈾礦及金伯利巖(金剛石)等方面都獲得廣泛的應用.2000年，Fugro公司使用MEGATEM系統對Matagami地區進行了飛行觀測.這次觀測直接發現了Perseverance礦床，并于一個月后在該礦床附近發現了Perseverance West和Equinox兩處新礦床.2005年，Geotech公司在Zambia Lusaka 銅金礦利用VTEM系統進行航空電磁勘查，數據解釋將目標礦體沿走向方向延長了4倍.2008年，Geotech公司在加拿大安省Northern Empire金礦進行時間域航空電磁勘查，揭示出位于金礦下部存在的良導體.2007和2010年Geotech公司利用VTEM和ZTEM系統在加拿大安省East Bull Lake礦區進行航空電磁觀測，其中VTEM成功查明位于兩個成礦帶交叉部位的目標體，并經鉆探驗證；而ZTEM觀測數據解釋揭示了礦區800 m深的構造特征.2012年，CGG公司使用HeliTEM在加拿大的Lalor湖對火山成因的硫化物礦床進行了勘探(Yang and Oldenburg，2013).雖然本次勘探目標深度超出了傳統航空電磁系統勘探范圍，但HeliTEM由于勘探深度大很好地確定了礦體的異常位置.5.2 航空電磁在油氣勘查中的應用

地震方法通過圈定構造實現油氣勘查.然而，地震方法難以確定構造中的含油、含水特征，容易導致油氣開發中的干井問題，浪費資金.航空電磁勘探數據可以獲得地下介質電阻率信息，在確定構造前提下能夠進一步判斷構造中是否儲藏油氣，降低干井率.2008年，Aeroquest公司使用AeroTEM IV平臺在莫桑比克進行了天然氣勘探(Pfaffhuber et al.，2009)，發射波形為75 Hz的三角波，通電時間和斷電時間分別為2.06和6 ms，發射線圈直徑為12 m，共五匝，接收線圈分別接收水平和垂直磁感應分量.該航空電磁勘查項目為解譯測區構造，識別天然氣運移通道提供了重要依據.2004年，Fugro公司使用RESOLVE 直升機系統在美國蒙大拿州東北部的East Poplar油田進行了數據采集和成像(Smith et al.，2006).該系統的吊艙內安置了六對線圈(五對為水平共面，一對為直立共軸)，發射接收頻率范圍為400～14 kHz，傳感器距離地面高度為30 m.該項目數據解釋結果為East Poplar油田區域地下鹽水分布的精細刻畫提供了有利技術參數.

5.3 航空電磁在環境工程領域的應用

航空電磁在環境工程方面的應用主要包括壩基勘測、永凍層和極地冰層研究、地下管網調查、山體滑坡、海侵及淺海海底地形調查等.1999年，奧地利Vorarberg州發生嚴重的山體滑坡后，管理部門使用Geotech系統對該地區進行了地球物理勘查(Supper et al., 2008).該系統采用發射頻率為3200 Hz(共軸裝置)和7190 Hz(共面裝置)，系統同時還配有一個激光測高和兩個GPS裝置.此次勘查為該地區的山體滑坡風險評估和制定有效的防治措施提供了重要的依據.2003年，人們對Finland灣和Bothnia灣進行了海冰厚度探測(Haas，2004)，使用的裝置為Alfred Wegener研究所開發的直升機吊艙系統.吊艙長3.5 m，重100 kg，懸掛在直升機下20 m，距離海面約15 m，系統采用3.6 kHz和112 kHz兩個操作頻率.數據處理結果表明，本次海冰厚度測量具有較高精度，測量的海冰厚度比已有資料給出的海冰厚度大很多，對資料更新和分析海冰變化情況具有重要的意義.2006年，SkyTEM公司在Jutland, Denmark西南部海岸進行了勘查，其目標是了解該地區海水污染對民眾生活的影響.該公司使用的SkyTEM系統發射線圈面積314 m2，最大發射磁矩120000 Am2，同時接收X和Z分量數據.此次勘查通過反演得到了測區的電阻率剖面，揭示了該區的海水及地下水的運移特征.2008年至2009年，德國萊布尼茲研究所和聯邦地球科學與自然資源研究所(BGR)聯合對德國北部海岸的沿海含水地層和海侵情況進行調查(Wiederhold et al.，2010).本次調查采用BGR的頻率域系統RESOLVE和SkyTEM Aps的時間域系統SkyTEM，勘查結果揭示了這一區域淡水和海水的分布特征信息，為了解該地區海侵情況提供了依據.2010年，Fugro公司使用RESOLVE系統對阿拉斯加附近Yukon平原的永凍層進行了勘查(Minsley et al.，2012).系統的操作頻率400～129 kHz，飛行的平均速度為30 m·s-1，飛行高度為30 m，測線長度共計900 km，覆蓋面積達300 km2.勘探數據及處理結果不僅提供了該地區永凍層的詳細信息，還揭示了該測區地下水分布信息.

5.4 航空電磁在地下水資源勘查中的應用

地下水通常埋藏較淺，且其電阻率與圍巖有顯著差異.航空電磁法由于對淺層目標體具有很高的分辨率，是地下水資源勘查的理想選擇之一.目前用于地下水勘查的航空電磁系統主要有Fugro的頻域直升機RESOLVE系統、SkyTEM公司的時間域直升機系統等.1998年，SkyTEM Aps使用時間域電磁系統在馬來西亞Selangor州進行了地下水勘探.發射線圈面積為341 m2，最大發射偶極矩為150000 Am2，接收線圈接收X和Z分量數據.此次勘查目的是在該地區尋找水源并確定打井位置，并為Kuala Lumpur、Putrajaya 和Selangor三個地區尋找可持續的水源.2001年，Fugro公司在美國Texas州西部的EI Paso和Sterling地區分別進行了162和372 km2的地下水鹽化度勘查(Paine and Collins，2003).本次勘查使用的裝置為MEGATEM II系統，飛行高度為120 m，三分量電磁接收器拖曳在發射線圈后131 m處，距離地面高度75 m，發射線圈發射頻率為30 Hz，發射電流為1330 A的正弦波，發射偶極矩為2100000 Am2. 此次勘探通過將航空電磁數據與地面電磁和井數據進行綜合分析，摸清Sterling地區地下水鹽堿化情況，并在EI Paso找到了良好的淡水水源.2005年，Fugro公司使用RESOLVE頻率域航空電磁系統對Chowilla河漫灘進行了地下水礦化調查(Tan et al.， 2009).吊艙距離地表30 m，使用五對水平共面(操作頻率為390～132 kHz)和一對直立共軸線圈對(操作頻率為3242 Hz).對該地區采集數據進行電導率成像和反演，揭示地下水鹽化情況和分布信息.2009年，SkyTEM在意大利Venice瀉湖對地表水、地下水轉換情況進行了調查(Viezzoli et al.，2010).使用裝置的發射偶極矩為200000 Am2，基頻為12.5 Hz，吊艙距離地表30～40 m.這次勘查在陸地和水交界位置采集的航電數據為確定地下水鹽化度提供了寶貴的信息，并為了解地表水和地下水之間的轉換關系提供了技術參數.5.5 航空電磁在其他領域的應用

航空電磁法因其工作效率高、對惡劣工作條件適應性強，因此獲得更廣泛應用.其領域已拓寬到農業普查、核電站選址、尋找沉船、古墓探測等.1980年，航空電磁勘探在法國被應用于核電站選址(Deletie and Lakshmanan，1986).他們使用的直升機系統的吊艙長9 m，內部含有三個線圈對(垂直共面、水平共面、垂直共軸)，工作時吊艙距離地面高度30 m，工作頻率為375、900、3600和8000 Hz.這次勘查最終在法國找到了7處可供選擇的核電站建造地址.2001年，中國地質科學院地球物理地球化學研究所研制的HDY-402三頻航空電磁系統在吉林省乾安地區開展水資源普查，對該地區農業生態地質進行評價.該系統收發裝置采用垂直共面線圈對，收發距為19.2 m，工作頻率分別為463、1563和8333 Hz，最高采樣頻率為8次/秒，噪聲水平小于20 ppm.本次調查查明了吉林省乾安地區土壤鹽漬化，為該區農業生態的發展提供技術參數.

6 結論與展望

我國現處于經濟轉型和快速發展時期，對礦產資源的需求已經成為制約國家經濟發展的重要因素之一.國家近年不斷加大對礦產資源勘探開發力度，然而，我國地質條件良好地區的礦產資源勘查工作已基本完成，勘查目標已轉移到地球深部和廣大西部無人區.航空電磁勘查技術由于采用飛行平臺無需地面人員接近，勘查效率高，成本較低，特別適合地形地質條件復雜地區資源勘查.其應用領域涉及到礦產、環境工程、地下水及地熱資源勘查等.因此，大力發展適應于我國復雜地形地質條件的航空電磁系統迫在眉睫.

未來我國航空電磁勘查技術發展面臨的技術難點主要包括：1)大功率多脈沖發射技術； 2)多分量大動態范圍電磁接收技術；3)on-和off-time電磁信號解釋技術，提高淺部地表和深部目標體探測能力；4)基于物理成因的航空電磁數據處理技術；5)快速三維電磁正、反演技術.通過系統總結國內外航空電磁勘查技術發展現狀，借鑒國外技術研究和系統開發的成功經驗，以期突破國內航空電磁發展的技術瓶頸，發展適合我國特殊地質條件的航空電磁勘查技術和儀器系統.

鑒于時間域和頻率域航空電磁系統各具特色，勘探目標和領域各不相同.建議在發展我國航空電磁勘查技術過程中同步研發時間域和頻率域電磁系統.半航空系統由于采用了遠距離接地發射，接收信號存在嚴重體積效應，喪失了航空電磁勘查技術的高分辨率優勢，勘查精度無法與傳統全航空電磁技術相比，在實際礦產勘查中無法取代全航空系統.無人機航電系統由于受到飛機本身特性的制約難以承擔大規模的勘探任務.在發射裝置方面由于無人機系統承載重量小，導致其發射功率和勘探深度都十分有限；在數據采集方面，無人機飛行平臺穩定性較差，采集的數據難以滿足精細勘查的要求；而在實際操作方面，無人機飛行平臺氣候適應能力差，無法應用于地形條件復雜的地區，同時續航時間有限.無人機和半航空電磁勘查系統由于其自身固有的弱點，難以擔當我國礦產資源勘查的主力軍，發展全航空電磁勘查系統應該成為我國航空電磁勘查技術發展的主流方向.

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(本文編輯 何燕)

Review on airborne EM technology and developments

YIN Chang-Chun, ZHANG Bo*, LIU Yun-He, REN Xiu-Yan, QI Yan-Fu, PEI Yi-Feng, QIU Chang-Kai, HUANG Xin, HUANG Wei, MIAO Jia-Jia， CAI Jing

CollegeofGeo-explorationSciencesandTechnology,JilinUniversity,Changchun130026,China

As an effective and efficient geophysical tool, airborne EM (AEM) is specifically suitable for the exploration in areas of high mountains, desert, swamp, and forest. With the development of national economy of China, the demand for mineral resources increases sharply, geophysical explorations in areas with favorable geological conditions have been accomplished. The exploration target is switched to areas with unfavorable and complicated geological conditions, such as in Western China. Airborne EM works efficiently due to its moving platform of helicopter or fixed-wing aircraft, no human access is needed to the survey area. This technology is especially applicable for exploration in Western China with rugged mountains and deserts. In this paper, we review AEM technology systematically with the goal to make this technology quickly applicable in the mineral exploration in China.To make a comprehensive review, we introduce the AEM technology in following sequences. We first present basic AEM theory of on/off time, apparent resistivity and depth, footprint, etc. Then, we introduce the developments of AEM technology in Western countries, including CGG/Fugro, Geotech and Aeroquest in Canada, SkyTEM survey in Denmark, and we address specifically the status of this technology in China. Since the modeling and inversions are fundamental for AEM, we present 1D/2D/3D forward theory based on semi-analytical solutions, finite element, finite difference and integral equation methods. For the inversion theory, we follow the rule from simple to complex models by presenting 1D Marquardt, LCI, and 2/3D inversions by GS, NLCG and QN. Finally, we introduce successful applications of AEM technology in mineral, oil & gas, E&E, ground water, and natural hazard forest. We give our suggestions on future development of AEM technology in China.AEM technologies have been well developed in Western countries and are playing very important role in mineral, oil & gas, E&E, ground water explorations. However, AEM has not been well developed in China to the extent of practical use due to the fact that no breakthrough has been made on key technologies. Due to the fact that time-domain and frequency-domain AEM have different features and applications, we suggest to develop AEM technology in both frequency- and time-domain in China. The frequency-domain AEM is used in E&E, ground water exploration, while time-domain AEM is used in mineral, oil & gas in deep earth. Semi-airborne EM has serious problems of volume effect and thus is not recommended. Unmanned aerial vehicle (UAV) has a small load, making it difficult to transmit high-power signal. Besides, UAV doesn′t suit the complex climate and topography, so that it is not recommended, either.To explore the vast area in Western China with rugged mountains, desert, etc., we need to develop geophysical technologies based on moving platforms, like airborne EM. Considering that different AEM systems suit for different exploration targets, both frequency- and time-domain systems need to be developed. Both semi-airborne and UAV are not recommended for airborne EM due to their inherent defects, a full airborne EM technology is the best solution.

Mineral exploration; Airborne EM (AEM); Frequency-domain and time-domain AEM systems; AEM data processing; Imaging and data interpretation

國家自然科學基金項目(41274121)和國家青年基金項目(41404093)、國家重大科研裝備研究項目(ZDYZ2012-1-03和20130523MTEM05)、吉林大學研究生創新基金資助項目(2015053)聯合資助.

殷長春，男，1965年生，教授，國家“千人計劃”特聘專家，主要從事電磁勘探理論，特別是航空和海洋電磁方面的研究. E-mail: yinchangchun@jlu.edu.cn

*通訊作者張博，男，1989年生，博士生，主要從事航空電磁正反演研究. E-mail: em_zhangbo@163.com

10.6038/cjg20150804.

10.6038/cjg20150804

P631

2014-12-14，2015-06-29收修定稿

殷長春, 張博, 劉云鶴等.2015.航空電磁勘查技術發展現狀及展望.地球物理學報，58(8):2637-2653,

Yin C C, Zhang B, Liu Y H,et al. 2015. Review on airborne EM technology and developments.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),58(8):2637-2653,doi:10.6038/cjg20150804.