摘要
地空瞬变电磁探测技术融合了地面电磁方法和航空电磁方法的优势，具有高效率和大深度探测的优势，近年来受到广泛关注。本文针对国内资源勘探中复杂地形地貌条件下传统瞬变电磁探测工作难度大、效率低等瓶颈问题，研发了地-空瞬变电磁全域视电阻率定义方法，实现了全时域、全空域的视电阻率计算。同时，研制了地-空瞬变电磁接收系统与大功率的地面发射系统，提高了观测信号的信噪比，加大了探测深度。建立了适用于高山、沼泽等复杂地形条件的地-空瞬变电磁高效观测系统。在陕西某矿区进行应用，取得了较好的应用效果。
Abstract
The ground-air transient electromagnetic detection technology integrates the advantages of ground electromagnetic methods and airborne electromagnetic methods, featuring high efficiency and deep detection capabilities. It has received extensive attention in recent years. In response to the bottleneck problems such as high difficulty and low efficiency of traditional transient electromagnetic detection work under complex terrain and landform conditions in China's resource exploration, a definition method for the all-domain apparent resistivity of ground-space transient electromagnetic has been developed, achieving the calculation of apparent resistivity in the all-domain and all-domain. Meanwhile, a ground-air transient electromagnetic receiving system and a high-power ground transmitting system were developed, which improved the signal-to-noise ratio of the observed signal and increased the detection depth. An efficient ground-air transient electromagnetic observation system suitable for complex terrain conditions such as high mountains and swamps has been established.It was applied in a certain mining area in Shaanxi Province and achieved good application results.
0 引言
随着全球工业化进程的加速和战略性矿产资源需求的持续增长，金属矿资源的勘探与开发已成为保障国家资源安全和经济可持续发展的重要课题。传统地面瞬变电磁法（Transient Electromag‐ netic Method，TEM）在浅层矿产勘探中已取得显著成效，但在深部资源探测和复杂地质环境（如高阻覆盖区、地形起伏剧烈、强电磁干扰等）中，其探测深度、分辨率和数据解释精度面临严峻挑战。尤其针对隐伏型、深埋藏金属矿床，常规方法受限于地形约束、信号衰减和多源干扰，难以满足高精度、高效率的勘探需求。
近年来，地-空瞬变电磁探测技术（Ground-Airborne TEM）作为新兴地球物理方法，通过融合地面发射与空中接收的优势，显著提升了探测范围与数据采集效率，有望为深部地质找矿、地质灾害成灾机理探测、城市地下深部探测等研究领域的发展提供助力，成为当下的研究热点（嵇艳鞠等，2013； 张莹莹和李貅，2017；底青云等，2019；林君等， 2021）。
国外对地-空瞬变电磁探测方法的研究起步较早。在理论研究方面，欧美等国家的科研团队率先开展了相关探索。美国的一些研究机构通过对电磁传播理论的深入剖析，建立了较为完善的地-空瞬变电磁理论模型，为后续技术研发奠定了坚实的基础（Kaufman and Keller，1983）。加拿大研发出的地-空瞬变电磁探测系统，采用高精度的航空电磁传感器，能够在复杂地形条件下快速、准确地采集电磁数据。Smith and Fountain（2001）其空中接收系统具备高度的稳定性与灵敏度，可有效识别微弱的地下电磁异常信号。此外，澳大利亚在发射源技术方面取得重大突破，开发出大功率、多频段的地面发射源，极大地增强了电磁信号的穿透能力，显著提升了深部地质结构的探测效果（Elliott，1998）。
国内对地-空瞬变电磁探测方法的研究近年来发展迅速。在理论研究上，国内众多高校与科研院所积极投入。通过对电磁场理论的深入研究，结合国内复杂地质条件特点，提出了适用于国内的地-空瞬变电磁理论修正模型，进一步完善了该方法的理论体系。同时，在多分量全域视电阻率定义等方面取得创新性成果，丰富了地-空瞬变电磁方法理论（王华军，2008；强建科等，2010）。在技术研发层面，国内自主研发能力不断增强，成功研制出一系列地-空瞬变电磁探测设备，包括高性能的地面发射系统与小型化、智能化的空中接收系统（滕吉文， 2010；Qi et al.，2015）。可在复杂地形地区灵活作业，实现快速数据采集（武军杰等，2023）。
总体而言，国内外在地-空瞬变电磁探测方法研究方面均取得了显著进展，但仍面临一些挑战，如进一步提高复杂地质条件下的探测精度、降低成本等，未来需国内外科研人员共同努力，推动该技术不断完善与发展。
1 地-空瞬变电磁法电性源全域视电阻率定义
为了能够直观、清晰地反映地下的电性信息变化，视电阻率是目前瞬变电磁生产工作中使用最为广泛的解释参数之一。
1.1 x、z分量求解
由于单辐射场源地空系统 B（t）与电阻率参数之间存在复杂的隐函数关系，导致无法直接得到一个用 B（t）表示的显式关系式来表达视电阻率（李貅， 2002）。但考虑到Bp（t）（p=x，z）是关于电阻率的单调函数，而By（t）和∂Bp（t）/∂t（p=x，y，z）是关于电阻率的双值函数，该双值函数可以看成是两个单调函数的组合，这就为基于反函数定理思想定义视电阻率创造了条件（张莹莹等，2015）。
将磁感应强度的x和z分量记为Bp（ρ，C，t）（p=x，z），其中C表示测点在空中的位置坐标参数。为保证较快收敛，建议按照实际应用情况，用电阻率覆盖范围内的一个中间值作为初值ρ（0） τ。在ρ（0） τ 的邻域内对 Bp（ρ，C，t）（p=x，z）进行泰勒展开：
(1)
在 ρ（0） τ 的邻域内保留式（1）的前两项，即线性主部，可推出
(2)
对式（2）进行变换
(3)
将式（3）写成迭代的形式
(4)
其中
(5)
式（5）的迭代终止条件为
(6)
式（6）中，ε 是给定的迭代终止误差限；Bp（ρ，C，t）（p=x，z）是测得的磁感应强度 x或 z分量；Bp（ρ（i） τ，C，t）（p= x，z）是电阻率为ρ（i） τ 的半空间模型计算结果。
1.2 y分量求解
大量模型计算表明，对于单辐射场源地空瞬变电磁法中的 By（t），视电阻率定义问题可大致分为 3 种情况：单解问题、双解问题和无解问题（牛之琏， 2007）。在早期或晚期时间道，在常规电阻率范围内，By（t）的视电阻率求解有时可视为单解问题，这种情况与Bp（t）（p=x，z）类似。对于双解问题，首先需要找到极值点所在位置，然后再在极值点两侧分别求取这两个解。进一步的研究表明，如果想从 By（t）数据中得到光滑渐变完整的视电阻率曲线，还需要将双解问题进一步分解为以下 3 种情况：当两个解相差较小时（如 10%），对这两个解取平均作为该时间道的解；当两个解相差较大时（如 300%），选择与相邻时间道的解更接近的解作为该时间道的解；其他情况均视为无合适解问题。当层状大地产生的磁场比均匀大地的磁场大时，就会出现无解问题，已经证实这种情况在 LOTEM 中也存在。对于上述分析中提及的无合适解和无解问题，为了得到完整的视电阻率曲线，本文采用最小曲率插值方法对空缺的数据进行补足，该法能够保证曲线按最小曲率变化且保持曲线光滑，无约束点原位最小曲率差分迭代算法见式（7）。
(7)
式（7）中，k表示迭代的次数；M表示参与插值的总个数；ρτ（i）表示第 i 个时间道的视电阻率值，一般在需要插值的区域左右两端各取2个点参与计算。
图1单源地空系统模型示意图
a—模型俯视图；b—模型主视图
2 地-空瞬变电磁电性源三维正演模拟
2.1 单辐射源模型
为验证电性源全域视电阻率算法，本文设计了以下模型：在电阻率为 100 Ω⋅m 的均匀半空间中赋存一倾斜充水断层，充水断层的电阻率为10 Ω⋅m，在地面铺设一长为100 m的电性源，发射电流为10 A，接收高度为 100 m。三维正演采用矢量有限元方法完成（李貅等，2021）。模型的剖分尺寸为 40000 m× 40000 m×40000 m。具体模型参数如图1所示。
在此模型中，选取 Line33，Line42 两条测线（分布如图1a所示），利用电性源地空瞬变电磁的全域视电阻率法计算了相应的视电阻率，并画出了全域视电阻率断面图。
图2全域视电阻率断面图
a—Line33测线；b—Line42测线
图2可以明显反映出低阻异常，与设计模型对比发现，全域视电阻率断面图的形态与地质体的形态基本一致，说明电性源地空瞬变电磁法能够有效地勘探地下的目标体。
2.2 多辐射源模型
为增强瞬变电磁信号的强度、提高信号信噪比、更加全面地反映地下异常体位置等，采用多辐射场源进行地空瞬变电磁三维正演。
设在均匀半空间中含有两块低阻异常体，两块异常体的埋深均为40 m，它们之间的间距为120 m。均匀半空间的电阻率为 100 Ω⋅m，异常体的电阻率为10 Ω⋅m。在地表铺设2条长为100 m的电性源，2 条电性源平行，电流方向相反，电流大小为 10 A，接收高度为100 m。具体的模型参数如图3所示。
在此模型中，选取 Line33 测线（分布如图3a所示），利用电性源地空瞬变电磁的全域视电阻率法定义了相应的视电阻率，并画出全域视电阻率断面图。
图3多源地空系统模型示意图
a—模型俯视图；b—模型主视图
图4Line33测线全域视电阻率断面图
图4可以明显地反映出 2 个低阻的异常，与设计的模型对比发现，全域视电阻率断面图的形态与地质体的形态基本一致，说明电性源地空瞬变电磁法能够有效地勘探地下的目标体。
3 发射和接收系统研发
根据激励源的不同，目前地空瞬变电磁法主要有3种装置：大回线源地空瞬变电磁装置、电性源地空瞬变电磁装置以及多辐射源地空瞬变电磁装置。
近年来发展较快的是电性源瞬变电磁装置。发射源为置于地表的导线源，导线源尺寸从数百米到数千米不等。由接地长导线源发射不同频率的电流信号，通过旋翼无人机搭载的接收平台在特定飞行高度采集二次场信号。这种工作方式适用于山区等复杂环境地区，且具有信噪比高、勘探深度大等优点。
完成了地空瞬变电磁接收系统的改造与地面发射系统的研制。主要包括地面发射系统和基于飞行平台的接收系统。大功率宽频电磁发射系统，基本可实现发射功率 200 kw，最大激发电流 150 A，电压 2000 V。具备恒压状态、恒流状态发射功能。进一步保证了探测信号的强度。接收系统包括无人机飞行平台、接收机和感应式传感器。
接收机是一款超轻便的小型电磁法工作仪，内置大容量锂电池，具有长续航、便携的特点。采样率 30 kHz（24 bit）/1000 kHz（18 bit），最大可实现 4096次叠加。内置 SD卡存储数据并可以多台联网工作，内置无线联网及可选 2G/4G 入网。空中接收机可连续点号采集，每完成一次设定的叠加周期，形成一个测点数据块，并可置入实时采集的 GPS空间位置信息。整个发射、接收系统装置见图5。
图5地-空瞬变电磁发射和接收系统
a—无人机搭载接收装置；b—大功率发射机；c—接收系统
4 应用示范
4.1 示范区地质特征
研究区位于陕西省山阳县，具体位置如图6所示。地处秦岭南麓，属山地地貌、中山地形，总体地形南高北低，山势陡峭。区内大地构造位置属南秦岭印支褶皱带，位于山阳—凤镇断裂和镇安—板岩断裂之间（任涛等，2014）。主要出露烟家沟—耀岭河倒转背斜一部分及次级向斜、镇—板断裂及次级断裂。出露的地层有震旦系、寒武系、奥陶系、泥盆系和志留系（任涛等，2007）。
研究区内金矿体极化率值最高，平均 2.3%，其上下盘岩性极化率次之，其他岩性极化率则很低，都不大于 1%；电阻率方面，石英脉电阻率最高，是其他岩性的4倍以上，破碎蚀变带上的电阻率其次，不到石英脉电阻率的 1/4。其他岩性的电阻率均较小，最大也不到石英脉的 1/6。整体上矿体具有“中低阻-弱高极化”的电性特征，与其它岩性之间有较为明显的电性差异（表1）。
表1示范区岩（矿）石电性参数统计
注：测量时仪器参数为T=8 s，ts=100 ms，td=40 ms。
4.2 数据采集
数据采集发射系统为地面长导线源，空中接收。共设置南北向测线 66 条，测线线号为 Line1000～Line4250。KWT-X6L-15 六旋翼无人机的飞行速度为7 m/s和10 m/s；飞行高度根据地形情况调整，分别为 1200 m、1250 m、1300 m。分别在测区东部和北部布设不同频率的发射源。北部源A1B1 长度为 829 m，东边源 A4B4长度为 1657 m。完成测线总长度约60.11 km，测区总面积为3.5 km2。
图6研究区设计概况示意图
a—研究区交通位置图；b—研究区数据采集示意图
4.3 数据处理及解释
数据采集后，首先对测线数据进行预处理，并采用基于标准差指标的误差棒进行数据质量分析。根据质量分析的结果，进一步对测线数据进行滤波降噪、基线校正、数据叠加、时窗积分、关断时间去除等处理。最终经过全域视电阻率计算，以及进一步的反演，得到数条剖面的综合剖面图。数据处理流程如图7。
另外，利用已有程序，开发了地-空瞬变电磁处理与解释系统（图8）。软件设计采用了面向对象和面向过程两者结合的设计方法。具体采用 C#和Fortran语言来编写，通过调用动态链接库将两者结合起来。软件采用了模块化设计，系统功能结构如图9。该软件是一款集层状模型正、反演、数据预处理以及传统视电阻率计算等方法于一体的综合地空瞬变电磁处理解释软件。
图7数据处理流程图
图8地-空瞬变电磁处理与解释系统
图9软件系统功能结构
数据的处理和解释工作往往是同时进行的，它们之间存在一种从实践到认识的提高过程。数据解释是建立在资料处理后的电阻率综合剖面图和电阻率顺层切片图的基础上。为提高解释的客观性及准确性，在初步解释之后调整处理的窗口（测道）范围进行反复处理，直到满足解释要求。
资料的解释主要依据单点数据（电阻率—反演解释）结合整条测线的电阻率断面图进行解释，对地质异常体的解释不仅从定性图件上进行分析，而且要结合单点数据和单支衰减曲线进行综合解释。
4.4 地质解译
以L4000测线为例，根据剖面异常特征，从南到北可圈定3个电阻率异常区，分别为中阻异常区、低阻特征和高阻特征，编号为Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ（图10）。
Ⅰ号中阻异常区位于 0~500 m，电阻率值为 1200~1600 Ω·m，向北陡倾。出露地层为寒武系岳家坪组，根据物性资料推测该中阻异常是岳家坪组地层的电性反应，推测该地层北倾和地质认识一致。
Ⅱ号低阻异常区位于 200~900 m，电阻率值为 200~1500 Ω·m，北倾，出露地层为水沟口组和灯影组的上段和中段。推测该低阻异常主要是水沟口组硅质岩、灰色—灰黑色含炭硅质板岩及断层破碎带中的断层泥、下盘中的灯影组白云岩引起。在Ⅱ 号低阻异常区浅层圈定一呈漏斗状低阻异常，编号为Ⅱ-1，位于 200~700 m。地质工程控制的含金矿化体发育于水沟口阻地层，位于该低阻异常南部的梯度带位置。推测该低阻异常是水沟口阻地层、含金蚀变带及破碎白云岩的综合反映，成矿位置在低阻异常南部的梯度带位置的水沟口组中。
Ⅲ号高阻异常区位于 650~1000 m，电阻率值为 1600~2400 Ω·m，北倾，出露地层主要为陡山陀组，岩性主要为细晶质白云质灰岩、中厚层状大理岩。推测该高阻异常区是陡山陀组地层的反映。
从高程800 m综合平面图上，从南到北可圈定4 个电阻率异常区，分别为中阻异常区、低阻异常区和 2 个高阻异常区，编号为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ（图11）。中、低、高阻区存在较明显的界限，其中北东向较明显的界限推测为F4断裂的反映，它是镇板断裂南侧的次级断裂。北西向较明显的界限推测为水沟口组地层、含金蚀变带及破碎白云岩的综合反映。
图10L4000线地质-物探综合剖面图
1—第四系坡积物、冲积物；2—水田河组第四岩性段；3—水田河组第三岩性段（砂质白云岩）；4—水田河组第三岩性段（灰质白云岩）；5—水田河组第二岩性段（隐晶质白云岩）；6—水田河组第二岩性段（灰质白云岩）；7—水田河组第一岩性段（隐晶质白云岩）；8—水田河组第一岩性段 （灰白云岩）；9—蜈蚣垭组（隐晶质白云岩）；10—岳家坪组（隐晶质白云岩）；11—水沟口组第三岩性段（隐晶质白云岩）；12—水沟口组第三岩性段（泥质灰岩）；13—水沟口组第二岩性段（硅质板岩）；14—水沟口组第一岩性段（硅质岩）；15—灯影组第三岩性段（隐晶质白云岩）；16—灯影组第二岩性段（虫蚀状白云岩）；17—灯影组第一岩性段（隐晶质白云岩）；18—陡山沱组（微晶白云岩）；19—陡山沱组（千枚岩）；20—石英脉；21—方解石脉；22—断层及编号；23—节理；24—破碎岩带
图11800 m高程地质-物探综合平面图
1—第四系；2—泥盆系星红铺组第一岩性段上段；3—泥盆系星红铺组第一岩性段下段；4—泥盆系古道岭组上段；5—泥盆系古道岭组下段； 6—泥盆系石家沟组下段；7—泥泥盆系公馆组；8—寒武系蜈蚣垭组；9—寒武系岳家坪组；10—寒武系水沟口组上段；11—武系水沟口组下段； 12—震旦系灯影组第三段；13—震旦系灯影组第二段；14—震旦系灯影组第一段；15—震旦系陡山沱组；16—震旦系耀岭河群；17—不整合接触界线；18—断裂、构造蚀变带及编号；19—钒矿体及编号；20—含金破碎蚀变带及编号；21—见矿钻孔及编号；22—勘探线及编号
图12三维地质模型综合解译图
a—数字地形模型；b—三维地质体网格；c—矿区三维镂空图；d—第四系a1地层和推测矿体三维形体
图12展示了基于多源数据融合技术构建的三维地质模型综合解译成果。该模型通过整合地表地质填图、钻孔岩性编录、地球物理反演数据及构造解译成果，系统揭示了研究区内各地层的分布和接触关系。通过添加各种约束条件，最终直观地将目标矿体的位置和展布呈现了出来（李贺，2016；李貅等，2021）。为后续勘探工程部署提供了可靠的三维地质依据。
5 结论
（1）本研究创新性地提出了地空全域视电阻率定义方法，实现了全时域、全空域的视电阻率计算。研发了一套地-空瞬变电磁探测野外施工及数据采集方法技术，提高了野外勘查的工作效率、降低了勘查成本。
（2）研制了地-空瞬变电磁接收系统与地面发射系统的成套设备；建立了适用于复杂地形条件的地-空瞬变电磁探测的高效观测系统。研究成果在陕西某矿区进行勘查示范，取得了良好的勘查效果。
（3）因地空瞬变电磁数据量巨大，单纯的数据预处理就需要巨大数据处理能力，因此智能的自动化的数据预处理与解释算法还需进一步的研究开发。
致谢 在项目研究过程中，西北有色地矿集团相关领导和专家在关键技术论证和工程实施等环节给予了鼎力支持与悉心指导。此外，长安大学的李贺、景旭、杨航、曹华科、李梓源等博士研究生在数据采集、分析及成果整理等工作中提供了重要协助。谨此向各位专家同仁致以最诚挚的感谢。