旋翼无人机航磁测量系统在备战铁矿的应用

武雪山 黄松 于昌明 张建收 余益敏 李泯

摘   要：备战铁矿地处西天山伊犁地块东北缘活动带中，为中高山区，属高山深切地貌。经近十年开发，矿体浅层规模及形态已基本查明，深部潜力有待进一步挖掘。由于地形切割剧烈，该矿区地面地球物理工作困难。采用小型旋翼无人机及数采组成的航磁测量系统在备战铁矿开展测试与应用，获得关键区域高精度磁异常数据。通过约束模型分析，推测深部分布有隐伏矿体。

关键词：备战铁矿;旋翼无人机;航磁

航空磁测是磁法勘探中应用最广泛的方法之一，具速度快、勘探成本低特点，可覆盖火山、森林、极地、高原等地面磁测人员难以进入地区[1]。传统航空磁测在大面积、大规模地质调查及矿产普查方面适用度很高，但在气候条件恶劣，规模小的区域很难满足需求，无人机航测则可解决此难题[2-3]。目前无人机航磁技术发展迅速，2003年英国Magsurvey公司首次开发了PrionUAV航空磁力测量系统[4-7]。国内装备系统及测试方法等也取得一定进展，中国地质科学院地球物理与地球化学勘探研究所研发了CH-3测量系统，并在多宝山地区展开应用[8-12]。目前无人机航磁系统搭载平台主要分为固定翼和旋翼两种，固定翼飞机对起降机场要求较高，飞行速度快，适合大区域扫描;旋翼直升机具成本低、起落、运输、控制方便、飞行速度慢等特点，适合小区域精细测量。随着备战铁矿区开发工作的开展，高山深切地貌进一步加剧，地球物理工作难度加大。本文采用六轴旋翼锂电池无人机搭载的以光泵磁测传感器为主体的数采测量系统，在备战铁矿进行无人机航磁测量，获得关键区域高精度磁异常数据。基于新采集的磁异常进行精细分析，结合钻探剖面，對矿区深部隐伏矿体进行推测。

1  旋翼无人机航磁测量系统

1.1  旋翼无人机平台

无人机在摄影、遥感等方面应用广泛，将测量模块与无人机刚性耦合，直接挂载在无人机上，飞行平台本身干扰很小。由于磁场探测中飞行平台磁干扰问题突出，需采取措施，从系统架构和材料两方面进行设计。材料选择全机身碳纤维材料飞行平台，在保证自身强度和耐用性情况下，有效减轻飞机自重，碳纤维材料不会引起周围空间磁场畸变。由于动力系统不可避免产生背景噪声，系统架构采用非对称水平悬挂技术，可最大限度增加磁探头与电机间距离，减小干扰。

旋翼无人机航磁测量由飞行平台和数字采集系统组成。选用飞行平台为六轴旋翼无人机（型号为DJI-M600 PRO），锂电池为动力。为最大限度降低载荷重量，采用重量较轻的铷光泵为磁传感器，通过长4 m的碳纤维长杆与机身刚性连接，保证数字采集系统方位相对固定，极大程度降低了飞行平台产生的本底磁干扰（图1）。数字采集系统由3部分组成，第一部分为磁场测量模块，包括高精度铷光泵磁测传感器，重约133 g，主要用于测量地磁总强度，三轴磁通门传感器，可记录地磁场三分量磁场强度;第二部分为高度计、温度计和姿态传感器等，记录飞机飞行状态及周围环境传感器;第三部分为数据采集器，包括数据转换模块、数据储存模块等，用于独立飞行控制系统记录传感器各种信息。

集成旋翼无人机航磁测量系统最大起飞海拔高度4 000 m，最大可承受风速8 m/s，最大飞行时间25 mins，飞行速度10 m/s。系统具自由起落、灵活操纵、充电方便、抵御恶劣天气等特点。系统主要参数见表1。

1.2  数据采集及处理流程

野外数据采集需结合研究区地形特点及勘察目标特征进行测线设计，需考虑无人机飞行速度、飞行高度、航程等限制因素。通过野外测量，得到飞行平台传感器实测磁场、高度、姿态等数据及地面磁日变收录数据。

无人机航磁数据处理基本流程包括预处理、校正处理、磁异常计算。①预处理。获得数据后，进行飞行数据预处理，在此步骤进行数据清洗。对磁传感器采集状态进行评估，对原始数据中突跳点进行删除，对冗余数据进行删选、姿态评估及矫正等处理，得到完整的测线磁场数据;②校正处理。通常需进行日变改正、正常场改正、高度改正。日变校正采用测区内同步观测的日变数据，如日变测量每秒采样率低于空中测量每秒采样率，缺少的数据采用线性内插值获得。正常场矫正利用带年变的国际地磁参考场（IGRF）模型[13]，逐点计算正常场进行校正，据选定基点进行高度改正。

2  研究区应用测试

2.1  测区概况

备战铁矿位于我国著名的天山成矿带，该区地质构造复杂，成矿作用多样。备战铁矿处于伊犁微板块伊犁石炭纪裂谷带东端，裂谷带南北以尼勒克断裂及拉尔墩断裂为界，北部为博罗科努早古生代陆缘褶皱带，南部为巴仑台古陆块，出露地层为古元古界那拉提岩群片麻岩岩系[14]。矿体产于晚石炭世石英二长斑岩与大哈拉军山组灰岩接触带，地表露头较少，呈隐伏状态。主要岩石矿物及磁黄铁矿具强磁性，据磁异常可判断矿体倾向及预测隐伏矿体[15]。备战矿区位于西天山伊连哈比尔尕山东段天山主峰-博罗霍洛山北坡天山主脊附近，为中高山区，地形切割剧烈。山体走向呈近 EW向，总体地势南高北低，坡度25°～35°，沟深坡陡，属高山深切地貌。

前人对西天山地区备战铁矿进行了1∶5万航磁普查1。据收集的备战矿区岩石物性统计发现，备战铁矿区正常沉积的细碎屑与粗碎屑岩类多为低磁性;侵入岩类从酸性到基性，磁化率逐渐增强;火山岩类中从酸性岩（流纹岩）→中性岩（安山岩）→基性岩（玄武岩）磁化率逐渐增强;变质岩物性取决于原岩岩性与变质程度，偏向无磁与弱磁性。认为矿区磁铁矿石具高磁化率，与围岩区分度大。

2.2  研究区测试应用

本次无人机航磁进行了小面积数据采集实验。据前期研究结果，飞行区域集中在矿体产出最好地段。数据采集以揭示主体矿脉特征为目标，共布置5条平行测线。整体飞行方向大致与主体矿脉垂直，直线距离约2 200 m，线距200 m，飞行测线见图2中虚线所示。将设计测量任务输入飞行控制系统后，旋翼无人机航磁测量系统可按规划的测量路线进行自主飞行采集数据，无需手动操作。在控制终端可进行实时状态监控，处理突发事件。采集数据经预处理、各种校正和计算后，得到磁异常数据（图3-a）。西天山地区开展1∶5万航空磁测，其中备战铁矿区磁异常特征明显（图3-b），强度大，在等值线平面图上为一较规则的南正北负异常。据无人机航磁采集结果，磁异常呈近EW向展布，经过矿体部分出现明显高磁异常，整体形态与之前采集的航磁异常特征一致。由于EW向控制距离较短，未见异常闭合。通过旋翼无人机航磁测量数据结果发现，该区域异常特征明显，主矿体高值异常突出，与1∶5万航磁结果变化趋势一致，无人机航磁结果具更细致的磁场变化信息。

2.3  约束建模

据矿区地质资料，区内岩浆活动强烈，以火山岩、浅成次火山岩为主，矽卡岩化是控制铁矿体的主要因素。矿石矿物主要为磁铁矿、磁赤铁矿，少量磁黄铁矿等，它们是引起磁异常的主要因素。基于新采集的航磁资料，我们开展了磁异常约束建模工作，选取飞行区域内一条拥有良好钻孔控制的勘探剖面进行二度半人机交互反演。主要步骤为：据研究区已有约束信息，建立合理的二维初始地质模型，并设置延伸长度，为二度半模型。通过人机交互方式修改初始地质模型，并实时进行二度半正演计算，使之拟合观测磁力值，从而获得研究区合理地质模型。收集相关资料，结合岩石物性分析结果，建立反演剖面初始模型，有钻井控制的矿脉为已知控制矿体。反演中磁化倾角为63.5°，磁偏角3.25°，磁化强度背景场为0～0.1 A/m。剖面位置见图2，反演结果见图4。

从反演结果看，考虑到观测数据精度和实际剖面掌握的信息误差，在计算数据与实测数据充分拟合的情况下，推测深部还有一定成矿空间。发现已有钻井控制矿体（红色）部分延伸区存在隐伏矿体（灰色），深度范围海拔2 800～3 300 m，推测为已知矿体向上延伸结果。

3  结论

（1） 本研究基于小型六轴旋翼无人机搭载铷光泵传感器，采用非对称水平悬挂的刚性连接技术，完成旋翼无人机航磁测量系统集成工作。备战铁矿区属高山深切地貌，通过测试应用，验证了该系统的可用性和可靠性。该系统充分体现了无人机小型化、智能化突出特点，其灵活机动性使无人机能保持较低的飞行高度，在復杂地形区域实现低空航磁测量，效率高，可靠性好。需指出的是，由于采用电池动力，旋翼无人机航磁测量系统单次飞行距离受限，适用于小面积精细测量，不利于大面积航磁测量工作。

（2） 基于新采集的航磁资料，开展磁异常约束建模工作，选取飞行区域内一条有钻孔控制的勘探线进行二度半人机交互反演，推测该区隐伏矿体的分布。

参考文献

[1]    Behrendt J C，Saltus R，Damaske D，et al. Patterns of late Cenozoic   volcanic and tectonic activity in the West Antarctic rift system re    vealed by aeromagnetic surveys[J].Tectonics，1996，15（3）：
660-676.

[2]    Teskey D， Hood P， Morley L， et al. The aeromagnetic survey program of the Geological Survey of Canada：contribution to regional geological mapping and mineral exploration[J].Canadian Journal of Earth Sciences，1993，30（2）：243-260.

[3]    Dai J， Huang K， Xu C， et al. UAV magnetic measurement system for regional geomagnetic survey[C]//UAV magnetic measurement system for regional geomagnetic survey.IOP Conference Series：
Earth and Environmental Science.IOP Publishing， 2019，（3）：237.

[4]    Finlay C C， Maus S， Beggan C， et al. International geomagnetic reference field：the eleventh generation[J].Geophysical Journal International， 2010，183（3）：1216-1230.

[5]    Nabighian M N， Grauch V， Hansen R， et al. The historical development of the magnetic method in exploration[J]. Geophysics，2005，70（6）：
33-61.

[6]    Partner R. GeoRanger aeromagnetic UAV：
Development to commercial survey[J].Fugro Explore， 2006，（3）：1-4.

[7]    Stoll J， Moritz D.Unmanned aircraft systems for rapid near surface geophysical measurements[C]//Unmanned aircraft systems for rapid near surface geophysical measurements.75th EAGE Conference & Exhibition-Workshops.European Association of Geoscientists & Engineers：cp-349-00062.

[8]    Li W，Qin X，Gan X.The IGGE UAV aero magnetic and radiometric survey system[C]//The IGGE UAV aero magnetic and radiometric survey system. Near Surface Geoscience 2014-20th European Meeting of Environmental and Engineering Geophysics.European Association of Geoscientists & Engineers，2014：1-5.

[9]    吳太旗，徐修明，任来平，等.无人机海洋航磁测量技术进展与展望[J].海洋测绘，2017，37（6）：17-20.

[10]  李军峰，李文杰，秦绪文，等.新型无人机航磁系统在多宝山矿区的应用试验[J].物探与化探， 2014，38（4）：846-850.

[11]  李军峰，肖都，李文杰.无人机航磁遥测系统的设计与实现[C]//无人机航磁遥测系统的设计与实现， 中国地质学会学术年会.

[12]  李志鹏，高嵩，王绪本.特殊区域旋翼无人机航磁测量研究[J].地球物理学报，2018，61（9）：3825-3834.

[13]  Luyendyk A. Processing of airborne magnetic data[J].AGSO Journal of Australian Geology and Geophysics，1997，17：31-38.

[14]  新疆维吾尔自治区地质矿产局.新疆维吾尔自治区区域地质志[M].北京：地质出版社，1993.

[15]  郭新成， 张建收， 余元军， 等. 新疆和静县备战铁矿地质特征及找矿标志[J].新疆地质，2009，27（4）：341-345.

Abstract：
The Beizhan iron ore is located in the active zone of the northeast edge of the Yili massif in the Western Tien Shan， which is a medium-high mountainous area and belongs to the deep mountainous terrain. After nearly ten years of development， the shallow scale and morphology of the ore body have been basically identified， and the deep potential needs to be further explored. The ground geophysical work in this area is difficult due to the intense topographic cutting. In this paper， an aerial magnetic survey system composed of a small rotary-wing UAV as well as a digital mining was tested and applied in the prepared iron ore mine， and magnetic anomaly data in key areas were obtained. Through model analysis， the distribution of deep hidden ore bodies was inferred.

Key words：
Rotorcraft UAV;Aeromagnetic;Beizhan iron depsit