中國首次！無人機航空瞬變電磁法用于金屬礦山隱蔽致災精細探測

基于無人機航空瞬變電磁法的金屬礦隱蔽致災精細探測應用

徐正玉1，趙東昌2，吳牧陽1，王朝錦2，文燕3，付能翼3，付志紅1

1 重慶大學電氣工程學院

2 四川水發勘測設計研究有限公司

3 重慶璀陸探測技術有限公司

第一作者： 徐正玉，博士，副研究員，研究方向：電磁法正反演理論與應用研究。

通信作者： 付志紅，博士，教授，從事探測與檢測技術、接地網故障診斷、智能量測技術研究。

導讀：

無人機航空地球物理是必然發展趨勢，在礦產資源探測和地質災害防治中將發揮越來越大的作用。

礦區開采之后隱蔽的地質災害受場地地形及周邊電磁環境干擾等影響，常規地面物探方法存在施工困難、效率低和抗干擾能力差等問題。無人機航空瞬變電磁法具有效率高、施工方便和適應性強的特點，在隱蔽致災精細探測中有廣泛應用前景。

本文首次將無人機航空瞬變電磁法應用到金屬礦隱蔽致災精細探測中，主要介紹了無人機航空瞬變電磁法的原理和數據處理方法、能保證野外飛行安全和信號質量的仿地規劃飛行技術，以及基于非線性優化方法反演識別低阻異常的技術。

在此次金屬礦隱蔽致災探測中，該方法獲得了高分辨率電阻率異常，低阻異常細節更加明顯。礦區現場調查顯示，低阻異常處為已回填的滲水區域，與地面瞬變電磁法驗證結果相符。結合礦區已知資料，較好地分辨出了采空區等隱蔽致災體和鉛鋅礦、鐵礦礦體富集區的空間分布情況。

研究表明，無人機航空瞬變電磁法在金屬礦山隱蔽致災探測中具有很好的效果，為隱蔽致災體精細探測和礦山地質找礦提供了一種快速、高效、精準的方法與技術。

基金項目： 國家重點研發計劃課題（2024YFC3214902）；國家自然科學基金（42474238）；重慶市自然科學基金項目（CSTB2023NSCQ–MSX0449）；四川水發勘測設計研究有限公司科技研發項目（2025–SQ011–N）；潼南區科研項目（TK–2025–51）。

說明：參考文獻以原文為準，本推文未作詳細標注。

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0 引言

1 研究區概況

2 金屬礦隱蔽致災探測方法

2.1 無人機航空瞬變電磁法

2.2 無人機航空瞬變電磁法數據處理方法

3 金屬礦隱蔽致災野外探測

3.1 方法有效性分析

3.2 無人機航空瞬變電磁野外探測與解釋

4 結論

0 引言

隨著礦產資源的大規模開發與開采，隱蔽致災體已成為威脅礦區安全與生態穩定的重大隱患。長期開采后會引發突發性地質災害，如地表塌陷與沉降，破壞基礎設施，直接威脅人民生命財產安全；山體滑坡與泥石流，削弱山體結構穩定性，在強降雨或地震觸發下易引發次生地質災害。突發性災害導致災后應急響應難度大，直接導致經濟損失（吳敏杰，2021，2023）。因此，對礦山隱蔽致災體進行全方位精細探測，以保障人民生命財產安全、保護資源生態環境和促進經濟社會可持續發展具有重要理論與現實意義。

當前，用于隱蔽致災體調查的地球物理方法主要有瞬變電磁法、地震方法、探地雷達和高密度電法等（方廣有，2024）。如王超凡等（1998）采用地震波CT方法對河金礦隱伏采空區進行了探測，揭示了測區內采空區和斷裂破碎帶的分布情況；劉菁華等（2005）采用高密度電阻率法和瞬變電磁法進行聯合探測，圈定了煤礦采空區及塌陷區異常范圍；祁民等（2006）采用高密度電阻率法對山西煤田采空區進行探測，較好地分辨出復雜區域采空區的空間分布特征；李娟娟等（2009）聯合采用淺層地震法、探地雷達法和可控源音頻大地電磁測深法對煤田采空區進行探測，并分析了每種探測方法的優缺點；陳衛營等（2013）對比分析了回線源和電性源兩種瞬變電磁裝置在煤礦采空區調查中的應用效果，為深部采空區探測提供了新的方法。實踐證明，上述方法在隱蔽致災體調查中應用效果較好，能較好地反映出異常響應特征（孫懷鳳，2024；薛國強，2024）。然而，針對大面積調查區域或者復雜地形區域，地面方法存在野外施工效率低或者無法施工等缺點，難以滿足大范圍快速精細探測需求。

航空地球物理方法具有機動性強、探測速度快、效率高、不受地形等因素限制的優勢，可以適應復雜探測環境（熊盛青，2023，2024）。目前，應用成熟廣泛的航空地球物理方法主要有航空磁法、航空電磁法和航空放射性測量（熊盛青，2009；李懷淵，2018；底青云，2020），而航空電磁法在金屬礦產資源勘查中應用效果較好（殷長春，2018；路俊濤，2021；管清辰，2023）。該方法主要有兩種工作模式，分為全航空和半航空兩種模式。全航空電磁法工作模式是以直升機搭載，將發射裝置和接收裝置完全吊在空中進行測量，主要以加拿大VTEM系統和丹麥SkyTEM系統為主，用于大深度礦產資源以及地下水資源調查（S?rensen，2004；Witherly，2004；Reid，2007；Combrinck，2009；Luo，2015）。國內以國土資源航遙中心和地科院物化探所研究為主，研發了基于直升機平臺的航空電磁系統，目前已在新疆等區域開展飛行試驗。半航空瞬變電磁法是近幾年發展比較快的航空電磁法。該方法將發射裝置布置于地表，用無人機將接收裝置吊于空中進行測量。國外主要以日本北海道大學研制的GREATEM系統為主（Tohru，1998）；國內吉林大學、山東大學、重慶大學、成都理工大學等開展半航空瞬變電磁法研究，取得了一定的研究成果（李貅，2015；王緒本，2019；林君，2021；楊洋，2022）。

隨著無人機技術迅速發展，無人機系統具有低空仿地飛行、探測速度快、效率高、不受地形限制等特點，是航空電磁法未來發展的優勢方向之一（徐正玉，2023；馬洪翔，2024）。重慶大學團隊研發了無人機全航空瞬變電磁系統，近幾年通過野外工程實踐應用證明了無人機航空瞬變電磁法可實現精細化探測，分辨率高，淺表盲區小，特別適合復雜地形應用（付志紅，2023）。

目前關于礦產資源隱蔽致災體調查研究中，相關學者通過地面地球物理方法從多個方面進行了研究，但地面方法存在人員施工效率低或者無法施工等問題。無人機航空瞬變電磁法可以有效地解決地面方法存在的問題，有著明顯的優勢。目前，尚未有基于無人機航空瞬變電磁法在礦產資源隱蔽致災探測中應用研究，作者通過無人機航空瞬變電磁法對內蒙古某金屬礦隱蔽致災進行精細探測分析，開展無人機航空瞬變電磁野外探測和應用效果分析。研究工作為隱蔽致災精細調查提供專業方法和技術。

1 研究區概況

獲各琦礦區位于內蒙古自治區巴彥淖爾市境內狼山山脈中段北麓，是一座以銅礦為主、伴生鉛鋅鐵的大型金屬礦床。礦床主礦體沿走向方向延長，長度約1200m，礦體平均厚度約20m。礦區中主要含有石英巖、炭質板巖和閃石巖。其中，銅礦體主要賦存于石英巖中，鉛鋅礦體主要賦存于炭質板巖中。礦區中具有明顯的沉積結構構造特征，如浸染狀結構、條帶狀結構、塊狀構造等。礦床成因屬于以沉積巖為容礦巖石的噴流沉積礦床，后期經熱液改造（梁彥波，2021）。礦區范圍內植被稀少，地形總體東南高、西北低。最高海拔為2100m，位于礦區西南部；最低海拔為1950m，位于礦區西北部。地形最大高差150m，一般高差為30m～70m，屬于低山丘陵區。礦區內火成巖種類較多，包括角閃石巖、次閃輝長巖、斑狀花崗閃長巖等。巖脈包括閃長玢巖、花崗巖、細晶巖和石英脈。礦區屬典型的半干旱大陸性氣候，附近無河流及其它常年性地表水體。區域地表水不發育，無常年性地表水體，僅在暴雨后部分溝谷中有短暫洪流，大部分沿溝谷流出礦區外，但礦山開采形成的礦坑內有部分的涌水量（曹亞琦，2018）。

根據前人研究成果表明，礦區成礦規模與地層電性結構變化之間有密切聯系，在電性梯度變化快且含炭量較多的地層有利于成礦（Zhong，2013）。礦區內地層、巖體和構造之間的電性特征存在明顯的差異。其中，狼山群地層電性結構較為穩定，整體電阻率在400Ω·m上下變化，受炭質和石英含量變化控制明顯：當含炭量較多時，電阻率下降到100Ω·m至400Ω·m之間變化；當含石英量較多時，電阻率會明顯增加；閃長巖巖體電阻率在500Ω·m上下變化，整體較為平穩；花崗巖巖體電阻率較高，在1000Ω·m以上，電性差異較為明顯。

2 金屬礦隱蔽致災探測方法

研究區地層結構特征明顯，不同地層因含礦物含量和含水性不同，其電性差異明顯，而電磁法對地層結構以及低阻異常體的響應較為敏感。考慮到礦區開采多年且區域范圍較大，地形起伏變化明顯。為了能快速地查明礦區內隱伏的地災體，采用無人機航空瞬變電磁法進行探測，查明隱蔽致災體空間分布情況，為礦區安全開采提供詳細的地球物理資料。

2.1 無人機航空瞬變電磁法

無人機航空瞬變電磁法是航空電磁勘探領域中一種新的探測方法（徐正玉，2023）。該方法利用無人機作為搭載平臺，利用機載線圈發射脈沖電磁場，通過接收線圈測量二次感應電磁場的航空物探方法（圖1）。相較于傳統地面地球物理勘探方法和以直升機平臺搭載的航空電磁方法，無人機航空瞬變電磁法具有以下優點：機動靈活，適合復雜地形，效率高；相比于直升機飛行高度，無人機飛行高度低，飛行速度慢，探測分辨率高；地形影響小，體積效應小；除此之外，無人機航空瞬變電磁法野外操作無需飛行員，安全風險低。

圖1 無人機航空瞬變電磁法工作示意圖

在無人機航空瞬變電磁法野外作業前，需開展測區地形航拍測繪工作和無人機路徑規劃工作。開展地形航拍測繪工作目的是查清工作區域內的地形地貌特征，為后續路徑規劃提供數據支持。采用測繪無人機進行航拍，具有快捷方便、經濟實惠等優點，且精度滿足航空瞬變電磁物探作業要求。在測繪航拍工作之后，采用DJI Terra三維建模軟件進行自主航線規劃工作。如圖2所示，輸入測線坐標，設置安全半徑、線圈離地高、節點閾值等參數信息，即可得到航線規劃的三維示意圖。

圖2 航線規劃三維模型示意圖

2.2 無人機航空瞬變電磁法數據處理方法

本文采用非線性優化方法進行數據處理反演。在前期研究中，作者對比分析了粒子群優化算法和螢火蟲算法在瞬變電磁數據處理上的應用效果（徐正玉，2022）。在此基礎上，提出了一種改進的PSO–IFA混合優化算法（Xu，2025）。下面建立含低阻薄層的層狀模型來測試改進的優化算法反演效果。建立四層地電模型，每次只改變電阻率或者層厚一項參數，其他參數固定不變。第一種情況下，固定薄層厚度為20m不變，只改變電阻率參數，選取1Ω·m、5Ω·m、10Ω·m、20Ω·m、30Ω·m、40Ω·m和50Ω·m七種情況進行反演計算；第二種情況下，固定薄層電阻率20Ω·m不變，只改變薄層厚度參數，選取5m、10m、20m、50m和100m五種情況進行反演計算，反演結果如圖3所示。PSO–IFAH算法能準確有效地反映出低阻薄層的電阻率和層厚信息，且對深部地層異常信息反演結果沒有影響，反演曲線重合一致，說明改進的PSO–IFAH優化算法能有效地反映地電模型電性參數。

圖3 低阻薄層模型下，PSO–IFAH算法反演結果曲線

由于航空瞬變電磁野外采集數據量極大，采用常規方法反演處理時，存在效率低的問題。因此，將上述反演方法集成到云服務器系統，研發了基于超算平臺的瞬變電磁反演云服務器系統（http://cloud.triloopco.com:3000/）。該超算系統支持迭代算法和非線性優化算法反演及擬二維反演功能，支持遠程超算和野外現場實時成像，具有數據共享和快速交互等功能。采用高性能服務器并行計算，反演計算速度得到飛快提升。

3 金屬礦隱蔽致災野外探測

3.1 方法有效性分析

為了驗證無人機航空瞬變電磁法的探測結果，在礦區內一已知滲水區域開展地面瞬變電磁法測量對比實驗分析。根據礦區已知資料，海拔1700米以上的礦體已經基本開采完畢，其中高程1750米以上的采空區采用廢石填充。工區淺層存在松散層、強風化帶（風化裂隙帶）以及破碎帶，強風化帶中賦存基巖裂隙水，破碎帶中富水性較好。無人機航空瞬變電磁法測線長度為900米，點距2米；地面瞬變電磁法測線長度為600米，點距5米。該測線與無人機航空瞬變電磁法測線前部分基本重合，以對無人機航空瞬變電磁數據處理的結果進行驗證。無人機航空瞬變電磁法采用Wukong DATEM120無人機載全航空瞬變電磁系統進行測量，采用自主改進研發的大載重無人機（Me150–3）進行搭載，測量線圈直徑為12米，發射電流120A，飛行速度2–3m/s，采用仿地飛行，線圈離地高度約5m左右，無人機航空瞬變電磁系統觀測感應電壓參數；地面瞬變電磁法采用直徑為1.1米的測量線圈，發射電流60A，疊加次數200次。對上述瞬變電磁數據采用云平臺服務器進行反演處理，結果如圖4所示。

圖4 已知采空區探測方法對比分析圖

在圖4中，圖4（a）表示無人機航空瞬變電磁法的探測結果，圖4（b）表示地面瞬變電磁法的探測結果。從圖4中可以看出，無人機航空瞬變電磁法和地面瞬變電磁法在水平距離100m–350m之間均存在低阻異常（圖中紅色曲線表示），且無人機航空瞬變電磁法的低阻異常結果要明顯優于地面瞬變電磁法的探測結果分辨率。結合礦區現場已知資料顯示，該處為回填完的滲水區域，呈現低阻響應。上述兩種方法的探測結果與礦區實際已知情況較吻合，驗證了無人機航空瞬變電磁法探測結果的準確性和可靠性。

3.2 無人機航空瞬變電磁野外探測與解釋

在完成了野外方法測試驗證之后，開展無人機航空瞬變電磁野外測量工作。在正式測量之前，需開展測線飛行規劃工作。考慮到測區范圍比較大，采用分架次進行飛行。選取合適的起飛點進行起飛降落，如圖5（a）所示。在測量區域內布置了42條無人機航空瞬變電磁飛行剖面，測線布置方向沿北東方向，測線線距為100m。選取了2個起飛點，設計飛行7個架次，野外飛行時間2天，總共飛行的測線長度為28km。如圖5（b）所示，測線順序編號開始于測區西南方向，結束于測區東北方向。無人機航空瞬變電磁法野外測量如圖5（c）所示。

圖5 無人機航空瞬變電磁法野外測量和測線布置圖

將采集的無人機航空瞬變電磁數據經濾波、加窗、疊加和高度校正處理后，按照2米點距進行數據導出。采用自主研發的瞬變電磁反演超算云服務器系統進行反演計算。由于本次無人機航空瞬變電磁工作測線共飛行42條剖面，調查區域范圍大、測線多，無法將全部測線數據成果進行展示。因此，筆者從調查區域內從西南到東北方向按一定間距選擇了八條無人機航空瞬變電磁剖面數據進行反演解釋。反演結果如圖6所示。圖6展示了測線L05、L10、L15、L20、L27、L30、L32和L34等8條測線的反演結果。

圖6 無人機航空瞬變電磁法反演結果圖

根據已知的礦區資料，在海拔1700米以上的礦體已經基本開采完畢，其中在高程1750米以上的采空區已采用廢石回填，整體破碎且含有一定的富水性。從圖6反演結果圖中可以看出，無人機航空電磁法探測的低阻異常標高在1750米以上。圖6（a）表示測線L05的反演結果。由于該測線位于測區的邊緣區域，探測區域沒有到礦體開采的整體范圍，因此測線L05剖面的反演結果無明顯的異常反映。隨著無人機航空瞬變電磁飛行測線逐漸往礦區中間移動，在探測結果上呈現出部分的低阻異常響應。從圖6（a）–（f）中可以清晰地看出，在探測測線水平距離0–200米范圍內，均有低阻異常反映。這是由于測線L10、L15和L20這幾條剖面分布在已知的試驗剖面周邊。因此，在探測結果上與圖4中已知采空區探測結果一致，呈現低阻異常，推測為采空區范圍的延深區域。圖6（e）–（f）表示測線L27、L30、L32和L34的反演結果。從圖中看出，在探測測線水平距離300–450米范圍內，呈現封閉型低阻異常。該異常區域位于探測工區中東部，結合現場開采情況和地質資料分析，該區域中含有未開采的少量細沙粒磁鐵礦。因此，推測該區域為含有鐵磁性物質圍巖，表現為低阻異常。

將測區內所有無人機航空瞬變電磁反演數據匹配坐標信息，將反演結果剖面圖轉成平面異常解釋切片圖，如圖7所示。圖7表示1810m、1750m和1690m三個不同高程的平面異常解釋切片圖。如圖7（a）所示，在高程1810m中段無人機航空瞬變電磁視電阻率平面切片圖中，推測劃分了3處異常區域。其中，在工區中東部，推測劃分了長條形低阻異常（異常區域A），與測線L27、L30、L32和L34的反演剖面結果對應一致，結合水文地質和地質資料，分析該區域為鉛鋅礦和鐵礦的富集區；在探測工區中西北部，劃分的低阻異常（異常區域B），與測線L10、L15、L20和已知試驗剖面結果對應一致，結合現場情況和地質資料，推測該區域為采空區。除此之外，在探測工區中西部的低阻異常區域C，推測可能為小范圍的采空發育區。圖7（b）和圖7（c）表示高程1750m和1690m中段視電阻率平面切片圖。從圖中可以看出，隨著視電阻率平面切片深度的增加，異常區域B和C逐漸減弱，而異常區域A的礦體富集區還可清晰分辨。根據水文地質資料，測區地下徑流水走向為東南至西北，因此在視電阻率平面切片圖上表現為西北區視電阻率相對較低，東南區域則相對較高。

圖7 無人機航空瞬變電磁法異常平面解釋圖

4 結論

本文首次將無人機航空瞬變電磁法應用到金屬礦隱蔽致災的精細探測。通過對無人機航空瞬變電磁反演結果進行分析，取得以下結論：

1. 無人機航空瞬變電磁法具有較高的工作效率，能實現復雜地形條件下快速高效解決礦集區隱蔽致災精細化勘查難題。

2. 將無人機航空瞬變電磁法應用到金屬礦隱蔽致災精細探測中，結合礦區已知資料分析得出，無人機航空瞬變電磁法能較好地分辨出采空區等隱蔽致災體和礦體富集區空間分布情況，探測結果異常分辨率高，低阻異常細節效果更明顯。

3. 無人機航空瞬變電磁法野外施工效率高，探測結果異常分辨能力強，是一種高效綠色環保的物探新技術，在礦產勘查隱蔽治災等精細化探測中具有廣泛的應用前景。

（原文來源：徐正玉，趙東昌，吳牧陽，王朝錦，文燕，付能翼，付志紅．基于無人機航空瞬變電磁法的金屬礦隱蔽致災精細探測應用[J/OL]．地球物理學進展． 排版整理：覆蓋區找礦 ）

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