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目标性航空地球物理地质调查技术

作者：Tsyganov V. A.
 

本文阐述并图示了此类标准技术的开发通则，将其分为地质填图、预测找矿（针对不同矿产）、工程地质、水文地质、地质环境等类别。以预测找矿技术为例，说明如何建立作业链，确定一系列中间勘查目标及其前提条件和标志（具体勘查目标）。讨论了计及环境景观地质特征，以及针对不同勘查阶段选择最优观测系统的特点。简要介绍了目标性逻辑语义数据解释体系。结论认为，以效率更高、信息更丰富的航空地球物理技术替代大量地面地质地球物理工作，是合理、可行且有效的。

航空地球物理方法目前的发展水平，无论是测量所获信息种类数量，还是各调查通道的技术计量参数，加上大范围测量效率高、相对地面方法成本低，以及可在统一GIS或其他计算机技术中与航空和卫星摄影资料综合应用等条件，共同使航空地球物理解决各类应用地质调查任务的技术框架本身得以改变。过去，在区域调查和地质图编制之前采用一套“标准航空方法组合”，其成果往往只是作为附件纳入地质报告；如今，在我国许多地区，航空地球物理已可转向综合地质—航空地球物理填图，以高质量综合航空测量数据为基础编制地质图。

传统“直接找矿”依靠局部地球物理异常寻找矿床，并偶尔、非系统地尝试识别其他预测因素；现代航空地球物理方法则使人们能够开发和应用目标性航空地球物理预测找矿技术，面向特定景观地质环境，有效发现特定工业类型的矿床。

上述条件使开发标准化目标性航空地球物理地质调查技术成为可能，使其全部参数均面向具体应用任务，并尽可能获得最高经济效益。在每个具体案例中，技术对既定目标的导向应通过以下方式保证：

下面以找矿任务为例，讨论并说明目标性航空地球物理预测找矿技术的开发通则。

1. 勘查目标

初步而言，任何找矿工作的目标，都是在特定地质经济条件下能够盈利开采的矿床。然而，仔细考察地质找矿技术（5）可见，调查过程中的勘查目标实际上包括相当多种对找矿重要的地质现象；依次识别这些现象，共同构成了作业技术本身。

图1


图中I 表示金刚石地质勘查早期阶段识别的勘查目标——“成矿带”。在含金刚石成矿省及亚省范围内，它是一种线性或近线性的地质构造，所有已知金伯利岩田均分布于其中。因此，在较大区域开展金刚石勘查时，含金刚石成矿带构成独立的勘查目标。在识别出有望确定含金刚石成矿带的区域后，下一项地质找矿任务，是在其中圈定可能发现金伯利岩田的区域（图中标记II）。随后，在已圈定区域内识别可能发现金伯利岩体群的局部区段（标记III），并在其中进一步识别可能发现金伯利岩管本身的详细区段和异常（标记IV）。

最后，需要从已发现的全部金伯利岩体中，选择金刚石品位和质量能够在特定经济条件下保证矿床开采达到最低可接受盈利水平的岩管（标记V）。

在上述例子中，最低盈利水平的矿床是最终（1）勘查目标，而成矿带、岩田、岩管群和岩管则为中间勘查目标。全部勘查目标（本例为含金刚石成矿省—亚省—含金刚石成矿带—金伯利岩田—岩管群—岩管）构成具有层级关系的一系列中间勘查目标。

根据上述内容，在方法（6）的基础上进一步发展，可将中间勘查目标定义为单一、局部分离、成因统一且条件性均一的地质体，具有具体矿产资源意义（成金属或成矿分类单元），在区域有规律的地质演化过程中形成，并在周围景观地质环境的组成要素中有所反映。它对应于地壳中矿产分布变化的某一尺度，在该尺度上集中该矿产全部具有工业价值的储量，因此在地质勘查过程的某一特定阶段予以识别。

识别出的中间目标，使找矿实践能够采用两种技术方案或它们的不同组合。一种是上述分阶段调查技术；另一种是缩短式作业技术，在有利条件下（勘查目标指示特征对比明显、景观地质环境有利）可省略个别工作阶段。需要指出，缩短式技术可靠性较低，而且通常在任何地区都会随着时间推移被分阶段技术取代。

图右侧III示意说明识别这一中间目标的技术特点。标记III.а表示反映特定区域地质演化规律的地质现象，这些规律决定了勘查目标层级序列中相应成员在具体地点的位置（找矿前提条件）。标记III.b表示反映勘查目标特有性质的地质现象，这些性质体现在其周围景观地质环境的结构特征中（找矿标志）。因此，找矿前提条件和找矿标志作为中间勘查目标定位的重要因素，本身也成为勘查目标。可将其称为具体勘查目标。

找矿实践中采用的前提条件十分多样，表现为区域结构不同物质层次上的地质规律：地球化学、矿物学、岩相学（或岩性）、建造及构造层次（图中标记“1”、“2”、…“n”）。找矿标志，即直接或间接表明中间勘查目标存在、更准确地说表明其曾经形成的地质现象，其表现形式同样多样（图中标记“1”、“2”、…“k”）。它们体现在相同的具体地质场或静态地质系统中[3]。

静态地质系统的一个重要性质，是较高层级系统（如建造或构造系统）固有的规律，会以物质形式反映在相对较低层级的系统（如矿物或地球化学系统）中。例如，陆源碎屑建造转变为碳酸盐建造，会清楚地反映在岩石、造岩矿物和副矿物，以及几乎所有化学元素浓度水平的变化中。因此，几乎所有找矿前提条件和标志，都可在最简单的物质地质场——地球化学场、矿物场和岩相场——中得到清楚反映。

地球物理场的变化，本质上以不同程度反映简单地质场的变化，并通过这些变化，以不同对比度反映找矿前提条件和标志。


图2

图2举例说明，利用约3000 km2 范围内1:25000航空地球物理测量资料，识别铝土矿赋存的构造前提条件。这些前提条件的实质在于，最为……的区域与……的空间联系

图上部（“а”）为区域磁场分量图，等值线间隔为5 nT。分析该图，可在区域中部自上而下追踪大型块体之间的边界。图2b显示了下石炭统某一层位在剥蚀面上的出露线；由于其磁化强度较高，通过分析局部磁场分量得以绘出。

在包含40—50次航空测线交会的窗口内计算该局部异常的平均强度，随后对差异的显著性进行统计评价。四舍五入至整数的强度值以nT为单位标于圆圈内。对这一参数的空间变化进行分析，可清楚看到图左侧（5 nT）与右侧（3 nT）的差异。所划分两部分之间的边界，与根据区域场分量分析识别出的块体边界，以足够精度相吻合。

本文不详细讨论局部分量空间变化原因的物质解释，但可以得出结论：在上述地层区间内，组成岩石的厚度变化存在统计显著差异。数值变化边界与已识别块体边界相吻合，表明后者明显影响沉积作用方式。图3с为根据上述航空地球物理资料建立的区域古构造示意模型。

块体之间的边界带被确定为寻找最高质量铝土矿石的远景区。

文献中许多实例的找矿前提条件和标志具有明显、高对比度的表现；这里的实例则旨在说明，识别某一找矿因素有时需要相当复杂的操作序列。但这一实例恰恰表明，在现代技术计量条件支持的测量及相应目标性分析解释流程下，可由航空地球物理数据识别的预测因素数量显著增加。在该案例中，块体之间的边界构成具体勘查目标。

2. 勘查的景观地质条件

现行航空地球物理测量技术规程，未要求任何测量类型专门研究和绘制找矿作业的景观地质条件图。然而，上述不同勘查目标在地表或航空测线上测得的物理场中的表现形式，会随环境的景观地质特征而显著变化。勘查目标的信号可能完全被环境组成要素屏蔽，或发生很强的畸变。

在测量图中。这里区分以下景观类型：

残积自主型（图中为I ）；迁移残积型（II ）；残积堆积型（III ）；水下型（IV）；近水型（V）。

图3

对于磁力测量，转向高精度观测系统后，与第四纪沉积物中磁性矿物再分配有关的局部异常数量急剧增加（图中曲线а ）。在残积自主型景观中，基岩破坏释放的磁性矿物，经常在迁移残积型景观中形成富集条带，在残积堆积型景观中形成透镜体和裙状堆积。在水成景观组内，从区域其他地段迁入的这些矿物也会形成条带和透镜体。当信号对比度低时，仅凭磁场分析，往往难以将近地表磁性矿物富集所致异常与有用异常区分开来。

对于电磁勘探（曲线b），地下水位是景观条件的重要特征。在堆积型景观发育区，其近地表分布显著降低基岩的电阻，这在地电参数图上表现为研究场的分异增强。

在多数已研究情形中，浅部剖面的景观地质不均匀性，对伽马场谱分量特征的影响最为显著（曲线с）。这里既有天然放射性化学元素晕沿坡向下和沿水流迁移的影响，也有水和植被对伽马场的屏蔽作用。我们认为，许多实际工作者未采用基于景观的航空伽马测量数据解释原则，正是目前限制航空伽马能谱测量用于填图及识别低对比度放射性地球化学晕和异常的原因。

另一方面，上述景观地质环境组成要素对航空测量结果的影响，只在初步看来似乎无法克服。在俄罗斯不同地区开展相关工作的经验表明，识别并定量计及浅部剖面景观地质不均匀性所需的大部分资料，可从卫星和航空照片、地形图、地质图、地貌图、第四纪沉积物图等获取。要成功压制与区域近地表特征有关的背景场变化，必要条件是针对每一种勘查方法，必须编制专门的景观地质勘查条件图（5）。

3. 工作阶段与测量比例尺

目前，应用航空地球物理方法解决各类地质找矿任务时，通常采用二进十进制测量比例尺，即这些比例尺始终为10、100、1000等的倍数，而且每个后续比例尺均由前一个除以2得到。我们认为，这种比例尺惯例与普遍使用的十进制计量体系（人双手的手指数）有关，而在找矿中远非总是最优。勘查目标及其产生的异常具有具体尺度，在多数已知案例中并不遵循二进十进制计量体系，因此会导致勘查网密度不足，或资金浪费和找矿过程延长。因此，除了中间和具体勘查目标的总体清单，以及景观地质因素影响的考虑外，调查效率还取决于目标的空间尺度及其指示性质表现的对比度（磁化强度、电导率、天然放射性等）。

我们先前（5）对不同勘查目标这些特征变化的分析表明，具体勘查目标的尺度和性质对比度通常可描述为（图

同图还给出了某一具体找矿技术流程下，目标总体截断函数的一般形式。该曲线表示特定尺度或特定指示性质对比度（横轴）的目标被发现的概率（纵轴）。容易看出，该曲线将图示指数分布和正态分布的勘查目标总体分为两部分：

这些数据可得出一个具有重要实践意义的结论：任何勘查目标总体中，总有少数目标具有相对极端异常的尺度或对比度。可将其称为成金属分类单元的指示目标。显然，若某一区域的含矿性尚未得到证实，则应以发现这些指示目标为目的，采用相对稀疏的勘查观测系统。只有在发现此类目标之后，才可在原始区域的一部分采用更密的网格或更广泛的方法组合继续找矿。

对雅库特金伯利岩田数据的统计分析，确定了用于指示金伯利岩田及岩田内部岩管群的目标参数，包括尺度、磁矩和矿物学产出能力。这些参数在整个成矿省内相当稳定，或按较简单的规律变化。同时，还获得了许多中间和具体勘查目标尺度及指示特征的变化资料。这些资料共同使勘查从二进十进制网格，转向专门的目标性序贯（分阶段）观测系统，既适应全部勘查目标总体的参数，也适应周围景观地质环境各组成要素的影响特点。

4. 数据解释、预测及成果可靠性评价

GIS技术在地质和地球物理数据分析解释中的广泛应用，也促使矿床预测中广泛采用一种特定的方法论途径，可暂称为图像式方法（源于image，即图像）。

这种方法广泛地将各类地质地球物理信息转换为彩色图像，以色彩组合叠加不同数据，并通过目视寻找规律。这样做往往模糊了地质地球物理场本质上的区别。原则上，并不否认这一方法处理地质地球物理数据的潜在有效性，尤其是在相对简单的预测找矿任务中；但有必要讨论基于逻辑语义方法开发计算机预测技术的原则。

在这一方法中，每个在实测或描述的地质地球物理场中以某种形式表现、且量值可靠的地质现象，首先都应获得以地质或景观地质术语表达的语义分类归属。在这些现象之间建立“上—下”“新—老”“基岩—景观”等逻辑关系。这些工作的结果是区域地质结构图和景观地质结构图。

数据处理和解释的下一阶段是对实测场进行景观地质归算。通过迭代求解正问题和反问题，从观测场中剔除所有量值可靠且已得到满意地质解释的要素。剔除明确的贡献后，可以大幅降低此前未计及的“背景场地质变化”，从而识别并绘出低对比度地球物理异常。这些异常又可进一步获得地质解释，并纳入地质及景观逻辑语义模型。

所获数据解释的最后一步，是从地质及景观地质模型转向特定目标的逻辑语义模型。此时，将解释中描述的全部地质现象及地球物理场中尚未解释的要素，划分为以下预测找矿类别：

· 用于预测一个或多个指定中间勘查目标的前提条件；

· 一个或多个指定中间勘查目标的直接或间接标志；

· 使具体勘查目标难以识别的现象（统计、物理或动态屏蔽）；

· 无预测价值，且不影响提取有助于实现目标的信息的现象。随后为作业区编制预测图，在空间上表示已确认的中间勘查目标前提条件和标志，即相应工作阶段的预测图。

对每个已识别预测因素建立空间模型，评价该因素识别的可靠性；在一组模型基础上，编制完整的区域勘查覆盖可靠性评价图。

在图中

在图的一部分中

在图中

图5с说明了采用航空伽马能谱测量方法对该区域上述中间目标进行勘查的结果。

值得关注的是，将图2с（铝土矿找矿前提条件）与图5с（找矿标志）比较，可清楚看到铝土矿带预测因素在空间上相吻合。因此，这种吻合可以确定有望发现上述中间目标的区域，并在其中转向识别中间目标层级序列的下一成员，即含铝土矿矿体。

结论

我们认为，上述数据表明，目前所有必要前提条件（理论、技术计量、地质解释、解释软件与硬件等）均已成熟，可以将总体地质调查，特别是地质找矿中大量耗资较高的工作，从地面方法转为航空地球物理实施。主要途径是开发和应用标准化目标性航空地球物理地质调查技术。除上述航空地球物理方法的优势（高效率、相对低成本、环境友好等）外，还可补充：在任意规模区域内，能够迅速解决绝大多数地质调查任务，从而显著缩短针对具体任务和区域的投资周期。

参考文献

Aristov V. V.：《固体矿产勘查》。莫斯科：Nedra，1975年。

Perelman A. I.：《景观地球化学》。莫斯科：Vysshaya Shkola，1975年。

Kosygin Yu. A.：《构造学基础》。莫斯科：Nedra，1973年。

Tsyganov V. A.：《利用航空伽马能谱测量评价部分覆盖区的勘查覆盖可靠性》。《苏联地质学》，1983年。—

Tsyganov V. A.：《地质勘查系统的可靠性》。莫斯科：Nedra，1994年。

Chetverikov L. I.：《地下资源勘探的理论基础》。莫斯科：Nedra，1984年。