现代航空地球物理测量资料解释的方法论基础

近几十年来，航空地球物理工作在整个地质勘查生产中的比重持续增加。其绝对工作量也在增长，特别是近年来，由于主要矿产原料价格大幅上涨，这一增长更加明显。航空地球物理测量需求的增长，源于其效率和找矿成效较过去同类工作大幅提高。因此，一个值得探讨的问题是：现代地球物理测量与过去相比有何不同，哪些主要因素促成了效率的显著提高？

我们认为，这些因素包括地球物理仪器制造中采用微处理器技术，从而实现信号的数字记录和处理。这进而使测量通道的抗干扰能力显著增强、仪器灵敏度大幅提高。数字信号记录和高性能机载计算机还扩大了测量通道的吞吐能力，明显改善了测量的空间分辨率。然而，真正使航空地球物理测量效率发生革命性提高的主要因素，是采用卫星导航系统为测量结果定位。这不仅使平面定位精度提高了一个数量级以上，还实现了高精度的高程定位。

图1展示了在矿产阿尔泰某区域于20世纪80年代中期开展、并于2005年重复开展的1:50 000比例尺航空磁测结果。测区地形切割强烈，区内高差超过1500米。应注意，两次测量技术相近：沿间距500米的平行航线飞行，总体随地形起伏，记录频率不低于每秒1次，磁力仪传感器置于外置吊舱中。尽管如此，两次结果的差异十分明显：场的总体结构基本重现，但现代测量的分辨率显著更高，特别是对于局部目标。

造成这种差异的原因显而易见：早期测量所用的多普勒定位系统，平面定位精度无法优于±25米；观测点高程完全未予考虑，因此调平时必须对数据进行相当程度的平滑。

比例尺1:50 000

比例尺1:10 000

图1 航空磁测结果比较。

有趣的是，测量质量的形式指标，即根据普通航线与专门飞行的斜向航线交点计算的均方根误差，差别很小。这也说明，该数值并不能完全恰当地评价测量质量。

因此，现代测量与早期测量的主要区别，在于使用卫星导航系统确定观测点位置，以及对信号进行数字记录和处理。判断档案资料是否适合利用现代技术重新解释时，应首先考虑这些测量特征。

航空地球物理测量质量和分辨能力的提高，对所得数据的解释技术提出了更高要求。反过来，航空地球物理数据解释的方法论基础，取决于资料获取技术的特点以及研究对象的典型特征，其中包括：

1. 航空地球物理技术具有快速性，能够在短时间内以高空间分辨率覆盖大面积区域；可在难以到达的地区作业；不会对研究区造成工程扰动，因此可在其他类型工作受到限制的地区开展调查。
2. 所得信息具有三维性，表现为测量过程中观测点的绝对高程和离地高度通常都会变化。航空重力测量是例外，通常在规定的绝对高程飞行。
3. 能够且适宜采用足够全面的方法组合：增加一个信息通道通常使工作成本增加不超过10%—15%。
4. 许多工作在研究程度较低的地区开展，因此与研究比例尺相适应的先验地质和地球物理信息几乎不存在，或数量不足。
5. 几乎可在地质勘查的所有阶段开展工作，获取具有所需详细程度和代表性的数据；观测点的平面与高程定位精度高；还能利用卫星导航数据和无线电高度表读数获得额外的信息通道，即数字地形模型。

航空地球物理测量技术的上述特点以及研究对象的特征，使我们能够提出用于航空地球物理数据分析的解释技术的一般要求。

1. 航空地球物理工作结果通常为部署地面详细地质和地球物理调查提供依据，因此必须在较短时间内获得最终信息。解释数据所需时间不应显著超过测量所需时间，故解释技术必须在很大程度上实现自动化和标准化。
2. 由于航空地球物理调查大多在研究程度较低的地区开展，所采用的解释技术和算法必须在先验信息不足时仍能有效运行。
3. 通过对不同类型航空地球物理数据进行综合解释，可在一定程度上弥补先验信息不足。综合解释要素应同时用于初步分析阶段和结果综合阶段。
4. 研究区常常缺乏现势性地质基础资料，因此需要采用既能解决一般地质任务（地质与构造填图、景观地质分区等），又能解决圈定远景目标等专门任务的解释程序。

上述情况表明，有必要且适宜在第一阶段对数据开展一般地球物理解释，解决典型地质任务，即总体解释。后续数据处理流程应利用直接找矿判据和标志（局部解释）以及间接判据和标志（目标解释），定位勘查目标。应指出，对同一组航空地球物理数据，可根据任务针对不同对象反复开展目标解释和局部解释。从这个意义上说，航空地球物理测量具有相当的通用性，在配置航空地球物理方法组合时，尤其在区域工作阶段，应考虑这一点。

何种资料应视为解释所用的原始航空地球物理数据，值得单独讨论。地球物理反问题不稳定性的主要来源，是原始信息本身所含的各种成因的干扰。遗憾的是，至今仍常常不解释原始数据本身，而是解释其替代物，即通常所称的图件，从而人为增强干扰影响。显然，所有测量实际均沿不规则观测网进行，观测点高程也可能在相当大的范围内变化。然而，传统做法是在解释前先编制场要素图。为此，通过形式插值将原始数据归算至平面、水平、规则网格，往往完全忽略观测点高程。只有在这一引入额外误差的操作之后，才开始主要的分析性和综合性解释程序。

较少见的做法是在预先制图时采用逼近方法，将原始数据归算至通过最高观测点绝对高程的水平面。该方法当然更为合理，但也会向原始数据引入误差。实际上，它将实测场向上解析延拓至归算面，并抑制在较低测量高度记录的场的高频部分。由此得出首要的关键解释原则：

用于解释的原始信息应是电子数字数据库，而不是通过不考虑观测点高程的形式插值获得的图件。

图件只能作为方便、熟悉但不完全恰当的数据可视化手段。解释程序必须对每个观测点使用其三个坐标以及所解释场的数值。因此，所得模型不会含有因未恰当考虑观测点高程而产生的畸变。

建模过程中，不应对原始场的任何形式变换结果进行定量解释；场的分离只能采用等效源型逼近。插值会引入与所用方法有关的畸变，在不稳定条件下，这些畸变可能显著且几乎不可预测地改变被分离的分量。

但这并不意味着我们反对所有变换：变换对于探测和识别任务极其重要。不过，我们认为不应直接变换异常场本身。场取决于多种因素，包括上述观测点高程差异、源体埋深差异，以及磁法勘探中共轭感应极值的干扰影响；后一影响在地球不同地区表现不同。传统识别方法先通过形式插值将场转至规则网格节点，再对插值场进行变换。最后，必须直接检查全部变换结果，以免将与地质结构无关的共轭极值误认为研究对象的表现，这在操作上极不高效。化极等辅助变换也不能充分提高识别程序的效率。变换后共轭极值仍然存在，尽管确实比在原始场中更容易识别。

据此，第二项方法论原则可表述如下：

分离由不同地质源体产生的场分量时，应仅采用等效源型逼近，借此构建具有实质意义的参数化模型；探测和识别任务可通过分析这些模型来解决，包括使用形式变换。

应指出，上述内容主要适用于位场方法，因为例如航空伽马能谱数据在初始处理时已归算至地表水平。然而，使用标准平面表达方式，即地球物理图件，对这些数据进行可视化，也可能导致严重解释错误，因为它无法考虑异常与特定高程水平的对应关系（图2）。

对航空地球物理数据开展实质性解释时，必须考虑上述问题。同时，物理场图件目前仍是最方便、最熟悉的数据可视化手段；即便存在上述限制，完全放弃其使用似乎仍为时过早。

下面讨论主要航空地球物理方法的一般地球物理数据解释的组成及特点。

位场方法（重力测量和磁力测量）。磁异常和重力异常解释方法首先取决于观测点高程差异（主要针对航空磁测）与地形的共同影响。这一因素对异常场具有极为显著的影响。图3给出一个合成实例：在航空磁测观测点上，计算构成起伏地形的岩石均匀感应磁化（沿地球正常场方向）产生的DT异常。其中，地表地形（图中下方曲线）和飞行轨迹均采用布里亚特测量过程中记录的实际数据。

上述因素的共同作用使计算所得DT场呈现相当复杂的特征。应注意，从地质角度看，模型介质完全均一；其产生的地形异常幅值自然随地形岩石磁化强度的增大而增大，可达数百nT。地形异常的形态十分复杂，即使从所举实例也可看出，绝不能简化为与地形的简单相关。还应指出，即使沿水平面、在规定气压高度飞行，或等价地在大地水准面以上规定高度进行测量，磁场特征也不会发生根本变化。

在这种情况下，即便地球物理工作者熟悉的最简单定性解释手段，即对观测场及其滑动窗口变换结果进行目视分析，也会变得毫无意义。人工解释者无法同时有效评估参与异常场形成的如此多种不同因素。严格说来，这些变换本身只能在地形平坦且水平时进行。反问题求解具有不稳定性，即便无限小的干扰或方法上的不适当之处，也可能产生严重后果；因此，忽略观测点高程差异的传统技术不仅无效，甚至有害。

许多地球物理工作者解决上述困难最常用的方法，是先将异常场归算至位于最高地形高程的水平面，再采用适用于平坦水平地形的各种技术。然而，这一途径也并非最优，因为归算时，在低绝对高程观测点记录的局部异常实际上被向上解析延拓数百米甚至数千米，最终遭到过度平滑和掩盖。

在这些复杂条件下，我们认为最有效的解释途径是开展三维建模，以实际观测点的数据构建岩石物理模型。计算机自动考虑观测点变化的绝对高程、地表地形，以及磁法勘探中因岩石非垂直磁化而产生、与任何地质因素无关的共轭感应极值。模型建立并消除上述干扰因素后，才真正能够对其进行变换分析，包括用于地质对象识别的变换。

就此而言，最优模型是密度或磁化强度仅沿侧向变化的近水平层模型；V.M. Novoselitsky于1965年证明了该模型反问题解的唯一性[1]。当然，人们希望模型由多个这样的层组成，从而直接逼近复杂三维结构，但理论上禁止直接构建此类模型。原因在于，这类所谓网格模型具有一种特有缺陷：在其框架内进行自动拟合，必然使模型成为病态。

• 对于位场方法，在上述方法框架内开展总体解释，可解决以下地质任务：
• 利用奇异点定位方法，研究近水平分界面的形态，包括埋藏基底表面、沉积盖层内个别层位等[2]；
• 采用上述位场数据层状建模技术，将其建模为两个接触面限定的层，并对所得有效密度和有效磁化强度分布模型进行二维交互分类，从而开展区域物质组成与岩石物理填图，涵盖地表和埋藏表面[3, 4]；
• 采用针对有效密度和有效磁化强度分布模型的专门线性构造分析技术，开展区域构造填图[4]；
• 利用解释层析成像方法评估异常对象形态，在此基础上开展三维地质填图[5]。

航空伽马能谱测量。航空伽马能谱（AGS）数据本质上反映区域地球化学结构特征，主要用于评价研究区成矿潜力，同时也包含剖面最上部结构的信息，可通过景观地球化学分区提取。

对研究程度较低的个别区域进行远景初步评价，宜从系统方法出发[6, 7, 8]。其基础是一个众所周知的命题：只有有利的全球、区域和局部控矿因素相互重合，才能形成大型矿床。对于中大比例尺AGS数据评价，从属地质构造层级的系统序列包括：成矿省（n × 10⁴–10⁵平方千米）—矿区（n × 10³–10⁴平方千米）—矿集区（n × 10²–10³平方千米）—矿田（最大5 × 10²平方千米）—矿床（数平方千米）。具有工业意义的矿产对象，其最重要特征是在所有层级上无一例外地叠合有利判据，即“伸缩式叠置”（图4）。凡在任一层级未表现出来的对象，通常不具备研究价值，在圈定远景区时不应赋予较大权重。

依据覆盖整个研究区的不同尺度AGS测量资料建立可靠的放射地球化学基础，可研究不同级别矿产单元与相应放射地球化学异常之间的空间联系，并开展所谓“贯通式”预测，在物质组织的不同层级逐级圈定远景区。A.B. Kazhdan[7, 8]、E.V. Plyushchev和V.V. Shatov[9]、V.A. Arsenyev[6]等的研究表明了这一方法的有效性。为利用AGS数据实施该方法，已开发了用于不同类型控矿交代岩特征性后生放射地球化学分带的填图方法，可减弱景观与岩性干扰因素的影响，并分离出辐射场的所谓“次生”分量（R₂）[10]。R₂ 的计算依据是叠加作用对区域未蚀变岩石中典型放射性元素比值及相互关系的破坏。次生分量以两个参数评价：符号（S）和模值（M）。M反映不同级次交代构造（矿区、矿集区、矿田）中后生蚀变的强度，S则反映放射性主导性质沿侧向的变化，即用于确定交代作用类型的放射地球化学分带。逐层分析物质组织不同层级上的R₂异常值，可确定相应级别的区域放射地球化学分带，并在远景带内识别局部潜在含矿地段。

航空电磁勘探。近年俄罗斯传统使用的航空电磁勘探方式为固定翼偶极感应剖面法（DIP）和甚低频无线电法（SDVR）。然而，2005年野外工作经验表明，目前专用甚低频电台每天工作时间不超过1.5—2小时，实际上使该方法难以有效覆盖大面积区域。所用DIP配置将发射偶极刚性固定于航空器，接收线圈置于外置吊舱中。增大发射偶极功率，特别有助于显著降低最低频率，使其相较国外同类系统具有更高灵敏度和更大探测深度。然而，该测量系统的一个特点是装置几何关系在飞行过程中持续变化。因此，在水平层状介质模型不适用的地区，所得结果只能用于定性解释。同时，个别试验表明，可以采用电磁勘探中非传统的手段开发独特的解释技术。

在雅库特某含金刚石矿田开展的试验工作取得了十分令人鼓舞的结果（图5）。工作位于暗色岩建造发育区，该区域此前已完成详细地面重力测量。图中黑线表示原始场曲线，绿线表示依据指定谐波数从傅里叶谱重建的逼近曲线。图中还给出异常场垂直梯度等值线（Strakhov方法）和总归一化梯度的垂直剖面（Berezkin方法）。

图中可见，两种方法的数据均可可靠地定位相同的特征。因此，航空电磁勘探至少可有效用于圈定玄武岩盖层。此外，利用为位场开发的方法（在频谱域中）定位电磁勘探数据特征在原理上具有可行性，这也表明，基于滤波的解释层析成像方法[5]可能有效适用于DIP电磁勘探数据的解释。航空电磁勘探数据通常用于目标性或局部数据解释阶段。

1.

2.

图5. 根据地面重力勘探数据（1）和520 Hz频率下DIP-A航空电磁勘探结果确定的奇异点位置

对基于不同物理原理的数据进行综合解释，应综合各方法全面解释的结果，并考虑所分析的高程层位。如前所述，这类研究通常在局部（目标性）解释阶段开展。本期其他文章介绍了在不同矿种勘查中开展目标性数据解释的实例。

参考文献

1. Novoselitsky V.M. 根据重力异常确定水平地层密度变化的理论问题。《苏联科学院通报·地球物理》，1965年第5期，第25–32页。

2. Babayants P.S., Blokh Yu.I., Trusov A.A. 利用磁法勘探数据研究结晶基底表面起伏。《地球物理》，2003年第4期，第37–40页。

3. Babayants P.S., Blokh Yu.I., Trusov A.A. 利用磁法和重力勘探数据研究地台区结晶基底结构。《地球物理》，2003年第6期，第55–58页。

4. Babayants P.S., Blokh Yu.I., Trusov A.A. SIGMA-3D软件包利用磁法和重力勘探数据开展构造与岩性填图的能力。《地球物理通讯》，2004年第3期，第11–15页。

5. Babayants P.S., Blokh Yu.I., Trusov A.A. SIGMA-3D软件包中基于重力和磁法勘探数据的解释层析成像。载《重力场、磁场和电场地质解释的理论与实践问题：第31届D.G. Uspensky国际研讨会会议文集》。莫斯科：俄罗斯科学院地球物理联合研究所，2004年，第11页。

6. Arsenyev V.A., Bartenev Yu.V. 航空伽马能谱测量数据处理方法：识别不同级别放射性地球化学专属性块体的特征。《铀矿床地质》，第83辑，1983年，第123–127页。

7. Kazhdan A.B., Pakhomov V.I. 从地下研究系统方法的角度处理原始实测数据。《苏联地质》，1986年第11期，第3–11页。

8. Kazhdan A.B.《铀矿床预测、普查与勘探》。莫斯科：Energoatomizdat出版社，1983年，共189页。

9. Plyushchev E.V., Shatov V.V.《热液交代建造的地球化学与含矿性》。列宁格勒：Nedra出版社，1985年，共247页。

10. Vorobyev V.P., Zubov E.I., Aslamov Yu.V. 次生放射性地球化学构造层级作为不同级次矿化交代系统的反映。国际地球物理会议论文摘要，1997年9月15–18日，莫斯科，1997年，G18。