国外航空重力测量在地学中的应用

国外航空重力测量在地学中的应用
周坚鑫1,2,刘浩军1,2,王守坦2,安战锋2,余学中2,张玉君2
(1.中国地质大学,北京　100083;2.中国国土资源航空物探遥感中心,北京　100083)
摘要:介绍了20世纪美国、加拿大、澳大利亚等国家航空重力测量的应用情况,分析了目前国外航空重力测量技术应用于我国中西部艰险、复杂地区及沙漠、沼泽等困难地区的区域地球物理勘探和基础地质研究的适用条件。

关键词:航空重力;航空重力梯度;地球物理勘探
中图分类号:P631.1 文献标识码:A 文章编号:1000-8918(2004)02-0119-04
航空重力测量是将高灵敏度航空重力仪装载在飞机上,在空中实现地球重力场的快速测量,与地面重力测量相比,具有快速、经济、灵活等特点。

它不仅在大地测量方面具有重要的作用,作为一种重要的地球物理勘探手段,在基础地质研究、石油、天然气及固体矿产资源勘探等方面具有广泛的应用。

航空重力测量的研究可追溯到20世纪50年代末。

1958年,美国空军使用LaCoste &Romberg 公司S 26型重力仪进行了第一次航空重力测量试验,用摄影经纬仪来提供导航数据,用高灵敏的气压测高仪测量飞机高度,测量结果与地面重力数据进行对比,精度为10×10-5m/s 2。

随后,美国和俄罗斯有关机构相继开展了大量的航空重力测量试验。

试验大部分是在固定翼飞机上进行的,飞机高度一般在几千英尺,试验的精度达到n ×10-5m/s 2,异常分辨率为30mile (50km )。

但当时测定载体速度和加速度的精度较低,制约了该技术的进一步研究和应用。

直到上世纪80年代中期,由于航空重力在大地测量方面的特殊作用,国际上有许多国家的研究机构开展了这方面的工作,对航空重力测量的仪器、原理和数据处理方法等做了大量的研究和试验,随着雷达测高技术和高稳定度平台的发展及应用,使得航空重力测量技术重新得到发展。

20世纪90年代以来,GPS 、INS (惯性导航系统)及高灵敏度、高稳定航空重力仪的应用,使得航空重力测量的研究取得了突破性进展,开始进入实用化阶段。

但是由于飞行器运动的速度和加速度变化太大,除利用高精度速度和加速度测量进行必要的改正外,还需进行高频滤波以消除高频干扰,因而使得只能发现较低频
的异常,目前,测量重力场只能反映2km 以上波长(个别报道达1km )的异常,而更短波长的异常则难于确定,因而限制了在寻找固体矿产和大比例尺地质填图中的应用。

90年代后期发展了利用加速度计进行重力场及其梯度测量,有效地克服了高频干扰,从而使测量重力或重力梯度异常的波长缩短到0.5km 或更短,因而使重力或重力梯度测量在解决固体矿产和许多需要大比例尺工作的领域得到更广泛的应用。

20世纪70年代,美国就开始将航空重力测量
应用于地球物理勘探领域,美国的Carson 公司在1971年进行了直升机重、磁测量的商业试验。

90年代以来,美国的Carson 、EASI (EDCON Aero Sur 2veys ,Inc.)、LCT 等公司已经开展了大量的商业性航空重力测量工作,服务领域涉及基础地质研究、石油、天然气及大地测量等方面。

使用的航空重力测量仪器有L &R S 型海/空重力仪、B GM 23、KSS 231,据称大部分测量精度已经达到(1～2)×10-5m/s 2。

加拿大的SG L 公司、澳大利亚BHP 等公司近年来开展了利用加速度计测量重力场及其梯度测量的研究和试生产工作,在固体矿产资源勘探和大比例尺地质测量等方面取得了可喜的成果。

以下就介绍这些公司在这方面的主要工作。

1　CARSON 公司航空重力测量
美国的Carson 公司是最早开展航空重力测量的航空地球物理勘探公司。

早在1971年,该公司以直升飞机为主要运载工具进行了重磁测量的商业试验。

1981年,该公司使用S 261直升飞机,在一个沼
收稿日期:2003-05-30
　第28卷第2期物　探　与　化　探
Vol.28,No.2 2004年4月
GEOPHYSICAL &GEOCHEMICAL EXPLORA TION
Apr.,2004　
泽地带为一家石油公司进行了航空重力测量,采用1km测线间距的网格飞行,飞行高度为1000ft (310m),飞行速度是30节(55km/h),经对测线交点观测重力数据差值的统计,85%都落在±1×10-5m/s2范围之内(Navaio and Gument,1981)。

1984年开始研究用固定翼飞机进行重力测量,到1996年底,先后利用直升飞机和固定翼飞机在美国的西南海岸、落基山、墨西哥湾海岸、阿拉斯加北极海岸、阿特拉斯山、亚马孙盆地、新几内亚及爪哇的丛林、尼日尔沙漠、纳米比亚、阿尔及利亚、巴哈马群岛等地区进行了数十万测线公里的航空重、磁测量。

测量飞行高度为300～600m,使用改进的LaCoste &Romberg航空重力仪。

测量系统同时安装高精度光泵磁力仪(安装在固定翼飞机尾锥上或直升机的吊仓内)。

导航定位使用差分GPS定位系统,使用Motorola公司的单频或Trimble公司的双频接收机。

Carson公司航空重、磁测量系统使用的固定翼飞机为双水獭双引擎飞机,具有振动小、飞行安全、低速性能好。

时速为85海里/h的固定翼系统,对于半波长为±3.0km的异常,分辨率为±1.0×10-5m/s2。

直升机为Sikorsky S261型,稳定的低速性能,地速30～50海里/h,可以获取高分辨率重力数据。

速度为50海里/h的直升机系统对于半波长为±1.0km的异常,分辨率为±0.5×10-5m/s2。

彩图1是该公司在某地进行寻找石油和天然气进行地质构造填图的航空重力测量,测量结果表明,自由空气重力异常图可反映出地质图中部在水平方向1.5～2km范围的闪长岩体及三叠系裂谷岩性的地质构造。

此外,在厄瓜多尔的Oriente盆地,航空重力测量得到的布格重力异常反映了前白垩系与白垩系的界面,而约束剩余及其三维反演反映了盆地中地质构造。

2　LCT公司航空重力测量
美国LCT公司成立于1987年,总部设在休斯敦,目前被FU GRO公司收购,改称FU GRO2LCT 公司。

该公司为能源、矿业、工程和环境提供海洋、陆地和空中地球物理测量和服务,包括数据采集和数据处理,尤其在海上和航空重、磁测量,以及数据处理和解释软件开发方面更为突出。

在航空重力测量方面,该公司使用以零长式L&R海上和空中重力仪为核心,配有Bell Aerospace B GM23的海上/空中重力仪系统。

该系统利用双频载波相位GPS系统和使用自行研制的GEO GPS TM处理软件,精确地实时提供3个分量的飞机位置和速度数据,并通过自行研制的水平加速度校正、垂直加速度校正、三维布格和地形校正,以及ZEN TM微调平软件,获得实时动态的重力测量结果。

仪器系统的采样率为1次/s,分辨率为在10 km范围内优于2×10-5m/s2(最近称优于1×10-5 m/s2)。

由于自行研制的各种数据处理软件较好,使得该公司的航空重力测量在国际上处于优先地位。

该公司在美国、南美和世界许多地方为世界许多大的石油公司探测储油或天然气构造,进行了大量海上和航空重力测量工作,无论在效果上,还是成本和效率上,都取得了很好的成效。

3　EDCON公司航空重力测量
美国EDCON公司是由加拿大的Aero Surveys Inc.和美国的EDCON,Inc.联合而成的,总部设在Denver。

公司前身是美国主要的海洋和井中重力测量的公司,有近30a海上重力测量的丰富经验,约完成海上重力测量150万测线公里。

1995年,美国EDCON公司开始进行航空重力测量试验,1997年起陆续为美国和世界一些油田和天然气公司服务,进行商业性航空重力测量工作。

从1998开始,ED2 CON成功地完成了秘鲁、玻利维亚、墨西哥和美国等地区近43800km的航重及航磁勘查任务。

航空重力测量系统包括LaCoste&Romberg AirSys重力仪系统、NovAtel“Millennium”GPS导航定位仪、地面GPS差分基站、磁日变基站和野外数据处理工作站。

该公司自行研制了空中控制系统、数据收录系统和航空重力数据处理软件。

飞行速度95海里/h,飞行高度300～500m,使用Cessna C208或Piper PA231Navajo飞机。

航空重力测量精度为1×10-5 m/s2,半波长分辨率为4km。

EDCON公司航空重力测量系统有以下特点。

(1)GPS采用NOVA TEL Millenium24道双频、窄相关GPS接收机,能够提供采样率为10次/s(10 Hz)的飞机位置与速度数据,垂向加速度校正更加精确。

从GPS直接输出速度,而不是由位置信息导出的加速度,避免了求导过程中可能生产的误差和噪音放大。

(2)重力仪数据采样率也为10Hz,利用10Hz 重力采样数据和10Hz GPS采样可以更加准确地进行垂向加速度校正。

有效地提高了垂向加速度校正精度,从而提高了地质目标的分辨率。

(3)采用了正比加热循环电路。

该电路的优点
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是能提供更佳的热量控制,使重力测量的噪音更低。

(4)用光纤维陀螺(FO GS)新技术稳定平台,在维持垂直状态和消除陀螺噪音方面有明显的提高。

4　加拿大SG L公司
2000年,加拿大Sander G eophsics Ltd(SG L)研制出一套专用于飞机上的航空重力系统,将三轴正交加速度仪安装在陀螺稳定平台上,系统称之为AIR2 Grav(航空惯性参考重力仪)。

该仪器与LaCoste航空重力仪相比,姿态更稳定,受水平加速度噪声的影响更少,三轴惯性稳定平台系统为航空重力测量提供了一个稳定的环境。

精确的差分GPS处理技术用于去掉飞机的动态影响。

对于速度为100节的固定翼飞机,试验测量结果表明:300m线距对2.2 km半波长异常分辨率好于0.2×10-5m/s2,200m 线距对1.5km半波长异常分辨率好于0.5×10-5 m/s2,1000m线距对2.2km半波长分辨率好于0. 5×10-5m/s2。

直升机装载AIR G arv系统,已经能够得到0.6～0.7km半波长、(0.2～0.5)×10-5m/ s2分辨率的重力数据。

该系统在加拿大和美州一些地区,用于寻找储藏石油和天然气的构造,以及寻找固体矿产等,取得了很好的地质效果。

5　澳大利亚BHP公司
2001年春,澳大利亚BHP公司(Broken Hill Proprietary Co)进行了航空重力梯度仪测量实验。

在2架飞机上安装了Falcon航空物探测量系统,它包括传统的航磁及重力梯度系统,该系统是从Bell 公司(Lockheed Martin Corp)研制的F TG(Full Ten2 sor Gradiometer)全张量梯度系统改装而成。

F TG 系统由在3个盘上的12个加速度计组成,每个盘上成对正交地安装2对加速度计,每个加速度计对重力振幅是灵敏的,而每对加速度计的差值与重力梯度成比例,从而实现测量3个方向的重力梯度张量。

而Falcon系统仅包括安装在一个的水平园盘上的8个加速度计,只测量水平梯度U x x、U yy,而垂直梯度U zz可通过计算获得。

Falcon系统具有省时、省钱、精度可与传统地面测量相比拟的优点,通常3个月内可以完成传统重力调查要花2～5a做的工作量;成本可以降低3～10倍。

该公司利用这套系统在澳大利亚昆士兰州的Cannington地区进行银、铅、锌矿勘探,以及在加拿大的Ekati地区进行金刚石矿的勘探飞行,并且已在Ekati附近发现一处可能含金刚石的矿藏;在澳一处铁矿地区发现了新靶区。

在国王乔治地区的航空重力梯度测量工作,测量线间距为200m,飞行高度为120m,发现了以前无法开展地面重力测量的Cu2Au异常点,从而得到了优先升级勘探地位,并在航磁及重力梯度异常(彩图2、3)上布了3个钻孔,根据模型计算异常埋深小于200m,结果在110～170m处打到了多个目标体。

不同的异常反映了复杂的目标。

彩图3为彩图2剖面线(粉红色线)上的结果,图像中显示出建模的结果。

从重力垂直梯度(vertical gravity gradient———G DD)图像(彩图4)上,可以清楚地分辨相距300m的岩脉。

航空重力测量与地面重力测量方法相比,除了有高效率、经济等优点外,还具有许多优越性,它不受测区条件的限制,如沙漠、沼泽、原始森林、雪域高原等无人居住和地面交通不便地区;不受地形起伏的影响;不受假频的影响。

6　结语
从上面的介绍中,可知国外已在地学领域中较广泛应用航空重力测量。

总体可归纳成以下几点。

(1)用于区域地质填图,包括确定区域构造形态、类型和分布,划分断裂构造,区分火成岩特征和地下地质体密度特征等,主要采用航空重力测量与航空磁测结合进行。

目前可用于不大于1∶20万比例尺的区域地质填图,包括海域和海陆交互地带。

(2)用于寻找陆地、海洋中与石油、天然气有关的地质构造和断层,推断盆地和隆起形状、类型、基底深度,划分断裂构造,圈定盐丘位置和形态,区分火成岩特征,分析地质体的密度特征,确定油气远景区及钻探井位等。

国外有些公司将航空重力测量与航空磁测结合起来探测,在某些较大比例尺勘探地区也尝试用航空重力梯度测量与航空磁测结合起来进行探测。

(3)进行固体矿产勘探以及水文和工程地质等方面的应用。

由于目前航空重力测量的分辨率和精度,一般只能用于不大于1∶20万比例尺的勘查测量,因此在上述各项任务中,主要使用航空重力梯度测量与航空磁测结合进行。

目前国外航空重力测量方法技术已经基本成熟,而航空重力梯度测量还处于试生产阶段,但前景已十分明朗。

目前我国正在实行“西部大开发”的战略,作为先行的地质工作任务十分繁重,很多地区重力测量的工作程度十分低,而且地面工作十分困难。

从上述介绍的情况看,航空重力测量和航空重力梯度测
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　2期周坚鑫等:国外航空重力测量在地学中的应用
量已经能够满足我国新一轮国土资源大调查在中西部艰险、复杂地区及沙漠、沼泽等困难地区的区域地
球物理勘探和基础地质研究的要求。

因此,尽快开展航空重力测量对我国西部大开发、新一轮国土资源大调查工作有着极其重要的作用和意义。

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THE APPL ICATION OF AIRBORNE GRAVIT Y SURVEY
T O EARTH SCIENCE IN FOREIGN COUNTRIES
ZHOU Jian 2xin 1,2,L IU Hao 2jun 1,2,WAN G Shou 2tan 2,AN Zhan 2feng 2,YU Xue 2zhong 2,ZHAN G Yu 2jun 2
(1.Chi na U niversity of Geosciences ,Beiji ng 100083,Chi na ;2.Chi na Aero Geophysical S urvey and Remote Sensi ng Center f or L and and Re 2sources ,Beiji ng 100083,Chi na )
Abstract :In this paper ,the authors have reported the application of airborne gravity survey in the United States ,Canada ,Australia and some other countries in 20th Century ,and analyzed the adaptability of the airborne gravity surveying techniques used abroad to regional geophysical exploration and basic geological researches in harsh and complex areas as well as in desert ,swamp and other se 2vere terrains within central and western China.
K ey w ords :airborne gravity ;airborne gravity gradient ;geophysical exploration
作者简介:周坚鑫(1963-),男,高级工程师。

1984年毕业于成都地质学院三系,一直从事航空物探测量和科研工作。

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