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打造中国自主的航空电磁测量系统——中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所研发我国航空物探装备纪实  

2011-06-20 15:35:08|  分类: 地质人风采 |  标签: |举报 |字号 订阅

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    从最初的半航空式长导线航空电磁系统的仪器研制算起,我国航空物探已走过半个世纪历程。虽然,我国航空物探起步比国外晚了十几年,但通过艰苦探索与努力,1982年我国自主研发成功HD-301型双频翼尖硬架式航空电磁综合站,成为世界上第六个能自主研发航空电磁综合站的国家。
打造中国自主的航空电磁测量系统
——中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所研发我国航空物探装备纪实

    “航空物探起源于上世纪30年代,是以飞机等飞行器为运载工具,将磁测仪器、电磁法仪器、放射性测量仪器、重力测量仪器单独或组合安装在飞行器上进行超低空飞行测量的地球物理勘探方法。航空物探主要用于测量大地介质的磁性、电性、放射性、密度差异,间接寻找与之相关的矿产或进行填图,它不受森林、沼泽、河流、湖泊、沙漠、村庄等自然条件的限制,测量速度快,效率高,已广泛应用于区域地质调查、矿产普查、水文地质和工程地质调查、环境监测等领域。其中,航空电磁法因技术难度大,是实现综合测量的关键。航空重力为近年兴起的尖端技术,尚未实现国产。”孟庆敏——中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所(简称物化探所)航空物探研究室主任,这样解释航空物探。
    自主打造中国唯一的航空物探(电/磁)综合站
    “因为发展航空物探具有较高难度,所以航空物探技术自上世纪三四十年代出现后,全世界只有少数国家开发出了成熟的航空物探技术。”孟庆敏说:“我国航空物探的发展,特别是航空电磁法仪器的研制、试验、方法研究和生产,比国外要晚十几年。在物化探所技术人员的艰苦探索与努力下,1982年,我国自主研发成功HD-301型双频翼尖硬架式航空电磁综合站投入生产。以此为标志,我国成为全世界第六个能够自主研发航空电磁综合站的国家。”
    随着介绍深入,我国航空物探装备研发的历史在我们脑海中逐渐清晰:
    1959年,在对苏联进行调研的基础上,开展了半航空式长导线航空电磁系统的仪器研制,并于1962年完成了样机和仪器性能试飞,后因国家进入困难时期而下马。
    1965年,航空电磁仪的研制再次启动,并选定了翼尖硬架式方案,1969年试制出样机。试飞中发现,机翼在安装线圈后挠曲扭动大,导致动补和振动干扰,仪器无法捕捉到矿产异常。为验证仪器的可行性,1972年设计了大刚架方案,即焊制长21米、平均宽0.8米刚性专用支架固定在Y-5飞机大翼的机身下,用于安装发射线圈。采取这一措施后,这一系统于1973年试飞成功,其技术指标超过当时的国际先进水平。大刚架虽然消除了动补和振动干扰,但因重量过重、体积过大而严重影响飞机的飞行性能,这一系统并未投入生产使用。
    1974年,研发人员在加强飞机大翼刚性的同时,进一步改进仪器性能,提高仪器稳定性。随后,不断改进仪器性能,于1980年研制成功Y-5飞机单频航空电磁系统,并组装成HDY-202航空物探(电/磁)综合站,移交航测总队投入生产使用。1982年,这一系统停止生产飞行。
    在以Y-5飞机为平台研制航空物探综合站的同时,物化探所研发人员于1978年开始了以国产Y-11飞机为平台的航空物探综合站的开发工作。1982年,研制成功Y-11双频航空电磁系统,各项技术指标均达到国际同类系统先进水平。随后,研发人员组装成Y-11航空物探(电/磁)综合站,并投入大面积生产测量工作。到1991年,Y-11航空物探(电/磁)综合站先后在山东、江西、河北、安徽、吉林、辽宁、湖北、江苏等省开展铜、金、多金属矿产普查和浅层水资源调查工作,共飞行测量20多万测线千米。在山东半岛金矿普查、华北平原浅层水资源调查等领域,取得了显著地质效果和社会效益。
    为取得更好地质效果,研发人员准备研制三频航空电磁系统。鉴于Y-11飞机不具备单发性能,测量飞行需要民航的特别许可,且需要异地运油,遂计划将新系统安装在国产Y-11B飞机上。1994年,物化探所在地矿部重大科研项目的资助下,开始研制三频航空电磁系统,并于1999年通过部级鉴定,各项技术指标达到国际先进水平,部分技术指标超过国际同类系统。1997年~1999年,以新的三频航空电磁系统和国产光泵磁探系统为主组成的Y-11B航空物探(电/磁)综合站,在西北荒漠地区浅层水资源调查、内蒙古草原森林景观区铜、多金属矿产普查开展试验研究工作,取得显著地质效果。
    2001年,物化探所研发人员将该综合测量系统改装到国产Y-12飞机上,组装成的Y-12航空物探(电/磁)综合站,在东北平原浅层水资源调查和辽宁大连地区铜、多金属矿产普查领域,进行了生产测量飞行,取得可喜地质效果。
    “既然要飞行,为什么不一次多获取一类参数呢?”孟庆敏说,按照这一思路,2006年,他们在Y-12航空物探(电/磁)综合站的基础上,增加放射性探测仪器,组装成Y-12航空物探(电/磁/放)综合站,并承担了内蒙古大面积铜、多金属矿产普查任务。截至2009年底,共飞行测量了30多万测线千米,发现了一大批磁性异常、电磁异常和放射性异常。这些数据将为内蒙古矿产开发和基础地质研究,提供高精度(磁、放、电)原始数据和丰富的地质信息,为内蒙古经济建设规划、生产力布局和资源分配,提供较完整、科学的基础资料。
    2006年,物化探所受863项目资助,开展“时间域固定翼航空电磁勘查系统研发”。现已完成实验室仪器系统的研制,正进行飞机改装和部件加工。
    “等时间域航空电磁系统研发成功后,我国就成为世界仅有的几个既能自主研发频率域又能开发自主研发大勘探深度时间域航空物探系统的国家。”孟庆敏说:“我们不仅能独立研制与国外同类型系统先进技术指标完全一致、全套设备国产化的大型航空电磁系统,填补国内空白,还能自主研制具有独到之处的适合我国国情的全部软件系统,使我国成为航空物探大国。”
默默奉献的航空电磁系统制造者
    “在上世纪70年代,我国有多家科研单位进行航空电磁系统研发,但到目前,真正能完成定型并投入生产飞行的,只有物化探所的这套综合站。”孟庆敏说:“其中一个重要原因,就是多年来部、局、院等上级主管部门和物化探所历届领导,对航空物探研究的高度重视和大力支持。尤其是韩子夜所长和胡平副所长等,在人、财、物方面全力支持,为物化探所航空物探研究创造了良好条件;另一个重要原因,是拥有一批愿意献身祖国航空物探事业的骨干科技队伍。”
    他说,物化探所开展航空电磁科研工作可大致分为三个阶段,每个阶段都有一批科技骨干默默奉献:
    第一阶段,是上世纪50年代末到80年代初的仪器研发和方法研究初始阶段。这一阶段,主要开展航空电磁系统多方案的探索,研制成功单频、双频航空电磁系统;对方法理论、模型试验、解释理论、解释方法等,开展了基础性实验研究。在研发过程中,程信尧、周凤桐、刘维国、满延龙、项沥泉、王祖龙等一批科技人员作出了突出贡献,从航空电磁系统的基本方法理论、模型试验、解释理论、解释方法,到空中测量、室内资料整理、数据处理、地面检查验证等,为系统成功研制以及投入生产使用奠定了基础。
    第二阶段,是上世纪80年代初到2006年的改进双频航空电磁硬件、研制三频航空电磁系统、方法研究以及拓宽航空电磁应用领域的试验研究阶段。主要工作是改进提高航空电磁系统硬件的技术指标。这些硬件包括线圈绕制、优化电子线路、元器件更新、数字化接收、GPS导航定位等;完善、优化和航空电磁法方法配套的软件系统,包括数据处理、物理场转换、电阻率转换、图示技术、异常筛选和解释方法技术等;不断拓宽航空电磁应用领域,使航空电磁在间接找矿、浅层水资源调查、研究古沉积环境、农业地质和环境地质调查等领域发挥作用。这一阶段的主要代表人物是:满延龙、王祖龙、欧介甫、孟庆敏、李文杰、李军峰等。
    航空电磁系统研制不是简单地将仪器搬到飞机上,而是对飞机进行改装,使飞机成为系统的一部分。这就需要解决飞机和飞行带来的一系列问题。对频率域航空电磁系统而言,下面的关键问题不可避免——
    补偿问题:物化探所研制的是补偿式航空电磁系统,即在接收线圈处用一组补偿线圈,产生与一次场反向电磁场抵消一次场。因在测量过程中,线圈因温度变化会发生微小变形,造成一次场变化,要求补偿线圈随一次场的变化而变化,而且变化量正好能抵消一次场的变化。
    避振:振动是仪器噪声的主要来源。飞行过程中,振动的频谱成分很丰富,对避振材料的选择很有讲究。
    飞机回路干扰:金属制造的飞机本身形成电磁场回路,需采取必要的屏蔽方法减小影响。
    最佳安装角:航空电磁探头安装和机翼延长线有一个夹角,称为安装角。通过选取最佳安装角,获得最佳补偿效果。安装角不合适,会造成飞行中补偿破坏,噪声增大。
    接收线圈屏蔽:在飞行测量中,干扰信号会通过接收探头进入收录系统。如果接收线圈不屏蔽,接收信号成分复杂,系统噪声就很难满足要求。
    整机屏蔽:飞机虽然是导体,但机舱内并不等位,如果不采用整机屏蔽等技术措施改善接地条件,就难以降低噪声和减小零漂。
    数据处理和解释方法:航空电磁系统研制初期,对航空电磁数据处理和解释停留在理论和文献上,没有行之有效的处理和解释方法。在研制仪器的同时,方法研究同步进行。实际上,方法研究始终作为仪器研制的理论基础,很多仪器研制的技术问题是通过方法研究解决的。在航空电磁逐渐实用化的同时,一套适合国产系统的航空电磁数据处理和解释方法逐渐形成。
    第三阶段,2006年到现在的固定翼航空电磁时域系统的研发阶段,目标是研发大勘探深度时间域航空物探系统,以填补我国空白。围绕这一目标,胡平、孟庆敏、李文杰、李军峰等组成科研团队进行攻关。目前,已经完成飞机及吊舱的空气动力学试验,飞机改装设计、接收探头设计、二维三维反演研究等,初步攻克了大功率发射系统、接收系统、数据收录系统和实时监控系统等技术难题,正进行地面试验和调试,下一步将进行飞机改装和飞行试验。
    航空物探与其他物探方法的最大不同,是将飞机作为一个整体设计。试验时,要进行超低空飞行,研发人员晕机不可避免。为了取得宝贵的试验数据,他们准备好塑料桶、塑料袋,吐完后又投入工作。一个架次试验飞下来,有时就像大病一场。有的科研人员晕机,听到飞机发动机的声音就要吐……
    正是有这样一批无私忘我的科技人员,物化探所才能成为我国开发航空物探系统中唯一的成功者;也因为有了他们,我国才拥有了自己的航空物探系统。
    中国的航空物探综合测量系统不比国外产品差
    “中国开展航空物探系统研制的历史虽然比国外晚,但我们的产品一点也不比国外差,有些技术指标甚至超过国外产品。”孟庆敏对我们说。
    这一特点从我国研发航空电磁系统一开始,就得到充分体现。在物化探所研发成功HDY-202和HDY-302航空电磁系统后,在城门山、密云等矿区进行试验飞行,飞行结果与国外系统大同小异。在金矿勘查和水资源普查中,国产航空电磁系统的表现更加优异。原地矿部物化探局因此改变初衷,决定对国产系统予以支持。
    孟庆敏说,HDY-302航空电磁系统研制成功后,恰逢地质工作低潮期,试飞结束后系统基本无活可干。1984年,武警黄金部队了解到物化探所拥有自行研制的综合测量系统后,主动要求为他们在胶东半岛找矿提供航空物探调查服务,以尽快缩小靶区,实现找金突破。这次航空物探调查取得了良好效果。结果出来后,山东地矿局与地矿部相关部门沟通,提出:“自己系统研发的装备为什么不能立刻应用到自己系统?”此后,物化探所利用航空物探(电/磁)综合测量系统,开始进行航空物探(电/磁)综合测量。1983年~1991年,仅在胶东半岛就飞行3万多测线千米,覆盖胶东半岛主要金矿远景区。
    “前段时间,山东地勘单位的一位熟人还对我说,直到现在,当时的航空物探资料仍是山东找矿工作使用最广泛的基础资料。”孟庆敏说。
    谈到今后,孟庆敏介绍说,在国家“863”专项、地调项目等科研计划支持下,目前,他们正在开发时间域航空物探系统,以填补我国空白。对于频率域航空物探系统,他们正着手研究扩频技术,增加信息量。
    看到孟庆敏充满自信的眼神,我们对我国新一代航空物探系统充满了期待。
国产航空物探系统综合测量显神威
    “仅最近10年,我国就完成1:100万航空磁力测量104万平方千米;1:20万航空磁力测量80万平方千米、1:5万航空磁力测量45万平方千米、1:5万航空伽马能谱测量25平方千米,大幅度提高了大兴安岭、西南三江、冈底斯、青藏铁路沿线等重要成矿区带和地区的工作程度。”指着电脑中的数字,孟庆敏说:“在我国成为航空物探大国中,国产航空电磁发挥了不可或缺的作用。”
    为了详细说明,他从电脑中调出了《航空电法及其应用》的汇报材料——
    航空电磁法又称为航空电法,简称航电,是一种快速高效的物探方法。按其发射方式可分为时间域和频率域,其运载工具为直升机或固定翼飞机。物化探所航空电磁为固定翼(Y12)频率域(三频)航空电磁系统。一般航空电磁与航磁、航放组成航空物探综合站进行综合测量。航空物探综合站广泛用于矿产普查、石油天然气勘查、环境地质调查、工程地质调查、地质填图等。目前,国内可用于生产的只有物化探所的Y12 航空物探(电/磁/放)综合测量系统。由物化探所自主研制的航空物探(电/磁/放)综合测量系统,经多年生产实践证明具有以下功能:
    缩小找金靶区。上世纪80年代末,物化探所的Y11航空物探(电/磁)综合站在胶东半岛用1:5万比例尺飞行了3万多测线千米,圈定航空电磁基岩导体异常(带)数百个。截止到1989年,山东地矿局物探大队,武警黄金部队,山东地质三队、六队等开展了航空电磁异常的地面查证工作,山东地矿部门共检查航空电磁异常(带)19个,3处见金矿,1处见金矿化,见矿率为17%,发现一个8吨的中型金矿床;武警黄金部队共检查航空电磁异常(带)23处,见矿10处,见矿率为43%,其中中型金矿一处。
    探测海侵。滨海平原地形平坦,海水为良导,非常适于航空电磁圈定海水入侵范围、海侵区的淡水储层,为滨海平原、滩涂开发提供基础地球物理资料。
    水资源普查。1984年、1985年、1997年、2001年,分别用Y11、Y11B和Y12航空物探(电/磁)综合站,在河北南宫—曲周地区、甘肃安西—敦煌地区、吉林长岭地区进行地下水普查和生态地质勘查,取得明显地质效果。航空电磁成果和几十个已知钻孔资料,除1处有差异外,其余全部对应或基本对应。
    多金属矿产勘查。1982年至今,先后在江西、广西、辽宁、安徽、山东、江苏、吉林、湖北、内蒙古等进行以铜为主的多金属矿产的普查工作,总工作量约50余万测线千米。圈定了众多航空电/磁/放异常,为地质、地面物化探工作指明了方向,起到了普查作用,取得了很好的地质效果。
    “国产航空物探综合测量系统到底找到多少矿?” 对我们的提问,孟庆敏说:“航空物探测量作为普查的重要手段,其主要目标不是直接找矿,而是利用航电、航磁、航放圈定构造带、火山机构、岩体等,为找矿提供基础资料。但这是我国的一块短板。我国在利用航空物探成果中最薄弱的环节,就是地面检查和地质查证工作不够,或者说这些查证工作跟进不及时。”
    他以具体事例进行说明:一是在利用航空物探(电/磁)综合测量圈定的胶东半岛断裂破碎带上,武警黄金部队、山东地矿部门以外的地勘单位,共发现大中型金矿7处。二是泥河铁矿,航磁圈定了异常,但限于条件一直没进行地面检查验证。2006年,中国地调局安排安徽省地调院实施《庐江盛桥—枞阳横埠地区铁铜矿勘查》项目。2007年5月,该项目在675米施工钻孔中发现厚大磁铁矿体,单孔见矿厚度达280米,其中富铁矿体厚达100米。在随后的两年多,19台钻机、70多个钻孔、近8万米钻探深度,共控制1.5亿吨铁矿石量,潜在经济价值近500亿元。
    孟庆敏说,如何加强地面查证?也许下面这组数据可以为国内部署航空物探异常查证提供参考:paterson N.R.提供的1955年~1959年加拿大有关航空电磁工作的统计资料表明,每发现一个隐伏矿体要投入约5万测线千米的空中测量,地面查检异常数约为187个,打钻验证异常数为62个。“要发挥航空物探在地质找矿中的作用,就必须加强地面检查验证力度。”孟庆敏坚定地说。


    后记:航空电磁法是航空物探的重要方法。廉价高效和广阔的应用领域,是航空电磁法的最大优势。随着国民经济发展,对航空电磁的需求越来越多;随着搭载航空电磁系统平台——飞机类型的增加和航空电磁系统的完善,加上航空电磁方法的进步,航空电磁在我国的应用领域继续拓宽。
    物化探所现有频率域航空电磁飞机三架(国产Y-12飞机),正在研发的固定翼时间域航空电磁系统,也将在不久形成生产力;加之物化探所具有一批航空电磁专门人才和成功经验,航空电磁工作将会迎来更大发展,为国民经济建设作出更大贡献。

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