中国首次！无人机航空瞬变电磁法用于金属矿山隐蔽致灾精细探测|东南|无人机|电磁法|瞬变|金属矿

基于无人机航空瞬变电磁法的金属矿隐蔽致灾精细探测应用

徐正玉¹，赵东昌²，吴牧阳¹，王朝锦²，文燕³，付能翼³，付志红¹

1 重庆大学电气工程学院

2 四川水发勘测设计研究有限公司

3 重庆璀陆探测技术有限公司

第一作者：徐正玉，博士，副研究员，研究方向：电磁法正反演理论与应用研究。

通信作者：付志红，博士，教授，从事探测与检测技术、接地网故障诊断、智能量测技术研究。

导读：

无人机航空地球物理是必然发展趋势，在矿产资源探测和地质灾害防治中将发挥越来越大的作用。

矿区开采之后隐蔽的地质灾害受场地地形及周边电磁环境干扰等影响，常规地面物探方法存在施工困难、效率低和抗干扰能力差等问题。无人机航空瞬变电磁法具有效率高、施工方便和适应性强的特点，在隐蔽致灾精细探测中有广泛应用前景。

本文首次将无人机航空瞬变电磁法应用到金属矿隐蔽致灾精细探测中，主要介绍了无人机航空瞬变电磁法的原理和数据处理方法、能保证野外飞行安全和信号质量的仿地规划飞行技术，以及基于非线性优化方法反演识别低阻异常的技术。

在此次金属矿隐蔽致灾探测中，该方法获得了高分辨率电阻率异常，低阻异常细节更加明显。矿区现场调查显示，低阻异常处为已回填的渗水区域，与地面瞬变电磁法验证结果相符。结合矿区已知资料，较好地分辨出了采空区等隐蔽致灾体和铅锌矿、铁矿矿体富集区的空间分布情况。

研究表明，无人机航空瞬变电磁法在金属矿山隐蔽致灾探测中具有很好的效果，为隐蔽致灾体精细探测和矿山地质找矿提供了一种快速、高效、精准的方法与技术。

基金项目：国家重点研发计划课题（2024YFC3214902）；国家自然科学基金（42474238）；重庆市自然科学基金项目（CSTB2023NSCQ–MSX0449）；四川水发勘测设计研究有限公司科技研发项目（2025–SQ011–N）；潼南区科研项目（TK–2025–51）。

说明：参考文献以原文为准，本推文未作详细标注。

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0 引言

1 研究区概况

2 金属矿隐蔽致灾探测方法

2.1 无人机航空瞬变电磁法

2.2 无人机航空瞬变电磁法数据处理方法

3 金属矿隐蔽致灾野外探测

3.1 方法有效性分析

3.2 无人机航空瞬变电磁野外探测与解释

4 结论

0 引言

随着矿产资源的大规模开发与开采，隐蔽致灾体已成为威胁矿区安全与生态稳定的重大隐患。长期开采后会引发突发性地质灾害，如地表塌陷与沉降，破坏基础设施，直接威胁人民生命财产安全；山体滑坡与泥石流，削弱山体结构稳定性，在强降雨或地震触发下易引发次生地质灾害。突发性灾害导致灾后应急响应难度大，直接导致经济损失（吴敏杰，2021，2023）。因此，对矿山隐蔽致灾体进行全方位精细探测，以保障人民生命财产安全、保护资源生态环境和促进经济社会可持续发展具有重要理论与现实意义。

当前，用于隐蔽致灾体调查的地球物理方法主要有瞬变电磁法、地震方法、探地雷达和高密度电法等（方广有，2024）。如王超凡等（1998）采用地震波CT方法对河金矿隐伏采空区进行了探测，揭示了测区内采空区和断裂破碎带的分布情况；刘菁华等（2005）采用高密度电阻率法和瞬变电磁法进行联合探测，圈定了煤矿采空区及塌陷区异常范围；祁民等（2006）采用高密度电阻率法对山西煤田采空区进行探测，较好地分辨出复杂区域采空区的空间分布特征；李娟娟等（2009）联合采用浅层地震法、探地雷达法和可控源音频大地电磁测深法对煤田采空区进行探测，并分析了每种探测方法的优缺点；陈卫营等（2013）对比分析了回线源和电性源两种瞬变电磁装置在煤矿采空区调查中的应用效果，为深部采空区探测提供了新的方法。实践证明，上述方法在隐蔽致灾体调查中应用效果较好，能较好地反映出异常响应特征（孙怀凤，2024；薛国强，2024）。然而，针对大面积调查区域或者复杂地形区域，地面方法存在野外施工效率低或者无法施工等缺点，难以满足大范围快速精细探测需求。

航空地球物理方法具有机动性强、探测速度快、效率高、不受地形等因素限制的优势，可以适应复杂探测环境（熊盛青，2023，2024）。目前，应用成熟广泛的航空地球物理方法主要有航空磁法、航空电磁法和航空放射性测量（熊盛青，2009；李怀渊，2018；底青云，2020），而航空电磁法在金属矿产资源勘查中应用效果较好（殷长春，2018；路俊涛，2021；管清辰，2023）。该方法主要有两种工作模式，分为全航空和半航空两种模式。全航空电磁法工作模式是以直升机搭载，将发射装置和接收装置完全吊在空中进行测量，主要以加拿大VTEM系统和丹麦SkyTEM系统为主，用于大深度矿产资源以及地下水资源调查（Sørensen，2004；Witherly，2004；Reid，2007；Combrinck，2009；Luo，2015）。国内以国土资源航遥中心和地科院物化探所研究为主，研发了基于直升机平台的航空电磁系统，目前已在新疆等区域开展飞行试验。半航空瞬变电磁法是近几年发展比较快的航空电磁法。该方法将发射装置布置于地表，用无人机将接收装置吊于空中进行测量。国外主要以日本北海道大学研制的GREATEM系统为主（Tohru，1998）；国内吉林大学、山东大学、重庆大学、成都理工大学等开展半航空瞬变电磁法研究，取得了一定的研究成果（李貅，2015；王绪本，2019；林君，2021；杨洋，2022）。

随着无人机技术迅速发展，无人机系统具有低空仿地飞行、探测速度快、效率高、不受地形限制等特点，是航空电磁法未来发展的优势方向之一（徐正玉，2023；马洪翔，2024）。重庆大学团队研发了无人机全航空瞬变电磁系统，近几年通过野外工程实践应用证明了无人机航空瞬变电磁法可实现精细化探测，分辨率高，浅表盲区小，特别适合复杂地形应用（付志红，2023）。

目前关于矿产资源隐蔽致灾体调查研究中，相关学者通过地面地球物理方法从多个方面进行了研究，但地面方法存在人员施工效率低或者无法施工等问题。无人机航空瞬变电磁法可以有效地解决地面方法存在的问题，有着明显的优势。目前，尚未有基于无人机航空瞬变电磁法在矿产资源隐蔽致灾探测中应用研究，作者通过无人机航空瞬变电磁法对内蒙古某金属矿隐蔽致灾进行精细探测分析，开展无人机航空瞬变电磁野外探测和应用效果分析。研究工作为隐蔽致灾精细调查提供专业方法和技术。

1 研究区概况

获各琦矿区位于内蒙古自治区巴彦淖尔市境内狼山山脉中段北麓，是一座以铜矿为主、伴生铅锌铁的大型金属矿床。矿床主矿体沿走向方向延长，长度约1200m，矿体平均厚度约20m。矿区中主要含有石英岩、炭质板岩和闪石岩。其中，铜矿体主要赋存于石英岩中，铅锌矿体主要赋存于炭质板岩中。矿区中具有明显的沉积结构构造特征，如浸染状结构、条带状结构、块状构造等。矿床成因属于以沉积岩为容矿岩石的喷流沉积矿床，后期经热液改造（梁彦波，2021）。矿区范围内植被稀少，地形总体东南高、西北低。最高海拔为2100m，位于矿区西南部；最低海拔为1950m，位于矿区西北部。地形最大高差150m，一般高差为30m～70m，属于低山丘陵区。矿区内火成岩种类较多，包括角闪石岩、次闪辉长岩、斑状花岗闪长岩等。岩脉包括闪长玢岩、花岗岩、细晶岩和石英脉。矿区属典型的半干旱大陆性气候，附近无河流及其它常年性地表水体。区域地表水不发育，无常年性地表水体，仅在暴雨后部分沟谷中有短暂洪流，大部分沿沟谷流出矿区外，但矿山开采形成的矿坑内有部分的涌水量（曹亚琦，2018）。

根据前人研究成果表明，矿区成矿规模与地层电性结构变化之间有密切联系，在电性梯度变化快且含炭量较多的地层有利于成矿（Zhong，2013）。矿区内地层、岩体和构造之间的电性特征存在明显的差异。其中，狼山群地层电性结构较为稳定，整体电阻率在400Ω·m上下变化，受炭质和石英含量变化控制明显：当含炭量较多时，电阻率下降到100Ω·m至400Ω·m之间变化；当含石英量较多时，电阻率会明显增加；闪长岩岩体电阻率在500Ω·m上下变化，整体较为平稳；花岗岩岩体电阻率较高，在1000Ω·m以上，电性差异较为明显。

2 金属矿隐蔽致灾探测方法

研究区地层结构特征明显，不同地层因含矿物含量和含水性不同，其电性差异明显，而电磁法对地层结构以及低阻异常体的响应较为敏感。考虑到矿区开采多年且区域范围较大，地形起伏变化明显。为了能快速地查明矿区内隐伏的地灾体，采用无人机航空瞬变电磁法进行探测，查明隐蔽致灾体空间分布情况，为矿区安全开采提供详细的地球物理资料。

2.1 无人机航空瞬变电磁法

无人机航空瞬变电磁法是航空电磁勘探领域中一种新的探测方法（徐正玉，2023）。该方法利用无人机作为搭载平台，利用机载线圈发射脉冲电磁场，通过接收线圈测量二次感应电磁场的航空物探方法（图1）。相较于传统地面地球物理勘探方法和以直升机平台搭载的航空电磁方法，无人机航空瞬变电磁法具有以下优点：机动灵活，适合复杂地形，效率高；相比于直升机飞行高度，无人机飞行高度低，飞行速度慢，探测分辨率高；地形影响小，体积效应小；除此之外，无人机航空瞬变电磁法野外操作无需飞行员，安全风险低。

图1 无人机航空瞬变电磁法工作示意图

在无人机航空瞬变电磁法野外作业前，需开展测区地形航拍测绘工作和无人机路径规划工作。开展地形航拍测绘工作目的是查清工作区域内的地形地貌特征，为后续路径规划提供数据支持。采用测绘无人机进行航拍，具有快捷方便、经济实惠等优点，且精度满足航空瞬变电磁物探作业要求。在测绘航拍工作之后，采用DJI Terra三维建模软件进行自主航线规划工作。如图2所示，输入测线坐标，设置安全半径、线圈离地高、节点阈值等参数信息，即可得到航线规划的三维示意图。

图2 航线规划三维模型示意图

2.2 无人机航空瞬变电磁法数据处理方法

本文采用非线性优化方法进行数据处理反演。在前期研究中，作者对比分析了粒子群优化算法和萤火虫算法在瞬变电磁数据处理上的应用效果（徐正玉，2022）。在此基础上，提出了一种改进的PSO–IFA混合优化算法（Xu，2025）。下面建立含低阻薄层的层状模型来测试改进的优化算法反演效果。建立四层地电模型，每次只改变电阻率或者层厚一项参数，其他参数固定不变。第一种情况下，固定薄层厚度为20m不变，只改变电阻率参数，选取1Ω·m、5Ω·m、10Ω·m、20Ω·m、30Ω·m、40Ω·m和50Ω·m七种情况进行反演计算；第二种情况下，固定薄层电阻率20Ω·m不变，只改变薄层厚度参数，选取5m、10m、20m、50m和100m五种情况进行反演计算，反演结果如图3所示。PSO–IFAH算法能准确有效地反映出低阻薄层的电阻率和层厚信息，且对深部地层异常信息反演结果没有影响，反演曲线重合一致，说明改进的PSO–IFAH优化算法能有效地反映地电模型电性参数。

图3 低阻薄层模型下，PSO–IFAH算法反演结果曲线

由于航空瞬变电磁野外采集数据量极大，采用常规方法反演处理时，存在效率低的问题。因此，将上述反演方法集成到云服务器系统，研发了基于超算平台的瞬变电磁反演云服务器系统（http://cloud.triloopco.com:3000/）。该超算系统支持迭代算法和非线性优化算法反演及拟二维反演功能，支持远程超算和野外现场实时成像，具有数据共享和快速交互等功能。采用高性能服务器并行计算，反演计算速度得到飞快提升。

3 金属矿隐蔽致灾野外探测

3.1 方法有效性分析

为了验证无人机航空瞬变电磁法的探测结果，在矿区内一已知渗水区域开展地面瞬变电磁法测量对比实验分析。根据矿区已知资料，海拔1700米以上的矿体已经基本开采完毕，其中高程1750米以上的采空区采用废石填充。工区浅层存在松散层、强风化带（风化裂隙带）以及破碎带，强风化带中赋存基岩裂隙水，破碎带中富水性较好。无人机航空瞬变电磁法测线长度为900米，点距2米；地面瞬变电磁法测线长度为600米，点距5米。该测线与无人机航空瞬变电磁法测线前部分基本重合，以对无人机航空瞬变电磁数据处理的结果进行验证。无人机航空瞬变电磁法采用Wukong DATEM120无人机载全航空瞬变电磁系统进行测量，采用自主改进研发的大载重无人机（Me150–3）进行搭载，测量线圈直径为12米，发射电流120A，飞行速度2–3m/s，采用仿地飞行，线圈离地高度约5m左右，无人机航空瞬变电磁系统观测感应电压参数；地面瞬变电磁法采用直径为1.1米的测量线圈，发射电流60A，叠加次数200次。对上述瞬变电磁数据采用云平台服务器进行反演处理，结果如图4所示。

图4 已知采空区探测方法对比分析图

在图4中，图4（a）表示无人机航空瞬变电磁法的探测结果，图4（b）表示地面瞬变电磁法的探测结果。从图4中可以看出，无人机航空瞬变电磁法和地面瞬变电磁法在水平距离100m–350m之间均存在低阻异常（图中红色曲线表示），且无人机航空瞬变电磁法的低阻异常结果要明显优于地面瞬变电磁法的探测结果分辨率。结合矿区现场已知资料显示，该处为回填完的渗水区域，呈现低阻响应。上述两种方法的探测结果与矿区实际已知情况较吻合，验证了无人机航空瞬变电磁法探测结果的准确性和可靠性。

3.2 无人机航空瞬变电磁野外探测与解释

在完成了野外方法测试验证之后，开展无人机航空瞬变电磁野外测量工作。在正式测量之前，需开展测线飞行规划工作。考虑到测区范围比较大，采用分架次进行飞行。选取合适的起飞点进行起飞降落，如图5（a）所示。在测量区域内布置了42条无人机航空瞬变电磁飞行剖面，测线布置方向沿北东方向，测线线距为100m。选取了2个起飞点，设计飞行7个架次，野外飞行时间2天，总共飞行的测线长度为28km。如图5（b）所示，测线顺序编号开始于测区西南方向，结束于测区东北方向。无人机航空瞬变电磁法野外测量如图5（c）所示。

图5 无人机航空瞬变电磁法野外测量和测线布置图

将采集的无人机航空瞬变电磁数据经滤波、加窗、叠加和高度校正处理后，按照2米点距进行数据导出。采用自主研发的瞬变电磁反演超算云服务器系统进行反演计算。由于本次无人机航空瞬变电磁工作测线共飞行42条剖面，调查区域范围大、测线多，无法将全部测线数据成果进行展示。因此，笔者从调查区域内从西南到东北方向按一定间距选择了八条无人机航空瞬变电磁剖面数据进行反演解释。反演结果如图6所示。图6展示了测线L05、L10、L15、L20、L27、L30、L32和L34等8条测线的反演结果。

图6 无人机航空瞬变电磁法反演结果图

根据已知的矿区资料，在海拔1700米以上的矿体已经基本开采完毕，其中在高程1750米以上的采空区已采用废石回填，整体破碎且含有一定的富水性。从图6反演结果图中可以看出，无人机航空电磁法探测的低阻异常标高在1750米以上。图6（a）表示测线L05的反演结果。由于该测线位于测区的边缘区域，探测区域没有到矿体开采的整体范围，因此测线L05剖面的反演结果无明显的异常反映。随着无人机航空瞬变电磁飞行测线逐渐往矿区中间移动，在探测结果上呈现出部分的低阻异常响应。从图6（a）–（f）中可以清晰地看出，在探测测线水平距离0–200米范围内，均有低阻异常反映。这是由于测线L10、L15和L20这几条剖面分布在已知的试验剖面周边。因此，在探测结果上与图4中已知采空区探测结果一致，呈现低阻异常，推测为采空区范围的延深区域。图6（e）–（f）表示测线L27、L30、L32和L34的反演结果。从图中看出，在探测测线水平距离300–450米范围内，呈现封闭型低阻异常。该异常区域位于探测工区中东部，结合现场开采情况和地质资料分析，该区域中含有未开采的少量细沙粒磁铁矿。因此，推测该区域为含有铁磁性物质围岩，表现为低阻异常。

将测区内所有无人机航空瞬变电磁反演数据匹配坐标信息，将反演结果剖面图转成平面异常解释切片图，如图7所示。图7表示1810m、1750m和1690m三个不同高程的平面异常解释切片图。如图7（a）所示，在高程1810m中段无人机航空瞬变电磁视电阻率平面切片图中，推测划分了3处异常区域。其中，在工区中东部，推测划分了长条形低阻异常（异常区域A），与测线L27、L30、L32和L34的反演剖面结果对应一致，结合水文地质和地质资料，分析该区域为铅锌矿和铁矿的富集区；在探测工区中西北部，划分的低阻异常（异常区域B），与测线L10、L15、L20和已知试验剖面结果对应一致，结合现场情况和地质资料，推测该区域为采空区。除此之外，在探测工区中西部的低阻异常区域C，推测可能为小范围的采空发育区。图7（b）和图7（c）表示高程1750m和1690m中段视电阻率平面切片图。从图中可以看出，随着视电阻率平面切片深度的增加，异常区域B和C逐渐减弱，而异常区域A的矿体富集区还可清晰分辨。根据水文地质资料，测区地下径流水走向为东南至西北，因此在视电阻率平面切片图上表现为西北区视电阻率相对较低，东南区域则相对较高。