张吉
中国铁路设计集团有限公司 天津 300251
Zhang Ji
摘要：航空物探方法效率高、成本低、地形适应能力强，在矿产资源勘查领域已有广泛应用。随着铁路工程勘察工作区域的拓展及勘察成本和工期压缩的需求日益强烈，在铁路勘察引入航空物探手段已成为必然趋势。本文首先总结分析了航空物探技术发展的现状，并对其在工程勘察领域的应用情况进行了分析，最后结合行业现状对航空物探技术在铁路工程物探中的深入应用提出了展望。
关键词：航空物探、铁路工程物探、航空磁法、航空电磁法
1 前言
航空物探本质是将地球物理勘探设备挂载于飞行器上进行勘探的一种物探方法。因其先天具有地形地貌适应能力强、外业工作效率高、便于大面积施工等特点，自诞生之初就备受关注[1]。从广义上看，搭载于卫星等航天器上的物理探测设备也属于航空物探，但受飞行高度和探测精度限制，其在铁路工程勘察领域的应用受到较大限制，本文对此不做讨论。
2 航空物探技术现状
2.1 航空物探方法发展现状
严格来说，所有的地面物探方法都可应用于航空物探，但由于飞行器平台的限制，航空物探设备及传感器很难与地面接触，这就造成了传导类电法、传统地震类方法等接触式物探方法目前无法应用于航空物探。现阶段航空物探方法主要分为两类，第一类是航空磁力测量、航空重力测量、航空放射性测量等常规天然场源物探方法；第二类是时间域电磁法和频率域电磁法等非接触式人工源电磁法。近年来加拿大Geotech公司研制出一种类似于音频大地电磁法原理的ZTEM系统，与其他商业电磁系统不同，该系统使用电离层电流或自然界产生的25~720Hz的雷电信号作为激发场源，拥有较低的噪声、较高的分辨率和较大的勘探深度。
2.2 航空磁法及放射性探测技术现状
航空磁法是最早应用于生产实践的航空物探方法，在地质调查、 矿产普查和地球科学研究工作中发挥着重要的作用。根据观测方式不同，航磁测量又分为四种，分别是：测量地球磁场的总磁场强度B的总场测量、测量地球磁场总场强度B的空间变化率的梯度测量、测量地球磁场的三个分量的张量测量、测量地球磁场空间变化率的梯度张量测量。以上四种测量方式实现难度依次增加，也代表着航磁测量技术的4个发展阶段。目前国内的航磁测量工作还以第一阶段总场测量为主，部分单位可以进行水平梯度测量，但张量测量及梯度张量测量技术尚不成熟。在国外的一些研究机构进行过梯度张量测量。
航放测量技术也已较为成熟，国际上有多种商业航放测量仪器，如加拿大的RS-500、GRS10S型、美国的GR-820型航放系统等，国内自主研发的703-I型、AGS-863型航放系统也已达到等国际主流水平。但从目前的情况看，本方法还主要用于矿产资源勘查领域，在工程勘察领域应用较少。
2.3航空电磁法探测发展现状
航空电磁法探测技术在国外发展已十分成熟。早在本世纪初就有有多家公司推出可用于实际勘查航空电磁系统，如：GeoTEM、TEMPEST、MegaTEM等。 这些系统已在全世界大规模推广实用，广泛用于多金属矿勘探、水资源调查、地质调查等。近年来，随着直升机悬吊系统的发展，又涌现出一些新的航空电磁法勘探设备，如Fugro公司的HeliGEOTEM 系统，Geotech公司的ZTEM和VTEM 系统，Aeroquest公司的AeroTEM系统，GPX公司使用的HoistEM系统等。
航电测试技术在我国仍处于发展当中，数十年来，国内的航空物探机构也进行了许多相关研究，形成了诸如M1型脉冲式航电仪、Y11B航空物探(电/磁)综合站等有代表性的仪器设备，但受体积和精度的限制，上述仪器主要用于区域地质调查。国内暂未形成完善的航空电磁系统。
3 航空物探技术在铁路工程勘察中的应用现状
如前所述，国内航空物探工作还是以航磁为主, 航放次之, 少部分地区开展过实验性的航电测量工作, 航重测量技术尚与国外先进水平存在较大差距。上述航空物探工作绝大多数集中在矿产资源勘探和区域地质调查领域。
在铁路工程勘察中，航空物探应用相对较早，在上世纪90年代初的西康铁路选线过程中即利用了航磁测量资料进行区域地质填图、断裂构造带的确定与划分及辅助选线等工作。铁二院在大瑞铁路的选线工作中也广泛使用了航磁资料进行区域地质情况分析及地质构造特征判断。
近年来，在川藏铁路勘察过程中，因地形陡峻和高寒缺氧等问题，无法进行地面物探，勘探单位采用了加拿大 Geotech 公司的航空瞬变电磁(VTEM) 法和航空天然场电磁(ZTEM)法系统，对雅安至林芝段的多个隧道进行航空电磁法勘探。勘探成果对断层定位、主要岩性界线推断取得了较好的勘探效果，在线路方案比选等方面发挥了不可替代的作用。
在我单位承担的雄忻线和广清永铁路的勘察工作也在部分段落开展了航空物探工作，采用的物探方法为航空磁法。雄忻线部分段落位于山西忻州五台地区，测区地形复杂、山势陡峻、沟壑纵横。地势总体西高东低。海拔1055m~1450m之间，一般高差为200m~500m，大部分地区被植被茂密，地面物探方法无法开展。为此，我们使用M600 Pro多旋翼无人机搭载铷光泵航磁测量系统进行测量。勘探成果表明，航磁资料反映了区内不同磁性地质体的分布，包括岩体及控岩构造等。航磁平面图图件主要推断断层的走向等，通过航磁ΔT化极等值线平面图推断测区内断裂分布情况，经过探测共发现了9条断裂。
在广清永铁路勘察过程中，因山势陡峭和地表农田密布，无法进行地面物探工作，我们采用航空磁法进行勘探，在线路两侧布置多条测线进行勘探，同时对勘探结果进行了三维反演，根据物探成果，共推解释12条断裂，与区域地质资料吻合程度较好。
4 对未来的一些展望
从工作效率和外业成本来说，航空物探手段在铁路工程物探领域有着先天的优势，现阶段限制航空物探方法在本领域大规模应用的首要制约因素是勘探精度和效果有时不如人意，但这并不妨碍航空物探方法在勘察的特定阶段为铁路工程物探工作所用。随着一些线路高海拔、地形大切割项目的陆续实施，航空物探方法将成为铁路工程物探领域的必然选择。
现阶段航磁技术已经较为成熟，国内现有技术完全可以应用于生产实践，在铁路选线阶段也有很多成功应用的案例。但受勘探精度和成果资料形式限制，上述方法暂时难以满足铁路详勘阶段的地质要求，在今后的工作中应以提升航磁勘探精度为着力点，梯度测量、张量测量和张量梯度测量可能会是理想的解决方案。
航空电磁法技术在铁路工程物探领域有比较好的发展前景，但目前国内相关技术与国际先进水平尚存在一定差距，给此方法的大规模应用带来了一定的困扰。另外，航空电磁法设备目前一般还需要挂在于载人航空器上，勘探成本和空域申请等因素也在一定程度上制约了本方法的应用。随着电子技术的进步，如能推出挂在于无人机平台的小型化航空电磁法物探设备便可极大推进本方法的应用。另外，地面发射空中接收的半航空方式也是一种折中的解决方案。
参考文献
[1]线纪安.航空物探的技术现状及其应用[J].地质找矿论丛,2003,18(z1):191-195. DOI:10.3969/j.issn.1001-1412.2003.z1.047.
[2]殷长春,张博,刘云鹤, 等.航空电磁勘查技术发展现状及展望[J].地球物理学报,2015,58(8):2637-2653. DOI:10.6038/cjg20150804.