第４５卷　第５期２０２３年９月
物探化探计算技术
ＣＯＭＰＵＴＩＮＧＴＥＣＨＮＩＱＵＥＳＦＯＲＧＥＯＰＨＹＳＩＣＡＬＡＮＤＧＥＯＣＨＥＭＩＣＡＬＥＸＰＬＯＲＡＴＩＯＮ
Ｖｏｌ．４５　Ｎｏ．５
Ｓｅｐ
ｔ．２０２３　
收稿日期：２０２２ ０６ ０１
基金项目：地质调查项目（ＤＤ２０２２１６３９）第一作者：崔志强（１９８１－），男，硕士，教授级正高级工程师，主要从事航空物探方法技术研究，Ｅ ｍａｉｌ：：４３９６６０５７６＠ｑｑ
．ｃｏｍ。文章编号：１００１ １７４９（２０２３）０５ ０６３５ １１高精度无人机航空磁测在塔里木盆地
西南部地质构造调查中的应用
崔志强１，２，胥值礼１，２，孟庆敏１，２，李　飞１，
２
（１．中国地质科学院　地球物理地球化学勘查研究所，廊坊　０６５０００；
２．国家现代地质勘查工程技术研究中心，廊坊　０６５０００
）摘　要：受地表沙漠覆盖和复杂山前构造等影响，塔里木盆地西南部的油气地质勘探难度大，基础地质调查薄弱，油气勘探历经数十年至今尚未获得实质性重大突破。通过开展高精度无人机航空磁测，采用全夜航模式，获取到蕴含丰富地质构造信息的航空磁测数据。利用非线性滤波、低通滤波、小波变换等方法，剔除干扰异常，实现了局部异常和背景场的分离，揭示了与油气成藏相关的局部圈闭构造及其展布规律；运用三维欧拉反褶积计算区域磁性基底深度，清晰地展示了盆地基底的隆坳格局及主要生油凹陷特征，为进一步开展油气勘探战略选区及深部资源评价提供了重要成果。
关键词：无人机；航空磁测；油气地质勘探；塔里木盆地
中图分类号：Ｐ６３１．２  文献标志码：Ａ  犇犗犐：１０．３９６９／ｊ
．ｉｓｓｎ．１００１ １７４９．２０２３．０５．１００　引言
塔里木盆地西南部（塔西南）多年受山前地表条件复杂、
高陡断裂发育等影响，对与油气成藏密切相关的深部生油凹陷特征认识尚不够精细，对含油气有利背斜构造圈闭的识别和展布规律研究不够全
面，一定程度上影响到该地区的油气勘探效果［１］
kara组合
。
高精度航空磁测能够克服自然环境，获得大区域、均一化的高精度高质量数据，不仅能直接捕捉到沉积盖层中背斜圈闭构造引起的弱磁局部异常，还能研究
盆地基底起伏，可为石油地质勘探提供重要参考［２］。
中国地质调查局２０１６年在塔西南地区部署了大比例尺高精度航磁油气地质调查工作。通过３年
实施，完成了近１０００００ｋｍ２
１：５００００的高精度航
磁油气构造调查任务。得益于该套无人机航空磁测
系统的高分辨率、超低空能力和精准测控能力，获取到了高质量调查成果数据。通过非线性滤波、导数转换、小波多尺度分解，提取到了主要指示盆地沉积盖层中局部圈闭构造相关的大量弱磁异常，同时运用欧拉反褶积方法，计算并绘制了盆地磁性基底深度图，为进一步开展油气勘探战略选区提供了重要成果。
１　油气地质概况
研究区属塔里木盆地西南坳陷的一部分。新生代以来，塔西南受南北西西昆仑和南天山两个造山带的共同挤压作用，构造变形强烈，形成的一个多期
多种类型叠加的再生前陆盆地［３
］。塔西南地区地层
图１　塔里盆地西南部地质构造略图
Ｆｉｇ．１　ＴｈｅｒｅｇｉｏｎａｌｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｍａｐｉｎｔｈｅｓｏｕｔｈｗｅｓｔｏｆＴａｒｉｍＢａｓｉｎ
发育较全，盆地基底由太古宇－古元古界片麻岩和中－新元古界副变质岩组成。基底上覆盖层从震旦系到第四系均发育，受不同时期的沉积古地理控制，不同时代的地层分布范围有差异，古生界地层在南北两区发育齐全，但中部缺失中上奥陶统、志留系、泥盆系，西北部缺失了上二叠统；中生界主要分布在山前狭长断陷区内；新生界均有分布，其中前陆凹陷区较厚（图１）。
长期的勘探显示，塔西南地区具有多套烃源岩、多个含油气系统、多期成藏的石油地质特点［４］。以石炭－二叠系为主力烃源岩，自下而上形成古生界、中生界、新生界３套储盖组合，成油地质条件优越。但目前已经探明含油气圈闭仅３０余个，仅有巴什托普、柯克亚两个油气田进入工业开采，这与塔西南良好的油气资源潜力不对称。物性显示，塔西南地区主要存在３个磁性层，分别是盆地基底太古界和下元古界深变质片麻岩系具有较强磁性，磁化率平均值达２０００×１０－５ＳＩ，构成了本区唯一的区域磁性层［５－７］。其次是下二叠统上部的玄武质火山岩夹层，厚度较薄（最厚不足１０００ｍ），具有较强磁性，磁化率均值在１７００×１０－５ＳＩ，较集中分布在叶城－皮山和岳普湖－力布亚等区域，与深大断裂关系密切。最上部的新近系阿图什组砂岩具有弱磁性，磁化率均值在５００×１０－５ＳＩ左右，其厚度大且近地表，局部受构造变形能够引起弱磁异常。３个磁性层位正好位于前述下、中、上储盖组合的底部和顶部，磁性层受构造控制影响局部变形能不同程度的引起磁异常，被高精度磁测捕捉。
６
３
６    物探化探计算技术４５卷
图２　彩虹－Ⅲ型无人机航空磁测系统Ｆｉｇ．２　ＡｎｏｖｅｒｖｉｅｗｏｆｔｈｅＵＡＶａｅｒｏｍａｇ
ｎｅｔｉｃ  ｓｕｒｖｅｙｓｙ
ｓｔｅ
ｍ图３　多台测控站接力控制模式Ｆｉｇ．３　Ｔｈｅｒｅｌａｙｃｏｎｔｒｏｌｍｏｄｅｏｆｍｕｌｔｉｐ
ｌｅ  ｇ
ｒｏｕｎｄｃｏｎｔｒｏｌｓｔａｔｉｏｎｓ２　无人机航空磁测
２．１　无人机航空磁测系统
本次采用的是中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所自主研发的高精度无人机航空磁测系
统［
８－９］
。该系统是将国际先进的航磁补偿器（ＡＡＲＣ５１０）和高精度铯光泵磁力仪（ＣＳ－ＶＬ）
集成在国产的彩虹－Ⅲ型无人机平台上，形成的国内首套具备长航时自主飞行能力的高精度中型无人机航空磁测系统（图２）。经过试验测试，该测量系统的各项技术指标满足国内航空磁测技术规范（ＤＺ／Ｔ０１４２－２０１０）要求，系统噪声由于１０ｐＴ，达到国际先进水平。
测量系统可通过多台地面测控站接力或海事卫星等方式实现远程控制，辅以三维航迹规划，能够实现全天时（可夜航）、大跨度（超２００ｋｍ）
、全自主
的图４　无人机动态磁干扰补偿控制模式Ｆｉｇ．４　ＴｈｅｃｏｎｔｒｏｌｍｏｄｅｏｆＵＡＶｄｙｎａｍｉｃｍａｇ
ｎｅｔｉｃ  ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｃｏｍｐ
ｅｎｓａｔｉｏｎ超低空沿地形缓起伏飞行，具备大规模调查测量能力。本次测量任务采用的是多台测控站接力控制模式（图３），实现了３００ｋｍ跨度连续测量，并主要采用夜航模式完成。
２．２　飞行测量
１）高精度磁补偿。实现高质量的飞机动态磁干扰补偿是实现高精度测量的前提条件。针对无人机平台在飞行中动作幅度大、
不规范等问题，设计了飞行姿态精确控制的磁补偿飞行方案。根据航空磁干扰补偿要求，
通过设置航路控制数据流，由一系列控制点组成，每个控制点赋予相应的飞行姿态控制参数，严格控制无人机的机动动作，实现了规范的航空磁测飞行动态磁干扰补偿（
图４）。多次补偿精度最优达到了０．０２ｎＴ（规范要求＜０．０８ｎＴ）
，有效地补偿了无人机在在飞行过程中姿态变化对磁测数据的
干扰，取得了良好的补偿效果，测量系统具备了动态高精度测量能力。
２）测线飞行。本次测量工作采用１：５００００比
例尺，测线间距５００ｍ，采样率１０Ｈｚ，平均飞行速度为１８０ｋｍ／ｈ。根据地质构造走向为北西西－南东东向，测线设计为南北向。通过三维航迹规划制定每个飞行架次的飞行计划，
对所有测线分段设置导航控制点［８］，每个导航控制点包括相应的飞行控
制参数，形成飞行控制数据链，预置入测量系统，起飞后无人机就能自主完成该架次的测量任务并返航（图５）。
本次采用全夜间航模式完成测量工作，历经３ｙ
ｅａｒ时间，通过７９０个夜间测量架次，完成了２０００００测线千米的磁测任务，夜间气流平稳，工业电磁干扰小，
获取到了高质量的测量数据。航线保持度高，平均飞行高度偏离设计高度在５ｍ内，航线偏离３．４
７３６５期
崔志强，等：高精度无人机航空磁测在塔里木盆地西南部地质构造调查中的应用
图５　测线飞行控制模式Ｆｉｇ．５　Ｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｍｏｄｅｏｆｌｉｎｅｆｌｉｇ
ｈ
ｔ图６　重复线航磁数据剖面对比图Ｆｉｇ．６　Ｒｅｐｅａｔｅｄｌｉｎｅｃｏｎｔｒａｓｔｄｉａｇ
ｒａｍｏｆ  ａｅｒｏｍａｇ
ｎｅｔｉｃｄａｔａｓｅｃｔｉｏｎｍ，平均动态噪声为５．３４ｐＴ～６９．５４ｐＴ（ｐＴ＝１０－３ｎＴ），一级资料（＜８０ｐＴ）占比达９９．９６％，获取了高质量的测量原始数据。
３
）重复线质量。重复线测量是验证测量准确性的一个重要指标。图６是测区内几条测线与重复线的结果，同一测线重复观测的航磁数据曲线的磁异常形态、异常强度一致性非常好，说明测量系统稳定、可靠。同时航迹重合度也非常高，说明无人机飞行测控精度高，对获得高质量重复线测量成果至关重要。
２．３　测量成果数据
测量数据经坐标转换、磁日变校正、方向差校正、滞后校正、正常场改正、切割线调平后，总精度达到０．５４ｎＴ（规范要求小于３ｎＴ），传统有人驾驶的直升机和固定翼平台航空磁测数据总精度一般在
２
图７　高精度航磁数据图Ｆｉｇ．７　Ｈｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎａｅｒｏｍａｇ
ｎｅｔｉｃ 
ｆｅａｔｕｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏ
ｎ图８　实测航磁数据剖面非线性滤波效果图Ｆｉｇ．８　Ｔｈｅｎｏｎｌｉｎｅａｒｆｉｌｔｅｒｉｎｇｅ
ｆｆｅｃｔｏｆｍｅａｓｕｒｅｄ  ａｅｒｏｍａｇ
ｎｅｔｉｃｄａｔａｐｒｏｆｉｌｅｎＴ左右。调平结果经化磁极后得到了调查区的高
精度航空磁场成果基础成果图（
图７），成果图件显示区域磁场平滑、稳定，无线性条带现象，对局部弱磁异常显示清晰，异常形态规则，延伸稳定。
磁场成果图（图７）显示，研究区主要由平缓升高或降低的区域磁异常叠加多组弱（小）磁局部异常构成，它们相互叠加、穿插组成多变的异常面貌。区磁异常主要九条北东轴向的平稳升高或降低的正／负磁异常构成，包括英吉沙、叶城、藏桂巴扎、和田平稳降低负异常，喀什、黑孜、皮山北、墨玉北、策勒平稳升高正异常，
它们自西向东，呈正－负相间排列。北部岳普湖－巴楚南和力布亚分别叠加一条东西、北西向的宽缓正磁异常。结合物性资料不难看
出［１０
］，这些区域磁异常主要由盆地基底的元古－太
古界变质岩系岩相差异引起，正磁异常由下元古界－太古界的强磁性深变质中基性岩浆杂岩系引起，负磁异常区与中－上元古界的弱磁性变质结晶基
８
３６    物探化探计算技术４５卷
图９　局部异常水平梯度增强显示效果
Ｆｉｇ．９　Ｌｏｃａｌａｂｎｏｒｍａｌｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｇｒａｄｉｅｎｔｅｎｈａｎｃｅｄｄｉｓｐｌａｙｅｆｆｅｃｔ
岩系对应。在区域背景磁异常之上还叠加有大量近东西、南东东向的弱磁局部异常，这些低幅值局部异常主要由弱磁性沉积盖层受构造挤压作用局部形变引起，叠加在强度较大的区域场上已难以分辨，其形态和展布规律十分模糊。
３　局部构造异常识别与提取
本次高精度航磁油气地质构造调查的主要目标是研究区域磁性基底隆坳格局和局部圈闭构造的识别与展布规律研究，为了有效区分不同场源异常信息，就需要进行异常分离和显示增强，分别得到由磁性基底引起的区域场和局部圈闭构造引起的局部异常场。
３．１　地表干扰的剔除
航空磁测获得的Δ犜总场包括多种地质体和人文环境干扰多种异常的叠加，由此首先需要剔除数据中来自地表建筑物和电磁信号等干扰。与地质体引起的较平缓异常相比，这类干扰距离探测器更近，具干扰大、体积小特征。因此在航磁Δ犜数据上表现为高频或短波场的尖刺状局部异常，曲线剧烈抖动，梯度极大。通过非线性滤波能够有效的剔除这部分干扰异常，非线性滤波的宽度（滤波窗口大小）需要根据干扰异常动态确定，由于该地区为沙漠覆盖区，干扰物主要为地面建筑物（如城镇）或输电线、道路等，而城镇规模大多仅在１ｋｍ左右，调查目标地质体（背斜构造等）宽度多在５ｋｍ以上。结合测量飞行速度（１８０ｋｍ／ｈ）和采样率（１０Ｈｚ），两测点之间的实际距离在５ｍ左右，因此选取非线性滤波宽度２００点，取得了很好剔除效果（图８）。
３．２　局部构造异常识别
叠加在区域背景场上的局部异常主要由弱磁性沉积盖层受构造作用局部形变引起，其相对幅值小，叠加在较强的Δ犜总场上很难识别。为了突出这些局部构造异常的宏观展布特征，采用垂直于构造走向的水
平导数来进行局部异常的显示增强，水平导数能够有效降低平稳变化背景场的视觉影响，并保留局部异常特征信息，对识别叠加在区域场上的弱磁异常行之有效［１１－１２］。首先进行垂直于主构造方向的水平一阶方向导数（０°方向），局部异常在水平一阶导数上表现为正／负相伴组合梯度出现，圈闭构造的宽度为零线两侧正／负异常的峰值之间的距离。但是由于叠加异常的形态差异及其所处背景场形态不同，对异常异常的识别还不是很清晰。为了进一步增加局部异常的识别度，在水平一阶导数的基础上，再进行反方向（１８０°方向）的水平方向导数，得到水平二阶方向导数，能够进一步削弱不同背景场及背景场梯度变化的影响。原叠加在背景场上的微弱异常呈现为一个完整正值梯度异常（图９），异常范围为水平二阶导数的零线区域，增加了局部构造异常的识别度。图１０为叶城县北东的克拉克依新生界弱磁性层受构造形成的弱磁异常，新近系砂岩受底部滑脱作用，滑脱断层上覆砂岩层形成断层传播背斜，弱磁性砂岩局部形变引起了该异常，异常相对强度约３ｎＴ。该弱小局部异常在化极图、局部异常图显示都不甚明显或不够完整，但在二阶水平导数图上为一个完整的构造背斜，背斜两翼异常对称，形态规则，局部异常显示得到了明显增强，易于识别。３．３　局部构造异常提取（背景场分离）
为了进一步研究局部构造异常和盆地基底特征，在有效识别局部异常的基础上，还需要进一步从航磁Δ犜总场中分离局部构造异常和磁背景场，分
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