航空磁测的历史与技术发展的三个阶段

6.1 航空磁测的历史与技术发展的三个阶段

苏联最先开展航空磁测，洛加切夫教授（ЛогачевАА）在1936年用感应式航空磁力仪进行最初的航空磁测工作。这种磁力仪由洛加切夫教授设计，型号为АМ9Л，利用旋转线圈测量垂直磁力异常ΔZ，灵敏度约100nT，用来普查圈定基性、超基性岩体等强磁性地质体。我国于20世纪50年代初曾经用这种航空磁力仪在内蒙古进行航空磁测，目的是圈定铬铁矿的母岩超基性岩。这种磁力仪不久即被磁通门磁力仪取代。洛加切夫教授1958年曾经到北京地质学院讲学，听讲者甚多［2～4］。作者曾使用过АМ9Л磁力仪，不过不是用来找矿，而是用来探测湖底是否有沉没的大炮，我们将仪器安装在一只小木船上，进行水面磁测。虽然仪器的灵敏度不高，但是湖水不深，我们估计会有结果。

大规模比较精确的航空磁测（Airborne Magnetometry）工作是从20世纪40年代末开始的。在第二次世界大战中由于探测潜水艇的需要，研发了磁通门磁力仪。战后，即用于普查石油和天然气以及其他矿产，在地质调查、矿产普查和地球科学研究工作中发挥着重要作用，是航空地球物理的一种主要的方法。另一方面，它仍然是探测潜水艇的重要方法之一，在现代反潜飞机和反潜直升机上，磁异常探测仪器MAD［Magnetic Anomaly Detector（Device），MAD］是必备的装置。直到如今，研究和开发先进的MAD，使探测距离更远，探测结果更准确可靠，是各国军方的一个重要任务，也是推动航空磁测技术向前发展的一股动力。

航空磁测不仅在地质普查和矿产勘查方面发挥了重要作用，而且对地球科学的发展作出了贡献。俄裔美籍地球物理学教授Vacquier 1940年发明了磁通门磁力仪（据说德国人也发明了这种磁力仪），他用这种仪器探测德国潜水艇。战后，各国即广泛应用磁通门磁力仪进行航空磁测，探测石油和矿产。1957年起Vacquier用磁通门磁力仪（以及其后的质子磁力仪）在三大洋测量地磁场。海上和航空磁测发现了海洋中正负交替的条带状磁异常及其分布形态，地球物理学家和地质学家将陆地和海底岩石正反向剩余磁化强度测定的结果与放射性年代以及地层学数据进行对比，建立了地磁场倒转年表。海底岩石具有正反向剩余磁化强度的现象，可根据海底扩张学说解释。而海底扩张则推动了板块构造理论的建立。美国NASA有一位科学家著文说：“20世纪地球科学有12个关键发现。”地磁场倒转年表和海底扩张是12个关键发现中的两个。地磁场倒转年表对地磁学来说意义重大。对磁力勘探来说，剩余磁化强度对于磁异常的解释至关重要。再则，如果我们知道地层或岩体的地质年代，我们可以推测地层或岩体剩余磁化强度的方向（需要考虑构造变动、极移）；相反，如果我们知道地层或岩体的剩余磁化强度方向，将有助于我们推测地层或岩体的地质年代。从20世纪40年代末起直到现在，各国利用磁通门磁力仪和其他类型的磁力仪进行大规模的航空磁测，几乎覆盖了各个大洲，在地质填图、大地构造研究和石油、矿产普查方面，起了不可或缺的作用。现在已经出版的第一版的世界磁异常图WDMAM，就是根据航空与海上磁测数据编制的，这张图是研究地质构造的重要基础图件。Vacquier等撰写了《航磁图的解释》，这是一本从事航空磁测同仁们都熟悉的经典著作（有中译本，航测大队印刷）^［5～8］。

磁通密度是一个矢量。最初，航空磁测测量总磁场强度TMI（Total Magnetic Intensity，TMI）或其差值，即测量地磁场矢量的模量（标量）或其差值。在进行TMI测量时，使用磁通门磁力仪、质子磁力仪、光泵磁力仪（⁴ He、铷、铯、钾）测量地磁场的模量；磁通门磁力仪测量磁场在一定方向上的分量，在做TMI测量时，利用自动控制的方法使其灵敏元件的灵敏轴随时保持在地磁场方向上。后来，为了提高分辨力，为了推断解释工作的需要，为了消除区域磁场和随时间变化磁场的影响，为了对TMI作高度校正，为了提高磁异常图的质量等目的，研究开发并推广应用了梯度磁测，利用光泵磁力仪测量地磁场模量的水平和垂直梯度。不过在测量TMI的梯度时，探头之间的距离很大，为2～15m（磁张量梯度仪中，灵敏元件之间的距离以厘米计），因此测得的是差分而不是梯度，所得结果可以改善TMI图的质量，没有什么新的信息，而磁梯度张量要素才是地磁场三个分量在三方向上的变化率，带有新的信息。

在世纪之交的几年里，有的国家进行了航空磁场分量测量的试验工作。更值得注意的是，德国、美国和澳大利亚正在积极进行利用超导磁力仪进行航空全张量磁力梯度测量（full tensor magnetic gradiometry）的试验工作，测量地磁场矢量三个分量在三个方向上的空间变化率。有的地球物理学家认为，磁法勘探下一次突破很可能是全张量磁力梯度的测量和解释应用。

普遍认为，航空磁测从20世纪40年代末开始，到现在已有60多年的历史。从航空磁测技术角度看，可以将这60年的历史划分为三个阶段：从20世纪40～70年代中约30年为第一阶段，先后采用磁通门磁力仪、质子磁力仪和光泵磁力仪测量TMI；70～90年代20年，为第二阶段，除了测量TMI之外，还利用光泵磁力仪测量地磁场模量的水平和垂直梯度，现在几乎所有担任航空磁测的公司和单位都可进行水平梯度测量，有的可进行水平梯度和垂直梯度的测量，梯度的测量很受重视。从20世纪90年代中到现在约十年，为第三阶段，这一阶段刚刚开始，出现了航空磁场分量测量（航空矢量磁测）和航空全张量磁力梯度测量技术^［9］。

我国处于哪个阶段？如果仅从磁测技术本身来看，作者以为目前我国的航空磁测技术处在第一阶段，开始进入第二阶段。

加拿大De Beers勘探公司的Bruce McMonnies和Justin L Ward最近写了一篇短文，以普查金伯利岩为例，简明而形象地说明航空磁测技术的发展。Bruce McMonnies和Justin L Ward说，航空磁测“过去——单探头（传感器，sensor）磁测，多数单位或公司已经开发了多探头平台，很少数单探头航空平台还在工作；现在——多探头或梯度测量；将来——全张量测量/先进的（数据）处理方法”^［10］。