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李小康1，杨磊2，刘磊2
中国地质大学（北京）地球科学与资源学院
导读:
未爆弹药（UXO）是威胁人类生存环境的突出问题之一，对于众多地区的重建和土地再利用带来了巨大的危险和不便。地球物理方法作为对存在地下掩埋UXO的场地，进行探测与定位最为有效的手段之一，被广泛应用。本文主要介绍目前UXO问题的现状，主要应用于UXO探测的地球物理方法，以及其最新的发展。关键词 未爆弹药（UXO）；UXO的危害；地球物理方法探测UXO0 引言
未爆弹药，即Unexploded Ordnance（UXO），主要包括战争及其他军事活动期间，布设和投放的地雷、炸弹等遗留武器。军事活动结束之后，随着时间的推移，先前的场地逐渐为人所忘却，随着地形地貌的变迁，多数UXO被埋于地下，淡出了人们的视线，尤其在那些人烟稀少的地区。然而，随着社会经济的发展和进步，人口的增长，这些曾经人迹罕至的场地，也由于人类对矿产资源和生活居住空间的需求，再次被纳入建设开发用地的范围。然而在开发过程中，人们不可避免的要面对这些战争所遗留下的沉睡恶魔。这些弹药在军事活动中没有发挥效能，并不意味着它们已经丧失了杀伤力。当遇到外力撞击时，UXO存在再次爆炸的可能性。某些具有生化杀伤力的UXO，如发生泄露，则会对人类造成更大的危害。因此，如何对UXO进行探测、定位和处理，也成为当今世界各国科研工作者较为关注的问题之一。由于地球物理方法本身的技术特点，决定了它在UXO探测定位工作中可以起到重要作用，目前国际上很多地球物理科研机构和公司，已经开始提供公益或商业的UXO探测服务。应当注意的一点是，本文所提到的UXO是一个比较广义的概念，其中包含了地雷。UXO目前作为一种威胁人类生命安全和生活环境的污染形式，遍布世界83个国家和地区。国际上很多国家都专门针对该问题设立了专门项目对其进行研究和解决，而中国目前对UXO探测与治理工作还处于起步阶段。不仅民间对UXO问题的认识与重视程度有限，很多直接面临这一问题的专门机构也存在相对认识不足的情况。很多参与非洲和科索沃地区维和的相关人员，都是在出国前的临时培训中，才接触到UXO的相关知识。因此，加深对UXO这种特殊污染形式的认识，对民众加强相关知识的普及也成为当务之急，对于从事地球物理研究的专业学者更是如此。近代遭受侵略在广袤的土地上留下大量UXO
众所周知，利用地球物理方法对目标体进行探测的前提，是对于目标体尺寸、物性等参数有一定程度的掌握，才能够选取相应的方法和模型进行工作。因此，对于UXO特性的了解，是开展探测行动的基础。UXO作为一个定义较为宽泛的概念，理论上说，一切在军事活动中未能按照设定要求发挥功能的杀伤性武器，都可以归入UXO的范围。目前，世界上分布最为广泛的UXO，大体上可以分为四类（图1），它们各自的分布形式和危害各不相同。
第一类，集束弹药（图1a）。它包括了由空中散布和由传统炮射散布两种，特点在于子弹药分布范围较广，流动性强，某些品种还带有欺骗性的伪装手段，虽然单个弹体杀伤力有限，但对于人员杀伤效能却很高。由于上述特点，该类UXO对平民的危害最大，也是目前造成伤亡记录最高的UXO类型。很多儿童因为误拾这些子弹药，甚至将其当作玩具而成为受害者，致死致残的比率相当高。有数据显示，目前所排除的UXO，中该类占48%。
第二类，陆战武器弹药（图1b）。该类型包涵品种众多，多数为战时陆军遗弃或失效的制式武器弹药，例如火箭弹、一般炮弹、迫击炮弹等。由于该种类UXO外形较为统一，较容易识别，平民对其警惕性也较高，所造成的危害相对较小，但由于其数量较为庞大，所占据的UXO场地比率也较高。由于探测处理难度较小，目前已经排除的UXO中，该类占51%。
第三类，普通航空炸弹（图1c）。该类型多数为飞机空投后，由于引信失效等因素被遗留。其特点是体积较大，而且一旦爆炸威力巨大。该类型的弹药往往在战争过程中，或战争结束短时间内，即由军方搜集并处理，目前尚存的数目较少，而且探测难度较低，实际造成的伤亡也较少。
第四类，地雷（图1d）。该类型主要在战时用于反步兵和车辆载具，多数为了达成阻吓敌军目的布设。军方一般拥有雷区位置、分布和范围的详细记录。但是，在一些长期动荡地区，很多仓促布设的雷区往往没有详细的记录，而且很多地方还存在交战双方反复交叉布设的雷区，给探测和清除工作造成了很多困难。UXO污染的存在，不仅威胁着人类生命安全，限制了人类正常的活动空间，还降低了土地资源的利用率，加大了土地开发成本，干扰地方正常的社会生产和生活。因此，派生出的贫困和饥荒等社会问题，更是严重制约着局部地区的社会进步和发展。
以老挝为例，对UXO的危害进行详细的阐述。由于越战的因素，老挝成为世界上单位面积被轰炸最为严重的国家，1964~1973年，美国军方为了阻断越南军队在老挝境内的活动，执行了超过50万架次的空中轰炸任务，投放爆炸性弹药总量超过200万t，其中包含产生超过2亿6千6百万件子弹药的大量集束弹药。此外，自法国殖民时代开始，历经独立战争、老挝内战、越南战争，一系列激烈的陆地作战，也产生了数目庞大的UXO。据估计，在上述弹药中，大约有30%成为未爆弹。如此数目众多的UXO被遗弃，多数由于当地的环境等因素被埋藏地下，时刻威胁着平民的生命财产安全，对当地社会经济发展造成了严重的影响。自1973年起，老挝境内发生了超过12000起与UXO相关的事故，在受害者当中超过50%为儿童，其中男性占80%以上。据统计，在老挝发生的UXO相关事故，现场分布为：村落中心占32%，山间田地占18%，平原田地占13%，林区附近占12%，道路占7%。导致UXO相关事故的行为，主要包括：处理UXO占24%，耕种作业占22%，丛林中进行的采集活动占14%，生火、做饭及其他家庭活动占12%，将UXO当作玩具玩耍占11%。UXO问题对于老挝社会经济等各个层面的影响，也远非简单的统计数字可以说明的。目前，老挝超过25%的乡村正受到UXO问题的困扰，而老挝政府要花费更多的时间和精力去解决UXO导致的发展障碍，以及因此导致的贫穷和饥荒。国际禁止地雷运动（ICBL）已经确认，1999~2005年，在全世界75个国家共计有超过42500人成为地雷的受害者，遭受UXO污染危害的国家超过100个。仅2003年，ICBL就记录了共计8065个地雷造成的受害者，分布国家达到65个，其中，撒哈拉以南非洲国家21个，亚太地区国家14个，欧洲和中亚地区国家16个，中东和北美国家9个，而UXO造成伤亡的国家更是扩大到79个。ICBL官方的声明也指出，由UXO造成的真实伤亡数字，要远大于这些统计数字，大概的数量级在每年15000到20000人。造成统计数字偏差的原因有很多，其中有很多受害者在被人发现或是接受医疗救助之前，就已经死亡，而这些死亡数字往往无法记录在案。即使战争结束，基本的安全还是难以保障
显然在曾经战乱的地区，UXO污染更为严重，如东南亚的老挝、缅甸、越南，欧洲的塞尔维亚、科索沃、俄罗斯的车臣地区，非洲的刚果、苏丹、索马里、利比里亚等国家，中东的以色列、巴勒斯坦、黎巴嫩。实际上，北美和大洋洲这样的长期安定远离战乱的地区，也不能摆脱UXO污染的困扰，如美国、澳大利亚。上述两国的UXO场地，多数是由武器试验与实弹演习造成的，以美国为例，截至2007年官方统计的UXO场地为1500余处，总面积1500万英亩，一般集中于内华达、新墨西哥、佛罗里达等州的军事训练中心、靶场和武器试验场。
目前存在的UXO问题，已经造成了日益严重的人道主义危机。然而，令人感到遗憾的是，新的战争和冲突正在形成更多的UXO污染。例如，目前还在进行战争的阿富汗，以及局势动荡的伊拉克，都是新增UXO污染的重灾区。地球物理方法作为主流的无损非开挖地下探测技术，基本上每一个分支方法，都可以用于UXO的探测。由于目前多数UXO场地附近存在管线、电缆等人文干扰因素，使得单一的技术方法无法满足要求。必须根据探测对象的本身的特点，结合UXO场地环境，有针对性的采取综合地球物理技术。目前，进行UXO探测的商业公司和非政府机构多数采用地球物理方法，在近年来进行的一系列UXO探测过程中，对这些地球物理方法的有效性进行了验证。下面对应用于UXO探测的主要地球物理方法，进行简单的介绍。在地球物理探测方法中，磁法是应用历史最久的方法，具有速度快、成本低的特点，目前最常用于UXO探测的是总磁场测量的方法（TFM）。近年来，光泵磁力仪、质子旋进磁力仪等高精度、高采样率的磁测仪器被广泛使用，为精细的大面积UXO探测提供了有力的支持。在干扰较少的环境中，由UXO产生的总磁场强度异常比较规则，呈现出以感磁为主的磁化特征，因此该方法资料的处理和解释较为简单便捷。UXO所产生的异常，可由铁磁性物质的含量、弹壳的厚度、长度与其半径之比，其导磁率和当地地磁场方向决定。在北半球其分布特征为北负南正，并随深度增大异常逐渐接近等轴状。在总场异常的平面等值线图上，比较容易标定和识别，可简单的通过正负异常极值连线，大致确定出UXO的中心位置，也可以通过化极后的异常极大值，来进行更准确的定位。其基本工作流程为，使用磁测仪器探测异常体，对其定位并在地表对其埋藏位置使用小旗进行标识，随后由专业的队伍对标识位置进行挖掘、处理，即所谓“磁测-标定”流程（Mag-and-Flag）。在使用TFM方法进行探测时，日变校正的精度，直接影响着工作结果的可靠性。传统的工作方式，是使用相同的仪器建立日变观测站，对日变数据进行记录，这也就要求至少需要2台磁力仪才能展开探测工作。近年来，总场梯度测量（TF-GM）也开始被应用与UXO探测工作，该方法不仅能消除部分日变影响，而且可以对于埋深不同的UXO产生的异常进行区分。电磁法探测UXO的基本原理为，通过测量由发射的一次磁场扰动，在目标体及周围地质体中激发的涡旋电流消散所产生的二次磁场衰减特征，对地下导电异常体实现探测（图2）。电磁法可分为时间域电磁法和频率域电磁法。这两种方法均可用于UXO探测，其中由于频率域方法抗干扰能力强，资料处理技术更成熟，因此应用更为普遍。尽管电磁类方法与磁法相比，其技术和装备都更为复杂，但是目前国际上从事UXO探测工作的地球物理工作者，都倾向于使用电磁方法。因为电磁类方法可以实现对非磁性金属物体，对于复杂UXO场地的探测效果也要优于磁法。目前，国际上用于UXO探测的电磁法仪器种类很多，而生产厂商多来自美国和加拿大，例如美国的Geometrics、EMI、Zonge工业的GDP系列和加拿大AST（Aeroquest Sensor Tech，即原GEOPHEX）公司的GEM系列等。这些仪器往往是用于地球物理勘探的通用仪器，针对UXO探测的需要而生产的改进型，具有集成化程度高、携带方便的特点。而且为了胜任大面积、长距离的工作，往往可以配合载具进行车载测量，以减轻操作人员劳动强度。
可对上述两种主流方法的优劣进行简单比较：磁法总场测量采集方便，探测深度较大，但对于地质干扰容易出现误报，在确定UXO埋设方向、大小和外形时，存在多解性；电磁方法对于地质干扰有很强的免疫性，可以确定目标的形态、大小和埋设方向，但是探测的深度有限，对于探头布设方向和位置的灵敏程度较高，确定具体埋深和位置有难度。除上述两种方法，弹性波法（地质雷达）和微重力法，以及放射性探测方法，也在UXO探测中发挥着作用。
放射性方法由于其本身的特点，主要用于寻找贫铀弹等带有放射性的UXO。另外，配合伽马能谱测量和相应的解谱技术，放射性方法可以根据已知UXO组成元素等参数，直接实现对其探测、定位以及分类。就单一方法的精度和准确率来讲，该类方法可以说无出其右，仪器的研发也进展迅速，其中美国的PINS、PELAN，德国NI-GAS、NIPPS、GIOS和法国的NICEB、PNCAS系统，将来都有可能投入到现场的UXO探测工作中去。但从目前仪器投入商用的进度来看，该方法真正发挥其潜力尚需时日。因为上述仪器中，仅PINS系统有部分商业化应用，其余大部分的仪器系统，尚处于原型机或实验室测试状态。
由于本身就是为达成高精度勘探目的所设计，地质雷达（GPR）和微重力法的探测精度和效果也非常好，可以精确的对UXO的地下分布进行确定。但是，这两种方法的工作效率较低，而且对于应用场地的环境要求相对较高。因此，对于目前UXO探测所要面对的广大面积来说，无论效率还是成本都很不合算，所以应用较少。
综上，对于尺度小、探测精度要求高的UXO场地来说，可以在高精度磁测法和电磁法探测基础上，借助上述3种方法进行进一步的精细定位。
不同方法各有优劣，因地制宜，灵活措施
随着地球物理方法在UXO探测中得到广泛应用，在现场的工作中，也遇到很多新的问题。可以归纳为以下几个方面：
第一，UXO场地本身体现出了多样性和复杂性，给探测技术提出了更高的要求。在全世界范围内，UXO的场地环境种类越来越多：有沙漠、丛林、沼泽、水中、矿区、村落，有些甚至位于人口密集的闹市区地下。另外，UXO场地本身的构成则体现出了复杂性的特点：UXO在场地内的分布并非相互独立，很多情况下是相互接触或是相互混杂堆叠在一起的；在发生过激烈交战的地区，UXO场地中，一般还存在大量尺寸不一的金属弹片；先进的非金属弹药开始在UXO场地中出现。UXO场地的多样性，要求在地球物理方法探测过程中，对地表条件和环境干扰因素进行充分的考虑，选取适当的地球物理模型才能满足探测的需要。而UXO场地构成的复杂性，实际上将单纯探测的要求，上升到了区分和精确定位的高度。
第二，有些传统的方法，在效率和精度上已经逐渐无法满足UXO探测的需要。以前文提到的“磁测-标定”方法为例，由于其简单易行的特点，该方法目前还是现场投入使用最多，但是其误报率极高的问题，令UXO场地清理的整体工作变得效率低下、成本高昂。有统计数据显示，该方法的准确率仅为10%左右。也就是说，有90%的后续挖掘处理的对象，实际是非UXO的无效目标，而挖掘处理工作所需成本，在总体工作中却占75%以上。如何降低误报率，也成为目前学界研究的一个主要方向。
第三，针对UXO探测而进行专门优化的仪器和数据采集、处理、解释流程，还需要进一步发展。
目前，面对上述的问题，国际地球物理学界也提出了很多解决方法，主要可以归纳为对采集方案、数据处理和解释的优化。
采集方案方面：推荐使用高精度航空、水中测量，即直升机、动力气球、小磁性船艇等载具配合高精度仪器，在差分GPS的辅助下进行工作，克服了地表条件限制的同时，也提高了工作效率；多种方法进行合理搭配，例如在大尺度的阶段采用航空测量进行初步定位，然后使用GPR等方法对UXO具体的分布进行精确定位；革新采集系统，增加有效数据量，提高工作效率和探测精度；加强对传统采集流程中现场数据质量的控制，也可以一定程度上降低误报率。其中，新采集系统的研发，尤其新的电磁法采集系统，是目前国外学者最为关注的，也被认为是可以从根本上改善探测精度并减少误报主要方向。如Huang等提出的1发7收的宽频电磁排列采集系统，就体现出了目前UXO探测对动态多分量系统的要求：尽量增加有效数据量；满足对目标体不同方向二次场的观测。
数据处理和解释方面：针对新的数据采集方法，与之相配套的快速处理解释算法不断出现，以最终实现动态采集实时决策。如Benavides等提出的非线性连续反演方案；开源化的处理解释软件也陆续出现，使得物探方法可以更加灵活的应对UXO探测工作出现的各种问题；大量统计方法和自主学习算法应用于数据处理中，使得对异常体数据的管理、区分具有更高的效率和精度。科技发展也是一条艰难的长征路
地球物理方法作为探测UXO的主要手段，所面临的问题日益增多，但是从事地球物理工作的科研人员，都在努力研发新的技术方法以应对这些难题。通过解决这些技术难题，不仅使地球物理方法更有效的进行UXO探测，实际上还推动了近地表浅层地球物理探测技术的进步，从而使物探技术的应用前景更加广阔。另外，国外学者在具体方法研究的过程中，时刻体现的整体性思维和成本控制的思想，是非常值得借鉴的。
显然，UXO探测和处理，是全人类需要共同面对的一项旷日持久的大型工程。尽管目前中国的参与，仅限于军方派出的维和工兵，但相信在不久的将来，国内的地球物理学者和从业者，也会在这一领域贡献自己的力量。
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