在Surfer中利用趨勢面分析進行海底磁性物質的探測方法

龍強　蘇斌

摘要 在當前的海洋調查中，磁勘測法廣泛應用于查找海底的磁性物質。趨勢面分析法可以把磁力數據分解為整體趨勢和局部異常兩部分，從而提取出磁異常，通過磁異常分布來查找磁性物質。文章運用實例說明怎樣利用Surfer軟件分析磁異常，從而實現海底磁性物質的探測。

關鍵詞 趨勢面分析 磁異常 磁探測 surfer

中圖分類號：P632 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2017.05.030

0引言

海底巖石中蘊藏的礦床具有不同的導磁率和磁化率，產生不同的磁場，因此在正常的磁背景下會出現磁異常。海洋磁力測量是通過海洋磁力儀探測海底磁場，發(fā)現由礦床等因素引起的磁力異常。近年來，隨著磁力儀的發(fā)展，其精度、靈敏度不斷提高，磁法勘測在海洋工程中得到了新的應用，如光纜的路由調查、尋找海底磁性物質等。任來平等已經探討了海底管線的計算模型。但由于磁力數據的復雜，目前的研究大多是在理想情況下進行，還沒有具體的方法來利用磁異常探測磁性物質。本文中則根據現有的理論在具體探測磁性物質的方法上進行一些嘗試。

Surfer軟件具有強大的插值功能、地學數據分析功能和繪制圖件的能力，可以運用Surfer方便地對磁力數據進行分析。本文運用實例說明怎樣在Surfer軟件中利用趨勢面分析磁異常，從而進行海底磁性物質的探測。

1Surfer介紹

Surfer軟件在Windows操作系統下使用，能繪制等值線及三維立體圖，具有操作簡單、形象直觀等特點，在地質工作中取得了廣泛的應用。

1.1Surfer的插值功能

Surfer軟件具有插值功能，能將離散的XYZ數據格網化，生成規(guī)則的格網數據。因其強大的數據處理功能，使它成為處理XYZ數據首選的軟件。Surfer中12種數據內插方法包括：反距離加權插值法，最小曲率法，克里金插值法，自然鄰點插值法，徑向基函數插值法，改進的謝別德法，線性插值三角網法，移動平均插值法，數據度量插值法和局部多項式插值法。

1.2繪制圖件的功能

Surfer軟件能將離散的測量數據進行插值，形成連續(xù)的數據曲面，從而將數據曲面圖形化，形成等值線圖、矢量地圖、影像圖、粘貼圖、地貌暈渲圖、線框圖和表面圖等。

1.3計算分析功能

Surfer軟件除了具有數學運算、數據統計、微積分、平滑濾波、傅里葉變化等數據分析功能外，還具有三維空間分析功能，例如趨勢面分析、面積體積計算、剖面計算、地形分析等。

2趨勢面分析磁異常的模型

在趨勢面分析法中，可以將地球磁場分為三部分：一是反應整體性變化的，即地球的正常磁場；二是反應區(qū)域性變化的，即地磁場的區(qū)域性異常；三是局部異常，由淺層的磁性物質產生。在實際應用中短時間內我們可以認為一和二兩部分的變化是比較小的，磁異常主要是有于淺層的磁性物質產生的。因此要探測海底磁性物質就必須將磁力數據分為區(qū)域分量和局部分量兩部分。

趨勢面分析是通過一組海底的磁力數據XYC擬合一個趨勢函數，其中X，Y分別表示測區(qū)海底點的橫坐標和縱坐標，C表示該點處的磁場。用該趨勢函數所代表的曲面來代表海底磁場的整體變化趨勢。在趨勢面求出后，通過求實測的數據和趨勢面擬合出的該區(qū)域的磁力數據的偏差。偏差可能由局部異常、隨機干擾和模型本身的誤差這三個方面的原因引起，可以用該偏差來代表該區(qū)域的磁異常。我們認為磁異常主要是由于淺層海域的磁性物質所引起的，所以通過分析磁異常可以發(fā)現海底的磁性物質。

多項式能逼近任何連續(xù)函數，用多項式作趨勢面能較好的反映連續(xù)變化的分布趨勢，因此常用的趨勢面為多項式趨勢面。地質學中趨勢分析所采用的趨勢面函數常見形式是：

多項式的次數越高，趨勢面與實測數據偏差越小。但實踐表明，變化較為緩和的資料配合較低次數的趨勢面，可以較好地反映區(qū)域背景；而變化復雜、起伏較多的區(qū)域，多項式的階次適當高一些更加合適。

3在Surfer中利用趨勢面分析來探測磁異常的實現過程

3.1提取趨勢面

利用Surfer的插值功能來進行趨勢面的提取。在導入離散數據后，需要選取網格化的方法。軟件中有12種插值方法可供選擇，根據磁力數據的特點和多次試驗，發(fā)現選取多項式插值來擬合磁場趨勢的效果較好。然后進行多項式的次數的選取，表1是用各種多項式對一組實例數據進行擬合的殘差統計：

由以上的統計數據可以看出用二次多項式進行趨勢面擬合的效果較好。

3.2計算殘差

趨勢面計算完成后，我們只是獲得了磁場區(qū)域性的背景值，要獲得局部異常還必須通過計算實測數據和擬合出的網格數據的殘差來獲得。在Surfer中選擇[網格]-[殘差]來計算殘差，從而獲得磁異常。

殘差計算完成后也需要用數學插值方法對磁力異常進行逼近，目前常用的逼近方法有移動曲面法、多面函數法、多項式擬合法、Kriging逼近法、移動曲面法和Shepard方法。每一種逼近方法都有自己的優(yōu)缺點，多面函數法的計算速度較慢。Shepard法的計算相對簡單，但當磁場變化較大時，其精度大大降低。Kriging法應用比較廣泛。在海洋磁力測量過程中，如果儀器穩(wěn)定，操作規(guī)范，測量數據沒有過多的粗差，Shepeard方法比較合適。當已知數據點分布不均勻時，建議選用Kriging方法。

3.3畫出磁異常等值線圖和表面圖

通過上一步獲得的殘差在軟件中畫出磁異常的等值線圖和表面圖，以方便我們從多方面去分析磁異常的區(qū)域。在畫圖之前，同樣需要對殘差數據進行網格化，因為我們需要了解殘差的細節(jié)，以便來分析磁異常的特征。在這里選取Kriging法進行網格化，該方法能夠較多地保留磁異常的特點。根據殘差數據在Suffer中可以方便地畫出磁異常的等值線圖和三維立體圖。

4方法應用

下面以某處實測的海洋數據來進一步說明是怎樣通過趨勢面分析法來探測磁異常進而分析海底磁性物質的位置。

4.1實測數據的統計資料

表2中的統計均在Surfer中進行，數據以實測的資料為準。

從統計資料可以看出測區(qū)海底地形的起伏變化并不大，但磁場的跳變較大。從側面說明了由于磁力數據的跳變較大，所以從單一測線進行研究很難找出其變化的規(guī)律，從面的角度去研究可能更容易確定出磁異常的區(qū)域。

4.2海底的三維立體圖

下面以某處實測的磁力數據來說明是怎樣通過趨勢面分析法來探測磁異常進而分析海底磁性物質的位置。根據實測數據，在Surfer中畫出了測區(qū)海底地形的三維立體圖（圖1）和去除趨勢面后的磁異常的等值線圖（圖2）。

可以看出圖中沿對角線方向有一條明顯的磁異常帶，由此可以推斷這一段海底可能有磁性物質存在，由形狀推斷可能是一條海底管線。

5結語

本文以實測資料為例，探討了如何在Surfer中利用趨勢面分析來確定磁異常，進而利用磁異常圖來尋找海底的磁性物質，并給出了具體的方法。在使用Surfer處理磁力數據的過程中應注意，Surfer對數據進行插值時，邊緣的誤差明顯較大，所以建議測區(qū)的面積最好比分析的海域的面積要大。由于磁力數據的跳變較大，海底環(huán)境的復雜，所以為了更加準確地找到海底磁性物質的位置，最好能在數據處理前得到測區(qū)的磁場背景資料，并結合其他觀測手段得到的資料進行綜合分析，從而快速且準確地來進行海底磁性物質的分析。