大地電磁測深法拓撲去靜態軟件的實現與應用

劉 正， 劉俊昌， 徐新學， 馬 為， 鄭國磊， 鄭 軍， 王 茜

(天津市地球物理勘探中心，天津 300170)

大地電磁測深法拓撲去靜態軟件的實現與應用

劉 正， 劉俊昌， 徐新學， 馬 為， 鄭國磊， 鄭 軍， 王 茜

(天津市地球物理勘探中心，天津 300170)

在連續陣列大地電磁(CEMAP)時間域電場空間拓撲理論研究的基礎上，提出了使用單頻點多極距ρXY曲線來表現地表橫向電性不均勻體所產生的靜態效應的思路，在同一觀測系統中以人機聯作的方式正演計算不均勻體所產生多極距靜電壓曲線，并用其壓制實測多極距ρXY曲線上由靜態效應引起的形態起伏，以實現靜態校正。開發的拓撲去靜態軟件，在對實測數據處理的過程中取得顯著效果。

CEMAP； 靜態效應； 不均勻體； 拓撲； 多極距曲線； 人機聯作

0 引言

天然電磁場所產生的電流流過地下淺部電性不均勻體時，將在其界面產生電荷積累，由此對觀測點產生一種附加電場，從而使大地電磁測深結果發生較大地畸變，這種效應被稱為靜態效應。對于靜態效應，很多學者進行研究，并提出了一些消除靜態效應的方法[1-10]，包括曲線平移法、空間濾波法和阻抗張量校正法等。其中曲線平移法是整條曲線的各個頻點使用同一校正系數，可使整條曲線在對數坐標系下平移而不做任何形態上的改變，而其他方法對曲線形態都有一定影響。劉俊昌[2-3]基于CEMAP引入時間域空間拓撲理論，可將同步采集的空間連續電道數據在時間域進行拓撲計算，用拉大極距的方法壓制靜態效應并取得了一定的效果，“拓撲計算”在文獻[3]中有較詳細的說明，指基于電場連續理論，針對同一時刻采集的CEMAP時間域電場數據沿測線方向進行疊加得到同一測點的X方向的多極距時間域電場數據。筆者在拓撲理論的基礎上，利用單頻點多極距視電阻率曲線來展示實測靜態效應，以人機聯作的方式，通過調整不均勻體的參數改變正演多極距電壓曲線形態，并將正演結果反作用于實測數據，以實現MT靜態校正。基于上述思路開發的拓撲去靜態軟件，取得了一定的預期效果。

1 靜態校正原理

1.1 靜電壓模擬計算

根據靜電場理論，對于所設計模型，其積累電荷分布在前后面和兩個側面，設不均勻體外側為正電荷，內部為負電荷；剖面上的各點電位由這四個面的電荷疊加而成，其剖面形態見圖1。

圖1 淺地表電性不均勻體產生的靜電場Fig.1 The electrostatic potential reduced by a near surface conductivity inhomogeneous body

正演模擬時，假設不均勻體的寬度較小，則考慮忽略掉內表面的電荷分布，只使用左右兩個側面外層電荷近似的計算電位,強度值和距離r成反比。那么計算地表上電極處的電位微分公式為：

(1)

其中：U為電位；K為常數；dQ為不均勻體側面的電荷密度；r為帶電面元與電極的距離。

當電荷密度和積分步長設定后，K·dQ為定值。對所有不均勻體的兩個側面進行積分運算，可得到其在地表產生的總的靜電電位近似值。得到電位后，在連續布極的情況下，可以求得任意兩個電極點的電位差，而接收點應為兩個電極的中心點。

1.2 靜電壓與阻抗張量ZXY的關系

在計算視電阻率時，其阻抗張量ZXY計算公式為式(2)。

(2)

不難看出式(2)是公式ZXY=EX/HY的統計模式，因為靜電場對磁場的影響幾乎為零，所以ZXY與EX成正比，當電性不均勻體所產生的靜電壓作用在EX上時，ρXY的形態變化將和靜態電壓的變化一致。依據曲線平移法，可以將式(1)所計算的靜態電壓乘以一個固定的系數再反向疊加到實測ρXY數據上以消除靜態效應，如果沒有靜態效應，多極距曲線應是平直的，不隨極距的變化而變化。

基于曲線平移法，單個極距的一個測點的所有頻點的數據均采用同一校正系數，則多極距曲線需選用單一頻點的視電阻率數據，而頻點選擇原則為：當數據數據質量較有保證時應選擇較高頻率的頻點，以達到盡量消除淺層視電阻率的橫向變化，本文中MT實例數據選用了80 Hz頻點。

1.3 多極距曲線的表現方式

單接收點不同極距電壓變化曲線的繪制方式：接收點為兩個電極點中間點，選定接收點后，首先選擇最小極距的兩個電極點，曲線數據點的橫坐標為兩個電極點的位置，縱坐標為電壓(或ρXY)，對應于兩個電極點上的數據為同一數據，相對于接收點(中心點)對稱；之后加大極距進行拓撲運算，相應的數據點橫坐標(電極點位)會向兩側延伸；依據實際情況，繼續加大極距進行拓撲運算，就可以繪制出圖2中的一條曲線。

圖2 兩個接收點多極距ρXY剖面曲線圖(80 Hz)Fig.2 The multi electrode distance ρXY profile curves of two receiving sites(80 Hz)

按單接收點曲線繪制方法繪制出多條曲線后，將曲線的橫坐標統一，在縱向為了避免多測點的曲線重疊，需要將曲線的縱坐標原點上下錯動，錯動量可根據點位坐標按比例計算得出，錯動過程中多條曲線的縱向比例尺保持一致。最終每條曲線是左右對稱的，因為數據的橫坐標取電極點位，而電極是成對出現的。每條曲線對應于一個接收點(中心位置)，因為接收點不同，所以每條曲線的對稱點都是不同的，如圖2中繪出兩個測點的多極距ρXY剖面曲線。

使用同樣的繪制方式和統一觀測系統繪制正演電壓曲線，通過添加或刪減電性界面和不均勻體并調節其參數使模擬電壓曲線的形態盡量接近實測ρXY曲線，將模擬曲線的數據的形態反向應用到實測曲線上，盡量拉平(校正)實測曲線，靜態效應自然消除。

2 軟件實現

軟件開發使用Visual Studio2015平臺，開發語言為C#。軟件采用三層架構設計(圖3)：①底層數據為軟件系統提供合理的數據結構，包括工程文件、實測數據文件、觀測系統以及和觀測系統密切相關的正演數據和校正系數等；②數據計算層利用底層數據結構，為顯示層提供繪圖數據，包括各種文件和數據的解析計算以及調整不均勻體參數進而得到校正系數；③顯示層包括各種功能界面、原始數據和正演多極距拓撲曲線的繪圖以及使用OpenGL技術實現電性不均勻體的三維展示控件的開發。

圖3 軟件架構圖Fig.3 The architecture diagram of the software

圖4 電性不均勻體和電性分界面的正演效果Fig.4 The forward effect of a conductivity inhomogeneous body and a electrical boundary(a)電性不均勻體板體；(b)電性分界面

不均勻體類型當前只支持向下有限延伸的板體，水平延伸方向垂直測線方向，目前軟件不支持走向旋轉，其主要參數包括：電荷密度(包括極性)、頂部中心位置坐標、沿測線方向厚度(X方向跨度)、頂深、底深、X方向的傾角、左傾或右傾等，圖4(a)顯示的是一個不均勻板體正演效果，板體的參數見圖中右下部的實時調節面板。

圖5上可見實測數據在6 200 m向大號方向，曲線出現了一個臺階，而式(1)不能解決這種問題，因此軟件設定了一種電性界面，以解決當兩個電極點位于界面同一側時可能出現的電壓整體抬升或下降的問題，電性分界面的正演效果和可調參數見圖4(b)。

軟件界面效果見圖5，工具欄在最上方，原始實測單頻多極距ρXY拓撲曲線使用虛線表示，可通過工具欄上的工具調節其透明度，空心點表示原始最小極距數據，校正后的多極距ρXY拓撲曲線用細的實線表示，實心點表示校正后最小極距數據；界面最下方是三維視口，顯示電性不均勻體，點擊不均勻體可彈出其參數調節懸浮面板；界面中間為正演的多極距拓撲靜態電壓數據，其中的實心點為最小極距的電壓數據。

圖5 軟件界面效果Fig.5 The interface of the software

人機聯作的優點在于操作時只注意曲線的形態，所以當不均勻體和其參數調整完畢，正演數據更新之后，計算校正系數需要借助于實測數據和正演數據的屏幕顯示比例因子：showRatio和Obs.Scale，其中showRatio對應工具欄中可調參數“顯示幅度系數”，而Obs.Scale在軟件中固定。

校正系數的計算見以下代碼：

Err= Math.Pow(10, comp.Valt / Obs.Scale * showRatio);

datMp.Rho= realDat.Valt / Err;

其中：Err為校正系數；comp.Valt為正演電壓；realDat.Rho為實測視電阻率；datMp.Rho為校正后視電阻率。

3 應用效果

實驗區為內蒙古錫林浩特市賀根山地區，該地段巖性變化復雜，反映了構造的復雜性，靜態效應明顯。施工時同一個排列Ex方向上極罐首尾相連，電極間距為200 m，同步采集的最大排列長度為12 200 m。圖7、圖8是實驗區內長短兩條測線MT01和MT02的視電阻率ρXY擬斷面圖，其中MT01由兩個同步排列完成，MT02由一個同步排列完成。采集完成之后由本軟件的時間域拓撲處理工具集進行拓撲處理,再由SSMT2000軟件進行時頻轉換處理和相關性分析，提取出80 Hz的多極距數據。之后，以本軟件進行人機聯作方式去靜態操作的工作流程見圖6。

圖6 去靜態工作流程圖Fig.6 The work flowchart with the software

實測多極距數據讀入系統后，需要在工具欄上的“顯示幅度系數”及其右側的兩個工具調節其起伏強度和垂向偏移，使實測多極距ρXY數據曲線顯示效果達到用戶滿意，然后使用不均勻體管理界面添加或刪減不均勻體和電性分界面，點擊三維視口中顯示的物體后在實時參數調節面板中調節其參數，正演曲線和校正后曲線亦實時變化，反復增減和調節不均勻體和電性分界面，使正演數據波動形態盡量接近實測數據以消除靜態效應，直到用戶滿意，圖5中使用的實測數據即為MT01線數據。

得到校正系數之后，對測線各測點進行校正，再使用Surfer繪制擬斷面圖。為了對比靜態校正的真實效果，使用Surfer軟件作圖時盡量采用了最原始數據作圖，避免使用各種濾波算法。

由圖7可以看出，MT01線原始視電阻率ρXY擬斷面圖中靜態效應比較明顯，多處都出現較為嚴重的“掛面條”現象，垂向上出現10余條明顯的電阻率變化條帶，而經過本軟件進行拓撲去靜態校正后，靜態效應得到了顯著的改善，垂向條帶被有效地消除掉，擬斷面圖上的視電阻率的空間分布變得協調。在圖8中也可看出，經本軟件校正后，MT02線的靜態效應也得到了明顯地改善。

4 結語

筆者依據拓撲去靜態理論，開發了針對CEMAP數據拓撲去靜態軟件，通過對實測數據的處理，進一步證實了電場空間拓撲理論和拓撲去靜態的有效性，為大地電磁測深法提供了一種新的去靜態方法。

圖7 MT01線視電阻率ρXY擬斷面圖Fig.7 The ρXYapparent resistivity pseudosection of Line MT01(a)原始觀測；(b)拓撲去靜態處理后

圖8 MT02線視電阻率ρXY擬斷面圖Fig.8 The ρXY apparent resistivity pseudosection of Line MT02(a)原始觀測；(b)拓撲去靜態處理后

人機聯作的方式注重于曲線形態對比，可以靈活地將正演靜電場曲線形態反作用于ρXY拓撲曲線，而不需要直接計算出精準的校正量，功能較易實現而且效果顯著，但結果也易受人為影響。

軟件操作簡便，界面友好，運行穩定，具有較強的實用性。

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Realizationandapplicationofmagnetotellurictopologicalstaticcorrectionsoftware

LIU Zheng， LIU Junchang， XU Xinxue， MA Wei， ZHENG Guolei， ZHENG Jun, WANG Qian

(Tianjin Geophysical Exploration Center，Tianjin 300170， China)

Based on the electric field topological theory of continuous electromagnetic array profiling (CEMAP) method, the static migration can be showed on multi-electrode distanceρXYprofile curves. The multi-electrode distance profile curves of static voltages induced by near surface conductivity inhomogeneous bodies can be put forward in the same observation system by using man-machine interactive method. The shape of voltage curves can correct the static migration on theρXYcurves. The topological static correction software developed by us achieved remarkable result in processing measured data.

CEMAP； static migration； inhomogeneous body； topological； multi electrode distance profile curves； man-machine interactive

P 631.4

A

10.3969/j.issn.1001-1749.2017.05.06

2016-09-27 改回日期： 2016-12-25

中國地質調查局地質調查項目(12120113100300)

劉正(1971-)，男，碩士，主要從事地球物理及相關IT類工作，E-mail：371030863@qq.com。

1001-1749(2017)05-0620-06