基于Python語言的瞬變電磁多測道圖繪制*

張龍科

(1.國土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點實驗室，陜西 西安 710021；2.陜西省煤田物探測繪有限公司，陜西 西安 710005)

0 引言

水資源災害一直是煤礦資源開采中的一大難題，為了保證煤礦開采過程的安全，減少安全隱患，必須進行煤礦水文地質勘探。目前，煤礦水文地質勘探的物探方法很多，瞬變電磁勘探是眾多方法中較為高效的一種[1-3]。瞬變電磁不僅高效率，而且野外施工相對簡單，成本低，周期短，是目前最普遍的一種勘探方法。目前市面上關于瞬變電磁數據處理的軟件很多，但是大多數價格昂貴，而數據處理過程極為復雜，對于一些地面瞬變電磁的大型項目，數據量極大，處理起來相當費時間[4-6]。因此，為了簡化數據的處理過程，縮短處理時間，基于Python語言的基礎編寫了關于多測道曲線圖的程序，以期可以高效便捷地處理瞬變電磁數據。

1 瞬變電磁基本理論

瞬變電磁法也稱時間域電磁法，通過向不接地回線發射脈沖從而使其周圍的地質體產生磁場(一次場)，感應電流的分布在周圍圍巖中各處是不均勻的，感應電流在離不接地回線周圍最強，然后隨著與不接地回線距離增大逐漸場強變小，在距離不接地回線三分之二處會形成一個均勻的一次場強[7-10]。然后突然關斷電流，電磁場傳播速度空氣中比導電介質中傳播速度大得多，當斷開激發電流時，一次磁場突然劇烈的變化會傳播到周圍巖石礦體介質中，由于楞次定律回線中會產生一種逐漸變小的磁場(二次場)。隨著時間推移，感應的電流會逐漸向外擴散，它的強度同時也會逐漸減弱，電流的分布趨于均勻。然后接收隨時間變化的二次場，各項同性地層情況下，含有良導體的地質體二次電位信號衰減的相對較慢，不良導體的二次電位信號衰減的相對較快，由于水資源屬于良導體，這也是瞬變電磁勘探能夠進行水害的主要理論基礎，從而解決了地質問題。基于瞬變電磁法對低阻體反應特別敏感的特點，將其運用于煤礦水文勘查。它是一種極具發展前景的方法，可以查明含水地質，如老巷與煤礦采空區、奧灰不規則水體等。瞬變電磁法在高阻中尋找低阻地質體相當靈敏，可以自動消除主要噪聲源，無地形影響，相同點組合觀測，使得探測目標最佳耦合，形態簡單，分辨能力強。

2 多測道曲線圖繪圖程序

2.1 多測道曲線圖

多測道曲線圖介紹：瞬變電磁勘探中接收到的數據大都是隨時間增大的二次電位，二次電位信號隨著時間的增大會慢慢變小，最后消失。多測道曲線圖就是在所有數據中，將同一時間的二次電位信號按點號重新排列成圖，每一條曲線圖反映的是同一時間二次電位值的大小變化趨勢，然后將所有的時間道繪制在同一張圖上，就得到了多測道曲線圖，它與視電阻率斷面圖相似，只是其豎軸代表的是時間，視電阻率斷面圖豎軸代表的是深度。相比較而言，多測道曲線圖簡單，更能直觀快速地反映該測線的地層概況。

數據處理與繪圖：目前，瞬變電磁處理的軟件很多，基本都可以顯示瞬變電磁多測道圖，但是軟件價格對于個人或者小型私企有些昂貴。常規瞬變電磁多測道圖做法較少，沒有統一專門的軟件去制作，制作過程也相對復雜些，主要是效率低下，整理數據浪費大量時間。因此，為了高效地完成多測道曲線的繪制，利用Python語言編寫程序，按照多測道圖的要求繪制圖件。

2.2 Python編制的多測道曲線圖程序

Python語言的特點：本程序的開發過程是基于Python語言，Python語言相對于別的語言簡單易懂，程序可操作性強，在此基礎上后期還能增加其功能，可移植性較好[11-12]。Python語言數據處理功能很強，特別是Pandas庫、Matplotlib庫可以直接將數據處理成圖，為數據可視化提供了方便。

處理步驟：①首先從本地文件(.csv)讀取數據，數據格式，見表1。其中X列表示線號，Y列表示點號，H列表示深度，R列表示電阻率，V列表示二次電壓；②對于沒有時間道的數據程序會加載時間道(默認間隔為1)；③加載完時間道后，數據會按時間道重新排列，組成新的數據塊；④選擇同一道號的數據組成作圖數據列并作圖，然后批量成圖最后得出多測道曲線圖;⑤在作圖過程中對數據行列標簽進行設置，最后保存圖片并輸出。以上步驟就是該程序的設計思路，利用Python語言，通過查閱參考資料最終完成了程序的編制[13-15]。

表1 數據格式

2.3 程序應用實例

工程背景：該礦區根據鉆孔揭露和地面觀測資料，地層由老至新為中奧陶統峰峰組、上石炭統太原組、下二疊統山西組及下石盒子組、上二疊統上石盒子組及孫家溝組和第四系。井田位于礦區中部，區內物性比較穩定，測井段所見主要巖性有泥巖、粉砂巖、石灰巖、煤層等。煤質好，頂底板巖性較穩定，與煤層有一定的物性差異。二次電位曲線應平滑反映地層的成層情況，在相對于圍巖的高阻體中二次電位衰減的較快，在二次電位曲線圖上形成了一種相對凹陷的趨勢；在相對于圍巖的低阻體中二次電位衰減的較慢，在二次電位曲線圖上形成了一種相對凸起的趨勢，如圖1所示。

圖1為某井田D1000線的多測道圖，每一條曲線代表的是所有測點的同一道數，然后將一次成圖就得到了D1000線的多測道圖。此圖直觀清晰地反映了地質體在D1000線的延展情況和異常體的點號位置，為瞬變電磁數據處理有效的方法。可用于實際瞬變電磁勘探項目中，為項目數據處理節約時間。

圖1 D1000線瞬變電磁多測道曲線

程序的優點：該程序思路簡單運行高效，對于批量作圖特別適用，輸出的圖片像素及大小都可以自由設置，根據自己項目的需要設置。該程序成圖時間少，對于大型瞬變電磁勘探工程特別實用，成圖的結果比較美觀，不需要再做修改，可直接插入報告中使用。單圖的運行時間不到2 s，運行效率極高，比起選用其它軟件作多測道圖，既節省了時間，又提高了準確性。

3 結語

通過理論分析和實例演示，可以看出利用Python程序處理瞬變電磁數據繪制多測道圖，不僅簡單高效而且成果圖件的質量極高，滿足對瞬變電磁數據處理的要求。在這過程中還對數據進行了篩選和圓滑處理，降低了隨機干擾的影響。運用此程序，處理者只需要將瞬變電磁數據整理成相應的格式即可，然后運行程序就可以得到相應的圖件，中間無需其他操作，對于一些工程量較大的瞬變電磁項目，可以高效完成多測道曲線圖的繪制。