使用ParaView實現(xiàn)地面瞬變電磁法三維可視化

閆圓圓，王 宇，劉浩宇，孫文斌

(北京探創(chuàng)資源科技有限公司，北京 100067)

0 引言

地下礦產(chǎn)的開采會破壞周圍地層的應力平衡，導致上覆巖層的變形和破裂，甚至坍塌。采空區(qū)坍塌將引起明顯的地層移動和斷裂變形，在地表形成拉裂、隆起、傾斜、扭曲，或形成地表階梯狀、漏斗狀的塌陷坑等，對地表已有的建筑和公路等基礎設施造成安全隱患[1]。在礦產(chǎn)富集地帶，礦產(chǎn)開采之后會產(chǎn)生相當數(shù)量和規(guī)模的采空區(qū)，對其地表建筑或公路建設都具有潛在風險，成為全國各地建設的一大地質災害，因此探查并治理高速公路采空區(qū)，具有十分重要的意義。

山東省淄博市臨淄區(qū)高速公路K103+953～K104+115路段位于臨淄金龍鐵礦礦區(qū)范圍之內(nèi)，該采空區(qū)與線位呈大角度相交，埋深在110 m左右，但具體位置和規(guī)模需要進一步探查，本項目擬采用地面瞬變電磁法進行探測，同時采用ParaView軟件進行三維可視化成圖，以便對采空區(qū)位置進行更準確地圈定，為后續(xù)治理工作提供直觀的指導資料。

1 基本原理

瞬變電磁法(Transient Electromagnetic Method)是根據(jù)地質結構或地質體本身的物性差異，研究由脈沖電流作為場源，激勵探測目的物感生的二次場隨時間的變化[2]來間接判斷構造地質、水文地質現(xiàn)象的一種方法。廣泛用于探測煤層頂?shù)装搴畬痈凰畢^(qū)的分布情況，構造的含、導水情況，老窯采空區(qū)富水性及導水通道等[3]。

瞬變電磁法是電磁感應類探測方法，機理是導電介質在脈沖發(fā)射的電磁場激發(fā)下產(chǎn)生的渦流場效應，其中每個時刻的地下渦旋電流在地表產(chǎn)生的磁場都能等效成與發(fā)射線圈平面平行的環(huán)狀線電流磁場。在發(fā)射電流關斷瞬間，該環(huán)狀線電流與發(fā)射回線緊鄰，且具有相同形狀，隨后該電流環(huán)向下、向外擴散，最終逐漸變形為正圓電流環(huán)。圖1給出了發(fā)射電流關閉后幾個不同時刻的地下等效電流環(huán)的示意分布，這些等效電流環(huán)像從發(fā)射回線中“吹”出來的一系列“煙圈”，因此，這種現(xiàn)象也被稱為“煙圈效應”[4]。

圖1 工作原理

2 施工布置

根據(jù)此次地質任務探測埋深110 m左右的采空區(qū)，本次施工采用澳大利亞Monash GeoScope公司的terraTEM瞬變電磁探測儀。裝置形式為重疊回線裝置，2.5 m收、發(fā)射回線框，發(fā)射裝置回線匝數(shù)30，接收裝置匝數(shù)45，采樣時窗1～34，有效探測距離28～154 m。按照此次工作任務要求，在該高速公路某鐵礦K102+900～K104+200段共布設3條測線，分別命名為西路測線L1、東路測線L1和東路測線L2(東路測線在K103+710～K103+780位置處有房屋和河流，無法進行施工，分成兩段進行測量)，測點間距10 m，共布置255個測點。測線布置圖如圖2所示。

圖2 測線布置圖

3 探測成果三維可視化

VTK是由Kitware公司開發(fā)的一個可視化工具包，是一個開源的圖形庫，可供C++、Python、Java等多種編程語言使用。ParaView是一種基于VTK開發(fā)的交互軟件，允許不編程的數(shù)據(jù)和可視化的輸入。ParaView可用于處理結構、非結構等多種數(shù)據(jù)類型，可以指定的點、面或網(wǎng)線等多種方式進行顯示。ParaView的界面圖形交互十分人性化，處理過程簡潔，與基于MATLAB、Voxler等軟件實現(xiàn)三維成圖的方法相比，其插值方式具有簡便合理、操作便捷的優(yōu)勢；同時其允許用戶個性化設置過濾器的參數(shù)，突出顯示目標部分的圖像。另外，其可利用屬性面板設置獨特的色譜、顯示方式和透明度等圖形屬性。同時，其允許用戶使用鼠標控制圖形的縮放、移動、旋轉等功能，用以選擇最佳的觀測視角。以上功能完全滿足礦井瞬變電磁三維可視化的要求[5]。

在使用ParaView實現(xiàn)數(shù)據(jù)三維可視化之前，須對實測的二維視深數(shù)據(jù)進行處理，將其坐標轉化為三維數(shù)據(jù)體，通常使用MATLAB、python等數(shù)據(jù)處理工具或利用excel文件中自帶含稅工具等方式自行轉換(為保證三維圖件中視電阻率的顯示效果，可在轉化前對每條測線巷道數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一閾值處理，避免對相對高視電阻率異常區(qū)的屏蔽)，將二維坐標轉換為三維笛卡爾坐標系中含有x、y、z坐標和視電阻率值ρ的數(shù)據(jù)，即將二維數(shù)據(jù)坐標轉化為三維散點坐標。在此數(shù)據(jù)處理過程中，地面瞬變電磁采集的縱坐標主要是平行地面的數(shù)據(jù)，在水平地面可直接轉換為三維坐標系中的z坐標，在山坡、丘陵等地的數(shù)據(jù)可在最終圖件中帶入地形數(shù)據(jù)。

TerraTEM儀器采集的數(shù)據(jù)在每個測點采集到固定數(shù)量的數(shù)據(jù)，將其按照.vtk的數(shù)據(jù)格式進行整理便可導入程序成圖。導入的數(shù)據(jù)后首先選擇apparent_resistency、surface模式，以實現(xiàn)用顏色區(qū)分顯示不同范圍的視電阻率值，之后通過Choose Preset編輯視電阻率色譜，突出顯示異常體形態(tài)和空間分布特征，即可實現(xiàn)初步、整體的數(shù)據(jù)三維可視化。另外，可在屬性面板中使用Filters模塊，分別通過Contour、Clip、Slice等不同模式展示異常區(qū)塊、部分數(shù)據(jù)塊或切片數(shù)據(jù)體，同時可用鼠標對圖形進行旋轉，找出最佳觀測角度或對切片位置進行移動，確定最佳切片位置。相比于傳統(tǒng)的切片三維成像，此種方式所得的切片圖或等值面圖等更貼近實際。

4 案例分析

4.1 工程概況

此次地面瞬變電磁法探測區(qū)域的整體特征如下：臨淄區(qū)地處魯中丘陵與魯北平原交接地帶，位于淄博市東北部，該區(qū)第四系厚度100 m左右，地面標高一般在+30.0～+50.0 m。公路建設用地范圍外邊界距離開采礦體形成采空區(qū)的最近距離為48 m，公路建設的主體工程為路基、橋梁、交叉等工程以及沿線設施。

擬建公路比選方案K103+230～K103+591段位于臨淄金龍鐵礦礦區(qū)范圍之內(nèi)，且在K103+362處、K103+630處有該鐵礦斜井近北西南東向斜井穿過擬建公路。其中K103+285～K103+317段位于該東礦體形成的采空區(qū)之上，公路建設的主體工程為路基、橋梁、交叉等工程以及沿線設施。擬建工程推薦方案K103+953～K104+115路段和比選方案K103+230～K103+591路段，工程建設引發(fā)采空塌陷及伴生地裂縫地質災害的危險性為中等，其余路段為小。

4.2 三維可視化

瞬變電磁探測所得成果主要為視電阻率值，遵從相對原則，通過對比分析阻值大小，圈出異常區(qū)域，確定閾值圈定異常區(qū)；通過異常區(qū)視電阻率阻值大小、異常區(qū)范圍大小，根據(jù)地質任務，結合現(xiàn)場具體施工條件和探測位置的地質資料，對異常區(qū)進行分析，去偽存真，成果圖如圖3～5所示。

圖3 異常區(qū)分布顯示圖

圖4 三維立體切片圖

圖5 探測三維立體圖

4.3 解釋與驗證

由地質資料可知，左側0點位置對應高速公路點位為k102+900點，向右10 m為k102+910點，以此類推，最右側點為k104+190點。結合該點位信息和異常區(qū)分布圖可知，圖中分別在k103+50～k103+170、k103+310～k103+440(命名為D-1)、k103+500～k103+525(命名為X-1)、k103+720～k103+740(命名為X-2)、k104+150～k104+190存在低阻異常顯示。結合施工現(xiàn)場情況可知，k103+50～k103+170和k104+150～k104+190兩處為受高壓線干擾嚴重，危險性一般；D-1處異常推測為鐵礦采空區(qū)，危險性中等，建議進行驗證；X-1推測為巷道積水或巖層富水影響，危險性一般，后續(xù)做好加固工作即可；X-2處推測為河流影響，危險性一般，無需處理。

后續(xù)礦方在D-1、X-1和X-2異常位置處布鉆驗證，結果顯示：D-1、X-1鉆孔見空，有積水。該結果說明，地面瞬變電磁探測三維立體圖能對二維成果進行三維展示，更加直觀和精確地對采空區(qū)位置進行展示，對指示礦方治理高速公路采空區(qū)具有顯著的優(yōu)勢。

5 結論和建議

5.1 結論

1)在巖層破碎出現(xiàn)采空區(qū)尤其是含水狀態(tài)下，其電阻率值會發(fā)生改變，低于完整巖層段的值，在此地球物理特征前提下采用地面瞬變電磁法能準確探查視電阻率值異常段，圈定出采空區(qū)的位置，為礦方后續(xù)工作做出指導。

2)使用ParaView軟件對山東省淄博市臨淄區(qū)高速公路K103+953～K104+115路段地面瞬變電磁法探測數(shù)據(jù)進行了三維展示，并使用Contour、Clip、Slice功能展示目標視電阻率低值中心，共劃分出一處危險性中等的采空區(qū)異常位置，一處巷道積水影響異常區(qū)。與地面瞬變電磁法的二維等值線斷面圖相比，三維展示圖件能為礦方提供更加直觀和精準的異常區(qū)展示位置，顯示效果良好。

在經(jīng)過礦方布鉆驗證后表明，此次異常區(qū)位置圈定準確，為指導礦方后續(xù)采空區(qū)治理提供直觀的效果圖件，有力地保障了在采空區(qū)區(qū)域進行公路建設的安全性。

5.2 建議

在地面地球物理數(shù)據(jù)的成果圖中，帶地形圖件可以為礦方提供更直觀的結果，而在ParaView軟件中，可以展示正確格式的帶地形的視電阻率三維圖件，此次三維圖件缺少探測路段的地形數(shù)據(jù)，若增加地形數(shù)據(jù)將獲得更好的展示效果，在日后的工作中可在該方向加以嘗試。