鄭國磊，劉俊昌，徐新學(xué)，馬　為，劉　正，邱小波，李建超，李愛國

(天津市地球物理勘探中心，天津　300170)

?

大地電磁測(cè)深時(shí)間域數(shù)據(jù)拓?fù)涮幚碥浖膶?shí)現(xiàn)及應(yīng)用

鄭國磊，劉俊昌，徐新學(xué)，馬為，劉正，邱小波，李建超，李愛國

(天津市地球物理勘探中心，天津300170)

摘要：在對(duì)電場(chǎng)拓?fù)淅碚撗芯康幕A(chǔ)上，將拓?fù)涔街性涗淈c(diǎn)與加密點(diǎn)的兩個(gè)拓?fù)涔胶喜⒊梢粋€(gè)公式，通過研究大地電磁時(shí)間域數(shù)據(jù)格式，利用VC++語言編寫軟件，實(shí)現(xiàn)了大地電磁時(shí)間域數(shù)據(jù)的拓?fù)溆?jì)算。對(duì)實(shí)測(cè)CEMAP數(shù)據(jù)進(jìn)行了拓?fù)涮幚?，?jì)算結(jié)果表明，拓?fù)涮幚韺?shí)現(xiàn)了判別與壓制靜態(tài)效應(yīng)，通過與空間濾波處理結(jié)果對(duì)比表明，拓?fù)涮幚砣レo態(tài)方法是可行的，且效果優(yōu)于空間濾波處理。軟件界面簡單，布局合理，運(yùn)行高效，處理快速。

關(guān)鍵詞：拓?fù)涮幚恚籚C++語言；CEMAP；靜態(tài)效應(yīng)

0引言

大地電磁測(cè)深地表電場(chǎng)振幅響應(yīng)受控于淺部不均勻體的分布，易產(chǎn)生“靜態(tài)效應(yīng)”現(xiàn)象[1]。靜態(tài)效應(yīng)是影響定量解釋精度的重要因素之一，國內(nèi)、外學(xué)者在壓制、消除靜態(tài)效應(yīng)的技術(shù)和方法上做了大量研究[2-9]，并證實(shí)靜態(tài)偏移的大小與觀測(cè)電極與不均勻體的位置有關(guān)，隨著觀測(cè)偶極距的增加(電偶極已跨越其附近的不均勻體界面)，靜態(tài)偏移量趨于減小[1,10—11]；劉俊昌[12]在Torres-Verdin等[13]提出的CEMAP方法基礎(chǔ)上，引入數(shù)學(xué)拓?fù)湓?，提出了一種以野外實(shí)際觀測(cè)資料為基礎(chǔ)，通過時(shí)間域數(shù)據(jù)拓?fù)涮幚砣レo態(tài)效應(yīng)的方法。其做法是通過對(duì)時(shí)間上同步、空間上連續(xù)的電場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加后求取平均值，使有效信號(hào)得到增強(qiáng)，噪聲信號(hào)得到削弱，進(jìn)而達(dá)到判別靜態(tài)效應(yīng)位置、壓制靜態(tài)效應(yīng)的目的[12]。作者在研究拓?fù)淅碚撚?jì)算公式的基礎(chǔ)上通過合并公式，利用VC++高級(jí)編程語言，實(shí)現(xiàn)了大地電磁時(shí)間域數(shù)據(jù)的快速拓?fù)溆?jì)算。

1時(shí)間域數(shù)據(jù)拓?fù)涮幚?/p>

由電場(chǎng)的疊加特性可知，通過對(duì)同一方向上相鄰的各電偶極間的電位差的矢量和求取平均電場(chǎng)，即可得出該方向上觀測(cè)電極陣列中任意兩點(diǎn)間的電場(chǎng)時(shí)間序列(圖1)，見公式(1)。

(1)

圖1　電極位置、觀測(cè)電場(chǎng)與拓?fù)潆妶?chǎng)關(guān)系示意圖Fig.1　The relation schematic diagram between electrode positions,observed electric fields and topological electric fields

通過公式(1)進(jìn)行拓?fù)涮幚砜色@得加密點(diǎn)時(shí)間序列數(shù)據(jù)，使同一剖面測(cè)點(diǎn)數(shù)量得到增加，能提高剖面的橫向分辨力。經(jīng)拓?fù)涮幚砗?，在同一記錄點(diǎn)或加密點(diǎn)(電偶極中心點(diǎn))可獲得對(duì)應(yīng)于多個(gè)極距的電場(chǎng)時(shí)間序列，對(duì)所有這些時(shí)間序列進(jìn)行頻譜分析和阻抗張量計(jì)算，可得出多條測(cè)深曲線，形成一曲線序列，即實(shí)現(xiàn)了同一記錄點(diǎn)或加密點(diǎn)的一組變極距觀測(cè)結(jié)果，通過對(duì)記錄點(diǎn)抽取符合剖面電性特征的合理曲線來達(dá)到壓制靜態(tài)效應(yīng)的目的。

2拓?fù)涮幚沓绦驅(qū)崿F(xiàn)

拓?fù)涮幚碥浖绦虿捎肰C++高級(jí)編程語言編寫，實(shí)現(xiàn)了前述公式中的電場(chǎng)拓?fù)溆?jì)算。拓?fù)涮幚碥浖绦蛑饕?個(gè)函數(shù)：①數(shù)據(jù)輸入函數(shù)；②拓?fù)溆?jì)算函數(shù)；③拓?fù)鋽?shù)據(jù)輸出函數(shù)。數(shù)據(jù)輸入函數(shù)是以字符型數(shù)據(jù)一次性整體將大地電磁時(shí)間序列數(shù)據(jù)輸入到字符串中，保證了數(shù)據(jù)快速、準(zhǔn)確的輸入；拓?fù)溆?jì)算函數(shù)實(shí)現(xiàn)了每一個(gè)時(shí)間點(diǎn)數(shù)據(jù)頭文件的復(fù)制和電場(chǎng)數(shù)據(jù)的拓?fù)溥\(yùn)算，并保證每個(gè)拓?fù)溥\(yùn)算數(shù)據(jù)在時(shí)間上的同步性；拓?fù)鋽?shù)據(jù)的輸出函數(shù)是以字符型數(shù)據(jù)一次性整體輸出到輸出文件中，保證了數(shù)據(jù)快速、準(zhǔn)確的輸出(圖2)。

圖2　程序流程圖Fig.2　The flow chart of program

三個(gè)主要函數(shù)的部分源代碼如下：

1)數(shù)據(jù)輸入函數(shù)。

ifstream file(WJM_file,ios::in|ios::binary|ios::ate);//以輸入方式、二進(jìn)制格式打開文件

*N_S=file.tellg();//獲得文件內(nèi)字符個(gè)數(shù)

file.seekg(0,ios::beg);//讓輸入文件指針定位到文件開頭

buffer=new char[*N_S];//定義字符串大小

file.read(buffer,*N_S);//將輸入文件讀入到字符串

file.close();//關(guān)閉文件

2)拓?fù)溆?jì)算函數(shù)。

for(j=0;j

bufferA[A_lab+j]=buffer[i][l_ab[0]+j];//復(fù)制每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的頭文件

for(j=0;j

{

for(k=0;k

{

if(k==0)

{

fltB=0.0;

for(k0=i;k0

{

for(k1=0;k1<3;k1++)

{

SJZH[k1]=int(buffer[k0][l_ab[k0-i]+NN+j*chan[k0]*3+k1]);

//將字符型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成整型

if(SJZH[k1]<0)SJZH[k1]=SJZH[k1]+256;

}

fltA=SJZH[0]+SJZH[1]* int(pow(16,2))+SJZH[2]*int(pow(16,4));

if(SJZH[2]>=128)

fltA=fltA-int(pow(16,6));

fltB=fltB+fltA/N_L2;//進(jìn)行拓?fù)溆?jì)算

}

flt=long(fltB);

if(flt<0)

flt=flt+int(pow(16,6));

for(k0=0;k0<3;k0++)

{

SJZH[k0]=flt%256;

flt=int(flt/256);

bufferA[A_lab+NN+ j*chan[i]*3+k0]=char(SJZH[k0]);//將整型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成字符型

}

}

else

{

bufferA[A_lab+NN+j*chan[i]*3 +k*3]=buffer[i][l_ab[0]+NN+j*chan[i]*3+k*3];

bufferA[A_lab+NN+j*chan[i]*3 +k*3+1]=buffer[i][l_ab[0]+NN+j*chan[i]*3+k*3+1];

bufferA[A_lab+NN+j*chan[i]*3 +k*3+2]=buffer[i][l_ab[0]+NN+j*chan[i]*3+k*3+2];

}

}

}

3)拓?fù)鋽?shù)據(jù)輸出函數(shù)。

ofstream out(out_file,ios::in|ios::binary|ios::ate);//以輸出方式、二進(jìn)制格式打開文件

out.write(bufferA,A_lab);//將字符串輸出到輸出文件中

out.close();//關(guān)閉輸出文件

3拓?fù)涮幚碥浖褂梅椒?/p>

為使時(shí)間域數(shù)據(jù)快速拓?fù)涮幚?，拓?fù)涮幚碥浖捎门窟\(yùn)行方式，將選中數(shù)據(jù)(同一拓?fù)錁O距)一次性全部運(yùn)算結(jié)束，高效、節(jié)時(shí)，使用方法如下：

1)將采集的同一剖面的大地電磁測(cè)深數(shù)據(jù)整理到同一個(gè)文件夾中。

2)打開拓?fù)涮幚碥浖?圖3)。

圖3　大地電磁測(cè)深時(shí)間域拓?fù)涮幚碥浖缑鎴DFig.3　The software interface of topological processing aiming at time-domain data of magnetotelluric sounding

3)選擇待處理的數(shù)據(jù)類型(TSH/TSL/TSn)，點(diǎn)擊“選擇文件夾”按鈕，選擇數(shù)據(jù)存放的文件夾。

4)設(shè)置待拓?fù)涞奈募?shù)(拓?fù)浯螖?shù)/拓?fù)錁O距)，如果文件數(shù)為奇數(shù)，表示對(duì)原記錄點(diǎn)進(jìn)行拓?fù)溆?jì)算，如果文件數(shù)為偶數(shù)，表示對(duì)加密點(diǎn)進(jìn)行拓?fù)溆?jì)算。

5)點(diǎn)擊運(yùn)行，當(dāng)程序彈出“Run Over!”對(duì)話框時(shí)，點(diǎn)擊確定按鈕，則程序運(yùn)行結(jié)束，左側(cè)對(duì)話框內(nèi)所有文件拓?fù)溆?jì)算結(jié)束。

4實(shí)例應(yīng)用

廣西云南交界的灰?guī)r出露區(qū)地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，靜態(tài)偏移現(xiàn)象明顯，在該區(qū)開展了一條CEMAP剖面測(cè)量工作。實(shí)驗(yàn)儀器采用具有衛(wèi)星同步功能的MTU-5(A)型大地電磁儀，共投入儀器20臺(tái)，布設(shè)成北西—南東向剖面，Ex測(cè)道沿剖面方向，觀測(cè)電極首尾相接，Ey測(cè)道與剖面方向垂直，觀測(cè)極距為100 m，共獲得20個(gè)測(cè)深點(diǎn)原始觀測(cè)數(shù)據(jù)。用拓?fù)滠浖?duì)該CEMAP剖面數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，在X=1 000 m測(cè)點(diǎn)處(剖面中心點(diǎn))進(jìn)行了數(shù)據(jù)的8次拓?fù)溆?jì)算，將所有測(cè)點(diǎn)分別進(jìn)行加密點(diǎn)和原記錄點(diǎn)數(shù)據(jù)的一次拓?fù)溆?jì)算(極距分別200 m和300 m)，然后將原始時(shí)間序列數(shù)據(jù)和拓?fù)鋽?shù)據(jù)用SSMT2000軟件分別進(jìn)行頻譜分析和阻抗張量計(jì)算，并以曲線圖和擬剖面圖的方式表達(dá)出來(圖4、圖5、圖6)。

圖4　X=1 000 m處原始及拓?fù)溆涗淈c(diǎn)頻率—視電阻率曲線圖Fig.4　The curves of frequency-apparent resistivity of the original points and the topological record points at X=1 000 m

圖5　X=1 000 m處原始點(diǎn)及拓?fù)溆涗淈c(diǎn)頻率—相位曲線圖Fig.5　The frequency- phase curves of the original points and topological record points at X=1 000 m

4.1單點(diǎn)全頻多極距視電阻率、相位曲線圖分析

從圖4中可以看出，隨著拓?fù)錁O距的增大，視電阻率曲線的整體形態(tài)不變，幅值出現(xiàn)了先快速下降后緩慢上升的特點(diǎn)，總體呈現(xiàn)幅值減小的趨勢(shì)。從圖5中可以看出，相位曲線的整體形態(tài)和幅值基本保持不變。由此證實(shí)，拓?fù)涮幚斫Y(jié)果表現(xiàn)為靜態(tài)偏移不同尺度的改善，也就是只改變視電阻率的幅值大小，不改變視電阻率的整體形態(tài)和相位。

4.2多次拓?fù)浣Y(jié)果擬剖面圖分析

圖6(a)、圖6(b)、圖6(c)分別為野外實(shí)測(cè)、加密點(diǎn)一次拓?fù)?極距200 m)、原記錄點(diǎn)一次拓?fù)?極距300 m)視電阻率剖面對(duì)比圖。從圖6(a)中可以看出，在X=100 m～300 m處，剖面橫向連續(xù)性較差，該處存在明顯的靜態(tài)偏移，表明該處地下存在不均勻體，由此推斷靜態(tài)效應(yīng)大小、觀測(cè)電極與不均勻體的位置關(guān)系。經(jīng)加密點(diǎn)一次拓?fù)浜?圖6(b))，剖面的整體電性分布沒有明顯變化，靜態(tài)偏移得到壓制，經(jīng)原記錄點(diǎn)一次拓?fù)?圖6(c))，靜態(tài)偏移得到更進(jìn)一步改善。對(duì)比圖6(a)、圖6(b)、圖6(c)可以發(fā)現(xiàn)，隨著觀測(cè)極距的增加，剖面的整體電性分布沒有明顯變化，靜態(tài)偏移得到了逐步的改善，表明大地電磁測(cè)深時(shí)間域拓?fù)涮幚硪欢ǔ潭壬蠅褐屏遂o態(tài)效應(yīng)，起到了空間濾波的作用。

圖6　視電阻率擬剖面對(duì)比圖Fig.6　The comparison diagram of apparent resistivity pseudosection(a)野外實(shí)測(cè)視電阻率擬剖面圖;(b)加密點(diǎn)一次拓?fù)湟曤娮杪蕯M剖面圖;(c)原記錄點(diǎn)一次拓?fù)湟曤娮杪蕯M剖面圖;(d)空間濾波靜態(tài)校正后視電阻率擬剖面圖

4.3拓?fù)涮幚砼c空間濾波靜態(tài)校正方法的比較

圖6(d)為空間濾波靜態(tài)校正后視電阻率擬剖面圖。通過與圖6(a)、圖6(b)、圖6(c)相比較可以看出，拓?fù)涮幚砗涂臻g濾波處理后的剖面的整體電性分布相似，二者都在一定程度上壓制了靜態(tài)效應(yīng)，但空間濾波處理在壓制靜態(tài)效應(yīng)時(shí)損失的有效信息多于拓?fù)涮幚?，說明拓?fù)涮幚硇Ч麅?yōu)于空間濾波。從處理過程來看，空間濾波處理很大程度依賴處理人員的經(jīng)驗(yàn)，拓?fù)涮幚韯t通用性強(qiáng)。

5結(jié)論

1)在對(duì)電場(chǎng)拓?fù)淅碚撨M(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，對(duì)拓?fù)涮幚淼睦碚摴竭M(jìn)行了歸并，將原記錄點(diǎn)與加密點(diǎn)的兩個(gè)拓?fù)涔綒w結(jié)成一個(gè)拓?fù)涔?，并通過對(duì)大地電磁時(shí)間域數(shù)據(jù)格式分析，用VC++語言編寫程序，實(shí)現(xiàn)了大地電磁測(cè)深時(shí)間域數(shù)據(jù)的拓?fù)溆?jì)算。

2)拓?fù)滠浖缑婧唵?，操作方便，運(yùn)行高效，并采用批量運(yùn)行方式，大大節(jié)省了手動(dòng)操作的時(shí)間，提高了數(shù)據(jù)的處理速度。

3)拓?fù)涮幚沓绦驅(qū)崿F(xiàn)了變極距觀測(cè)效果，使大地電磁的觀測(cè)信息得到了充分利用，為靜態(tài)效應(yīng)的判別、壓制及校正提供了依據(jù)，通過獲取加密拓?fù)潼c(diǎn)數(shù)據(jù)，一定程度上也可彌補(bǔ)隨極距增加，空間濾波增強(qiáng)所損失的橫向分辨力。

4)通過拓?fù)涮幚砼c空間濾波去靜態(tài)方法比較可以得出拓?fù)涮幚砣レo態(tài)方法是可行的，且具有效果更佳和對(duì)處理人員要求較低的優(yōu)點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]SWIFT C M．A magnetotelluric investigation of an ele-ctrical conductivity anomaly in the southwestern United States[D]．USA:Massachusetts Institute of Technology，1967．

[2]SINGER B S．Correction for Distortions of Magnetotelluric Field：Limits of Validity of the Static Approach[J]．Surveys in Geophysics，1992，13：309-340.

[3]OGAWA Y．On two-dimensional Modeling of Magn-etotelluric Field Data[J]．Surveys in Geophysics，2002，23：251-273.

[4]BERDICHEVSKY M N，L L VANYAN，V A KUZN-ETSOV，et al．Geoelectric Model of the Baikal Region[J]．Physics of the Earth and Planetary Interiors，1980，22(1):1-11．

[5]WARNER B N，BLOOMQUIST M G，GRIFFITH P B．Magnetotelluric Interpretations Based Upon New Processing and Display Techniques[C]：53rd Ann.Mtg.Soc.Expl．Geophys.Expanded Abstracts，1983:151-154．

[6]閻述，陳明生．頻率域電磁測(cè)深的靜態(tài)偏移及校正方法[J]．石油地球物理勘探，1996，31(2):238-247．

YAN S，CHEN M S．Static Offset and Correction in Frequency Domain Electromagnetic Sounding[J]．Oil Geophysical Prospecting，1996，31(2)：238-247．(In Chinese)

[7]周晉國，寇繩武，宋展炎．校正電磁頻率測(cè)深“靜態(tài)偏移”的有效方法[J]．物探與化探，1991，15(6)：471-474．

ZHOU J G，KOU S W，SONG Z Y．An Effective Method for Correcting“Static Offset”in Electromagnetic Frequency Sounding[J]．Geophysical And Geochemical Exploration，1991，15(6)：471-474．(In Chinese)

[8]羅志瓊.用電磁陣列剖面法壓制MT靜態(tài)效應(yīng)影響的研究[J]．地球科學(xué)，1990，15(增刊)：13-22．

LUO Z Q．The Study of Attenuating Static Effects With Electromagnetic Array Profiling[J].Earth Science，1990，15(Sup)：13-22．(In Chinese)

[9]宋守根，湯井田，何繼善.小波分析與電磁測(cè)深中靜態(tài)效應(yīng)的識(shí)別、分離及壓制[J]．地球物理學(xué)報(bào)，1995，38(1)：120-128．

SONG S G，TANG J T，HE J H.Wavelets Analysis and the Recognition,Separa- tion and Removal of the Static Shift in Electromagnetic Soundings[J]．Chinese Journal of Geophysics，1995，38(1)：120-128．(In Chinese)

[10]LANGLOIS P，L BOLDUC，M CHOUTEAU.Probability of Occurrence of Geomagnetic Storms Based on A Study of the Distribution of the Electric Field Amplitudes Measured in Abitibi，QueBec，in 1993-94[J]．Journal of Geomagnetism and Geoelectrcity，1996，48:1033-1041．

[11]TOURNERIE B，M CHOUTEAU．Deep Conductivity Structure in Abitibi Using Long Dipole Magnetotelluric Measurements[J]．Geophysical Research Letters，1998，25，2317-2320．

[12]劉俊昌．大地電磁時(shí)間域拓?fù)涮幚砣レo態(tài)方法研究[D]．北京：中國地質(zhì)大學(xué)，2011．

LIU J C．Removing Static Shift of Magne- totelluric Using Time Domain Topological Processing．Beijing:China University of Geosciences，2011．(In Chinese)

[13]TORRER-VERDINL C.,F.X.BONSTICK Principle of spotial sukface electric field filtering in magnetotellurics,Electromagnetic array prafiling(EMAP).Geophysics,1992,57:603-622.

Realization and application of topological processing software aiming at time-domain data of magnetotelluric sounding

ZHENG Guo-lei，LIU Jun-chang，XU Xin-xue,MA Wei LIU Zheng，QIU Xiao-Bo，LI Jian-chao，LI Ai-guo

(Tianjin Geophysical Exploration Center，Tianjin300170,China)

Abstract:Based on the electric field topological theory,this paper merges two separate topological formulas of original record points and pass points.Then,we realize topological calculation of MT time-domain data by developing software with Visual C++ after studying the MT time-domain data format.The calculation results of topological processing of observed CEMAP data suggest that this kind of processing successfully distinguish and suppress the static effects.The static correction method based on topological processing is reliable,and the obtained effect is better than that after spatial filtering after comparing topological processing and spatial filtering.This software runs efficiently and processes data fastly with a simlpe interface and a reasonable layout．

Key words:topological processing；VC++；CEMAP；static effect

收稿日期：2015-02-05改回日期：2016-01-07

基金項(xiàng)目:中國地質(zhì)調(diào)查局工作項(xiàng)目(1212011300300)

作者簡介：鄭國磊(1983-)，男，工程師，主要從事重力方向的研究、軟件編寫及三維可視化建模工作，E-mail：zhengguolei@126.com。

文章編號(hào)：1001-1749(2016)02-0275-07

中圖分類號(hào)：P 631.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1001-1749.2016.02.20