劉 正， 劉俊昌， 徐新學(xué)， 馬 為， 鄭國(guó)磊， 鄭 軍， 王 茜

(天津市地球物理勘探中心，天津 300170)

大地電磁測(cè)深法拓?fù)淙レo態(tài)軟件的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

劉 正， 劉俊昌， 徐新學(xué)， 馬 為， 鄭國(guó)磊， 鄭 軍， 王 茜

(天津市地球物理勘探中心，天津 300170)

在連續(xù)陣列大地電磁(CEMAP)時(shí)間域電場(chǎng)空間拓?fù)淅碚撗芯康幕A(chǔ)上，提出了使用單頻點(diǎn)多極距ρXY曲線來(lái)表現(xiàn)地表橫向電性不均勻體所產(chǎn)生的靜態(tài)效應(yīng)的思路，在同一觀測(cè)系統(tǒng)中以人機(jī)聯(lián)作的方式正演計(jì)算不均勻體所產(chǎn)生多極距靜電壓曲線，并用其壓制實(shí)測(cè)多極距ρXY曲線上由靜態(tài)效應(yīng)引起的形態(tài)起伏，以實(shí)現(xiàn)靜態(tài)校正。開發(fā)的拓?fù)淙レo態(tài)軟件，在對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理的過程中取得顯著效果。

CEMAP； 靜態(tài)效應(yīng)； 不均勻體； 拓?fù)洌?多極距曲線； 人機(jī)聯(lián)作

0 引言

天然電磁場(chǎng)所產(chǎn)生的電流流過地下淺部電性不均勻體時(shí)，將在其界面產(chǎn)生電荷積累，由此對(duì)觀測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生一種附加電場(chǎng)，從而使大地電磁測(cè)深結(jié)果發(fā)生較大地畸變，這種效應(yīng)被稱為靜態(tài)效應(yīng)。對(duì)于靜態(tài)效應(yīng)，很多學(xué)者進(jìn)行研究，并提出了一些消除靜態(tài)效應(yīng)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(gè)頻點(diǎn)使用同一校正系數(shù)，可使整條曲線在對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下平移而不做任何形態(tài)上的改變，而其他方法對(duì)曲線形態(tài)都有一定影響。劉俊昌[2-3]基于CEMAP引入時(shí)間域空間拓?fù)淅碚?，可將同步采集的空間連續(xù)電道數(shù)據(jù)在時(shí)間域進(jìn)行拓?fù)溆?jì)算，用拉大極距的方法壓制靜態(tài)效應(yīng)并取得了一定的效果，“拓?fù)溆?jì)算”在文獻(xiàn)[3]中有較詳細(xì)的說明，指基于電場(chǎng)連續(xù)理論，針對(duì)同一時(shí)刻采集的CEMAP時(shí)間域電場(chǎng)數(shù)據(jù)沿測(cè)線方向進(jìn)行疊加得到同一測(cè)點(diǎn)的X方向的多極距時(shí)間域電場(chǎng)數(shù)據(jù)。筆者在拓?fù)淅碚摰幕A(chǔ)上，利用單頻點(diǎn)多極距視電阻率曲線來(lái)展示實(shí)測(cè)靜態(tài)效應(yīng)，以人機(jī)聯(lián)作的方式，通過調(diào)整不均勻體的參數(shù)改變正演多極距電壓曲線形態(tài)，并將正演結(jié)果反作用于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)MT靜態(tài)校正?；谏鲜鏊悸烽_發(fā)的拓?fù)淙レo態(tài)軟件，取得了一定的預(yù)期效果。

1 靜態(tài)校正原理

1.1 靜電壓模擬計(jì)算

根據(jù)靜電場(chǎng)理論，對(duì)于所設(shè)計(jì)模型，其積累電荷分布在前后面和兩個(gè)側(cè)面，設(shè)不均勻體外側(cè)為正電荷，內(nèi)部為負(fù)電荷；剖面上的各點(diǎn)電位由這四個(gè)面的電荷疊加而成，其剖面形態(tài)見圖1。

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

正演模擬時(shí)，假設(shè)不均勻體的寬度較小，則考慮忽略掉內(nèi)表面的電荷分布，只使用左右兩個(gè)側(cè)面外層電荷近似的計(jì)算電位,強(qiáng)度值和距離r成反比。那么計(jì)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(shù)；dQ為不均勻體側(cè)面的電荷密度；r為帶電面元與電極的距離。

當(dāng)電荷密度和積分步長(zhǎng)設(shè)定后，K·dQ為定值。對(duì)所有不均勻體的兩個(gè)側(cè)面進(jìn)行積分運(yùn)算，可得到其在地表產(chǎn)生的總的靜電電位近似值。得到電位后，在連續(xù)布極的情況下，可以求得任意兩個(gè)電極點(diǎn)的電位差，而接收點(diǎn)應(yīng)為兩個(gè)電極的中心點(diǎn)。

1.2 靜電壓與阻抗張量ZXY的關(guān)系

在計(jì)算視電阻率時(shí)，其阻抗張量ZXY計(jì)算公式為式(2)。

(2)

不難看出式(2)是公式ZXY=EX/HY的統(tǒng)計(jì)模式，因?yàn)殪o電場(chǎng)對(duì)磁場(chǎng)的影響幾乎為零，所以ZXY與EX成正比，當(dāng)電性不均勻體所產(chǎn)生的靜電壓作用在EX上時(shí)，ρXY的形態(tài)變化將和靜態(tài)電壓的變化一致。依據(jù)曲線平移法，可以將式(1)所計(jì)算的靜態(tài)電壓乘以一個(gè)固定的系數(shù)再反向疊加到實(shí)測(cè)ρXY數(shù)據(jù)上以消除靜態(tài)效應(yīng)，如果沒有靜態(tài)效應(yīng)，多極距曲線應(yīng)是平直的，不隨極距的變化而變化。

基于曲線平移法，單個(gè)極距的一個(gè)測(cè)點(diǎn)的所有頻點(diǎn)的數(shù)據(jù)均采用同一校正系數(shù)，則多極距曲線需選用單一頻點(diǎn)的視電阻率數(shù)據(jù)，而頻點(diǎn)選擇原則為：當(dāng)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)質(zhì)量較有保證時(shí)應(yīng)選擇較高頻率的頻點(diǎn)，以達(dá)到盡量消除淺層視電阻率的橫向變化，本文中MT實(shí)例數(shù)據(jù)選用了80 Hz頻點(diǎn)。

1.3 多極距曲線的表現(xiàn)方式

單接收點(diǎn)不同極距電壓變化曲線的繪制方式：接收點(diǎn)為兩個(gè)電極點(diǎn)中間點(diǎn)，選定接收點(diǎn)后，首先選擇最小極距的兩個(gè)電極點(diǎn)，曲線數(shù)據(jù)點(diǎn)的橫坐標(biāo)為兩個(gè)電極點(diǎn)的位置，縱坐標(biāo)為電壓(或ρXY)，對(duì)應(yīng)于兩個(gè)電極點(diǎn)上的數(shù)據(jù)為同一數(shù)據(jù)，相對(duì)于接收點(diǎn)(中心點(diǎn))對(duì)稱；之后加大極距進(jìn)行拓?fù)溥\(yùn)算，相應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)橫坐標(biāo)(電極點(diǎn)位)會(huì)向兩側(cè)延伸；依據(jù)實(shí)際情況，繼續(xù)加大極距進(jìn)行拓?fù)溥\(yùn)算，就可以繪制出圖2中的一條曲線。

圖2 兩個(gè)接收點(diǎn)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(diǎn)曲線繪制方法繪制出多條曲線后，將曲線的橫坐標(biāo)統(tǒng)一，在縱向?yàn)榱吮苊舛鄿y(cè)點(diǎn)的曲線重疊，需要將曲線的縱坐標(biāo)原點(diǎn)上下錯(cuò)動(dòng)，錯(cuò)動(dòng)量可根據(jù)點(diǎn)位坐標(biāo)按比例計(jì)算得出，錯(cuò)動(dòng)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(duì)稱的，因?yàn)閿?shù)據(jù)的橫坐標(biāo)取電極點(diǎn)位，而電極是成對(duì)出現(xiàn)的。每條曲線對(duì)應(yīng)于一個(gè)接收點(diǎn)(中心位置)，因?yàn)榻邮拯c(diǎn)不同，所以每條曲線的對(duì)稱點(diǎn)都是不同的，如圖2中繪出兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的多極距ρXY剖面曲線。

使用同樣的繪制方式和統(tǒng)一觀測(cè)系統(tǒng)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(diào)節(jié)其參數(shù)使模擬電壓曲線的形態(tài)盡量接近實(shí)測(cè)ρXY曲線，將模擬曲線的數(shù)據(jù)的形態(tài)反向應(yīng)用到實(shí)測(cè)曲線上，盡量拉平(校正)實(shí)測(cè)曲線，靜態(tài)效應(yīng)自然消除。

2 軟件實(shí)現(xiàn)

軟件開發(fā)使用Visual Studio2015平臺(tái)，開發(fā)語(yǔ)言為C#。軟件采用三層架構(gòu)設(shè)計(jì)(圖3)：①底層數(shù)據(jù)為軟件系統(tǒng)提供合理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，包括工程文件、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)文件、觀測(cè)系統(tǒng)以及和觀測(cè)系統(tǒng)密切相關(guān)的正演數(shù)據(jù)和校正系數(shù)等；②數(shù)據(jù)計(jì)算層利用底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，為顯示層提供繪圖數(shù)據(jù)，包括各種文件和數(shù)據(jù)的解析計(jì)算以及調(diào)整不均勻體參數(shù)進(jìn)而得到校正系數(shù)；③顯示層包括各種功能界面、原始數(shù)據(jù)和正演多極距拓?fù)淝€的繪圖以及使用OpenGL技術(shù)實(shí)現(xiàn)電性不均勻體的三維展示控件的開發(fā)。

圖3 軟件架構(gòu)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(dāng)前只支持向下有限延伸的板體，水平延伸方向垂直測(cè)線方向，目前軟件不支持走向旋轉(zhuǎn)，其主要參數(shù)包括：電荷密度(包括極性)、頂部中心位置坐標(biāo)、沿測(cè)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(gè)不均勻板體正演效果，板體的參數(shù)見圖中右下部的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)面板。

圖5上可見實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)在6 200 m向大號(hào)方向，曲線出現(xiàn)了一個(gè)臺(tái)階，而式(1)不能解決這種問題，因此軟件設(shè)定了一種電性界面，以解決當(dāng)兩個(gè)電極點(diǎn)位于界面同一側(cè)時(shí)可能出現(xiàn)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(diào)參數(shù)見圖4(b)。

軟件界面效果見圖5，工具欄在最上方，原始實(shí)測(cè)單頻多極距ρXY拓?fù)淝€使用虛線表示，可通過工具欄上的工具調(diào)節(jié)其透明度，空心點(diǎn)表示原始最小極距數(shù)據(jù)，校正后的多極距ρXY拓?fù)淝€用細(xì)的實(shí)線表示，實(shí)心點(diǎn)表示校正后最小極距數(shù)據(jù)；界面最下方是三維視口，顯示電性不均勻體，點(diǎn)擊不均勻體可彈出其參數(shù)調(diào)節(jié)懸浮面板；界面中間為正演的多極距拓?fù)潇o態(tài)電壓數(shù)據(jù)，其中的實(shí)心點(diǎn)為最小極距的電壓數(shù)據(jù)。

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

人機(jī)聯(lián)作的優(yōu)點(diǎn)在于操作時(shí)只注意曲線的形態(tài)，所以當(dāng)不均勻體和其參數(shù)調(diào)整完畢，正演數(shù)據(jù)更新之后，計(jì)算校正系數(shù)需要借助于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和正演數(shù)據(jù)的屏幕顯示比例因子：showRatio和Obs.Scale，其中showRatio對(duì)應(yīng)工具欄中可調(diào)參數(shù)“顯示幅度系數(shù)”，而Obs.Scale在軟件中固定。

校正系數(shù)的計(jì)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(shù)；comp.Valt為正演電壓；realDat.Rho為實(shí)測(cè)視電阻率；datMp.Rho為校正后視電阻率。

3 應(yīng)用效果

實(shí)驗(yàn)區(qū)為內(nèi)蒙古錫林浩特市賀根山地區(qū)，該地段巖性變化復(fù)雜，反映了構(gòu)造的復(fù)雜性，靜態(tài)效應(yīng)明顯。施工時(shí)同一個(gè)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(zhǎng)度為12 200 m。圖7、圖8是實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)長(zhǎng)短兩條測(cè)線MT01和MT02的視電阻率ρXY擬斷面圖，其中MT01由兩個(gè)同步排列完成，MT02由一個(gè)同步排列完成。采集完成之后由本軟件的時(shí)間域拓?fù)涮幚砉ぞ呒M(jìn)行拓?fù)涮幚?再由SSMT2000軟件進(jìn)行時(shí)頻轉(zhuǎn)換處理和相關(guān)性分析，提取出80 Hz的多極距數(shù)據(jù)。之后，以本軟件進(jìn)行人機(jī)聯(lián)作方式去靜態(tài)操作的工作流程見圖6。

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

實(shí)測(cè)多極距數(shù)據(jù)讀入系統(tǒng)后，需要在工具欄上的“顯示幅度系數(shù)”及其右側(cè)的兩個(gè)工具調(diào)節(jié)其起伏強(qiáng)度和垂向偏移，使實(shí)測(cè)多極距ρXY數(shù)據(jù)曲線顯示效果達(dá)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(diǎn)擊三維視口中顯示的物體后在實(shí)時(shí)參數(shù)調(diào)節(jié)面板中調(diào)節(jié)其參數(shù)，正演曲線和校正后曲線亦實(shí)時(shí)變化，反復(fù)增減和調(diào)節(jié)不均勻體和電性分界面，使正演數(shù)據(jù)波動(dòng)形態(tài)盡量接近實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)以消除靜態(tài)效應(yīng)，直到用戶滿意，圖5中使用的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)即為MT01線數(shù)據(jù)。

得到校正系數(shù)之后，對(duì)測(cè)線各測(cè)點(diǎn)進(jìn)行校正，再使用Surfer繪制擬斷面圖。為了對(duì)比靜態(tài)校正的真實(shí)效果，使用Surfer軟件作圖時(shí)盡量采用了最原始數(shù)據(jù)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(tài)效應(yīng)比較明顯，多處都出現(xiàn)較為嚴(yán)重的“掛面條”現(xiàn)象，垂向上出現(xiàn)10余條明顯的電阻率變化條帶，而經(jīng)過本軟件進(jìn)行拓?fù)淙レo態(tài)校正后，靜態(tài)效應(yīng)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(xié)調(diào)。在圖8中也可看出，經(jīng)本軟件校正后，MT02線的靜態(tài)效應(yīng)也得到了明顯地改善。

4 結(jié)語(yǔ)

筆者依據(jù)拓?fù)淙レo態(tài)理論，開發(fā)了針對(duì)CEMAP數(shù)據(jù)拓?fù)淙レo態(tài)軟件，通過對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的處理，進(jìn)一步證實(shí)了電場(chǎng)空間拓?fù)淅碚摵屯負(fù)淙レo態(tài)的有效性，為大地電磁測(cè)深法提供了一種新的去靜態(tài)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(cè)；(b)拓?fù)淙レo態(tài)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(cè)；(b)拓?fù)淙レo態(tài)處理后

人機(jī)聯(lián)作的方式注重于曲線形態(tài)對(duì)比，可以靈活地將正演靜電場(chǎng)曲線形態(tài)反作用于ρXY拓?fù)淝€，而不需要直接計(jì)算出精準(zhǔn)的校正量，功能較易實(shí)現(xiàn)而且效果顯著，但結(jié)果也易受人為影響。

軟件操作簡(jiǎn)便，界面友好，運(yùn)行穩(wěn)定，具有較強(qiáng)的實(shí)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(guó)地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目(12120113100300)

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

1001-1749(2017)05-0620-06