電性源短偏移距瞬變電磁法數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)SOTEMsoft

陳衛(wèi)營，薛國強,4

(1. 中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所 中國科學院礦產(chǎn)資源研究重點實驗室,北京 100029; 2. 中國科學院地球科學研究院,北京 100029; 3. 中國科學院大學 地球與行星科學學院,北京 100049; 4. 西北有色地質(zhì)礦業(yè)集團有限公司，陜西 西安 710054)

0 引 言

電性源短偏移距瞬變電磁法(SOTEM)是近幾年快速發(fā)展的一種新型瞬變電磁法(TEM)，它利用兩端接地的長導線作為發(fā)射源，并在小于2倍探測深度的偏移距范圍內(nèi)觀測純二次場。由于采用接地線源發(fā)射一次場信號，電性源短偏移距瞬變電磁法相較于目前廣泛應用的回線源瞬變電磁法具有探測深度大、可觀測場量多、復雜地形適用性好等優(yōu)點；由于采用較小的偏移距觀測信號，電性源短偏移距瞬變電磁法相較于傳統(tǒng)的長偏移距瞬變電磁法(LOTEM)具有信號能量強、帶寬大、探測精度高、施工成本低等優(yōu)點[1-4]。目前，電性源短偏移距瞬變電磁法已廣泛應用于深部金屬礦、煤田水文地質(zhì)等勘探領(lǐng)域[5-7]。

然而，在利用接地導線源發(fā)射、短偏移距觀測提升探測深度和精度的同時，也給電性源短偏移距瞬變電磁法的數(shù)據(jù)處理帶來一定難度。首先，由于電性源短偏移距瞬變電磁法屬于近源觀測，發(fā)射源的尺寸、形狀以及偏移距、觀測范圍等幾何參量都會對信號造成較大的影響，使得數(shù)據(jù)處理需要考慮的因素更多[8-9]；其次，為獲得更大的探測深度，電性源短偏移距瞬變電磁法的觀測延時相較于傳統(tǒng)的回線源瞬變電磁法更長(可以達到幾百毫秒)，這就造成其信號頻帶更寬，動態(tài)范圍更大，晚期信號微弱，信噪比較低[10-11]；另外，電性源短偏移距瞬變電磁法探測還經(jīng)常面臨一些特殊的地質(zhì)和地球物理環(huán)境，如巨厚低阻覆蓋層、地形起伏劇烈、極化效應嚴重等問題，進一步增加了其數(shù)據(jù)處理的難度[12-13]。

目前已有的瞬變電磁數(shù)據(jù)處理軟件大都僅針對回線源裝置，比較知名的包括丹麥Aarhus大學開發(fā)的Workbench和SPIA軟件、美國GEOSYSTEM開發(fā)的WinGLink軟件、美國Zonge公司的STEMMINV軟件、中國北京歐華聯(lián)公司的TEMpros軟件、中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所白登海研究員開發(fā)的BTEM軟件等。極少軟件系統(tǒng)可以處理電性源瞬變電磁法裝置的數(shù)據(jù)，僅有瞬變電磁軟件EMIT Maxwell和電磁測深反演程序軟件Interpex IX1D具備電性源模塊。但是，上述軟件在進行電性源數(shù)據(jù)處理時未能充分考慮電性源短偏移距瞬變電磁法的裝置特點，使得數(shù)據(jù)處理效率和精度都受到較大影響，實用化程度較低。

針對上述問題，筆者開發(fā)了一套專門適用于電性源短偏移距瞬變電磁法數(shù)據(jù)處理的軟件系統(tǒng)SOTEMsoft?；谝酝罅康睦碚撗芯亢吞綔y實踐，SOTEMsoft除實現(xiàn)了常規(guī)的數(shù)據(jù)預處理和反演計算外，還實現(xiàn)了以下幾項關(guān)鍵技術(shù)：①任意(位置、尺寸、形狀)電性發(fā)射源一維快速正反演；②多分量數(shù)據(jù)、多源數(shù)據(jù)聯(lián)合反演；③考慮激發(fā)極化(IP)效應的反演；④基于橫向約束的擬二維反演。在此基礎(chǔ)上開發(fā)出集數(shù)據(jù)整理、預處理與評價、實時成像、正演模擬、反演計算、工程出圖等功能為一體的人機交互式實用化電性源短偏移距瞬變電磁法數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)。本文將系統(tǒng)介紹SOTEMsoft的框架組成及其主要功能與特點，并通過對模擬數(shù)據(jù)及野外實測數(shù)據(jù)的處理說明該軟件的效果。

1 功能與特點

1.1 軟件構(gòu)成

SOTEMsoft的構(gòu)成如圖1所示，主要包括數(shù)據(jù)整理模塊(TEM-USF.exe)和數(shù)據(jù)處理模塊(SOT-EMsoft.exe)。其中，數(shù)據(jù)整理模塊的功能是將數(shù)據(jù)采集儀器系統(tǒng)輸出的通用測深格式(.USF)文件及測點、發(fā)射源坐標信息匯總并生成SOTEMsoft可讀取的DLR文件。數(shù)據(jù)處理模塊是本軟件的核心部分，其主界面如圖2所示。此外，軟件系統(tǒng)還包括3個輔助文件：用于儲存測深數(shù)據(jù)的“數(shù)據(jù)集合”文件夾；用于匯總測點坐標信息的“sounding.txt”文件；用于輸入發(fā)射源坐標信息及測點文件名稱的“source.txt”文件。

圖1 SOTEMsoft的構(gòu)成

圖2 SOTEMsoft的主界面

1.2 軟件功能

SOTEMsoft以野外實測數(shù)據(jù)為核心，采用Fortran核心算法實現(xiàn)電性源短偏移距瞬變電磁法的數(shù)據(jù)預處理及一維正反演，采用VB.NET實現(xiàn)軟件人機交互界面，能夠?qū)σ巴鈹?shù)據(jù)進行整理→顯示→評價→去噪→反演→成圖等完整處理。SOTEMsoft主要功能包括數(shù)據(jù)整理、圖像顯示、數(shù)據(jù)預處理、模型構(gòu)建、正演模擬、數(shù)據(jù)反演、工程出圖等(圖3)。

圖3 SOTEMsoft軟件功能構(gòu)架

(1)數(shù)據(jù)整理：將儀器原始記錄的電磁場信號、時間以及發(fā)射源和接收點坐標、發(fā)射電流等信息進行匯總整理，生成SOTEMsoft可直接讀取的DLR文件。

(2)圖像顯示：軟件提供包括收發(fā)布置圖、單點衰減曲線、地形起伏、多測道曲線、響應幅值剖面、擬合曲線、反演結(jié)果等多種形式的數(shù)據(jù)圖像顯示(圖4)，可用于直觀判斷數(shù)據(jù)準確性、評價觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量和反演效果。

圖4 SOTEMsoft圖像顯示功能

(3)數(shù)據(jù)預處理：采用人機交互方式實現(xiàn)對原始數(shù)據(jù)的時間道選取、飛點剔除、圓滑濾波、數(shù)據(jù)質(zhì)量評價等預處理分析。

(4)模型構(gòu)建：根據(jù)需求建立正演模型或反演模型。

(5)正演模擬：提供針對電性源瞬變電磁裝置的一維正演，可為應用者開展工程設(shè)計、可行性分析、參數(shù)選取、科學研究等工作提供幫助。

(6)數(shù)據(jù)反演：對預處理后的數(shù)據(jù)進行半定量反演、一維定量反演和擬二維橫向約束反演。

(7)工程出圖：實時更新反演電阻率-深度斷面圖，并自動調(diào)用Surfer軟件繪制工程輸出圖像。

1.3 軟件特點

SOTEMsoft主要特點包括：可實現(xiàn)任意裝置形式(地面、地-空、地-井)電性源瞬變電磁一維正演[14]；提供一維等效源半定量快速反演[15]、自適應正則化一維反演[16]、擬二維橫向約束反演[17]等多種反演方法，并提供多種模型約束；支持電場Ex分量、磁感應強度Bz分量、dBz/dt分量(t為時間)單獨反演和任意分量組合的聯(lián)合反演[18]；基于Cole-Cole模型的極化率參數(shù)反演[13]；提供微分電導成像結(jié)果，實現(xiàn)電性界面精確刻畫[19]；支持彎曲發(fā)射源、多個發(fā)射源數(shù)據(jù)同時反演[20]；解析靈敏度矩陣，CUDA并行計算，實現(xiàn)軟件計算加速[21]；根據(jù)測點位置分布建立帶地形自適應光滑過渡的反演模型；人機交互、鼠標+快捷鍵操作處理；提供多種圖像顯示并實時更新，自動調(diào)用Surfer軟件繪制工程輸出圖像；保存反演結(jié)果文件、過程文件、模型轉(zhuǎn)換文件。

2 應用效果

2.1 模擬數(shù)據(jù)處理效果

設(shè)計一個含激發(fā)極化效應的三層地電模型(圖5)。模型背景電阻率為300 Ω·m，極化率為0%；中間層電阻率為100 Ω·m，極化率為5%，中間層厚度由中間(橫向距離為500 m處)100 m逐漸向兩側(cè)增加到200 m。發(fā)射源長度為500 m，發(fā)射電流為1 A，計算時窗范圍為0.01～100.00 ms，偏移距為500 m，點距為20 m，共計算51個測點。接收點與發(fā)射源的幾何布置關(guān)系如圖6所示。利用SOTEMsoft自帶的一維正演模塊，對51個測點分別進行一維正演，得到各測點的響應數(shù)據(jù)(dBz/dt)，并隨機在各測點的響應數(shù)據(jù)中添加5%～10%的白噪聲。

ρ為電阻率；M為極化率

為更好地刻畫反演模型的界面，壓制噪聲對反演結(jié)果的影響，保證測點反演電阻率在橫向上的連續(xù)性，本文采用施加了橫向電阻率約束(LCI)的擬二維反演方法。首先，根據(jù)反演深度需求建立合理的反演模型(圖7)；然后，在反演參數(shù)設(shè)置界面，勾選電阻率和極化率兩個反演參數(shù)，并設(shè)置兩者的取值范圍(圖8)。為保證反演結(jié)果的穩(wěn)定性，本次研究固定了模型參數(shù)中對極化率效應影響較小的時間常數(shù)和頻率相關(guān)系數(shù)，這兩個參數(shù)可以根據(jù)實際測區(qū)的主要巖性特征進行選取。SOTEMsoft提供了模型最小梯度約束、模型最光滑約束、模型最小支持梯度約束、模型最小支持光滑約束4種模型穩(wěn)定器，實際應用中可根據(jù)需要合理選擇。本次反演中，時間常數(shù)設(shè)置為1 s，頻率相關(guān)系數(shù)設(shè)置為0.25，模型穩(wěn)定器選擇模型最小梯度約束。

圖7 反演模型建立界面

圖8 反演參數(shù)設(shè)置界面

基于圖7模型建立和圖8反演參數(shù)設(shè)置，利用SOTEMsoft進行擬二維橫向約束反演，得到了電阻率-深度和充電率-深度剖面(圖9)。通過7次迭代，所有測點的擬合殘差都小于5%。由此可以看出，無論是電阻率模型還是充電率模型，SOTEMsoft都很好地恢復了真實模型的參數(shù)，且對中間目標層厚度及界面的刻畫也非常準確。

圖9 基于Cole-Cole模型的擬二維橫向約束反演結(jié)果

2.2 實測數(shù)據(jù)處理效果

以陜西省麟游縣某煤礦深部地層含水性調(diào)查為例，說明SOTEMsoft實測數(shù)據(jù)處理效果。本區(qū)地層由老至新分別為三疊系、侏羅系、白堊系、第三系和第四系，主采煤層為侏羅系延安組的3#煤，埋深大部分為500～700 m。本次測量的主要目的是調(diào)查區(qū)內(nèi)3#煤頂、底板主要含水層的富含水性及斷層的含水性和導水性。通過試驗工作選定了本次電性源短偏移距瞬變電磁法探測的工作參數(shù)：發(fā)射源長度為1 059 m，點距為20 m，發(fā)射源中心至測線中心的距離為730 m，發(fā)射電流為16 A，電流基頻為2.5 Hz。接收線圈有效面積為10 000 m2，收發(fā)布置如圖10所示。由于測線附近無明顯干擾源，實測數(shù)據(jù)整體質(zhì)量較高，僅晚期個別時間道的數(shù)據(jù)出現(xiàn)畸變，在預處理時對畸變數(shù)據(jù)進行剔除。實測垂直感應電壓(Vz(t))多測道曲線及響應幅值剖面如圖11所示。

圖10 測線收發(fā)布置

利用SOTEMsoft對預處理后的數(shù)據(jù)進行擬二維橫向約束反演，反演模型最大深度取1 500 m，首層厚度為10 m，共34層；各層厚度以對數(shù)等間隔遞增，選擇模型最光滑約束穩(wěn)定器，迭代次數(shù)為7，反演結(jié)果如圖12(a)所示。同時，為驗證軟件效果，利用商用軟件IX1D對同樣的數(shù)據(jù)體也進行了反演處理，結(jié)果如圖12(b)所示。從圖12可以看出，兩個軟件反演得到的地層電阻率分布基本一致。淺部約200 m深度范圍內(nèi)地層呈明顯的高阻反映，代表了含水性較差的第四系黃土、第三系紅土、白堊系砂巖地層。標高900～1 100 m之間存在一處明顯的低阻層，厚度約為100 m，對應含水性較好的侏羅系直羅組泥巖地層。再往深處，地層電阻率出現(xiàn)明顯的橫向突變，表明該深度范圍內(nèi)地層的含水性存在不同。測點0～400之間地層富水性較強，并根據(jù)電阻率縱向的延展形態(tài)，推測該處發(fā)育斷層，形成良好的導水和賦水通道，溝通了上部侏羅系含水層。該探測結(jié)果與礦方在剖面上實施的兩個鉆孔K2-5和K2-6揭示的地層分布及含水性情況一致，驗證了處理結(jié)果的準確性。

圖12 反演電阻率-深度剖面

通過處理本次數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，與商用軟件IX1D相比，SOTEMsoft的優(yōu)勢體現(xiàn)在：①結(jié)果更可靠，由于采用擬二維橫向約束反演方法，SOTEMsoft得到的電阻率在橫向上的過渡更為光滑自然，對地層界面的刻畫更為清晰；②速度更快，相同計算機配置條件下(Intel(R) Xeon(R) CPU E5-1603 v4 @ 2.80GHz RAM 16 GB)，SOTEMsoft反演整條測線數(shù)據(jù)僅需約5 min，而商用軟件IX1D則需約16 min；③功能更為完備，SOTEMsoft針對電性源短偏移距瞬變電磁法的裝置及數(shù)據(jù)特點而開發(fā)，包含了預處理、正反演、顯示成圖等較齊全的功能，而商用軟件IX1D為多種電磁方法數(shù)據(jù)處理而開發(fā)，功能針對性和完備性較弱；④操作更為簡單，SOTEMsoft實現(xiàn)了從原始觀測數(shù)據(jù)到最終輸出結(jié)果的流程式處理，而商用軟件IX1D在相對坐標計算、參數(shù)編輯、模型建立、結(jié)果整理等步驟操作較為繁瑣，且可視化及人機交互效果也較差。

3 結(jié) 語

電性源短偏移距瞬變電磁法是一種極具潛力的大深度人工源電磁探測方法，目前已被廣泛應用，迫切需要適用于該裝置特點的數(shù)據(jù)處理軟件。數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)SOTEMsoft專門為電性源短偏移距瞬變電磁法而開發(fā)，具備數(shù)據(jù)整理、圖像顯示、數(shù)據(jù)預處理、模型構(gòu)建、正演模擬、數(shù)據(jù)反演、工程出圖等功能。數(shù)值模擬和野外實測數(shù)據(jù)處理效果表明，SOTEMsoft數(shù)據(jù)處理精度高、速度快、實用性強、可靠性好，可以滿足實際生產(chǎn)的需求。

廣東省地球物理探礦大隊韓思旭工程師在程序編寫、軟件調(diào)試等方面提供了幫助，在此表示感謝!