多功能电法数据处理解释软件系统及其应用效果

刘明文， 顾观文， 吴文鹂

(1.重庆地质仪器厂，重庆 400033; 2.中国地质科学院 地球物理地球化学勘查研究所，廊坊 065000)



多功能电法数据处理解释软件系统及其应用效果

刘明文1， 顾观文2*， 吴文鹂2

(1.重庆地质仪器厂，重庆 400033; 2.中国地质科学院 地球物理地球化学勘查研究所，廊坊 065000)

首先对多功能电法数据处理解释软件系统(DPEMDataPI)的功能、特点等方面进行介绍，然后对软件系统与多功能电磁探测仪器配套的一个重要环节(即原始数据转换为视电阻率、相位等信息)的处理过程和方法进行总结，最后在一定范围内与国外同类软件比较，结果表明，本软件系统在功能及反演效果方面与国外同类软件相当。同时通过本系统对实测数据的处理反演应用说明，多功能电法数据处理解释软件系统能对多种电法数据进行处理和反演，并取得明显效果。

电法勘探； 数据处理解释; 软件系统

0 前言

物探数据处理技术是地球物理观测数据与形成地质解释成果的桥梁，电(磁)法勘探作为资源勘查的主要手段，其数据处理解释技术的发展，对于提升资源勘查的质量和效率具有重要意义。在提高电法探测仪器的研发、创造水平的同时，也更应该重视数据处理解释软件系统的研究和开发。

国外非常重视物探数据处理解释技术的软件化工作，在电(磁)勘探领域，软件主要以两种方式存在：一种方式是与探测仪器相配套的数据处理解释软件，如美国ZONGE公司针对其多功能电法仪器开发了包括TDIP、CSAMT/MT和TEM等方法的数据处理解释软件；美国AGI公司的高密度电阻率法仪器也配套了相应的二维、三维电阻率成像软件。另一种方式是较为通用、综合的物探数据处理解释软件，如加拿大PetRos EiKon公司的EMIGMA软件，在电磁方面主要涉及的方法包括IP、AMT、CSAMT和TEM；美国Geotomo公司针对于高密度电阻率法开发的ResXDInv电阻率成像软件。近年来，国内在电磁勘探的数据处理解释领域发展迅速，一些科研院所和高校形成了具有自身特色的数据处理和反演技术，并将形成的技术及时集成为软件[1]。针对于MT法有：成都理工大学开发的MT-soft[2]，石油大学的电磁勘探资料处理解释一体化系统[3]，以及中国地震局地质所的MT-Pioneer软件[4]，这几款软件的主要功能为MT的数据预处理和一、二维正反演；在软件的多功能、综合化方面，中国地质科学院物化探研究所开发的电法工作站(WEM2.5)软件集成了TDIP、AMT、CSAMT、TEM和SIP五个方法，是集数据输入、数据预处理、正反演解释和成果输出为一体的电法数据处理解释系统[5-9]。

目前，软件主要以综合化和专业化方向发展。为了顺应这一发展趋势，中国地质科学院物化探研究所在电法工作站软件系统(WEM)的基础上，完善集成开发了多功能电法数据处理解释软件系统[10-11]。软件系统可与物化探所研制的大功率多功能电法仪器配套使用，也能供其他同类电法仪器观测数据的处理和反演使用。

图1 软件系统功能组成图

1 系统组成、功能、运行环境及特点

1.1 系统组成、功能和运行环境

多功能电法数据处理解释软件系统包括TDIP、AMT和CSAMT三种电法方法，主要功能为数据输入、数据预处理、正反演计算、数据成图和结果输出。数据输入功能包括TDIP、AMT和CSAMT数据的输入；数据预处理包括数据曲线的编辑与圆滑、AMT数据BOSTICK转换、CSAMT数据静态效应校正和近场改正等功能；正反演计算功能包括激电测深带地形二维反演、AMT带地形二维反演和CSAMT的一维正反演；数据成图包括测深曲线、拟断面、反演断面和一维地电模型的显示；结果输出支持Surfer格式数据、ASCII格式文本数据、图片和打印输出。软件系统功能组成和系统界面如图1和图2所示。系统可在当前微机主流硬件配置，Windows XP/Win7操作系统下运行。

图2 系统界面

1.2 系统特点

1)集成度高。系统在电法方面集成了TDIP、AMT和CSAMT三种方法，在功能方面集数据输入、数据预处理、正反演计算、数据成图和结果输出于一体。使得数据处理与反演及结果成图可在系统中一体化完成，不需依赖于第三方软件。

2)成图功能强。系统具备电测深曲线、拟断面、反演断面(水平地形和起伏地形)成图功能(图3)，可将设置好参数显示的图件保存为图片格式，以便报告编写之用，也可在系统中直接将图片打印输出。

3)操作友好方便。软件系统的操作流程符合行业用户数据处理习惯和电法数据处理解释的一般流程。数据导入、预处理、反演计算、数据成图和结果输出一体化完成，且中间环节结果和处理解释成果在操作过程中实时可见(图4)。

2 仪器原始数据转换

仪器原始数据转换是指将仪器采集的时间域数据经一系列处理后，转换为后续反演软件所需数据(原始数据转换为视电阻率、相位等信息)。

2.1 AMT数据处理

要想从观测的电磁场输入信息中获取可靠的阻抗估计值，必须有选择地利用输入、输出信息，来选择好数据，以获取反应地下地电信息的视电阻率及阻抗相位等数据资料。处理主要环节如下：

2.1.1 去直流量

在数据采集过程中，因各测点自然电位的不同，在观测仪器的数据记录中也就存在不同的直流偏移，在数据处理前将其去掉，所用公式为式(1)：

(1)

式中：N为样点数。

图3 成图模块

图4 数据处理及反演操作流程图

2.1.2 汉宁窗

为了减小截断效应，在谱分析前应对时间序列加窗，修改矩形窗函数，采用汉宁窗形式：

yo=yi*0.5［1-cos(i*2π/N)],i=1,…,N

(2)

2.1.3 双道相干度

(3)

其中：*为共轭复数。

在线性系统情况下，0≤Ceh≤1。在数据选择中建议取0.5≤Ceh≤1。

2.1.4 电阻率限定

根据测区地电特征，设定观测频率范围的最小最大电阻率值，以剔除干扰数据。即在某频率范围内fmin-fmax，设最小最大电阻率值为ρmin-ρmax，其电磁场信号与阻抗及视电阻率间的关系为：

(4)

ρ=0.2|Z|2/f

(5)

(6)

对于设定的最小最大电阻率值，在该频率段内电磁场应满足式(7)。

(7)

根据以上所述原则，对观测数据进行挑选和处理后，便可进入阻抗估算。

2.1.5 频谱分析

对观测记录的阵列天然场时间域数据，经过去直流及加窗处理后，进入频谱分析，以求取各测点需要频率的电场及磁场之幅值和相位数据，采用的是512数据点的快速傅立叶变换，同时获取14个频率点的幅值和相位。

2.1.6 阻抗计算

(9)

其中：*为共轭复数；Z为待求阻抗值；N为总的观测叠加次数。

求得阻抗后，利用ρ=0.2T|z|2，φ=arg(z)可求得视电阻率及阻抗相位。

2.2 CSAMT数据处理

多功能电磁探测仪系统，其发射波形为多频组合方波，多频组合方波的采用有利于增加资料频点的密度，使每频率数量级的频点达到20个，获取更多的信息，采用多频组合方波进行发射，要求接收机宽带接收，接收资料后需进行资料滤波处理，才有利于获取高质量的处理结果。

针对上述CSAMT的信号特点，研究开发了实用的CSAMT信号提取和处理技术[12]，该技术的处理流程如下：

1)对原始记录资料进行解编。

2)采用幅值相位比较法，对各采集频组的时间域资料进行频谱分析，分选出工业干扰频率及其谐波(50 Hz、150 Hz、250 Hz、350 Hz、450 Hz、550 Hz)的特征—幅值、相位，对分选出的工业干扰幅值和相位资料，经过反变换在时间域资料序列中予以去除。

3)对各采集频组，依据相应的多频方波频率范围，采用加窗法设计带通滤波器，滤除高于和低于频率范围的干扰。

4)采用整周期叠加法，对滤波后的时间域资料进行叠加，进一步滤除随机干扰(如天然电磁场)的影响。

5)对叠加后的资料予以选频计算，选出需要频率点的幅值和相位。

6)对计算所得各测点电磁场资料的幅值和相位，经仪器响应参数改正及归一化后，计算各频率点的视电阻率与阻抗相位以及均方相对误差信息。

3 与同类电法软件比较

作者在日常电法数据处理解释中，使用多功能电法数据处理解释软件系统的同时，也使用国、内外应用较为广泛的同类电法软件，并进行反演情况比较。

3.1 与Res2DInv电阻率成像软件比较

采用作者介绍的多功能电法数据处理软件中的激电测深反演程序和Res2DInv电阻率成像软件对某测区的300线视电阻率数据进行二维反演(图5、图6及图7)，从两套软件的反演结果来看，反演断面均能反映出U型冲沟对应的高阻异常，异常在横向和纵向归位基本一致。

图5 实测视电阻率拟断面

图6 正演视电阻率拟断面

图7 300线反演电阻率断面及异常

图8 CSAMT数据反演电阻率断面

3.2 与CSINV软件比较

CSINV为美国Zonge公司GDP32仪器配套的CSAMT一维反演软件，采用多功能电法数据处理软件中的CSAMT一维反演程序和CSINV反演程序对某测区CSAMT数据进行反演(图8)。从两款程序的反演电阻率断面(图8(a)和图8(b))均可以看出，在横向500 m至800 m之间，深度1 200 m至950 m之间，存在倾斜状低阻异常体。

4 应用实例

4.1 某矿区激电测深数据和CSAMT数据的反演

采用多功能电法数据处理解释系统中的激电测深二维反演程序和CSAMT一维反演程序分别对内蒙某工区的500线相位激电和CSAMT资料进行反演。

4.1.1 观测装置及参数

偶极激电测深采用轴向偶极—偶极装置，观测参量为视电阻率ρs和绝对相位φs。野外工作装置如图9所示。供电极距AB=80 m、接收极距MN=80 m，点距为40 m，隔离系数n=1～12。

图9 相位激电轴向偶极-偶极装置示意图

CSAMT采用赤道偶极标量观测方式，发射源AB=3 000 m，收发距约9 km，点距=40 m，观测频率范围为 0.312 5 Hz～8 000 Hz。

4.1.2 反演情况

对于激电数据采用激电测深二维反演程序对视电阻率和视相位进行反演，反演初始模型为均匀半空间，该物性值分别为记录点的平均视电阻率和平均视相位。反演迭代5次，RMS(均方误差)为13 %，从图10可以看出，实测和正演视电阻率拟断面以及实测和正演视相位拟断面形态相似程度高。

图10 反演结果图

对于CSAMT数据，采用CSAMT拟二维反演程序对全频段(0.312 5 Hz～8 000 Hz)的视电阻率和相位数据进行反演，首先将数据进行BOSTICK转换，以转换后的结果作为一维反演的初始模型，首轮反演迭代次数为3次，反演完成后，针对拟合情况不满意的测点进行继续迭代反演，直到拟合误差在可接受范围为止，本测线共62个测点，拟合差在15 % 以内为51个测点，在20 %左右为11个测点。图11为第41号测点的实测曲线与正演曲线的拟合情况,从图11可以看出，实测曲线和正演曲线形态一致，数值基本处于同一范围。

图11 500线41号点实测曲线与正演曲线拟合图

图12 500测线上获取的综合异常

图12为500线激电测深和CSAMT数据反演断面(由蓝色渐变至红色对应低值渐变至高值)及中梯激电剖面曲线，从图12可以看出，矿致异常在相位和电阻率反演断面有明显反映，异常位置与中梯剖面曲线激电异常位置对应一致。

4.2 某矿区AMT数据的反演

图13为采用多功能电法数据处理解释系统中的AMT二维反演程序，对在西部高原某已知矿区所取得的实际数据经反演解释后得到的电阻率与地质资料对比的断面图，从图13可见，反演解释结果与已有地质资料相对应，反映出矿化及含矿异常体的空间分布。

图13 某测线AMT数据二维反演电阻率断面图

5 结论

1)多功能电法数据处理解释软件系统，可对激电测深数据、AMT数据和CSAMT数据进行处理和反演，可在系统中集数据输入、数据预处理、反演计算、数据成图和结果输出一体化完成。

2)通过多功能电法数据处理解释软件系统，与国外同类软件对同一实测数据反演效果的比较，结果表明，多功能电法数据处理解释软件系统在主要功能及反演效果方面与国外同类软件相当。

3)通过多功能电法数据处理解释软件系统的IP激电测深、CSAMT和AMT数据处理及反演程序在不同矿区中的应用，表明处理及反演结果合理有效，说明软件系统具备较高程度的实用性。

4)软件系统能与中国地质科学院物化探研究所的多功能电磁探测仪器配套使用。

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The software system of multifunction geoelectrical data processing and interpretation

LIU Ming-wen1, GU Guan-wen2*, WU Wen-li2

(1.Chongqing Geological Instrument Factory, Chongqing, 400033,China; 2. Institute of Geophysical and Geochemical Exploration, Langfang, 065000, China)

Firstly, We introduce the functions and characteristics of the multi-function geoelectrical prospecting data processing and interpretation software system. Then, we summarizes the process and method of the important link of the software system with multi-function electromagnetic instruments (i.e., transfer the raw data into apparent resistivity and phase information). Finally, we shows the results that the function and inversion effects of the DPEM data PI is similar to foreign software by compare to foreign software within a certain range. We apply the software system to the measured data processing and inversion. The application shows, that the multifunction geoelectrical data processing and interpretation software system is capable of a variety of geoelectrical data processing and inversion. This achieved evident results. At the same time, the software system can be used with the electromagnetic detection equipment supporting the use of multi-functional of the institute of geophysical and geochemical exploration of Chinese academy of geological sciences .

geoelectrical prospecting; data processing and interpretation; software system

2015-02-03 改回日期：2015-04-20

国家重大科学仪器设备开发专项(2011YQ05006005,2011YQ05006006)

刘明文(1966-)，男，高级工程师，从事电法仪器方法研究，E-mail：297181321@qq.com。

*通信作者：顾观文(1975-)，男，教授级高工，主要从事电(磁)法正反演研究及其软件的研制，E-mail：guguanwen@igge.cn。

1001-1749(2015)04-0444-08

P 631.3

A

10.3969/j.issn.1001-1749.2015.04.06