基于Voxler和Surfer软件在瞬变电磁法三维切片图绘制中的应用与研究

韦乖强，孙 林，张广琦，杜贤军

(1.山东省煤田地质局第五勘探队，山东泰安271000;2.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013;3.山东科技大学，山东泰安271000)

瞬变电磁法有适应地形条件强、受地形起伏影响小、能穿透高阻屏蔽、剖面测量和测深工作同时进行、对低阻反映敏感等优势，近几年普遍应用于煤矿采空区及顶、底板富水性的探测研究中。随着计算机成图技术的发展，三维可视化软件的出现，使得瞬变电磁法在后期的成图及资料解释过程中采用三维切片图直观地展示探测目的层位的视电阻率电性特征成为可能。采用三维切片图，便于分析各目的层位的电性异常特征及上下连通关系。通过对Voxler和Surfer两种软件在瞬变电磁法探测煤矿采空区及含水层富水性评价实践中三维切片图的应用情况分析，总结了Voxler和Surfer两种软件在瞬变电磁法三维切片图绘制中的数据要求、效果差异及所反映异常面积之间的关系。

1 软件简介

Voxler和Surfer两款软件同为美国Golden Software公司出品的三维成图软件。Voxler是一款专业的三维数据可视化成图软件，用于绘制三维方向切片图、三维等值线图、等势面图、等面轮廓图、高程模型图、三维溶解图、散点图、矢量漩涡图、综合模型图等;而Surfer软件是用来制作等值线图和三维等值立体图的软件，是处理XYZ数据的首选软件，具有强大的插值功能和绘制图件能力，可以制作等值线图、线框图、基面图、数据点位图、地形地貌图、分类数据图、趋势图、矢量图以及三维表面图等。两种软件均提供了多种图形图像文件格式的输入输出功能及GIS软件文件格式的输入输出功能，方便了与其他绘图软件数据和文件格式的交流与转换。

2 三维切片图绘制方法

2.1 Voxler软件绘制切片图方法介绍

Voxler在绘制三维切片图之前，先对测区瞬变电磁法反演数据加以整理，把每条测线测点的实际坐标或相对坐标整理成X，Y，Z，ρr(其中X和Y为平面坐标，Z为高程，ρr为X，Y，Z对应的视电阻率)，再把整理好的所有测线的数据合并成一个文件，这样就完成了Voxler软件绘制三维切片图所需要的数据体，数据体格式见表1。启动Voxler软件，调入整理好的三维数据体，执行相关模块操作就可以显示目的层位的三维切片了。

表1 Voxler软件绘制三维切片图数据格式

2.2 Surfer软件绘制切片图方法介绍

根据目的层位的标高，提取每条测线每个测点相应标高的视电阻率数据，把所有测线同一层位提取的视电阻率数据合并成一个文件，这样就完成了Surfer软件绘制目的层位视电阻率切片图所需要的数据体，该数据体为二维面数据，数据体格式见表2。Surfer软件绘制的三维切片图，实际是把各个目的层位的视电阻率等值线平面图堆叠到一起形成的立体切片图。在对各目的层位数据成图时，采用统一的参数，便于以统一原则分析各层位的异常情况。

表2 Surfer软件绘制三维切片图数据格式

2.3 Voxler和Surfer软件的绘图区别

(1)Voxler软件是对三维数据体的整体网格化，可以实现测区XY，XZ，YZ 3个方向任意位置、任意角度的视电阻率顺层切片图的显示。Surfer软件是平面视电阻率等值线的显示，对于有倾角的目的层位，Surfer软件绘制的图件实际是目的层位视电阻率等值线在平面上的投影，对于倾角为0的目的层位，则是实际顺层视电阻率切片图。

(2)Voxler软件提供的数据网格化方法只有3种，Surfer软件则提供了12种网格化方法，不同的插值方法用来解决不同领域所需要展示的图件，显然Surfer软件对于选择数据的网格化方法更具优势。

(3)Voxler软件也可以调用Surfer软件的网格化文件来实现图像的显示，两种软件配合使用可以实现理想的显示效果。

(4)两种软件均有白化功能。Voxler软件的白化是通过修改反距离加权法的属性参数，设置合理的网格椭球参数来实现自然临近法的网格化数据，网格化数据与平面切片图模块关联，通过调整色标来实现空白区域的白化。而Surfer软件既可以通过自然临近法来实现空白区域的白化，也可以采用其他网格化方法，通过Surfer软件白化功能，调用边框文件*.bln来实现。

3 应用实例

3.1 项目概况

河南某矿为石炭－二叠系，属于华北型沉积地层，地表多被第四系黄土覆盖，地表标高175～203m。探测区地层由老至新分别为:奥陶系、石炭系、二叠系和第四系。该矿主采煤层为下二叠统山西组下部的二1煤层，煤层标高－40～130m，倾角8°;主要含水层为奥陶系灰岩岩溶裂隙承压含水层、上石炭统太原组灰岩含水层、二1煤层顶板砂岩裂隙孔隙含水层、第四系冲积层含水层。为了查清二1煤层采空区富水情况及主要含水层的富水性，采用瞬变电磁法进行探测，探测面积约为0.36km2(600m ×600m)。

本次瞬变电磁法评价的主要目的层位为二1煤层采空区、上石炭统太原组灰岩含水层、奥陶系灰岩岩溶裂隙承压含水层，各层位标高见表3。

表3 目的层位标高统计

3.2 切片图绘制

根据Voxler和Surfer软件对于绘制三维切片图的数据要求，整理好瞬变电磁法各测线测点数据。Voxler软件绘图数据为本次所有测线测点瞬变电磁反演数据的合并数据体，调入合并数据体，添加Gridder模型并与调入数据连接，调整好参数后进行数据网格化，再添加 ObliqueImage(3个)，BoundingBox，Axes模型并与网格化后的Gridder模型连接，在ObliqueImage模型里选择要显示的平面方位 (本次选择显示的是XY平面)，根据3个目的层位的标高范围、倾角调整好3个ObliqueImage模型要显示的XY平面相对于Z方向的位置，调整好色谱后统一调入，这样Voxler软件就完成了本次瞬变电磁法需要评价的3个目的层位的视电阻率顺层切片 (图1)。因目的层位距离较近，为了直观显示各层位的视电阻率特征及对应关系，又分别绘制了图2和图3，其中图2为二1煤层和奥灰层位的视电阻率顺层切片，图3为太原组灰岩和奥灰层位的视电阻率顺层切片。综合分析图1、图2、图3各顺层切片图的电性特征，就能了解各层位的视电阻率异常及对应关系。

图1 Voxler软件绘制的3层视电阻率顺层切片

图2 Voxler软件绘制的两层视电阻率顺层切片

图3 Voxler软件绘制的两层视电阻率顺层切片

Surfer软件成图数据为从瞬变电磁法各测线对应目的层位提取的视电阻率二维数据。Surfer软件为常用软件，作图方法不做说明。利用Surfer软件做好各层位的视电阻率平面图，对各平面图采用统一参数旋转、倾斜、调整视角，并按照相应位置堆叠在一起 (图4)，即完成了Surfer软件视电阻率切片图的绘制。

图4 Surfer软件绘制的3层视电阻率顺层切片

3.3 资料分析

图1主要是显示二1煤层的视电阻率顺层切片。从图1来看，探测区二1煤层视电阻率高低差异明显，以相对低阻为主，结合采掘资料分析，视电阻率小于50Ω·m的范围推断为采空区 (如图1中虚线所示范围)，在采空区范围内小于30Ω·m的范围为二1煤层采空区的富水区 (图1中实线所示范围，分别标记为A1，A2，A3)。从现场施工记录来看，在A1位置存在矿用高压输电线，太原组灰岩和奥灰顺层切片均在A1位置出现低阻异常，推断A1位置为高压线干扰所致。图2主要显示的为二1煤层和奥灰的视电阻率顺层切片，从奥灰视电阻率顺层切片来看，除左下角的干扰异常外，仅在测区中部出现相对低阻异常，推断该异常区富水性相对较弱。图3主要显示的为太原组灰岩和奥灰的视电阻率顺层切片图。从太原组灰岩的视电阻率顺层切片图来看，全测区视电阻率相对较高，仅在测区中部出现低阻异常，推断富水性相对较强。综合分析图1、图2、图3，A1异常为高压线干扰所致;A2异常在3个层位的切片图上均有显示，说明异常位置存在一定的水力联系;A3异常仅在二1煤层切片图上有显示，其他层位切片图上在对应位置视电阻率值较高，说明A3异常仅为二1煤层采空区的富水区。

从图4的各层切片来看，各层反映的电性特征和Voxler软件绘制的切片图反映的电性特征相近，区别在于所反映的异常区面积存在差异，即Voxler软件绘制的切片图反映的异常区面积较大，其原因是由地层倾角引起。Voxler软件绘制的是沿地层倾角的顺层视电阻率切片，而Surfer软件绘制的切片图是顺层视电阻率等值平面图在平面上的投影，二者之间的关系为:

式中，S1为顺层异常区面积 (Voxler软件);S2为顺层异常区面积在水平面的投影 (Surfer软件);α为地层倾角，0°≤α＜90°，当 α=90°时，显示的是YZ平面视电阻率的变化，此时，X为一固定数值，S1=S2;当α=0°时，显示的是XY平面视电阻率的变化，此时，Z为一固定数值，S1=S2。

该矿煤层倾角为8°，cosα＜1，所以Voxler软件显示的异常区面积大。

从Voxler和Surfer两个软件绘制的视电阻率切片图来看，各层位均在测区中部显示低电阻异常，异常区位置对应较好，说明在异常区裂隙较发育，存在一定的连通性;区别是二1煤层下部含水层在异常区的视电阻率值相对增大，说明二1煤层下部含水层的富水性减弱。

4 结论

通过Voxler和Surfer两个软件在瞬变电磁法三维切片图中的绘制情况，对比分析了两种软件的各自特点和异常范围的关系，主要结论如下:

(1)Voxler和Surfer两个软件都可以绘制视电阻率顺层切片图，区别在于Voxler软件绘制的是沿地层倾向的视电阻率切片图，而Surfer软件绘制的是顺层视电阻率切片图在水平面上的投影。

(2)当地层倾角为0时，两种软件绘制的切片图显示的异常区面积相等;当地层倾角大于0小于90°时，Voxler软件绘制的切片图显示的异常区面积 (S1)大于 Surfer软件显示的异常区面积(S2)，两者之间的关系为S1=S2/cosα;当地层倾角为90°时，两种软件绘制的顺层切片图反映的异常区面积相等，仅是显示平面方位发生变化。

(3)Voxler软件绘制的切片图可以显示探测深度范围内任意标高的视电阻率变化特征，而Surfer软件显示的仅是目的层位的视电阻率变化特征。其原因在于Voxler软件的绘图数据是三维数据体，而Surfer软件的绘图数据是二维面数据。

(4)Voxler软件具有强大的图像显示功能，可以显示任意角度、任意深度的视电阻率变化情况，但输出为图片格式，图片的编辑功能受限;Surfer软件图像显示功能有限，但输出格式不仅可以为图片，也可以输出为可编辑的格式。

(5)在仅用Surfer软件绘制切片图解释资料时，当地层倾角α不为0，应该考虑地层倾角的影响，通过公式反算求得沿地层倾向上的异常区面积，力求反映的异常面积接近真实。

(6)本文仅以瞬变电磁法探测煤矿采空区富水性及主要含水层富水性评价为例，探讨了两种软件在绘制切片图中的应用情况，该两种软件也适用于其他物探方法切片图的绘制。

［1］陈欢欢，李 星，丁文秀.Surfer 8.0等值线绘制中的十二种插值方法［J］.工程地球物理学报，2017，4(1):52－57.

［2］刘慧鹏，李文尧.Voxler在EH4数据资料成图中的应用［J］.云南地质，2010，29(1):98－101.

［3］梁庆华，刘明伟，胡五超.基于Voxler的井下瞬变电磁三维可视化研究［J］.矿业安全与环保，2013，40(5):21－24.

［4］孙清奎，高 级.基于Voxler的瞬变电磁浅层采空区三维解释研究［J］.能源技术与管理，2014(5):174－176.

［5］郑志利.基于Susfer软件的区域地下水埋深等值线图绘制应用分析 ［J］.地下水，2012，34(6):27－28.