大地电磁测深法拓扑去静态软件的实现与应用

刘 正， 刘俊昌， 徐新学， 马 为， 郑国磊， 郑 军， 王 茜

(天津市地球物理勘探中心，天津 300170)

大地电磁测深法拓扑去静态软件的实现与应用

刘 正， 刘俊昌， 徐新学， 马 为， 郑国磊， 郑 军， 王 茜

(天津市地球物理勘探中心，天津 300170)

在连续阵列大地电磁(CEMAP)时间域电场空间拓扑理论研究的基础上，提出了使用单频点多极距ρXY曲线来表现地表横向电性不均匀体所产生的静态效应的思路，在同一观测系统中以人机联作的方式正演计算不均匀体所产生多极距静电压曲线，并用其压制实测多极距ρXY曲线上由静态效应引起的形态起伏，以实现静态校正。开发的拓扑去静态软件，在对实测数据处理的过程中取得显著效果。

CEMAP； 静态效应； 不均匀体； 拓扑； 多极距曲线； 人机联作

0 引言

天然电磁场所产生的电流流过地下浅部电性不均匀体时，将在其界面产生电荷积累，由此对观测点产生一种附加电场，从而使大地电磁测深结果发生较大地畸变，这种效应被称为静态效应。对于静态效应，很多学者进行研究，并提出了一些消除静态效应的方法[1-10]，包括曲线平移法、空间滤波法和阻抗张量校正法等。其中曲线平移法是整条曲线的各个频点使用同一校正系数，可使整条曲线在对数坐标系下平移而不做任何形态上的改变，而其他方法对曲线形态都有一定影响。刘俊昌[2-3]基于CEMAP引入时间域空间拓扑理论，可将同步采集的空间连续电道数据在时间域进行拓扑计算，用拉大极距的方法压制静态效应并取得了一定的效果，“拓扑计算”在文献[3]中有较详细的说明，指基于电场连续理论，针对同一时刻采集的CEMAP时间域电场数据沿测线方向进行叠加得到同一测点的X方向的多极距时间域电场数据。笔者在拓扑理论的基础上，利用单频点多极距视电阻率曲线来展示实测静态效应，以人机联作的方式，通过调整不均匀体的参数改变正演多极距电压曲线形态，并将正演结果反作用于实测数据，以实现MT静态校正。基于上述思路开发的拓扑去静态软件，取得了一定的预期效果。

1 静态校正原理

1.1 静电压模拟计算

根据静电场理论，对于所设计模型，其积累电荷分布在前后面和两个侧面，设不均匀体外侧为正电荷，内部为负电荷；剖面上的各点电位由这四个面的电荷叠加而成，其剖面形态见图1。

图1 浅地表电性不均匀体产生的静电场Fig.1 The electrostatic potential reduced by a near surface conductivity inhomogeneous body

正演模拟时，假设不均匀体的宽度较小，则考虑忽略掉内表面的电荷分布，只使用左右两个侧面外层电荷近似的计算电位,强度值和距离r成反比。那么计算地表上电极处的电位微分公式为：

(1)

其中：U为电位；K为常数；dQ为不均匀体侧面的电荷密度；r为带电面元与电极的距离。

当电荷密度和积分步长设定后，K·dQ为定值。对所有不均匀体的两个侧面进行积分运算，可得到其在地表产生的总的静电电位近似值。得到电位后，在连续布极的情况下，可以求得任意两个电极点的电位差，而接收点应为两个电极的中心点。

1.2 静电压与阻抗张量ZXY的关系

在计算视电阻率时，其阻抗张量ZXY计算公式为式(2)。

(2)

不难看出式(2)是公式ZXY=EX/HY的统计模式，因为静电场对磁场的影响几乎为零，所以ZXY与EX成正比，当电性不均匀体所产生的静电压作用在EX上时，ρXY的形态变化将和静态电压的变化一致。依据曲线平移法，可以将式(1)所计算的静态电压乘以一个固定的系数再反向叠加到实测ρXY数据上以消除静态效应，如果没有静态效应，多极距曲线应是平直的，不随极距的变化而变化。

基于曲线平移法，单个极距的一个测点的所有频点的数据均采用同一校正系数，则多极距曲线需选用单一频点的视电阻率数据，而频点选择原则为：当数据数据质量较有保证时应选择较高频率的频点，以达到尽量消除浅层视电阻率的横向变化，本文中MT实例数据选用了80 Hz频点。

1.3 多极距曲线的表现方式

单接收点不同极距电压变化曲线的绘制方式：接收点为两个电极点中间点，选定接收点后，首先选择最小极距的两个电极点，曲线数据点的横坐标为两个电极点的位置，纵坐标为电压(或ρXY)，对应于两个电极点上的数据为同一数据，相对于接收点(中心点)对称；之后加大极距进行拓扑运算，相应的数据点横坐标(电极点位)会向两侧延伸；依据实际情况，继续加大极距进行拓扑运算，就可以绘制出图2中的一条曲线。

图2 两个接收点多极距ρXY剖面曲线图(80 Hz)Fig.2 The multi electrode distance ρXY profile curves of two receiving sites(80 Hz)

按单接收点曲线绘制方法绘制出多条曲线后，将曲线的横坐标统一，在纵向为了避免多测点的曲线重叠，需要将曲线的纵坐标原点上下错动，错动量可根据点位坐标按比例计算得出，错动过程中多条曲线的纵向比例尺保持一致。最终每条曲线是左右对称的，因为数据的横坐标取电极点位，而电极是成对出现的。每条曲线对应于一个接收点(中心位置)，因为接收点不同，所以每条曲线的对称点都是不同的，如图2中绘出两个测点的多极距ρXY剖面曲线。

使用同样的绘制方式和统一观测系统绘制正演电压曲线，通过添加或删减电性界面和不均匀体并调节其参数使模拟电压曲线的形态尽量接近实测ρXY曲线，将模拟曲线的数据的形态反向应用到实测曲线上，尽量拉平(校正)实测曲线，静态效应自然消除。

2 软件实现

软件开发使用Visual Studio2015平台，开发语言为C#。软件采用三层架构设计(图3)：①底层数据为软件系统提供合理的数据结构，包括工程文件、实测数据文件、观测系统以及和观测系统密切相关的正演数据和校正系数等；②数据计算层利用底层数据结构，为显示层提供绘图数据，包括各种文件和数据的解析计算以及调整不均匀体参数进而得到校正系数；③显示层包括各种功能界面、原始数据和正演多极距拓扑曲线的绘图以及使用OpenGL技术实现电性不均匀体的三维展示控件的开发。

图3 软件架构图Fig.3 The architecture diagram of the software

图4 电性不均匀体和电性分界面的正演效果Fig.4 The forward effect of a conductivity inhomogeneous body and a electrical boundary(a)电性不均匀体板体；(b)电性分界面

不均匀体类型当前只支持向下有限延伸的板体，水平延伸方向垂直测线方向，目前软件不支持走向旋转，其主要参数包括：电荷密度(包括极性)、顶部中心位置坐标、沿测线方向厚度(X方向跨度)、顶深、底深、X方向的倾角、左倾或右倾等，图4(a)显示的是一个不均匀板体正演效果，板体的参数见图中右下部的实时调节面板。

图5上可见实测数据在6 200 m向大号方向，曲线出现了一个台阶，而式(1)不能解决这种问题，因此软件设定了一种电性界面，以解决当两个电极点位于界面同一侧时可能出现的电压整体抬升或下降的问题，电性分界面的正演效果和可调参数见图4(b)。

软件界面效果见图5，工具栏在最上方，原始实测单频多极距ρXY拓扑曲线使用虚线表示，可通过工具栏上的工具调节其透明度，空心点表示原始最小极距数据，校正后的多极距ρXY拓扑曲线用细的实线表示，实心点表示校正后最小极距数据；界面最下方是三维视口，显示电性不均匀体，点击不均匀体可弹出其参数调节悬浮面板；界面中间为正演的多极距拓扑静态电压数据，其中的实心点为最小极距的电压数据。

图5 软件界面效果Fig.5 The interface of the software

人机联作的优点在于操作时只注意曲线的形态，所以当不均匀体和其参数调整完毕，正演数据更新之后，计算校正系数需要借助于实测数据和正演数据的屏幕显示比例因子：showRatio和Obs.Scale，其中showRatio对应工具栏中可调参数“显示幅度系数”，而Obs.Scale在软件中固定。

校正系数的计算见以下代码：

Err= Math.Pow(10, comp.Valt / Obs.Scale * showRatio);

datMp.Rho= realDat.Valt / Err;

其中：Err为校正系数；comp.Valt为正演电压；realDat.Rho为实测视电阻率；datMp.Rho为校正后视电阻率。

3 应用效果

实验区为内蒙古锡林浩特市贺根山地区，该地段岩性变化复杂，反映了构造的复杂性，静态效应明显。施工时同一个排列Ex方向上极罐首尾相连，电极间距为200 m，同步采集的最大排列长度为12 200 m。图7、图8是实验区内长短两条测线MT01和MT02的视电阻率ρXY拟断面图，其中MT01由两个同步排列完成，MT02由一个同步排列完成。采集完成之后由本软件的时间域拓扑处理工具集进行拓扑处理,再由SSMT2000软件进行时频转换处理和相关性分析，提取出80 Hz的多极距数据。之后，以本软件进行人机联作方式去静态操作的工作流程见图6。

图6 去静态工作流程图Fig.6 The work flowchart with the software

实测多极距数据读入系统后，需要在工具栏上的“显示幅度系数”及其右侧的两个工具调节其起伏强度和垂向偏移，使实测多极距ρXY数据曲线显示效果达到用户满意，然后使用不均匀体管理界面添加或删减不均匀体和电性分界面，点击三维视口中显示的物体后在实时参数调节面板中调节其参数，正演曲线和校正后曲线亦实时变化，反复增减和调节不均匀体和电性分界面，使正演数据波动形态尽量接近实测数据以消除静态效应，直到用户满意，图5中使用的实测数据即为MT01线数据。

得到校正系数之后，对测线各测点进行校正，再使用Surfer绘制拟断面图。为了对比静态校正的真实效果，使用Surfer软件作图时尽量采用了最原始数据作图，避免使用各种滤波算法。

由图7可以看出，MT01线原始视电阻率ρXY拟断面图中静态效应比较明显，多处都出现较为严重的“挂面条”现象，垂向上出现10余条明显的电阻率变化条带，而经过本软件进行拓扑去静态校正后，静态效应得到了显著的改善，垂向条带被有效地消除掉，拟断面图上的视电阻率的空间分布变得协调。在图8中也可看出，经本软件校正后，MT02线的静态效应也得到了明显地改善。

4 结语

笔者依据拓扑去静态理论，开发了针对CEMAP数据拓扑去静态软件，通过对实测数据的处理，进一步证实了电场空间拓扑理论和拓扑去静态的有效性，为大地电磁测深法提供了一种新的去静态方法。

图7 MT01线视电阻率ρXY拟断面图Fig.7 The ρXYapparent resistivity pseudosection of Line MT01(a)原始观测；(b)拓扑去静态处理后

图8 MT02线视电阻率ρXY拟断面图Fig.8 The ρXY apparent resistivity pseudosection of Line MT02(a)原始观测；(b)拓扑去静态处理后

人机联作的方式注重于曲线形态对比，可以灵活地将正演静电场曲线形态反作用于ρXY拓扑曲线，而不需要直接计算出精准的校正量，功能较易实现而且效果显著，但结果也易受人为影响。

软件操作简便，界面友好，运行稳定，具有较强的实用性。

[1] SWIFT C.A magnetotelluric investigation of an electrical conductivity anomaly in the southwestern United States[D].Massachusetts Institute of Technology,1967.

[2] 刘俊昌.大地电磁测深时间域拓扑处理去静态方法研究[D].北京：中国地质大学，2011.

LIU J C. Removing static shift of magnetotelluric using time domain topological processing[D].Beijing: China University of Geosciences,2011.(In Chinese)

[3] 郑国磊，刘俊昌，徐新学，等.大地电磁测深时间域数据拓扑处理软件的实现及应用[J].物探化探计算技术，2016，38(2)：275-281

ZHENG G L,LIU J C,XU X X, et al. Realization and application of topological processing software aiming at time-domain data of magnetotelluric sounding[J]. Computing Techniques for Geophysical and Geochemical Exploration，2016，38(2)：275-281.(In Chinese)

[4] 杨生，鲍光淑，李爱勇.MT法中静态效应及阻抗张量静态校正法[J].中南工业大学学报，2002，33(1):8-13.

YANG S, BAO G S, LI A Y. The Static migration to MT data and the impedance tensor static correction method[J]. Journal of Central South University，2002，33(1):8-13.(In Chinese)

[5] 张翔，胡文宝，严良俊.小波变换在大地电磁测深静校正中的应用[J].江汉石油学院学报，2002，24(2)：40-41.

ZHANG X,HU W B,YAN L J. Application of wavelet transformation of static correction in magnetotelluric depth measurement[J]. Journal of Jianghan Petroleum Institute,2002,24(2)：40-41. (In Chinese)

[6] 吴炳良，邵敏.大地电磁三维静态位移校正方法及其应用效果[J].勘探地球物理进展，2005,28(3):219-222.

WU B L, SHAO M. 3-D static shift correction of magnetotelluric sounding data and its application[J]. Progress In Exploration Geophysics,2005,28(3):219-222. (In Chinese)

[7] 罗志琼.用电磁阵列剖面法压制MT静态效应影响的研究[J].地球科学,1990，15(增刊): 13-22.

LOU Z Q. The study of attenuating static effects with electromagnetic array profiling[J]. Earth Science-Journal of China University of Geosciences, 1990，15(S): 13-22. (In Chinese)

[8] 陈清礼，胡文宝，李金铭，等.利用地表电阻率校正大地电磁静态偏移[J].物探与化探，1999，23(4):289-295.

CHEN Q L, HU W B, LI J M, et al. The application of surface resistivity to the correction of magnetotelluric static migration[J]. Geophysical And Geochemical Exploration,1999，23(4):289-295. (In Chinese)

[9] 高红伟，张胜业.阻抗张量分解进行大地电磁静校正的研究[J].地质科技情报,1998,17(1):91-96.

GAO H W, ZHANG S Y. Study of correction for static shift: the decomposition of magnetotelluric impedance tensors[J]. Geological Science and Technology Information, 1998, 17(1):91-96. (In Chinese)

[10] 李爱勇，杨生. MT资料处理解释中有效视电阻率的利用[C]，湖北荆州，第八届中国国际地球电磁学讨论会，2007,10:173-181.

LI A Y,YANG S.Utilization of effective apparent resistivity in MT data processing an interpretation[C].Proceeding Of The 8thChina International Geo-Electromagnetic Workshop,2007,10:173-181.(In Chinese)

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

中国地质调查局地质调查项目(12120113100300)

刘正(1971-)，男，硕士，主要从事地球物理及相关IT类工作，E-mail：371030863@qq.com。

1001-1749(2017)05-0620-06