电性源短偏移距瞬变电磁法数据处理软件系统SOTEMsoft

陈卫营，薛国强,4

(1. 中国科学院地质与地球物理研究所 中国科学院矿产资源研究重点实验室,北京 100029; 2. 中国科学院地球科学研究院,北京 100029; 3. 中国科学院大学 地球与行星科学学院,北京 100049; 4. 西北有色地质矿业集团有限公司，陕西 西安 710054)

0 引 言

电性源短偏移距瞬变电磁法(SOTEM)是近几年快速发展的一种新型瞬变电磁法(TEM)，它利用两端接地的长导线作为发射源，并在小于2倍探测深度的偏移距范围内观测纯二次场。由于采用接地线源发射一次场信号，电性源短偏移距瞬变电磁法相较于目前广泛应用的回线源瞬变电磁法具有探测深度大、可观测场量多、复杂地形适用性好等优点；由于采用较小的偏移距观测信号，电性源短偏移距瞬变电磁法相较于传统的长偏移距瞬变电磁法(LOTEM)具有信号能量强、带宽大、探测精度高、施工成本低等优点[1-4]。目前，电性源短偏移距瞬变电磁法已广泛应用于深部金属矿、煤田水文地质等勘探领域[5-7]。

然而，在利用接地导线源发射、短偏移距观测提升探测深度和精度的同时，也给电性源短偏移距瞬变电磁法的数据处理带来一定难度。首先，由于电性源短偏移距瞬变电磁法属于近源观测，发射源的尺寸、形状以及偏移距、观测范围等几何参量都会对信号造成较大的影响，使得数据处理需要考虑的因素更多[8-9]；其次，为获得更大的探测深度，电性源短偏移距瞬变电磁法的观测延时相较于传统的回线源瞬变电磁法更长(可以达到几百毫秒)，这就造成其信号频带更宽，动态范围更大，晚期信号微弱，信噪比较低[10-11]；另外，电性源短偏移距瞬变电磁法探测还经常面临一些特殊的地质和地球物理环境，如巨厚低阻覆盖层、地形起伏剧烈、极化效应严重等问题，进一步增加了其数据处理的难度[12-13]。

目前已有的瞬变电磁数据处理软件大都仅针对回线源装置，比较知名的包括丹麦Aarhus大学开发的Workbench和SPIA软件、美国GEOSYSTEM开发的WinGLink软件、美国Zonge公司的STEMMINV软件、中国北京欧华联公司的TEMpros软件、中国科学院地质与地球物理研究所白登海研究员开发的BTEM软件等。极少软件系统可以处理电性源瞬变电磁法装置的数据，仅有瞬变电磁软件EMIT Maxwell和电磁测深反演程序软件Interpex IX1D具备电性源模块。但是，上述软件在进行电性源数据处理时未能充分考虑电性源短偏移距瞬变电磁法的装置特点，使得数据处理效率和精度都受到较大影响，实用化程度较低。

针对上述问题，笔者开发了一套专门适用于电性源短偏移距瞬变电磁法数据处理的软件系统SOTEMsoft。基于以往大量的理论研究和探测实践，SOTEMsoft除实现了常规的数据预处理和反演计算外，还实现了以下几项关键技术：①任意(位置、尺寸、形状)电性发射源一维快速正反演；②多分量数据、多源数据联合反演；③考虑激发极化(IP)效应的反演；④基于横向约束的拟二维反演。在此基础上开发出集数据整理、预处理与评价、实时成像、正演模拟、反演计算、工程出图等功能为一体的人机交互式实用化电性源短偏移距瞬变电磁法数据处理软件系统。本文将系统介绍SOTEMsoft的框架组成及其主要功能与特点，并通过对模拟数据及野外实测数据的处理说明该软件的效果。

1 功能与特点

1.1 软件构成

SOTEMsoft的构成如图1所示，主要包括数据整理模块(TEM-USF.exe)和数据处理模块(SOT-EMsoft.exe)。其中，数据整理模块的功能是将数据采集仪器系统输出的通用测深格式(.USF)文件及测点、发射源坐标信息汇总并生成SOTEMsoft可读取的DLR文件。数据处理模块是本软件的核心部分，其主界面如图2所示。此外，软件系统还包括3个辅助文件：用于储存测深数据的“数据集合”文件夹；用于汇总测点坐标信息的“sounding.txt”文件；用于输入发射源坐标信息及测点文件名称的“source.txt”文件。

图1 SOTEMsoft的构成

图2 SOTEMsoft的主界面

1.2 软件功能

SOTEMsoft以野外实测数据为核心，采用Fortran核心算法实现电性源短偏移距瞬变电磁法的数据预处理及一维正反演，采用VB.NET实现软件人机交互界面，能够对野外数据进行整理→显示→评价→去噪→反演→成图等完整处理。SOTEMsoft主要功能包括数据整理、图像显示、数据预处理、模型构建、正演模拟、数据反演、工程出图等(图3)。

图3 SOTEMsoft软件功能构架

(1)数据整理：将仪器原始记录的电磁场信号、时间以及发射源和接收点坐标、发射电流等信息进行汇总整理，生成SOTEMsoft可直接读取的DLR文件。

(2)图像显示：软件提供包括收发布置图、单点衰减曲线、地形起伏、多测道曲线、响应幅值剖面、拟合曲线、反演结果等多种形式的数据图像显示(图4)，可用于直观判断数据准确性、评价观测数据质量和反演效果。

图4 SOTEMsoft图像显示功能

(3)数据预处理：采用人机交互方式实现对原始数据的时间道选取、飞点剔除、圆滑滤波、数据质量评价等预处理分析。

(4)模型构建：根据需求建立正演模型或反演模型。

(5)正演模拟：提供针对电性源瞬变电磁装置的一维正演，可为应用者开展工程设计、可行性分析、参数选取、科学研究等工作提供帮助。

(6)数据反演：对预处理后的数据进行半定量反演、一维定量反演和拟二维横向约束反演。

(7)工程出图：实时更新反演电阻率-深度断面图，并自动调用Surfer软件绘制工程输出图像。

1.3 软件特点

SOTEMsoft主要特点包括：可实现任意装置形式(地面、地-空、地-井)电性源瞬变电磁一维正演[14]；提供一维等效源半定量快速反演[15]、自适应正则化一维反演[16]、拟二维横向约束反演[17]等多种反演方法，并提供多种模型约束；支持电场Ex分量、磁感应强度Bz分量、dBz/dt分量(t为时间)单独反演和任意分量组合的联合反演[18]；基于Cole-Cole模型的极化率参数反演[13]；提供微分电导成像结果，实现电性界面精确刻画[19]；支持弯曲发射源、多个发射源数据同时反演[20]；解析灵敏度矩阵，CUDA并行计算，实现软件计算加速[21]；根据测点位置分布建立带地形自适应光滑过渡的反演模型；人机交互、鼠标+快捷键操作处理；提供多种图像显示并实时更新，自动调用Surfer软件绘制工程输出图像；保存反演结果文件、过程文件、模型转换文件。

2 应用效果

2.1 模拟数据处理效果

设计一个含激发极化效应的三层地电模型(图5)。模型背景电阻率为300 Ω·m，极化率为0%；中间层电阻率为100 Ω·m，极化率为5%，中间层厚度由中间(横向距离为500 m处)100 m逐渐向两侧增加到200 m。发射源长度为500 m，发射电流为1 A，计算时窗范围为0.01～100.00 ms，偏移距为500 m，点距为20 m，共计算51个测点。接收点与发射源的几何布置关系如图6所示。利用SOTEMsoft自带的一维正演模块，对51个测点分别进行一维正演，得到各测点的响应数据(dBz/dt)，并随机在各测点的响应数据中添加5%～10%的白噪声。

ρ为电阻率；M为极化率

为更好地刻画反演模型的界面，压制噪声对反演结果的影响，保证测点反演电阻率在横向上的连续性，本文采用施加了横向电阻率约束(LCI)的拟二维反演方法。首先，根据反演深度需求建立合理的反演模型(图7)；然后，在反演参数设置界面，勾选电阻率和极化率两个反演参数，并设置两者的取值范围(图8)。为保证反演结果的稳定性，本次研究固定了模型参数中对极化率效应影响较小的时间常数和频率相关系数，这两个参数可以根据实际测区的主要岩性特征进行选取。SOTEMsoft提供了模型最小梯度约束、模型最光滑约束、模型最小支持梯度约束、模型最小支持光滑约束4种模型稳定器，实际应用中可根据需要合理选择。本次反演中，时间常数设置为1 s，频率相关系数设置为0.25，模型稳定器选择模型最小梯度约束。

图7 反演模型建立界面

图8 反演参数设置界面

基于图7模型建立和图8反演参数设置，利用SOTEMsoft进行拟二维横向约束反演，得到了电阻率-深度和充电率-深度剖面(图9)。通过7次迭代，所有测点的拟合残差都小于5%。由此可以看出，无论是电阻率模型还是充电率模型，SOTEMsoft都很好地恢复了真实模型的参数，且对中间目标层厚度及界面的刻画也非常准确。

图9 基于Cole-Cole模型的拟二维横向约束反演结果

2.2 实测数据处理效果

以陕西省麟游县某煤矿深部地层含水性调查为例，说明SOTEMsoft实测数据处理效果。本区地层由老至新分别为三叠系、侏罗系、白垩系、第三系和第四系，主采煤层为侏罗系延安组的3#煤，埋深大部分为500～700 m。本次测量的主要目的是调查区内3#煤顶、底板主要含水层的富含水性及断层的含水性和导水性。通过试验工作选定了本次电性源短偏移距瞬变电磁法探测的工作参数：发射源长度为1 059 m，点距为20 m，发射源中心至测线中心的距离为730 m，发射电流为16 A，电流基频为2.5 Hz。接收线圈有效面积为10 000 m2，收发布置如图10所示。由于测线附近无明显干扰源，实测数据整体质量较高，仅晚期个别时间道的数据出现畸变，在预处理时对畸变数据进行剔除。实测垂直感应电压(Vz(t))多测道曲线及响应幅值剖面如图11所示。

图10 测线收发布置

利用SOTEMsoft对预处理后的数据进行拟二维横向约束反演，反演模型最大深度取1 500 m，首层厚度为10 m，共34层；各层厚度以对数等间隔递增，选择模型最光滑约束稳定器，迭代次数为7，反演结果如图12(a)所示。同时，为验证软件效果，利用商用软件IX1D对同样的数据体也进行了反演处理，结果如图12(b)所示。从图12可以看出，两个软件反演得到的地层电阻率分布基本一致。浅部约200 m深度范围内地层呈明显的高阻反映，代表了含水性较差的第四系黄土、第三系红土、白垩系砂岩地层。标高900～1 100 m之间存在一处明显的低阻层，厚度约为100 m，对应含水性较好的侏罗系直罗组泥岩地层。再往深处，地层电阻率出现明显的横向突变，表明该深度范围内地层的含水性存在不同。测点0～400之间地层富水性较强，并根据电阻率纵向的延展形态，推测该处发育断层，形成良好的导水和赋水通道，沟通了上部侏罗系含水层。该探测结果与矿方在剖面上实施的两个钻孔K2-5和K2-6揭示的地层分布及含水性情况一致，验证了处理结果的准确性。

图12 反演电阻率-深度剖面

通过处理本次数据发现，与商用软件IX1D相比，SOTEMsoft的优势体现在：①结果更可靠，由于采用拟二维横向约束反演方法，SOTEMsoft得到的电阻率在横向上的过渡更为光滑自然，对地层界面的刻画更为清晰；②速度更快，相同计算机配置条件下(Intel(R) Xeon(R) CPU E5-1603 v4 @ 2.80GHz RAM 16 GB)，SOTEMsoft反演整条测线数据仅需约5 min，而商用软件IX1D则需约16 min；③功能更为完备，SOTEMsoft针对电性源短偏移距瞬变电磁法的装置及数据特点而开发，包含了预处理、正反演、显示成图等较齐全的功能，而商用软件IX1D为多种电磁方法数据处理而开发，功能针对性和完备性较弱；④操作更为简单，SOTEMsoft实现了从原始观测数据到最终输出结果的流程式处理，而商用软件IX1D在相对坐标计算、参数编辑、模型建立、结果整理等步骤操作较为繁琐，且可视化及人机交互效果也较差。

3 结 语

电性源短偏移距瞬变电磁法是一种极具潜力的大深度人工源电磁探测方法，目前已被广泛应用，迫切需要适用于该装置特点的数据处理软件。数据处理软件系统SOTEMsoft专门为电性源短偏移距瞬变电磁法而开发，具备数据整理、图像显示、数据预处理、模型构建、正演模拟、数据反演、工程出图等功能。数值模拟和野外实测数据处理效果表明，SOTEMsoft数据处理精度高、速度快、实用性强、可靠性好，可以满足实际生产的需求。

广东省地球物理探矿大队韩思旭工程师在程序编写、软件调试等方面提供了帮助，在此表示感谢!