大地电磁测深时间域数据拓扑处理软件的实现及应用

郑国磊，刘俊昌，徐新学，马　为，刘　正，邱小波，李建超，李爱国

(天津市地球物理勘探中心，天津　300170)



大地电磁测深时间域数据拓扑处理软件的实现及应用

郑国磊，刘俊昌，徐新学，马为，刘正，邱小波，李建超，李爱国

(天津市地球物理勘探中心，天津300170)

摘要：在对电场拓扑理论研究的基础上，将拓扑公式中原记录点与加密点的两个拓扑公式合并成一个公式，通过研究大地电磁时间域数据格式，利用VC++语言编写软件，实现了大地电磁时间域数据的拓扑计算。对实测CEMAP数据进行了拓扑处理，计算结果表明，拓扑处理实现了判别与压制静态效应，通过与空间滤波处理结果对比表明，拓扑处理去静态方法是可行的，且效果优于空间滤波处理。软件界面简单，布局合理，运行高效，处理快速。

关键词：拓扑处理；VC++语言；CEMAP；静态效应

0引言

大地电磁测深地表电场振幅响应受控于浅部不均匀体的分布，易产生“静态效应”现象[1]。静态效应是影响定量解释精度的重要因素之一，国内、外学者在压制、消除静态效应的技术和方法上做了大量研究[2-9]，并证实静态偏移的大小与观测电极与不均匀体的位置有关，随着观测偶极距的增加(电偶极已跨越其附近的不均匀体界面)，静态偏移量趋于减小[1,10—11]；刘俊昌[12]在Torres-Verdin等[13]提出的CEMAP方法基础上，引入数学拓扑原理，提出了一种以野外实际观测资料为基础，通过时间域数据拓扑处理去静态效应的方法。其做法是通过对时间上同步、空间上连续的电场数据进行叠加后求取平均值，使有效信号得到增强，噪声信号得到削弱，进而达到判别静态效应位置、压制静态效应的目的[12]。作者在研究拓扑理论计算公式的基础上通过合并公式，利用VC++高级编程语言，实现了大地电磁时间域数据的快速拓扑计算。

1时间域数据拓扑处理

由电场的叠加特性可知，通过对同一方向上相邻的各电偶极间的电位差的矢量和求取平均电场，即可得出该方向上观测电极阵列中任意两点间的电场时间序列(图1)，见公式(1)。

(1)

图1　电极位置、观测电场与拓扑电场关系示意图Fig.1　The relation schematic diagram between electrode positions,observed electric fields and topological electric fields

通过公式(1)进行拓扑处理可获得加密点时间序列数据，使同一剖面测点数量得到增加，能提高剖面的横向分辨力。经拓扑处理后，在同一记录点或加密点(电偶极中心点)可获得对应于多个极距的电场时间序列，对所有这些时间序列进行频谱分析和阻抗张量计算，可得出多条测深曲线，形成一曲线序列，即实现了同一记录点或加密点的一组变极距观测结果，通过对记录点抽取符合剖面电性特征的合理曲线来达到压制静态效应的目的。

2拓扑处理程序实现

拓扑处理软件程序采用VC++高级编程语言编写，实现了前述公式中的电场拓扑计算。拓扑处理软件程序主要包括3个函数：①数据输入函数；②拓扑计算函数；③拓扑数据输出函数。数据输入函数是以字符型数据一次性整体将大地电磁时间序列数据输入到字符串中，保证了数据快速、准确的输入；拓扑计算函数实现了每一个时间点数据头文件的复制和电场数据的拓扑运算，并保证每个拓扑运算数据在时间上的同步性；拓扑数据的输出函数是以字符型数据一次性整体输出到输出文件中，保证了数据快速、准确的输出(图2)。

图2　程序流程图Fig.2　The flow chart of program

三个主要函数的部分源代码如下：

1)数据输入函数。

ifstream file(WJM_file,ios::in|ios::binary|ios::ate);//以输入方式、二进制格式打开文件

*N_S=file.tellg();//获得文件内字符个数

file.seekg(0,ios::beg);//让输入文件指针定位到文件开头

buffer=new char[*N_S];//定义字符串大小

file.read(buffer,*N_S);//将输入文件读入到字符串

file.close();//关闭文件

2)拓扑计算函数。

for(j=0;j

bufferA[A_lab+j]=buffer[i][l_ab[0]+j];//复制每个时间点的头文件

for(j=0;j

{

for(k=0;k

{

if(k==0)

{

fltB=0.0;

for(k0=i;k0

{

for(k1=0;k1<3;k1++)

{

SJZH[k1]=int(buffer[k0][l_ab[k0-i]+NN+j*chan[k0]*3+k1]);

//将字符型数据转换成整型

if(SJZH[k1]<0)SJZH[k1]=SJZH[k1]+256;

}

fltA=SJZH[0]+SJZH[1]* int(pow(16,2))+SJZH[2]*int(pow(16,4));

if(SJZH[2]>=128)

fltA=fltA-int(pow(16,6));

fltB=fltB+fltA/N_L2;//进行拓扑计算

}

flt=long(fltB);

if(flt<0)

flt=flt+int(pow(16,6));

for(k0=0;k0<3;k0++)

{

SJZH[k0]=flt%256;

flt=int(flt/256);

bufferA[A_lab+NN+ j*chan[i]*3+k0]=char(SJZH[k0]);//将整型数据转换成字符型

}

}

else

{

bufferA[A_lab+NN+j*chan[i]*3 +k*3]=buffer[i][l_ab[0]+NN+j*chan[i]*3+k*3];

bufferA[A_lab+NN+j*chan[i]*3 +k*3+1]=buffer[i][l_ab[0]+NN+j*chan[i]*3+k*3+1];

bufferA[A_lab+NN+j*chan[i]*3 +k*3+2]=buffer[i][l_ab[0]+NN+j*chan[i]*3+k*3+2];

}

}

}

3)拓扑数据输出函数。

ofstream out(out_file,ios::in|ios::binary|ios::ate);//以输出方式、二进制格式打开文件

out.write(bufferA,A_lab);//将字符串输出到输出文件中

out.close();//关闭输出文件

3拓扑处理软件使用方法

为使时间域数据快速拓扑处理，拓扑处理软件采用批量运行方式，将选中数据(同一拓扑极距)一次性全部运算结束，高效、节时，使用方法如下：

1)将采集的同一剖面的大地电磁测深数据整理到同一个文件夹中。

2)打开拓扑处理软件(图3)。

图3　大地电磁测深时间域拓扑处理软件界面图Fig.3　The software interface of topological processing aiming at time-domain data of magnetotelluric sounding

3)选择待处理的数据类型(TSH/TSL/TSn)，点击“选择文件夹”按钮，选择数据存放的文件夹。

4)设置待拓扑的文件数(拓扑次数/拓扑极距)，如果文件数为奇数，表示对原记录点进行拓扑计算，如果文件数为偶数，表示对加密点进行拓扑计算。

5)点击运行，当程序弹出“Run Over!”对话框时，点击确定按钮，则程序运行结束，左侧对话框内所有文件拓扑计算结束。

4实例应用

广西云南交界的灰岩出露区地质构造发育，静态偏移现象明显，在该区开展了一条CEMAP剖面测量工作。实验仪器采用具有卫星同步功能的MTU-5(A)型大地电磁仪，共投入仪器20台，布设成北西—南东向剖面，Ex测道沿剖面方向，观测电极首尾相接，Ey测道与剖面方向垂直，观测极距为100 m，共获得20个测深点原始观测数据。用拓扑软件对该CEMAP剖面数据进行处理，在X=1 000 m测点处(剖面中心点)进行了数据的8次拓扑计算，将所有测点分别进行加密点和原记录点数据的一次拓扑计算(极距分别200 m和300 m)，然后将原始时间序列数据和拓扑数据用SSMT2000软件分别进行频谱分析和阻抗张量计算，并以曲线图和拟剖面图的方式表达出来(图4、图5、图6)。

图4　X=1 000 m处原始及拓扑记录点频率—视电阻率曲线图Fig.4　The curves of frequency-apparent resistivity of the original points and the topological record points at X=1 000 m

图5　X=1 000 m处原始点及拓扑记录点频率—相位曲线图Fig.5　The frequency- phase curves of the original points and topological record points at X=1 000 m

4.1单点全频多极距视电阻率、相位曲线图分析

从图4中可以看出，随着拓扑极距的增大，视电阻率曲线的整体形态不变，幅值出现了先快速下降后缓慢上升的特点，总体呈现幅值减小的趋势。从图5中可以看出，相位曲线的整体形态和幅值基本保持不变。由此证实，拓扑处理结果表现为静态偏移不同尺度的改善，也就是只改变视电阻率的幅值大小，不改变视电阻率的整体形态和相位。

4.2多次拓扑结果拟剖面图分析

图6(a)、图6(b)、图6(c)分别为野外实测、加密点一次拓扑(极距200 m)、原记录点一次拓扑(极距300 m)视电阻率剖面对比图。从图6(a)中可以看出，在X=100 m～300 m处，剖面横向连续性较差，该处存在明显的静态偏移，表明该处地下存在不均匀体，由此推断静态效应大小、观测电极与不均匀体的位置关系。经加密点一次拓扑后(图6(b))，剖面的整体电性分布没有明显变化，静态偏移得到压制，经原记录点一次拓扑(图6(c))，静态偏移得到更进一步改善。对比图6(a)、图6(b)、图6(c)可以发现，随着观测极距的增加，剖面的整体电性分布没有明显变化，静态偏移得到了逐步的改善，表明大地电磁测深时间域拓扑处理一定程度上压制了静态效应，起到了空间滤波的作用。

图6　视电阻率拟剖面对比图Fig.6　The comparison diagram of apparent resistivity pseudosection(a)野外实测视电阻率拟剖面图;(b)加密点一次拓扑视电阻率拟剖面图;(c)原记录点一次拓扑视电阻率拟剖面图;(d)空间滤波静态校正后视电阻率拟剖面图

4.3拓扑处理与空间滤波静态校正方法的比较

图6(d)为空间滤波静态校正后视电阻率拟剖面图。通过与图6(a)、图6(b)、图6(c)相比较可以看出，拓扑处理和空间滤波处理后的剖面的整体电性分布相似，二者都在一定程度上压制了静态效应，但空间滤波处理在压制静态效应时损失的有效信息多于拓扑处理，说明拓扑处理效果优于空间滤波。从处理过程来看，空间滤波处理很大程度依赖处理人员的经验，拓扑处理则通用性强。

5结论

1)在对电场拓扑理论进行研究的基础上，对拓扑处理的理论公式进行了归并，将原记录点与加密点的两个拓扑公式归结成一个拓扑公式，并通过对大地电磁时间域数据格式分析，用VC++语言编写程序，实现了大地电磁测深时间域数据的拓扑计算。

2)拓扑软件界面简单，操作方便，运行高效，并采用批量运行方式，大大节省了手动操作的时间，提高了数据的处理速度。

3)拓扑处理程序实现了变极距观测效果，使大地电磁的观测信息得到了充分利用，为静态效应的判别、压制及校正提供了依据，通过获取加密拓扑点数据，一定程度上也可弥补随极距增加，空间滤波增强所损失的横向分辨力。

4)通过拓扑处理与空间滤波去静态方法比较可以得出拓扑处理去静态方法是可行的，且具有效果更佳和对处理人员要求较低的优点。

参考文献：

[1]SWIFT C M．A magnetotelluric investigation of an ele-ctrical conductivity anomaly in the southwestern United States[D]．USA:Massachusetts Institute of Technology，1967．

[2]SINGER B S．Correction for Distortions of Magnetotelluric Field：Limits of Validity of the Static Approach[J]．Surveys in Geophysics，1992，13：309-340.

[3]OGAWA Y．On two-dimensional Modeling of Magn-etotelluric Field Data[J]．Surveys in Geophysics，2002，23：251-273.

[4]BERDICHEVSKY M N，L L VANYAN，V A KUZN-ETSOV，et al．Geoelectric Model of the Baikal Region[J]．Physics of the Earth and Planetary Interiors，1980，22(1):1-11．

[5]WARNER B N，BLOOMQUIST M G，GRIFFITH P B．Magnetotelluric Interpretations Based Upon New Processing and Display Techniques[C]：53rd Ann.Mtg.Soc.Expl．Geophys.Expanded Abstracts，1983:151-154．

[6]阎述，陈明生．频率域电磁测深的静态偏移及校正方法[J]．石油地球物理勘探，1996，31(2):238-247．

YAN S，CHEN M S．Static Offset and Correction in Frequency Domain Electromagnetic Sounding[J]．Oil Geophysical Prospecting，1996，31(2)：238-247．(In Chinese)

[7]周晋国，寇绳武，宋展炎．校正电磁频率测深“静态偏移”的有效方法[J]．物探与化探，1991，15(6)：471-474．

ZHOU J G，KOU S W，SONG Z Y．An Effective Method for Correcting“Static Offset”in Electromagnetic Frequency Sounding[J]．Geophysical And Geochemical Exploration，1991，15(6)：471-474．(In Chinese)

[8]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．

LUO Z Q．The Study of Attenuating Static Effects With Electromagnetic Array Profiling[J].Earth Science，1990，15(Sup)：13-22．(In Chinese)

[9]宋守根，汤井田，何继善.小波分析与电磁测深中静态效应的识别、分离及压制[J]．地球物理学报，1995，38(1)：120-128．

SONG S G，TANG J T，HE J H.Wavelets Analysis and the Recognition,Separa- tion and Removal of the Static Shift in Electromagnetic Soundings[J]．Chinese Journal of Geophysics，1995，38(1)：120-128．(In Chinese)

[10]LANGLOIS P，L BOLDUC，M CHOUTEAU.Probability of Occurrence of Geomagnetic Storms Based on A Study of the Distribution of the Electric Field Amplitudes Measured in Abitibi，QueBec，in 1993-94[J]．Journal of Geomagnetism and Geoelectrcity，1996，48:1033-1041．

[11]TOURNERIE B，M CHOUTEAU．Deep Conductivity Structure in Abitibi Using Long Dipole Magnetotelluric Measurements[J]．Geophysical Research Letters，1998，25，2317-2320．

[12]刘俊昌．大地电磁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 Magne- totelluric Using Time Domain Topological Processing．Beijing:China University of Geosciences，2011．(In Chinese)

[13]TORRER-VERDINL C.,F.X.BONSTICK Principle of spotial sukface electric field filtering in magnetotellurics,Electromagnetic array prafiling(EMAP).Geophysics,1992,57:603-622.

Realization and application of topological processing software aiming at time-domain data of magnetotelluric sounding

ZHENG Guo-lei，LIU Jun-chang，XU Xin-xue,MA Wei LIU Zheng，QIU Xiao-Bo，LI Jian-chao，LI Ai-guo

(Tianjin Geophysical Exploration Center，Tianjin300170,China)

Abstract:Based on the electric field topological theory,this paper merges two separate topological formulas of original record points and pass points.Then,we realize topological calculation of MT time-domain data by developing software with Visual C++ after studying the MT time-domain data format.The calculation results of topological processing of observed CEMAP data suggest that this kind of processing successfully distinguish and suppress the static effects.The static correction method based on topological processing is reliable,and the obtained effect is better than that after spatial filtering after comparing topological processing and spatial filtering.This software runs efficiently and processes data fastly with a simlpe interface and a reasonable layout．

Key words:topological processing；VC++；CEMAP；static effect

收稿日期：2015-02-05改回日期：2016-01-07

基金项目:中国地质调查局工作项目(1212011300300)

作者简介：郑国磊(1983-)，男，工程师，主要从事重力方向的研究、软件编写及三维可视化建模工作，E-mail：zhengguolei@126.com。

文章编号：1001-1749(2016)02-0275-07

中图分类号：P 631.2

文献标志码：A

DOI：10.3969/j.issn.1001-1749.2016.02.20