人文物体磁测数据化极转换处理效果的评价标准

马文文，喻忠鸿 ，祁明松，王传雷,3

(1.青海地矿局 第三地质矿产勘查院，青海 西宁810000；2.中国地质大学 地球物理与空间信息学院，湖北 武汉 430074；3.武汉工程科技学院 工程学部，湖北 武汉 430200)



人文物体磁测数据化极转换处理效果的评价标准

马文文1，喻忠鸿1，祁明松2，王传雷2,3

(1.青海地矿局 第三地质矿产勘查院，青海 西宁810000；2.中国地质大学 地球物理与空间信息学院，湖北 武汉 430074；3.武汉工程科技学院 工程学部，湖北 武汉 430200)

在与资源勘察和地质调查不同的工程勘察、考古调查等领域，其探测的目标物体常常是炸弹、沉船、古墓葬等由人类制造和建筑的人文物体，由于其生成环境和生成条件与矿床、构造完全不同，因此在对这一类场源进行磁测资料处理时，必然与矿产调查时有所不同。结合模型实验讨论和总结了上述类目标体在化极处理时的差异；讨论了如何根据人文目标体的特点选择参数，并对评价标准进行了总结；另外，还通过勘察工作实例对从模型实验的正反演中得到的认识和评价标准进行了验证。研究得到了比较完美的应用效果，证实和表明了提出的化极处理时参数选择原则和评价标准的可行性和可靠性。

人文物体；磁异常；化极处理；评价标准

1 引 言

在磁测资料的反演解释工作中，根据磁异常的数学物理特征，对实测磁异常进行必要的数学加工处理，使之满足某些特定需要的过程称为磁异常的转换和处理。实践表明，磁异常的转换及处理提高了磁法解决问题的能力，收到了良好的探测效果，已是当今磁异常释解推断过程中不可缺少的重要步聚。不同磁化方向的换算就是磁异常的转换和处理的一种技术。由倾斜磁化下的磁异常通过化极处理得到垂直磁化下的磁异常，可以突出磁异常的某一内在特点，特别是可以清晰显示磁异常场源中心的投影位置，从而有利于评定磁性体的边界，便于反演解释。

关于化极处理在资源勘察中的应用，在教科书中都有介绍[1,2]。在工程勘察、文物考古等领域，由于其磁性场源的生成环境和生成条件与地质资源勘察的矿床、构造完全不同，特别是磁化强度的方向是多变、复杂和人为的，因此，其转换处理中的磁倾角和磁偏角参数的选择就与地质调查、资源勘察的有所不同。如今，地球物理技术人员开始关注这一问题[3-8]。

虽然地质资源勘察和工程勘察、文物考古等调查都是以确认测区下有没有探测目标物以及目标物在哪里、有多深为目的。但是资源勘察有普查、详查等比较长的反复认识的过程，而工程勘察基本上是依据进度安排，反复则会延误工期。因此对于“有没有”、“在哪里”、“有多深”的调查任务，“有没有”好解决，没有发现和圈定磁异常就是没有，没有场源肯定不会出现磁异常；如果有，那么“在哪里”的准确判断就显得比“有多深”更加重要和紧迫。

本文就如何通过对磁异常的化极处理解决“在哪里”的技术进行讨论。文中所述的“化极”即为“化到垂直磁化”。

2 物理模型实验中的化极处理效果总结

物理模型实验由于是已知模型体的位置和规模，通过测量获得模型体的磁异常分布，场源与场的对应关系是清楚的，所以模型实验是学习和检验、判断化极处理效果最直接的方法。

模拟炸弹及使用二战时期德国制造的水雷(去掉炸药后)进行的模型实验获得的及化极处理后的磁异常平面等值线图分别见图1和图2。

实验使用GEM-19T型质子磁力仪，炸弹的模型是类似82迫击炮、150炮弹直径的钢管，长度分别为30 cm、60 cm。实验时首先确定测线测点位置后在无模型时进行全场区场地磁场测量，模拟82迫击炮炮弹实验时采用单个及多个叠加的方式分别进行，然后对应去掉场地磁场的背景，获得模型体的磁异常。磁测精度为一级精度(即磁测总误差≤±1.0 nT，nT:磁场单位，下同)[9]。

尽管实验时钢管长轴的方位相同，但是不同实验获得的磁异常的正负伴生形态及正负极值连线方位存在明显差距，有的甚至显示反向磁化的特征。图1(a)的磁异常就与教科书中南正北负的磁异常分布特征不同，在负等值线的北边，还存在一个场值为5 nT的正值等值线圈闭，这一现象很可能会误导为在北边还存在一个磁性场源。经过化极处理后，北边5 nT的正值等值线消失，磁异常等值线呈现出单一的同心圆族(图1(b))，明确显示只有一个场源，同心圆族的中心与场源的平面投影中心基本重合。对应关系直接、准确。

图2是使用水雷进行实验获得的实测(a)和化极后的(b)磁异常平面等值线图。为了检测水雷的剩磁情况，实验时将水雷一角依次指向东、西、南、北，进行了四轮测量，同时还进行了2 m和7 m磁力仪探头高度的测量。

图1 单个155 mm炸弹模型1 m高度实测(a)和化极转换后的磁异常平面等值线(b)(模型体位于十字线交叉点。等值线数值单位：nT,坐标的数值单位：m，下同)Fig.1 (a) Actual data of the 155 mm bomb model measured with 1 m; (b) Contour of the magnetic anomaly after reduction to pole

图2 水雷模型2 m高程实测(a)及化极转换处理后(b)磁异常磁场平面等值线(模型体位于十字线交叉点，红色圆点处。)Fig.2 (a) Actual data of the torpedo model measured with 2 m;(b) Contour of the magnetic anomaly after reduction to pole

如果说在浅埋深(2 m)时，有一定经验的人可以通过磁异常的分布形态特征确定场源的大致投影位置，但是，可以肯定地说，化极处理后对场源中心投影位置的判定会更加容易和准确(图2)。

但是随着埋深的增加，同一场源磁异常的分布形态必定要发生变化，图3中7 m高度时水雷的磁异常平面等值线就和2 m高度的完全不同，其主要特征是场值衰减、没有负值异常。这时要通过实测磁异常的分布形态特征确定场源的投影位置，解决“在哪里”的问题就有很大的难度。而化极处理后的磁异常等值线仍然可以比较清晰地显示出场源投影的中心位置。

化极处理时需要给出磁倾角和磁偏角，在上述实验及处理过程中，一次性地确认这两个参数是困难的，基本做法是：查询当地地磁要素；根据磁异常正负极值的比值及正演图像估算磁倾角的范围；根据磁异常正负极值的连线估算磁偏角的范围；组合磁倾角、磁偏角进行多次化极处理；根据化极处理后的等值线形态进行化极效果的判定。最佳化极效果的判定标准是：负值包围的正值同心圆族磁异常等值线，或者是负值包围的基本对称的正值磁异常等值线。

图3 水雷模型7 m高程实测(a)及化极转换处理后(b)磁异常磁场平面等值线Fig.3 (a) Actual data of the torpedo model measured with 7 m;(b) Contour of the magnetic anomaly after reduction to pole

3 工程勘察实例中化极效果检验评价

由于抗日战争时在马当航道设置了沉船封锁线来阻止日本军队沿江侵犯，在马当航道形成了长江中有名的碍航区。1999年在治理前需要准确地查明治理区水下掩埋的沉船个数及沉船位置和沉船规模大小。通过实测的工区磁异常平面等值线图可以明确地判断水下存在沉船(图4)，这样使得解决“有没有”的问题比较容易。由于沉船是人为建造的，多数还是国外建造的，沉船在水下赋存的形态不同，特别是金属沉船的剩磁强度常常大于感磁，剩磁的方向常常与当地地磁场方向不同，由此解决“在哪里”的问题就变得复杂一些。在化极处理时，按照模型实验得到的规律和做法，将各个沉船的磁异常单独进行处理，多次试算后，再按照模型实验总结的最佳化极效果的判定标准进行比较和评价，解决“在哪里”的探测要求。在6个磁异常下确认了7条金属沉船(M1磁异常的场源在测区外)，并提供了沉船位置、埋深和规模等探测结果信息[10]。打捞单位在磁法探测指定的位置下经过两个枯水期打捞了7条金属沉船。

M2磁异常(图5(a))仅从平面等值线图上是难以识别出场源/沉船的个数和赋存状况的，存在多种认识(图5(b))，但是经过化极处理后，无论是沉船的个数和赋存状况都是一目了然(图5(c))，打捞公司在施工中证实了在M2磁异常水下的确赋存一前两后平行排列的3条沉船。

图4 长江马当航道水下沉船探测的磁异常平面等值线Fig.4 Contour of magnetic anomaly on the underwater shipwreck which is located at Madang channel,Yangtze river

图5 圆滑处理后M2磁异常平面等值线(a)、沉船分布推测(b)和化极后平面等值线(c)Fig.5 (a) Contour of M2 magnetic anomaly after smoothing; (b) Speculating distribution of the shipwreck; (c) Contour after reduction to pole

图6 定陶3号汉墓实测(a)及化极转换处理后(b)磁异常磁场平面等值线(b中蓝色方框为推测的古墓平面投影位置)Fig.6 (a) Initial data of the No.3 han dynasty tombs in Dingtao;(b) Contour of the magnetic anomaly after reduction to pole

必须指出的是：尽管测区范围不足1 000 m，但是各个沉船磁异常最佳化极效果所使用的磁倾角、磁偏角参数都是不同的。

图6是在定陶考古物探调查时绘制的3号汉墓上实测的磁异常平面等值线图6(a)和化极转换处理后的，按照最佳化极效果评价标准选择的化极转换处理后的磁异常平面等值线图6(b)在处理时的磁倾角、磁偏角参数与当地磁倾角、磁偏角差异接近20°。

文物考古人员认可物探提供的汉墓位置，只是对汉墓的平面规模表示了异议，认为物探圈定的规模比他们想象中的小。

此外，在水下沉船、丢失物体的磁法探测和地下掩埋危险物及考古调查的磁法探测工作中，对于确认探测目标“在哪里”的方法，本文所总结的方法技术和评价标准都得到了应用，并且获得了明显的效果[11-13]。

4 评价标准总结

综上所述，磁测数据化极转换处理对于确认场源的平面投影位置是一种有效的方法，在对于人文物体场源引发的磁异常的化极转换处理时要以当地地磁要素作为参考，以磁异常正负伴生形态估算磁倾角并给定一个地磁倾角的范围；以磁异常正负极值的连线判定磁偏角，同样给定一个变化范围。然后分别组合试算。而评价最佳化极效果的标准是：以化极后的磁异常等值线形态是否为负值包围正值、磁异常呈显同心圆族(或者上下左右是否对称)为最佳效果。这时场源的中心投影位置就在同心圆中心。

[1]谭承泽,郭绍雍.磁法勘探教程[M].北京:地质出版社,1985.

[2]管志宁.地磁场与磁力勘探[M].北京:地质出版社,2005.

[3]李才明,宋晓麟,李军,等.用高精度磁测为长江沉船定位[C]//中国地球物理学会.中国地球物理学会第22届年会论文集.北京：科学出版社，2006.

[4]吕邦来,王传雷.磁测在港航工程勘察中的几个实例[J].工程地球物理学报,2004,1(6):494-498.

[5]曲赞,李永涛.探测未爆炸弹的地球物理技术综述[J].地质科技情报,2006,25(3):101-104.

[6]魏碧辉,滕惠忠,王克平,等.海底目标探测技术与应用[C]//中国测绘学会.第二十一届海洋测绘综合性学术研讨会论文集,2009.

[7]王传雷,沈博,祁明松.水下被淹没沉船的地球物理调查[J].江汉考古,2002(1):79-82.

[8]秦显科,王林飞,徐秀刚,等.天然气管道的震磁联合探测[J].工程地球物理学报,2015,12(5):680-687.

[9]喻忠鸿,杨威,祁明松.磁法探测炸弹有效深度的物理模拟试验及分析[J].工程地球物理学报,2007,4(2):118-122.

[10]王传雷,祁明松,陈超,等.高精度磁测在长江马当要塞沉船探测中的应用[J].地质科技情报,2000，19(3)：98-102.

[11]王传雷,陈树祥,李兆锋,等.铜绿山古冶炼遗址的磁法探测试验[J].工程地球物理学报,2013,10(3):320-326.

[12]王传雷,余忠鸿,曲赞,等.水域施工遗失物体的磁法快速探测定位[J].工程地球物理学报,2009,6(增刊):54-58.

[13]王传雷,肖发标,祁明松.鄱阳湖老爷庙水域磁法考古调查[M]//中国地质大学.中国地质大学建校60周年地球物理与空间信息学院论文集.武汉:中国地质大学出版社,2012.

The Evaluation Standard of Magnetic Data Processed with Reduction to Pole of Humanistic Body

Ma Wenwen1,Yu Zhonghong1,Qi Mingsong2,Wang Chuanlei2,3

(1.ThirdExplorationInstituteofGeologyandMineralResources,QinghaiProvinceGeologyandMineralsBureau,XiningQinghai810000,China;2.InstituteofGeophysics&Geomatics,ChinaUniversityofGeosciences,WuhanHubei430074,China;3.EngineeringInstitute,WuhanCollegeofEngineeringScience,WuhanHubei430200,China)

Unlike resource survey and geological survey,the detecting targets are usually some man-made objects such as bombs,shipwrecks,tombs and so on in the field of engineering investigation and archaeological investigation. It will inevitably have some differences with the mineral survey when the magnetic data of this field source are processed for their generating environment and conditions are different with those of mineral deposit and geological structure. This paper discusses and summarizes the differences of reduction to pole processing from the fore-mentioned target objects; discusses the parameter selection method on the basis of the man-made objective features and summarizes the evaluation standard. Moreover,this paper verifies the evaluation standard which is summarized from the forward and inversion simulation of the model test by a living investigation example. The relatively ideal application effect certifies that the evaluation standard and the parameter selection principle of reduction to pole processing are feasible and reliable in this paper .

humanistic body; magnetic anomaly; reduction to pole processing; evaluation standard

1672—7940(2016)06—0746—06

10.3969/j.issn.1672-7940.2016.06.010

湖北省自然科学基金项目(编号：2003ABA019)

马文文(1988-)，男，工程师，从事地球物理勘查工作。E-mail：345691148@qq.com

王传雷(1953-)，男，教授，从事地球物理勘查教学与科研工作。E-mail：chlwang@cug.edu.cn

P631.2

A

2016-08-30