基于Python语言的瞬变电磁多测道图绘制*

张龙科

(1.国土资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室，陕西 西安 710021；2.陕西省煤田物探测绘有限公司，陕西 西安 710005)

0 引言

水资源灾害一直是煤矿资源开采中的一大难题，为了保证煤矿开采过程的安全，减少安全隐患，必须进行煤矿水文地质勘探。目前，煤矿水文地质勘探的物探方法很多，瞬变电磁勘探是众多方法中较为高效的一种[1-3]。瞬变电磁不仅高效率，而且野外施工相对简单，成本低，周期短，是目前最普遍的一种勘探方法。目前市面上关于瞬变电磁数据处理的软件很多，但是大多数价格昂贵，而数据处理过程极为复杂，对于一些地面瞬变电磁的大型项目，数据量极大，处理起来相当费时间[4-6]。因此，为了简化数据的处理过程，缩短处理时间，基于Python语言的基础编写了关于多测道曲线图的程序，以期可以高效便捷地处理瞬变电磁数据。

1 瞬变电磁基本理论

瞬变电磁法也称时间域电磁法，通过向不接地回线发射脉冲从而使其周围的地质体产生磁场(一次场)，感应电流的分布在周围围岩中各处是不均匀的，感应电流在离不接地回线周围最强，然后随着与不接地回线距离增大逐渐场强变小，在距离不接地回线三分之二处会形成一个均匀的一次场强[7-10]。然后突然关断电流，电磁场传播速度空气中比导电介质中传播速度大得多，当断开激发电流时，一次磁场突然剧烈的变化会传播到周围岩石矿体介质中，由于楞次定律回线中会产生一种逐渐变小的磁场(二次场)。随着时间推移，感应的电流会逐渐向外扩散，它的强度同时也会逐渐减弱，电流的分布趋于均匀。然后接收随时间变化的二次场，各项同性地层情况下，含有良导体的地质体二次电位信号衰减的相对较慢，不良导体的二次电位信号衰减的相对较快，由于水资源属于良导体，这也是瞬变电磁勘探能够进行水害的主要理论基础，从而解决了地质问题。基于瞬变电磁法对低阻体反应特别敏感的特点，将其运用于煤矿水文勘查。它是一种极具发展前景的方法，可以查明含水地质，如老巷与煤矿采空区、奥灰不规则水体等。瞬变电磁法在高阻中寻找低阻地质体相当灵敏，可以自动消除主要噪声源，无地形影响，相同点组合观测，使得探测目标最佳耦合，形态简单，分辨能力强。

2 多测道曲线图绘图程序

2.1 多测道曲线图

多测道曲线图介绍：瞬变电磁勘探中接收到的数据大都是随时间增大的二次电位，二次电位信号随着时间的增大会慢慢变小，最后消失。多测道曲线图就是在所有数据中，将同一时间的二次电位信号按点号重新排列成图，每一条曲线图反映的是同一时间二次电位值的大小变化趋势，然后将所有的时间道绘制在同一张图上，就得到了多测道曲线图，它与视电阻率断面图相似，只是其竖轴代表的是时间，视电阻率断面图竖轴代表的是深度。相比较而言，多测道曲线图简单，更能直观快速地反映该测线的地层概况。

数据处理与绘图：目前，瞬变电磁处理的软件很多，基本都可以显示瞬变电磁多测道图，但是软件价格对于个人或者小型私企有些昂贵。常规瞬变电磁多测道图做法较少，没有统一专门的软件去制作，制作过程也相对复杂些，主要是效率低下，整理数据浪费大量时间。因此，为了高效地完成多测道曲线的绘制，利用Python语言编写程序，按照多测道图的要求绘制图件。

2.2 Python编制的多测道曲线图程序

Python语言的特点：本程序的开发过程是基于Python语言，Python语言相对于别的语言简单易懂，程序可操作性强，在此基础上后期还能增加其功能，可移植性较好[11-12]。Python语言数据处理功能很强，特别是Pandas库、Matplotlib库可以直接将数据处理成图，为数据可视化提供了方便。

处理步骤：①首先从本地文件(.csv)读取数据，数据格式，见表1。其中X列表示线号，Y列表示点号，H列表示深度，R列表示电阻率，V列表示二次电压；②对于没有时间道的数据程序会加载时间道(默认间隔为1)；③加载完时间道后，数据会按时间道重新排列，组成新的数据块；④选择同一道号的数据组成作图数据列并作图，然后批量成图最后得出多测道曲线图;⑤在作图过程中对数据行列标签进行设置，最后保存图片并输出。以上步骤就是该程序的设计思路，利用Python语言，通过查阅参考资料最终完成了程序的编制[13-15]。

表1 数据格式

2.3 程序应用实例

工程背景：该矿区根据钻孔揭露和地面观测资料，地层由老至新为中奥陶统峰峰组、上石炭统太原组、下二叠统山西组及下石盒子组、上二叠统上石盒子组及孙家沟组和第四系。井田位于矿区中部，区内物性比较稳定，测井段所见主要岩性有泥岩、粉砂岩、石灰岩、煤层等。煤质好，顶底板岩性较稳定，与煤层有一定的物性差异。二次电位曲线应平滑反映地层的成层情况，在相对于围岩的高阻体中二次电位衰减的较快，在二次电位曲线图上形成了一种相对凹陷的趋势；在相对于围岩的低阻体中二次电位衰减的较慢，在二次电位曲线图上形成了一种相对凸起的趋势，如图1所示。

图1为某井田D1000线的多测道图，每一条曲线代表的是所有测点的同一道数，然后将一次成图就得到了D1000线的多测道图。此图直观清晰地反映了地质体在D1000线的延展情况和异常体的点号位置，为瞬变电磁数据处理有效的方法。可用于实际瞬变电磁勘探项目中，为项目数据处理节约时间。

图1 D1000线瞬变电磁多测道曲线

程序的优点：该程序思路简单运行高效，对于批量作图特别适用，输出的图片像素及大小都可以自由设置，根据自己项目的需要设置。该程序成图时间少，对于大型瞬变电磁勘探工程特别实用，成图的结果比较美观，不需要再做修改，可直接插入报告中使用。单图的运行时间不到2 s，运行效率极高，比起选用其它软件作多测道图，既节省了时间，又提高了准确性。

3 结语

通过理论分析和实例演示，可以看出利用Python程序处理瞬变电磁数据绘制多测道图，不仅简单高效而且成果图件的质量极高，满足对瞬变电磁数据处理的要求。在这过程中还对数据进行了筛选和圆滑处理，降低了随机干扰的影响。运用此程序，处理者只需要将瞬变电磁数据整理成相应的格式即可，然后运行程序就可以得到相应的图件，中间无需其他操作，对于一些工程量较大的瞬变电磁项目，可以高效完成多测道曲线图的绘制。