0 引言
随着计算机技术的发展和资源、环境、工程勘察需求的不断增长,电磁法技术不断进步革新,随之涌现了大批优秀的数据处理软件。电磁法数据处理软件主要有大型的综合类软件和用于特定方法仪器的专业类软件两种。大型综合软件的开发需要大量专业开发人员,一般只有大型的综合性公司和专业的软件开发公司才能完成开发。国外比较有代表性的有加拿大GeoSoft公司的Oasis montaj软件、美国Fugro公司的LCT软件、英国的ARKFIELD软件和澳大利亚的INTREPID软件;国内比较有代表性的有中国自然资源航空物探遥感中心的AirProbe软件和中国地质调查局发展研究中心的RGIS软件。专业型软件针对特定方法或仪器进行开发,具有体积小、操作简便的特点,用于解决特定地球物理问题,一般的开发机构和普通高等院校也能进行开发。国外比较有代表性的有美国AVO公司的GeoTools软件、加拿大PetRos Eikon Inc公司的EMIGMA软件和意大利GEOSYSTEM公司的WinGlink软件等;国内比较有代表性的有中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所的WEM软件、成都理工大学的MTSoft-2D软件和中国地震局地质研究所的MT-Pioneer软件等[1,2,3]。
随着电磁法勘探逐渐向数字化、自动化、智能化方向发展,以及勘探数据的累积和体系化发展,对传统的专业性软件提出新的要求。原有的广域电磁法数据处理软件在项目管理、数据存储和数据可视化等方面主要依靠人工,已不满足发展需求。针对这些问题,我们设计开发了“广域电磁法数据处理与解释软件(GSCJ)”,在实现广域电磁法正反演计算的基础上,开发了数据管理系统,实现了对项目数据的自动化和无纸化管理,同时具有较高的保密性。
1 软件总体设计
1.1 系统架构
软件采用客户机+服务器(Client-Server, CS)的结构。客户机即面向操作员的软件主体,集成了接口程序、数据处理程序和可视化界面,负责与用户交互,进行数据导入、导出、预处理、正演、反演以及成图展示等操作。服务器主要运行数据库程序,独立成为数据管理模块,负责数据存储,可灵活选择云端服务器或本地局域网服务器。软件综合应用了数据库技术、网络技术,采用层次化、模块化设计,每个模块相互独立,通过文件和Socket进行通信,具有较高的可拓展性。软件设计框架如图1所示,数据源包括项目所有的数据资料和其他信息,如工区信息、坐标数据、使用的仪器、参与的人员和电磁数据等,数据通过接口程序导入数据库,然后通过其他子模块进行相应处理,每一步操作都可以保存。在共用一个服务器的情况下, 可以选择性地与其他人员共享数据。
图1
1.2 开发平台
图2
数据处理程序基于Python开发。Python是一种开源的解释型脚本语言,具有开发速度快、易扩展、跨平台的优点,凭借其较低的学习门槛和丰富的标准库在科学计算和人工智能领域快速发展起来[13]。使用Python以模块化的形式实现数据的处理、数据的可视化、正演和反演等功能,主要用到了NumPy、SciPy、Pandas等科学计算库和Matplotlib图形库。
数据库基于MySQL开发。MySQL是一个开源的关系型数据库,是目前最受欢迎的数据库软件之一[14]。MySQL数据库将数据存储在一个个表格中,具有运行速度快、灵活性高的特点,非常适合格式化电磁数据的存储。
1.3 数据库设计
表1 原始数据综合统计
Table 1
| 字段 | 类型 | 说明 |
|---|---|---|
| id | Int | 数据Id,自增主键 |
| create_user | Varchar(255) | 创建者用户名 |
| create_time | Datetime | 创建时间 |
| area_id | Int | 所属工区id |
| line | Int | 线号 |
| point | Double(15,6) | 点号 |
| distance | Double | 点距 |
| ax | Decimal(15,4) | 场源A极东坐标 |
| ay | Decimal(15,4) | 场源A极北坐标 |
| bx | Decimal(15,4) | 场源B极东坐标 |
| by | Decimal(15,4) | 场源B极北坐标 |
| mx | Decimal(15,4) | M极北坐标 |
| my | Decimal(15,4) | M极东坐标 |
| nx | Decimal(15,4) | N极北坐标 |
| ny | Decimal(15,4) | N极东坐标 |
| frequency | Decimal(15,8) | 频率 |
| senddata | Decimal(15,6) | 发送电流 |
| revdata | Decimal(15,6) | 电位差 |
| error | Decimal(15,6) | 误差 |
| result | Decimal(15,6) | 视电阻率 |
| file_name_i | Varchar | 电流文件 |
| file_name_v | Varchar | 电压文件 |
| device_no | Varchar | 设备编号 |
| work_date | Varchar | 测量日期 |
图3
根据应用场景的不同,数据库有网络版和单机版两种形式。网络版把数据库部署在云端服务器或者本地服务器,需要互联网或局域网进行通讯,可满足对项目资料的集中存储和管理;单机版则把数据库内嵌在个人计算机上,适合在网络通讯条件差的野外现场使用,可以在勘探现场进行对原始数据的处理和存储。
2 系统功能模块
广域电磁法勘探项目的室内工作主要有数据整理存储、预处理和反演解释等功能要求,流程如图4所示,软件按功能需求主要分为数据管理、数据预处理、数据可视化、正反演等模块。
图4
2.1 数据管理模块
数据管理模块实现了对项目、数据、人员、设备的集中管理。而且设置了管理员,管理员拥有最高权限,可以管理所有数据,可以给不同人员分配不同的权限,控制人员能够接触到的数据范围,加强数据的保密性。
数据管理模块实现了与广域电磁仪的对接,可直接导入广域电磁发送机电流数据和接收机电场数据,减少了中间手动整理数据的环节。原始数据导入后,程序自动将进行整合并以原始数据表形式存储在数据库中,为后续处理做好准备。此模块还具有对原始数据质量进行评估的功能,可以根据《广域电磁法技术规程》或项目设计书中的质量要求,对数据进行分级,方便对数据进行处理。另外还具有自动生成数据报表的功能,可以一键输出Word、Excel或PDF文件格式的原始数据表、检查点数据表、仪器一致性检验数据表等,MySQL数据库的使用实现了数据的自动化管理,摒弃了以往数据处理过程中繁琐的文件整理过程,方便了勘探人员对数据的管理和使用,可节省大量时间,提高数据处理和解释的效率。
2.2 数据预处理模块
随着社会的发展,电磁干扰越来越严重,虽然广域电磁法采用大功率场源,信噪比高,但是野外观测取得的数据也难免会受到噪声干扰,甚至会影响数据处理和解释工作[6]。数据预处理的效果直接影响对地质信息的解释,从而影响勘探开发进程。
数据预处理模块实现数据的静态校正、剔除飞点、滤波去噪等功能,这些功能可由程序自动处理。当然程序的算法并不是万能的,有一定的应用场景。软件也提供了手动校正功能,可由操作员手动处理。
2.3 数据可视化模块
数据处理和解释结果最终都要以图件的形式进行展示和分析,所以图件是广域电磁法勘探工程的重要组成部分,准确而精美的图件可以更清晰地表达数据所代表的地质信息。
数据可视化模块针对原始数据可以绘制视电阻率和电场曲线图、频率—视电阻率拟断面图,等频率曲线图、视电阻率—视深度图和高分辨率图等,丰富的原始数据图件可以在反演前就定性了解主要地层的分布情况和断裂发育情况。反演数据成图主要有反演结果断面图、拟合误差分布图和高分辨率图等。图件质量可以满足工程项目需要,是进行数据解释的得力助手。
2.4 正反演模块
电磁法的正反演研究正逐渐向二维和三维的方向发展,但受野外剖面测量的限制,实测数据的反演解释用得最多的是一维反演。多数反演算法都需要计算雅克比矩阵,其中扰动法用得最多。扰动法先给单个自变量微小的扰动,通过正演得到处理后的电磁响应,再通过差分计算来代替雅克比矩阵。扰动法同时进行厚度和电阻率的反演,n层模型一次反演迭代中,需要进行2n-1次正演计算,花费的时间成本较高。本软件采用解析法计算雅克比矩阵,并且采用并行计算,在反演结果与扰动法一致的前提下,大大缩减了计算时间[15]。现阶段正反演模块主要立足于实际勘探项目的需求,实现了广域电磁法一维正演、无约束反演和有约束反演,可以满足普通广域勘探项目的需求。
3 软件应用效果
以河北某工区广域电磁法L2线为例,展示软件的应用效果。L2线长12.1 km,点距100 m。图5是测线场源的布置情况,工区内地表被第四系黏土覆盖,没有地层出露。邻区钻井钻探结果显示,第四系地层主要为细砂黏土和粉砂,电阻率为低阻;新近系地层主要是含砂砾岩、泥岩,电阻率为低阻;寒武系地层岩性主要为灰岩和灰质白云岩,电阻率为高阻;青白口系地层岩性主要是泥岩、灰岩和部分页岩,电阻率为中高阻;蓟县系地层岩性主要是白云岩,局部有泥质粉砂岩薄层,电阻率为高阻。上覆地层和热储层有显著的电性差异,符合广域电磁法应用条件。图6是原始数据视电阻率拟断面,可以看到视电阻率可分为3层,第一层为第四系地层的响应,第二层为新近系地层的响应,第三层为寒武系、青白口系、蓟县系等高阻地层的响应。
图5
图6
图7
图8
由反演和解释结果(图9)可以看出,地层有比较明显的分层,上部中低阻地层为第四系和新近系沉积层,下部高阻地层为寒武系、青白口系、蓟县系和长城系地层。第四系地层底板埋深400 m左右,新近系地层底板埋深700 m左右,寒武系地层底板最浅处埋深2 000 m左右,因为青白口系、蓟县系和长城系地层都是高阻,在反演结果中成层性较差,不能准确区分。D21井位于测线4 000 m处,钻探结果显示,本区第四系地层底板埋深395 m,新近系底板埋深1 158 m,寒武系底板埋深2 242 m,青白口系底板埋深2 470 m,蓟县系底板埋深3 083.73 m。新近系以下地层倾角较大,钻探比较困难。将深度标记到反演断面图上,发现地层深度与反演解释结果匹配较好。新近系地层地板埋深与反演结果有出入,主要是因为新近系底部954~1 158 m是高阻玄武岩,与同地层的岩性差距较大,而与下部高阻寒武系地层无明显差异,影响了地层的划分。反演结果显示本区地层倾角较大,也得到了钻探结果的验证。钻井未揭示长城系地层,根据地层顺序推测长城系地层位于蓟县系地层下部,中心埋深在4 000 m左右。
图9
4 结论及展望
本软件目前利用数据库技术实现了广域电磁法勘探项目的数字化、自动化管理,大幅解放了人力物力;实现了基础的广域电磁法正反演功能,可以满足普通勘探项目的需求。但也存在一些不足,目前集成的数据处理算法较少,系统兼容性较差,图件质量也与专业绘图软件差距较大。后续将持续进行开发,让软件功能更全面更好用。第二阶段将继续开发广域电磁法正反演模块,实现二维和三维正反演功能,并实现与主流商业软件的对接,向综合性软件方向发展。第三阶段将推进广域电磁法数据处理技术向智能化方向发展,引入人工智能技术和大数据技术,进行数据处理,地层、断裂构造的自动识别和成矿预测等。
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