朱云起，李帝銓，王金海,4

(1.有色金屬成礦預(yù)測(cè)與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中南大學(xué))，湖南 長(zhǎng)沙 410083; 2.有色資源與地質(zhì)災(zāi)害探測(cè)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410083; 3.中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083; 4.青海省第三地質(zhì)勘查院，青海 西寧 810029)

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和資源、環(huán)境、工程勘察需求的不斷增長(zhǎng)，電磁法技術(shù)不斷進(jìn)步革新，隨之涌現(xiàn)了大批優(yōu)秀的數(shù)據(jù)處理軟件。電磁法數(shù)據(jù)處理軟件主要有大型的綜合類軟件和用于特定方法儀器的專業(yè)類軟件兩種。大型綜合軟件的開發(fā)需要大量專業(yè)開發(fā)人員，一般只有大型的綜合性公司和專業(yè)的軟件開發(fā)公司才能完成開發(fā)。國(guó)外比較有代表性的有加拿大GeoSoft公司的Oasis montaj軟件、美國(guó)Fugro公司的LCT軟件、英國(guó)的ARKFIELD軟件和澳大利亞的INTREPID軟件；國(guó)內(nèi)比較有代表性的有中國(guó)自然資源航空物探遙感中心的AirProbe軟件和中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局發(fā)展研究中心的RGIS軟件。專業(yè)型軟件針對(duì)特定方法或儀器進(jìn)行開發(fā)，具有體積小、操作簡(jiǎn)便的特點(diǎn)，用于解決特定地球物理問題，一般的開發(fā)機(jī)構(gòu)和普通高等院校也能進(jìn)行開發(fā)。國(guó)外比較有代表性的有美國(guó)AVO公司的GeoTools軟件、加拿大PetRos Eikon Inc公司的EMIGMA軟件和意大利GEOSYSTEM公司的WinGlink軟件等；國(guó)內(nèi)比較有代表性的有中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所的WEM軟件、成都理工大學(xué)的MTSoft-2D軟件和中國(guó)地震局地質(zhì)研究所的MT-Pioneer軟件等[1-3]。

廣域電磁法是一種新型的電磁勘探方法，改善了非遠(yuǎn)區(qū)的畸變效應(yīng)，理論上可以在包括近區(qū)、過(guò)渡區(qū)和遠(yuǎn)區(qū)的廣闊區(qū)域進(jìn)行探測(cè)[4-5]。廣域電磁法使用大功率人工場(chǎng)源，克服了場(chǎng)源隨機(jī)性，采用偽隨機(jī)信號(hào)發(fā)射，在保證觀測(cè)信息量的前提下，只對(duì)電磁場(chǎng)的一個(gè)分量進(jìn)行觀測(cè)，具有探測(cè)速度快、成本低、抗干擾能力強(qiáng)、勘探深度大的優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，廣域電磁法在油氣、金屬礦、地?zé)豳Y源等勘探領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[6-10]。

隨著電磁法勘探逐漸向數(shù)字化、自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展，以及勘探數(shù)據(jù)的累積和體系化發(fā)展，對(duì)傳統(tǒng)的專業(yè)性軟件提出新的要求。原有的廣域電磁法數(shù)據(jù)處理軟件在項(xiàng)目管理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)可視化等方面主要依靠人工，已不滿足發(fā)展需求。針對(duì)這些問題，我們?cè)O(shè)計(jì)開發(fā)了“廣域電磁法數(shù)據(jù)處理與解釋軟件(GSCJ)”，在實(shí)現(xiàn)廣域電磁法正反演計(jì)算的基礎(chǔ)上，開發(fā)了數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)項(xiàng)目數(shù)據(jù)的自動(dòng)化和無(wú)紙化管理，同時(shí)具有較高的保密性。

1 軟件總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

軟件采用客戶機(jī)+服務(wù)器(Client-Server, CS)的結(jié)構(gòu)?？蛻魴C(jī)即面向操作員的軟件主體，集成了接口程序、數(shù)據(jù)處理程序和可視化界面，負(fù)責(zé)與用戶交互，進(jìn)行數(shù)據(jù)導(dǎo)入、導(dǎo)出、預(yù)處理、正演、反演以及成圖展示等操作。服務(wù)器主要運(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù)程序，獨(dú)立成為數(shù)據(jù)管理模塊，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，可靈活選擇云端服務(wù)器或本地局域網(wǎng)服務(wù)器。軟件綜合應(yīng)用了數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，采用層次化、模塊化設(shè)計(jì)，每個(gè)模塊相互獨(dú)立，通過(guò)文件和Socket進(jìn)行通信，具有較高的可拓展性。軟件設(shè)計(jì)框架如圖1所示，數(shù)據(jù)源包括項(xiàng)目所有的數(shù)據(jù)資料和其他信息，如工區(qū)信息、坐標(biāo)數(shù)據(jù)、使用的儀器、參與的人員和電磁數(shù)據(jù)等，數(shù)據(jù)通過(guò)接口程序?qū)霐?shù)據(jù)庫(kù)，然后通過(guò)其他子模塊進(jìn)行相應(yīng)處理，每一步操作都可以保存。在共用一個(gè)服務(wù)器的情況下， 可以選擇性地與其他人員共享數(shù)據(jù)。

圖1 軟件設(shè)計(jì)框架Fig.1 Software architecture

1.2 開發(fā)平臺(tái)

軟件界面窗體采用Windows Form(Winform)平臺(tái)開發(fā)。Winform是.NET Framework為Windows應(yīng)用程序開發(fā)人員提供的控件，能更好地適應(yīng)Windows平臺(tái)，運(yùn)行更穩(wěn)定、更安全，控件豐富且能自定義，用戶界面美觀實(shí)用[11-12]。本軟件主界面如圖2所示。

圖2 軟件主界面Fig.2 The main interface of the software

數(shù)據(jù)處理程序基于Python開發(fā)。Python是一種開源的解釋型腳本語(yǔ)言，具有開發(fā)速度快、易擴(kuò)展、跨平臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)，憑借其較低的學(xué)習(xí)門檻和豐富的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)在科學(xué)計(jì)算和人工智能領(lǐng)域快速發(fā)展起來(lái)[13]。使用Python以模塊化的形式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理、數(shù)據(jù)的可視化、正演和反演等功能，主要用到了NumPy、SciPy、Pandas等科學(xué)計(jì)算庫(kù)和Matplotlib圖形庫(kù)。

數(shù)據(jù)庫(kù)基于MySQL開發(fā)。MySQL是一個(gè)開源的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，是目前最受歡迎的數(shù)據(jù)庫(kù)軟件之一[14]。MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在一個(gè)個(gè)表格中，具有運(yùn)行速度快、靈活性高的特點(diǎn)，非常適合格式化電磁數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

1.3 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

根據(jù)數(shù)據(jù)類型設(shè)置表格?；A(chǔ)資料包括項(xiàng)目表、儀器表、人員及權(quán)限分配表等?？碧綌?shù)據(jù)資料包括測(cè)點(diǎn)場(chǎng)源坐標(biāo)數(shù)據(jù)表、電流數(shù)據(jù)表、電位差數(shù)據(jù)表、視電阻率數(shù)據(jù)表、原始數(shù)據(jù)綜合表、正演數(shù)據(jù)表、反演數(shù)據(jù)表等。野外現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)可立即導(dǎo)入軟件進(jìn)行計(jì)算視電阻率等前期處理，減少人工處理工作量。如表1所示，原始數(shù)據(jù)綜合表包括用戶、工區(qū)、線號(hào)、點(diǎn)號(hào)、坐標(biāo)、電流、電位差、視電阻率、設(shè)備信息、日期等基礎(chǔ)信息。數(shù)據(jù)庫(kù)總體設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)Fig.3 Database system

表1 原始數(shù)據(jù)綜合統(tǒng)計(jì)

根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的不同，數(shù)據(jù)庫(kù)有網(wǎng)絡(luò)版和單機(jī)版兩種形式。網(wǎng)絡(luò)版把數(shù)據(jù)庫(kù)部署在云端服務(wù)器或者本地服務(wù)器，需要互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)進(jìn)行通訊，可滿足對(duì)項(xiàng)目資料的集中存儲(chǔ)和管理；單機(jī)版則把數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)嵌在個(gè)人計(jì)算機(jī)上，適合在網(wǎng)絡(luò)通訊條件差的野外現(xiàn)場(chǎng)使用，可以在勘探現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行對(duì)原始數(shù)據(jù)的處理和存儲(chǔ)。

2 系統(tǒng)功能模塊

廣域電磁法勘探項(xiàng)目的室內(nèi)工作主要有數(shù)據(jù)整理存儲(chǔ)、預(yù)處理和反演解釋等功能要求，流程如圖4所示，軟件按功能需求主要分為數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)可視化、正反演等模塊。

2.1 數(shù)據(jù)管理模塊

數(shù)據(jù)管理模塊實(shí)現(xiàn)了對(duì)項(xiàng)目、數(shù)據(jù)、人員、設(shè)備的集中管理。而且設(shè)置了管理員，管理員擁有最高權(quán)限，可以管理所有數(shù)據(jù)，可以給不同人員分配不同的權(quán)限，控制人員能夠接觸到的數(shù)據(jù)范圍，加強(qiáng)數(shù)據(jù)的保密性。

數(shù)據(jù)管理模塊實(shí)現(xiàn)了與廣域電磁儀的對(duì)接，可直接導(dǎo)入廣域電磁發(fā)送機(jī)電流數(shù)據(jù)和接收機(jī)電場(chǎng)數(shù)據(jù)，減少了中間手動(dòng)整理數(shù)據(jù)的環(huán)節(jié)。原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入后，程序自動(dòng)將進(jìn)行整合并以原始數(shù)據(jù)表形式存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，為后續(xù)處理做好準(zhǔn)備。此模塊還具有對(duì)原始數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估的功能，可以根據(jù)《廣域電磁法技術(shù)規(guī)程》或項(xiàng)目設(shè)計(jì)書中的質(zhì)量要求，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分級(jí)，方便對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。另外還具有自動(dòng)生成數(shù)據(jù)報(bào)表的功能，可以一鍵輸出Word、Excel或PDF文件格式的原始數(shù)據(jù)表、檢查點(diǎn)數(shù)據(jù)表、儀器一致性檢驗(yàn)數(shù)據(jù)表等，MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)的使用實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的自動(dòng)化管理，摒棄了以往數(shù)據(jù)處理過(guò)程中繁瑣的文件整理過(guò)程，方便了勘探人員對(duì)數(shù)據(jù)的管理和使用，可節(jié)省大量時(shí)間，提高數(shù)據(jù)處理和解釋的效率。

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊

隨著社會(huì)的發(fā)展，電磁干擾越來(lái)越嚴(yán)重，雖然廣域電磁法采用大功率場(chǎng)源，信噪比高，但是野外觀測(cè)取得的數(shù)據(jù)也難免會(huì)受到噪聲干擾，甚至?xí)绊憯?shù)據(jù)處理和解釋工作[6]。數(shù)據(jù)預(yù)處理的效果直接影響對(duì)地質(zhì)信息的解釋，從而影響勘探開發(fā)進(jìn)程。

數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的靜態(tài)校正、剔除飛點(diǎn)、濾波去噪等功能，這些功能可由程序自動(dòng)處理。當(dāng)然程序的算法并不是萬(wàn)能的，有一定的應(yīng)用場(chǎng)景。軟件也提供了手動(dòng)校正功能，可由操作員手動(dòng)處理。

2.3 數(shù)據(jù)可視化模塊

數(shù)據(jù)處理和解釋結(jié)果最終都要以圖件的形式進(jìn)行展示和分析，所以圖件是廣域電磁法勘探工程的重要組成部分，準(zhǔn)確而精美的圖件可以更清晰地表達(dá)數(shù)據(jù)所代表的地質(zhì)信息。

數(shù)據(jù)可視化模塊針對(duì)原始數(shù)據(jù)可以繪制視電阻率和電場(chǎng)曲線圖、頻率—視電阻率擬斷面圖，等頻率曲線圖、視電阻率—視深度圖和高分辨率圖等，豐富的原始數(shù)據(jù)圖件可以在反演前就定性了解主要地層的分布情況和斷裂發(fā)育情況。反演數(shù)據(jù)成圖主要有反演結(jié)果斷面圖、擬合誤差分布圖和高分辨率圖等。圖件質(zhì)量可以滿足工程項(xiàng)目需要，是進(jìn)行數(shù)據(jù)解釋的得力助手。

2.4 正反演模塊

電磁法的正反演研究正逐漸向二維和三維的方向發(fā)展，但受野外剖面測(cè)量的限制，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的反演解釋用得最多的是一維反演。多數(shù)反演算法都需要計(jì)算雅克比矩陣，其中擾動(dòng)法用得最多。擾動(dòng)法先給單個(gè)自變量微小的擾動(dòng)，通過(guò)正演得到處理后的電磁響應(yīng)，再通過(guò)差分計(jì)算來(lái)代替雅克比矩陣。擾動(dòng)法同時(shí)進(jìn)行厚度和電阻率的反演，n層模型一次反演迭代中，需要進(jìn)行2n-1次正演計(jì)算，花費(fèi)的時(shí)間成本較高。本軟件采用解析法計(jì)算雅克比矩陣，并且采用并行計(jì)算，在反演結(jié)果與擾動(dòng)法一致的前提下，大大縮減了計(jì)算時(shí)間[15]?，F(xiàn)階段正反演模塊主要立足于實(shí)際勘探項(xiàng)目的需求，實(shí)現(xiàn)了廣域電磁法一維正演、無(wú)約束反演和有約束反演，可以滿足普通廣域勘探項(xiàng)目的需求。

3 軟件應(yīng)用效果

以河北某工區(qū)廣域電磁法L2線為例，展示軟件的應(yīng)用效果。L2線長(zhǎng)12.1 km，點(diǎn)距100 m。圖5是測(cè)線場(chǎng)源的布置情況，工區(qū)內(nèi)地表被第四系黏土覆蓋，沒有地層出露。鄰區(qū)鉆井鉆探結(jié)果顯示，第四系地層主要為細(xì)砂黏土和粉砂，電阻率為低阻；新近系地層主要是含砂礫巖、泥巖，電阻率為低阻；寒武系地層巖性主要為灰?guī)r和灰質(zhì)白云巖，電阻率為高阻；青白口系地層巖性主要是泥巖、灰?guī)r和部分頁(yè)巖，電阻率為中高阻；薊縣系地層巖性主要是白云巖，局部有泥質(zhì)粉砂巖薄層，電阻率為高阻。上覆地層和熱儲(chǔ)層有顯著的電性差異，符合廣域電磁法應(yīng)用條件。圖6是原始數(shù)據(jù)視電阻率擬斷面，可以看到視電阻率可分為3層，第一層為第四系地層的響應(yīng)，第二層為新近系地層的響應(yīng)，第三層為寒武系、青白口系、薊縣系等高阻地層的響應(yīng)。

圖5 觀測(cè)裝置布置Fig.5 Detecting device layout

圖6 視電阻率擬斷面Fig.6 Pseudo-sectional diagram of apparent resistivity

圖7為1 500點(diǎn)和11 000點(diǎn)實(shí)測(cè)曲線和正演擬合曲線，圖8為1 500點(diǎn)和11 000點(diǎn)在反演過(guò)程中擬合差，擬合差隨迭代次數(shù)增加逐漸減小，并逐漸穩(wěn)定。1 500點(diǎn)最終的擬合差為1.62%，11 000點(diǎn)最終的擬合差為3.45%。

圖7 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)曲線和正演數(shù)據(jù)曲線Fig.7 Measured data curve and forward data curve

圖8 迭代誤差曲線Fig.8 Iterative error curve

由反演和解釋結(jié)果(圖9)可以看出，地層有比較明顯的分層，上部中低阻地層為第四系和新近系沉積層，下部高阻地層為寒武系、青白口系、薊縣系和長(zhǎng)城系地層。第四系地層底板埋深400 m左右，新近系地層底板埋深700 m左右，寒武系地層底板最淺處埋深2 000 m左右，因?yàn)榍喟卓谙?、薊縣系和長(zhǎng)城系地層都是高阻，在反演結(jié)果中成層性較差，不能準(zhǔn)確區(qū)分。D21井位于測(cè)線4 000 m處，鉆探結(jié)果顯示，本區(qū)第四系地層底板埋深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，薊縣系底板埋深3 083.73 m。新近系以下地層傾角較大，鉆探比較困難。將深度標(biāo)記到反演斷面圖上，發(fā)現(xiàn)地層深度與反演解釋結(jié)果匹配較好。新近系地層地板埋深與反演結(jié)果有出入，主要是因?yàn)樾陆档撞?54～1 158 m是高阻玄武巖，與同地層的巖性差距較大，而與下部高阻寒武系地層無(wú)明顯差異，影響了地層的劃分。反演結(jié)果顯示本區(qū)地層傾角較大，也得到了鉆探結(jié)果的驗(yàn)證。鉆井未揭示長(zhǎng)城系地層，根據(jù)地層順序推測(cè)長(zhǎng)城系地層位于薊縣系地層下部，中心埋深在4 000 m左右。

圖9 反演結(jié)果和解釋成果Fig.9 Inversion and interpretation section

4 結(jié)論及展望

本軟件目前利用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了廣域電磁法勘探項(xiàng)目的數(shù)字化、自動(dòng)化管理，大幅解放了人力物力；實(shí)現(xiàn)了基礎(chǔ)的廣域電磁法正反演功能，可以滿足普通勘探項(xiàng)目的需求。但也存在一些不足，目前集成的數(shù)據(jù)處理算法較少，系統(tǒng)兼容性較差，圖件質(zhì)量也與專業(yè)繪圖軟件差距較大。后續(xù)將持續(xù)進(jìn)行開發(fā)，讓軟件功能更全面更好用。第二階段將繼續(xù)開發(fā)廣域電磁法正反演模塊，實(shí)現(xiàn)二維和三維正反演功能，并實(shí)現(xiàn)與主流商業(yè)軟件的對(duì)接，向綜合性軟件方向發(fā)展。第三階段將推進(jìn)廣域電磁法數(shù)據(jù)處理技術(shù)向智能化方向發(fā)展，引入人工智能技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，地層、斷裂構(gòu)造的自動(dòng)識(shí)別和成礦預(yù)測(cè)等。