基于Voxler和Surfer軟件在瞬變電磁法三維切片圖繪制中的應(yīng)用與研究

韋乖強(qiáng)，孫 林，張廣琦，杜賢軍

(1.山東省煤田地質(zhì)局第五勘探隊(duì)，山東泰安271000;2.天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京100013;3.山東科技大學(xué)，山東泰安271000)

瞬變電磁法有適應(yīng)地形條件強(qiáng)、受地形起伏影響小、能穿透高阻屏蔽、剖面測(cè)量和測(cè)深工作同時(shí)進(jìn)行、對(duì)低阻反映敏感等優(yōu)勢(shì)，近幾年普遍應(yīng)用于煤礦采空區(qū)及頂、底板富水性的探測(cè)研究中。隨著計(jì)算機(jī)成圖技術(shù)的發(fā)展，三維可視化軟件的出現(xiàn)，使得瞬變電磁法在后期的成圖及資料解釋過(guò)程中采用三維切片圖直觀地展示探測(cè)目的層位的視電阻率電性特征成為可能。采用三維切片圖，便于分析各目的層位的電性異常特征及上下連通關(guān)系。通過(guò)對(duì)Voxler和Surfer兩種軟件在瞬變電磁法探測(cè)煤礦采空區(qū)及含水層富水性評(píng)價(jià)實(shí)踐中三維切片圖的應(yīng)用情況分析，總結(jié)了Voxler和Surfer兩種軟件在瞬變電磁法三維切片圖繪制中的數(shù)據(jù)要求、效果差異及所反映異常面積之間的關(guān)系。

1 軟件簡(jiǎn)介

Voxler和Surfer兩款軟件同為美國(guó)Golden Software公司出品的三維成圖軟件。Voxler是一款專業(yè)的三維數(shù)據(jù)可視化成圖軟件，用于繪制三維方向切片圖、三維等值線圖、等勢(shì)面圖、等面輪廓圖、高程模型圖、三維溶解圖、散點(diǎn)圖、矢量漩渦圖、綜合模型圖等;而Surfer軟件是用來(lái)制作等值線圖和三維等值立體圖的軟件，是處理XYZ數(shù)據(jù)的首選軟件，具有強(qiáng)大的插值功能和繪制圖件能力，可以制作等值線圖、線框圖、基面圖、數(shù)據(jù)點(diǎn)位圖、地形地貌圖、分類數(shù)據(jù)圖、趨勢(shì)圖、矢量圖以及三維表面圖等。兩種軟件均提供了多種圖形圖像文件格式的輸入輸出功能及GIS軟件文件格式的輸入輸出功能，方便了與其他繪圖軟件數(shù)據(jù)和文件格式的交流與轉(zhuǎn)換。

2 三維切片圖繪制方法

2.1 Voxler軟件繪制切片圖方法介紹

Voxler在繪制三維切片圖之前，先對(duì)測(cè)區(qū)瞬變電磁法反演數(shù)據(jù)加以整理，把每條測(cè)線測(cè)點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)或相對(duì)坐標(biāo)整理成X，Y，Z，ρr(其中X和Y為平面坐標(biāo)，Z為高程，ρr為X，Y，Z對(duì)應(yīng)的視電阻率)，再把整理好的所有測(cè)線的數(shù)據(jù)合并成一個(gè)文件，這樣就完成了Voxler軟件繪制三維切片圖所需要的數(shù)據(jù)體，數(shù)據(jù)體格式見表1。啟動(dòng)Voxler軟件，調(diào)入整理好的三維數(shù)據(jù)體，執(zhí)行相關(guān)模塊操作就可以顯示目的層位的三維切片了。

表1 Voxler軟件繪制三維切片圖數(shù)據(jù)格式

2.2 Surfer軟件繪制切片圖方法介紹

根據(jù)目的層位的標(biāo)高，提取每條測(cè)線每個(gè)測(cè)點(diǎn)相應(yīng)標(biāo)高的視電阻率數(shù)據(jù)，把所有測(cè)線同一層位提取的視電阻率數(shù)據(jù)合并成一個(gè)文件，這樣就完成了Surfer軟件繪制目的層位視電阻率切片圖所需要的數(shù)據(jù)體，該數(shù)據(jù)體為二維面數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)體格式見表2。Surfer軟件繪制的三維切片圖，實(shí)際是把各個(gè)目的層位的視電阻率等值線平面圖堆疊到一起形成的立體切片圖。在對(duì)各目的層位數(shù)據(jù)成圖時(shí)，采用統(tǒng)一的參數(shù)，便于以統(tǒng)一原則分析各層位的異常情況。

表2 Surfer軟件繪制三維切片圖數(shù)據(jù)格式

2.3 Voxler和Surfer軟件的繪圖區(qū)別

(1)Voxler軟件是對(duì)三維數(shù)據(jù)體的整體網(wǎng)格化，可以實(shí)現(xiàn)測(cè)區(qū)XY，XZ，YZ 3個(gè)方向任意位置、任意角度的視電阻率順層切片圖的顯示。Surfer軟件是平面視電阻率等值線的顯示，對(duì)于有傾角的目的層位，Surfer軟件繪制的圖件實(shí)際是目的層位視電阻率等值線在平面上的投影，對(duì)于傾角為0的目的層位，則是實(shí)際順層視電阻率切片圖。

(2)Voxler軟件提供的數(shù)據(jù)網(wǎng)格化方法只有3種，Surfer軟件則提供了12種網(wǎng)格化方法，不同的插值方法用來(lái)解決不同領(lǐng)域所需要展示的圖件，顯然Surfer軟件對(duì)于選擇數(shù)據(jù)的網(wǎng)格化方法更具優(yōu)勢(shì)。

(3)Voxler軟件也可以調(diào)用Surfer軟件的網(wǎng)格化文件來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像的顯示，兩種軟件配合使用可以實(shí)現(xiàn)理想的顯示效果。

(4)兩種軟件均有白化功能。Voxler軟件的白化是通過(guò)修改反距離加權(quán)法的屬性參數(shù)，設(shè)置合理的網(wǎng)格橢球參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)自然臨近法的網(wǎng)格化數(shù)據(jù)，網(wǎng)格化數(shù)據(jù)與平面切片圖模塊關(guān)聯(lián)，通過(guò)調(diào)整色標(biāo)來(lái)實(shí)現(xiàn)空白區(qū)域的白化。而Surfer軟件既可以通過(guò)自然臨近法來(lái)實(shí)現(xiàn)空白區(qū)域的白化，也可以采用其他網(wǎng)格化方法，通過(guò)Surfer軟件白化功能，調(diào)用邊框文件*.bln來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 項(xiàng)目概況

河南某礦為石炭－二疊系，屬于華北型沉積地層，地表多被第四系黃土覆蓋，地表標(biāo)高175～203m。探測(cè)區(qū)地層由老至新分別為:奧陶系、石炭系、二疊系和第四系。該礦主采煤層為下二疊統(tǒng)山西組下部的二1煤層，煤層標(biāo)高－40～130m，傾角8°;主要含水層為奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙承壓含水層、上石炭統(tǒng)太原組灰?guī)r含水層、二1煤層頂板砂巖裂隙孔隙含水層、第四系沖積層含水層。為了查清二1煤層采空區(qū)富水情況及主要含水層的富水性，采用瞬變電磁法進(jìn)行探測(cè)，探測(cè)面積約為0.36km2(600m ×600m)。

本次瞬變電磁法評(píng)價(jià)的主要目的層位為二1煤層采空區(qū)、上石炭統(tǒng)太原組灰?guī)r含水層、奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙承壓含水層，各層位標(biāo)高見表3。

表3 目的層位標(biāo)高統(tǒng)計(jì)

3.2 切片圖繪制

根據(jù)Voxler和Surfer軟件對(duì)于繪制三維切片圖的數(shù)據(jù)要求，整理好瞬變電磁法各測(cè)線測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)。Voxler軟件繪圖數(shù)據(jù)為本次所有測(cè)線測(cè)點(diǎn)瞬變電磁反演數(shù)據(jù)的合并數(shù)據(jù)體，調(diào)入合并數(shù)據(jù)體，添加Gridder模型并與調(diào)入數(shù)據(jù)連接，調(diào)整好參數(shù)后進(jìn)行數(shù)據(jù)網(wǎng)格化，再添加 ObliqueImage(3個(gè))，BoundingBox，Axes模型并與網(wǎng)格化后的Gridder模型連接，在ObliqueImage模型里選擇要顯示的平面方位 (本次選擇顯示的是XY平面)，根據(jù)3個(gè)目的層位的標(biāo)高范圍、傾角調(diào)整好3個(gè)ObliqueImage模型要顯示的XY平面相對(duì)于Z方向的位置，調(diào)整好色譜后統(tǒng)一調(diào)入，這樣Voxler軟件就完成了本次瞬變電磁法需要評(píng)價(jià)的3個(gè)目的層位的視電阻率順層切片 (圖1)。因目的層位距離較近，為了直觀顯示各層位的視電阻率特征及對(duì)應(yīng)關(guān)系，又分別繪制了圖2和圖3，其中圖2為二1煤層和奧灰層位的視電阻率順層切片，圖3為太原組灰?guī)r和奧灰層位的視電阻率順層切片。綜合分析圖1、圖2、圖3各順層切片圖的電性特征，就能了解各層位的視電阻率異常及對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖1 Voxler軟件繪制的3層視電阻率順層切片

圖2 Voxler軟件繪制的兩層視電阻率順層切片

圖3 Voxler軟件繪制的兩層視電阻率順層切片

Surfer軟件成圖數(shù)據(jù)為從瞬變電磁法各測(cè)線對(duì)應(yīng)目的層位提取的視電阻率二維數(shù)據(jù)。Surfer軟件為常用軟件，作圖方法不做說(shuō)明。利用Surfer軟件做好各層位的視電阻率平面圖，對(duì)各平面圖采用統(tǒng)一參數(shù)旋轉(zhuǎn)、傾斜、調(diào)整視角，并按照相應(yīng)位置堆疊在一起 (圖4)，即完成了Surfer軟件視電阻率切片圖的繪制。

圖4 Surfer軟件繪制的3層視電阻率順層切片

3.3 資料分析

圖1主要是顯示二1煤層的視電阻率順層切片。從圖1來(lái)看，探測(cè)區(qū)二1煤層視電阻率高低差異明顯，以相對(duì)低阻為主，結(jié)合采掘資料分析，視電阻率小于50Ω·m的范圍推斷為采空區(qū) (如圖1中虛線所示范圍)，在采空區(qū)范圍內(nèi)小于30Ω·m的范圍為二1煤層采空區(qū)的富水區(qū) (圖1中實(shí)線所示范圍，分別標(biāo)記為A1，A2，A3)。從現(xiàn)場(chǎng)施工記錄來(lái)看，在A1位置存在礦用高壓輸電線，太原組灰?guī)r和奧灰順層切片均在A1位置出現(xiàn)低阻異常，推斷A1位置為高壓線干擾所致。圖2主要顯示的為二1煤層和奧灰的視電阻率順層切片，從奧灰視電阻率順層切片來(lái)看，除左下角的干擾異常外，僅在測(cè)區(qū)中部出現(xiàn)相對(duì)低阻異常，推斷該異常區(qū)富水性相對(duì)較弱。圖3主要顯示的為太原組灰?guī)r和奧灰的視電阻率順層切片圖。從太原組灰?guī)r的視電阻率順層切片圖來(lái)看，全測(cè)區(qū)視電阻率相對(duì)較高，僅在測(cè)區(qū)中部出現(xiàn)低阻異常，推斷富水性相對(duì)較強(qiáng)。綜合分析圖1、圖2、圖3，A1異常為高壓線干擾所致;A2異常在3個(gè)層位的切片圖上均有顯示，說(shuō)明異常位置存在一定的水力聯(lián)系;A3異常僅在二1煤層切片圖上有顯示，其他層位切片圖上在對(duì)應(yīng)位置視電阻率值較高，說(shuō)明A3異常僅為二1煤層采空區(qū)的富水區(qū)。

從圖4的各層切片來(lái)看，各層反映的電性特征和Voxler軟件繪制的切片圖反映的電性特征相近，區(qū)別在于所反映的異常區(qū)面積存在差異，即Voxler軟件繪制的切片圖反映的異常區(qū)面積較大，其原因是由地層傾角引起。Voxler軟件繪制的是沿地層傾角的順層視電阻率切片，而Surfer軟件繪制的切片圖是順層視電阻率等值平面圖在平面上的投影，二者之間的關(guān)系為:

式中，S1為順層異常區(qū)面積 (Voxler軟件);S2為順層異常區(qū)面積在水平面的投影 (Surfer軟件);α為地層傾角，0°≤α＜90°，當(dāng) α=90°時(shí)，顯示的是YZ平面視電阻率的變化，此時(shí)，X為一固定數(shù)值，S1=S2;當(dāng)α=0°時(shí)，顯示的是XY平面視電阻率的變化，此時(shí)，Z為一固定數(shù)值，S1=S2。

該礦煤層傾角為8°，cosα＜1，所以Voxler軟件顯示的異常區(qū)面積大。

從Voxler和Surfer兩個(gè)軟件繪制的視電阻率切片圖來(lái)看，各層位均在測(cè)區(qū)中部顯示低電阻異常，異常區(qū)位置對(duì)應(yīng)較好，說(shuō)明在異常區(qū)裂隙較發(fā)育，存在一定的連通性;區(qū)別是二1煤層下部含水層在異常區(qū)的視電阻率值相對(duì)增大，說(shuō)明二1煤層下部含水層的富水性減弱。

4 結(jié)論

通過(guò)Voxler和Surfer兩個(gè)軟件在瞬變電磁法三維切片圖中的繪制情況，對(duì)比分析了兩種軟件的各自特點(diǎn)和異常范圍的關(guān)系，主要結(jié)論如下:

(1)Voxler和Surfer兩個(gè)軟件都可以繪制視電阻率順層切片圖，區(qū)別在于Voxler軟件繪制的是沿地層傾向的視電阻率切片圖，而Surfer軟件繪制的是順層視電阻率切片圖在水平面上的投影。

(2)當(dāng)?shù)貙觾A角為0時(shí)，兩種軟件繪制的切片圖顯示的異常區(qū)面積相等;當(dāng)?shù)貙觾A角大于0小于90°時(shí)，Voxler軟件繪制的切片圖顯示的異常區(qū)面積 (S1)大于 Surfer軟件顯示的異常區(qū)面積(S2)，兩者之間的關(guān)系為S1=S2/cosα;當(dāng)?shù)貙觾A角為90°時(shí)，兩種軟件繪制的順層切片圖反映的異常區(qū)面積相等，僅是顯示平面方位發(fā)生變化。

(3)Voxler軟件繪制的切片圖可以顯示探測(cè)深度范圍內(nèi)任意標(biāo)高的視電阻率變化特征，而Surfer軟件顯示的僅是目的層位的視電阻率變化特征。其原因在于Voxler軟件的繪圖數(shù)據(jù)是三維數(shù)據(jù)體，而Surfer軟件的繪圖數(shù)據(jù)是二維面數(shù)據(jù)。

(4)Voxler軟件具有強(qiáng)大的圖像顯示功能，可以顯示任意角度、任意深度的視電阻率變化情況，但輸出為圖片格式，圖片的編輯功能受限;Surfer軟件圖像顯示功能有限，但輸出格式不僅可以為圖片，也可以輸出為可編輯的格式。

(5)在僅用Surfer軟件繪制切片圖解釋資料時(shí)，當(dāng)?shù)貙觾A角α不為0，應(yīng)該考慮地層傾角的影響，通過(guò)公式反算求得沿地層傾向上的異常區(qū)面積，力求反映的異常面積接近真實(shí)。

(6)本文僅以瞬變電磁法探測(cè)煤礦采空區(qū)富水性及主要含水層富水性評(píng)價(jià)為例，探討了兩種軟件在繪制切片圖中的應(yīng)用情況，該兩種軟件也適用于其他物探方法切片圖的繪制。

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