人文物體磁測數(shù)據(jù)化極轉(zhuǎn)換處理效果的評價標準

馬文文，喻忠鴻 ，祁明松，王傳雷,3

(1.青海地礦局 第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，青海 西寧810000；2.中國地質(zhì)大學 地球物理與空間信息學院，湖北 武漢 430074；3.武漢工程科技學院 工程學部，湖北 武漢 430200)

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人文物體磁測數(shù)據(jù)化極轉(zhuǎn)換處理效果的評價標準

馬文文1，喻忠鴻1，祁明松2，王傳雷2,3

(1.青海地礦局 第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，青海 西寧810000；2.中國地質(zhì)大學 地球物理與空間信息學院，湖北 武漢 430074；3.武漢工程科技學院 工程學部，湖北 武漢 430200)

在與資源勘察和地質(zhì)調(diào)查不同的工程勘察、考古調(diào)查等領域，其探測的目標物體常常是炸彈、沉船、古墓葬等由人類制造和建筑的人文物體，由于其生成環(huán)境和生成條件與礦床、構造完全不同，因此在對這一類場源進行磁測資料處理時，必然與礦產(chǎn)調(diào)查時有所不同。結(jié)合模型實驗討論和總結(jié)了上述類目標體在化極處理時的差異；討論了如何根據(jù)人文目標體的特點選擇參數(shù)，并對評價標準進行了總結(jié)；另外，還通過勘察工作實例對從模型實驗的正反演中得到的認識和評價標準進行了驗證。研究得到了比較完美的應用效果，證實和表明了提出的化極處理時參數(shù)選擇原則和評價標準的可行性和可靠性。

人文物體；磁異常；化極處理；評價標準

1 引 言

在磁測資料的反演解釋工作中，根據(jù)磁異常的數(shù)學物理特征，對實測磁異常進行必要的數(shù)學加工處理，使之滿足某些特定需要的過程稱為磁異常的轉(zhuǎn)換和處理。實踐表明，磁異常的轉(zhuǎn)換及處理提高了磁法解決問題的能力，收到了良好的探測效果，已是當今磁異常釋解推斷過程中不可缺少的重要步聚。不同磁化方向的換算就是磁異常的轉(zhuǎn)換和處理的一種技術。由傾斜磁化下的磁異常通過化極處理得到垂直磁化下的磁異常，可以突出磁異常的某一內(nèi)在特點，特別是可以清晰顯示磁異常場源中心的投影位置，從而有利于評定磁性體的邊界，便于反演解釋。

關于化極處理在資源勘察中的應用，在教科書中都有介紹[1,2]。在工程勘察、文物考古等領域，由于其磁性場源的生成環(huán)境和生成條件與地質(zhì)資源勘察的礦床、構造完全不同，特別是磁化強度的方向是多變、復雜和人為的，因此，其轉(zhuǎn)換處理中的磁傾角和磁偏角參數(shù)的選擇就與地質(zhì)調(diào)查、資源勘察的有所不同。如今，地球物理技術人員開始關注這一問題[3-8]。

雖然地質(zhì)資源勘察和工程勘察、文物考古等調(diào)查都是以確認測區(qū)下有沒有探測目標物以及目標物在哪里、有多深為目的。但是資源勘察有普查、詳查等比較長的反復認識的過程，而工程勘察基本上是依據(jù)進度安排，反復則會延誤工期。因此對于“有沒有”、“在哪里”、“有多深”的調(diào)查任務，“有沒有”好解決，沒有發(fā)現(xiàn)和圈定磁異常就是沒有，沒有場源肯定不會出現(xiàn)磁異常；如果有，那么“在哪里”的準確判斷就顯得比“有多深”更加重要和緊迫。

本文就如何通過對磁異常的化極處理解決“在哪里”的技術進行討論。文中所述的“化極”即為“化到垂直磁化”。

2 物理模型實驗中的化極處理效果總結(jié)

物理模型實驗由于是已知模型體的位置和規(guī)模，通過測量獲得模型體的磁異常分布，場源與場的對應關系是清楚的，所以模型實驗是學習和檢驗、判斷化極處理效果最直接的方法。

模擬炸彈及使用二戰(zhàn)時期德國制造的水雷(去掉炸藥后)進行的模型實驗獲得的及化極處理后的磁異常平面等值線圖分別見圖1和圖2。

實驗使用GEM-19T型質(zhì)子磁力儀，炸彈的模型是類似82迫擊炮、150炮彈直徑的鋼管，長度分別為30 cm、60 cm。實驗時首先確定測線測點位置后在無模型時進行全場區(qū)場地磁場測量，模擬82迫擊炮炮彈實驗時采用單個及多個疊加的方式分別進行，然后對應去掉場地磁場的背景，獲得模型體的磁異常。磁測精度為一級精度(即磁測總誤差≤±1.0 nT，nT:磁場單位，下同)[9]。

盡管實驗時鋼管長軸的方位相同，但是不同實驗獲得的磁異常的正負伴生形態(tài)及正負極值連線方位存在明顯差距，有的甚至顯示反向磁化的特征。圖1(a)的磁異常就與教科書中南正北負的磁異常分布特征不同，在負等值線的北邊，還存在一個場值為5 nT的正值等值線圈閉，這一現(xiàn)象很可能會誤導為在北邊還存在一個磁性場源。經(jīng)過化極處理后，北邊5 nT的正值等值線消失，磁異常等值線呈現(xiàn)出單一的同心圓族(圖1(b))，明確顯示只有一個場源，同心圓族的中心與場源的平面投影中心基本重合。對應關系直接、準確。

圖2是使用水雷進行實驗獲得的實測(a)和化極后的(b)磁異常平面等值線圖。為了檢測水雷的剩磁情況，實驗時將水雷一角依次指向東、西、南、北，進行了四輪測量，同時還進行了2 m和7 m磁力儀探頭高度的測量。

圖1 單個155 mm炸彈模型1 m高度實測(a)和化極轉(zhuǎn)換后的磁異常平面等值線(b)(模型體位于十字線交叉點。等值線數(shù)值單位：nT,坐標的數(shù)值單位：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

圖2 水雷模型2 m高程實測(a)及化極轉(zhuǎn)換處理后(b)磁異常磁場平面等值線(模型體位于十字線交叉點，紅色圓點處。)Fig.2 (a) Actual data of the torpedo model measured with 2 m;(b) Contour of the magnetic anomaly after reduction to pole

如果說在淺埋深(2 m)時，有一定經(jīng)驗的人可以通過磁異常的分布形態(tài)特征確定場源的大致投影位置，但是，可以肯定地說，化極處理后對場源中心投影位置的判定會更加容易和準確(圖2)。

但是隨著埋深的增加，同一場源磁異常的分布形態(tài)必定要發(fā)生變化，圖3中7 m高度時水雷的磁異常平面等值線就和2 m高度的完全不同，其主要特征是場值衰減、沒有負值異常。這時要通過實測磁異常的分布形態(tài)特征確定場源的投影位置，解決“在哪里”的問題就有很大的難度。而化極處理后的磁異常等值線仍然可以比較清晰地顯示出場源投影的中心位置。

化極處理時需要給出磁傾角和磁偏角，在上述實驗及處理過程中，一次性地確認這兩個參數(shù)是困難的，基本做法是：查詢當?shù)氐卮乓?；根?jù)磁異常正負極值的比值及正演圖像估算磁傾角的范圍；根據(jù)磁異常正負極值的連線估算磁偏角的范圍；組合磁傾角、磁偏角進行多次化極處理；根據(jù)化極處理后的等值線形態(tài)進行化極效果的判定。最佳化極效果的判定標準是：負值包圍的正值同心圓族磁異常等值線，或者是負值包圍的基本對稱的正值磁異常等值線。

圖3 水雷模型7 m高程實測(a)及化極轉(zhuǎn)換處理后(b)磁異常磁場平面等值線Fig.3 (a) Actual data of the torpedo model measured with 7 m;(b) Contour of the magnetic anomaly after reduction to pole

3 工程勘察實例中化極效果檢驗評價

由于抗日戰(zhàn)爭時在馬當航道設置了沉船封鎖線來阻止日本軍隊沿江侵犯，在馬當航道形成了長江中有名的礙航區(qū)。1999年在治理前需要準確地查明治理區(qū)水下掩埋的沉船個數(shù)及沉船位置和沉船規(guī)模大小。通過實測的工區(qū)磁異常平面等值線圖可以明確地判斷水下存在沉船(圖4)，這樣使得解決“有沒有”的問題比較容易。由于沉船是人為建造的，多數(shù)還是國外建造的，沉船在水下賦存的形態(tài)不同，特別是金屬沉船的剩磁強度常常大于感磁，剩磁的方向常常與當?shù)氐卮艌龇较虿煌纱私鉀Q“在哪里”的問題就變得復雜一些。在化極處理時，按照模型實驗得到的規(guī)律和做法，將各個沉船的磁異常單獨進行處理，多次試算后，再按照模型實驗總結(jié)的最佳化極效果的判定標準進行比較和評價，解決“在哪里”的探測要求。在6個磁異常下確認了7條金屬沉船(M1磁異常的場源在測區(qū)外)，并提供了沉船位置、埋深和規(guī)模等探測結(jié)果信息[10]。打撈單位在磁法探測指定的位置下經(jīng)過兩個枯水期打撈了7條金屬沉船。

M2磁異常(圖5(a))僅從平面等值線圖上是難以識別出場源/沉船的個數(shù)和賦存狀況的，存在多種認識(圖5(b))，但是經(jīng)過化極處理后，無論是沉船的個數(shù)和賦存狀況都是一目了然(圖5(c))，打撈公司在施工中證實了在M2磁異常水下的確賦存一前兩后平行排列的3條沉船。

圖4 長江馬當航道水下沉船探測的磁異常平面等值線Fig.4 Contour of magnetic anomaly on the underwater shipwreck which is located at Madang channel,Yangtze river

圖5 圓滑處理后M2磁異常平面等值線(a)、沉船分布推測(b)和化極后平面等值線(c)Fig.5 (a) Contour of M2 magnetic anomaly after smoothing; (b) Speculating distribution of the shipwreck; (c) Contour after reduction to pole

圖6 定陶3號漢墓實測(a)及化極轉(zhuǎn)換處理后(b)磁異常磁場平面等值線(b中藍色方框為推測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

必須指出的是：盡管測區(qū)范圍不足1 000 m，但是各個沉船磁異常最佳化極效果所使用的磁傾角、磁偏角參數(shù)都是不同的。

圖6是在定陶考古物探調(diào)查時繪制的3號漢墓上實測的磁異常平面等值線圖6(a)和化極轉(zhuǎn)換處理后的，按照最佳化極效果評價標準選擇的化極轉(zhuǎn)換處理后的磁異常平面等值線圖6(b)在處理時的磁傾角、磁偏角參數(shù)與當?shù)卮艃A角、磁偏角差異接近20°。

文物考古人員認可物探提供的漢墓位置，只是對漢墓的平面規(guī)模表示了異議，認為物探圈定的規(guī)模比他們想象中的小。

此外，在水下沉船、丟失物體的磁法探測和地下掩埋危險物及考古調(diào)查的磁法探測工作中，對于確認探測目標“在哪里”的方法，本文所總結(jié)的方法技術和評價標準都得到了應用，并且獲得了明顯的效果[11-13]。

4 評價標準總結(jié)

綜上所述，磁測數(shù)據(jù)化極轉(zhuǎn)換處理對于確認場源的平面投影位置是一種有效的方法，在對于人文物體場源引發(fā)的磁異常的化極轉(zhuǎn)換處理時要以當?shù)氐卮乓刈鳛閰⒖?，以磁異常正負伴生形態(tài)估算磁傾角并給定一個地磁傾角的范圍；以磁異常正負極值的連線判定磁偏角，同樣給定一個變化范圍。然后分別組合試算。而評價最佳化極效果的標準是：以化極后的磁異常等值線形態(tài)是否為負值包圍正值、磁異常呈顯同心圓族(或者上下左右是否對稱)為最佳效果。這時場源的中心投影位置就在同心圓中心。

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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

湖北省自然科學基金項目(編號：2003ABA019)

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

王傳雷(1953-)，男，教授，從事地球物理勘查教學與科研工作。E-mail：chlwang@cug.edu.cn

P631.2

A

2016-08-30