基于Voxler和Surfer軟件在瞬變電磁法三維切片圖繪制中的應用與研究

韋乖強，孫 林，張廣琦，杜賢軍

(1.山東省煤田地質局第五勘探隊，山東泰安271000;2.天地科技股份有限公司開采設計事業部，北京100013;3.山東科技大學，山東泰安271000)

瞬變電磁法有適應地形條件強、受地形起伏影響小、能穿透高阻屏蔽、剖面測量和測深工作同時進行、對低阻反映敏感等優勢，近幾年普遍應用于煤礦采空區及頂、底板富水性的探測研究中。隨著計算機成圖技術的發展，三維可視化軟件的出現，使得瞬變電磁法在后期的成圖及資料解釋過程中采用三維切片圖直觀地展示探測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系。通過對Voxler和Surfer兩種軟件在瞬變電磁法探測煤礦采空區及含水層富水性評價實踐中三維切片圖的應用情況分析，總結了Voxler和Surfer兩種軟件在瞬變電磁法三維切片圖繪制中的數據要求、效果差異及所反映異常面積之間的關系。

1 軟件簡介

Voxler和Surfer兩款軟件同為美國Golden Software公司出品的三維成圖軟件。Voxler是一款專業的三維數據可視化成圖軟件，用于繪制三維方向切片圖、三維等值線圖、等勢面圖、等面輪廓圖、高程模型圖、三維溶解圖、散點圖、矢量漩渦圖、綜合模型圖等;而Surfer軟件是用來制作等值線圖和三維等值立體圖的軟件，是處理XYZ數據的首選軟件，具有強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、數據點位圖、地形地貌圖、分類數據圖、趨勢圖、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據和文件格式的交流與轉換。

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，先對測區瞬變電磁法反演數據加以整理，把每條測線測點的實際坐標或相對坐標整理成X，Y，Z，ρr(其中X和Y為平面坐標，Z為高程，ρr為X，Y，Z對應的視電阻率)，再把整理好的所有測線的數據合并成一個文件，這樣就完成了Voxler軟件繪制三維切片圖所需要的數據體，數據體格式見表1。啟動Voxler軟件，調入整理好的三維數據體，執行相關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據格式

2.2 Surfer軟件繪制切片圖方法介紹

根據目的層位的標高，提取每條測線每個測點相應標高的視電阻率數據，把所有測線同一層位提取的視電阻率數據合并成一個文件，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據體，該數據體為二維面數據，數據體格式見表2。Surfer軟件繪制的三維切片圖，實際是把各個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。在對各目的層位數據成圖時，采用統一的參數，便于以統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據格式

2.3 Voxler和Surfer軟件的繪圖區別

(1)Voxler軟件是對三維數據體的整體網格化，可以實現測區XY，XZ，YZ 3個方向任意位置、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，對于有傾角的目的層位，Surfer軟件繪制的圖件實際是目的層位視電阻率等值線在平面上的投影，對于傾角為0的目的層位，則是實際順層視電阻率切片圖。

(2)Voxler軟件提供的數據網格化方法只有3種，Surfer軟件則提供了12種網格化方法，不同的插值方法用來解決不同領域所需要展示的圖件，顯然Surfer軟件對于選擇數據的網格化方法更具優勢。

(3)Voxler軟件也可以調用Surfer軟件的網格化文件來實現圖像的顯示，兩種軟件配合使用可以實現理想的顯示效果。

(4)兩種軟件均有白化功能。Voxler軟件的白化是通過修改反距離加權法的屬性參數，設置合理的網格橢球參數來實現自然臨近法的網格化數據，網格化數據與平面切片圖模塊關聯，通過調整色標來實現空白區域的白化。而Surfer軟件既可以通過自然臨近法來實現空白區域的白化，也可以采用其他網格化方法，通過Surfer軟件白化功能，調用邊框文件*.bln來實現。

3 應用實例

3.1 項目概況

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，地表標高175～203m。探測區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山西組下部的二1煤層，煤層標高－40～130m，傾角8°;主要含水層為奧陶系灰巖巖溶裂隙承壓含水層、上石炭統太原組灰巖含水層、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煤層采空區富水情況及主要含水層的富水性，采用瞬變電磁法進行探測，探測面積約為0.36km2(600m ×600m)。

本次瞬變電磁法評價的主要目的層位為二1煤層采空區、上石炭統太原組灰巖含水層、奧陶系灰巖巖溶裂隙承壓含水層，各層位標高見表3。

表3 目的層位標高統計

3.2 切片圖繪制

根據Voxler和Surfer軟件對于繪制三維切片圖的數據要求，整理好瞬變電磁法各測線測點數據。Voxler軟件繪圖數據為本次所有測線測點瞬變電磁反演數據的合并數據體，調入合并數據體，添加Gridder模型并與調入數據連接，調整好參數后進行數據網格化，再添加 ObliqueImage(3個)，BoundingBox，Axes模型并與網格化后的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3個目的層位的標高范圍、傾角調整好3個ObliqueImage模型要顯示的XY平面相對于Z方向的位置，調整好色譜后統一調入，這樣Voxler軟件就完成了本次瞬變電磁法需要評價的3個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應關系，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為太原組灰巖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應關系。

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軟件成圖數據為從瞬變電磁法各測線對應目的層位提取的視電阻率二維數據。Surfer軟件為常用軟件，作圖方法不做說明。利用Surfer軟件做好各層位的視電阻率平面圖，對各平面圖采用統一參數旋轉、傾斜、調整視角，并按照相應位置堆疊在一起 (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來看，探測區二1煤層視電阻率高低差異明顯，以相對低阻為主，結合采掘資料分析，視電阻率小于50Ω·m的范圍推斷為采空區 (如圖1中虛線所示范圍)，在采空區范圍內小于30Ω·m的范圍為二1煤層采空區的富水區 (圖1中實線所示范圍，分別標記為A1，A2，A3)。從現場施工記錄來看，在A1位置存在礦用高壓輸電線，太原組灰巖和奧灰順層切片均在A1位置出現低阻異常，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看，除左下角的干擾異常外，僅在測區中部出現相對低阻異常，推斷該異常區富水性相對較弱。圖3主要顯示的為太原組灰巖和奧灰的視電阻率順層切片圖。從太原組灰巖的視電阻率順層切片圖來看，全測區視電阻率相對較高，僅在測區中部出現低阻異常，推斷富水性相對較強。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個層位的切片圖上均有顯示，說明異常位置存在一定的水力聯系;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應位置視電阻率值較高，說明A3異常僅為二1煤層采空區的富水區。

從圖4的各層切片來看，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，區別在于所反映的異常區面積存在差異，即Voxler軟件繪制的切片圖反映的異常區面積較大，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，二者之間的關系為:

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

該礦煤層傾角為8°，cosα＜1，所以Voxler軟件顯示的異常區面積大。

從Voxler和Surfer兩個軟件繪制的視電阻率切片圖來看，各層位均在測區中部顯示低電阻異常，異常區位置對應較好，說明在異常區裂隙較發育，存在一定的連通性;區別是二1煤層下部含水層在異常區的視電阻率值相對增大，說明二1煤層下部含水層的富水性減弱。

4 結論

通過Voxler和Surfer兩個軟件在瞬變電磁法三維切片圖中的繪制情況，對比分析了兩種軟件的各自特點和異常范圍的關系，主要結論如下:

(1)Voxler和Surfer兩個軟件都可以繪制視電阻率順層切片圖，區別在于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)當地層傾角為0時，兩種軟件繪制的切片圖顯示的異常區面積相等;當地層傾角大于0小于90°時，Voxler軟件繪制的切片圖顯示的異常區面積 (S1)大于 Surfer軟件顯示的異常區面積(S2)，兩者之間的關系為S1=S2/cosα;當地層傾角為90°時，兩種軟件繪制的順層切片圖反映的異常區面積相等，僅是顯示平面方位發生變化。

(3)Voxler軟件繪制的切片圖可以顯示探測深度范圍內任意標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軟件的繪圖數據是三維數據體，而Surfer軟件的繪圖數據是二維面數據。

(4)Voxler軟件具有強大的圖像顯示功能，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，當地層傾角α不為0，應該考慮地層傾角的影響，通過公式反算求得沿地層傾向上的異常區面積，力求反映的異常面積接近真實。

(6)本文僅以瞬變電磁法探測煤礦采空區富水性及主要含水層富水性評價為例，探討了兩種軟件在繪制切片圖中的應用情況，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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