張 剛 庹先國(guó) 王緒本 高 嵩 丁明濤

(①西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，四川綿陽(yáng) 621010; ②四川理工學(xué)院，四川自貢 643000;③成都理工大學(xué)地球物理學(xué)院，四川成都 610059)

·非地震·

磁場(chǎng)相關(guān)性在遠(yuǎn)參考大地電磁數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用

張 剛*①庹先國(guó)②王緒本③高 嵩③丁明濤①

(①西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，四川綿陽(yáng) 621010; ②四川理工學(xué)院，四川自貢 643000;③成都理工大學(xué)地球物理學(xué)院，四川成都 610059)

首先分析了基站存在不同噪聲強(qiáng)度時(shí)，遠(yuǎn)參考大地電磁對(duì)測(cè)深曲線的影響，發(fā)現(xiàn)在低信噪比條件下，常規(guī)遠(yuǎn)參考大地電磁數(shù)據(jù)對(duì)測(cè)深曲線質(zhì)量的提升有限，不能滿足后續(xù)資料處理的要求；然后對(duì)攀西地區(qū)實(shí)測(cè)磁場(chǎng)資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果認(rèn)為最遠(yuǎn)相隔40km的長(zhǎng)周期大地電磁測(cè)深點(diǎn)的各個(gè)磁道數(shù)據(jù)具有很好的相關(guān)性。因此提出利用基于參考站與基站之間磁場(chǎng)相關(guān)的遠(yuǎn)參考大地電磁法來篩選功率譜，避免了常規(guī)遠(yuǎn)參考大地電磁法僅關(guān)注噪聲與信號(hào)之間、或者基站噪聲與參考站噪聲之間的非相關(guān)性，卻未考慮基站與參考站磁場(chǎng)信號(hào)之間的相關(guān)性這一局限，以達(dá)到去除磁場(chǎng)噪聲的目的。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理結(jié)果表明，基于磁場(chǎng)相關(guān)的遠(yuǎn)參考大地電磁法效果優(yōu)于常規(guī)遠(yuǎn)參考大地電磁法，證明了該方法的有效性和正確性。

大地電磁 遠(yuǎn)參考 磁場(chǎng)相關(guān) 張量阻抗

1 引言

大地電磁測(cè)深法利用天然交變電磁場(chǎng)研究地下介質(zhì)的電性結(jié)構(gòu)，在青藏高原[1-3]和青藏高原東緣[4-6]構(gòu)造探測(cè)方面解決了眾多地質(zhì)問題。從實(shí)測(cè)電磁場(chǎng)數(shù)據(jù)中提取有效信號(hào),估算地下介質(zhì)的MT信號(hào)響應(yīng)函數(shù)是提高M(jìn)T 勘探效果的重要手段[7]。高信噪比的時(shí)間序列是獲得高質(zhì)量測(cè)深曲線的前提,大地電磁噪聲主要包括地質(zhì)噪聲、人文噪聲和場(chǎng)源噪聲。地質(zhì)噪聲通常會(huì)影響全頻段數(shù)據(jù)，人文噪聲主要影響50Hz信號(hào)及其諧波，大于1Hz的場(chǎng)源噪聲由于不滿足場(chǎng)源條件難以被消除[8]。由于大地電磁信號(hào)具有非高斯、非線性和非最小相位的特性[7]，傳統(tǒng)基于傅里葉變換的功率譜估計(jì)法受到較大局限，因此小波變換[9-11]、Hilbert-Huang變換[12-16]、廣義S變換[17]、Top-hat變換[18]等現(xiàn)代信號(hào)處理方法被應(yīng)用于大地電磁信號(hào)處理中，但這些方法大多針對(duì)典型測(cè)點(diǎn)或剖面。由于不同地區(qū)噪聲強(qiáng)度及噪聲類型不盡相同，導(dǎo)致采集到的資料極其復(fù)雜，使大地電磁信號(hào)與噪聲難以區(qū)分，如果不對(duì)各種噪聲干擾進(jìn)行有效的識(shí)別，利用單一的噪聲壓制方法不僅不能對(duì)信號(hào)和噪聲進(jìn)行分離，反而有可能削弱有效信號(hào)。

Sims等[19]最早提出基于最小二乘的張量阻抗估算法，使大地電磁數(shù)據(jù)的觀測(cè)和處理從標(biāo)量走向張量；為了得到更穩(wěn)健的張量阻抗計(jì)算結(jié)果，Egbert等[20]、Chave等[21,22]和Larsen[23]提出利用多種穩(wěn)健估計(jì)方法提高阻抗估算的質(zhì)量。M估計(jì)[20]以最小二乘法所得的阻抗為初始阻抗，求取電場(chǎng)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的殘差，然后根據(jù)不同的殘差采用不同的加權(quán)因子，降低了電場(chǎng)干擾對(duì)阻抗結(jié)果的影響。由于M估計(jì)僅降低了輸出端即電場(chǎng)噪聲干擾，而對(duì)輸入端即磁場(chǎng)噪聲并未進(jìn)行壓制，Larsen[23]利用有界影響估計(jì)降低磁場(chǎng)噪聲干擾；Smirnov[24]利用重復(fù)中位數(shù)估計(jì)方法將原始數(shù)據(jù)的崩潰點(diǎn)由30%提高到50%，也能得到較準(zhǔn)確的張量阻抗值；湯井田等[25]對(duì)比了最小二乘估計(jì)法、M 回歸估計(jì)法、有界影響估計(jì)法和重復(fù)中位數(shù)估計(jì)法等幾種阻抗張量估算方法，認(rèn)為有界影響估計(jì)法和重復(fù)中位數(shù)估計(jì)法更有效、穩(wěn)定。

遠(yuǎn)參考大地電磁數(shù)據(jù)處理方法是壓制非相關(guān)噪聲的有效方法。Gamble等[26]和Clarke等[27]最先提出利用遠(yuǎn)參考大地電磁數(shù)據(jù)減小基站噪聲對(duì)測(cè)深曲線的影響，其思路是在兩個(gè)測(cè)點(diǎn)同時(shí)采集電磁數(shù)據(jù)，利用參考站與基站的噪聲非同源性這一假設(shè)消除非相關(guān)噪聲；針對(duì)類尖峰干擾，Kappler[28]利用參考站對(duì)本地測(cè)站時(shí)間序列進(jìn)行修正，再利用維納濾波濾除干擾信號(hào)；楊生等[29]討論了參考站的距離與測(cè)深曲線質(zhì)量提升的關(guān)系，認(rèn)為利用遠(yuǎn)參考數(shù)據(jù)處理后的阻抗方差會(huì)比單點(diǎn)處理偏大；湯井田等[30]利用EMTF軟件包所帶的時(shí)間序列，討論了仿真方波噪聲在幅值、寬度、間距變化的情況下，遠(yuǎn)參考數(shù)據(jù)處理的效果；王輝等[31]利用未受干擾的參考道數(shù)據(jù)合成本地電磁場(chǎng)時(shí)間序列，有效提高了測(cè)深曲線的質(zhì)量，但對(duì)參考道的數(shù)據(jù)質(zhì)量要求較高；鄧明等[32]闡述了遠(yuǎn)參考測(cè)量在海底大地電磁中的應(yīng)用，研發(fā)了相關(guān)硬件設(shè)備并證明了其有效性和可靠性。

前人在遠(yuǎn)參考大地電磁數(shù)據(jù)處理中，主要通過基站電場(chǎng)與基站磁場(chǎng)之間的相關(guān)性、參考站電場(chǎng)與參考站磁場(chǎng)之間的相關(guān)性來篩選資料。本文對(duì)攀西地區(qū)實(shí)測(cè)磁場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算統(tǒng)計(jì)，分析并驗(yàn)證了磁場(chǎng)在同一構(gòu)造區(qū)域高度相關(guān)。本文除了利用基站電場(chǎng)與磁場(chǎng)的相關(guān)性以及參考站電場(chǎng)與磁場(chǎng)的相關(guān)性這種常規(guī)遠(yuǎn)參考處理方式對(duì)資料進(jìn)行篩選外，還提出利用基站與參考站之間的磁場(chǎng)相關(guān)度來篩選資料，進(jìn)而達(dá)到壓制噪聲、提高大地電磁測(cè)深曲線質(zhì)量的目的。通過對(duì)EMTF軟件包所含時(shí)間數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬試算以及對(duì)實(shí)測(cè)資料的計(jì)算，證明了上述方法的正確性和有效性。

2 常規(guī)遠(yuǎn)參考大地電磁數(shù)據(jù)處理

2.1 原理

E=HZ+N

(1)

式中N為殘差。上式的最小二乘解為

Z=(H?H)-1(H?E)

(2)

式中“?”表示復(fù)共軛轉(zhuǎn)置。布設(shè)一參考站R，R的可能組合為R=(Er,xEr,y)或R=(Hr,xHr,y)，其中：Er,x與Er,y分別表示參考站電場(chǎng)x和y方向的觀測(cè)值，Hr,x、Hr,y分別表示參考站磁場(chǎng)x和y方向的觀測(cè)值，并假設(shè)參考站與基站的噪聲信號(hào)不相關(guān)。利用遠(yuǎn)參考處理得到張量阻抗

Z=(R?H)-1(R?E)

(3)

實(shí)際記錄的信號(hào)可以表示為有效信號(hào)和噪聲之和：E=Es+En，H=Hs+Hn，R=Rs+Rn，下標(biāo)“s”、“n”分別代表有效信號(hào)和噪聲。式(3)可以表示為

Z=[(Rs+Rn)?(Hs+Hn)]-1[(Rs+Rn)?(Es+En)]

(4)

由于基站與參考站噪聲不相關(guān)，有

(5)

式(4)可寫為

(6)

線性系統(tǒng)分析的大地響應(yīng)為：Es=HsZs，En=HnZn，則有

(7)

(8)

上式說明經(jīng)遠(yuǎn)參考數(shù)據(jù)處理后，求得的張量阻抗Z與真實(shí)的張量阻抗Zs相等，能有效消除非相關(guān)噪聲。

2.2 不同噪聲強(qiáng)度下常規(guī)遠(yuǎn)參考處理效果對(duì)比

EMTF軟件包[33]提供了兩個(gè)電阻率為100Ω·m的均勻半空間的時(shí)間序列文件： test1.asc和test2.asc，這兩個(gè)時(shí)間序列相關(guān)度較高，接近于1。本文將test1.asc作為基站數(shù)據(jù)，test2.asc作為參考站數(shù)據(jù)。為了分析在不同噪聲強(qiáng)度下，常規(guī)遠(yuǎn)參考大地電磁處理方法對(duì)測(cè)深曲線的改善效果，分別在基站原始時(shí)間序列Hy道前半段時(shí)間加入兩種不同信噪比、相關(guān)度低于0.2的方波噪聲，該相關(guān)度可以認(rèn)為噪聲與信號(hào)非相關(guān)[34]，添加噪聲后的兩個(gè)Hy道的時(shí)間序列信噪比(SNR)分別為0.2dB、10.58dB，分別利用單點(diǎn)處理方式(SS)和常規(guī)遠(yuǎn)參考處理方式(RR)來分析不同信噪比條件下常規(guī)遠(yuǎn)參考大地電磁對(duì)測(cè)深曲線的改善效果。

從圖1可以看出，在低信噪比條件下(SNR=0.2dB)，xy方向數(shù)據(jù)經(jīng)單點(diǎn)處理后的測(cè)深曲線(圖1a)畸變嚴(yán)重，幾乎全頻段都受到噪聲干擾，視電阻率曲線下陷,下降最多達(dá)3個(gè)數(shù)量級(jí)，相位曲線跳點(diǎn)較多；加入遠(yuǎn)參考站數(shù)據(jù)處理后(圖1b)，視電阻率曲線在100Ω·m附近波動(dòng)，測(cè)深曲線質(zhì)量整體有所改善，但曲線資料還遠(yuǎn)未達(dá)到可用的程度。在高信噪比(SNR=10.58)條件下，xy方向數(shù)據(jù)經(jīng)單點(diǎn)處理后(圖1c)除個(gè)別頻點(diǎn)出現(xiàn)飛點(diǎn)外，大部分頻點(diǎn)質(zhì)量較好；通過遠(yuǎn)參考處理后(圖1d)，曲線質(zhì)量得到極大提升，視電阻率和相位曲線基本恢復(fù)正常。

圖1 不同信噪比情況下單點(diǎn)處理與遠(yuǎn)參考處理的結(jié)果對(duì)比

上述理論數(shù)據(jù)試算結(jié)果表明，遠(yuǎn)參考處理有助于提高大地電磁測(cè)深曲線的質(zhì)量：高信噪比(SNR=10.58dB)條件下，遠(yuǎn)參考大地電磁數(shù)據(jù)處理可以較好地恢復(fù)真實(shí)的視電阻率值；但是在低信噪比條件下(SNR=0.2dB)，由于有用信號(hào)被噪聲淹沒，遠(yuǎn)參考大地電磁數(shù)據(jù)對(duì)測(cè)深曲線質(zhì)量的提升效果有限，不能滿足后續(xù)資料處理的需求。

3 基于磁場(chǎng)相關(guān)的遠(yuǎn)參考大地電磁數(shù)據(jù)處理算法

3.1 天然磁場(chǎng)時(shí)間序列的相關(guān)性

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來源于跨安寧河斷裂帶鹽源—永善測(cè)線的三個(gè)測(cè)深點(diǎn)：X380、X420和X460(圖2)，采集儀器為L(zhǎng)EMI-417型長(zhǎng)周期大地電磁儀，三個(gè)測(cè)點(diǎn)利用GPS衛(wèi)星同步采集。某一天的磁場(chǎng)Hx和Hy的時(shí)間序列如圖3所示，起點(diǎn)是格林威治時(shí)間0點(diǎn)，終點(diǎn)是24點(diǎn)，采樣率為1Hz，每天采集的數(shù)據(jù)量為86400。從圖3可以看出，雖然三個(gè)測(cè)點(diǎn)所采集磁場(chǎng)的幅值并不一致，但隨時(shí)間的變化趨勢(shì)基本一致。這是由于在野外數(shù)據(jù)采集時(shí)，磁通門磁力儀信號(hào)分辨率及測(cè)量精度很高，達(dá)到0.01nT[35]，磁通門磁力儀需要進(jìn)行N-S方向的Hx道和E-W方向Hy道的人為校準(zhǔn)。在數(shù)據(jù)校準(zhǔn)過程中，一般將Hy道的時(shí)間序列幅值調(diào)整至100nT以內(nèi)即視為方向已校準(zhǔn)，這種人為的校準(zhǔn)方式會(huì)導(dǎo)致不同儀器所采集的時(shí)間序列有一定的誤差。為了減少磁通門方向不一等人為因素的影響，將磁場(chǎng)時(shí)間序列的Hx和Hy道分別進(jìn)行去直流分量處理，這樣就得到反映其變化規(guī)律的另外一時(shí)間序列(圖4)。從圖中可以看出，無論Hx還是Hy道，三個(gè)測(cè)點(diǎn)的振幅值基本一致。三個(gè)測(cè)點(diǎn)之間的磁場(chǎng)相關(guān)度(表1)表明：無論Hx還是Hy，這三個(gè)測(cè)點(diǎn)之間的磁場(chǎng)相關(guān)度都非常高，均大于0.9，說明雖然三個(gè)測(cè)點(diǎn)之間的最大距離達(dá)到了40km，但是磁場(chǎng)在這一區(qū)域是穩(wěn)定的，體現(xiàn)了磁場(chǎng)信號(hào)的同源性。

圖2 跨安寧河斷裂帶長(zhǎng)周期大地電磁測(cè)點(diǎn)位置圖[36]

圖3 測(cè)點(diǎn)X380、X420和X460的磁場(chǎng)時(shí)間序列

圖4 去直流分量后，測(cè)點(diǎn)X380、X420和X460的磁場(chǎng)時(shí)間序列

Hx道相關(guān)度站點(diǎn)名X380X420X460X380—0．91890．9903X4200．9189—0．9369X4600．99030．9369—Hy道相關(guān)度站點(diǎn)名X380X420X460X380—0．99090．9947X4200．9909—0．9734X4600．99470．9734—

上述結(jié)果說明磁場(chǎng)在一定區(qū)域內(nèi)是相關(guān)的，前人研究也發(fā)現(xiàn)了在中緯度地區(qū),磁場(chǎng)在相當(dāng)大的區(qū)域范圍內(nèi)具有相關(guān)性，至少在1000km距離內(nèi)較穩(wěn)定[37,38]。事實(shí)上，大地電磁場(chǎng)源中的太陽(yáng)日變、磁暴和地磁脈動(dòng)等都是區(qū)域性的，且同一構(gòu)造背景對(duì)磁場(chǎng)的響應(yīng)具有一致性，從而使得一定區(qū)域范圍內(nèi)磁場(chǎng)變化不大?；诖耍么艌?chǎng)信號(hào)的同源性以及在同一構(gòu)造背景下比較穩(wěn)定這一特點(diǎn)，對(duì)電磁信號(hào)進(jìn)行篩選。具體來說，利用站點(diǎn)之間的磁場(chǎng)相關(guān)性壓制受干擾的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，從而得到較純凈的磁場(chǎng)信號(hào)，利于張量阻抗的計(jì)算求取，提高測(cè)深曲線的處理效果。

3.2 數(shù)據(jù)篩選原則

一般情況下，若遠(yuǎn)參考道取磁道，即R=Hr，則要求參考道磁場(chǎng)噪聲與基站電磁場(chǎng)噪聲不相關(guān)；若遠(yuǎn)參考道取電場(chǎng)，即R=Er，則要求參考道電場(chǎng)噪聲與基站電磁場(chǎng)噪聲也不相關(guān)。

上文分析驗(yàn)證了磁場(chǎng)在攀西地區(qū)具有明顯的相關(guān)性，則基站磁場(chǎng)Hi，b與參考站磁場(chǎng)Hi,r的相關(guān)度為

(9)

其中：下標(biāo)“b”和“r”分別代表基站和參考站；i表示x或y方向；M為獨(dú)立分段的數(shù)據(jù)段總數(shù)；S·,·表示信號(hào)的自功率譜或互功率譜。

具體數(shù)據(jù)篩選步驟如下。

(1)檢查確認(rèn)基站與參考站采集數(shù)據(jù)的時(shí)間段和采樣率是一致的。

(2)計(jì)算基站的電磁場(chǎng)相干度CEb,iHb,j，當(dāng)CEb,iHb,j

≥Tb,E，H時(shí)(其中T為相干度閾值)，保留該數(shù)據(jù)段并對(duì)數(shù)據(jù)段進(jìn)行標(biāo)記，得到基站電磁場(chǎng)受噪聲干擾程度較低的數(shù)據(jù)段Segmentb，CEb,iHb,j定義為

(10)

(3)計(jì)算參考站電磁場(chǎng)相關(guān)度CEr,iHr,j,當(dāng)CEr,iHr,j≥Tr,E,H時(shí)，保留參考站的數(shù)據(jù)段并進(jìn)行標(biāo)記，得到參考站電磁場(chǎng)受噪聲干擾程度較低的數(shù)據(jù)段Segmentr。

(4)計(jì)算Segmentb中磁場(chǎng)分量與Segmentr中磁場(chǎng)分量的相干度CHb,iHr,i，當(dāng)CHb,iHb,i≥Tb,r,H時(shí)，進(jìn)行步驟(6)，否則進(jìn)行步驟(5)。

(5)將CHb,iHb,i

(6)利用常規(guī)Robust穩(wěn)健估計(jì)方法進(jìn)行張量阻抗估算。

在理想情況下， 相關(guān)度CHb,iHr,i=1。對(duì)實(shí)際資料而言， 磁場(chǎng)受噪聲干擾越小，則CHb,iHr,i越大， 反之越小， 其取值范圍為[0,1]。一般設(shè)置基站與參考站磁場(chǎng)相干度閾值Tb,r,H=0.8， 則當(dāng)CHb,iHr,i≥Tb,r,H時(shí)， 認(rèn)為此段時(shí)間窗內(nèi)資料滿足設(shè)定要求， 并允許此段資料參與后續(xù)計(jì)算， 否則， 認(rèn)為該資料的磁場(chǎng)受到不可接受的噪聲干擾， 將此段資料剔除， 以減小該資料對(duì)后續(xù)張量估算的影響。

4 數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)

4.1 理論數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)

使用第二節(jié)所述的時(shí)間序列，分別進(jìn)行常規(guī)遠(yuǎn)參考大地電磁處理(圖6)和基于磁場(chǎng)相關(guān)的遠(yuǎn)參考處理(圖7)，以周期107.6347s為例說明數(shù)據(jù)處理過程和結(jié)果。該周期所在子頻段為4～256s，數(shù)據(jù)采樣頻率為1Hz，分析該頻段的時(shí)間窗口長(zhǎng)度取為最大周期的4倍，即時(shí)間窗長(zhǎng)度為4×256=1024s，設(shè)置時(shí)間序列的重疊率為0.6?？梢钥闯?，未加任何噪聲干擾的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間序列基站Hb,x道、參考站Hr,x道和參考站Hr,y道，其功率譜值都較?。患尤敕讲ǜ蓴_的基站Hb,y道，功率譜的前半段出現(xiàn)一明顯的強(qiáng)干擾，比正常幅值強(qiáng)大約1.5個(gè)數(shù)量級(jí)，而后半段幅值正常；從電磁場(chǎng)極化方向圖(圖6c)也可看出，磁場(chǎng)極化方向在前半段時(shí)間具有很強(qiáng)的一致性，不符合天然大地電磁信號(hào)極化方向隨機(jī)分布的規(guī)律[39]，說明測(cè)深點(diǎn)周圍存在主動(dòng)源干擾，這和所加的噪聲干擾時(shí)間段分布一致；Hy道基站與參考站之間的磁場(chǎng)相干度在前半段時(shí)間較低(圖6d)，相關(guān)度為0.2～0.4，由于后半段時(shí)間基本不受干擾，相關(guān)度很高，接近于1； 由于Hb,y道前半段時(shí)間受到噪聲干擾，阻抗張量Zxy比較分散(圖6e)，出現(xiàn)(0，0)附近和(1.5，-1.5)附近兩個(gè)聚簇。由于數(shù)據(jù)在兩個(gè)中心周圍聚合，所以該周期(107.6347s)的測(cè)深曲線會(huì)出現(xiàn)跳動(dòng)(圖8左中的ρxy、φxy)； 由于噪聲僅存在于Hb,y道，Zyx的分布圖(圖6f)中僅出現(xiàn)一個(gè)聚簇，因此該周期的測(cè)深曲線較連續(xù)(圖8左中的ρyx、φyx)。

圖6 方波干擾的模擬數(shù)據(jù)經(jīng)常規(guī)遠(yuǎn)參考處理的結(jié)果

分析圖4和表1認(rèn)為，磁場(chǎng)在一定范圍內(nèi)是相關(guān)的，利用上文所述數(shù)據(jù)篩選原則，將相干度較小的數(shù)據(jù)剔除以減少對(duì)后續(xù)張量阻抗計(jì)算的影響，從而提升測(cè)深曲線質(zhì)量。圖7是基于基站與參考站之間的磁場(chǎng)相關(guān)性，通過設(shè)置一閾值，剔除不合格數(shù)據(jù)段得到的結(jié)果。與圖6e不同的是，張量阻抗Zxy(圖7e)僅在一個(gè)中心點(diǎn)(1.5，-1.5)聚簇，所以經(jīng)過磁場(chǎng)相關(guān)度的篩選后，測(cè)深曲線變得光滑連續(xù)(圖8右)。對(duì)所有頻率的功率譜都按此規(guī)則進(jìn)行篩選，最后得到視電阻率和相位曲線(圖8右)。對(duì)比常規(guī)遠(yuǎn)參考大地電磁法處理結(jié)果(圖8左)，基于磁場(chǎng)相關(guān)的遠(yuǎn)參考處理結(jié)果得到了接近于100Ω·m的視電阻率和45°的阻抗相位的高度近似值，其測(cè)深曲線也更光滑連續(xù)，說明測(cè)深曲線的質(zhì)量得到了明顯的提高。

4.2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)采用第三節(jié)所述的時(shí)間序列。采集測(cè)點(diǎn)X380(基站)的實(shí)際時(shí)間序列使用的儀器為L(zhǎng)emi-417，采樣率為1Hz，采集了五分量數(shù)據(jù)：Ex、Ey、Hx、Hy和Hz。參考站X420通過GPS同步，與基站同時(shí)采集電磁場(chǎng)時(shí)間序列，采樣率等各種參數(shù)設(shè)置與測(cè)點(diǎn)X380相同。

圖7 對(duì)方波干擾的模擬數(shù)據(jù)開展基于磁場(chǎng)相關(guān)遠(yuǎn)參考處理的計(jì)算結(jié)果

圖8 對(duì)方波干擾的數(shù)據(jù)分別開展常規(guī)遠(yuǎn)參考處理(左)與基于磁場(chǎng)相關(guān)的遠(yuǎn)參考處理(右)結(jié)果對(duì)比

圖9為周期107.6347s時(shí)的常規(guī)遠(yuǎn)參考大地電磁處理結(jié)果。設(shè)置各時(shí)間窗口的重疊率為0.33，計(jì)算了Hb,x和Hr,x功率譜(圖9a)，以及Hb,y和Hr,y的功率譜(圖9b)，發(fā)現(xiàn)基站與參考站的功率譜雖然起伏形態(tài)較一致，但部分頻點(diǎn)的功率譜仍有差異；電磁場(chǎng)極化方向(圖9c)分布雖然較凌亂，但是由于數(shù)據(jù)段較多，不能判斷該點(diǎn)是否受到主動(dòng)源的干擾；基站與參考道磁場(chǎng)相關(guān)度計(jì)算結(jié)果表明(圖9d)，磁場(chǎng)在部分?jǐn)?shù)據(jù)段的相關(guān)度低于0.3，說明在這些數(shù)據(jù)段磁場(chǎng)受到了噪聲干擾，在這種條件下，計(jì)算出的張量阻抗Zxy(圖9e)和Zyx(圖9f)較分散。

利用基站與參考站磁道之間的相關(guān)性原理，設(shè)置閾值為0.8，檢測(cè)出低于該閾值的數(shù)據(jù)段(圖10d中灰色圓點(diǎn))，認(rèn)為這些數(shù)據(jù)段受到不可接受的噪聲干擾；通過計(jì)算磁場(chǎng)相干度檢測(cè)出了電磁場(chǎng)極化方向不能檢測(cè)出的受干擾數(shù)據(jù)段(圖10c中灰色圓點(diǎn))，并將這些數(shù)據(jù)段的功率譜剔除且不參與后續(xù)的張量阻抗計(jì)算(圖10a和圖10b中灰色圓點(diǎn))；張量阻抗Zxy和Zyx平面圖(圖10e和10f)表明，之前受噪聲干擾導(dǎo)致較分散的數(shù)據(jù)得以剔除(圖10e和10f中灰色圓點(diǎn))，而保留下的數(shù)據(jù)較聚集(圖10e和10f中黑色圓點(diǎn))，這些聚集在一個(gè)聚簇的數(shù)據(jù)是得到可靠測(cè)深曲線的保證。

圖9 測(cè)點(diǎn)X380數(shù)據(jù)經(jīng)常規(guī)遠(yuǎn)參考處理的結(jié)果

圖10 測(cè)點(diǎn)X380經(jīng)基于磁場(chǎng)相關(guān)遠(yuǎn)參考處理的結(jié)果

數(shù)據(jù)處理的整個(gè)周期為4～16384s，為了增加子頻段的疊加次數(shù)、進(jìn)行更為準(zhǔn)確的估計(jì)，劃分為6個(gè)子頻段：4～256s、128～512s、256～1024s、512～4096s、1024～8192s和4096～16384s。對(duì)每個(gè)子頻段計(jì)算功率譜之后，按照上述規(guī)則進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選，最后對(duì)6個(gè)子頻段進(jìn)行數(shù)據(jù)拼合得到全頻段的數(shù)據(jù)。

圖11為測(cè)點(diǎn)X380分別經(jīng)常規(guī)遠(yuǎn)參考和基于磁場(chǎng)相關(guān)遠(yuǎn)參考處理的結(jié)果對(duì)比?？梢钥闯觯?jīng)常規(guī)遠(yuǎn)參考處理后的測(cè)深曲線非常凌亂，而經(jīng)過磁場(chǎng)相關(guān)遠(yuǎn)參考處理之后，測(cè)深曲線變得較連續(xù)，具有較好的曲線形態(tài)。可見，經(jīng)磁場(chǎng)相關(guān)遠(yuǎn)參考處理之后，數(shù)據(jù)質(zhì)量得到明顯的提高。

圖11 測(cè)點(diǎn)X380經(jīng)不同方法處理后的結(jié)果對(duì)比

5 結(jié)論

常規(guī)遠(yuǎn)參考處理有助于提高測(cè)深曲線質(zhì)量，在低信噪比條件下，由于噪聲將有用信號(hào)淹沒，遠(yuǎn)參考大地電磁對(duì)測(cè)深曲線質(zhì)量的提升效果有限，不能滿足后續(xù)資料處理的需求。通過野外原始磁場(chǎng)數(shù)據(jù)的對(duì)比，認(rèn)為在攀西地區(qū)最遠(yuǎn)相隔40km的情況下，磁場(chǎng)在同一構(gòu)造背景下一定范圍內(nèi)是穩(wěn)定的，不同地點(diǎn)采集到的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)相關(guān)度很高，由此作為資料篩選的依據(jù)。利用基站與參考站的磁場(chǎng)相關(guān)度來確定資料的受干擾程度，并將磁道受噪聲干擾嚴(yán)重的數(shù)據(jù)段的電磁功率譜剔除，使之不參與張量阻抗的計(jì)算，提高了測(cè)深曲線的質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果表明基于磁場(chǎng)相關(guān)的遠(yuǎn)參考處理算法優(yōu)于常規(guī)遠(yuǎn)參考處理。

基于磁場(chǎng)相關(guān)遠(yuǎn)參考處理算法要求基站與參考站的磁場(chǎng)噪聲是非相關(guān)的，這是該算法對(duì)野外原始數(shù)據(jù)的要求和約束。受制于儀器數(shù)量有限，本文僅研究了在攀西地區(qū)這一相同構(gòu)造背景下磁場(chǎng)數(shù)據(jù)具有高度相關(guān)性，至于在不同構(gòu)造背景下上述結(jié)論是否成立，需要進(jìn)一步研究。另外，基于磁場(chǎng)相關(guān)遠(yuǎn)參考處理算法在資料段篩選層面僅能對(duì)磁場(chǎng)受干擾數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別，對(duì)電場(chǎng)噪聲還沒有評(píng)價(jià)指標(biāo)，需作進(jìn)一步研究；在后續(xù)張量估算時(shí)，可以利用如穩(wěn)健估計(jì)算法來減小電場(chǎng)噪聲對(duì)張量阻抗的影響。

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*四川省綿陽(yáng)市涪城區(qū)青龍大道中段59號(hào)西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，621010。Email: zg@swust.edu.cn

本文于2016年11月28日收到，最終修改稿于2017年9月7日收到。

本項(xiàng)研究受國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41704105)、中國(guó)博士后科學(xué)基金項(xiàng)目(2017M610611)、國(guó)家“863”計(jì)劃項(xiàng)目“長(zhǎng)周期分布式大地電磁觀測(cè)系統(tǒng)”(2014AA06A612)、國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)“大深度三維電磁探測(cè)技術(shù)工程化開發(fā)”(2011YQ05006007)聯(lián)合資助。

1000-7210(2017)06-1333-11

張剛，庹先國(guó)，王緒本，高嵩，丁明濤.磁場(chǎng)相關(guān)性在遠(yuǎn)參考大地電磁數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用.石油地球物理勘探，2017,52(6):1333-1343.

P631

A

10.13810/j.cnki.issn.1000-7210.2017.06.025

(本文編輯：劉海櫻)

張剛 講師，博士，1987年生; 2010年畢業(yè)于成都理工大學(xué)信息工程專業(yè)； 2010年作為推薦免試研究生開始碩博連讀，于2015年獲成都理工大學(xué)地球探測(cè)與信息技術(shù)專業(yè)博士學(xué)位; 主持國(guó)家自然科學(xué)基金和中國(guó)博士后科學(xué)基金各1項(xiàng)，參加國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)、“863”計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局項(xiàng)目等多項(xiàng)；發(fā)表學(xué)術(shù)論文10余篇?，F(xiàn)在西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院從事電法勘探及數(shù)據(jù)處理的教學(xué)和研究工作。