參考道方法在大地電磁測(cè)深數(shù)據(jù)中的應(yīng)用研究

祝福榮， 鄧居智， 陳 輝， 蔣 亮

(東華理工大學(xué)放射性地質(zhì)與勘探技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，江西南昌 330013)

大地電磁測(cè)深法(MT)是利用天然場(chǎng)源勘探的一種方法(Wei et al.，2001)，主要以視電阻率曲線和相位曲線的形態(tài)特征作為分析大地結(jié)構(gòu)與電性分布的基本依據(jù)，因此阻抗的計(jì)算、分析、處理是大地電磁法研究中最基本也是最重要的內(nèi)容之一(嚴(yán)家斌，2003)。

由于大地電磁測(cè)深法易受人為因素干擾。電磁信號(hào)受干擾的因素主要為尖脈沖式的干擾、高壓輸電線和廣播的干擾、寬頻帶強(qiáng)能量的干擾、方波或類充放電衰減形成干擾以及低頻不規(guī)則干擾。這些干擾使MT資料表現(xiàn)為頻點(diǎn)數(shù)據(jù)離差大、跳點(diǎn)不連續(xù)、曲線形態(tài)突變(張全勝等，2002)等。特別是中、低頻段噪聲較大，可信度差，給資料處理解釋帶來了一定的困難。而本次MT測(cè)量所在區(qū)域?yàn)樯絽^(qū)且附近有礦山、高壓線、發(fā)射塔、公路等干擾，因此，選取正確的參考系，能很好地改善數(shù)據(jù)的質(zhì)量，提高了資料解釋的正確性、精確性和可靠性(張全勝等，2004)。

1 參考道法基本原理

在大地電磁測(cè)深中如果不存在噪聲，任一頻率大地電磁場(chǎng)水平分量滿足如下關(guān)系(邵飛等，2008):

式中Ex，Ey是水平電場(chǎng)的x和y的分量，Hx，Hy是水平磁場(chǎng)的x和y分量，Zxx，Zxy等是阻抗張量元素。根據(jù)(1)式，只要有兩組非線性相關(guān)的觀測(cè)值，通過方程可求得張量阻抗值。但是，在實(shí)際測(cè)量中，電場(chǎng)E與磁場(chǎng)H都容易受到噪聲污染(金德均等，2009)，野外大地電磁資料實(shí)際觀測(cè)值是真實(shí)信號(hào)和噪聲干擾之和:

式中s和n分別表示真實(shí)信號(hào)和干擾噪聲。這種情況下，只有真實(shí)信號(hào)滿足阻抗張量關(guān)系，而含噪聲的觀測(cè)值并不滿足阻抗張量關(guān)系(鄧前輝，1982)。因此，利用實(shí)測(cè)資料將不能精確地求得阻抗張量值，只能利用多組數(shù)據(jù)計(jì)算其平均近似解。

在實(shí)際觀測(cè)中用功率譜求解張量阻抗為:

由于噪聲分為相關(guān)噪聲和不相關(guān)噪聲。在計(jì)算張量阻抗時(shí)，利用多組數(shù)據(jù)的譜平均值可對(duì)不相關(guān)噪聲有一定抑制作用，但對(duì)相關(guān)噪聲卻無能為力。而相關(guān)噪聲主要存在于自功率譜中。因此，要減小相關(guān)噪聲的影響，在式(3)的計(jì)算中就要盡量避免自功率譜的參與。為此，本文選用了互參考方法來處理數(shù)據(jù)，并驗(yàn)證了這種方法是可行的，經(jīng)濟(jì)的。

當(dāng)兩觀測(cè)點(diǎn)相距較遠(yuǎn)時(shí)，則兩觀測(cè)點(diǎn)間電磁分量中的噪聲一般滿足相互獨(dú)立這個(gè)條件。根據(jù)大地電磁測(cè)深中磁信號(hào)在相當(dāng)一段距離范圍內(nèi)變化緩慢，主要反映地電構(gòu)造的是電場(chǎng)信號(hào)這一特點(diǎn)(晉光文等，1982)，因此人們選用互參考點(diǎn)處的磁場(chǎng)信號(hào)作為該測(cè)點(diǎn)處的磁分量來估算張量阻抗值，此時(shí)一般有:

其中*表示復(fù)共軛;＜＞表示多組數(shù)據(jù)的平均;r表示參考點(diǎn);s和n表示信號(hào)和噪聲;rs和rn分別表示參考點(diǎn)和噪聲(陳高，2001)。

通常，對(duì)于二維介質(zhì)可以寫出以磁道為參考的張量阻抗的表達(dá)式:

從式(5)中可以得到，每一對(duì)互功率譜的表達(dá)式中均含有互參考道的磁分量，只要在互參考點(diǎn)和測(cè)量點(diǎn)上噪聲的特性滿足是非相關(guān)的，即實(shí)際工作中兩點(diǎn)間的距離足夠大，互參考處理便能有效地抑制電噪音和磁噪音的影響(肖曉等，2011)，得以提高張量阻抗的計(jì)算精度。

2 參考道選擇處理效果應(yīng)用研究

為了研究參考道選擇處理效果，本文采用了不同參考距離下的本地電參考，本地磁參考，互參考磁道及互參考電道作為參考信號(hào)處理數(shù)據(jù)的視電阻率曲線及相位曲線來綜合評(píng)價(jià)不同參考道處理效果。

首先根據(jù)《中華人民共和國地質(zhì)礦產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)——大地電磁測(cè)深法技術(shù)規(guī)程》中關(guān)于大地電磁測(cè)深法的觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，對(duì)工區(qū)中的實(shí)測(cè)MT數(shù)據(jù)進(jìn)行了質(zhì)量評(píng)價(jià)。得出了數(shù)據(jù)一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)等分類數(shù)據(jù)。

本次測(cè)區(qū)共布設(shè)十四條測(cè)線，均為東南方向，并且本測(cè)區(qū)同時(shí)用2臺(tái)V8工作站及3臺(tái)V5對(duì)各測(cè)線進(jìn)行測(cè)量工作，滿足不同參考道在不同距離情況下選擇要求。下文中的A—M分別代表測(cè)區(qū)的第1至第14條測(cè)線。

2.1 A002點(diǎn)(一級(jí))以A006(一級(jí))點(diǎn)為互參考點(diǎn)

兩點(diǎn)相距1 km，分別做本地電參考，磁參考及互參考電道及互參考磁道處理，對(duì)比處理后的視電阻率及相位曲線。如圖1所示，為A002點(diǎn)做本地電參考，磁參考及互參考電道及互參考磁道處理后TE，TM模式下視電阻率及相位曲線圖。

(1)本地參考處理與互參考處理對(duì)比，視電阻率及相位曲線大致相同，但互參考處理后，視電阻率及相位曲線高頻數(shù)據(jù)有所改善，中頻曲線基本相同。分析原因，在這段頻段范圍內(nèi)，大地電磁信號(hào)微弱，互參考點(diǎn)與處理點(diǎn)間距離太近，信號(hào)不滿足不相關(guān)條件，因而對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果影響不大。

(2)采用磁場(chǎng)作為參考信號(hào)與采用電場(chǎng)作為參考信號(hào)的處理結(jié)果比較，兩者均是數(shù)據(jù)得到了改善，所得曲線形態(tài)大致一致，但電場(chǎng)參考的中低左右，數(shù)據(jù)離差較大，曲線形態(tài)不如磁參考結(jié)果清晰。

圖1 A002點(diǎn)采用A006做互參考與采用本地參考下的TE及TM模式的視電阻率及相位曲線圖對(duì)比圖Fig.1 Comparison of the apparent resistivity and phase curves of TE and TM modes of the A002 points use A006 after mutual reference and use the local reference

2.2 A002(一級(jí))以F039(一級(jí))點(diǎn)為互參考點(diǎn)

兩點(diǎn)相距10 km。分別做本地電參考，磁參考及互參考電道及互參考磁道處理，對(duì)比處理后的視電阻率及相位曲線。如圖2所示，為A002點(diǎn)做本地電參考，磁參考及互參考電道及互參考磁道處理后TE，TM模式下視電阻率及相位曲線圖。

(1)經(jīng)互參考處理比經(jīng)本地參考處理后的視電阻率及相位曲線整體圓滑很多，數(shù)據(jù)蹦跳點(diǎn)基本消除，數(shù)據(jù)平滑度很高，數(shù)據(jù)得到明顯改善，說明互參考?jí)褐屏司植侩姶鸥蓴_，且經(jīng)分析有兩點(diǎn)相距10 km，滿足信號(hào)相關(guān)性，說明了互參考的正確性。故在滿足信號(hào)相關(guān)性情況下，互參考效果比本地參考處理效果好很多，應(yīng)選用互參考處理數(shù)據(jù)。

(2)采用磁場(chǎng)作為參考信號(hào)與采用電場(chǎng)作為參考信號(hào)的處理結(jié)果比較，磁道作為參考信號(hào)使數(shù)據(jù)曲線改善更大，曲線形態(tài)比電參考結(jié)果清晰，特別是在中低頻情況下，電場(chǎng)參考的數(shù)據(jù)離差較大，分析有磁參考數(shù)據(jù)的信噪比電參考的信噪比大，且磁場(chǎng)更穩(wěn)定，故一般選用磁場(chǎng)作為參考系。

2.3 A002(一級(jí))以M048(二級(jí))為互參考點(diǎn)，兩點(diǎn)相距20 km

分別做本地電參考，磁參考及互參考電道及互參考磁道處理，對(duì)比處理后的視電阻率及相位曲線。如圖3所示，為A002點(diǎn)做本地電參考，磁參考及互參考電道及互參考磁道處理后TE，TM模式下視電阻率及相位曲線圖。

(1)A002為一級(jí)點(diǎn)經(jīng)過以M048二級(jí)點(diǎn)互參考處理后，曲線的整體形態(tài)均有不同程度下降，視電阻率及相位曲線圓滑程度變差，只有在高頻時(shí)有所改善，經(jīng)分析有:①高頻數(shù)據(jù)采樣相對(duì)較多，抗干擾能力強(qiáng)，因此高頻有所改善，說明互參考?jí)褐屏司植侩姶鸥蓴_，并對(duì)高次諧波起到了消除壓制作用;②在中低頻段范圍內(nèi)，大地電磁信號(hào)相當(dāng)微弱，參考點(diǎn)M048數(shù)據(jù)質(zhì)量相當(dāng)較差，受干擾程度相對(duì)嚴(yán)重，造成A002點(diǎn)視電阻率及相位曲線圓滑程度下降。

(2)采用互參考與采用本地參考對(duì)比發(fā)現(xiàn)，本地參考處理效果比比互參考處理效果更好，曲線相對(duì)圓滑，且磁參考相對(duì)電參考效果更好，故此時(shí)應(yīng)選用本地磁參考作為參考道。

圖2 A002點(diǎn)采用F039做互參考與采用本地參考下的TE及TM模式的視電阻率及相位曲線圖對(duì)比圖Fig.2 Comparison of the apparent resistivity and phase curves of TE and TM modes of the A002 points use F039 after mutual reference and use the local reference

圖3 A002點(diǎn)采用M048點(diǎn)做互參考與采用本地參考下的TE及TM模式的視電阻率及相位曲線圖對(duì)比圖Fig.3 Comparison of the apparent resistivity and phase curves of TE and TM modes of the A002 points use M048 after mutual reference and use the local reference

2.4 G044(二級(jí))以N046(一級(jí))點(diǎn)為互參考點(diǎn)，兩點(diǎn)相距30 km

分別做本地電參考，磁參考及互參考電道及互參考磁道處理，對(duì)比處理后的視電阻率及相位曲線。如圖4所示，為G044點(diǎn)做本地電參考，磁參考及互參考電道及互參考磁道處理后TE，TM模式下視電阻率及相位曲線圖。

(1)二級(jí)點(diǎn)經(jīng)一級(jí)點(diǎn)互參考后比采用本地參考處理結(jié)果好，視電阻率及相位曲線變好，整體形態(tài)明顯改善，尤其在中低頻數(shù)據(jù)質(zhì)量提高較多，分析原因有，參考點(diǎn)較被參考點(diǎn)數(shù)據(jù)質(zhì)量高，在中低頻段，壓制了噪聲，提高了電道信噪比，改善了視電阻率及相位曲線的形態(tài)，說明了互參考的正確性。

(2)采用磁場(chǎng)作為參考信號(hào)比采用電場(chǎng)作為參考信號(hào)的處理結(jié)果更好，曲線更為平滑，且用互參考磁道作為參考信號(hào)更為好，故此時(shí)應(yīng)用互參考磁場(chǎng)作為參考信號(hào)。

圖4 G044點(diǎn)采用N046點(diǎn)做互參考與采用本地參考下的TE及TM模式的視電阻率及相位曲線圖對(duì)比圖Fig.4 Comparison of the apparent resistivity and phase curves of TE and TM modes of the G044 points use N046 after mutual reference and use the local reference

綜合以上各圖分析可知，采用磁場(chǎng)作為參考信號(hào)比采用電場(chǎng)作為參考信號(hào)效果更好，曲線更為平滑，若滿足互參考條件，互參考磁場(chǎng)效果比采用本地磁參考更好，且互參考點(diǎn)應(yīng)該選擇干擾源的電磁噪聲水平相對(duì)較低的地方;若用二級(jí)點(diǎn)作為互參考點(diǎn)會(huì)影響處理效果，故處理前應(yīng)對(duì)工區(qū)的MT數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)。互參考處理能基本消除由干擾引起的數(shù)據(jù)蹦跳現(xiàn)象，使曲線的連續(xù)性明顯優(yōu)于常規(guī)處理后的結(jié)果，說明互參考能消除電磁噪聲，提高電磁信噪比從而改善數(shù)據(jù)質(zhì)量，實(shí)踐表明互參考的MT觀測(cè)方法是可行的、經(jīng)濟(jì)的數(shù)據(jù)處理方法。

3 結(jié)論

(1)互參考處理是提高強(qiáng)干擾區(qū)大地電磁法實(shí)測(cè)資料質(zhì)量的一種有效方法，不僅可以消除不相關(guān)的電磁噪音，也可以同時(shí)消除同源相關(guān)電磁噪音，有效抑制來自工業(yè)用電的50 Hz干擾。使MT資料的電道信噪比以及視電阻率和相位曲線均有不同程度的改善，使參考處理結(jié)果更趨于客觀、真實(shí)。

(2)通過對(duì)比磁參和電參發(fā)現(xiàn)在選用磁道作為參考信號(hào)時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)的平滑效果更好。故以后處理的數(shù)據(jù)都選用磁道作為數(shù)據(jù)的參考信號(hào)。

(3)若滿足信號(hào)相關(guān)性，選用互參考作為參考信號(hào)處理數(shù)據(jù)質(zhì)量更好，曲線更圓滑。若不滿足信號(hào)相關(guān)性，用本地磁場(chǎng)做參考信號(hào)。

(4)互參考道的距離遠(yuǎn)近，決定了對(duì)不同頻段的數(shù)據(jù)的改善程度，根據(jù)信號(hào)不相關(guān)條件與趨膚深度的關(guān)系，我們?cè)谔幚頂?shù)據(jù)的時(shí)候應(yīng)加以區(qū)別對(duì)待。

(5)在進(jìn)行了數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)之后，應(yīng)選擇一級(jí)點(diǎn)作為參考點(diǎn)，二級(jí)點(diǎn)、三級(jí)點(diǎn)數(shù)據(jù)由于受到了嚴(yán)重的干擾，以它們?yōu)榛⒖键c(diǎn)處理會(huì)降低數(shù)據(jù)質(zhì)量，使用一級(jí)參考點(diǎn)對(duì)二、三級(jí)數(shù)據(jù)進(jìn)行互參考也能改善數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

(6)客觀地說任何一種去噪方法都不是萬能的，實(shí)測(cè)原始數(shù)據(jù)的品質(zhì)好壞仍然是各種去噪處理的基礎(chǔ)。采用了新的去噪方法不等于可以忽視野外測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集質(zhì)量，只有兩者有機(jī)地結(jié)合起來才能取得更好的結(jié)果，為地礦工作者提供更準(zhǔn)確的信息。

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