一種基于相關性檢測的遠參考大地電磁阻抗計算方法

一種基于相關性檢測的遠參考大地電磁阻抗計算方法
【專利摘要】一種基于相關性檢測的遠參考大地電磁阻抗測量方法，屬于地球物理勘探領域，以克服常規大地電磁張量阻抗計算準確度低的缺點。包括以下步驟：分別采集并處理得到基站與參考站的電場和磁場，分別計算基站與參考站的電磁場相干度，當兩個電磁場相干度大于某閾值時，保留這些數據段并對數據段進行標記，得到基站與參考站電磁場不受非相關噪聲干擾的數據段；然后計算上述標記數據段的基站與參考站的磁場分量相干度，當其大于某閾值時，保留這些磁場不受噪聲干擾的數據段，否則將其舍棄不參與后續張量阻抗估算，并利用基于Robust方法的常規遠參考大地電磁進行張量阻抗估算，并利用張量估算值計算視電阻率和阻抗相位值。本發明適用于進行大地電磁勘探。
【專利說明】
一種基于相關性檢測的遠參考大地電磁阻抗計算方法
技術領域
[0001] 本發明屬于地球物理勘探領域，尤其是涉及一種基于相關性檢測的遠參考大地電 磁阻抗計算方法。
【背景技術】
[0002] 大地電磁測深法(MT)是在地面上一點或多點同時觀測天然變化的、互為垂直的電 磁場分量，用以探測地球內部的電性構造。由于其具有野外施工簡便、探測深度大等優點， 因此該方法在研究深部地質構造、礦產勘查、油氣勘探等方面得到了廣泛應用。然而在測量 大地電磁數據時，常會受到噪聲的干擾，而噪聲來源主要有以下幾個方面：（1)場源噪聲。該 類噪聲包括雷電現象產生的舒曼諧振、太陽風等，舒曼諧振或者雷電活動距離小于遠區條 件時表現出非平面波場特征，太陽風和雷電活動信號頻段不重合導致了大地電磁信號死頻 帶。（2)地質噪聲。由于測區內地質環境對大地電磁場以及地下介質導電性造成影響的因素 稱為地質噪聲。地質噪聲一般由淺部電性不均勻體和地形起伏、電極坑位置等引起。（3)人 文噪聲，即人類活動對電磁場所產生的噪聲，來源于汽車、火車等現代交通工具，以及通訊 所使用的雷達站、有線廣播、無線電臺、電話網等等，還有除此之外的各類電力電氣設備。這 些噪聲對后續張量阻抗估算的準確性造成了嚴重影響。
[0003] 遠參考大地電磁方法是消除上述噪聲中非相關噪聲的有效方法，其思路是野外觀 測采用衛星同步技術對基站和參考站兩個測點同步采集電磁數據，在進行張量阻抗估算 時，利用所采集相同時間段的的全部資料進行遠參考處理。這種處理方式利用不受非相關 噪聲干擾的參考站數據，并基于基站與參考站噪聲的非相關性以修正本地測站的功率譜， 從而得到修正之后的測深曲線，以得到張量阻擋的真實值。然而，上述結果是基于參考站不 受噪聲干擾，或者所受干擾與基站噪聲不相關的情況作為假設的，但是由于工業社會發展， 電磁干擾越來越嚴重，參考站一般都會受到較強烈的噪聲干擾，這時，如果利用常規遠參考 處理，不僅不能得到正確的測深曲線，反而會使"飛點"增多；雖然常規遠參考可以選擇利用 磁道或者電道進行遠參考對比處理，但是由于電磁干擾一般不會單獨存在于電道或者磁 道，所以即便利用電道和磁道做處理，很多時候也不能得到正確的測深曲線；已有研究表 明，即使遠參考站所受噪聲干擾與基站噪聲不相關，但是當參考站或者基站所受到的干擾 異常強烈時，利用常規遠參考也不能得到較連續的測深曲線。采用現有方法依然會導致測 深曲線"飛點"較多，畸變嚴重，影響阻抗估算的準確度，此外，這種畸變嚴重的測深曲線為 后續數據反演和地質解釋帶來困難，甚至會得到錯誤的電性結構模型，直接影響了大地電 磁測深法的勘探效果。

【發明內容】

[0004] 本發明所要解決的技術問題是為了克服現有技術的上述缺點，提供一種基于相關 性檢測的遠參考大地電磁阻抗計算方法，該方法能夠有效提高張量阻抗估算的準確性。
[0005] 本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:一種基于相關性檢測的遠參考大地 電磁阻抗計算方法，包括以下步驟：
[0006] (1)分別采集并測量基站與參考站的電場和磁場，并對其進行濾波和放大轉換，分 別得到基站與參考站的電場數字信號和磁場數字信號，其中，在采集時需要保證基站與參 考站采集數據的時間段和采樣率的一致性；
[0007] (2)根據基站的電場數字信號和磁場數字信號形成基站的電場與磁場的互功率 譜，并根據互功率譜計算基站的電磁場相干時，保留互 功率譜中該電磁場相干度對應的電場和磁場的數據段，并對該數據段進行標記，得到基站 電磁場不受非相關噪聲干擾的數據段Segmentssl，l為數據段編號，CohSSthr為預設基站電磁 場相干度的閾值，其取值范圍為〇 < CohSSthr〈 1，定義如下：
[0009] 其中，i、j表示x、y方向，η為獨立觀測的數據段段數，k為獨立觀測的數據段的序 號，為Ei與Hj的互功率譜，為Ei的自功率譜，民^為出的自功率譜，Ei為i方向的電場 強度，Hj為j方向的磁場強度，腳標中的S表示基站；
[0010] (3)根據參考站的電場數字信號和磁場數字信號形成參考站的電場與磁場的互功 率譜，并根據互功率譜計算參考站的電磁場相干，當時，保留參 考站的互功率譜中該電磁場相干度對應的電場和磁場的數據段并進行標記，得到參考站電 磁場不受非相關噪聲干擾的數據段SegmentRRm，m為數據段編號，CohRRthr為預設參考站電磁 場相干度的閾值，其取值范圍為〇 < CohRRthr〈l義如下：
[0012]其中，i、j表示x、y方向，η為獨立觀測的數據段段數，k為獨立觀測的數據段的序 號，*V,表示Ei與Hj的互功率譜，心￡，為Ei的自功率譜，& Α為Hj的自功率譜，Ei為i方向的電 場強度，Hj為j方向的磁場強度，腳標中的R表示參考站；
[0013] (4)計算基站Segmentssi中的磁場分量與參考站SegmentRRm中磁場分量相干度 C噸，當時，直接進入步驟(6)，否則進入步驟(5)，其中，CohHRSthr為預 設基站與參考站的數據段的磁場相干度的閾值，其取值范圍為〇 < C〇hHRSthr〈l，的定 義如下：
[0015]其中，i表示x、y方向，n為獨立觀測的數據段段數，k為獨立觀測的數據段的序號， 表示Hsi與HRi的互功率譜，為HSi的自功率譜，為HRi的自功率譜，H si為基站i 方向的磁場強度，HRi為參考站i方向的磁場強度，腳標中的R表示參考站，S表示基站；
[0016] (5)舍棄不滿足〇為,v/, 2 對應的磁場與電場分量的數據段，將這些數據段 置零，得到磁場不受噪聲干擾的基站與參考站數據段，并統計這些數據段的段數 Segment·，判斷Segments段數是否大于預設段值，如果大于預設段值，則進行步驟(6 )，否 則以〇· 1為步長減小CohHRsthr并返回步驟(4)，直至Segment·》預設段值；
[0017] (6)進行張量阻抗估算得到張量估算值，并利用張量估算值計算視電阻率和阻抗 相位值，并將結果以圖形方式顯示。
[0018] 進一步的，步驟(6)中估算張量阻抗的方法為基于Robust的常規遠參考大地電磁 阻抗計算方法。
[0019] 具體的，C〇hsSthr、C〇hRRthr、C〇hHRSthr的優選區間為[0 · 8,1 )。
[0020] 優選的，所述預設段值的范圍為[4，min(m，l)]。
[0021] 本發明的有益效果是:克服常規遠參考大地電磁處理方法僅關注基站噪聲與參考 站噪聲之間的非相關性，而忽視了基站信號與參考站信號相關性這一缺陷，本發明同時關 注基站電磁信號相關性、參考站電磁信號相關性以及參考站與基站磁場相關性，利用這些 參數之間的相關性來修正基站的功率譜，剔除基站磁場受干擾的數據段，以避免對張量阻 抗估算結果造成畸變，從而得到正確的張量阻抗測深曲線，提高了大地電磁的勘探準確度， 使用范圍較廣。本發明適用于計算大地電磁阻抗張量參數。
【附圖說明】
[0022]圖1是本發明的流程不意圖；
[0023]圖2為常規方法遠參考大地電磁數據處理結果；
[0024]圖3為使用本發明的基于磁場相關的遠參考大地電磁處理結果；
[0025]圖4為周期T = 107.6347s時常規遠參考大地電磁處理的中間數據；
[0026]圖5為周期T=107.6347s時使用本發明的基于磁場相關的遠參考大地電磁處理的 中間數據。
【具體實施方式】
[0027]下面結合附圖，詳細描述本發明的技術方案。
[0028]如圖1所示，本發明的一種基于相關性檢測的遠參考大地電磁阻抗計算方法，包括 以下步驟：
[0029]使用兩個100歐姆?米的均勻半空間標準時間序列進行模擬試算，基站磁場Hy時 間序列前半段時間受到主動源的干擾，參考站電磁場未受噪聲影響。
[0030] (1)分別采集并測量基站與參考站的電場和磁場，并對電場和磁場進行濾波和放 大轉換，分別得到基站與參考站的電場數字信號和磁場數字信號，其中，保證基站與參考站 采集數據的時間段和采樣率的一致性，本例中采樣率f S = 1。
[0031] (2)計算基站的電磁場相干度具體是根據基站的電場數字信號和磁場 9 數字信號形成基站的電場與磁場的互功率譜，并根據互功率譜，利用公式 Λ十算基站的電磁場相干度其中，i、j表示χ、y方向，
， η為獨立觀測的數據段段數，k為獨立觀測的數據段的序號表示E1與?的互功率譜， 為Ei的自功率譜，為Hj的自功率譜，Ei為i方向的電場強度，Hj為j方向的磁場強度， 腳標中的S表;^基站，并設置預設基站電磁場相干度的閾值為Cohssthr，其范圍0 S Cohssthr〈 1。當C叫;、.〃、.>(：噸&時，保留互功率譜中該電磁場相干度對應的電場和磁場的數據段，并 對該數據段進行標記，得到基站電磁場不受非相關噪聲干擾數據段Segments^，其中，腳標 里的1為數據段編號，腳標中的SS為基站(Single Site)的縮寫。
[0032] 通常來說，閾值Cohssthr可以0 < Cohssthr〈l任意一個數值，只是數值越大，處理效果 越好，基于為了得到較好的處理效果考慮，通常使用的范圍是0.8<c〇hssthr〈MSSc〇h ssthr 取值過大，但會導致數據段舍棄太多的缺點。以下附圖是基于該閾值取值為0.8進行計算 的。
[0033] (3)計算參考站的電磁場相干度具體是根據參考站的電場數字信號和 磁場數字信號形成參考站的電場與磁場的互功率譜，并根據互功率譜利用公式
計算參考站的電磁場相干度^^化巧；腳標中的R表示參考站 (Remote reference site)，其他標注同上文，并設置預設參考站電磁場相干度的閾值 CohRRthr，其取值范圍為〇 < C〇hRRthr〈l。當時，保留參考站的互功率譜中 該電磁場相干度對應的電場和磁場的數據段，并對該數據段進行標記，得到參考站電磁場 不受非相關噪聲干擾的數據段SegmentRRm，其中，腳標里的m為數據段編號。
[0034] 通常來說，該閾值CohRRthr可以0 < C〇hRRthr〈l任意一個數值，只是數值越大，處理效
果越好，基于為了得到較好的處理效果考慮，通常使用的范圍是〇.8<CohRRthr〈USS CohRRthr取值過大，會導致數據段舍棄太多的缺點。以下附圖是基于該閾值取值為0.8進行計 算的。
[0035] .計算基站Segmentssi中的磁場分量與 參考站SegmentRRm中磁場分量相干度其中，表不Hsi與Hiu的互功率譜，Hsi為 基站i方向的磁場強度，HRi為參考站i方向的磁場強度，&sAlSHSi的自功率譜，為H Ri 的自功率譜，并設置預設基站與參考站的磁場相干度的閾值為CohHRSthr，其取值范圍為0< CohHRSthX 1。當A 皿Mr時，直接進入步驟(6 )，否則進入步驟(5 ) 〇
[0036] 通常來說，該閾值CohHRSthr可以0 < C〇hHRSthr< 1任意一個數值，只是數值越大，處理 效果越好，基于為了得到較好的處理效果考慮，通常使用的范圍是0.8<CohHRSthr〈ldSS Coh HRSthr取值過大，會導致數據段舍棄太多的缺點。以下附圖是基于該閾值取值為0.8進行 計算的。
[0037] (5)舍棄<(：#服偷對應的磁場與電場分量的數據段，將這些數據段置零， 得到磁場不受噪聲干擾的基站與參考站數據段，并統計這些數據段的段數SegmentHSR，判斷 SegmentHSR段數是否大于預設段值，如果大于預設段值，則進行步驟(6)，否則以0.1為步長 減小CohHRsthr并返回步驟(4)，直至Segment· 2預設段值。所述預設段值的范圍為4~min (m，1)，min(m，1)表示m和1中的最小值，預設段值的最小值4為一個經驗值，小于4會由于功 率譜疊加次數不夠而導致的計算結果較差。以下附圖是基于預設段值為4進行計算的。 [0038] (6)利用現有基于Robust方法的常規遠參考大地電磁阻抗計算方法進行張量阻抗 估算得到張量估算值，并基于現有技術利用張量估算值計算視電阻率和阻抗相位值，將結 果以圖形方式顯示。所述未詳細闡述的方法屬于本領域公知技術。以下實例采用的是基于 Robust的常規遠參考大地電磁阻抗計算方法，該方法使用廣泛，易于實現，且速度較快。 [0039]圖2為常規遠參考大地電磁所計算的測深曲線，圖3為使用本發明的基于相關性檢 測的遠參考大地電磁阻抗計算方法所計算的測深曲線，比較兩圖，看出使用本發明的基于 相關性檢測的遠參考大地電磁阻抗計算方法所計算的兩個方向的視電阻率都在100歐姆· 米附近，阻抗相位在45°附近，能夠準確計算出測深曲線，而常規遠參考大地電磁計算測深 曲線失敗。
[0040]圖4表示在周期T = 107.6347s時，常規遠參考大地電磁處理的中間數據。其中，圖 4a、圖4b、圖4c分別表示Ex、Ey和Hy的功率譜，橫坐標表示數據段序號；圖4d中黑色實心圓點 表示磁場極化方向，黑色空心圓圈表示電場極化方向，橫坐標表示數據段序號；圖4e表示基 站與參考站之間的磁場相干度，橫坐標表示數據段序號；圖4f表示阻抗張量Zxy，其中橫坐 標為實部，縱坐標為虛部。
[0041]可以看出，Hy道的前半數據段（圖4c)由于受強烈主動源干擾而導致功率譜值明顯 增加，比正常幅值大至少一個數量級；從極化方向圖也可看出，磁場極化方向（圖4d中黑色 實心圓點）在前半段數據段具有很強的一致性，不符合天然大地電磁信號極化方向無序的 規律;基站與參考站之間的磁場相干度前半數據段較低（圖4e)，相干度在0.2-0.4之間，由 于后半段時間基本不受干擾，相干度很高，基本接近于1;阻抗張量Zxy較分散，出現兩個聚 合，一個是基本在(〇,〇)附近出現聚合，另一個在（1.5，-1.5)附近出現聚合，由于數據在兩 個中心周圍聚合，所以該周期（107.6347s)下的測深曲線會出現跳動，可以從圖2的結果中 看出來。
[0042]圖5中各圖說明如圖4，設置基站電磁場相干度閾值Cohssthr = 0.8，參考站電磁場相 干度閾值C〇hRRthr = 0.8，基站與參考站磁場分量相干度閾_= 〇·8_，將受噪聲干擾數 據段剔除，剔除之后的Ex、Ey和Hy的功率譜如圖5a、圖5b、圖5c所不，可以看出利用上述相干 度對功率譜的篩選，已經將Hy道受強烈主動源干擾導致的高值功率譜數據段剔除（圖5c)， 所保留數據段的電場極化方向（圖5d中黑色空心圓圈）和磁場極化方向（圖5d中黑色實心圓 點)無明顯優勢方向，符合天然電磁場規律，磁場相干度較高（圖5e)，阻抗張量Zxy表現出僅 在一個中心（1.5，-1.5)聚合。對所有頻率下的功率譜都按照此規則進行篩選，最后得到的 視電阻率和相位曲線如圖3所示，對比圖2中常規遠參考大地電磁法處理結果，得到了 100歐 姆米的電阻率值和45°的阻抗相位真值，其測深曲線變得光滑連續，提高了測深曲線質量。
[0043]本發明的方法是在大地電磁測深法中，在進行張量阻抗估算之前，同時利用基站 電磁場相干度，以及參考站電磁場相干度避免基站與參考站非相關噪聲的干 擾，并利用基站與參考站之間磁場相關度避免磁場噪聲對張量阻抗計算結果的影 響，從而得到能反映地下真實電性結構的測深曲線，提高了大地電磁的勘探效果。本發明使 用范圍較廣，利用天然電磁場勘探的音頻大地電磁法(AMT)、寬頻大地電磁法(MT)和長周期 大地電磁法(LMT)皆可使用。
【主權項】
1. 一種基于相關性檢測的遠參考大地電磁阻抗計算方法，其特征在于，包括以下步驟： (1) 分別采集并測量基站與參考站的電場和磁場，并對其進行濾波和放大轉換，分別得 到基站與參考站的電場數字信號和磁場數字信號，其中，在采集時需要保證基站與參考站 采集數據的時間段和采樣率的一致性； (2) 根據基站的電場數字信號和磁場數字信號形成基站的電場與磁場的互功率譜，并 根據互功率譜計算基站的電磁場相干度//v s當％ ，.時，保留互功率譜 中該電磁場相干度對應的電場和磁場的數據段，并對該數據段進行標記，得到基站電磁場 不受非相關噪聲干擾的數據段Segmentssl，l為數據段編號，CohSSthr為預設基站電磁場相干 度的閾值，其取值范圍為〇 < CohSSthr<l，Cb/^ w定義如下： &/其中，i、j表示x、y方向，η為獨立觀測的數據段段數，k為獨立觀測的數據段的序號， 為Ei與Hj的互功率譜，的自功率譜，&，'為Hj的自功率譜，Ei為i方向的電場強度，Hj 為j方向的磁場強度，腳標中的S表示基站； (3) 根據參考站的電場數字信號和磁場數字信號形成參考站的電場與磁場的互功率 譜，并根據互功率譜計算參考站的電磁場相干g?，保留 參考站的互功率譜中該電磁場相干度對應的電場和磁場的數據段并進行標記，得到參考站 電磁場不受非相關噪聲干擾的數據段SegmentRRm，m為數據段編號，CohRRthr為預設參考站電 磁場相干度的閾值，其取值范圍為〇<(：〇1^伽〈1，€(?/2&/^定義如下：其中，i、j表示X、y方向，η為獨立觀測的數據段段數，k為獨立觀測的數據段的序號，4,? 表示Ei與Hj的互功率譜，為Ei的自功率譜，5^%為Hj的自功率譜，Ei為i方向的電場強度， Hj為j方向的磁場強度，腳標中的R表示參考站； (4) 計算基站Segmentssi中的磁場分量與參考站SegmentRRm中磁場分量相干度， 當心/?& > .時，直接進入步驟(6)，否則進入步驟(5)，其中， CohHRSthr為預設基站與 參考站的磁場相干度的閾值，其取值范圍為〇<(：〇11冊 5也1〈1，〇^//</^的定義如下：Κι ^ Ri y'- 其中，i表示x、y方向，η為獨立觀測的數據段段數，k為獨立觀測的數據段的序號， 表示Hsi與HRi的互功率譜，、凡為HSi的自功率譜，\,Ps,為H Ri的自功率譜，Hsi為基 站i方向的磁場強度，HRi為參考站i方向的磁場強度，腳標中的R表示參考站，S表示基站； (5) 舍棄不滿足為ν/.,; 對應的磁場與電場分量的數據段，將這些數據段置 零，得到磁場不受噪聲干擾的基站與參考站數據段，并統計這些數據段的段數Segments 判斷Segments段數是否大于預設段值，如果大于預設段值，則進行步驟(6)，否則以0.1為 步長減小(>)11冊51^并返回步驟(4)，直至5681116111：_2預設段值； (6) 進行張量阻抗估算得到張量估算值，并利用張量估算值計算視電阻率和阻抗相位 值，將結果以圖形方式顯示。2. 如權利要求1所述的一種基于相關性檢測的遠參考大地電磁阻抗計算方法，其特征 在于，步驟(6)中估算張量阻抗的方法為基于Robust的常規遠參考大地電磁阻抗計算方法。3. 如權利要求1或2所述的一種基于相關性檢測的遠參考大地電磁阻抗計算方法，其特 征在于，C〇hsSthr、C〇hRRthr、C〇hHRSthr 的優選區間為[0 · 8,1 ) 〇4. 如權利要求1所述的一種基于相關性檢測的遠參考大地電磁阻抗計算方法，其特征 在于，所述預設段值的范圍為[4，min(m，l)]。
【文檔編號】G01V3/38GK105866852SQ201610204315
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年4月1日
【發明人】張剛, 李懷良, 丁明濤, 武鋒強, 楊寧, 劉勇
【申請人】西南科技大學