腰善叢

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，中核集團(tuán)鈾資源勘查與評價技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029）

EH4儀器阻抗估算技術(shù)缺陷分析

腰善叢

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，中核集團(tuán)鈾資源勘查與評價技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029）

基于StrataGem（EH4）大地電磁測量儀的實(shí)測數(shù)據(jù)，剖析了該系統(tǒng)計算阻抗過程（IMAGEM軟件完成）中兩個重要不足。一個是以常相干度為工具控制由機(jī)械疊加形成的原始譜而計算互功率譜過程，容易造成放大單個原始譜點(diǎn)在互功率譜計算中的作用，也可能舍棄了許多有用信息；另一個是以最小二乘算法估算阻抗容易造成所估算的阻抗不穩(wěn)定。

EH4；互功率譜；疊加；阻抗估算

StrataGem系統(tǒng)（EH4）是目前國內(nèi)AMT測量的重要設(shè)備之一。該設(shè)備在時序資料采集與處理過程中，采用多次觀測、疊加方法提高信噪比，提高阻抗估算可靠程度，這些功能依靠所配置的IMAGEM軟件完成。該軟件在多次疊加基礎(chǔ)上，以常相干度為工具篩選原始譜，形成互功率譜文件，最終以經(jīng)典最小二乘算法估算阻抗。但在上述處理過程中，無論是原始譜篩選步驟，還是阻抗估算算法，都存在很大弊端。以常相干度為工具篩選原始譜進(jìn)行功率譜計算會導(dǎo)致許多觀測數(shù)據(jù)不能發(fā)揮作用；最小二乘算法會使阻抗估算不穩(wěn)定。本文以實(shí)例討論IMAGEM軟件在處理阻抗估算中的不足，旨在便于實(shí)際應(yīng)用中對相關(guān)問題能引起高度重視。

1 譜疊加過程中的不足

StrataGem系統(tǒng)時序數(shù)據(jù)由段組成，每個段由3個數(shù)據(jù)塊（單元）構(gòu)成，每個數(shù)據(jù)塊存儲以一定采樣率連續(xù)采集4 096個數(shù)據(jù)。為提高觀測質(zhì)量，每個AMT測點(diǎn)進(jìn)行多次重復(fù)觀測。

阻抗估算過程自時序數(shù)據(jù)變換到頻域開始，形成功率譜資料，而后進(jìn)行阻抗估算。IMAGEM對多次觀測的原始譜進(jìn)行機(jī)械相加，在此基礎(chǔ)上以常相干度為工具控制原始譜是否納入到與該原始譜頻率相關(guān)頻點(diǎn)的功率譜計算中。但是，這種篩選原始譜的計算方法有許多不足，存在著放大質(zhì)量不佳數(shù)據(jù)段的隱患。下面以2005年所采集的松遼盆地M4號測量剖面的第1號測點(diǎn)實(shí)測數(shù)據(jù)為例進(jìn)行具體討論，時序文件名為ym4.001。為方便討論，以表格形式說明觀測數(shù)據(jù)疊加過程。

在表格中，頻率列表示功率譜的頻率；每段的一個數(shù)據(jù)單元相當(dāng)于一次獨(dú)立觀測；參與運(yùn)算頻點(diǎn)個數(shù)是某一頻點(diǎn)的功率譜所包含的原始譜頻點(diǎn)數(shù)目；互譜文件（功率譜）中疊加次數(shù)表示計算某一頻點(diǎn)的功率譜時參與運(yùn)算的獨(dú)立觀測次數(shù)；數(shù)據(jù)塊號表示時序文件中的不同段及其中的數(shù)據(jù)單元。

表1所展示的結(jié)果是毫無疑問的，因?yàn)?個復(fù)數(shù)按常相干度公式運(yùn)算的相干度為1。這就遇到一個揮之不去的問題：第1、第2次獨(dú)立觀測在一般情況下都要參與到互譜運(yùn)算中去，即使第1、第2次獨(dú)立觀測的數(shù)據(jù)質(zhì)量很差（本例中使用手動選頻編輯方法，使第1段第1塊數(shù)據(jù)不參與運(yùn)算），這是該軟件處理資料的硬傷之一。

對比表2和 表3，725 Hz頻點(diǎn)的參與運(yùn)算疊加次數(shù)由3次突增至12次、參與互譜運(yùn)算的原始譜頻點(diǎn)由1個突增至3個，原因僅僅為一次獨(dú)立觀測把原始譜相鄰頻點(diǎn)的常相干度數(shù)值提升了。這意味著放大了一次獨(dú)立觀測的作用。

對比表3和4，其結(jié)果類似于表2和 3對比情況。587.5 Hz頻點(diǎn)因增加一次疊加，使參與運(yùn)算的獨(dú)立觀測次數(shù)由4次增加到10次；而412.5 Hz頻點(diǎn)因增加一次疊加，使參與運(yùn)算的原始頻點(diǎn)由2個縮減為1個，這就造成了觀測次數(shù)增加反而使參與運(yùn)算的頻點(diǎn)減少，這是不正常的。表5的結(jié)果則延續(xù)了表4的結(jié)果。

表1 2次獨(dú)立觀測疊加Table 1 Stack of two-time independent observation

表2 3次獨(dú)立觀測疊加Table 2 Stack of three-time independent observation

表3 4次獨(dú)立觀測疊加Table 3 Stack of four-time independent observation

表4 5次獨(dú)立觀測疊加Table 4 Stack of five-time independent observation

表5 6次獨(dú)立觀測疊加Table 5 Stack of six-time independent observation

根據(jù)EH4阻抗估算過程中功率譜文件結(jié)構(gòu)，當(dāng)標(biāo)定頻率介于100～1 000 Hz時，功率譜頻點(diǎn)遞增步長為12.5 Hz；當(dāng)采樣率為12 kHz時，功率譜單個頻點(diǎn)則至少含有3個頻點(diǎn)的原始譜互譜信息。而上面所列出的幾張表中，IMAGEM所處理的結(jié)果使大部分的互譜頻點(diǎn)僅含有很少的原始譜頻點(diǎn)數(shù)，放棄了已經(jīng)采集到的可用信息。

上述實(shí)例說明IMAGEM軟件在處理譜疊加過程中存在兩個極端現(xiàn)象：IMAGEM處理方案可能放大單個原始譜點(diǎn)的作用，也可能舍棄了許多有用信息。

2 IMAGEM阻抗估算結(jié)果的不穩(wěn)定性

在阻抗最小二乘估算過程中，阻抗值由電、磁場的自、互功率譜計算而得。在前面的討論中了解到IMAGEM在運(yùn)算過程中所采用的策略可能使單次觀測放大或縮小譜疊加數(shù)量。這僅僅是該處理過程中不足的一個方面；這種處理過程可能會導(dǎo)致后續(xù)處理過程采用的最小二乘算法計算阻抗引起的更大偏差與不穩(wěn)定。最小二乘算法估算阻抗本身具有無法避免的缺陷，而該算法所直接導(dǎo)入的參數(shù)是電、磁場的互功率譜值。這樣則會使利用互功率譜值所估算出的阻抗更不穩(wěn)定，下面給出一個實(shí)例。

圖1 M4線170號測量點(diǎn)視電阻率及相位度圖Fig.1 Apparent resistivity and phase curves of site No.170 of the profile M4

圖1是M4號剖面的170號測量點(diǎn)經(jīng)過手工挑選時間序列處理后的視電阻率與相位圖。如果在挑選時間序列的過程中選入一屏（一個數(shù)據(jù)單元）帶干擾信息（圖2），則結(jié)果會出現(xiàn)很大變化。圖3就是M4的170號測量點(diǎn)選進(jìn)了圖2的時間序列信息參與運(yùn)算，造成該點(diǎn)阻抗曲線中、低頻段抖動。

圖2 一個數(shù)據(jù)單元的時序圖（170號測點(diǎn)）Fig.2 Time-serialplotofonedatablockofsite No.170

圖3 M4線170號測量點(diǎn)選入圖2時序的視電阻率及相位圖Fig.3 Apparent resistivity and phase curves of site No.170 of the profile M4（Adding Fig.2’s time-serial data）

3 結(jié) 論

通過實(shí)例，反映了IMAGEM估算阻抗過程所采用的方法技術(shù)給出的結(jié)果是不穩(wěn)定的。而IMAGEM在處理過程中，在互功率譜計算方面有如下兩個方面的不足：（1）由時序資料經(jīng)FFT變換后，形成原始譜。多次重復(fù)觀測疊加形成的原始譜是單次原始譜的機(jī)械相加過程，沒有經(jīng)過甄別。（2）形成互功率譜時，以常相干度為依據(jù)對所屬頻點(diǎn)的原始譜進(jìn)行篩選，容易造成過度依賴某個頻點(diǎn)的原始譜，也可能使一些質(zhì)量較好的觀測數(shù)據(jù)不能納入到運(yùn)算中，使觀測資料浪費(fèi)，導(dǎo)致重復(fù)觀測目標(biāo)落空。

最小二乘算法估算大地電磁阻抗是一種快速估算方法，其實(shí)質(zhì)是通過電磁場的互功率譜估算出阻抗參數(shù)。但是，即使互功率譜估算結(jié)果可靠，最小二乘算法仍可能給出較大偏差，這是由該算法的固有不足決定的［1］。

解決這些要依靠近些年發(fā)展起來的穩(wěn)?。≧obust）阻抗估算算法，克服上面所列舉的不穩(wěn)定問題與放大某次觀測在計算所占權(quán)重的問題。

［1］ Gary D Egbert， John R Booker.Robust estimation of geomagnetic transfer functions［J］.Geophys.J.R.satr.Soc， 1986， 87:173-194.

Analysis on the deficiencies of impedance estimation process in EH4 instrument’s IMAGEM

YAO Shan-cong
（CNNC Key Laboratory of Uranium Resources Exploration and Evaluation Technology，Beijing Research Institute of Uranium Geology， Beijing 100029， China）

Based on the field time-serial data acquired by the EH4 instrument，the thesis analyzed the deficiencies of the impedance estimation process by IMAGEM software.One occurs in the process to calculate the cross-power under the control of scalar coherence from raw cross-power stacking without sifting，by enlarging the weight of certain single raw cross-power’s frequency data in the whole crosspower data and resulted in the getting rid of other reliable raw cross-power’s frequency data.The other one is instability of the impedance estimated by the LS method.

EH4； cross-power spectra； stack； impedance estimation

P631

A

1672-0636（2012）01-0031-04

10.3969/j.issn.1672-0636.2012.01.005

2011-11-08；

2011-12-12

腰善叢（1973—），男，河南南陽人，高級工程師，碩士，主要從事地球物理勘探工作。E-mail:shancongyao@bbn.cn