参考道方法在大地电磁测深数据中的应用研究

祝福荣， 邓居智， 陈 辉， 蒋 亮

(东华理工大学放射性地质与勘探技术国防重点学科实验室，江西南昌 330013)

大地电磁测深法(MT)是利用天然场源勘探的一种方法(Wei et al.，2001)，主要以视电阻率曲线和相位曲线的形态特征作为分析大地结构与电性分布的基本依据，因此阻抗的计算、分析、处理是大地电磁法研究中最基本也是最重要的内容之一(严家斌，2003)。

由于大地电磁测深法易受人为因素干扰。电磁信号受干扰的因素主要为尖脉冲式的干扰、高压输电线和广播的干扰、宽频带强能量的干扰、方波或类充放电衰减形成干扰以及低频不规则干扰。这些干扰使MT资料表现为频点数据离差大、跳点不连续、曲线形态突变(张全胜等，2002)等。特别是中、低频段噪声较大，可信度差，给资料处理解释带来了一定的困难。而本次MT测量所在区域为山区且附近有矿山、高压线、发射塔、公路等干扰，因此，选取正确的参考系，能很好地改善数据的质量，提高了资料解释的正确性、精确性和可靠性(张全胜等，2004)。

1 参考道法基本原理

在大地电磁测深中如果不存在噪声，任一频率大地电磁场水平分量满足如下关系(邵飞等，2008):

式中Ex，Ey是水平电场的x和y的分量，Hx，Hy是水平磁场的x和y分量，Zxx，Zxy等是阻抗张量元素。根据(1)式，只要有两组非线性相关的观测值，通过方程可求得张量阻抗值。但是，在实际测量中，电场E与磁场H都容易受到噪声污染(金德均等，2009)，野外大地电磁资料实际观测值是真实信号和噪声干扰之和:

式中s和n分别表示真实信号和干扰噪声。这种情况下，只有真实信号满足阻抗张量关系，而含噪声的观测值并不满足阻抗张量关系(邓前辉，1982)。因此，利用实测资料将不能精确地求得阻抗张量值，只能利用多组数据计算其平均近似解。

在实际观测中用功率谱求解张量阻抗为:

由于噪声分为相关噪声和不相关噪声。在计算张量阻抗时，利用多组数据的谱平均值可对不相关噪声有一定抑制作用，但对相关噪声却无能为力。而相关噪声主要存在于自功率谱中。因此，要减小相关噪声的影响，在式(3)的计算中就要尽量避免自功率谱的参与。为此，本文选用了互参考方法来处理数据，并验证了这种方法是可行的，经济的。

当两观测点相距较远时，则两观测点间电磁分量中的噪声一般满足相互独立这个条件。根据大地电磁测深中磁信号在相当一段距离范围内变化缓慢，主要反映地电构造的是电场信号这一特点(晋光文等，1982)，因此人们选用互参考点处的磁场信号作为该测点处的磁分量来估算张量阻抗值，此时一般有:

其中*表示复共轭;＜＞表示多组数据的平均;r表示参考点;s和n表示信号和噪声;rs和rn分别表示参考点和噪声(陈高，2001)。

通常，对于二维介质可以写出以磁道为参考的张量阻抗的表达式:

从式(5)中可以得到，每一对互功率谱的表达式中均含有互参考道的磁分量，只要在互参考点和测量点上噪声的特性满足是非相关的，即实际工作中两点间的距离足够大，互参考处理便能有效地抑制电噪音和磁噪音的影响(肖晓等，2011)，得以提高张量阻抗的计算精度。

2 参考道选择处理效果应用研究

为了研究参考道选择处理效果，本文采用了不同参考距离下的本地电参考，本地磁参考，互参考磁道及互参考电道作为参考信号处理数据的视电阻率曲线及相位曲线来综合评价不同参考道处理效果。

首先根据《中华人民共和国地质矿产行业标准——大地电磁测深法技术规程》中关于大地电磁测深法的观测数据质量评价标准的规定，对工区中的实测MT数据进行了质量评价。得出了数据一级、二级、三级等分类数据。

本次测区共布设十四条测线，均为东南方向，并且本测区同时用2台V8工作站及3台V5对各测线进行测量工作，满足不同参考道在不同距离情况下选择要求。下文中的A—M分别代表测区的第1至第14条测线。

2.1 A002点(一级)以A006(一级)点为互参考点

两点相距1 km，分别做本地电参考，磁参考及互参考电道及互参考磁道处理，对比处理后的视电阻率及相位曲线。如图1所示，为A002点做本地电参考，磁参考及互参考电道及互参考磁道处理后TE，TM模式下视电阻率及相位曲线图。

(1)本地参考处理与互参考处理对比，视电阻率及相位曲线大致相同，但互参考处理后，视电阻率及相位曲线高频数据有所改善，中频曲线基本相同。分析原因，在这段频段范围内，大地电磁信号微弱，互参考点与处理点间距离太近，信号不满足不相关条件，因而对数据结果影响不大。

(2)采用磁场作为参考信号与采用电场作为参考信号的处理结果比较，两者均是数据得到了改善，所得曲线形态大致一致，但电场参考的中低左右，数据离差较大，曲线形态不如磁参考结果清晰。

图1 A002点采用A006做互参考与采用本地参考下的TE及TM模式的视电阻率及相位曲线图对比图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(一级)以F039(一级)点为互参考点

两点相距10 km。分别做本地电参考，磁参考及互参考电道及互参考磁道处理，对比处理后的视电阻率及相位曲线。如图2所示，为A002点做本地电参考，磁参考及互参考电道及互参考磁道处理后TE，TM模式下视电阻率及相位曲线图。

(1)经互参考处理比经本地参考处理后的视电阻率及相位曲线整体圆滑很多，数据蹦跳点基本消除，数据平滑度很高，数据得到明显改善，说明互参考压制了局部电磁干扰，且经分析有两点相距10 km，满足信号相关性，说明了互参考的正确性。故在满足信号相关性情况下，互参考效果比本地参考处理效果好很多，应选用互参考处理数据。

(2)采用磁场作为参考信号与采用电场作为参考信号的处理结果比较，磁道作为参考信号使数据曲线改善更大，曲线形态比电参考结果清晰，特别是在中低频情况下，电场参考的数据离差较大，分析有磁参考数据的信噪比电参考的信噪比大，且磁场更稳定，故一般选用磁场作为参考系。

2.3 A002(一级)以M048(二级)为互参考点，两点相距20 km

分别做本地电参考，磁参考及互参考电道及互参考磁道处理，对比处理后的视电阻率及相位曲线。如图3所示，为A002点做本地电参考，磁参考及互参考电道及互参考磁道处理后TE，TM模式下视电阻率及相位曲线图。

(1)A002为一级点经过以M048二级点互参考处理后，曲线的整体形态均有不同程度下降，视电阻率及相位曲线圆滑程度变差，只有在高频时有所改善，经分析有:①高频数据采样相对较多，抗干扰能力强，因此高频有所改善，说明互参考压制了局部电磁干扰，并对高次谐波起到了消除压制作用;②在中低频段范围内，大地电磁信号相当微弱，参考点M048数据质量相当较差，受干扰程度相对严重，造成A002点视电阻率及相位曲线圆滑程度下降。

(2)采用互参考与采用本地参考对比发现，本地参考处理效果比比互参考处理效果更好，曲线相对圆滑，且磁参考相对电参考效果更好，故此时应选用本地磁参考作为参考道。

图2 A002点采用F039做互参考与采用本地参考下的TE及TM模式的视电阻率及相位曲线图对比图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

图3 A002点采用M048点做互参考与采用本地参考下的TE及TM模式的视电阻率及相位曲线图对比图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(二级)以N046(一级)点为互参考点，两点相距30 km

分别做本地电参考，磁参考及互参考电道及互参考磁道处理，对比处理后的视电阻率及相位曲线。如图4所示，为G044点做本地电参考，磁参考及互参考电道及互参考磁道处理后TE，TM模式下视电阻率及相位曲线图。

(1)二级点经一级点互参考后比采用本地参考处理结果好，视电阻率及相位曲线变好，整体形态明显改善，尤其在中低频数据质量提高较多，分析原因有，参考点较被参考点数据质量高，在中低频段，压制了噪声，提高了电道信噪比，改善了视电阻率及相位曲线的形态，说明了互参考的正确性。

(2)采用磁场作为参考信号比采用电场作为参考信号的处理结果更好，曲线更为平滑，且用互参考磁道作为参考信号更为好，故此时应用互参考磁场作为参考信号。

图4 G044点采用N046点做互参考与采用本地参考下的TE及TM模式的视电阻率及相位曲线图对比图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

综合以上各图分析可知，采用磁场作为参考信号比采用电场作为参考信号效果更好，曲线更为平滑，若满足互参考条件，互参考磁场效果比采用本地磁参考更好，且互参考点应该选择干扰源的电磁噪声水平相对较低的地方;若用二级点作为互参考点会影响处理效果，故处理前应对工区的MT数据进行质量评价。互参考处理能基本消除由干扰引起的数据蹦跳现象，使曲线的连续性明显优于常规处理后的结果，说明互参考能消除电磁噪声，提高电磁信噪比从而改善数据质量，实践表明互参考的MT观测方法是可行的、经济的数据处理方法。

3 结论

(1)互参考处理是提高强干扰区大地电磁法实测资料质量的一种有效方法，不仅可以消除不相关的电磁噪音，也可以同时消除同源相关电磁噪音，有效抑制来自工业用电的50 Hz干扰。使MT资料的电道信噪比以及视电阻率和相位曲线均有不同程度的改善，使参考处理结果更趋于客观、真实。

(2)通过对比磁参和电参发现在选用磁道作为参考信号时对数据的平滑效果更好。故以后处理的数据都选用磁道作为数据的参考信号。

(3)若满足信号相关性，选用互参考作为参考信号处理数据质量更好，曲线更圆滑。若不满足信号相关性，用本地磁场做参考信号。

(4)互参考道的距离远近，决定了对不同频段的数据的改善程度，根据信号不相关条件与趋肤深度的关系，我们在处理数据的时候应加以区别对待。

(5)在进行了数据质量评价之后，应选择一级点作为参考点，二级点、三级点数据由于受到了严重的干扰，以它们为互参考点处理会降低数据质量，使用一级参考点对二、三级数据进行互参考也能改善数据的质量。

(6)客观地说任何一种去噪方法都不是万能的，实测原始数据的品质好坏仍然是各种去噪处理的基础。采用了新的去噪方法不等于可以忽视野外测点的数据采集质量，只有两者有机地结合起来才能取得更好的结果，为地矿工作者提供更准确的信息。

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