EH4仪器阻抗估算剖析.pdf

第 2 8 卷 201 2 年 第 1期 1 月 铀 矿 Ur a n ium 地 质 Ge o lo g y Vo 1 2 8 No 1 J a n 2 0 1 2 E H 4仪器 阻抗估算剖析 腰善丛 ( 核工业北京地质研究院，中核集团铀资源勘查与评价技术重点实验室，北京1 0 0 0 2 9 ) 摘要详细讨论了S T R AT AGE M ( E H4 )音频大地电磁测量系统资料处理过程中所隐含的重 要步骤及其实现过程，特别是由时间序列资料经 F F T变换后所产生的原始谱叠加后的频点与其相应 的X文件 ( 互功率谱文件)中的频点对应、归属与筛选问题，由X文件形成Z ( 阻抗)文件时 X文 件中频点与Z文件中频点的对应、归属与筛选问题。上述问题的解决，为相关研究人员利用该设备所 采集资料而开发其他阻抗估算技术提供了基础。 关键词E H4 ；时序资料；互功率谱；叠加 文章编号1 0 0 0 0 6 5 8 ( 2 0 1 2 ) 0 1 0 0 4 2 0 5 中图分类号P 6 3 1 文献标志码A 音频大地电磁 ( AMT)技术在 2 0世纪后 期逐渐发展成一种重要 的地球物理勘探手段。 我国 自 “ 九五”开始从北美地区引进了数量较 多的该类型测量设备。不仅如此，国内也在进 行此类设备的研制、开发 ，部分型号 的 AMT 仪器已进入了商用阶段 。 E le ct r o ma g n e t ic I n s t r u me n t s ( E MI ) 生 产 的 S T RA C M 音频大地 电磁 ( A MT)测量 仪 ( 简称 E H4 )在国内用户众多，该设备在今 后相当长时间内仍将发挥重要作用。在 国内， 关于 S 、 R G I 1 M 系统介绍、应用与相应技 术二次开发的 内容公 开发表文章有 1 0 0余篇 ， 显示了广大用户对该系统的应用具有很大兴趣。 昌彦君等_ 1 针对该系统实测的卡尼亚视电 阻率在非远区场时的校正问题，建立了该系统 的全频域视电阻率算法。莫撼_ 2 以天然场的低 频段资料为基础 ，提出了一种线性校正近场源 资料 的方法 ；陈庆凯等E 3 - 论述了该系统的数据 采集和数据处理 中的一些特点 ；张莹等I 4 以多 种编程语言为手段 ，集成 了一 、二维资料处理 功能，扩充了系统资料解释功能；化希瑞等 主要讨论 了该 系统的 I MAGE M 软件 ( I MA G E M、S T RAT AGE M 系统所 配 置 的采集 与 时序处理软件 ，S T RAT AGE M 系统数据的管 理等)的特点及其数据处理过程 ，通过对原始 时序资料进行时域滤波手段增强信噪 比。 但是 ，对该套仪器所采用的阻抗估算过程 鲜有关注。而了解其具体实现过程及所采用技 术对认识资料的可靠性及改进资料处理方法具 有重要意义。本文根据多年应用实践 ，就该设 备配套的时序资料处理过程的关键细节问题展 开讨论 ，并列 出了不同阶段频点对应关系表。 1 S T R AT A G E M 系统数据组织 1 1 系统数据组织 S TRA TAG E M 测量仪采用一种简洁方式 收稿 日期2 0 1 0 0 4 2 8 改回日期2 0 1 1 0 8 2 3 作者简介腰善丛 ( 1 9 7 3 一) ，男，高级工程师，2 0 0 9年硕士研究生毕业于核工业北京地质研究院，从事 地球物理勘探研究工作。E - ma i l：s h a n co n g y a o b b n C I 1 第 1期 腰善丛：E H4仪器阻抗估算剖析 4 3 进行 数 据 管理 。一 个 完整 的 S TR ATAG E M 数据 由 5部分组成 ：增益与标定文件 、测点信 息 ( )文件、时间序列 ( y)文件 、功率谱 ( X)文件及 阻抗 ( Z)文件 ，这些文件 由系统 的 I MAGE M 软件进行管理 。其作用如下 ： 增益与标 定文件记 录每 台设备 的频 响特 性 ；文件记录每个测点 的位置 、极距与增益 信息 ；Y文件记 录每个测 量 点的时 间序列资 料；X文件记录每个测点的互功率谱信息；Z 文件记录每个测点的阻抗信息 。 X、y、Z文件 的相互联 系是 由文件 的扩 展名决定 的。文件的扩展名对应测量点号 ，以 3位数字表示 。为了增强系统的可靠性 ，每个 测点的重要信息增益、极距、高低频等也 被记录在 y文件中段 ( s e g me n t )的前面。 1 2 Y文件结构 y文件 是记录 时间序列 资料 的二进制 文 件 。时间序列资料以段 ( s e g me n t )为数据单 元写在 存储介质上 。每个段( s e g me n t ) 由 3 个连续采集的数据单元组成，每个数据单元含 有以某一采样率连续采集 的 4 0 9 6个样 ，每段 数据含有 3 4 0 9 6个 样 的数据( Ge o me t r ie s I NC ，2 0 0 7 ) 。 为提高 AMT观测可靠性 ，在采集过程进 行多次重复观测。每一个 AMT测点的时间序 列由若干段 ( s e g me n t )组成 。 1 3 数据文件相互关系 文件 、X文件、y文件及 Z文件的管理 通过 E M 软件完成。由文件可以管理 测量工程 ( 或剖面)的测点数及每个测点的文 件名称；由测点文件名再加上字符 X、y、Z形 成 X文件名 、y文件名及 Z文件名 ，使每一测 点的 3 个重要数据文件便于管理。这种数据文 件的设计格式简单、条理清晰，利于查找野外施 工中可能存在的存储错误，也便于修改 。I MA- G E M 软件与这 4 个文件的关系如图 1 所示。 图 1 E H4 仪器数据文件关系示意图 Fig 1 Re la t io n o f t h e EH4 s d a t a f ile s 2 I MAG E M 处理阻抗估算方法 2 1 I MAG E M 计算阻抗处理流程 I MAG E M 软件完成 S TR ATAGE M 系统 的采集与处理功能。处理时间序列资料，生成 阻抗数据是 其核心功能之 一 ，其 流程 图见 图 2 ，步骤如下 ( Ge o me t r ie s I NC ，2 0 0 7 ) ： ( 1 )打开一个要处理的时间序列文件 ，设 置互功率栈为 0 。互功率栈是一个数组 ，其大 小 ( 维数)必须足够能存储 1 6 倍 的 F F T变换 所产生的频点数。 ( 2 )从文件 中读取一个时间序列段 ，并对 4个道进行 F F T变换 ； ( 3 )把 F F T结果转换为原始谱 ； ( 4 )对每个频点电道原始谱进行归一化 ， 通过 计 算 S S 内积 得 到 互(自)功 率 谱 ( S 、S ， 表 示 电、磁 道时序 数据 F F T变换 后 的数值 ，S 表示 S 的共轭复数) ； ( 5 )对每个频点 ，把互功率谱加入到互功 率谱栈 中； ( 6 )如果没到文件尾 ，返 回到第 2步重复 执行 ； ( 7 )在标定频点的上 、下半步长的频段 内 对各频点互功率谱求和 ( 在 I MA G E M 软件 中，仅对那些有最大常相干度谱求和) ； ( 8 )对增益寄存器进行解码 ( 存于段的头 信息 中) ； ( 9 )把相应 的标定文件应 用于互 功率谱 铀 矿 地 质 第 2 8 卷 N 打开时间序列文件 ( y 文件 )，创建存储空间 读一个S e g me n t ，做 F F r ，形成原始谱文件 对电道归一化 ； 计算互功率谱数据 对每一个频点计算互 功率谱值 ，并相加 是否到 文件尾? 按频点质量等级在标定 频点范围内对功率谱求 和 对各频点进行格值 校准得到破 件 阻抗计算得到z 文件 图 2 I MAG E M 阻抗估算流程 Fig 2 Flo w ch a r t of i mp e d a n ce e s t ima t i on b y I M AGEM s o f t wa r e 栈 ，得到互功率谱值 ； ( 1 0 )计算阻抗值 。 2 2 I MA GE M 阻抗估算的关键处理步骤 2 2 1 I MAGE M 阻抗估算方法 I MA GE M 采用最iB-乘法估算大地电磁 阻抗 。阻抗的最小二乘估算结果可用矩阵表示 为如下形式 ： Z一( H H) E ( 1 ) 式中：z 一阻抗张量 ( 2 X2矩阵) ；H 。_一频 率域磁场；E 频率域电场；( HT H) HT H 的逆矩 阵；HT 赫密 特 ( He r mi t ia n ) 转置矩阵。 Z_盯 阻抗 Z的Z 、Z 分量表达式如下 ： 一 垦旦 旦 旦 二 堕 旦 旦 H Hy H； 一 H ny n； ( 2 ) 一 垦垡 堡旦 二 堡丝 = 垡 风 H Hy H2 一 H H H ( 3) 式 中：E 、E 、H 、H 分 别表 示 E、H 的 z、 分量 ； 1 t ；、 分别表示 H 、 的共 轭复数；i 表示第 i 次观测 。 1 N H = E n H 妄 ( 4 ) 1 N E H H ( 5 ) 1 N H H 一 H ( 6 ) z 一 1 1 N E U H 一 H H ( 7 ) 1 N n u 一 H H立 ( 8 ) 1 N E U U； 一 H ( 9 ) EH 、 BH 称为电、磁场的互功率 谱； H 、 H 、 皿 、 H 称为 磁场的 自、互功率谱 。 2 2 2 阻抗估算过程 中的频率对应问题 在阻抗估算流程中，首先输入 y文件 ，经 一 系列计算后得到 文件，最后生成 Z文件。 ( 1 )X、Z文件频点分布 X文件 的频 点分布与该套设备 的标定文 件频点分布一致 。其频率 以等差数 列形式分 布，在不同数量 级范围 内步长 以 1 2 5 Hz的 1 O的倍数增长 ，即 lO 1 0 0 Hz 范围内，步长 为 1 2 5 Hz ；1 0 0 1 0 0 0 Hz范围内，步长为 1 2 5 Hz ；目前所提供 的标定文件频点是 2 9 3 个 ，每个数量级 内有 7 0多个频点 ( 常规 配 置) 。 Z文件频点 分布 以对数 等差数列 形式分 布 ，频率的对数递增步长为 0 1 。 目前所提供 Z文件的频点是 4 0个 ，每个数量级内有 1 0个 第 1 期 腰善丛：E H4 仪器阻抗估算剖析 频点 ( 常规配置) 。 ( 2 )Y文件 F F T变换后频点分布 y文件经 F F T变换后 ，其频点 的分 布取 决于 S TR ATAG E M 系统采集率与连续采集片 时间长度。 常规配置的 G D I电磁系统，高频 部分采样 率为 1 9 2 0 0 0 s ，低 频部分采样 率为 1 2 0 0 0 s ，高、低频均连续采 集4 0 9 6 个 样。因 此， y文件的低频部分经 H 变换后，其频点分 布是以2 9 3 Hz 为步长的等差数列分布的，而高 频部分频点分布的步长为 4 6 8 7 Hz 。 ( 3 )不同数据文件频点对应问题 上面讨论 了 X文件 、Z文件及 y文件 经 F F T变换后频点分布情况 ，可 以清楚地显示 ， 不同数据文件频点分布的步长不等 ，也就导致 了不同数据文件所含的频点数 目不同。 笔者在工作过程中，根据图 1中不同文件 的相互关联性 ，查 明了这些文件 中不等数量频 点的对应关 系。限于篇 幅问题 ，在此仅 列 出 1 0 0 Hz以内由 X文件向Z文件转换过程 中频 点对应关系 ，如表 1 所示 。 2 2 3 场分量间的相干度 在 I MAGE M 的处理过程中，互( 自)功 率谱是否参与叠加是以电、磁场的相干度进行 衡量的 ，此处 的相干度是指常相干度 ( s ca la r co h e r e n ce ) 。 常相干度 C( A B)的计算公式如下 ： C (A B ) 一lA B l 2 ( I A I J J9I f ) i =1 z 一 1 i = 1 ( 5 ) 式中：A、B 为 电 ( E)或磁( H)场 ，对 张 量布站而言，其组合为 H 与 _E 或 H 与 E ； l A l 、 l f 表示复数 、 的模 ；B 表 示 B 的共轭复数 ；， z 为观测次数 。 常相干度 C( Al 1 )是一个上 限为 1 、下 限 为零的正数 。在 I MAGE M 中，对常相干度采 用分 级 管理 的方 法，级别 划分 为 4个 范 围 ： 1 0 0 8 、0 8 O 6 、0 6 0 3 、0 3 0 。由 每次观测值计算的常相干度值高于设定值的频 点的互 ( 自)功率谱参与运算 。 表 1 功率谱与阻抗频率对应表 ( 1 O 0 H z ) Ta b le 1 Co r r e s p o n d in g r e la t io ns hip b e t we e n cr o s s p o we r Z文件 X文件 z文件 X文件 ( 阻抗文件) ( 功率谱文件) ( 阻抗文件) ( 功率谱文件) 频点 频点 频点 频点 11 2 5 5 7 5 1 2 6 1 2 5 5 8 7 5 1 3 7 5 6 O 1 3 7 5 6 1 2 5 1 5 6 3 1 6 2 5 1 5 8 1 6 2 5 6 3 7 5 1 8 7 5 6 5 2 0 6 6 2 5 2 0 2 1 2 5 6 7 5 2 3 7 5 7 2 5 2 5 7 3 7 5 2 5 1 2 6 2 5 7 5 2 7 5 7 6 2 5 2 8 7 5 7 7 5 3 0 7 8 7 5 7 9 4 3 1 6 3 1 2 5 8 O 3 2 5 8 1 2 5 3 3 7 5 8 2 5 3 6 2 5 8 3 7 5 3 7 5 8 5 3 8 7 5 8 6 2 5 3 9 8 4 0 4 1 2 5 4 2 5 4 3 7 5 46 2 5 4 7 5 5 0 5 O 1 5 1 _ 2 5 5 2 5 5 3 7 5 5 5 注 ：*是 Z文件相应频点所包含 的X文件中相关频点信息。 2 2 4 I MAGE M 使用常相干度 的方法 I MAGE M 在 计算 互( 自)功 率 谱 过 程 中，采用常相干度 数值衡 量 电、磁场 数据质 量 ，常相干度高于设定值的观测记录归人到互 功率谱运算中，否则予 以舍弃。 由常相干度 的数值衡量观测数据 的质量 ， 只有有效独立观测次数大于 2次的情况才能发 4 6 铀 矿 地 质 第 2 8卷 挥作用；当然 ，对于 A MT观测 ，观测 2 次是 远远不够的。应用 S TR ATAGE M 测量系统时 可 以采用多次叠加 的处理方法提高观测次数 。 但是，I MAGE M 并不是把每次叠加 的观测结 果都纳人阻抗估算中， 筛选的主要依据就是常 相干度参数 。 在实际运算过程中，I MA G E M 对每个原 始谱 计 算 出两 个 常相 干 度 值 C( EH )和 C ( E H ) ，并取二者中的高值作为该频点 ( 原 始谱)的相干度值，记为 C o h 。一般情况下， C o h值是介于 0与 1之 间的数值 ( C( EH ) 表示 E 与H 的常相干度、C ( E， H )表示 E 与 的相干度) 。 假设互功率谱文件 ( X 文件 )某 一频点 含有 5 个原始谱频点信息 ，则每次叠加过程 ， 对该 5 个原始谱的 5 个频点分别计算常相干度 值 ，其结 果 产 生 5个 C o h值( 记 为 C o h l、 C o h 2 、C o h 3 、C o h 4 、C o h 5 ) 。如果 这 些 C o h 值均不小于设定的相干度值 ，则 5 个频点的原 始谱全部纳入到互功率谱计算中 ；如果只有 1 个 C o h值不小于设定相干度 ，则互功率谱仅 含该原 始谱 频 点 的数据( 叠 加) ；如 果这 些 C o h值均小于设定的相干度值 ，则此次观测 的 数据均不纳入计算 。 3 结论 本文详细讨论 了 S TR ATAG E M 系统的核 心处理软件 I MAGE M 处理时序资料估算阻抗 的运算过程 ，对隐含其中的关键步骤进行了剖 析 。研究 了时序资料 经 F F T变换后形成原始 谱 、进而生成功率谱 文件过程中频点 的对应、 归属问题 ，在此基础上研究 了该软件应用常相 干度进行质量控制 ( 重复观测叠加质量控制 ) 的具体过程 ，并列 出了部分频段内原始频率与 标定频点对应、谱文件频点与阻抗文件频点的 对应关系。上述问题的研究 ，为相关研究人员 应用其他阻抗估算技术开发 S T RAT AGE M 系 统资料奠定 了基础。 参考文献 1 昌彦君 ，王华军，罗延钟 E H一 4系统观测资料 的非远区场校正研究 E J 吉林大学学报， 2 0 0 2 ， 3 2 ( 2 ) ：1 7 7 1 8 0 2 莫撼 E H4电磁系统 的近源效应及其校正方法 口 物探与化探，2 0 0 4 ，2 8( 4 ) ：3 1 4 3 1 6 3 陈庆凯 ，席振铢 E H4电磁成像系统的数据处理 过程研究 口 有色矿冶，2 0 0 5 ， 2 1( 5 ) ：7 - 9 4 张莹，张胜业 E H4资料处理解释系统的研究 J 工程地球物理学报 ， 2 0 0 5 ，2( 4 ) ： 3 1 1 3 1 5 5 化希瑞，汤井田，朱正国，等 E H 一 4系统的数 据二次处理技术及应 用 J 地球物理 进展， 2 0 0 8，2 3 ( 3 ) ： 1 2 6 1 1 2 6 8 6 3 T D Ga mb le ，W M G o u b a u ，J C l a r k E r r o r a n a ly s i s f o r r e mo t e r e f e r e n ce ma g n e t o t e ll u r i cs J Ge o p h y s i cs ，1 9 7 9，4 4 ( 5 ) ：9 5 9 9 6 8 An a ly s is o f t h e I mp e d a n ce Es t ima t io n Pr o ce s s o f EH4 YAO S ha n - co n g ( B e i j i n g Re s e a r ch I n s t it u t e o f U r a n iu m Ge o l o g y， CNNC Ke y L a b o r a t o r y o f U r a n iu m Re s o u r ce s E x p l o r a t i o n a n d Ev a l u a t io n Te ch n o l o g y， B e i j i n g 1 0 0 0 2 9 ，C h in a ) A b s t r a ct ：Th e k e y