大地电磁学-chp5野外工作方法及资料处理

大地电磁学Geo-electromagnetismMagnetotellurics（MT）地球物理专业用成都理工大学MaoLifeng2011年3月20日第五章野外工作方法与资料处理解释•5.1野外工作方法–5.1.1施工设计–5.1.2野外资料采集–5.1.3常见的干扰信号–5.1.4提高资料观测质量的措施•5.2资料处理解释–5.2.1张量阻抗元素的求取方法–5.2.2静态位移影响及校正5.1野外工作方法•首先要就研究的地质、地球物理问题和任务进行施工设计，再根据设计要求正确地进行观测布极，在各测点上观测有足够频率成分的数据。时间域电磁场数据要保证记录长度，并保证一定的质量指标，相应地采取一系列的保证数据质量的措施。最后对观测资料进行自评，处理和解释、提交物探报告。5.1野外工作方法5.1.1施工设计进行MT野外施工之前，应根据地质任务要求进行施工设计，含如下内容：①收集工区及邻近区已有的地质和地球物理资料，初步建立起工区的地层－电性关系模式。根据地质任务的要求，结合已知的构造走向和地质露头情况，确定测线间距、测点间距、测线方位，并根据勘探目标的深度和地层电性特征，提出对观测数据最低频率的要求。②对工区进行现场实地踏勘，了解工区的地形、交通、地质露头情况及各种电干扰源（人类生活区、铁路、输电线、水电站和煤矿等）的分布情况。提出避开电干扰、确保野外观测质量的措施。③根据有关规范要求和实际情况，提出仪器一致性点和质量检查点的要求，提出对电极距的基本要求等。5.1.2野外资料采集一．测点的选择一般原则：单点大地电磁测深观测资料，可构制该点地下电性分层柱状图。但是，为了研究测区地质构造形态，单点资料是不够的，必须在垂直构造走向的方向上布置测线，测线上测点间的距离根据探测对象的不同而异，研究深部构造的点距一般为10～50公里；研究区域地质构造的点距为5～20公里；研究浅部构造的点距为1～5公里。一个测区可布置若干测线，测线之间彼此平行，如果地质构造沿走向延伸很长，测线间距通常为点距的2倍以上，对于等轴状地质构造，可取线距等于点距的测网。5.1.2野外资料采集测点的选择地方的环境对观测质量的关系很大，为了获得高质量的野外观测资料，测点选择的原则是：1.根据地质任务及施工设计书，布置测线、测点，在施工中允许根据实际情况在一定范围内调整，但必须满足规范要求。若测区内有有利异常，应及时申请加密测线测点，以保证至少应有三个测点位于异常部位。2.测点附近地形应当平坦，尽量不要选在狭窄的山顶或深沟底部，应选在开阔的平地布极，至少两对电极的范围内地面相对高差与电极之比小于10％，以避免地形的起伏影响大地电流场的分布。5.1.2野外资料采集3.测点应避开河流、湖泊、沼泽、地表局部电性布均匀体，因为它们导致地表电性严重不均匀，从而影响了电流场正常分布。4.测点应远离电磁干扰源，如发电厂、电台和大型用电设施，因为它们周围空间存在强大干扰电磁波，并在地下形成很强的游散电流，严重影响了大地电磁场的观测结果。在不能调整情况下，应采取其它措施减少电磁干扰。5.测点应选在僻静之处，避开公路、铁路、住宅和其它人们经常活动的地区。5.1.2野外资料采集二．观测装置的布设使用地面正交测量轴观测系统，在每一测点上，必须测量彼此正交的电磁场水平分量，使用GPS定位：有两个GPS，仪器本身自带和采集人员使用的：前者是为卫星同步之用，仪器采集记录时间和格林威治时间是一致的，后者是为定点之用，测定测点坐标。也可测量垂直磁场分量，以研究水平不均匀构造情况、研究地下介质走向情况及增加解释的信息量等作用。5.1.2野外资料采集•布极如果已知测区的地质构造走向，最好取x，y分别与构造的走向和倾向平行，即为主轴方向，这样可直接测量入射场的TE波和TM波，若地质构造走向未知，通常取正北为x轴，正东为y轴，全区的各测点x和y取向尽量保持一致，以便在确定测区介质电性主轴方位角时，能有统一的标准。野外电极布置一般采用“十”字型布极方式，这种方式能较好地克服表层电流场不均匀的影响，若仪器安置在“十”字交汇点附近，还有助于消除共模干扰。特殊情况下，如地形等原因，也可采用T形或L形布极方式。5.1.2野外资料采集•电极距电极距的长度一般为50～300m之间。若地形条件允许，两端电极应尽量水平，如测点周围地表起伏不平，电极两端不在同一水平面上，则应按实测水平距计算电极距。•磁棒水平磁棒与垂直磁棒埋入土中应保持水平和垂直，水平磁棒入土深度不小于30cm，垂直磁棒入土深度应为磁棒长度的2/3以上，露出地面部分，应用土埋实。•电缆连接电极、磁棒与主机的信号电缆，由于大地电磁信号微弱，要求信号传输过程的干扰少。铺设电缆时，切忌悬空，因为悬空的电缆易在地磁场中摆动，其感应电流严重地影响观测结果。最好将电缆淹埋，这样即可以防风，又可减小温度变化的影响。5.1.2野外资料采集5.1.2野外资料采集5.1.2野外资料采集5.1.2野外资料采集5.1.3常见的干扰信号1.电网干扰，电磁道均有反映2.电台、广播、雷达、手机等载波电话基站信号干扰3.共模干扰4.风的干扰5.工业游散电流的干扰5.1.4提高资料观测质量的措施•影响资料质量的因素有许多，既有主观因素又有客观因素。正确认识这些干扰因素，采取正确的对策，有助于提高观测资料的质量。以下是几种策略：1.掌握天然场源信号的规律性，尽可能在天然场信号强的时段组织野外采集工作。2.在人文干扰较严重的地区，充分利用干扰相对平静的夜间进行观测。3.延长观测时间，增强功率谱的迭加次数，提高信噪比。4.对电网干扰，可与在地方政府协商，采取临时关停电的措施。5.对铁路、城镇和矿区造成的干扰，可采用远参考道的方法减少干扰的影响，参考站要远离干扰源。6.定期对极罐进行检查清洗，用极差较小的电极配套成为测量电极对。7.接地电阻较高时，采取电极四周垫土，周围浇盐水或采取多电极并联，降低接地电阻。5.2资料处理•大地电磁资料处理包含①对时间域电场和磁场记录信号进行频谱分析，求出相应频谱信息。②计算测量方位所对应的阻抗张量分量③判定地下介质的电性主轴，并计算主轴方向的阻抗张量元素和视电阻率、相位等④资料的去噪、平滑处理⑤可能进行的静态位移校正⑥可能进行的地形校正5.2.1张量阻抗元素的求取方法•大地电磁测深法研究的是波阻抗的频率响应，而电磁场是将观测的时间域记录进行频率信息提取，根据谱分析结果求取张量阻抗元素。常用的张量阻抗元素的求取方法有：1.最小二乘法2.Robust方法3.远参考道方法•最小二乘法是最简单、常用的方法之一，它在处理受高斯噪声干扰的MT资料时效果较好，但对非高斯噪声干扰的MT资料无能为力；Robust方法对部分受非高斯干扰的MT资料处理比较有效；远参考道方法是一种克服相关噪声影响的处理方法。5.2.1张量阻抗元素的求取方法•张量阻抗的最小二乘求取方法对任一频率下MT电磁场水平分量的振幅谱满足如下的阻抗关系：理论上，只要有2组非线性相关数据，即可的张量阻抗元素，但实际上观测值含有误差，是真实值与噪声之和：yyyxyxyyxyxxxxHZHZEHZHZE声的干扰。其近似解，尽量压制噪算能利用多组观测资料计求得阻抗张量元素，只故实际工作不能精确地阻抗张量关系：而场的观测值并不满足张量阻抗关系：有真实信号才能满足磁场也有类似结果。只表示信号真值和噪声，，yyyxyxyyxyxysyyxsyxysysxyxsxxsynysyxnxsxHZHZEHZHHZHZEHZHZnsEEEEEE,ZE,E,xxxx5.2.1张量阻抗元素的求取方法由最小二乘原理，当有n组观测数据时，上述不等式右边为左边值的估计，如（1）阻抗元素最小二乘解要求实测值和预测值之间的方差为最小，即（2）将（1）代入（2），有*表示共轭。方差函数取极小值的必要条件为：),,2,1(,niHZHZEyixyxixxexi最小niexiEExi12))((*****1yixyxixxxiyixyxixxnixiHZHZEHZHZE****************yyyxxyxx,,,,,,,,,,,,,,,,ZZZZ0,0,0xyyxyyxxyxxxxxxxxyxyyxyyxxxyyxyyxxxxxyxxHHHHHHHHHHHEHHHEZHHHHHHHHHHHEHHHEZZZ的解。、，类似地可得和联立解方程组，解出，得到两个方程组，和虚部求导，令其为分别对阻抗元素的实部5.2.1张量阻抗元素的求取方法阻抗张量元素的最小二乘解是非单一解的，因为电磁场Ex、Ey、Hx、Hy中任意两个分量的观测值，都可以构成对第三个场值的预测关系。为求Zxx、Zxy的最小二乘解，还可选用如右场值的预测关系：)()()(exiyxyiyyxxxyxxxiexiyixyyiyyyiyxxxexixiyxyiyyxyxxxexixixyxxxyxieyiyixxxyxxxiexiHZEZZZZEHHZHZEZZEHZEZZHZEHZZZEHHZZZEH5.2.1张量阻抗元素的求取方法•由此可建立相应的方差函数，并求出相应的最小二乘的法方程组（略去其中相同的可得四个线性方程组）：类似地可导出阻抗张量元素Zyx、Zyy最小二乘解的法方程组：由以上两个系列线性方程组组合中任意两个线性方程组的组合，都可求得阻抗张量元素Zxx、Zxy或Zyx、Zyy的一组解，共六种组合和相应的六组最小二乘解。xyyyxxyxyxxyxyxxxxxxxyyyxxyxyxxyxyxxxxxxZHHZHHHEZHHZHHHEZEHZEHEEZEHZEHEE************,,,,,,,,,,,,yyyyyxyxyyyyxyyxxxxyyyyyyxyxyyyyxyyxxxxyZHHZHHHEZHHZHHHEZEHZEHEEZEHZEHEE************,,,,,,,,,,,,5.2.1张量阻抗元素的求取方法•最终得到的阻抗张量元素的解为****************************************************BA,,,BA,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,yixixiyixiyiyixiyixiyixiyxyxyxyxxyxyyyyxyxyyyyyxyxyxxxxxxyyxyxyxyxxxHHEHHEEEHHEEHHEEAHBHBHAHBHAEAHBEZAHBHBHAHAHBEBHAEZAHBHBHAHBHAEAHBEZAHBHBHAHAHBEBHAEZ六中组合方式：中任意两个的组合，即为，其中，5.2.1张量阻抗元素的求取方法为保证阻抗张量元素的稳定性，要求场源信号必须具有稳定线性极化特征。因为当场源信号线性极化时，Hxi/Hyi=常数，导致上述阻抗张量的最小二乘解公式中分母为0。********************************xy****************yyxx,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,Z),(),(),(),(),(),(),(),(0,0ZZyyyxyyyxyxyxyxyxxyxyxxxxxxxxxxxxxxxyxyyxyyxxyxxxxxyxxyxyyxyyxxyxxyxxyxxyyx