EH4仪器阻抗估算技术缺陷分析

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 100029）

EH4仪器阻抗估算技术缺陷分析

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 100029）

基于StrataGem（EH4）大地电磁测量仪的实测数据，剖析了该系统计算阻抗过程（IMAGEM软件完成）中两个重要不足。一个是以常相干度为工具控制由机械叠加形成的原始谱而计算互功率谱过程，容易造成放大单个原始谱点在互功率谱计算中的作用，也可能舍弃了许多有用信息；另一个是以最小二乘算法估算阻抗容易造成所估算的阻抗不稳定。

EH4；互功率谱；叠加；阻抗估算

StrataGem系统（EH4）是目前国内AMT测量的重要设备之一。该设备在时序资料采集与处理过程中，采用多次观测、叠加方法提高信噪比，提高阻抗估算可靠程度，这些功能依靠所配置的IMAGEM软件完成。该软件在多次叠加基础上，以常相干度为工具筛选原始谱，形成互功率谱文件，最终以经典最小二乘算法估算阻抗。但在上述处理过程中，无论是原始谱筛选步骤，还是阻抗估算算法，都存在很大弊端。以常相干度为工具筛选原始谱进行功率谱计算会导致许多观测数据不能发挥作用；最小二乘算法会使阻抗估算不稳定。本文以实例讨论IMAGEM软件在处理阻抗估算中的不足，旨在便于实际应用中对相关问题能引起高度重视。

1 谱叠加过程中的不足

StrataGem系统时序数据由段组成，每个段由3个数据块（单元）构成，每个数据块存储以一定采样率连续采集4 096个数据。为提高观测质量，每个AMT测点进行多次重复观测。

阻抗估算过程自时序数据变换到频域开始，形成功率谱资料，而后进行阻抗估算。IMAGEM对多次观测的原始谱进行机械相加，在此基础上以常相干度为工具控制原始谱是否纳入到与该原始谱频率相关频点的功率谱计算中。但是，这种筛选原始谱的计算方法有许多不足，存在着放大质量不佳数据段的隐患。下面以2005年所采集的松辽盆地M4号测量剖面的第1号测点实测数据为例进行具体讨论，时序文件名为ym4.001。为方便讨论，以表格形式说明观测数据叠加过程。

在表格中，频率列表示功率谱的频率；每段的一个数据单元相当于一次独立观测；参与运算频点个数是某一频点的功率谱所包含的原始谱频点数目；互谱文件（功率谱）中叠加次数表示计算某一频点的功率谱时参与运算的独立观测次数；数据块号表示时序文件中的不同段及其中的数据单元。

表1所展示的结果是毫无疑问的，因为2个复数按常相干度公式运算的相干度为1。这就遇到一个挥之不去的问题：第1、第2次独立观测在一般情况下都要参与到互谱运算中去，即使第1、第2次独立观测的数据质量很差（本例中使用手动选频编辑方法，使第1段第1块数据不参与运算），这是该软件处理资料的硬伤之一。

对比表2和 表3，725 Hz频点的参与运算叠加次数由3次突增至12次、参与互谱运算的原始谱频点由1个突增至3个，原因仅仅为一次独立观测把原始谱相邻频点的常相干度数值提升了。这意味着放大了一次独立观测的作用。

对比表3和4，其结果类似于表2和 3对比情况。587.5 Hz频点因增加一次叠加，使参与运算的独立观测次数由4次增加到10次；而412.5 Hz频点因增加一次叠加，使参与运算的原始频点由2个缩减为1个，这就造成了观测次数增加反而使参与运算的频点减少，这是不正常的。表5的结果则延续了表4的结果。

表1 2次独立观测叠加Table 1 Stack of two-time independent observation

表2 3次独立观测叠加Table 2 Stack of three-time independent observation

表3 4次独立观测叠加Table 3 Stack of four-time independent observation

表4 5次独立观测叠加Table 4 Stack of five-time independent observation

表5 6次独立观测叠加Table 5 Stack of six-time independent observation

根据EH4阻抗估算过程中功率谱文件结构，当标定频率介于100～1 000 Hz时，功率谱频点递增步长为12.5 Hz；当采样率为12 kHz时，功率谱单个频点则至少含有3个频点的原始谱互谱信息。而上面所列出的几张表中，IMAGEM所处理的结果使大部分的互谱频点仅含有很少的原始谱频点数，放弃了已经采集到的可用信息。

上述实例说明IMAGEM软件在处理谱叠加过程中存在两个极端现象：IMAGEM处理方案可能放大单个原始谱点的作用，也可能舍弃了许多有用信息。

2 IMAGEM阻抗估算结果的不稳定性

在阻抗最小二乘估算过程中，阻抗值由电、磁场的自、互功率谱计算而得。在前面的讨论中了解到IMAGEM在运算过程中所采用的策略可能使单次观测放大或缩小谱叠加数量。这仅仅是该处理过程中不足的一个方面；这种处理过程可能会导致后续处理过程采用的最小二乘算法计算阻抗引起的更大偏差与不稳定。最小二乘算法估算阻抗本身具有无法避免的缺陷，而该算法所直接导入的参数是电、磁场的互功率谱值。这样则会使利用互功率谱值所估算出的阻抗更不稳定，下面给出一个实例。

图1 M4线170号测量点视电阻率及相位度图Fig.1 Apparent resistivity and phase curves of site No.170 of the profile M4

图1是M4号剖面的170号测量点经过手工挑选时间序列处理后的视电阻率与相位图。如果在挑选时间序列的过程中选入一屏（一个数据单元）带干扰信息（图2），则结果会出现很大变化。图3就是M4的170号测量点选进了图2的时间序列信息参与运算，造成该点阻抗曲线中、低频段抖动。

图2 一个数据单元的时序图（170号测点）Fig.2 Time-serialplotofonedatablockofsite No.170

图3 M4线170号测量点选入图2时序的视电阻率及相位图Fig.3 Apparent resistivity and phase curves of site No.170 of the profile M4（Adding Fig.2’s time-serial data）

3 结 论

通过实例，反映了IMAGEM估算阻抗过程所采用的方法技术给出的结果是不稳定的。而IMAGEM在处理过程中，在互功率谱计算方面有如下两个方面的不足：（1）由时序资料经FFT变换后，形成原始谱。多次重复观测叠加形成的原始谱是单次原始谱的机械相加过程，没有经过甄别。（2）形成互功率谱时，以常相干度为依据对所属频点的原始谱进行筛选，容易造成过度依赖某个频点的原始谱，也可能使一些质量较好的观测数据不能纳入到运算中，使观测资料浪费，导致重复观测目标落空。

最小二乘算法估算大地电磁阻抗是一种快速估算方法，其实质是通过电磁场的互功率谱估算出阻抗参数。但是，即使互功率谱估算结果可靠，最小二乘算法仍可能给出较大偏差，这是由该算法的固有不足决定的［1］。

解决这些要依靠近些年发展起来的稳健（Robust）阻抗估算算法，克服上面所列举的不稳定问题与放大某次观测在计算所占权重的问题。

［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

腰善丛（1973—），男，河南南阳人，高级工程师，硕士，主要从事地球物理勘探工作。E-mail:shancongyao@bbn.cn