海洋可控源電磁數(shù)據(jù)預(yù)處理方法研究?

李予國，段雙敏

（中國海洋大學(xué)海底科學(xué)與探測技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島266100）

海洋可控源電磁數(shù)據(jù)預(yù)處理方法研究?

李予國，段雙敏

（中國海洋大學(xué)海底科學(xué)與探測技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島266100）

海洋可控源電磁法是探測海底油氣資源和礦產(chǎn)資源的一種新興的海洋地球物理勘探方法。本文提出了一套海洋可控源電磁數(shù)據(jù)預(yù)處理方法，包括時(shí)頻轉(zhuǎn)換和預(yù)白處理、時(shí)鐘漂移補(bǔ)償、隨機(jī)噪音估計(jì)、疊加窗口選擇、方位校正、橢圓極化分析、主軸旋轉(zhuǎn)以及合并航道數(shù)據(jù)等等，并用實(shí)例詳細(xì)說明了各種處理方法及其應(yīng)用效果。

海洋可控源電磁法；數(shù)據(jù)處理；預(yù)白處理；橢圓極化

隨著全球能源需求的不斷增長和陸上、淺海區(qū)油氣資源儲(chǔ)備的日益減少，深海油氣資源成為國際能源爭奪的焦點(diǎn)，海洋油氣勘探也步入高潮，其投資占全球油氣勘探的很大部分，而且還有繼續(xù)增加的趨勢。同時(shí)各國都在極力擴(kuò)張海洋領(lǐng)地，占據(jù)海洋資源開展深?？碧?。我國擁有廣闊的深水海域，蘊(yùn)藏著豐富的油氣資源。但深水油氣勘探投資巨大，較之陸地和淺海區(qū)勘探存在更大的風(fēng)險(xiǎn)，多方法綜合勘探成為深水油氣勘探最明顯的特征和發(fā)展趨勢。地震成像技術(shù)能夠探測到潛在的油氣構(gòu)造圈閉和主要目的層的空間展布，但是要區(qū)分圈閉內(nèi)是含油氣的、還是含水的以及對(duì)位于高阻鹽體或火成巖體下方的目標(biāo)層的追蹤，目前僅靠單一的地震資料還難以進(jìn)行有效地評(píng)價(jià)。

近年來，海洋可控源電磁法（Controlled-Source E-lectroMagnetic method，CSEM）探測海底油氣儲(chǔ)層已經(jīng)取得明顯效果［1］。利用海洋CSEM技術(shù)，可以識(shí)別高阻油氣藏，進(jìn)而提高鉆井成功率［2］。海洋CSEM方法在海底天然氣水合物探測中也得到成功應(yīng)用，通過解釋海洋CSEM資料可以確定天然氣水合物的分布范圍，進(jìn)而可以估計(jì)其飽和度［3-4］。

海洋可控源電磁法是探測海底油氣資源和礦產(chǎn)資源的一種新興的海洋地球物理勘探方法。海洋CSEM方法常常使用一個(gè)移動(dòng)的幾十至幾百米長的電偶極源和多個(gè)海底電磁采集站。在進(jìn)行海洋CSEM勘探時(shí)，先將海底電磁采集站由海面以自由沉放方式投放到海底，然后勘探船緩慢地拖曳著電偶極源在海底電磁采集站排列上方30～100 m處沿測線前行，并發(fā)射低頻（0.1～10 Hz）電磁信號(hào)，位于海底的電磁采集站將連續(xù)地記錄電磁信號(hào)。將記錄到的時(shí)間序列電磁信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻變換及分析、噪聲估計(jì)、方位校正以及合并航道等數(shù)據(jù)處理后，可以獲得一系列電磁場振幅-收發(fā)距曲線和相位-收發(fā)距曲線，即MVO（Magnitude Versus Offset）和PVO（Phase Versus Offset）曲線。進(jìn)一步解釋所獲得的海洋CSEM資料，可以了解海底介質(zhì)電阻率的分布特征。

國際上，海洋可控源電磁數(shù)據(jù)預(yù)處理方法研究已經(jīng)取得了很大進(jìn)展。MacGreor等［5-6］探討了海洋可控源電磁數(shù)據(jù)縮減和噪音估計(jì)方法。Behrens［7］提出了海洋CSEM數(shù)據(jù)預(yù)處理基本流程，并對(duì)導(dǎo)航、噪聲等不確定性因素進(jìn)行了分析。Myer等［8］討論了傅氏變換窗口大小對(duì)估計(jì)偏差的影響，并將一階差分預(yù)白處理方法引入到海洋可控源電磁數(shù)據(jù)預(yù)處理中。Myer等［9］提出了一種海洋可控源電磁發(fā)射波形改正方法，并對(duì)接收機(jī)時(shí)鐘漂移導(dǎo)致的相位偏差進(jìn)行了校正。在國內(nèi)，海洋電磁探測技術(shù)研究起步較晚，海洋可控源電磁數(shù)據(jù)預(yù)處理方法的研究成果還不多。林昕等［10］研究了不同時(shí)窗對(duì)時(shí)域?yàn)V波效果的影響，指出時(shí)窗越長，效果一般越好。于彩霞［11］探討了應(yīng)用Hilbert-Huang變換進(jìn)行海洋CSEM數(shù)據(jù)預(yù)處理的效果。

本文主要提出海洋可控源電磁數(shù)據(jù)預(yù)處理方法及其流程，并用實(shí)例詳細(xì)說明各種處理方法的應(yīng)用效果。

1 海洋CSEM數(shù)據(jù)預(yù)處理方法原理及應(yīng)用

在海上測量時(shí)，海底電磁采集站記錄的是時(shí)間域電磁場信號(hào)，而海洋CSEM資料解釋通常是在頻率域中進(jìn)行的，因而需要將時(shí)間域電磁場信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻率域信號(hào)。由于海底電磁采集站是以自由沉放的方式投放到海底的，因而采集站測量系統(tǒng)在海底時(shí)的坐標(biāo)方位是不確定的。另外，采集站可能著落在海底斜坡上，致使測量系統(tǒng)不能保持水平狀態(tài)。故而，對(duì)海底采集站所采集的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行方位和水平狀態(tài)校正［12］。然后再結(jié)合發(fā)射源航行數(shù)據(jù)，即可獲得電磁場的振幅-收發(fā)距曲線和相位-收發(fā)距曲線，即MVO（Magnitude Versus Offset）和PVO（Phase Versus Offset）曲線。

1.1時(shí)間序列及功率譜分析

當(dāng)完成野外數(shù)據(jù)采集后，首先需要將實(shí)測的二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成海洋CSEM數(shù)據(jù)預(yù)處理程序所要求的格式，并進(jìn)行時(shí)間序列分析，了解儀器工作狀態(tài)及所采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量。并計(jì)算功率譜，了解電磁場各分量的功率隨著頻率的變化情況以及各分量的相關(guān)性。圖1和圖2分別為某地實(shí)測的一段海洋可控源電磁場水平分量Ey和Bx的時(shí)間序列及其功率譜。

圖1 某地實(shí)測海洋可控源電磁場水平分量Ey和Bx的時(shí)間序列Fig.1 Time series of the marine CSEM field data

圖2 海洋可控源電磁場水平分量的功率譜Fig.2 Power spectrum of the horizontal electrical and magnetic components

由圖1可以清楚地看到規(guī)律性的可控源電磁場信號(hào)，并且可知發(fā)射源的發(fā)射電流不太穩(wěn)定，其強(qiáng)度隨時(shí)間變化。由圖2可知，可控源電磁信號(hào)的發(fā)射頻率為0.08 Hz，并且接收到能量較強(qiáng)的奇次諧波信號(hào)，如3次諧波（0.24 Hz）、5次諧波（0.4 Hz）、7次諧波（0.56 Hz）等。

為了分析可控源電磁信號(hào)功率譜隨時(shí)間的變化特征，可以繪制頻譜圖。圖3為海洋可控源水平電場Ex頻譜圖。圖中橫坐標(biāo)表示時(shí)間，縱坐標(biāo)表示頻率（Hz），色標(biāo)表示功率譜的對(duì)數(shù)。

圖3 實(shí)測海洋可控源電場分量Ex的功率譜隨時(shí)間的變化關(guān)系Fig.3 Spectrogram of the horizontal electrical field component Ex

由野外試驗(yàn)記錄和圖3可知，可控源電磁發(fā)射儀在布放期間，即圖中標(biāo)號(hào)1所示時(shí)段，全頻帶顯示強(qiáng)功率譜，為發(fā)射儀在布放過程中移動(dòng)、震蕩噪聲所致；在標(biāo)號(hào)2時(shí)段，可以看到一聯(lián)串不同頻率的高能量信號(hào)，這是海底數(shù)據(jù)記錄儀接收到的可控源發(fā)射儀發(fā)射的基頻信號(hào)（0.08 Hz）和奇次諧波信號(hào)（0.24，0.4，0.56 Hz等）。標(biāo)號(hào)3時(shí)段接收到的一聯(lián)串相對(duì)較弱功率譜信號(hào)，應(yīng)為發(fā)射源在旁側(cè)測線激發(fā)時(shí)產(chǎn)生的基頻信號(hào)及其奇次諧波信號(hào)。時(shí)段4的全頻段強(qiáng)功率譜為海底電磁儀在回收過程產(chǎn)生的噪聲所致。

1.2傅里葉時(shí)頻變換及預(yù)白處理

海底電磁采集站記錄的是時(shí)間域電磁場信號(hào)，首先需要利用傅里葉變換將其轉(zhuǎn)換成頻率域信號(hào)。本文利用慢速傅里葉變換實(shí)現(xiàn)時(shí)頻轉(zhuǎn)換。與快速傅里葉變換相比，在水下電磁發(fā)射儀時(shí)鐘不精確即發(fā)射頻率不穩(wěn)定時(shí)，慢速傅里葉變換可以獲得更加可靠的結(jié)果。

慢速傅氏變換的窗口選擇可以為移動(dòng)一個(gè)發(fā)射源長度所需要的時(shí)間，如發(fā)射源移動(dòng)速度為0.75 m／s，發(fā)射源電偶極子長度為150 m，則慢速傅氏變換窗口可以選取為200 s。

為減弱頻譜泄露，在傅氏變換中采用預(yù)白處理技術(shù)［13-15］。海洋CSEM接收儀在海底同時(shí)接收到固定頻率的CSEM信號(hào)和低頻的大地電磁場信號(hào)。進(jìn)行傅氏變換時(shí)，會(huì)引入頻譜泄露，從而CSEM信號(hào)的頻譜估計(jì)結(jié)果會(huì)受到大地電磁信號(hào)的“污染”。另外，傅氏變換窗口的截?cái)啵矔?huì)造成頻譜泄露，從而使頻譜估計(jì)出現(xiàn)偏差，偏差的大小主要取決于窗函數(shù)主瓣的寬度及形狀。預(yù)白處理將使窗函數(shù)的主瓣寬度變寬和偏差變小。但經(jīng)過預(yù)白處理后的信號(hào)，其頻譜估計(jì)還需要進(jìn)行后黑處理，以消除預(yù)白濾波器對(duì)頻譜的影響。

本文采用一階差分預(yù)白處理方法。圖4為海洋CSEM數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)白處理前后效果對(duì)比，其中傅氏變換窗口為12.5 s（一個(gè)發(fā)射信號(hào)周期）。對(duì)每個(gè)窗口使用預(yù)白處理，移除長周期大地電磁噪聲的影響，然后變換到頻率域，再經(jīng)過后黑處理移除預(yù)白作用對(duì)振幅和相位的影響。為了得到更長窗口的數(shù)據(jù)，可以進(jìn)行窗口疊加處理。由圖4可見，經(jīng)過預(yù)白-后黑處理后，底盤噪聲有所降低，信噪比有所提高。

1.3發(fā)射和接收參數(shù)歸一化及時(shí)鐘漂移改正

在海洋CSEM探測中，水下電磁信號(hào)發(fā)射儀通過長度為幾十米至幾百米長的中性浮力天線向水中和海底發(fā)射幾百至上千安培的大電流低頻信號(hào)。于是，對(duì)采集到的電磁信號(hào)需要進(jìn)行接收天線長度和電偶極距歸一化，實(shí)測信號(hào)單位為V／Am2。

在實(shí)際觀測中，由于發(fā)射天線自身燒蝕等作用，電流并不穩(wěn)定，如圖5所示。另外，由于受海流、波浪等海洋環(huán)境的影響，發(fā)射天線很難保持始終處于完全伸直狀態(tài)，于是發(fā)射天線的實(shí)際延伸長度是隨時(shí)變化的。故而，在進(jìn)行海洋CSEM測量時(shí)，需要準(zhǔn)確記錄發(fā)射電流強(qiáng)度及其發(fā)射源偶極子長度等參數(shù)，以便采集工作結(jié)束后對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)際歸一化處理。

海上采集CSEM數(shù)據(jù)時(shí)，在投放海底電磁采集站前，需要先在甲板上將電磁數(shù)據(jù)記錄儀內(nèi)置時(shí)鐘與GPS時(shí)間進(jìn)行同步，完成電磁數(shù)據(jù)采集工作后，需要再次將數(shù)據(jù)記錄儀內(nèi)置時(shí)鐘與GPS對(duì)時(shí)。一般情況下，記錄儀內(nèi)置時(shí)鐘位于海底時(shí)每天都會(huì)發(fā)生幾毫秒至十幾毫秒的漂移。假定記錄儀時(shí)鐘漂移是隨時(shí)間線性變化的，則可根據(jù)接收儀內(nèi)置時(shí)鐘和GPS時(shí)鐘同步關(guān)系，計(jì)算各時(shí)刻的時(shí)鐘漂移量，從而對(duì)采集到的電磁信號(hào)進(jìn)行相位校正，使得電磁場信號(hào)相位恢復(fù)到真實(shí)狀態(tài)。圖6a和6b分別為相位校正前后的相位曲線。

1.4異常值剔除和隨機(jī)噪聲估計(jì)

由于各種干擾的影響，采集數(shù)據(jù)中常常會(huì)出現(xiàn)明顯的異常值，即所謂的“飛點(diǎn)”。尤其在收發(fā)距較大數(shù)據(jù)信噪比較低時(shí)，噪聲干擾更加嚴(yán)重?！帮w點(diǎn)”的出現(xiàn)往往對(duì)后續(xù)處理帶來較大的影響，甚至可能使得最終解釋結(jié)果與實(shí)際情況相差甚遠(yuǎn)。因此，需要對(duì)異常點(diǎn)予以去除。一方面，可以通過觀察實(shí)測時(shí)間序列信號(hào)，

選取噪音較小、“干凈”時(shí)間段的信號(hào)進(jìn)行傅氏變換處理。另一方面，對(duì)于轉(zhuǎn)換后的頻率域數(shù)據(jù)，可以手動(dòng)剔除明顯的“飛點(diǎn)”。由于海底電磁數(shù)據(jù)記錄儀電路本身的噪聲和海洋觀測環(huán)境噪聲的影響，觀測到的有效信號(hào)可能變得離散。在大收發(fā)距時(shí)，噪聲甚至有可能掩蓋了有效信號(hào)。

故而需要對(duì)隨機(jī)噪聲的分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。具體方法是，分別計(jì)算各個(gè)疊加窗口中復(fù)數(shù)場實(shí)部和虛部的平均值及標(biāo)準(zhǔn)差。然后，采用K S檢驗(yàn)方法［16］計(jì)算經(jīng)驗(yàn)累積分布函數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)之間的最大偏差。如果該偏差小于設(shè)定的臨界值（如5%），則數(shù)據(jù)通過檢驗(yàn)，認(rèn)為近似滿足正態(tài)分布；否則，認(rèn)為數(shù)據(jù)不滿足正態(tài)分布。圖7為實(shí)測海洋可控源電磁信號(hào)隨機(jī)噪聲估計(jì)結(jié)果。由圖可知，2個(gè)電場分量（Ex、Ez）的實(shí)部和虛部均滿足相同的分布規(guī)律，這說明采集到信號(hào)的隨機(jī)噪聲呈高斯分布的假設(shè)是合理的。另外，從圖中可以看到，Ez分量較Ex分量離散，這是因?yàn)榇怪狈至扛资茉肼暩蓴_影響的緣故。

圖5 實(shí)測的發(fā)射電流波形Fig.5 Recorded waveforins of exciting currents

圖6 相位校正前后效果對(duì)比Fig.6 The effects of phase correction

圖7 噪聲水平估計(jì)向量圖Fig.7 Ambient noise phasor plots

圖7中，m、sd、KS分別表示各分量實(shí)虛部的均值、標(biāo)準(zhǔn)差及KS檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果。KS統(tǒng)計(jì)值定義為max|S（x）-CDF|，其中S（x）為經(jīng)驗(yàn)正態(tài)分布，CDF為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布。若KS統(tǒng)計(jì)值小于預(yù)先的設(shè)定值（如5%），則認(rèn)為環(huán)境噪音通過正態(tài)分布檢驗(yàn)，反之，則沒有通過檢驗(yàn)。

1.5疊加處理

由前面的討論得知，采集到的電磁信號(hào)中包含的噪聲滿足高斯分布條件，實(shí)為隨機(jī)噪聲，故而可以通過信號(hào)疊加進(jìn)行壓制。在某一頻點(diǎn)，信號(hào)的最小二乘擬合與實(shí)測數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差定義為［7］

上式中，di，j表示i時(shí)刻j頻點(diǎn)的最小二乘擬合值；di為i時(shí)刻的實(shí)測值；N為疊加窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)總量。在噪聲呈高斯分布時(shí)，疊加窗口越長，歸一化偏差越小，噪聲水平也就越低。如果將疊加窗口長度N擴(kuò)大η倍，噪聲水平則降為原來的倍。但需要注意，當(dāng)電磁信號(hào)低于噪聲水平時(shí)，通過疊加不能恢復(fù)有效信號(hào)。

對(duì)于一個(gè)固定的激發(fā)接收裝置，窗口長度N取決于發(fā)射源激發(fā)時(shí)間長度和采集數(shù)據(jù)量的大小。另外，在實(shí)際觀測中，觀測系統(tǒng)的不確定性、同一窗口內(nèi)信號(hào)相位的變化等也會(huì)影響疊加窗口的選取。圖8為實(shí)測海洋CSEM數(shù)據(jù)經(jīng)50和200 s疊加處理后的結(jié)果。由圖可見，疊加窗口為200 s與疊加窗口為50 s時(shí)相比，在小收發(fā)距時(shí)信號(hào)幅值保存完好，而在大收發(fā)距時(shí)噪聲水平明顯降低，可以獲得更大收發(fā)距范圍的有效信號(hào)。

但是，疊加窗口并不是越大越好。雖然更大的疊加窗口可以將噪聲降到非常低的水平，但是疊加窗口過大勢必造成數(shù)據(jù)點(diǎn)減少，不能準(zhǔn)確反映信號(hào)的形態(tài)。因此，在實(shí)際處理中，一定要根據(jù)實(shí)際采樣長度等條件合理選擇疊加窗口，在保證信號(hào)基本形態(tài)的前提下將噪聲水平壓制至最低。

圖8 實(shí)測海洋CSEM數(shù)據(jù)疊加窗口為50 s（藍(lán)）和200 s（紅）時(shí)的疊加效果對(duì)比Fig.8 Processing the filed data with the stack window of 50 s（blue symbols）and 200 s（red symbols）

1.6方位校正和橢圓極化及主軸旋轉(zhuǎn)

大部分新一代海底電磁采集站都安裝有方位記錄儀，在海洋電磁數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，方位記錄儀回收到甲板后，可以由方位記錄數(shù)據(jù)獲知電磁場傳感器在海底時(shí)的方位和水平狀態(tài)，然后可依據(jù)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)原理，對(duì)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行方位校正和水平校正。

在海洋電磁施工中，海底電磁采集站是以自由沉放的方式投放到海底的，在采集站回收前，采集站的方位仍然是未知的。而施工中勘探船拖曳深水電流發(fā)射器和中性浮力天線沿設(shè)計(jì)的測線行進(jìn)并發(fā)射電磁信號(hào)，由于海流、波浪等的影響，深水中拖曳著的發(fā)射天線很難保證與設(shè)計(jì)測線平行。于是，海洋CSEM發(fā)射接收系統(tǒng)的方位常常具有一定的不確定性。因而需要對(duì)實(shí)測CSEM信號(hào)進(jìn)行發(fā)射接收系統(tǒng)方位校正。該校正處理主要分為極化橢圓分析和旋轉(zhuǎn)電性軸2部分。利用極化橢圓得到較精確的方位角，通過旋轉(zhuǎn)電性軸能夠計(jì)算電磁場在測線方向上的場值。

圖9 極化橢圓分析Fig.9 Polarization ellipse parameters of the horizontal electric fields

為了對(duì)采集到的電磁場信號(hào)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，需要了解波的極化情況。

2個(gè)正交的線極化波，可以表示為

式中：φ為Ex分量和Ey分量間的相位差。

由式（1）和（2）可得到下列橢圓方程［17］。

當(dāng)φ=nπ時(shí)，即在XOY平面無相位差或反相時(shí)，有Ey=mEx，表明合成極化波為直線；

此為圓方程。

野外實(shí)際采集到的電場分量Ex和Ey具有一定的相位差，一般表現(xiàn)為橢圓極化模式。

極化橢圓的長軸（Pmax）、短軸（Pmin）和極化角（α）可由下式求得［17］

圖10 實(shí)測海洋可控源電磁數(shù)據(jù)的極化橢圓參數(shù)Fig.10 Polarization ellipse parameters for the field data set

利用上式，可以計(jì)算求得電磁場極化橢圓的長軸、短軸和極化角。圖10為利用海底電磁采集站記錄到的2個(gè)水平電場分量計(jì)算得到的極化橢圓長軸、短軸和極化角。星號(hào)表示多個(gè)發(fā)射源的橢圓極化角，在接收點(diǎn)附近橢圓極化角大約為45度，即α≈45°。Pmax和Pmin分別表示將2個(gè)電場水平分量的實(shí)測數(shù)據(jù)旋轉(zhuǎn)到橢圓長軸和短軸方向后的結(jié)果。

圖11 極化角求取Fig.11 Polarization ellipse angles

在極化橢圓長軸和短軸方向上，2個(gè)相互正交電磁信號(hào)的功率譜之差最大。于是，也可以采用坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)法確定極化橢圓的極化角。所謂的坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)法就是將海底測量坐標(biāo)系在0°～360°范圍內(nèi)逐次旋轉(zhuǎn)1個(gè)Δθ角（如Δθ=5°），計(jì)算相應(yīng)的電磁場值，并繪制2個(gè)相互正交電磁場振幅間的差值隨坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)角的變化關(guān)系圖。2個(gè)相互正交電磁場振幅之差最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)方位角即為橢圓極化角。圖11表示4個(gè)發(fā)射源的2個(gè)電場水平分量振幅的差值隨坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)角的變化關(guān)系。由圖可見，在坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)角為45°左右時(shí)，2個(gè)電場水平分量振幅的差值最大，即橢圓極化角度約為45°，這與利用解析公式（4）計(jì)算得到的結(jié)果相一致。

將電磁場信號(hào)旋轉(zhuǎn)到極化橢圓長軸方向上，此時(shí)Pmax具有最大功率譜，估計(jì)的場值更加可靠。另外，Pmax受發(fā)射源方位影響較小，可以減弱觀測系統(tǒng)不確定性對(duì)采集信號(hào)的影響，并且Pmax具有較高的信噪比?；谶@些優(yōu)點(diǎn)，求得極化橢圓參數(shù)后，需要對(duì)實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行主軸旋轉(zhuǎn)。

圖12為海洋CSEM數(shù)據(jù)經(jīng)過主軸旋轉(zhuǎn)后得到的電磁場響應(yīng)。

圖12 某地實(shí)際資料主軸旋轉(zhuǎn)處理Fig.12 The rotation of the field components

1.7合并航道數(shù)據(jù)

海底采集站記錄到的時(shí)間序列電磁信號(hào)經(jīng)過時(shí)頻分析、噪聲估計(jì)、疊加處理、方位校正和主軸旋轉(zhuǎn)等處理后，得到電磁場振幅和相位與測量時(shí)間的關(guān)系。再將發(fā)射源的航道數(shù)據(jù)合并后，即可獲得電場和磁場振幅-收發(fā)距曲線和相位-收發(fā)距曲線，即MVO（Magnitude versus Offset）和PVO（Phase versus offset）曲線。

圖13為經(jīng)航道數(shù)據(jù)合并后得到的電磁場振幅和相位曲線。

圖13 實(shí)測MVO和PVO曲線Fig.13 MVO and PVO curves of the field data set

2 結(jié)語

本文提出了一套海洋可控源電磁數(shù)據(jù)預(yù)處理方法。實(shí)測海洋可控源電磁數(shù)據(jù)的處理表明，利用慢速傅里葉變換可以獲得可靠的結(jié)果，一階差分預(yù)白技術(shù)可以減弱低頻大地電磁信號(hào)對(duì)可控源電磁信號(hào)頻譜估計(jì)的“污染”。采用信號(hào)疊加技術(shù)可以壓制噪音，提高信噪比，但在實(shí)際處理中需要根據(jù)實(shí)際采樣長度等條件合理選擇疊加窗口。實(shí)際資料處理還表明，利用坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)法和解析法都可以確定極化橢圓的極化角，并可以得到基本一致的結(jié)果。

“空氣波”和海流、海浪等海水運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的感應(yīng)電磁場是影響海洋電磁探測數(shù)據(jù)質(zhì)量的主要噪聲。有效壓制電磁噪聲提高信噪比是海洋電磁數(shù)據(jù)處理方法研究中有待進(jìn)一步研究的主要內(nèi)容之一。

［1］ Constable S.Ten years of marine CSEM for hydrocarbon exploration［J］.Geophysics，2010，75（5）：67-81.

［2］ Hesthammer J，Stefatos A，Sperrevik S，et al.CSEM performance in light of well results［J］.The Leading Edge，2010，29（1）：34-41.

［3］ Katrin Schwalenberg，Eleanor Willoughby，Keza Mir，et al.Marine gas hydrate electromagnetic signatures in Cascadia and their correlation with seismic blank zones［J］.First Break，2005，23：57-63.

［4］ Weitemeyer K，Constable S.Mapping gas hydrates and shallow sedimentary structure in the Gulf of Mexico using marine controlled source electromagnetics［C］.Giza，Egypt：IAGA，2010.

［5］ MacGregor L M，S Constable，M Sinha.The RAMESSESexperiment III.Controlled-Source electromagnetic sounding of the Reykjanes ridge at 57045’N［J］.Geophys JInt，1998，135：773-789.

［6］ MacGregor L M，M Sinha，S Constable.Electrical resistivity structure of the ValuFa Ridge，Lau Basin，from marine controlledsource electromagnetic sounding［J］.Geophys J Int，2001，146：217-236.

［7］ Behrens J P.The Detection of Electrical Anisotropy in 35 Ma Pacific Lithosphere［D］.San Diego：University of California，2005.

［8］ Myer D，Constable S，Key K.Broad-band waveforms and ROBUST processing for marine CSEM surveys［J］.Geophysical Journal International，2010，184：689-698.

［9］ Myer，sConstable，K Key，et al.Marine CSEM of the Scarborough gas field，Part1：Experimental design and data uncertainty［J］.Geophysics：2012，77（4）：281-299.

［10］ 林昕，魏文博，精簡恩，等.提高海洋可控源電磁法信噪比的方法研究［J］.地球物理學(xué)進(jìn)展，2009，24（3）：1047-1050.

［11］ 于彩霞.海洋可控源電磁法數(shù)據(jù)處理研究［D］.北京：中國地質(zhì)大學(xué)，2010.

［12］ 魏文博，鄧明，溫珍河，等.南黃海海底大地電磁測深試驗(yàn)研究［J］.地球物理學(xué)報(bào)，2009，52（3）：740-749.

［13］ Reddy K S，Chalam S V，Jinaga B C.Efficient power spectrum estimation using prewhitening and post cloring technique［J］.International Jnournal of Recent in Engineering，2009，2（5）：278-282.

［14］ Shumway R H，Stoffer D S.Time Series Analysis and its Applications，1st edn［M］.New York：Springer-Verlag，2000.doi：10.1007／978-1-4419-7865-3

［15］ Keisler S R，Rhyne R H.An assessment of prewhitening in estimation power spectrum of atmosphere turbulence at long wavelengths［J］.NASA Langley Research Center，1976.

［16］ Evans R L，Electical Resistivity Structure of the East Pacific Rise Near 13°N［D］.Cambridge CB2 1TN，UK：University of Cambridge，1991：229.

［17］ 李金銘.地電場和電法勘探［M］.第一版.北京：地質(zhì)出版社，2005：307

Data Preprocessing of Marine Controlled-Source Electromagnetic Data

LI Yu-Guo，DUAN Shuang-Min
（The Key Lab of Submarine Geosciences and Prospecting Techniques，Ministry of Education，Ocean University of China，Qingdao 266100，China）

The marine controlled-source electromagnetic method is a new geophysical exploration tool for detecting seafloor hydrocarbon reservoirs and mineral resources.In this paper，we present a data processing procedure for marine controlled-source electromagnetic data sets，including time-frequency transform and pre-whitening processing，clock drift compensation，random noise estimating，stacking，azimuth correction，polarization ellipse analysis，component rotation，merging electromagnetic fields with navigation data and so on.The techniques are demonstrated and illustrated using the real field data.

marine controlled-source electromagnetic method；data processing；pre-whiten；polarization ellipse

P631.3+25

A

1672-5174（2014）10-106-07

責(zé)任編輯 徐 環(huán)

國家自然基金重點(diǎn)項(xiàng)目（41130420）資助

2014-09-08；

2014-09-25

李予國（1965-），男，教授。主要從事地球電磁場正反演示法和海洋可控源電磁探測技術(shù)研究。E-mail：yuguo＠ouc.edu.cn