音頻大地電磁法“死頻帶”畸變數(shù)據(jù)的Rhoplus校正

周聰，湯井田，＊，任政勇，肖曉，譚潔，吳明安

1中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，長(zhǎng)沙 410083

2中南大學(xué)有色金屬成礦預(yù)測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410083

3中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，長(zhǎng)沙 410014

4安徽省地質(zhì)調(diào)查院，合肥 230001

1 引言

音頻大地電磁法（Audio－frequency Magnetotelluric，AMT）是以巖礦石的電性差異為基礎(chǔ)，在地面測(cè)量音頻范圍內(nèi)電磁場(chǎng)水平分量，并通過對(duì)其變化規(guī)律的研究，用來解決水文、工程地質(zhì)和找礦勘探等地質(zhì)任務(wù)的一種交變電磁方法（Tuncer et al.，2006；Jones and Garcia.，2003；Monteiro Santos et al.，2006）.

音頻電磁場(chǎng)的天然場(chǎng)源主要為雷暴.在Constable綜合多人研究成果所繪制的地磁場(chǎng)功率譜振幅圖（Constable and Constable，2004）中，5k～1kHz頻率范圍內(nèi)，天然電磁場(chǎng)信號(hào)強(qiáng)度處于極低值；通常將這一頻率范圍稱為所謂AMT的“死頻帶”（Garcia and Jones，2002）.Garcia和 Jones（2002）、Sternberg（2010）、Schennen和 Ritter（2014）在加拿大、德國(guó)、美國(guó)等地區(qū)進(jìn)行了系統(tǒng)詳細(xì)的觀測(cè)，表明在AMT的“死頻帶”范圍內(nèi)，北半球的天然場(chǎng)信號(hào)特征是夏強(qiáng)冬弱，夜強(qiáng)日弱.AMT“死頻帶”內(nèi)場(chǎng)源信號(hào)的這種強(qiáng)弱變化，導(dǎo)致了阻抗數(shù)據(jù)的變化.在信號(hào)較弱時(shí)進(jìn)行觀測(cè)，阻抗結(jié)果往往具有明顯的異?；兲卣?許多觀測(cè)數(shù)據(jù)集都反映出了這一問題（Jones and Garcia，2003）.由于該頻帶數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的深度（一般在500m以上）常為人們所關(guān)注，并且畸變數(shù)據(jù)會(huì)在更大范圍內(nèi)降低反演模型的精度，因此針對(duì)AMT“死頻帶”數(shù)據(jù)的校正研究具有實(shí)際意義.

AMT“死頻帶”內(nèi)數(shù)據(jù)的畸變由場(chǎng)源信號(hào)弱所造成.觀測(cè)數(shù)據(jù)在該頻段內(nèi)常常信噪比極低，信號(hào)強(qiáng)度甚至可能低于測(cè)量設(shè)備的最低噪聲響應(yīng)，這使得基于單測(cè)點(diǎn)單頻點(diǎn)的阻抗估計(jì)方法，如最小二乘（Sims et al.，1971）、相干度加權(quán)（Egbert and Livelybrooks，1996），以及Robust估計(jì)（Chave et al.，1987）等，處理效果不盡如人意.基于時(shí)間域或時(shí)頻域數(shù)據(jù)的處理方法，如Hilbert－Huang變換法（湯井田等，2008）、形態(tài)濾波法（湯井田等，2012）等，雖然具備提高數(shù)據(jù)信噪比的能力，但對(duì)噪聲特征并不明顯的AMT“死頻帶”數(shù)據(jù)，難以進(jìn)行信噪識(shí)別與提取，效果有限.遠(yuǎn)參考方法（Gamble et al.，1979）往往會(huì)顯著改善數(shù)據(jù)的質(zhì)量，但對(duì)于與觀測(cè)點(diǎn)同步采集的遠(yuǎn)參考站而言，信號(hào)強(qiáng)弱也幾乎是同步的，參考道本身的低信噪比限制了該方法處理AMT“死頻帶”畸變數(shù)據(jù)的效果.利用視電阻率、相位數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換關(guān)系（Weidelt，1972），可以實(shí)現(xiàn)阻抗相位參數(shù)對(duì)畸變視電阻率曲線的校正（楊生等，2001），但該方法嚴(yán)重依賴于相位數(shù)據(jù)的質(zhì)量及連續(xù)性，而AMT“死頻帶”范圍內(nèi)相位數(shù)據(jù)同樣畸變，故該方法校正效果不佳.Garcia和Jones（2008）提出用連續(xù)小波變換的方法對(duì)“死頻帶”數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，顯示了較好的效果，但對(duì)部分測(cè)點(diǎn)依然會(huì)出現(xiàn)不連續(xù)和較嚴(yán)重的離散形態(tài).

另一種思路是優(yōu)化數(shù)據(jù)采集方案，以期得到更可靠的原始數(shù)據(jù).夜間和夏季天然場(chǎng)信號(hào)在AMT“死頻帶”內(nèi)能量較強(qiáng)，信噪比更高，在該時(shí)段進(jìn)行數(shù)據(jù)采集無疑是保證數(shù)據(jù)質(zhì)量最為穩(wěn)妥的方案.Garcia和Jones（2005）提出一種稱為大地電流－大地電磁（Telluric－Magnetotelluric，T－MT）的數(shù)據(jù)采集處理方法來保證在日間采集的數(shù)據(jù)也能估計(jì)出有效的AMT“死頻帶”頻域阻抗張量，但這一方法需要利用多個(gè)參考點(diǎn)（包括遠(yuǎn)參考站和“基站”參考點(diǎn)），且對(duì)參考點(diǎn)的選擇有較高要求.此外，多種方法聯(lián)合處理與解釋也是可選的策略.如垂直電測(cè)深法（Vertical Electrical Soundings，VES）、瞬變電磁測(cè)深法（Transient Electromagnetic，TEM）獲得的視電阻率數(shù)據(jù)可以為AMT高頻段畸變數(shù)據(jù)校正提供參考（Meju et al.，1999）；可控源音頻大地電磁法（Controlled－Source Audio－frequency Magnetotelluric，CSAMT）（Goldstein and Strangway，1975）引入了人工源信號(hào)，顯著提高了數(shù)據(jù)信噪比，在遠(yuǎn)區(qū)?？色@取更高質(zhì)量的數(shù)據(jù).理論上，上述各類采集方案對(duì)AMT“死頻帶”問題有較好的處理期望.但實(shí)際應(yīng)用較少，一方面，其對(duì)施工成本和施工安全提出了很高的要求，對(duì)于環(huán)境惡劣測(cè)區(qū)及大規(guī)模的面積性工作并不適用；另一方面，引入其他方法（如人工場(chǎng)源）后，可能會(huì)帶來更加復(fù)雜的理論與數(shù)據(jù)處理問題，其有效性也有待進(jìn)一步評(píng)價(jià).

基于 Weidelt（1972，Weidelt and Kaikkonen，1994）對(duì)于大地電磁測(cè)深法（Magnetotelluric，MT）一維反演問題的描述，Parker（1980）、Parker和Whaler（1981）提出了Dplus反演方法，并由Parker和Booker（1996）進(jìn)一步發(fā)展完善，提出了直接反演視電阻率和相位參數(shù)的Rhoplus方法.與常規(guī)最小二乘迭代擬合反演方法不同，該方法通過構(gòu)造物理有效的理想地電模型來進(jìn)行觀測(cè)數(shù)據(jù)的最優(yōu)擬合，利用最優(yōu)化方法獲得穩(wěn)定的數(shù)值解.該方法考慮了阻抗視電阻率、相位數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性以及數(shù)據(jù)在頻率域的連續(xù)性，具有完整的理論基礎(chǔ)與明確的物理背景.如今，Dplus和Rhoplus方法已成為MT方法中的重要理論之一（Fischer and Weibel，1991；Parker，2010；Parker，2011；Chave and Jones，2012），獲得了大量應(yīng)用，如張量阻抗估計(jì)（Pomposiello et al.，2009；Beamish and Travassons，1992）、頻域數(shù)據(jù)擬合（Tang et al.，2013）與拼接（Bailey et al.，2000）、視電阻率相位數(shù)據(jù)的一致性檢測(cè)（Spratt et al.，2005）等；譚捍東等（2004）論述了Rhoplus方法在大地電磁法中的幾類主要應(yīng)用.

一般情況下，AMT“死頻帶”數(shù)據(jù)的畸變僅在部分頻率范圍內(nèi)，其他頻段的數(shù)據(jù)受影響較小.利用Rhoplus方法，由未受畸變影響的高質(zhì)量數(shù)據(jù)可估計(jì)出一理想地電模型，即R＋模型（Parker and Booker，1996）；再由該模型預(yù)測(cè)出“死頻帶”內(nèi)的數(shù)據(jù)響應(yīng).R＋模型與預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)來源于原始數(shù)據(jù)中的高質(zhì)量部分，而不依賴于“死頻帶”內(nèi)已畸變的數(shù)據(jù)，故可不受該畸變數(shù)據(jù)的影響.因此Rhoplus方法對(duì)AMT“死頻帶”畸變數(shù)據(jù)的處理具有很好的前景.

利用實(shí)測(cè)AMT數(shù)據(jù)，本文對(duì)長(zhǎng)江中下游地區(qū)的AMT數(shù)據(jù)“死頻帶”畸變特征進(jìn)行了歸納分析；同時(shí)，基于Rhoplus提出了AMT“死頻帶”畸變數(shù)據(jù)的一種校正方法，并討論了該方法的適用性、關(guān)鍵技術(shù)以及存在問題.

2 AMT實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

探討AMT“死頻帶”畸變數(shù)據(jù)的校正方法，首先需分析天然音頻電磁場(chǎng)“死頻帶”時(shí)頻域數(shù)據(jù)的畸變特征.盡管AMT死頻帶數(shù)據(jù)畸變是共性問題，但是由于全球音頻電磁場(chǎng)源的不均勻分布，各個(gè)地區(qū)的數(shù)據(jù)畸變特征仍有差異.因此針對(duì)長(zhǎng)江中下游地區(qū)，討論“死頻帶”數(shù)據(jù)的畸變特征仍是必要的.為此，作者在長(zhǎng)江中下游地區(qū)進(jìn)行了AMT數(shù)據(jù)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，選取6個(gè)實(shí)驗(yàn)坐標(biāo)點(diǎn)，進(jìn)行了不同季節(jié)、不同時(shí)段的多次重復(fù)觀測(cè)，另部署了一條AMT測(cè)線，其測(cè)點(diǎn)分別在不同時(shí)段進(jìn)行觀測(cè).測(cè)點(diǎn)、測(cè)線分布如圖1所示.為確保觀測(cè)數(shù)據(jù)主要反映天然場(chǎng)特征，多數(shù)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)選擇在附近無明顯干擾源的地區(qū)，背景噪聲水平整體較低，如S1、S2、S3及S5；同時(shí)為不失一般性，6個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)及實(shí)驗(yàn)測(cè)線L1的分布離散，且部分觀測(cè)點(diǎn)附近存在城鎮(zhèn)、道路及電力線等干擾源，背景噪聲水平相對(duì)較高，如S4、S6及L1中的部分測(cè)點(diǎn).

野外觀測(cè)時(shí)間為2012年，觀測(cè)儀器為鳳凰MTU－5A型電磁觀測(cè)系統(tǒng)，野外數(shù)據(jù)采集按規(guī)范（國(guó)家石油和化學(xué)工業(yè)局，1999）進(jìn)行，頻率范圍為10400～10Hz，覆蓋了AMT“死頻帶”.單個(gè)測(cè)點(diǎn)的疊加觀測(cè)時(shí)間超過1h，部分測(cè)點(diǎn)超過3h，以壓制隨機(jī)噪聲的影響.

由于采集數(shù)據(jù)反映的特征存在一致性，下面僅按觀測(cè)時(shí)間分類給出2個(gè)典型測(cè)點(diǎn)的詳細(xì)數(shù)據(jù)分析，其余測(cè)點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)附于后文處理結(jié)果中.

2.1 夏季和秋冬季數(shù)據(jù)

天然電磁場(chǎng)的信號(hào)強(qiáng)度與觀測(cè)季節(jié)密切相關(guān).為比較不同季節(jié)間信號(hào)強(qiáng)度的差異及其對(duì)AMT數(shù)據(jù)的影響，部署了相關(guān)實(shí)驗(yàn).

測(cè)點(diǎn)S5位于山區(qū)旱田中，地勢(shì)微傾，表層覆蓋泥土，目視范圍內(nèi)無明顯干擾源.圖2給出了該測(cè)點(diǎn)秋季與夏季的觀測(cè)結(jié)果對(duì)比，觀測(cè)時(shí)段均在日間.可以看出，無論秋季或夏季，電磁場(chǎng)的功率譜數(shù)據(jù)在5k～1kHz的范圍內(nèi)極低，秋季極小值在2200Hz，而夏季極小值位于1800Hz.夏季的電磁場(chǎng)功率譜在整個(gè)觀測(cè)頻段內(nèi)均明顯高于秋冬季，5k～1kHz范圍內(nèi)的差異相較其他頻段更大，兩個(gè)極小值的差異幾乎達(dá)到1個(gè)數(shù)量級(jí).由此引起了AMT數(shù)據(jù)的畸變與差異.在3600～1300Hz內(nèi)，秋季正交電磁場(chǎng)分量相干度極低，極小值小于0.5，視電阻率數(shù)據(jù)向下偏倚，且誤差較大，相位數(shù)據(jù)則向上偏倚；而夏季正交電磁場(chǎng)分量相干度均高于0.75，視電阻率、相位數(shù)據(jù)光滑連續(xù).

2.2 日間和夜間數(shù)據(jù)

即使在同一天內(nèi)，天然電磁場(chǎng)的信號(hào)強(qiáng)度仍隨觀測(cè)時(shí)段而變化.為比較不同時(shí)段信號(hào)強(qiáng)度的差異及其對(duì)AMT數(shù)據(jù)的影響，部署了相關(guān)實(shí)驗(yàn).

測(cè)點(diǎn)S1點(diǎn)位于空地中，地勢(shì)平坦，表層覆蓋泥土，目視范圍內(nèi)無明顯干擾源.圖3給出了該測(cè)點(diǎn)日間與夜間的觀測(cè)結(jié)果對(duì)比，觀測(cè)季節(jié)均在秋季.可以看出，無論夜間或日間，電磁場(chǎng)的功率譜數(shù)據(jù)在5k～1kHz的范圍內(nèi)均極低，極小值約在3kHz左右.100～10Hz范圍內(nèi)，日間、夜間的功率譜數(shù)值基本相當(dāng)，而在10k～100Hz范圍內(nèi)夜間功率幅值強(qiáng)于日間，兩個(gè)極小值的差異接近1個(gè)數(shù)量級(jí).由此引起了AMT數(shù)據(jù)的畸變與差異.在3600～1100Hz內(nèi)，日間正交電磁場(chǎng)分量相干度極低，極小值小于0.8，視電阻率數(shù)據(jù)向下偏倚，相位數(shù)據(jù)連續(xù)性差；而夜間正交電磁場(chǎng)分量相干度接近于1，視電阻率、相位數(shù)據(jù)光滑連續(xù).

圖1 實(shí)驗(yàn)區(qū)地形圖與實(shí)驗(yàn)點(diǎn)、線部署Fig.1 Layout of experiment sites and AMT survey line on a topographic map

圖2 測(cè)點(diǎn)S5秋季（A，2012－09－30）與夏季（B，2012－07－31）觀測(cè)結(jié)果對(duì)比其中Hy、Hx分別表示y方向和x方向的磁場(chǎng)分量，Ex、Ey分別表示x方向和y方向的電場(chǎng)分量，Cxy表示Ex和Hy的相干度，Cyx表示Ey和Hx的相干度，ρxy、ρyx分別表示xy方向和yx方向的阻抗視電阻率，φxy、φyx分別表示xy方向和yx方向的阻抗相位.（a1，b1）秋季、夏季觀測(cè)磁場(chǎng)平均振幅；（a2，b2）秋季、夏季觀測(cè)電場(chǎng)平均振幅；（a3，b3）秋季、夏季正交電磁場(chǎng)分量信號(hào)的相關(guān)度；（a4，b4）秋季、夏季觀測(cè)阻抗視電阻率；（a5，b5）秋季、夏季觀測(cè)阻抗相位；（a6，b6）秋季、夏季觀測(cè)相位張量.Fig.2 Data observed in the autumn season（A，2012－09－30）in comparison with that in the summer season（B，2012－07－31），at the site S5in Fig.1Hyand Hxis the horizontal magnetic field in yand xdirection respectively，Exand Eyis the horizontal electric field in xand ydirection respectively，Cxyrepresents coherence of Exand Hy，Cxyrepresents coherence of Eyand Hx，ρxy，ρyx，φxy，φyxrepresent the two direction apparent resistivities and phases respectively.（a1，b1）Average amplitude of magnetic field observed in autumn and summer；（a2，b2）Average amplitude of electric field observed in autumn and summer；（a3，b3）Signal coherence observed in autumn and summer；（a4，b4）Apparent resistivity observed in autumn and summer；（a5，b5）Impedance phase observed in autumn and summer；（a6，b6）Phase tensor observed in autumn and summer.

綜合圖2、3，并通過其他大量野外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的歸納，AMT頻域數(shù)據(jù)在“死頻帶”內(nèi)的畸變特征可做如下總結(jié)：1）影響時(shí)段：夏季受影響程度弱，冬季強(qiáng)；夜間受影響程度弱，日間強(qiáng)；實(shí)際上，夏季或秋冬季夜間的測(cè)量結(jié)果質(zhì)量較高，畸變影響不明顯；2）影響頻段：可達(dá)10k～100Hz，以5k～1kHz頻段最為明顯；總體來說，秋冬季受影響的頻段更寬，背景噪聲強(qiáng)的測(cè)區(qū)受影響的頻段更寬；3）信號(hào)特征：電磁場(chǎng)分量振幅譜曲線在該頻段呈“U”型，極小值一般在3k～2kHz范圍內(nèi)；且一般的，正交分量的信號(hào)相干度極低，表明了在該頻段內(nèi)數(shù)據(jù)的低信噪比；4）“死頻帶”阻抗視電阻率、相位數(shù)據(jù)特征：一般表現(xiàn)為曲線脫節(jié)或不光滑，并且視電阻率曲線受影響大，而相位受影響相對(duì)較??；視電阻率曲線常表現(xiàn)為向下（數(shù)據(jù)減?。┢谢蛎摴?jié)，也有部分?jǐn)?shù)據(jù)表現(xiàn)為向上（數(shù)據(jù)增大）偏倚或脫節(jié)；部分測(cè)點(diǎn)視電阻率、相位數(shù)據(jù)的估計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏差較大.

圖3 測(cè)點(diǎn)S1日間（A，BJT 2012－09－26 07∶04∶49—17∶28∶49）與夜間（B，BJT 2012－09－26 18∶04∶49—2012－09－27 07∶01∶31）觀測(cè)結(jié)果對(duì)比（圖例及圖名意義與圖2相同）Fig.3 Data observed in the daytime（A，BJT 2012－09－26 07∶04∶49—17∶28∶49）in comparison with that in the nighttime（B，BJT 2012－09－26 18∶04∶49—2012－09－27 07∶01∶31），site S1，the meaning of the legend and title is same as Fig.2

3 Rhoplus方法處理AMT“死頻帶”數(shù)據(jù)畸變

AMT“死頻帶”內(nèi)阻抗視電阻率、相位數(shù)據(jù)的嚴(yán)重畸變會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的反演結(jié)果.因此，必須進(jìn)行相應(yīng)的校正，以下討論Rhoplus方法對(duì)這一問題的處理.關(guān)于Rhoplus理論部分Parker已有詳細(xì)闡述（Parker，1980；Parker and Whaler，1981；Parker and Booker，1996），此處不再贅述.

3.1 Rhoplus方法的適用性

Rhoplus方法的適用性需從兩方面考慮：

其一，地電維性條件.理論上，Rhoplus是基于一維模型提出的反演方法，Parker指出（Parker and Booker，1996），其適用條件是一維（1D）及二維（2D）TM模式.因此，應(yīng)用本方法前，對(duì)所需處理的AMT數(shù)據(jù)進(jìn)行維性判別是必要的.電性結(jié)構(gòu)維性判別有很多方法，如二維偏離度Skew維性指示因子（Swift Jr，1967），GB分解（Groom et al.，1989），WALDIM 分析（Martíet al.，2009）等，Caldwell等（2004）提出的相位張量的方法，可以有效的避免淺層電性不均勻體的影響，提供更為可靠的維性分析結(jié)果.在本文中，采用相位張量的方法進(jìn)行維性分析，對(duì)1D及2D的TM模式數(shù)據(jù)，可以進(jìn)行Rhoplus處理.

實(shí)際應(yīng)用中，信號(hào)低值期間采集結(jié)果的相位張量在“死頻帶”會(huì)出現(xiàn)畸變，并導(dǎo)致錯(cuò)誤的維性分析結(jié)果.但注意到，“死頻帶”前后相鄰頻段的相位張量不受畸變影響，維性分析結(jié)果可靠.在構(gòu)造最小化的假設(shè)下，可推斷“死頻帶”內(nèi)維性的變化處于前后頻段的過渡狀態(tài).如圖2（a6，b6）和圖3（a6，b6）中的相位張量分析，“死頻帶”前后相鄰頻段呈明顯的1D分布，由此可推測(cè)在“死頻帶”內(nèi)數(shù)據(jù)同樣應(yīng)呈1D分布.夜間采集結(jié)果證明了這一推測(cè)，同時(shí)表明了Rhoplus處理該測(cè)點(diǎn)“死頻帶”數(shù)據(jù)的可行性.事實(shí)上，作者在安徽、內(nèi)蒙等地進(jìn)行的大量實(shí)測(cè)AMT數(shù)據(jù)表明，多數(shù)情況下AMT數(shù)據(jù)在高頻段呈現(xiàn)出1D電性特征，Rhoplus處理AMT“死頻帶”問題是適用的.

其二，原始數(shù)據(jù)質(zhì)量.原始數(shù)據(jù)質(zhì)量的要求是一個(gè)共性的問題，數(shù)據(jù)質(zhì)量極低時(shí)，大多數(shù)處理方法均無能為力.Rhoplus處理對(duì)AMT“死頻帶”內(nèi)的數(shù)據(jù)質(zhì)量要求不高，但為了得到合適的R＋模型（Parker and Booker，1996），對(duì)整體數(shù)據(jù)質(zhì)量提出了要求.一般的，只要“死頻帶”前后相鄰頻段具有一定頻率的高質(zhì)量數(shù)據(jù)，就可得到合理的處理數(shù)據(jù)；或者阻抗視電阻率、相位有一條曲線質(zhì)量較高，也可恢復(fù)出較為合理的結(jié)果.

AMT測(cè)量及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)常具備以下特點(diǎn)：1）一般的AMT觀測(cè)設(shè)備在10k～100Hz的頻率范圍內(nèi)均有較好的傳感器響應(yīng)；2）由于采樣頻率高，野外觀測(cè)時(shí)會(huì)保證在高頻段有充足的疊加次數(shù)；3）AMT數(shù)據(jù)在10k～6kHz以及800～100Hz內(nèi)信號(hào)較強(qiáng)，數(shù)據(jù)質(zhì)量較高；4）相位數(shù)據(jù)受“死頻帶”畸變影響相對(duì)較?。?）人工源噪聲的影響常常在更低的頻段（Qian and Pedersen，1991；湯井田等，2013），如10～0.1Hz.因此，Rhoplus處理對(duì)于數(shù)據(jù)質(zhì)量的要求通常是可以滿足的.僅在部分信噪比極低的測(cè)區(qū)，會(huì)出現(xiàn)無法達(dá)到以上條件的情況，進(jìn)而降低Rhoplus處理的效果.

3.2 關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1 擬合頻率范圍的選擇

擬合頻率范圍的選擇與適用性問題相關(guān).由于Rhoplus處理適用于1D模型，故可根據(jù)維性分析結(jié)果選擇需處理的頻段.有時(shí)希望Rhoplus在處理“死頻帶”的同時(shí)，對(duì)工頻或其他頻段的不連續(xù)同時(shí)進(jìn)行處理，則可以選擇整體擬合，也可以進(jìn)行分段擬合.大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的處理表明，在高、中頻段（10k～10Hz），Rhoplus處理可以得到滿意的結(jié)果.

3.2.2 頻點(diǎn)數(shù)據(jù)的刪選

數(shù)據(jù)的刪選處理是影響結(jié)果的關(guān)鍵因素之一.Rhoplus方法允許對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行刪選，進(jìn)而影響所得的反演模型與預(yù)測(cè)數(shù)據(jù).對(duì)于“死頻帶”數(shù)據(jù)，直接剔除某一頻段（如1k～5kHz）內(nèi)的視電阻率或相位數(shù)據(jù)的考慮顯然不合理，不僅無法有效的識(shí)別和利用數(shù)據(jù)，而且可能會(huì)帶來錯(cuò)誤的處理結(jié)果.完全依靠人工處理，則增加了工作量，且會(huì)引入主觀因素.信號(hào)功率譜、相干度等數(shù)據(jù)與“死頻帶”畸變數(shù)據(jù)的頻段、頻點(diǎn)有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以利用這些參數(shù)作為視電阻率、相位數(shù)據(jù)刪選的依據(jù).這種處理一方面有量化標(biāo)準(zhǔn)，另一方面也為批量處理提供了一種可能的途徑.信號(hào)功率譜的強(qiáng)弱雖然是造成“死頻帶”數(shù)據(jù)畸變的直接原因，但如以之作參考卻難以實(shí)用，一方面需要考慮電場(chǎng)、磁場(chǎng)兩個(gè)參數(shù)，另一方面，其閾值的設(shè)定與頻段的選擇相對(duì)復(fù)雜.相干度是衡量電磁場(chǎng)信號(hào)相關(guān)性的參數(shù)（Reddy and Rankin，1974），也常用于阻抗數(shù)據(jù)的估計(jì)（Egbert et al.，1996）與數(shù)據(jù)質(zhì)量的評(píng)價(jià)（Weckmann et al.，2005）.其取值范圍為［0，1］，可以方便的設(shè)置閾值.

在本文中，將相干度數(shù)據(jù)作為Rhoplus處理時(shí)數(shù)據(jù)初選的標(biāo)準(zhǔn).根據(jù)不同的噪聲類型和水平，設(shè)置相應(yīng)的相干度閾值，將低于閾值的頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的視電阻率、相位數(shù)據(jù)同時(shí)或分別剔除，可快速自動(dòng)完成數(shù)據(jù)刪選工作，得到初步處理結(jié)果.實(shí)際處理中，相干度閾值設(shè)置時(shí)，既可以全頻段統(tǒng)一，也可以分頻段設(shè)置，由于數(shù)據(jù)在不同頻段信噪比本身就存在差異，故后一種考慮更為實(shí)用.對(duì)于AMT“死頻帶”處理，一般可僅在10k～100Hz內(nèi)設(shè)置閾值刪選數(shù)據(jù).

部分情況下，相干度自動(dòng)處理會(huì)得到不合理的結(jié)果.如當(dāng)信號(hào)中存在很強(qiáng)的相關(guān)噪聲時(shí)，會(huì)使相干度值增大乃至接近于1，使得自動(dòng)處理無法給出合理的刪選結(jié)果.此時(shí)需要輔以“人機(jī)交互”的手段，進(jìn)行人工挑選，使結(jié)果更可控，以得到更合理的結(jié)果.“人機(jī)交互”處理實(shí)用化的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)開發(fā)一套易于操作的、界面友好的交互式軟件.

3.2.3 處理結(jié)果的評(píng)價(jià)

目前，對(duì)AMT數(shù)據(jù)質(zhì)量的評(píng)價(jià)主要依賴于對(duì)阻抗視電阻率、相位曲線連續(xù)性的判斷.國(guó)內(nèi)有成文的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，如石油大地電磁測(cè)深法技術(shù)規(guī)程（SYT 5820－1999）（國(guó)家石油和化學(xué)工業(yè)局，1999）、地質(zhì)礦產(chǎn)大地電磁測(cè)深法技術(shù)規(guī)程（DZ＿T 0173－1997）（中華人民共和國(guó)地質(zhì)礦產(chǎn)部，1997），以阻抗視電阻率、相位數(shù)據(jù)曲線的連續(xù)性以及標(biāo)準(zhǔn)偏差等參數(shù)進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià).參照這些標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)要求對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)中的高質(zhì)量數(shù)據(jù)予以保持，即可判斷Rhoplus處理結(jié)果的質(zhì)量.

如前所述，“死頻帶”阻抗視電阻率、相位數(shù)據(jù)在日間、秋冬季受到了畸變影響，而在夜間、夏季受影響較小，曲線形態(tài)明確，質(zhì)量較高.因此，為評(píng)價(jià)Rhoplus處理的有效性，本文將夜間或夏季的實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)作為Rhoplus處理結(jié)果評(píng)價(jià)的依據(jù).

3.2.4 處理流程

綜上所述，Rhoplus處理AMT“死頻帶”數(shù)據(jù)的流程如下：

①適用性分析之原始數(shù)據(jù)質(zhì)量分析：評(píng)價(jià)測(cè)點(diǎn)原始數(shù)據(jù)質(zhì)量，判斷條件A：“死頻帶”前后相鄰頻段具有一定頻率的高質(zhì)量數(shù)據(jù)，B：阻抗視電阻率、相位有一條曲線質(zhì)量較高；是否滿足A和B或其中之一，若滿足，繼續(xù)；

②適用性分析之維性分析：利用AMT數(shù)據(jù)和相位張量等工具，進(jìn)行電性維性分析；“死頻帶”內(nèi)阻抗數(shù)據(jù)產(chǎn)生畸變，無法得出正確的維性結(jié)果，可根據(jù)相鄰的更高頻段（如10k～5kHz）和更低頻段（如1k～100Hz）的維性分析結(jié)果對(duì)“死頻帶”內(nèi)的數(shù)據(jù)維性進(jìn)行推測(cè)；根據(jù)維性分析結(jié)果，選擇合適的處理頻段，一般情況下，1D和2D數(shù)據(jù)均可進(jìn)行處理嘗試；

③數(shù)據(jù)刪選之相干度閾值法：在選定的處理頻段內(nèi)，設(shè)置統(tǒng)一的或分頻段相異的相干度閾值，自動(dòng)剔除低于閾值的數(shù)據(jù)，使用保留的數(shù)據(jù)參與Rhoplus反演計(jì)算；完成后進(jìn)行⑤；

④ 數(shù)據(jù)刪選之“人機(jī)交互”方法：人工判斷并挑選可以參加Rhoplus反演計(jì)算的視電阻率、相位頻點(diǎn)數(shù)據(jù)，完成后進(jìn)行⑤；

⑤Rhoplus反演與預(yù)測(cè)（Parker and Booker，1996）；

⑥結(jié)果評(píng)價(jià)：判斷阻抗視電阻率、相位數(shù)據(jù)曲線的連續(xù)性，如果校正后的數(shù)據(jù)在“死頻帶”連續(xù)性好，曲線光滑，同時(shí)未受畸變影響的數(shù)據(jù)得到了最大程度的保留，曲線整體符合測(cè)區(qū)的地電認(rèn)識(shí)和觀測(cè)預(yù)期，可以認(rèn)為處理結(jié)果有效，進(jìn)行⑦；否則進(jìn)行④；

⑦ 處理完成，保存數(shù)據(jù).

圖4給出了相應(yīng)的處理流程圖.

圖4 Rhoplus處理AMT“死頻帶”數(shù)據(jù)流程圖Fig.4 The flow chart of the distortion data correction in the AMT dead band by Rhoplus method

3.3 實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)

3.3.1 與參考數(shù)據(jù)的對(duì)比

為驗(yàn)證Rhoplus處理方法的有效性，對(duì)實(shí)測(cè)的含“死頻帶”畸變的數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，同時(shí)以夜間或夏季未受畸變影響的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為參考，對(duì)處理結(jié)果加以評(píng)價(jià).

圖5為部分實(shí)驗(yàn)點(diǎn)畸變數(shù)據(jù)Rhoplus處理前后的結(jié)果.其中，數(shù)據(jù)的刪選利用相干度閾值自動(dòng)進(jìn)行，10k～100Hz內(nèi)閾值設(shè)置為0.85，計(jì)算時(shí)剔除相干度小于閾值的頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的原始視電阻率、相位數(shù)據(jù).

圖5a中測(cè)點(diǎn)S1代表了“死頻帶”數(shù)據(jù)畸變的一個(gè)典型.待處理數(shù)據(jù)（日間觀測(cè)結(jié)果）視電阻率向下偏倚、相位不連續(xù)特征明顯，且這些頻點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的相干度數(shù)據(jù)較低.相干度閾值自動(dòng)刪選十分準(zhǔn)確地剔除了受到畸變影響的頻點(diǎn)數(shù)據(jù).處理結(jié)果與參考數(shù)據(jù)（夜間觀測(cè)結(jié)果）吻合很好，表明處理結(jié)果是可信的.

圖5b中測(cè)點(diǎn)S2代表了另一個(gè)典型.待處理數(shù)據(jù)（日間觀測(cè)結(jié)果）視電阻率向上偏倚，相位脫節(jié)無形態(tài)，而畸變數(shù)據(jù)頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的相干度數(shù)據(jù)仍然較高.相干度閾值自動(dòng)刪選并未很好地剔除受到畸變影響的頻點(diǎn)數(shù)據(jù).盡管如此，自動(dòng)處理的結(jié)果仍是可以接受的，視電阻率與參考數(shù)據(jù)（夜間觀測(cè)結(jié)果）吻合較好，相位稍差.

圖5 實(shí)驗(yàn)點(diǎn)處理結(jié)果（其中數(shù)據(jù)刪選采用相干度閾值自動(dòng)處理方式）（a）、（b）、（c）、（d）、（e）分別代表不同的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，其位置見圖1.Fig.5 Processing results of typical observation data by Rhoplus method（data selection was automatically performed by using coherence thresholds for these sites）（a），（b），（c），（d）and（e）show different experiment sites respectively，F(xiàn)ig.1shows the location of the sites.

圖5c中測(cè)點(diǎn)S3代表了數(shù)據(jù)畸變較隱蔽的情況.待處理的ρxy數(shù)據(jù)（日間觀測(cè)結(jié)果）在5k～1kHz范圍內(nèi)僅有2個(gè)頻點(diǎn)的視電阻率數(shù)據(jù)發(fā)生了明顯的脫節(jié)，其余頻點(diǎn)數(shù)據(jù)以及相位φxy曲線均連續(xù)，未表現(xiàn)出明顯的畸變特征.但對(duì)比參考數(shù)據(jù)（夜間觀測(cè)結(jié)果），不難發(fā)現(xiàn)日間數(shù)據(jù)在5k～1kHz范圍內(nèi)各頻點(diǎn)均存在畸變，且畸變數(shù)據(jù)與參考數(shù)據(jù)差異顯著.Rhoplus處理利用AMT“死頻帶”前后頻段的高質(zhì)量數(shù)據(jù)，有效識(shí)別出了AMT“死頻帶”內(nèi)的隱蔽畸變，校正結(jié)果與未受畸變的參考數(shù)據(jù)吻合，結(jié)果可信.事實(shí)上，作者在安徽等地的大量觀測(cè)表明，“死頻帶”內(nèi)阻抗視電阻率、相位數(shù)據(jù)的畸變并不總是特征明顯，曲線的連續(xù)性和標(biāo)準(zhǔn)偏差等參數(shù)難以完全表征其畸變特征.如將這些特征并不明顯的畸變數(shù)據(jù)作為高質(zhì)量數(shù)據(jù)看待，會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的處理.而如圖5c所示，Rhoplus為此情況提供了一種更有效的識(shí)別和處理手段.

圖5d中測(cè)點(diǎn)S4代表了極低信噪比導(dǎo)致數(shù)據(jù)嚴(yán)重畸變的情況.待處理的數(shù)據(jù)（日間觀測(cè)結(jié)果）“死頻帶”影響頻率范圍寬（約6k～700Hz），視電阻率數(shù)據(jù)脫節(jié)無形態(tài)，誤差大，相位數(shù)據(jù)連續(xù)性低，畸變數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的相干度數(shù)值也無明顯規(guī)律，高低并存.Rhoplus自動(dòng)處理取得了相對(duì)滿意的效果，視電阻率與參考數(shù)據(jù)（夜間觀測(cè)結(jié)果）基本一致，相位稍差.

圖5e給出了圖2中秋季“死頻帶”數(shù)據(jù)畸變的典型測(cè)點(diǎn)S5的處理結(jié)果，其參考數(shù)據(jù)為夏季測(cè)量結(jié)果.Rhoplus處理獲得了滿意的結(jié)果，僅ρyx的處理結(jié)果在3k～1kHz間與參考數(shù)據(jù)稍有差異.不難發(fā)現(xiàn)，其原因是參考數(shù)據(jù)在3k～1kHz間同樣產(chǎn)生了輕微的畸變，數(shù)據(jù)質(zhì)量較低，而Rhoplus處理結(jié)果更可信.

從圖5中可以看出，盡管基于相干度閾值的Rhoplus方法?？傻玫綕M意的處理結(jié)果，但相干度數(shù)據(jù)與畸變數(shù)據(jù)的頻點(diǎn)并非總是對(duì)應(yīng)的.這是由觀測(cè)數(shù)據(jù)中含有的相關(guān)噪聲所引起.這種不對(duì)應(yīng)有時(shí)會(huì)使得基于相干度閾值的Rhoplus方法處理失敗，需要輔以“人機(jī)交互”的手段進(jìn)行重新處理，圖6中測(cè)點(diǎn)S6的處理即為一例.基于相干度閾值的Rhoplus方法對(duì)ρxy，φxy畸變數(shù)據(jù)的處理獲得了滿意的結(jié)果，與參考數(shù)據(jù)較為吻合.而ρyx，φyx數(shù)據(jù)則處理失敗，自動(dòng)Rhoplus處理的曲線明顯不合符預(yù)期，且與高頻端（10k～5kHz）的高質(zhì)量數(shù)據(jù)不符.這是因?yàn)椤八李l帶”內(nèi)畸變數(shù)據(jù)的相干度值較高，使得基于相干度閾值的自動(dòng)數(shù)據(jù)刪選方法失效.此時(shí)采用“人機(jī)交互”的手段，可以方便的剔除“死頻帶”內(nèi)的明顯畸變數(shù)據(jù)，其處理結(jié)果符合預(yù)期，并且與參考數(shù)據(jù)形態(tài)相符、數(shù)值接近，表明結(jié)果合理.

需要指出，測(cè)點(diǎn)S6的觀測(cè)數(shù)據(jù)中，待處理的視電阻率數(shù)據(jù)（秋季觀測(cè)結(jié)果）與參考數(shù)據(jù)（夏季觀測(cè)結(jié)果）間出現(xiàn)了細(xì)微的差別，觀測(cè)曲線在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下略有平移.考慮到觀測(cè)時(shí)間相隔較久，且夏季測(cè)量時(shí)段前后下雨頻繁，可能引起了地表接地環(huán)境的變化.因此，兩次觀測(cè)的視電阻率曲線出現(xiàn)了平移差異，相位數(shù)據(jù)在高頻端和低頻端出現(xiàn)不一致，并引起了相位張量數(shù)據(jù)的差異.由此導(dǎo)致的Rhoplus處理結(jié)果與參考數(shù)據(jù)數(shù)值上的總體差異是可以理解的.

此外，圖6中測(cè)點(diǎn)S6的夏季觀測(cè)數(shù)據(jù)相位張量分析結(jié)果表明，該測(cè)點(diǎn)在高頻段呈現(xiàn)出2D／3D電性分布.盡管理論上尚需討論適用性問題，但實(shí)際處理結(jié)果表明，此時(shí)Rhoplus處理仍獲得了可信的精度.

3.3.2 剖面處理效果

圖7給出了L1測(cè)線（見圖1）實(shí)測(cè)AMT測(cè)線Rhoplus處理前后擬斷面圖對(duì)比.可以看出，處理前的數(shù)據(jù)無論是TE模式或TM模式，在高頻段（10k～800Hz）頻域（即剖面縱向）連續(xù)性較差，而空間域（即剖面橫向）也表現(xiàn)出了過多的細(xì)節(jié)，出現(xiàn)了許多極大或極小的孤點(diǎn)，其中5k～1kHz最為嚴(yán)重；即為AMT“死頻帶”的影響.同時(shí)工頻（50Hz）處在剖面上也出現(xiàn)了明顯的高值帶，是脫節(jié)“飛點(diǎn)”或數(shù)據(jù)偏倚的表現(xiàn).經(jīng)過Rhoplus處理后，在頻域，剖面變得更加連續(xù)，在空間域，消除了畸變細(xì)節(jié)的影響，極大、極小值孤點(diǎn)也得以消除，表明AMT“死頻帶”數(shù)據(jù)得到了有效的校正，同時(shí)對(duì)工頻的“飛點(diǎn)”或偏倚也進(jìn)行了校正處理.總體上看，Rhoplus處理后的剖面保留了原始觀測(cè)數(shù)據(jù)剖面的整體特征，消除了AMT“死頻帶”和工頻的畸變信息，更加接近真實(shí)數(shù)據(jù).

圖7中對(duì)剖面的TE、TM數(shù)據(jù)均進(jìn)行了處理.盡管如前所述，理論上，Rhoplus處理嚴(yán)格的適用條件是1D模型及2D模型的TM模式數(shù)據(jù)，但如圖7所示，對(duì)實(shí)際數(shù)據(jù)而言，針對(duì)2D模型TE模式數(shù)據(jù)的處理同樣取得了滿意的結(jié)果.

綜上，利用基于相干度閾值輔以“人機(jī)交互”進(jìn)行數(shù)據(jù)刪選的Rhoplus方法可以對(duì)AMT“死頻帶”的畸變阻抗視電阻率、相位數(shù)據(jù)進(jìn)行可信的校正，校正后的結(jié)果形態(tài)明確，曲線連續(xù)光滑，與實(shí)測(cè)高質(zhì)量參考數(shù)據(jù)基本一致，同時(shí)保留了其他頻段的高質(zhì)量數(shù)據(jù).

值得指出，利用本文的方法，作者近年對(duì)大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（如長(zhǎng)江中下游地區(qū)所獲取的數(shù)千個(gè)AMT實(shí)測(cè)點(diǎn)）進(jìn)行了處理，取得了滿意的效果，證明了本方法的實(shí)用性和一般性.

圖6 測(cè)點(diǎn)S6處理與對(duì)比結(jié)果（其中數(shù)據(jù)刪選采用相干度閾值與人機(jī)交互相結(jié)合的方式）（a1，b1）xy、yx方向視電阻率；（a2，b2）xy、yx方向阻抗相位；（a3，b3）xy、yx方向信號(hào)相干度；（c1，c2）秋季、夏季相位張量.Fig.6 Processing results of data from site 6by Rhoplus method（data selection was performed by using coherence thresholds and manual work）（a1，b1）Apparent resistivity of xy、yxdirection；（a2，b2）Impedance phase of xy、yxdirection；（a3，b3）Signal coherence of xy、yxdirection；（c1，c2）Phase tensor observed in autumn and summer.

4 結(jié)論

1）AMT“死頻帶”內(nèi)頻域數(shù)據(jù)的畸變特征明顯，主要表現(xiàn)為：影響頻段可達(dá)10k～100Hz，以5k～1kHz頻段最為明顯.電磁場(chǎng)振幅譜曲線在該頻段呈“U”型，極小值常在3k～2kHz范圍內(nèi)，且一般的，正交分量的信號(hào)相干度和信噪比極低；視電阻率、相位曲線表現(xiàn)為脫節(jié)或不光滑，部分測(cè)點(diǎn)伴隨有較大的標(biāo)準(zhǔn)偏差，并且視電阻率曲線受影響大，而相位受影響較小.

2）在長(zhǎng)江中下游地區(qū)，就AMT“死頻帶”畸變的影響時(shí)段和影響程度而言，夏季受影響程度弱，秋冬季強(qiáng)，夜間受影響程度弱，日間強(qiáng).在夜間和夏季進(jìn)行施工采集，可有效避免AMT“死頻帶”數(shù)據(jù)的畸變，獲取更高質(zhì)量的原始數(shù)據(jù).

3）Rhoplus處理的適用性要求包含原始數(shù)據(jù)質(zhì)量與地電維性兩方面.根據(jù)維性分析結(jié)果選擇擬合頻段，對(duì)呈1D或2DTM模式的數(shù)據(jù)頻段可以進(jìn)行Rhoplus處理；當(dāng)“死頻帶”前后相鄰頻段具有一定頻率的高質(zhì)量數(shù)據(jù)或者阻抗視電阻率、相位有一條曲線質(zhì)量較高時(shí)，Rhoplus處理可以取得較好的效果.長(zhǎng)江中下游地區(qū)實(shí)測(cè)AMT數(shù)據(jù)的相位張量橢圓分析表明，該地區(qū)淺部地電維性主要呈現(xiàn)為1D或接近1D特征，Rhoplus處理AMT“死頻帶”是適用的.

4）Rhoplus方法可以對(duì)AMT“死頻帶”畸變數(shù)據(jù)進(jìn)行快速有效的校正，同時(shí)在其他頻段保留高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，改善低質(zhì)量數(shù)據(jù).基于相干度閾值的數(shù)據(jù)刪選策略減少了主觀因素的影響，為數(shù)據(jù)批處理提供了一種相對(duì)有效的途徑.然而，結(jié)果評(píng)價(jià)必須同時(shí)進(jìn)行，對(duì)不合理的結(jié)果輔以“人機(jī)交互”的手段重新處理.致謝安徽省國(guó)土廳、安徽省地調(diào)院對(duì)野外采集工作給予了指導(dǎo)和幫助，中南大學(xué)張林成、原源、唐冬春、陳旭日、劉子杰、胡雙貴、劉祥和張超等參加了野外采集與室內(nèi)處理工作，作者感謝Parker R L提供的Rhoplus處理程序.審稿專家給出了十分中肯的建議和意見，在此一并表示感謝.

圖7 實(shí)測(cè)AMT測(cè)線（圖1中L1）Rhoplus處理前后擬斷面圖對(duì)比（a1，b1）TE、TM 模式觀測(cè)剖面；（a2，b2）TE、TM 模式處理剖面.Fig.7 Contrast of the apparent resistivity pseudosection before and after Rhoplus processing of the AMT survey line L1in Fig.1（a1，b1）TE、TM mode observed profile；（a2，b2）TE、TM mode processed profile.

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