大地電磁電場(chǎng)遠(yuǎn)參考道法適用條件及應(yīng)用效果

王培杰，陳小斌，張赟昀，楊靜，董澤義

（1.中國(guó)地震局地質(zhì)研究所，北京 100029；2.應(yīng)急管理部國(guó)家自然災(zāi)害防治研究院，北京 100085；3.山西省地震局臨汾地震監(jiān)測(cè)中心站，山西臨汾 041000）

0 引言

大地電磁法(Magnetotelluric，MT)是一種重要的電磁勘探方法，廣泛應(yīng)用于礦產(chǎn)勘查和深部結(jié)構(gòu)探測(cè)等領(lǐng)域[1-3]。MT研究的是天然電磁場(chǎng)，場(chǎng)源信號(hào)弱，易受噪聲影響。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及應(yīng)用環(huán)境的多樣化，MT面臨的噪聲問(wèn)題越來(lái)越復(fù)雜，如何從含強(qiáng)噪聲的數(shù)據(jù)中獲取高質(zhì)量的MT響應(yīng)是亟需解決的問(wèn)題之一。

遠(yuǎn)參考法(Remote Reference)和穩(wěn)健估計(jì)法(Robust)在MT 時(shí)間序列處理中的噪聲壓制效果較好。Sims 等[4]于1971年首先提出基于最小二乘的張量阻抗估計(jì)算法，奠定了MT 張量處理的基礎(chǔ)。此后，Gamble 等[5-6]和Goubau 等[7-8]在最小二乘法的基礎(chǔ)上提出并發(fā)展了遠(yuǎn)參考道方法，利用遠(yuǎn)參考站的大地電磁數(shù)據(jù)參與互功率譜計(jì)算，代替本站數(shù)據(jù)的自功率譜，基于遠(yuǎn)參考站與本站噪聲不相關(guān)的特點(diǎn)，壓制觀測(cè)點(diǎn)電道和磁道之間的相關(guān)噪聲。之后，Egbert 等[9]和Chave等[10-13]提出并發(fā)展了穩(wěn)健估計(jì)方法(Robust)，通過(guò)降低含噪聲窗口的傅里葉系數(shù)權(quán)重壓制噪聲，減小視電阻率和相位的分散度。通過(guò)對(duì)大量的實(shí)測(cè)資料進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)對(duì)于含強(qiáng)相關(guān)噪聲的數(shù)據(jù)，Robust方法不一定有效，而遠(yuǎn)參考法效果顯著[14]。遠(yuǎn)參考道法需要在遠(yuǎn)離測(cè)點(diǎn)、電磁噪聲較小的地方布設(shè)遠(yuǎn)參考站，與測(cè)點(diǎn)同步采集電磁數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，以遠(yuǎn)參考站的電場(chǎng)或者磁場(chǎng)作為參考道代替本站的電場(chǎng)或者磁場(chǎng)，參與阻抗估計(jì)的計(jì)算。

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，磁場(chǎng)作為遠(yuǎn)參考道效果良好，而電場(chǎng)效果較差，甚至在遠(yuǎn)參考站一般不采集電道信號(hào)，只采集磁道信號(hào)。理論上，電場(chǎng)和磁場(chǎng)都可以作為遠(yuǎn)參考道，但電場(chǎng)信號(hào)嚴(yán)重依賴地質(zhì)構(gòu)造，遠(yuǎn)不如磁場(chǎng)穩(wěn)定[7]。大量研究也表明天然源磁場(chǎng)變化緩慢，在一定范圍內(nèi)是穩(wěn)定的，測(cè)點(diǎn)與遠(yuǎn)參考站之間的磁場(chǎng)相關(guān)性更高[15-16]。隨著電氣化工業(yè)的蓬勃發(fā)展，大地電磁探測(cè)受到的干擾噪聲越來(lái)越強(qiáng)，人們開(kāi)始尋找新的時(shí)間序列處理方法，以便能夠更好地壓制噪聲，比如多個(gè)遠(yuǎn)參考站的陣列處理[17]，但這顯然會(huì)增加大地電磁的野外觀測(cè)成本。根據(jù)相關(guān)電磁理論，電場(chǎng)作為遠(yuǎn)參考道也是一種可行的噪聲壓制方法。本文對(duì)此開(kāi)展了嘗試性研究，對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)合對(duì)方法原理和場(chǎng)源條件的分析，確定了電場(chǎng)遠(yuǎn)參考道的適用條件，并分析其應(yīng)用效果。

1 方法原理

大地電磁的傳輸函數(shù)包括阻抗張量和傾子矢量，阻抗張量的定義為

式中：Ex、Ey和Hx、Hy分別表示觀測(cè)電場(chǎng)和磁場(chǎng);Zxx、Zxy、Zyx、Zyy表示阻抗張量的4個(gè)元素。

阻抗張量的4 個(gè)元素都需要通過(guò)計(jì)算獲得，而電場(chǎng)和磁場(chǎng)的配對(duì)只能建立兩個(gè)線性方程組。因此，僅憑單一極化方向的源是無(wú)法直接求取大地電磁阻抗張量的。對(duì)于研究天然場(chǎng)源的大地電磁法，場(chǎng)源是不斷變化的，因此可以選擇每隔一段時(shí)間形成一個(gè)線性方程組（式(1)），多個(gè)時(shí)間段就會(huì)形成很多個(gè)線性方程組，從而可以采用最小二乘法求解阻抗張量。然而，理論和實(shí)踐都已經(jīng)表明，采用最小二乘法進(jìn)行阻抗張量的求解，可以壓制不相關(guān)的隨機(jī)噪聲，而對(duì)于各通道之間的相關(guān)噪聲無(wú)能為力[7]。

參考道方法是另一種計(jì)算MT 響應(yīng)的方法。這種方法在進(jìn)行最小二乘計(jì)算之前，需首先選擇某個(gè)特定測(cè)點(diǎn)的兩道電場(chǎng)或磁場(chǎng)時(shí)間序列，與待處理測(cè)點(diǎn)的電場(chǎng)、磁場(chǎng)各道時(shí)間序列中相應(yīng)同步的片段進(jìn)行傅里葉變換，在頻率域得到一系列的自（互）功率譜組合，進(jìn)而利用最小二乘法計(jì)算得到大地電磁響應(yīng)函數(shù)。

由于參與阻抗計(jì)算的是功率譜，而功率譜表示的是兩道信號(hào)的相關(guān)度，信號(hào)的相關(guān)度越大，在疊加中的作用越大。因此，信號(hào)處理中利用參考道法可從被污染數(shù)據(jù)中提取有用信號(hào)，即選擇一個(gè)沒(méi)有受到干擾的信號(hào)作為參考模板，通過(guò)相關(guān)分析從被噪聲污染的觀測(cè)數(shù)據(jù)提取有效信號(hào)，這就是大地電磁遠(yuǎn)參考道方法的工作原理。在遠(yuǎn)離測(cè)區(qū)、電磁環(huán)境安靜的地方布設(shè)一個(gè)連續(xù)觀測(cè)的MT 臺(tái)站，利用式(2)獲得最終的大地電磁響應(yīng)。遠(yuǎn)參考道法的計(jì)算過(guò)程對(duì)于傾子矢量也是完全有效的，因此適用于計(jì)算完整的大地電磁傳輸函數(shù)響應(yīng)。

實(shí)踐證明，大地電磁遠(yuǎn)參考道方法是一項(xiàng)非常有效的技術(shù)，對(duì)于提高大地電磁觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量起到了不可替代的作用，已廣泛地應(yīng)用于大地電磁野外觀測(cè)數(shù)據(jù)處理。以往的實(shí)踐認(rèn)為，磁場(chǎng)適合于做遠(yuǎn)參考道處理，而電場(chǎng)在一些近參考道(非本站參考)處理中有時(shí)有效，但不適合做遠(yuǎn)參考道。

鑒于式(2)所表述的遠(yuǎn)參考道法計(jì)算原理本質(zhì)上并不排斥電場(chǎng)遠(yuǎn)參考道法，在大地電磁數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，嘗試以遠(yuǎn)處測(cè)點(diǎn)的電場(chǎng)作為參考道解算大地電磁響應(yīng)函數(shù)，分析其求解結(jié)果的特征，以期發(fā)現(xiàn)有用的信息。

2 MT 電場(chǎng)遠(yuǎn)參考法

以實(shí)測(cè)MT 數(shù)據(jù)分析上述電場(chǎng)遠(yuǎn)參考法應(yīng)用效果。MT 數(shù)據(jù)觀測(cè)采用鳳凰公司生產(chǎn)的MTU-5A 型大地電磁儀，測(cè)點(diǎn)觀測(cè)時(shí)間大于40 h，對(duì)遠(yuǎn)參考點(diǎn)進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)。分別采用本站電場(chǎng)參考（LE）、本站磁場(chǎng)參考（LH）、遠(yuǎn)參考站電場(chǎng)參考（RE）和遠(yuǎn)參考站磁場(chǎng)參考（RH）四種方式對(duì)4 個(gè)測(cè)點(diǎn)（A、B、C、D）的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，阻抗估計(jì)均采用帶參考道的M 回歸加權(quán)最小二乘法[10]。圖1為處理結(jié)果。

圖1 實(shí)測(cè)MT 數(shù)據(jù)采用不同參考道計(jì)算的視電阻率（上）和相位（下）曲線

從遠(yuǎn)參考站自身磁場(chǎng)參考處理（R-LH）的曲線形態(tài)來(lái)看，遠(yuǎn)參考點(diǎn)數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，XY方向和YX方向的視電阻率曲線非常連續(xù)光滑，全頻段不見(jiàn)飛點(diǎn)和曲線畸變;遠(yuǎn)參考站自身電場(chǎng)參考處理（R-LE）的曲線在低于0.1 Hz的低頻段可見(jiàn)明顯畸變，推測(cè)參考站的電道存在噪聲。

從圖1 曲線可以看出，各測(cè)點(diǎn)采用本站處理(LE和LH)得到的曲線在中低頻段都存在畸變現(xiàn)象，其中LE處理結(jié)果的畸變更嚴(yán)重。測(cè)點(diǎn)A 和測(cè)點(diǎn)B經(jīng)RE和RH 處理后得到的數(shù)據(jù)曲線中，畸變現(xiàn)象消除，數(shù)據(jù)質(zhì)量明顯改善，且RH 和RE 處理結(jié)果基本一致。測(cè)點(diǎn)C和D 的處理結(jié)果中，低頻部分受噪聲干擾較嚴(yán)重，其XY方向處理結(jié)果呈明顯的近場(chǎng)特征，即便經(jīng)遠(yuǎn)參考處理也不能很好地改善曲線質(zhì)量。雖然低頻部分處理效果不佳，但是對(duì)于測(cè)點(diǎn)C 的高頻部分，仍能發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)參考道法對(duì)曲線質(zhì)量的改善效果。測(cè)點(diǎn)C 的LH 處理結(jié)果中XY方向曲線質(zhì)量很差，而經(jīng)RE 和RH 處理的結(jié)果中高頻部分曲線光滑且連續(xù)。

上述分析表明：①觀測(cè)數(shù)據(jù)的電道更易受噪聲影響，各測(cè)點(diǎn)LE 處理結(jié)果的質(zhì)量都不及LH 的處理結(jié)果;②即使遠(yuǎn)參考站的電道存在噪聲，以電場(chǎng)數(shù)據(jù)作為遠(yuǎn)參考道也可能提升數(shù)據(jù)處理質(zhì)量(如A 點(diǎn)的RE和B 點(diǎn)的RE 處理結(jié)果);③以電場(chǎng)作為遠(yuǎn)參考道進(jìn)行處理的結(jié)果在高頻段比較穩(wěn)定，各測(cè)點(diǎn)在大于1 Hz的高頻部分RE處理結(jié)果和RH 處理基本一致。

3 AMT 電場(chǎng)遠(yuǎn)參考法

電場(chǎng)遠(yuǎn)參考法對(duì)于大地電磁阻抗張量的計(jì)算具有一定效果，尤其是對(duì)于中、高頻段，其處理效果不比磁場(chǎng)遠(yuǎn)參考法差。電場(chǎng)遠(yuǎn)參考法對(duì)于低頻數(shù)據(jù)處理效果不好，而對(duì)中、高頻數(shù)據(jù)處理效果較好，對(duì)更加高頻的AMT（音頻大地電磁）數(shù)據(jù)是否有更好的處理效果呢？電場(chǎng)遠(yuǎn)參考是否穩(wěn)定有效，其有效性是否也與遠(yuǎn)參考點(diǎn)所在的地電結(jié)構(gòu)有關(guān)呢？下文將對(duì)此進(jìn)行分析。

3.1 常規(guī)AMT 電場(chǎng)遠(yuǎn)參考法

音頻電磁場(chǎng)主要來(lái)源于雷暴，在1k～5k Hz 頻段內(nèi)，天然電磁場(chǎng)信號(hào)處于極低值[18]，被稱為AMT 的“死頻帶”[19]。AMT“死頻帶”的觀測(cè)數(shù)據(jù)信噪比極低，在某些地方的信號(hào)強(qiáng)度甚至低于觀測(cè)設(shè)備最低噪聲響應(yīng)，因此基于單點(diǎn)的常規(guī)阻抗估計(jì)方法效果較差。為了提高AMT 的“死頻帶”觀測(cè)質(zhì)量，一種方法是借鑒Geometrics 公司和EMI 公司聯(lián)合生產(chǎn)的EH4 采集系統(tǒng)，架設(shè)人工源發(fā)射相應(yīng)頻段的信號(hào)加以補(bǔ)充。但實(shí)踐表明，EH4 人工源補(bǔ)充信號(hào)施工不便，效果也不好。另一種方法是選擇電磁環(huán)境安靜、AMT“死頻帶”信噪比也較高的地點(diǎn)布設(shè)遠(yuǎn)參考站，進(jìn)行信號(hào)連續(xù)觀測(cè)，利用信號(hào)相關(guān)性凸顯工區(qū)測(cè)點(diǎn)信號(hào)中的有效部分，提高AMT 觀測(cè)數(shù)據(jù)的信噪比，尤其是“死頻帶”的信噪比。因此，理想的AMT 遠(yuǎn)參考站應(yīng)該選擇“死頻帶”信噪比高、整體數(shù)據(jù)質(zhì)量高的地點(diǎn)布設(shè)。

為了驗(yàn)證高頻電場(chǎng)遠(yuǎn)參考法的有效性，選取了四個(gè)測(cè)點(diǎn)（E、F、G、H）同時(shí)觀測(cè)AMT 數(shù)據(jù)，對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對(duì)比分析其處理結(jié)果。遠(yuǎn)參考點(diǎn)和測(cè)點(diǎn)都位于西藏自治區(qū)那曲市，國(guó)道和鐵路距離測(cè)點(diǎn)600 m，測(cè)點(diǎn)受到一定的人文干擾。遠(yuǎn)參考點(diǎn)距測(cè)點(diǎn)20 km，距離鐵路10 km。四個(gè)測(cè)點(diǎn)共用E測(cè)點(diǎn)的磁道。

圖2 是四個(gè)測(cè)點(diǎn)AMT 數(shù)據(jù)采用不同參考道處理的結(jié)果。可以發(fā)現(xiàn)，各測(cè)點(diǎn)處理結(jié)果都存在明顯的“死頻帶”（5000～1000 Hz）畸變，遠(yuǎn)參考站R1 的處理結(jié)果中，在“死頻帶”除了一個(gè)“飛點(diǎn)”，曲線其余部分非常連續(xù)，是理想的遠(yuǎn)參考站。

圖2 實(shí)測(cè)AMT 數(shù)據(jù)采用不同參考道計(jì)算的視電阻率（上）和相位（下）曲線

在AMT“死頻帶”的觀測(cè)數(shù)據(jù)信噪比低，遠(yuǎn)參考法利用站間信號(hào)的相關(guān)性可凸顯觀測(cè)信號(hào)中的有效信號(hào)部分。天然源信號(hào)強(qiáng)度是隨時(shí)間變化的，在某一時(shí)刻天然場(chǎng)信號(hào)較強(qiáng)時(shí)，遠(yuǎn)參考道法可凸顯這部分信號(hào)，從而提升“死頻帶”數(shù)據(jù)處理結(jié)果。從圖2 中遠(yuǎn)參考處理結(jié)果可知，各測(cè)點(diǎn)的RE和RH 處理結(jié)果都優(yōu)于LE和LH 處理結(jié)果，而RE處理曲線甚至比RH 處理曲線在“死頻帶”的連續(xù)性更好，表明對(duì)于1 Hz以上的高頻信號(hào)，電場(chǎng)遠(yuǎn)參考的效果與磁場(chǎng)遠(yuǎn)參考相差無(wú)幾，甚至可能更好。

以上對(duì)比分析表明，電場(chǎng)遠(yuǎn)參考道法對(duì)于AMT數(shù)據(jù)頻段(100～10000 Hz)的電磁數(shù)據(jù)處理結(jié)果良好。這一認(rèn)識(shí)對(duì)于AMT 野外觀測(cè)及室內(nèi)數(shù)據(jù)處理具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

3.2 分組同步AMT 觀測(cè)的電場(chǎng)互參考法

在AMT 觀測(cè)中，通常采用共用中心磁道方式進(jìn)行觀測(cè)，即在一個(gè)中心點(diǎn)觀測(cè)四分量(Ex、Ey、Hx、Hy)或者五分量(Ex、Ey、Hx、Hy、Hz)的電磁場(chǎng)，而在中心點(diǎn)周邊的幾個(gè)測(cè)點(diǎn)僅觀測(cè)兩分量電場(chǎng)(Ex、Ey)，對(duì)這些測(cè)點(diǎn)同步進(jìn)行電磁數(shù)據(jù)觀測(cè)。在數(shù)據(jù)處理時(shí)，所有測(cè)點(diǎn)共用中心測(cè)點(diǎn)的磁場(chǎng)，測(cè)點(diǎn)E、F、G、H 即是采用這樣的觀測(cè)方式。通常情況下，為了節(jié)省成本，AMT 觀測(cè)并不布設(shè)遠(yuǎn)參考站。有些特殊應(yīng)用場(chǎng)合雖然也會(huì)布設(shè)磁場(chǎng)遠(yuǎn)參考站，但由于多個(gè)測(cè)點(diǎn)共用中心測(cè)點(diǎn)的磁場(chǎng)，如果中心測(cè)點(diǎn)受到的干擾很大，以至于磁場(chǎng)遠(yuǎn)參考道法失效時(shí)，則所有測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)質(zhì)量都會(huì)受到影響，特別是AMT 觀測(cè)點(diǎn)距通常很小，測(cè)點(diǎn)位置固定，不能隨意改動(dòng)，距離干擾源近的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)干擾嚴(yán)重是無(wú)法避免的。根據(jù)前文分析結(jié)果，使用電場(chǎng)作為遠(yuǎn)參考道也能獲得類似磁場(chǎng)遠(yuǎn)參考法同樣的效果。這啟發(fā)了對(duì)于AMT 野外觀測(cè)和后期數(shù)據(jù)處理嘗試新思路：在野外觀測(cè)中，分兩個(gè)組分別在工區(qū)不同的區(qū)域(始終相距較遠(yuǎn))同時(shí)施工，在不影響效率的前提下盡量保持兩組有足夠的重疊時(shí)間，使得兩組數(shù)據(jù)之間可以進(jìn)行互參考計(jì)算。由于各組中心臺(tái)站需要記錄較長(zhǎng)的時(shí)間，因此，兩組之間的電場(chǎng)、磁場(chǎng)互參計(jì)算一般來(lái)說(shuō)是可行的。由于組間距較遠(yuǎn)，這種互參考計(jì)算可以視為一種特殊意義的遠(yuǎn)參考道法。此外，電場(chǎng)遠(yuǎn)參考道法也可以通過(guò)在測(cè)區(qū)中找一個(gè)電磁環(huán)境安靜的測(cè)點(diǎn)布設(shè)連續(xù)觀測(cè)的兩道電場(chǎng)測(cè)站實(shí)現(xiàn)。因?yàn)榇蟛糠智闆r下，對(duì)于AMT 采集來(lái)說(shuō)，4 道或者5 道的采集主站數(shù)量有限，而2 道電場(chǎng)測(cè)站則數(shù)量比較充足，利用一個(gè)2 道電場(chǎng)測(cè)站連續(xù)記錄作為遠(yuǎn)參考道成本較低，可以解決當(dāng)前AMT 數(shù)據(jù)采集因?yàn)槌杀疽蛩囟辉O(shè)遠(yuǎn)參考站的痼疾，可顯著提升AMT觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量。

下面以分組同步觀測(cè)方式采集的AMT 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為例分析其效果。同步觀測(cè)的兩組數(shù)據(jù)組間距為3 km，每組2 個(gè)測(cè)點(diǎn)，其中305 和306 為一組，共用305 測(cè)點(diǎn)的磁道，319 和320 為一組，共用320 的磁道。兩組同時(shí)觀測(cè)，截取4個(gè)測(cè)點(diǎn)重合的30 min數(shù)據(jù)，進(jìn)行互參考處理，處理結(jié)果如圖3所示。圖3中的4個(gè)測(cè)點(diǎn)的LE 和LH 處理結(jié)果在死頻帶數(shù)據(jù)質(zhì)量都非常差，但是經(jīng)過(guò)互參考處理后，曲線質(zhì)量都有明顯改善。從曲線連續(xù)程度、飛點(diǎn)個(gè)數(shù)等方面比較，可以發(fā)現(xiàn)前三個(gè)測(cè)點(diǎn)（305、306、319）的處理結(jié)果中，效果最好的分別是305-RE-319、306-RE-319、319-RE-306。而測(cè)點(diǎn)320 的三個(gè)互參考處理結(jié)果曲線質(zhì)量無(wú)明顯差別，但都比未做互參考的質(zhì)量更好，說(shuō)明電場(chǎng)與磁場(chǎng)都具有參考效果，對(duì)于不同位置和條件的測(cè)點(diǎn)其參考效果不盡相同，即不能簡(jiǎn)單地認(rèn)為高頻電場(chǎng)遠(yuǎn)參考一定比磁場(chǎng)遠(yuǎn)參考的效果更好，具體情況要具體分析。

由此可見(jiàn)，電場(chǎng)遠(yuǎn)參考法對(duì)于這種兩組同時(shí)采集的AMT 數(shù)據(jù)有較好的處理效果，如果某測(cè)點(diǎn)的電道數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，則將其作為電場(chǎng)遠(yuǎn)參考道的處理效果一般較傳統(tǒng)的單點(diǎn)處理結(jié)果好，而且對(duì)于參考點(diǎn)是否采集磁場(chǎng)沒(méi)有要求。值得強(qiáng)調(diào)的是，本文并不否定高頻磁場(chǎng)遠(yuǎn)參考的效果，這種數(shù)據(jù)采集處理方案的優(yōu)勢(shì)在于可以獲得比常規(guī)AMT 采集方案更多的參考道，對(duì)測(cè)點(diǎn)采用不同參考道的遠(yuǎn)參考進(jìn)行處理，可選擇其中的最佳結(jié)果。這種數(shù)據(jù)采集處理方式可在不耗費(fèi)額外資源的情況下，盡可能從現(xiàn)有數(shù)據(jù)集中獲取最佳的處理結(jié)果。雖然需要增加室內(nèi)數(shù)據(jù)處理工作量，但是對(duì)于獲取高質(zhì)量的探測(cè)結(jié)果而言，這部分工作量是完全值得的。

4 討論

以上研究表明，采用電場(chǎng)作為遠(yuǎn)參考道，對(duì)大地電磁野外觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的提升是有一定效果的，尤其是對(duì)于中高頻數(shù)據(jù)，效果非常顯著。與磁場(chǎng)遠(yuǎn)參考道法相比，對(duì)低頻(<1 Hz)數(shù)據(jù)的質(zhì)量改善效果有限，但對(duì)于中高頻段，其遠(yuǎn)參效果良好，有時(shí)甚至比磁道遠(yuǎn)參考更好。為什么會(huì)出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象呢？

由于空氣電導(dǎo)率很低，依據(jù)麥克斯韋方程組，水平磁場(chǎng)在空氣中變化很慢。在地表，水平磁場(chǎng)分量是連續(xù)的，地下一側(cè)的磁場(chǎng)與空氣一側(cè)的磁場(chǎng)相等，因此地表的水平磁場(chǎng)分量變化也非常慢。大地電磁場(chǎng)的場(chǎng)源是空氣一側(cè)向地下傳播的均勻平面電磁波，在電磁波的一個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)，可以認(rèn)為是同源信號(hào)，即有著相同的一次場(chǎng)。而在空氣中，電磁波的波長(zhǎng)很大，例如，頻率為10k Hz的高頻信號(hào)，空氣中的波長(zhǎng)為30 km，頻率為100 Hz的中高頻信號(hào)，空氣中的波長(zhǎng)則為3000 km。因此，不論是高頻還是中低頻，在很大范圍內(nèi)，都可以認(rèn)為有著相同的平面波源。如果大地感應(yīng)的二次場(chǎng)不是特別強(qiáng)，或者二次場(chǎng)對(duì)一次場(chǎng)的平面波特征的影響不是很嚴(yán)重，則在一個(gè)波長(zhǎng)覆蓋范圍內(nèi)，測(cè)點(diǎn)之間的磁場(chǎng)具有較強(qiáng)的相關(guān)性，即相同的一次場(chǎng)源。由于磁場(chǎng)在空氣中變化很慢，因此在電磁波一個(gè)空氣波長(zhǎng)所覆蓋的范圍內(nèi)，即使范圍跨越了很大距離及各種復(fù)雜構(gòu)造區(qū)域，只要參考站所在的局部電性結(jié)構(gòu)不是特別復(fù)雜，作為信號(hào)源的一次場(chǎng)所受二次場(chǎng)的影響不會(huì)很嚴(yán)重，可以用做遠(yuǎn)參考道，利用信號(hào)的相關(guān)性提取同源信號(hào)，從而達(dá)到消除工區(qū)測(cè)點(diǎn)局部強(qiáng)干擾、提高數(shù)據(jù)質(zhì)量的目的。

以上有關(guān)大地電磁場(chǎng)中高頻信號(hào)所覆蓋范圍內(nèi)的大地電性結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低頻所覆蓋范圍內(nèi)的大地電性結(jié)構(gòu)復(fù)雜的討論是從大地電磁響應(yīng)特征出發(fā)的，該認(rèn)識(shí)可根據(jù)大地電磁阻抗張量分解結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。如圖4所示，本文前述的電參考效果比較好的遠(yuǎn)參考站R 和R1 的共軛阻抗一維偏離度和二維偏離度[20]都很小，特別是指示三維結(jié)構(gòu)的二維偏離度大多低于0.1，表明這兩個(gè)遠(yuǎn)參考站下的地電結(jié)構(gòu)都非常簡(jiǎn)單。

圖4 遠(yuǎn)參考站R（左）和R1（右）的共軛阻抗一維和二維偏離度

下面以電磁傳輸函數(shù)（Electromagnetic Transfer Function，EMTF）數(shù)據(jù)集為例分析高、低頻之間的維性差異。EMTF 數(shù)據(jù)集是美國(guó)地震學(xué)研究聯(lián)合會(huì)（Incorporated Research Institutions for Seismology，IRIS）提供的MT 數(shù)據(jù)集（http：//ds.iris.edu/spud/emtf）。下載了8382個(gè)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，對(duì)其偏離度參數(shù)進(jìn)行分頻段統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)圖5。EMTF 數(shù)據(jù)集的測(cè)點(diǎn)遍及全球，樣本數(shù)量足夠大，其統(tǒng)計(jì)結(jié)果可靠性高。共軛阻抗一維偏離度在1 Hz 以上的高頻段一維偏離度主要集中在0.2以下;隨著頻率的降低，一維偏離度逐漸增大。在1 Hz以上的高頻段，共軛阻抗二維偏離度基本在0.1 以下，占比超過(guò)90%?；谧杩箯埩糠纸饧夹g(shù)的構(gòu)造維性分析結(jié)果表明，大地電磁中高頻段的一維偏離度和二維偏離度往往相對(duì)較小，而低頻段一般一維偏離度、二維偏離度相對(duì)較大，這并非意味著深部結(jié)構(gòu)比淺部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而是大地電磁低頻段的影響范圍增大，橫向不均勻性得以凸顯，從而在大地電磁響應(yīng)中顯示出更復(fù)雜的維性。

圖5 EMTF 數(shù)據(jù)集共軛阻抗一維偏離度（上）和二維偏離度（下）統(tǒng)計(jì)圖

這種廣泛存在的高頻低偏離度特征表明實(shí)際工作中高頻電參考具有一定的普適性。根據(jù)上述認(rèn)識(shí)，遠(yuǎn)參考站的選取距離以不大于處理目標(biāo)數(shù)據(jù)中最高頻的1 個(gè)空氣波波長(zhǎng)為限，這個(gè)距離較以往研究中所要求的距離（一般高頻條件下為數(shù)千米，低頻條件下為數(shù)百千米）要大很多。遠(yuǎn)參考站的位置選擇，除了要考慮到通常所要求的電磁環(huán)境安靜、各種干擾小，還要盡量選擇在地下電性結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的地區(qū)，電性結(jié)構(gòu)越簡(jiǎn)單，參考效果越理想。

5 結(jié)論

磁場(chǎng)遠(yuǎn)參考道是一種非常有效的大地電磁數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)，在生產(chǎn)實(shí)踐中得到了廣泛應(yīng)用。與之相比，電場(chǎng)通常認(rèn)為不適宜作為遠(yuǎn)參考。本文通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)電磁數(shù)據(jù)的處理分析發(fā)現(xiàn)，電場(chǎng)作為遠(yuǎn)參考道也是可行的，主要是對(duì)于頻率大于1 Hz的中高頻具有良好的處理效果。

磁場(chǎng)比電場(chǎng)更適合于做常規(guī)MT 遠(yuǎn)參考道的認(rèn)識(shí)，是建立在電場(chǎng)與磁場(chǎng)對(duì)電阻率結(jié)構(gòu)的橫向非均勻性具有不同的感應(yīng)響應(yīng)特征這一理論上的，即電場(chǎng)更易受地下介質(zhì)橫向非均勻性的影響。然而本文的研究表明，雖然電場(chǎng)易受地質(zhì)構(gòu)造的影響，但由于在高頻段電場(chǎng)所能探測(cè)的大地介質(zhì)的范圍較小，電阻率結(jié)構(gòu)的橫向非均勻性不明顯，場(chǎng)源的平面波特性并沒(méi)有很大改變。這種特點(diǎn)無(wú)論是對(duì)于遠(yuǎn)參考站還是工區(qū)測(cè)點(diǎn)都是成立的。因此，電場(chǎng)較適于大地電磁高頻段的遠(yuǎn)參考道處理，而不太適合低頻段數(shù)據(jù)處理。從這個(gè)認(rèn)識(shí)出發(fā)，提出了遠(yuǎn)參考站選取的條件：遠(yuǎn)參考站的距離選取以不大于處理目標(biāo)數(shù)據(jù)中最高頻的1個(gè)空氣波長(zhǎng)為限;遠(yuǎn)參考站的位置選擇，除了要求電磁環(huán)境安靜、各種干擾小，還要求在一個(gè)較大的范圍內(nèi)(以處理目標(biāo)數(shù)據(jù)中最低頻的1個(gè)大地波長(zhǎng)為限)，地下電阻率結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)單、變化小，越接近一維特征效果越理想。

由于電場(chǎng)遠(yuǎn)參考道的上述特點(diǎn)，將其應(yīng)用于AMT 的數(shù)據(jù)處理。結(jié)果發(fā)現(xiàn)采用電場(chǎng)遠(yuǎn)參考道對(duì)于AMT 的“死頻帶”數(shù)據(jù)質(zhì)量具有明顯的改善作用。針對(duì)AMT 特殊的野外觀測(cè)方式，本文提出了分組施工互參的野外觀測(cè)方案，在不增加數(shù)據(jù)采集成本的前提下，可充分利用電場(chǎng)遠(yuǎn)參考道技術(shù)，獲得較好的觀測(cè)數(shù)據(jù)響應(yīng)。這些措施在一定程度上彌補(bǔ)了AMT 為節(jié)省工程成本而一般不布設(shè)遠(yuǎn)參考道的缺陷。

本文研究表明，電場(chǎng)遠(yuǎn)參考道法是一種行之有效的中、高頻大地電磁數(shù)據(jù)采集和處理技術(shù)，具有推廣價(jià)值。