地震數(shù)據(jù)服務子系統(tǒng)的專業(yè)知識-V3[1]0

1、地震數(shù)據(jù)服務子系統(tǒng)的專業(yè)知識一、 極低頻探地工程1. 極低頻電磁探測方法極低頻電磁探測方法，即無線電磁法（Wireless Electro-Magnetic Method），簡稱WEM 法， 是“極低頻探地工程”項目的關鍵技術。該方法的實質是人工源電磁法，輻射場比現(xiàn)有人工源電磁法高出萬倍，可覆蓋數(shù)千公里，具有信噪比高、抗干擾能力強、測量范圍大、探測深度廣的特點。2. 關鍵詞 無線電磁法：WEM 大地/地球電磁法：MT天然信號源 海洋電磁法：Marine EM天然源海洋MT法和人工源可控海洋EM法二、 極低頻探地工程中的基礎知識1. 發(fā)射裝置在陸地上選擇有一定面積、并在一定深度范圍巖石表現(xiàn)為高電

2、阻率的地區(qū) ，在地面架設一條或多條長數(shù)十公里的發(fā)射天線 (或電纜) ， 將每一條天線的兩端分別用大尺度的接地體 (接地電極) 與大地連接。用大功率無線電發(fā)射機通過電纜和接地體向地下發(fā)送正弦波大電流 (一般大于 100A) 。由天線、接地體、大地和發(fā)射機構成了一個交變電流等效“環(huán)路”， 在環(huán)路內變化的電流感應生成交變電磁場。電磁場分布在地球及其周圍空間 ， 并在地面和電離層之間的“波導”中傳播，如圖1所示。圖1 超低頻電磁波發(fā)射原理示意圖2. 時間序列數(shù)據(jù)(1)人工源SLF/ELF電磁波技術通過大功率的發(fā)信臺，在某一時間段內發(fā)射一固定頻率的正弦信號，雖然發(fā)信臺的功率很大，發(fā)射的人工源信號較強，但

3、人工源信號經遠距離傳播后往往淹沒在背景噪聲中，在接收點獲得的電磁場時間序列信號，是既包含有天然電磁場、人工源SLF/ELF信號以及本地環(huán)境噪音的混合信號。(2) 如果能從實測時間序列中提取出發(fā)射頻率的人工源SLF/ELF信號以及整個時間序列中與該頻率對應的天然場源的信號，不僅可以直觀顯示該頻率天然源和人工源電磁波信號的波形變化，也便于長期統(tǒng)計對比接收點背景場的變化。同時，對這種相對穩(wěn)定、單一波形的時間序列，只需要少量數(shù)據(jù)，即可以獲得幅值穩(wěn)定的譜，也為節(jié)省人工源SLF/ELF信號的發(fā)射時間提供理論依據(jù)。(3) 信號提取的方法 窄帶濾波技術：該方法采用窄帶濾波功能的帶通濾波器，主要是利用正弦信號是

4、一種窄帶信號，而噪聲通常占有比較寬的頻帶，信號通過帶通濾波器后，噪聲得到了抑止，從而達到提取信號的目的。但是這種方法無法充分消除通帶內的噪聲。 相關檢測方法：這種濾波方法利用同頻率周期信號相關，而與隨機噪聲不相關達到消除噪聲的目的，但是這種方法需要準確知道人工源信號發(fā)射的起止時間和一定的數(shù)據(jù)量，只有在此情況下才能獲得較好的濾波效果。 自適應濾波技術：自適應濾波理論是在維納濾波、卡爾曼濾波等線性濾波基礎上發(fā)展起來的一種最佳濾波方法。它可以自動地調整自適應濾波系統(tǒng)的參數(shù)使其達到最佳值，在設計時，只需要很少的或根本不需要任何關于信號與噪聲的先驗性知識。3. 超低頻電磁波信號(1) 電場強度輻射方向為

5、時，離開第j段發(fā)射天線一定距離(遠區(qū))的超低頻電磁波的電場強度：其中xyj為主軸方向對應的視電阻率。圖2 發(fā)射天線和輻射場強示意圖整段發(fā)射天線的電場強度為：在地球表面接受的電場強度與發(fā)射信號的頻率、發(fā)射天線長度、天線下方的大地電阻率及與發(fā)射天線的距離有關。(2) 磁場強度地表附近的電場強度和磁場強度的關系為：Z是阻抗因子，對平面波而言，電場和磁場的關系也可以表示為：4. 功率譜密度在確定人工源電場強度和磁場強度的時間序列曲線后，可以采用快速傅立葉分析分別計算對應信號的功率譜密度。(1) 電場功率譜密度(2) 磁場功率譜密度5. 視電阻率和相位(1) 視電阻率的定義：電阻率法中用來反映巖石、礦石

6、導電性變化的參數(shù)。在地下存在多種巖石的情況下，用電阻率法測得的電阻率，不是某一種巖石的真電阻率。它除受各種巖石電阻率的綜合影響外，還與巖石、礦石的分布狀態(tài)(包括一些構造因素)、電極排列等具體情況有關，所以稱它為視電阻率。(2) 計算波阻抗的全部迭加法/選擇迭加法/Robust方法/多次中值法 多次中值法在壓制“飛點”帶來的誤差有特殊的優(yōu)勢。阻抗誤差計算公式為：6. 傾子矢量(1) 傾子矢量描述了磁場的垂直分量與水平分量的關系?；诰鶆蚱矫娌ㄔ吹募僭O，磁場垂直分量是由大地電性結構的橫向不均勻性感應產生，因此傾子矢量主要反映了大地電性構造的水平橫向的變化。(2) 傾子矢量的數(shù)學表達式三、 大尺度三

7、維電性結構快速反演1. 數(shù)據(jù)計算流程：(1) 極低頻電磁波信號通過快速傅里葉變換/小波分析方法得到譜信息 在時間域，通過自適應濾波等技術，提取隨時間變化的單頻信號，可顯示單頻信號的時間特性。 在頻率域，通過譜分析得到振幅譜、功率譜數(shù)據(jù)，并利用標定文件進行譜的標定工作。(2) 經過譜分析和標定工作得到的多個功率譜數(shù)據(jù)按照一定方式進行分組，依據(jù)Robust統(tǒng)計原則進行迭加求平均，得到迭加的功率譜數(shù)據(jù)(3) 迭加功率譜計算的基礎上，首先計算得到阻抗和傾子以及相應的數(shù)據(jù)誤差棒然后再利用阻抗數(shù)據(jù)計算視電阻率和阻抗相位，利用傾子數(shù)據(jù)計算感應矢量。（如果是張量發(fā)射源按，則觀測到阻抗張量和傾子矢量）還可進一步

8、計算地下電性結構的構造維性數(shù)據(jù)。2. 關鍵問題(1) 正演、反演研究實際的地質構造多數(shù)是三維構造，要基于觀測資料獲得更可信的地下構造，需要利用三維正演和反演技術。由于三維反演目前尚不成熟，往往用三維正演技術對資料進行模擬，并利用較成熟的二維反演進行反演解釋。在利用二維反演時，地下的三維構造可能引起資料的各種畸變。由于一般三維正演問題沒有解析解，這就需要采用數(shù)值模擬方法求解其近似解。數(shù)值模擬的方法比較多，在大地電磁正演中應用的比較多的主要是有限差分法（FDM）、積分方程法（IE）、有限單元法（FEM）。(2) 三維張量阻抗計算對大地電磁場源的作用，可以分解為兩個等效的正交場源作用的結果。三維阻抗

9、可以表示為：則三維的視電阻率和相位可以表示為：3. 張量分解方法(1) Swift方法Swift方法是將觀測阻抗進行旋轉，使得阻抗張量的對角元素為零，考慮到實際數(shù)據(jù)一般含有誤差，不可能精確地等于零，一般取對角元素的極小即可，取反對角元素的極大值與此是等價的。滿足上式時，表明阻抗已經旋轉到電性結構的主軸方向，此時的0即為區(qū)域二維結構的主軸方位角，其表達式為上式計算的主軸方位角存在90度的模糊性，即不能區(qū)分是走向角還是傾向角。當0滿足下式時則0就是使取極大值的角度，也就是主軸角，否則090才是主軸角。于是在構造主軸方位上的阻抗張量為4. 相位張量和區(qū)域電性結構關系(1) 一維結構在一維情況下，由阻

10、抗張量Z可以得到相位張量，其中I為單位矩陣，為一維結構的標量阻抗相位。(2) 二維結構在任意觀測坐標系中區(qū)域阻抗為則二維情況下的相位張量為一般在實際應用中，應該尋找=0（在觀測誤差范圍內）和相位張量主軸方向基本不變的一段頻率范圍，在這個頻段范圍內，可以認為區(qū)域電性結構是二維。注意當局部畸變存在時，有的研究者指出區(qū)域主軸角只能由相位數(shù)據(jù)確定，因為當區(qū)域阻抗受到電場畸變時，其振幅將發(fā)生改變，因此不能由觀測阻抗的振幅數(shù)據(jù)來確定區(qū)域結構的主軸角。在二維情況下，相位張量橢圓的長軸方向與區(qū)域構造主軸方向相同。(3) 三維結構當區(qū)域結構是三維時，相位張量的所有參數(shù)和不變量都不為零。此時相位張量橢圓的長軸方向

11、-與區(qū)域構造主軸方向不再重合，兩者之間的偏差角是區(qū)域構造偏離二維的量度，即區(qū)域結構是三維的必要條件是|值越大，區(qū)域構造偏離二維情況越遠。|值較小時，對這種三維情況做二維近似解釋時，引入的誤差較小。此時相位張量橢圓主軸方向指示最大和最小感應電流的水平流動方向，不同周期的相位張量的橢圓圖示間接反映了不同深度處區(qū)域電導率結構的橫向變化。在監(jiān)測深部電導率隨時間變化的MT勘探時，觀測到的數(shù)據(jù)振幅主要受近地表電導率隨時空變化的影響。如果近地表電導率的隨時間的變化可以用一個局部畸變模型表示，那么觀測數(shù)據(jù)的相位張量的任何變化將只是反映深部的電導率變化，因此利用相位張量方法探測深部的電導率變化具有極其重要的應用

12、前景。相位張量無需假設下覆電導率結構的維性，在不均勻體和區(qū)域電性結構都是三維的情況下，也可應用。盡管是在研究電流畸變問題時引入的相位張量，但將大地電磁相位表示成相位張量的形式，并不受此限制，即使在沒有受到電流局部畸變的情況下，其仍然可以應用。因此相位張量應該是阻抗張量的基本特征，其表示電場和磁場之間的相位關系是如何隨極化狀態(tài)的改變而變化的。四、 問題匯總1. 人工源極低頻時間序列數(shù)據(jù)及時間序列曲線圖？ 人工源極低頻時間序列數(shù)據(jù)指代經過濾波技術處理后的人工源極低頻數(shù)據(jù)，包括極低頻電場和磁場參數(shù)。 時間序列曲線圖指代的是極低頻參數(shù)隨著時間的變化關系曲線。 在接收點獲得的電磁場時間序列信號，是既包含

13、有天然電磁場、人工源SLF/ELF信號以及本地環(huán)境噪音的混合信號。2. 人工源極低頻電磁功率譜、視電阻率、阻抗相位等數(shù)據(jù)及時間曲線圖？ 極低頻電磁功率譜是指在空間極低頻電場和極低頻磁場數(shù)據(jù)的基礎上，經過傅立葉變換、或者小波分析方法等求解極低頻電場功率譜和極低頻磁場功率譜。 傾子矢量：上式中T是傾子矢量。 視電阻率：電阻率法中用來反映巖石、礦石導電性變化的參數(shù)。在地下存在多種巖石的情況下，用電阻率法測得的電阻率，不是某一種巖石的真電阻率。它除受各種巖石電阻率的綜合影響外，還與巖石、礦石的分布狀態(tài)(包括一些構造因素)、電極排列等具體情況有關，所以稱它為視電阻率。視電阻率與阻抗之間有函數(shù)關系。阻抗與

14、電場和磁場的分量之間有非線性關系。 阻抗相位：阻抗具有復數(shù)形式，不同維度的阻抗函數(shù)具有一定的相位特征。3. 區(qū)域網單頻不同時間尺度的人工源極低頻電磁功率譜、視電阻率、阻抗相位等參數(shù)的空間分布數(shù)據(jù)及變化圖？ 區(qū)域網單頻：指代在某個特定信號發(fā)送區(qū)域中，單頻信號的人工極低頻電場功率譜、磁場功率譜，由此確定視電阻率、阻抗相位等參數(shù)的空間分布特性。4. 地下電性結構不同時間尺度的數(shù)據(jù)及變化圖？ 見下文5. 地下三維電性結構不同時間尺度的數(shù)據(jù)及變化模型圖？ 見下文回答6. 視電阻率、相位以及一維反演電性結構？是怎么一種關系？ 二維反演方法i. 最小二乘法是二維反演算法的理論基礎。它基于非線性正演函數(shù)計算的

15、模型響應與實測數(shù)據(jù)之間的偏差來最終確定電性結構。ii. 設d為觀測數(shù)據(jù)（視電阻率和相位）; F為非線性正演函數(shù)，也稱核函數(shù)，它通過模型參數(shù)來生成響應數(shù)據(jù)，W為一MM的對角權矩陣，其對角元素為數(shù)據(jù)的標準偏差。iii. 最小二乘法反演的目標函數(shù)為：。反演的最終目的是使U取得極小值時的模型參數(shù)。iv. 在最小二乘法反演中，初始模型的給定往往需要有相當?shù)慕涷灒駝t在不同迭代間模型的相對變化大，而且很容易帶來一些冗余的構造，使得求解的模型很不穩(wěn)定。同時在每一次求解模型過程中，都要計算核函數(shù)關于模型參數(shù)的偏導數(shù)矩陣，進而求解新的模型，事實證明，該過程最為占時。為了盡量解決冗余構造問題，后來的二維反演中在構

16、建目標函數(shù)時都加上了對模型參數(shù)變化進行約束的項，即反演的目的就是尋找在滿足數(shù)據(jù)擬合誤差的條件下，同時模型參數(shù)改變最小的模型。為了提高反演速度，部分二維反演方法在求解雅可比矩陣方面作了改進。 三維正演方法i. 采用交錯網格有限差分三維正演程序，對三維模型進行正演。通過正演得到三維模型表面上對應的視電阻率和相位曲線。將測點投影到該模型表面上，測點的原始視電阻率和相位曲線與對應三維模型網格中心點代表的視電阻率和相位曲線(統(tǒng)一都旋轉到測線方向)進行比較。如果整體比較結果接近的情形下，表明剖面電性結構的可信度較大，以用于合理的地質解釋。 電性水平切片i. 以二維反演得到的電性結構為基礎，構建不同深度的電

17、性水平切片，也是大地電磁測深解釋工作中的一個重要組成部分。ii. 電性水平切片的圖示：在得到大地三維電性結構的基礎上，利用合理的取值方式，獲得不同深度、不同經緯度地理空間的電性結構數(shù)據(jù)。7. 極低頻地震數(shù)據(jù)庫中每類數(shù)據(jù)的內容具體是什么，指什么意思？傾子數(shù)據(jù)？ 基本信息數(shù)據(jù)庫：實際電磁場的時間序列信號。 中間處理數(shù)據(jù)庫：從電磁場的時間序列進行譜分析，采用濾波技術。從譜分析求取傳輸函數(shù)（包括阻抗和傾子），采用遠參考道法、Robust方法等。利用阻抗張量得到最終的視電阻率和相位曲線，采用阻抗張量分解和靜位移校正。 結果產出數(shù)據(jù)庫：定性解釋：設計對視電阻率和相位曲線形態(tài)特征的判別，感應矢量特征分析；定

18、量解釋：利用視電阻率和相位資料進行反演，三維反演是本項目的目標。其中涉及極化模式選取、數(shù)據(jù)誤差分析、反演方法選擇等。地質解釋：針對反演得到的電性結構模型，配合地質信息及定性分析成果，給模型合理的地質含義。8. 臺站基本屬性數(shù)據(jù)、時間序列數(shù)據(jù)、地震目錄數(shù)據(jù)、功率譜數(shù)據(jù)、阻抗數(shù)據(jù)、視電阻率和相位數(shù)據(jù)、傾子數(shù)據(jù)、電性結構數(shù)據(jù)、多源數(shù)據(jù)（GPS速度場數(shù)據(jù)、地電數(shù)據(jù)、地磁數(shù)據(jù)等）、極低頻電磁異常分析結果、多源綜合異常分析結果、各種圖形結果，等等。上面每種數(shù)據(jù)都指什么，解釋說明？9. 下圖中的克里金插值是什么插值？有限元形函數(shù)插值、B樣條插值？(1) 插值問題概述：在電磁資料處理中，需要對數(shù)據(jù)進行擬合圓滑和插值，以便得到滿意的結果。當一條測線上存在兩種不同儀器系統(tǒng)采集的資料，其頻率取值不同，若進行二維/三維反演，就必須采用統(tǒng)一的頻率，也需要用到插值的方法。(2) 一維自變量數(shù)據(jù)插值a) 三次樣條插值：在每個小的數(shù)據(jù)區(qū)間內采用三次函數(shù)來模擬原函數(shù)。整個區(qū)域中值就是由這些小的三次曲線組合而成。(3) 二維自變量數(shù)據(jù)插值a) 克里金插值：一種在許多領域都很有用的地質統(tǒng)計格網化方法，能夠表示隱含在數(shù)據(jù)中的趨勢。10. 二維等值線圖、二維云圖？三維模型圖、三維切片圖等？ 沒有特別的含義11. 正演技術概述