Развитие программной системы многоточечной обработки данных синхронных зондирований

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 550.837

РАЗВИТИЕ ПРОГРАММНОЙ СИСТЕМЫ PRC_MTMV МНОГОТОЧЕЧНОЙ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ СИНХРОННЫХ МТ/МВ ЗОНДИРОВАНИЙ

Варенцов И.М.

Центр геоэлектромагнитных исследований, Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН

Москва, Троицк

Представляется разработанная в ЦГЭМИ ИФЗ РАН программная система PRC_MTMV, реализующая алгоритмы многоточечной обработки синхронных магнитотеллурических (МТ) и магнитовариационных (МВ) данных. Рассматриваются ее методические основы, структура и функциональное наполнение. Приводятся примеры обработки данных в различных приложениях.

Ключевые слова: МТ и МВ методы, синхронные зондирования, временные ряды, гармонический анализ, передаточные операторы, критерии отбраковки, робастное оценивание, многоуровневое осреднение.

многоточечный магнитотеллурический программный синхронный

DEVELOPMENT OF PRC_MTMV SOFTWARE FOR MULTISITE PROCESSING OF SIMULTANEOUS MT/MV SOUNDING DATA

The PRC_MTMV software developed in the GEMRC IPE RAS is presented. It implements algorithms of multisite processing of simultaneous magnetotelluric (MT) and magnetovariational (MV) data. The system methodology, structure and functions are discussed. Its results in several applications are demonstrated. Keywords: magnetotelluric and magnetovariational methods, simultaneous soundings, time series, harmonic analysis, transfer operators, sorting criteria, robust estimation, multilevel averaging.

С внедрением в 70-х годах цифрового инструментария с высокоточной синхронизацией пришло понимание важности синхронных наблюдений для подавления помех в традиционных МТ и МВ зондированиях [1]. Технологии двухточечных зондирований с удаленной базой (“remote reference”, RR) стали мощным средством борьбы с систематическими искажениями локальных передаточных операторов - импеданса и типпера. Точность оценивания для “шумных” записей в синхронных системах наблюдения существенно возросла. Стали массово доступными возможности анализа и интерпретации синхронных передаточных операторов - прежде всего, горизонтального МВ отклика.

Большинство современных подходов к оцениванию передаточных операторов основаны на принципах обобщенного гармонического анализа и робастных методах линейного оценивания в частотной области [1, 2]. Для прошедших препроцессинг записей ЭМ поля ведется последовательный Фурье-анализ отрезков МТ процесса и накопление линейных уравнений (связывающих спектральные компоненты ЭМ полей) по серии отрезков для каждого интервала определяемых периодов. В рамках робастного оценивания часть уравнений отбраковывается, остальные - “взвешиваются” на основе серии критериев. Накопленные сильно избыточные системы линейных уравнений решаются целиком, либо по частям с последующим усреднением. Такой подход последовательно реализуется в разработанной в ЦГЭМИ ИФЗ РАН программной системе PRC_MTMV [3-6], обеспечивающей совместное помехозащищенное оценивание импеданса, типпера и горизонтального МВ отклика по синхронным МТ/МВ записям в серии точек наблюдения. В последние годы основные компоненты этой системы стали доступными для свободного использования при академических исследованиях и получили апробацию в ряде российских и зарубежных организаций.

Система PRC_MTMV состоит из двух основных интерактивно-графических модулей (PRC_MRR и TF_MON), выполняющих оценивание и анализ передаточных операторов, и серии утилит, обеспечивающих импорт первичных данных (временных рядов, частотных характеристик, параметров систем наблюдения) с различных измерительных платформ (Phoenix, LEMI, GEOMAG, INTERMAGNET и др.) во внутренние форматы системы, их препроцессинг, а также постпроцессинг и преобразование результатов оценивания (передаточных операторов) из внутреннего формата FTF в форматы EDI, IDE и TAB.

Методика оценивания передаточных операторов основана на получении частных оценок (как RR, так и одноточечных, SS) для отдельных отрезков (окон) записей, их отбраковке/взвешивании по когерентностным и иным критериям. Оценивание ведется независимо для набора окон увеличивающейся длины и серии удаленных точек с последующим многоуровневым робастным осреднением (первичным - прошедших отбраковку частных оценок для окна фиксированной длины, многооконным - итоговых результатов для окон разной длины, мульти-RR - результатов для разных RR-точек) [3, 4, 6, 7]. Отбраковка частных SS- и RR-оценок производится, прежде всего, в случаях низкой множественной когерентности (низком качестве линейных связей) и высокой входной когерентности (сильной линейной поляризации магнитных каналов), как для отдельных периодов (“локальная” отбраковка), так и в среднем для всего диапазона периодов оценки (“глобальная”) [3]. Исключение отрезков с интенсивным низко когерентным шумом облегчает настройку методов робастного осреднения на выделение высоко когерентного МТ сигнала.

Высокая точность алгоритмов оценивания передаточных операторов в системе PRC_MTMV продемонстрирована на серии синтетических тестов в рамках международного проекта COMDAT [7, 8]. Метод мульти-RR оценивания с когерентностными критериями отбраковки получил широкую апробацию при определении импедансов и типперов в масштабном эксперименте BEAR на Балтийском щите [3, 6, 9]. В каждом пункте BEAR было использовано по 3-4 удаленных точки. Специальный эксперимент был поставлен в шведской точке B02, где было выбрано 9 RR-точек, расположенных под разными азимутами на удалениях от 100 до 1000 км. Одноточечные оценки здесь были существенно искажены на коротких периодах [3, 6, 9]. Схема мульти-RR оценивания позволила не только подавить инструментальные и промышленные помехи на коротких периодах, но и повысить качество результатов в длиннопериодном диапазоне (рис. 1). Для всех RR-оценок отмечаются устойчивость горизонтальных линейных связей МВ поля и низкая пространственная корреляция шумов. Преимущества мульти-RR обработки отчетливо проявились и в ходе синхронных зондирований в эксперименте EHS3D в Восточном Тибете [10, 11] вопреки априорным представлениям о низком уровне ЭМ шумов в этом регионе.

Рис. 1. “Облака” RR-оценок импеданса в т. В02 эксперимента BEAR для серии из 9 удаленных пунктов (в 100-900 км, названия - в легенде) и построенная путем их робастного осреднения мульти-RR оценка (сплошные кривые): вверху - амплитуды главных (слева) и дополнительных (справа) компонент (мВ/км/нТл), внизу - аналогичные фазовые оценки (град.), по горизонтали - период (с, lg-масштаб).

На территориях, насыщенных индустриальными объектами, распространение ЭМ помех имеет, как правило, региональный характер в масштабе десятков и даже первых сотен км с уровнем пространственной когерентности шумов не хуже, а порой и лучше, чем для МТ сигнала. В этом случае выбор удаленных точек сложен, а критерии когерентностной отбраковки малоэффективны. Система PRC_MTMV располагает дополнительными критериями отбраковки, основанными на контроле пространственной структуры горизонтального МВ поля (”магнитном контроле”, MC) в ходе анализа оценок горизонтального МВ оператора между точкой зондирования и RR-точками. При этом учитываются различия между плавностью пространственных изменений горизонтальных МВ полей от МТ источника и их резкостью для близких возбудителей помех - электрических диполей, имеющих другой импеданс по сравнению с плоской волной. При оценивании импеданса и типпера используются MC-критерии ”предельной изменчивости”, ”взаимности”, ”высокой когерентности” частных оценок горизонтального МВ отклика и ”предельной амплитуды” типпера [4, 6]. Таким образом, ведется совместных анализ всех трех передаточных операторов. MC-критерии отбраковки позволяют эффективно определять и сам горизонтальный МВ отклик по двухточечной MC-схеме [4, 6, 12].

Алгоритм RRMC оказался весьма эффективным в целом ряде регионов с высоким уровнем промышленных шумов. В частности, он позволил подавить интенсивные помехи от железных дорог и других индустриальных объектов при проведении синхронных зондирований (длиннопериодных и разведочных) в СЗ Польше (рис. 2) и СВ Германии [4, 6, 12], ЮЗ России и северной Украине [6, 11, 13]. Для увеличения числа RR точек в этих исследованиях активно использовались МВ наблюдения в ближних геомагнитных обсерваториях.

Рис. 2. Синхронное определение xy-компоненты импеданса в п. S07 на профиле P2 эксперимента EMTESZ [6] в 10 км от электрифицированной на постоянном токе ж/д: слева - стандартные RR-оценки для серии удаленных точек (S06, S08 и S05 в 9, 14 и 18 км, S13-S16 - в 60-90 км и P07, P08 - в 160 и 195 км), справа - более эффективные RRMC-оценки; вверху - амплитуда (Омм), внизу - фаза (град.), для сравнения красным показаны сильно искаженные одноточечные (SS) оценки; по горизонтали - период (с, lg-масштаб). Для RRMC-оценок имеет место существенное подавление шумов для всех рассмотренных RR-точек, даже самых ближних, а надежные результаты получаются при удалении в первые десятки км; обычные же RR-оценки становятся удовлетворительными на удалениях более 150 км, что сильно ограничивает возможности мульти-RR осреднения.

В последние два года в системе PRC_MTMV был реализован новый алгоритм RRMC-оценивания горизонтального МВ отклика с учетом наблюдений уже в трех синхронных точках (зондирования, базовой и удаленной), появилась процедура одноточечного оценивания типпера с контролем его ”предельной амплитуды” и специфические средства подавления ЭМ полей с дискретным спектром, имеющих природу, отличную от магнитотеллурической - например, гармоник солнечно-суточных вариаций. Начато исследование возможностей учета априорных значений передаточных операторов при расчете весов в процедурах робастного осреднения их частных оценок. Всестороннюю апробацию прошли процедуры интеграции оценок передаточных операторов, полученных в точке зондирования с применением различной аппаратуры, например, Phoenix и LEMI [6, 10, 11]. Исследована специфика применения процедур мульти-RRMC оценивания при обработке данных синхронных массивов длиннопериодных донных морских зондирований. Накоплен опыт синхронной обработки данных в АМТ-диапазоне, в т.ч. с определением горизонтальных МВ откликов в рудных приложениях.

В настоящее время развитие системы PRC_MTMV ведется при частичной поддержке грантов РФФИ 13-05-12094_офим, 14-05-92106_ЯФ и 14-05-93967_ЮАР. Автор благодарен Х. Брассе, Н.Г. Голубеву, И.Н. Лозовскому, Е.Ю. Мартанус, К.В. Наливайко, Н.А. Пальшину, В.Ю. Семенову, М.Ю. Смирнову, Е.Ю. Соколовой, Х. Утаде и Т. Эрнсту за полезные обсуждения и участие в опробовании/приложении данной системы.

Литература

1. Egbert G.D. Processing and interpretation of EM induction array data // Surv. Geophys. 2002. V. 23. P. 207-249.

2. Семенов В.Ю. Обработка данных МТ зондирования. М.: Недра. 1985. 133 с.

3. Варенцов Ив.М., Соколова Е.Ю., Мартанус Е.Р. и др. Методика построения передаточных операторов ЭМ поля для массива синхронных зондирований BEAR // Физика Земли. 2003. №2. С. 30-61.

4. Varentsov Iv. M. Arrays of simultaneous EM soundings: design, data processing and analysis // EM sounding of the Earth's interior (Methods in geochemistry and geophysics, 40). Elsevier. 2007. P. 263-277.

5. Варенцов Ив.М. Программная система PRC_MTMV для обработки данных синхронных МТ/МВ зондирований // Материалы VI Всероссийской школы-семинара по ЭМ зондированиям им. М.Н. Бердичевского и Л.Л. Ваньяна. Новосибирск: ИНГГ. 2013. 4с.

6. Varentsov Iv.M. Arrays of simultaneous EM soundings: design, data processing, analysis and inversion // EM sounding of the Earth's interior: theory, modeling, practice. Elsevier. 2015. P. 271-299.

7. Ernst T., Sokolova E.Yu., Varentsov Iv.M., Golubev N.G. Comparison of two MT data processing techniques using synthetic data sets // Acta Geophys. Pol. 2001. V. 49(2) . P. 213-243.

8. Варенцов Ив.М., Соколова Е.Ю. Генеpация синтетических сеpий МТ данных // Физика Земли. 1994. №6. C. 80-88.

9. Варенцов Ив.М., Корья Т., Смирнов М.Ю. и др. Эксперимент BEAR - синхронное ЭМ зондирование Балтийского щита и его передаточные функции // Строение и динамика литосферы Восточной Европы. Результаты исследований по программе EUROPROBE. М.: Геокарт. 2006. С. 79-94.

10. Варенцов Ив.М., Бай Д. Геоэлектрическая модель тектоносферы Восточного Тибета по данным глубинных и разведочных МТ/МВ зондирований // Проблемы геодинамики и геоэкологии внутриконтинентальных орогенов. 2015. C. 169-177 (В Печати).

11. Варенцов Ив.М., Лозовский И.Н. Комплексирование разведочной и длиннопериодной аппаратуры при проведении синхронных МТ/МВ зондирований литосферы // Настоящее издание. 2015. 4с.

12. Varentsov Iv.M., EMTESZ-Pomerania WG. Method of horizontal MV sounding: techniques and application in the EMTESZ-Pomerania project // Protokoll uber das 21 Kolloquium “Elektromagnetische Tiefenforschung” (Eds. O. Ritter, H. Brasse). Potsdam: Dtsch. Geophys. Ges. 2005. P. 111-123.

13. Варенцов Ив.М., Ковачикова С., Куликов В.А. и др. Синхронные МТ и МВ зондирования на западном склоне Воронежского массива // Геофиз. журн. 2012. Т. 34. № 4. С. 90-107.

Размещено на Allbest.ru