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1. 研究团队与发表信息
本研究由Keiichi Ishizu（东京工业大学火山流体研究中心/兵库大学）领衔，合作作者包括Yasuo Ogawa（东京工业大学/东北大学）、Kuo Hsuan Tseng（东京工业大学）、Takahiro Kunitomo（御岳科学研究所）等来自日本、新西兰多所机构的学者，发表于Geophysical Journal International（2024年12月，卷240，页1107-1121）。DOI: 10.1093/gji/ggae431。

2. 学术背景
科学领域：本研究属于地球物理勘探中的可控源电磁法（CSEM, Controlled-Source Electromagnetic）与大地电磁法（MT, Magnetotelluric）交叉领域，聚焦火山地热系统成像。

研究动机：
- 科学问题：传统MT法对薄层高阻体（如蒸气主导的地热储层）灵敏度不足，而CSEM法虽灵敏度高，但需高信噪比（SNR, Signal-to-Noise Ratio）数据支持反演。
- 技术瓶颈：陆上CSEM受限于发射偶极矩（电缆长度×输出电流）和观测时长，需开发高效信号叠加技术。
- 研究目标：通过延长观测时间叠加数据提升SNR，验证CSEM在火山区域刻画热液系统（含蒸气储层）的能力，并与MT数据对比。

背景知识：
- 火山热液系统通常包含低阻盖层（如蒙脱石层）和高阻蒸气储层，其电阻率结构对预测喷发风险至关重要。
- EM-ACROSS（Electromagnetic-Accurately Controlled, Routinely Operated Signal System）是一种通过GPS同步控制波形的高精度CSEM发射系统，可长期稳定发射多频信号。

3. 研究方法与流程
研究地点：日本草津白根火山（Kusatsu-Shirane Volcano），曾多次发生泥浆喷发，其热液系统结构尚不明确。

实验设计：
1. 发射系统配置：
- 使用改进版EM-ACROSS发射器（图1），通过10 MHz GPS时钟同步波形发生器，确保信号长期稳定性。
- 发射波形为8个频率（0.2–46.3 Hz）的叠加正弦波（表1），南北（NS）和东西（EW）偶极长度分别为486 m和961 m，电流输出约5 A和3 A。
- 采用加权叠加法（Weighted Stacking Method）处理数据，根据噪声水平动态分配权重（公式2-3），提升SNR。

1. 数据采集：

   • 观测时长：192小时（8天），8台五分量接收器（MTU-5C）部署在距发射源4.5–6 km处（图3）。
     
   • 同步记录：发射电流（采样率1 kHz）与电磁场（Ex, Ey, Hx, Hy, Hz，采样率150 Hz）均通过GPS时钟同步。
     

2. 数据处理：

   • 分段傅里叶变换：将数据分为600秒段落，通过FFT转换至频域，计算信号通道与噪声通道。
     
   • 噪声估计：利用非信号频段的噪声水平（公式2）计算权重（公式3），加权叠加后得到CSEM响应（公式4-6）。
     

3. 三维反演：

   • 使用数据空间OCCAM算法（Ishizu & Ogawa, 2021开发）对CSEM数据进行反演，模型网格为80×70×81单元，最小垂向分辨率5 m。
     
   • 对比MT数据反演结果（使用WSINV3DMT软件），分析两者对电阻率结构的敏感性差异。
     

4. 主要结果
1. 信噪比提升：
- 加权叠加后，SNR随观测时间平方根增长（图8）。例如，0.2 Hz频段Ex分量的SNR从3小时时的<1提升至192小时时的>6（图7）。
- 高频段（46.1 Hz）SNR>50，误差%（图10），验证了EM-ACROSS长期稳定性。

1. 电阻率结构：

   • CSEM反演模型（图13a）：
     
     • C1C导体（0.5–5 Ωm）：解释为热液盖层（低渗透性蒙脱石层），厚度向东部增加。
       
     • R1C高阻体（>100 Ωm）：位于Yugama火山口下方300 m，解释为蒸气主导的两相储层。
       
     • C2C导体（~0.5 Ωm）：高氯浓度热液上涌通道，与微震活动吻合。
       
   • MT反演模型（图13b）未能识别R1C高阻体，凸显CSEM对薄层高阻体的灵敏度优势。
     

2. 近场与远场效应：

   • 低频（ Hz）CSEM数据因近场垂直电流增强对高阻体敏感（图15），而MT数据依赖平面波假设，灵敏度较低。
     

5. 结论与价值
科学意义：
- 证实长期观测+加权叠加可显著提升CSEM数据质量，为陆上高阻体勘探提供新方法。
- 首次在草津白根火山下识别蒸气储层（R1C），完善了热液系统模型，为喷发预警提供依据。

应用价值：
- EM-ACROSS系统可同步采集MT数据（图11），兼容性优于传统CSEM设备。
- 该方法可推广至油气、金属矿、地热资源勘探及碳封存监测等领域。

6. 研究亮点
1. 技术创新：
- 改进型EM-ACROSS发射器实现192小时高稳定信号输出，相位漂移<0.1°（图5）。
- 加权叠加算法降低噪声干扰，误差较常规叠加法减少80%（图9-10）。

1. 跨学科融合：

   • 结合CSEM（人工源）与MT（天然源）数据，互补近场/远场灵敏度差异。
     

2. 火山学应用：

   • 揭示蒸气储层与盖层的空间配置，为理解泥浆喷发机制提供电性证据。
     

7. 其他价值
- 公开数据与代码（Zenodo: 10.5281/zenodo.14245638）促进方法复用。
- 研究团队计划将EM-ACROSS用于时序监测，动态追踪热液系统演化。

（报告总字数：约1800字）