强电磁干扰环境下的大地电磁数据特征及处理

2022-08-04孙翔宇赵国泽刘雪华包雨鑫孙建宝彭远黔

地震地质 2022年3期

韩静詹艳* 孙翔宇赵国泽刘雪华包雨鑫孙建宝彭远黔

1)中国地震局地质研究所，地震动力学国家重点实验室，北京 100029

2)河北省地震局，石家庄 050021

0 引言

大地电磁(MT)方法通过观测天然变化的电磁场分量，将电磁场信号转换成视电阻率曲线和相位曲线，并可通过反演求得不同深度的电阻率。其优点是不受高阻层屏蔽影响、探测深度大、对低阻层反应灵敏等，在能源、资源和环境探测等方面应用广泛(陈乐寿等，1990；赵国泽等，2007；詹艳，2008)。随着国民经济、工业等快速发展，电磁干扰种类繁多，获取明确含噪电磁场数据的特征是在强干扰区开展电磁法研究的首要问题(周聪等，2020)。在野外采集数据过程中，如何有效地远离、压制或消除噪声干扰，提高数据的信噪比，是MT野外数据采集中面临的棘手问题。为获取高质量的MT数据，除按照规范开展野外数据采集外，不仅需要采用稳定的数据采集系统、进行精细选点并延长采集时间(张全胜等，2004)，还需要采用有效的除噪处理方法对数据进行处理。远参考道法(Gambleetal.，1979)、Robust法(Egbertetal.，1986)以及两者联合的除噪方法在MT数据处理方面取得了较好成效(Dongetal.，2014；李晨晶等，2017；詹艳等，2017；邓琰等，2019)。

近2年来，我们在银川、运城、鹤壁和张家口测区进行了大量MT观测(测区位置见图1)。对4个测区约500个测点的数据处理结果进行了分类总结，以距离测点最近的干扰源为基准，梳理出高速铁路(距离0.5～1km)、电气化铁路(距离1.3～3.7km)、风力发电站(距离0.1～1km)、光伏发电站(距离2～9km)、大型输电网(距离0.06～0.4km)、煤矿(距离0.15～1km)和城市综合(距离0.05～0.8km)强电磁干扰环境下的45个典型测点。针对这些不同采集时长的测点数据，使用远参考道、非Robust方法等处理技术进行了交叉组合处理，将原始观测数据处理结果和最后优选处理结果展示于本文中，希望为解决在强电磁干扰环境下获取优质MT数据的难题提供借鉴和参考。

图1 银川、运城、鹤壁和张家口测区强电磁环境下的大地电磁观测点分布图Fig.1 Distribution map of magnetotelluric stations in strong electromagnetic interference environment in Yinchuan，Yuncheng，Hebi and Zhangjiakou survey areas.

1 测区概况与电磁环境

银川、运城、鹤壁和张家口4个测区(图1)包含高速铁路、电气化铁路、风力发电站、光伏发电站、大型输电网、煤矿和城市综合等7类强电磁干扰。其中银川测区煤矿和城市综合干扰极其强烈，在其内选择了9个测点；运城测区主要受到光伏发电站、高速铁路和煤矿等干扰，在其内选择了12个测点；鹤壁测区受高压电网干扰严重，兼受高速铁路和城市综合干扰等，在其内选择了10个测点；张家口测区电磁干扰以电气化铁路和风力发电站为主，兼有高速铁路与城市综合电磁干扰，在其内选择了14个测点。图1 给出了测区、远参考测点(YCK)和所选择测点的位置，以及4个测区内主要的高速铁路和电气化铁路展布情况。

图2 鄂托克前旗附近远参考点观测的9期次视电阻率和阻抗相位曲线图Fig.2 Apparent resistivity and impedance phase curves of several periods observed at the same remote-reference MT station in Otog.

2 数据处理方法对比

2.1 数据处理方法

在大地电磁的野外测量中，对每个测点采集2组水平方向相互正交的天然源电磁场(Ex-Hy或Ey-Hx)和垂直方向的磁场(Hz)，以获取地下介质对信息。本文所展示的数据均使用加拿大Phoneix公司生产的MTU-5A大地电磁观测系统进行数据采集，X、Y和Z分别表示磁N向、E向和垂直向下方向，电场分量和磁场分量分别使用不极化电极感应线圈进行测量。

大地电磁野外测量观测5个分量电磁场的时间序列，数据中包含场源信号和各种电磁干扰信号。为尽可能减小噪声影响，通常采集大量数据并获取其平均结果，一般使用最小二乘法原理求得阻抗的最佳估计值(Simsetal.，1971)。为了压制本地磁场的相干噪声，一般用远参考站的磁道作为参考道参与计算，即远参考处理方法(Gambleetal.，1979)。为了稳定地求解阻抗，一般需要使用稳健估计技术(Robust方法)(Egbertetal.，1986)压制噪声。Robust方法主要用于压制信号中不相关的 “飞点”噪声影响。本文中的大地电磁数据精细处理使用加拿大Phoneix公司的SSMT2000软件包完成。

2.2 远参考测点数据

4个测区基本位于鄂尔多斯地块周缘，在鄂尔多斯地块内部的内蒙鄂托克前旗东南20km附近设置了远参考测点(YCK)(图1)，与银川(相距约160km)、运城(相距约400km)、鹤壁(相距约600km)和张家口(相距约700km)测区的测点同步进行测量，以对4个测区的MT测点数据开展远参考处理来压制本地近场噪声。在远参考测点上共采集9期次数据，获取的9期次视电阻率和阻抗相位曲线及观测天数如图2 所示。由图2 可见，远参考测点的数据质量优质。

2.3 谱数据精细处理过程

2.3.1 不同采集时间长度数据的远参考和非Robust处理

YCL1-11测点数据连续记录了5d，使用远参考(RH)和非Robust(NR)方法对单天数据(图3a—e)和累计天数数据(图3f—j)进行处理，并经过自动谱编辑获得视电阻率和阻抗相位曲线。图3a—e分别表示第1～5天的处理结果，在该点前2天的单天曲线上离散 “飞点”较多，而后3天单天曲线形态相对较光滑，说明观测时段内测点附近的电磁干扰浮动较大；图3f—j分别为累计1～5d的数据处理结果，结果显示，随着观测时间的增加，数据逐渐成为曲线形态并趋于稳定，观测时长增加至3d以上时在周期为几秒到上千秒的低频段曲线形态趋于光滑。以上结果说明，在电磁环境复杂的区域，加长数据观测时长是保证长周期数据质量的基本且有效的措施，连续记录时间涵盖2个夜间以上的采集时长最佳。

图3 YCL1-11测点不同采集时间长度数据的远参考联合非Robust处理获取的视电阻率和阻抗相位曲线对比Fig.3 Comparison of apparent resistivity and impedance phase curves obtained by remote-reference and non-robust processing for different acquisition time length data of YCL1-11 MT station.RH 远参考数据处理；NR 非Robust法

2.3.2 不同远参考数据和非Robust处理的对比

YCL1-11、YCL3-23、YCL1-07和YCL1-09测点与远参考点(YCK)、YCL1-08(2019-10-22—10-25，68h)测点同步进行观测。图4a 给出了4个测点的位置，图4b 为YCK和YCL1-08测点上的视电阻率和阻抗相位曲线图，从图中可见YCK和YCL1-08测点的数据质量优良。对4个测点的全时段数据使用非Robust处理，并分别使用YCK测点数据和YCL1-08测点数据进行参考处理，获取的视电阻率和阻抗相位曲线见图4c。由图可见，使用YCK测点作为远参考获取的视电阻率和阻抗相位曲线的光滑程度优于不做远参考处理的结果，使用YCL1-08测点数据进行互参处理获取的视电阻率和阻抗相位曲线的光滑程度优于使用YCK测点作为远参考点进行处理的结果，其中YCL3-23测点的结果最为明显，其互参考处理结果被选择用于后续反演。以上结果说明，在强电磁干扰区域，必须使用优质的远参考点数据进行参考处理才能有效去除近场干扰，在测区内同步观测的优质数据也可用于进行互参考处理，以提升数据质量。

图4 YCL3-23、YCL1-11、YCL1-07和YCL1-09测点不同远参考和非Robust处理获取的视电阻率和阻抗相位曲线图Fig.4 Comparison of apparent resistivity and impedance phase curves obtained by non-robust processing with different remote-reference of YCL3-23，YCL1-11，YCL1-07 and YCL1-09 MT stations.LH-NR 原点数据远参考处理；YCK-NR 远参考非Robust法；NR 互参考非Robust法

图5 YCL-11、YCL3-23和YCL4-10测点基于不同处理方法获取的视电阻率和阻抗相位曲线图Fig.5 Apparent resistivity and impedance phase curves obtained by different processing methods at YCL1-11，YCL3-23 and YCL4-10 MT stations.LH 原点数据；RB Robust法；NR 非Robust法；RH 远参考数据；OK 远参考联合非Robust法并经精细选谱

2.3.3 全时段数据的远参考与Robust、非Robust处理的对比

利用Robust(LH-RB)、非Robust(LH-NR)、远参考联合Robust(RH-RB)和远参考联合非Robust(RH-NR)方法对YCL1-11、YCL3-23和YCL4-10测点的原点数据进行处理，获取的视电阻率和阻抗相位曲线如图5 所示。由图可见，使用远参考联合非Robust法处理获取的视电阻率和阻抗相位曲线较为光滑，对中频段的近场噪声压制效果最佳，压制离散 “飞点”的效果也更好。利用远参考联合非Robust法对每个测点进行处理，并对获取的谱数据开展精细选谱，得到了优良的视电阻率和阻抗相位曲线(图5 中的OK)。本文中所列的45个典型测点的全时段数据都选择使用远参考和非Robust法处理，加上精细选谱操作，提升了MT数据质量，其中44个测点的谱数据可用于后续反演。

3 强电磁干扰环境下的数据处理结果分析

3.1 高速铁路

2017年,新闻出版广电领域各项“十三五”规划纷纷出台。其中也涉及了数字报纸产业，从数量和质量上对其进行了规划。2017年9月，原国家新闻出版广电总局发布的《新闻出版广播影视“十三五”发展规划》提出在“十三五”期间持续深化新闻出版数字化转型升级，提升数字产品服务，打破层级和区域限制，着力解决报刊发展中的同质化、低效率等问题，加快报刊资源聚合、产业融合，“十三五”期末数字报纸收入达到14亿元。同时，建立国家新闻报刊数字监管系统，建设标准统一的全国报刊数据中心和全国报刊年度核验信息化系统，建设完整的报刊出版版式和数字化报刊内容数据库，实现对报刊内容多维度挖掘和分析，提高内容监管能力。

图6 运城和鹤壁测区高速铁路附近6个测点的位置和不同处理方法获取的视电阻率与阻抗相位曲线图Fig.6 Apparent resistivity and impedance phase curves obtained by different processing methods at six MT stations near high-speed railway in Yuncheng and Hebi survey areas.LH+NR 原始数据非Robust处理；OK 远参考联合非Robust法并经精细选谱；2st-D 第2个白日；2st-N 第2个夜间

3.2 电气化铁路

图7 张家口测区电气化铁路附近6个测点的位置和不同处理方法获取的视电阻率与阻抗相位曲线图Fig.7 Apparent resistivity and impedance phase curves obtained by different processing methods at six MT stations near electrified railway in Zhangjiakou survey area.LH+NR 原始数据非Robust处理；OK 远参考联合非Robust法并经精细选谱

图8 张家口测区风力发电站附近6个测点的位置和不同处理方法获取的视电阻率与阻抗相位曲线图Fig.8 Apparent resistivity and impedance phase curves obtained by different processing methods at six MT stations near wind power stations in Zhangjiakou survey area.LH+NR 原始数据非Robust处理；OK 远参考联合非Robust法并经精细选谱

3.3 风力发电站

张家口测区遍布风力发电站，选取该区距离风力发电站0.1～1km的6个测点(ZJKL623、ZBEQ005、ZJKL110、ZJKL621、ZBEQ008和ZBEQ003)展示风力发电站对大地电磁数据的影响特征。测点相对风力发电站位置图、采集时长及发电站方位描述、使用非Robust处理(LH+NR)和远参考联合非Robust法并经精细选谱(OK)处理获取的视电阻率和阻抗相位曲线图如图8 所示。由图8 可见，在原点数据处理获取的视电阻率和阻抗相位曲线中无明显的近场干扰，仅在中频段有零散 “飞点”。从精细处理获取的视电阻率和阻抗相位曲线图来看，6个测点的数据质量均为优秀，可见风力发电设施对MT测量数据的近场影响较小。

3.4 光伏发电站

4个测区中以运城测区为代表，其内测点的MT数据受光伏发电站电磁干扰影响尤为典型，选取距离光伏发电站2～10km范围内的6个测点(LFYC104、LFYC105、LFYC106、LFYC107、LFYC108和LFYC109)开展分析。测点与光伏发电站的相对位置图、采集时长与发电站方位描述、使用非Robust处理(LH+NR)和远参考联合非Robust法并经精细选谱(OK)得到的视电阻率和阻抗相位曲线如图9 所示。由图中可见，光伏发电站附近的近场干扰现象十分显著，视电阻率曲线的形态在十几赫兹至几十秒的中频段几乎呈45°上升，且距离干扰源越近影响越显著、影响的频段越高，即使距离干扰源达9km远的测点其数据依然受到影响。从图9 中还可看出，虽然近场影响较大，但经远参考联合非Robust法并精细选谱(OK)处理，可有效去除强烈的近场干扰，获取优质合理的MT数据。建议在光伏发电站附近布设MT测点时，测点与光伏发电站的距离应不小于2km，此外必须使用较好的远参考测点数据对其实施参考处理消除近场影响，同时要充分保证观测时间以获取优质的低频数据。

3.5 大型输电网

鹤壁测区大型输电网分布尤为密集，选取该测区距离大型输电网500m范围内的6个测点(HNHB122、HNHB122B、HNHB123、HNHB125、HNHB126和HNHB127)展示高压电网的电磁影响特征。测点与大型输电网的相对位置图、采集时长和电网方位描述、使用非Robust处理(LH+NR)和远参考联合非Robust法并经精细选谱(OK)的视电阻率和阻抗相位曲线图如图10 所示。6个测点均处于高压电网密布区域，每个测点记录时长都超过71h(3个夜间)。由图10 可见，距离高压电网150m范围内的HNHB122、HNHB122B和HNHB123测点，其原始数据的非Robust法处理结果显示视电阻率和阻抗相位曲线基本无形态，虽然经过远参考联合非Robust法处理并经精细选谱后获取的曲线具有一定的形态特征，但数据质量仍然属于合格级次；距离150m以外的HNHB125、HNHB126和HNHB127测点的原始数据都较好，经精细处理后获取了优良数据。从鹤壁测区6个典型测点的数据采集时长和处理结果来看，在大型输电电网附近布设MT测点时，测点与输电电网的距离应不小于0.2km，且采集时间需要加长，应覆盖2、3个夜间时段。

图10 鹤壁测区大型输电网附近6个测点的位置和不同处理方法获取的视电阻率与阻抗相位曲线图Fig.10 Apparent resistivity and impedance phase curves obtained by different processing methods at six MT stations near large-scale high voltage power grids in Hebi survey area.LH+NR 原始数据非Robust处理；OK 远参考联合非Robust法并经精细选谱

表1 煤矿电磁干扰环境下的测点信息统计Table 1 Information of MT stations in electromagnetic interference environment of colliery

图11 利用不同处理方法获取的银川和运城测区煤矿附近6个测点的视电阻率与阻抗相位曲线图Fig.11 Apparent resistivity and impedance phase curves obtained by different processing methods at six MT stations near colliery in Yinchuan and Yuncheng survey areas.LH+NR 原始数据非Robust处理；OK 远参考联合非Robust法并经精细选谱

3.6 煤矿

银川和运城测区的大型煤矿电磁干扰集中，选取银川测区的YCL3-22、YCL3-23和YCL3-24，运城测区的LFYC522、LFYC528和LFYC529 6个典型测点进行分析。6个测点距离煤矿的位置信息见表1，其与煤矿间的距离均在1km以内。使用非Robust处理(LH+NR)、远参考联合非Robust法并经精细选谱(OK)获取的视电阻率和阻抗相位曲线图如图11 所示。图11 中，0.5km以内YCL3-22、YCL3-23和YCL3-24测点原点数据非Robust法处理获取的视电阻率曲线自几十赫兹到几十秒的频段范围都遍布离散 “飞点”，煤矿电磁干扰的影响频段较宽，经精细处理后数据质量提升明显，其中YCL3-23采集时长达92h，相比YCL3-22、YCL3-24测点，其数据质量更加优良。距离干扰源约1km的LFYC522、LFYC528和LFYC529测点的原始数据质量相对较好，经精细处理后数据的质量可达优良以上。这6个处于煤矿区域测点的观测时间和数据质量说明，在大型煤矿区域附近布设MT测点时，应在距煤矿矿区0.5km以外的位置选址，数据采集时间应至少包括2、3个夜间时段。

3.7 城市综合影响

本文所讨论的银川、鹤壁和张家口测区的MT测点都围绕在大型城市附近区域，选取银川(YCL1-15、YCL2-15和YCL4-12)、鹤壁(HNHB146)和张家口(ZJKL410和ZJKL411)3个测区中的6个测点数据进行展示。6个测点及其附近区域的电磁种类信息如表2 所示。

表2 城市综合电磁干扰环境下的测点信息统计Table 2 Information of MT stations in urban integrated electromagnetic interference environment

使用非Robust法处理(LH+NR)和远参考联合非Robust法并经精细选谱(OK)得到的视电阻率和阻抗相位曲线图展示在图12 中。由图可见，基于6个测点的原点数据，利用非Robust法处理获取的视电阻率曲线上大部分频段频点为离散 “飞点”；而经远参考精细处理后获取的视电阻率曲线尽管部分频点的误差棒仍然较大，但曲线形态正常光滑。结合表2 中测点的采集时长与获取的数据质量来看，应在距离输电线路0.2km外的位置布置MT测点，与变压器的距离应不小于0.3km，与火力发电站的距离应不小于0.5km，观测时长应保证覆盖2个夜间时段。

图12 利用不同处理方法获取的银川、鹤壁和张家口测区城镇附近6个测点的视电阻率与阻抗相位曲线图Fig.12 Apparent resistivity and impedance phase curves obtained by different processing methods at six MT stations near cities and towns in Yinchuan and Yuncheng survey areas.LH+NR 原始数据非Robust处理；OK 远参考联合非Robust法并经精细选谱

4 总结

本文基于近2年来我们在银川、运城、鹤壁和张家口4个测区约500个大地电磁测点的数据采集情况和结果，梳理出在高速铁路、电气化铁路、风力发电站、光伏发电站、大型输电网、煤矿区和城市干扰区7类强电磁干扰环境下的45个典型测点，并对这45个测点的原点数据进行了处理。从获取的视电阻率曲线可以看出，高铁、电气化铁路和光伏发电站附近的电磁干扰以近场干扰为主，表现的特征为在视电阻率曲线中频段呈45°上升，而相位曲线的数值趋于0。风力发电设施对MT测点数据的电磁干扰影响较小，大型输电网、煤矿及城市综合电磁干扰现象在视电阻率曲线图上体现为单频点或多频点的离散 “飞点”，曲线完全不具有稳定的形态。文中列举的处于强电磁干扰环境下的45个典型的MT测点，其数据采集时长普遍覆盖了2个夜间时段，对其全时段时间序列数据使用远参考和非Robust法进行处理，并经精细选谱，均可提升MT数据的质量，其中44个测点的谱数据可用于后续反演。获取有效谱数据的处理过程及结果显示，在强电磁干扰环境下，如果做好以下5个方面观测与处理手段，可在一些强电磁干扰环境下获取有效的大地电磁数据：

(1)本文列出的处于7类强电磁干扰环境中的45个测点的数据观测时间都在41h(包含2个夜间时段)以上，对原始数据进行远参考和非Robust法处理，并经精细选谱，可提升MT数据质量。从获取的视电阻率曲线来看，44个测点的高频和低频数据都较光滑，仅在中频段(十赫兹至几十秒)受到严重的电磁干扰。建议在强电磁干扰环境下的电磁数据采集时间覆盖至少在41h(包含2个夜间时段)以上，通过增加观测时长并使用合理的数据处理手段能有效获取合格的大地电磁观测数据。