天然場源電磁法干擾噪聲源調(diào)查試驗(yàn)研究

李致君，蔡海水

(山西省地球物理化學(xué)勘查院，山西 運(yùn)城 044004)

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天然場源電磁法干擾噪聲源調(diào)查試驗(yàn)研究

李致君，蔡海水

(山西省地球物理化學(xué)勘查院，山西 運(yùn)城 044004)

由于老礦山電磁人文干擾嚴(yán)重，為了保證物探數(shù)據(jù)資料的真實(shí)可靠性，需進(jìn)行干擾調(diào)查試驗(yàn)工作。試驗(yàn)通過離開不同類型干擾源，以不同的距離，在野外采集天然場源電磁法數(shù)據(jù)，并分析噪聲特點(diǎn)，得出不同類型的人文干擾對天然場源電磁法數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響范圍，以便在野外數(shù)據(jù)采集及后期數(shù)據(jù)處理時(shí)采取相應(yīng)的壓制措施和去噪技術(shù)將噪聲影響降低到最低限度，試驗(yàn)結(jié)果對以后的生產(chǎn)工作具有一定的指導(dǎo)及借鑒作用。

天然場源；干擾噪聲源；電磁法

1 引 言

我國的老礦山(危機(jī)礦山)目前已開采到后期，資源緊缺，為擴(kuò)大礦山儲量，延長礦山壽命，需進(jìn)行地質(zhì)物探工作。而老礦山電磁人文干擾嚴(yán)重，要保證物探數(shù)據(jù)資料的真實(shí)可靠性，除采取各種方法去噪外，更要進(jìn)行抗干擾試驗(yàn)，研究人文干擾對數(shù)據(jù)采集的影響規(guī)律。目前我國正在開展攻深找盲第二深度空間找礦工作，常規(guī)物探方法已無法滿足找礦深度要求，天然場源電磁法是以觀測宇宙活動產(chǎn)生的電磁波在地球內(nèi)部產(chǎn)生的感應(yīng)電磁場，從而達(dá)到研究地下電性結(jié)構(gòu)的一種地球物理方法。按照目前的分類方法，天然場源電磁法分為大地電磁測深法和音頻大地電磁測深法，兩種方法不同之處為它們所使用的電磁波頻段不同，音頻大地電磁使用頻率范圍為10-1～104Hz，探測深度一般為一千米左右，而大地電磁法的頻率范圍為10-4～103Hz，探測深度可以達(dá)到幾十公里。和其他地球物理方法相比較，天然場源電磁法不需要大功率的供電設(shè)備，具有較大的探測深度。由于用天然大地電磁場做場源時(shí)，若觀測技術(shù)水平有所限制，則受噪聲影響大，信噪比低，所需觀測時(shí)間長。因此在進(jìn)行天然場源電磁法工作時(shí)必須對影響數(shù)據(jù)采集的各種干擾噪聲源進(jìn)行調(diào)查分析，針對測區(qū)環(huán)境與干擾噪聲特征采取必要可行的壓制措施，提高信噪比，對資料做進(jìn)一步的處理與解釋，才能提高結(jié)果的精度和可靠性[1-3]。

2 干擾噪聲源分析

主要噪聲源可分為場源噪聲、地質(zhì)噪聲和人文噪聲[2]。其具體解釋如下：

1)場源噪聲主要是指來自地球外部的天然電磁場。

2)地質(zhì)噪聲一般指測區(qū)地質(zhì)因素對地球介質(zhì)電性的影響形成的噪聲。例如由于地表不均勻體引起的靜位移現(xiàn)象。

3)人文噪聲主要指人類活動產(chǎn)生的電磁感應(yīng)和電磁幅射，如鐵路、高速公路、高壓輸電線、廣播電臺、地下電纜、礦山、電站、產(chǎn)生電火花的機(jī)器等。高壓線常影響高頻數(shù)據(jù)，造成高頻數(shù)據(jù)的蹦跳；高速公路和鐵路等磁干擾較大，所以往往造成中頻視電阻率數(shù)值的減小；遠(yuǎn)處大型的電力系統(tǒng)造成地下很多游散電流，一般表現(xiàn)為使視電阻率曲線以近于45°上升而相位曲線下跌至零[2]。

3 噪聲源干擾調(diào)查試驗(yàn)

3.1 電線干擾調(diào)查試驗(yàn)

為了了解電線對野外數(shù)據(jù)采集的影響程度，選擇在10 kV及110 kV高壓線附近布設(shè)測站采集數(shù)據(jù)，分析電線干擾影響范圍及干擾特征。試驗(yàn)方法采用音頻大地電磁法十字型裝置，采集時(shí)間為2 h，偶極距為30 m。分別選擇距離10 kV高壓線0 m、50 m和110 kV高壓線20 m、40 m、60 m、80 m、100 m、120 m進(jìn)行試驗(yàn)。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果來看，距離電線越近數(shù)據(jù)質(zhì)量越差，高壓線對音頻大地電磁兩個(gè)極化模式TE(Rxy)和TM(Ryx)的數(shù)據(jù)都有影響，數(shù)據(jù)曲線呈鋸齒狀跳躍。距10 kV高壓電線50 m以外采集數(shù)據(jù)不受影響(圖1)；距110 kV高壓線80 m以外采集數(shù)據(jù)不受高壓線的影響(圖2)。

圖1 10 kV高壓電線試驗(yàn)曲線Fig.1 The test curve of 10 kV high-voltage wire

圖2 110 kV高壓電線試驗(yàn)曲線Fig.2 The test curve of 110 kV high-voltage wire

3.2 水電站干擾調(diào)查試驗(yàn)

為了了解水電站對數(shù)據(jù)采集的影響程度，在距離水電站20 m和100 m處分別進(jìn)行數(shù)據(jù)采集對比試驗(yàn)，試驗(yàn)方法采用音頻大地電磁法十字型裝置，采集時(shí)間為2 h，偶極距為30 m。

通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，水電站對音頻大地電磁數(shù)據(jù)TE和TM極化模式的數(shù)據(jù)都有影響，使電阻率曲線呈無規(guī)則鋸齒狀跳躍，離開水電站100 m左右基本可以避免其對數(shù)據(jù)采集的影響(圖3)。

3.3 村莊人文干擾調(diào)查試驗(yàn)

為了獲得村莊內(nèi)人文活動對數(shù)據(jù)采集的影響情況，在剖面上選取兩個(gè)點(diǎn)1710點(diǎn)和1720點(diǎn)作為干擾調(diào)查試驗(yàn)點(diǎn)。1710點(diǎn)在村內(nèi)，1720點(diǎn)在村外距離1710點(diǎn)100 m。試驗(yàn)方法采用音頻大地電磁十字型裝置，采集時(shí)間為2 h，偶極距為60 m。

對野外采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，繪制出視電阻率和相位曲線， 見圖4～圖6。由曲線圖可以看出，1710點(diǎn)視電阻率和相位在1 000 Hz上下存在干擾，干擾在相位曲線上表現(xiàn)得更為明顯(圖4)；1720點(diǎn)的視電阻率和相位相對沒有受到太大干擾影響(圖5)；1710點(diǎn)的干擾經(jīng)過圓滑處理后可以得到解決(圖6)。

圖3 水電站試驗(yàn)曲線Fig.3 The test curve of hydropower station

圖4 1710點(diǎn)視電阻率和相位曲線Fig.4 The apparent resistivity and phase diagram of 1710 points

圖5 1720點(diǎn)視電阻率和相位曲線Fig.5 The apparent resistivity and phase diagram of 1720 points

圖6 1710點(diǎn)視電阻率和相位曲線(圓滑后)Fig.6 The apparent resistivity and phase diagram of 1710 points (after smooth)

4 干擾噪聲的特點(diǎn)分析

通過對各種干擾的時(shí)間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析得出，天然場源電磁法干擾具有在時(shí)間上的隨機(jī)性和圖形上的任意性的特點(diǎn)。干擾可以出現(xiàn)在數(shù)據(jù)采集的任一時(shí)刻，干擾波主要表現(xiàn)為尖峰脈沖、方波以及似充放電類型(圖7～圖9)。

5 壓制措施及效果分析

5.1 裝置引入噪聲的減小

1)對布設(shè)觀測裝置過程中因工作差錯引起的人為噪聲,可采取一人布極、另一人檢查的方式,加強(qiáng)管理,嚴(yán)格檢查監(jiān)督機(jī)制來解決。

2)接收電纜線要使用具有屏蔽性和較高抗拉強(qiáng)度的單一金屬線，并且要求絕緣電阻不小于5 MΩ，避免因接收電纜被風(fēng)吹動產(chǎn)生感應(yīng)電流而對儀器形成干擾。這種干擾既影響電道又影響磁道，因此應(yīng)將電纜加以固定或掩埋,不讓其懸空或擺動即可克服這種干擾。

3)良好的不極化電極也是減少噪聲、保證觀測質(zhì)量的重要措施。

根據(jù)不同的接地條件，選擇幾組不同大小的接地電阻進(jìn)行對比試驗(yàn)，研究不同接地條件對采集數(shù)據(jù)的影響(表1)。

圖7 電線干擾試驗(yàn)實(shí)測時(shí)間序列數(shù)據(jù)Fig.7 The time series data of wires interference test

圖8 水電站干擾試驗(yàn)實(shí)測時(shí)間序列數(shù)據(jù)Fig.8 The time series data of hydropower station interference test

圖9 干擾波類型Fig.9 Types of interference wave

圖10 接地電阻大小影響試驗(yàn)對比Fig.10 The comparison diagram of the size of grounding resistance influencing the test

序號接地電阻Ex/kΩ·m接地電阻Ey/kΩ·m12.072.1025.353.7536.954.75

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果來看，接地電阻最小的一組(Ex:2.07,Ey:2.1)采集的數(shù)據(jù)優(yōu)于其他兩組采集的數(shù)據(jù)。并且接地電阻越小，采集的數(shù)據(jù)質(zhì)量越好；接地電阻越大，不極化電極與大地的耦合越不好，低頻采集的數(shù)據(jù)呈鋸齒狀跳躍越明顯(圖10)。

5.2 地質(zhì)噪聲的減小

地質(zhì)噪聲主要是指受地形影響或近地表局部電性不均勻體等引起的靜位移現(xiàn)象。要消除靜位移的影響,除了在布極時(shí)注意避開地形的影響,盡可能采用長電極距,有助于降低地表不均勻體的影響。另外，在資料處理時(shí)可以通過鉆井資料的對照、EMAP方法、小波變換、阻抗張量的正則分解等加以改正。地質(zhì)噪聲的消除相對比較容易[4-6]。

5.3 人文干擾噪聲的減小

人文活動引起的干擾噪聲可以通過避開高峰用電時(shí)間、重新選點(diǎn)避開干擾源等減少其影響。

1)在布設(shè)觀測系統(tǒng)時(shí)盡量遠(yuǎn)離電磁干擾源，避開工業(yè)輸電線路，通過上述試驗(yàn)結(jié)果，離開高壓電線80 m即可避免干擾。對無法避開的低壓電力線,在布設(shè)裝置時(shí)可以將電道和磁道的布設(shè)方向與電力線成45°角走向布設(shè),使電場干擾噪聲和磁場干擾噪聲在同一測量道上的分量大致相等，從而將絕大部分噪聲相互抵消。

2)使用屏蔽電纜,降低外界電磁場變化引起的噪聲干擾。

3)采用遠(yuǎn)參考或互參考測量。

根據(jù)所得到的試驗(yàn)資料分析，利用遠(yuǎn)參考能夠壓制一定的噪聲干擾，但是局部頻點(diǎn)效果不明顯，可能是所選的遠(yuǎn)參考點(diǎn)處的噪聲引起。

4)用Robust方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。該方法是通過觀測誤差大小控制數(shù)據(jù)質(zhì)量的一種加權(quán)最小二乘法，以整體數(shù)據(jù)為重點(diǎn)，對飛點(diǎn)賦以較小的權(quán)重，降低其在下一次迭代中的影響，進(jìn)而達(dá)到改善阻抗估算的品質(zhì)，提高信噪比的目的。大地電磁測量的噪聲干擾源主要來自人文活動產(chǎn)生的噪聲[7,8]。計(jì)算時(shí)可把遠(yuǎn)參考數(shù)據(jù)加入一起計(jì)算，同時(shí)結(jié)合Robust處理技術(shù)，可以有效壓制干擾。圖13所示為利用V8電法工作站在南嶺礦集區(qū)盤古山示范區(qū)內(nèi)實(shí)測AMT數(shù)據(jù)曲線。由圖13可知，低頻部分?jǐn)?shù)據(jù)受到明顯干擾，曲線跳躍嚴(yán)重。圖14為經(jīng)過常規(guī)處理后再進(jìn)行Robust等濾波處理的視電阻率及相位曲線。由圖14可知，干擾得到明顯壓制，數(shù)據(jù)資料的質(zhì)量得到了明顯的提高。

圖11 986點(diǎn)遠(yuǎn)參考對比試驗(yàn)Fig.11 The comparative test chart of remote reference at 986 point

圖12 936點(diǎn)遠(yuǎn)參考對比試驗(yàn)Fig.12 The comparative test chart of remote reference at 936 point

圖13 某AMT點(diǎn)視電阻率及相位曲線Fig.13 Apparent resistivity and phase curves of a AMT point

圖14 某AMT點(diǎn)常規(guī)處理后Robust再處理視電阻率及相位曲線Fig.14 Apparent resistivity and phase curves of a AMT point of the conventional processing after Robust treatment again

6 結(jié) 論

本文通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析及總結(jié)前人經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上得出如下結(jié)論：

1)影響天然場源電磁法數(shù)據(jù)采集的干擾噪聲主要為場源噪聲、地質(zhì)噪聲和人文噪聲。地質(zhì)噪聲和人文噪聲可以消除或降低其影響。

2)人文干擾噪聲源在時(shí)間上表現(xiàn)為隨機(jī)性和圖形的任意性，不同類型人文干擾源的影響范圍及規(guī)律都不盡相同，在距10 kV高壓電線50 m、110 kV高壓線80 m以外采集數(shù)據(jù)基本不受影響；水電站使音頻大地電磁電阻率曲線呈無規(guī)則鋸齒狀跳躍，離開100 m左右基本可以避免其對數(shù)據(jù)采集的影響；試驗(yàn)結(jié)果可以指導(dǎo)野外布設(shè)觀測系統(tǒng)時(shí)采取相應(yīng)的措施將噪聲壓制到最低限度。

3)在后期數(shù)據(jù)處理中采用先進(jìn)的去噪技術(shù)，提高觀測資料的質(zhì)量精度，對以后的生產(chǎn)工作具有一定的指導(dǎo)及借鑒作用。

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The Study on the Natural Field Source Interfering the Noise Source of the Electromagnetic Method

Li Zhijun,Cai Haishui

(ShanxiProvinceGeophysicalandGeochemicalExplorationInstitute,YunchengShanxi044004,China))

Qwing to the serious electromagnetic and human interference in old mines,the experimental work of interference survey need to be carried out in order to ensure the reliability of the geophysical exploration data. The test is conducted by leaving different types of interference source in different distance,collecting the electromagnetic data of natural sourc in the field and analyzing the characteristics of noise ,which help to get the influence area of different types of human disturbance on the quality of electromagnetic data of natural field source so that when collecting the field data and dealing with these data later,corresponding pressing measures and de-noising techniques can be taken to reduce noise influence to a minimum. The test results have a certain guidance and reference to the later work.

natural source; interference noise source; electromagnetic method

1672—7940(2016)06—0775—07

10.3969/j.issn.1672-7940.2016.06.014

國家重大科技專項(xiàng)(編號：SinoProbe-03-03)

李致君(1985-)，男，工程師，工學(xué)學(xué)士，主要從事地球物理勘探工作。E-mail:329235480@qq.com

P631.3

A

2016-03-23