現(xiàn)代高速鐵路對大地電磁測深的影響規(guī)律研究

白云天，李桐林，朱威，孟銀生，邰書坤

1.吉林大學(xué) 地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，長春 130026；2.中國地質(zhì)科學(xué)院 地球物理地球化學(xué)勘查研究所，河北 廊坊 065000

0 引言

大地電磁測深法是一種重要的地球深部探測技術(shù)，在地球深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)、深部熱源探測中有不可替代的作用[1]。大地電磁測深法所采集的天然場電磁信號較弱，極易受到各種人為干擾。

對于干擾信號的研究，胡家華等[2]針對工業(yè)交流電這一干擾源，研究了工頻電磁場對大地電磁觀測資料的影響，并提出一些壓制干擾的具體方法，如電磁屏蔽、十字對稱布極和布設(shè)遠(yuǎn)參考站等；孫潔等[3]將大地電磁測深的噪聲分為場源噪聲、地質(zhì)噪聲及人文噪聲，并對常見噪聲進(jìn)行頻譜分析，研究了尖峰干擾、方波干擾、單向漂移、階躍干擾以及頻率偏移干擾的頻譜特征，總結(jié)其影響頻段。王大勇[4]從原理上分析了近源干擾的產(chǎn)生及特點(diǎn)，依據(jù)九瑞礦集區(qū)的大地電磁測量結(jié)果，在時(shí)間域?qū)⒃肼暦譃槿遣ㄔ肼?、脈沖噪聲、階躍噪聲、周期噪聲以及充放電噪聲，歸納出每種噪聲的波形特征，并對礦山、無線通訊設(shè)備以及其他人文干擾的噪聲源進(jìn)行研究，總結(jié)了礦集區(qū)各種干擾源的噪聲類型及影響頻段。湯井田等[5]對廬江—樅陽礦集產(chǎn)生的電磁干擾進(jìn)行了研究，用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的方法，將五種典型干擾信號(三角波、脈沖噪聲、類方波、階躍噪聲以及充放電噪聲)從受噪嚴(yán)重的大地電磁時(shí)間序列中提取出來并進(jìn)行分析，又將噪聲與未受干擾的數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，通過視電阻率-相位曲線的對比，總結(jié)了該地區(qū)各種噪聲的影響規(guī)律。張弢等[6]研究了澳大利亞132kV高壓線的電磁干擾特征，認(rèn)為引起干擾的主要原因是50Hz及其諧波的工頻電磁場干擾。李致君等[7]分別研究了高壓輸電線、水電站、村莊人文干擾對大地電磁測深的影響，對各種干擾的波形特征及對視電阻率-相位曲線造成的影響進(jìn)行了總結(jié)。高速鐵路作為一種新型干擾源，其供電系統(tǒng)復(fù)雜，電流較大，會(huì)對周圍電磁環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾，但是尚未有人對其信號特征、干擾方式進(jìn)行研究。

京津冀地區(qū)作為中國北方經(jīng)濟(jì)規(guī)模最大的地區(qū)，也是交通物流網(wǎng)絡(luò)最為密集的地區(qū)，京津冀鐵路網(wǎng)的完善為京津冀地區(qū)協(xié)同發(fā)展提供了強(qiáng)有力的支撐和保障，同時(shí)也帶來了強(qiáng)烈的電磁信號干擾，嚴(yán)重影響了大地電磁測深技術(shù)的應(yīng)用效果，使其探測能力和探測精度大打折扣。查明高鐵信號特征、干擾方式，研發(fā)抗干擾的大地電磁測深技術(shù)是開展深部資源調(diào)查迫在眉睫的科技問題。本研究在冀中坳陷區(qū)開展針對高鐵干擾源的大地電磁測深干擾試驗(yàn)，通過改變測點(diǎn)與高速鐵路間的距離，研究高速鐵路對大地電磁測深數(shù)據(jù)采集的影響，對比各測點(diǎn)的時(shí)間序列及視電阻率-相位曲線研究干擾信號的特征和干擾方式，并得出相關(guān)結(jié)論。

1 觀測試驗(yàn)

為研究高鐵對大地電磁測深數(shù)據(jù)的影響，選擇了京廣高速鐵路的北京—涿州段作為實(shí)驗(yàn)的干擾源，測點(diǎn)布設(shè)在高碑店三里鋪村附近，分別距離高速鐵路0.5 km、1 km、1.5 km、2 km、3 km、5 km、8 km、10 km、12 km、14 km進(jìn)行觀測(圖1)。儀器設(shè)備用加拿大PHOENIX(鳳凰)公司生產(chǎn)的MTU-5A(V5-2000)型大地電磁觀測系統(tǒng)。磁場信號采用MTC-50長周期磁傳感器采集，頻率范圍為：400～0.00 002 Hz。觀測方式采用張量測量方式，一個(gè)排列至少同時(shí)觀測一組Ex、Ey、Hx、Hy、Hz五個(gè)分量。

圖1 試驗(yàn)點(diǎn)位置Fig.1 Test point location

數(shù)據(jù)采集：

①電極一般采用標(biāo)準(zhǔn)“+”字形布設(shè)，因地形條件無法采用“+”字形布設(shè)時(shí)，可采用“L”形或“T”形方式布設(shè)；要求接地電阻<2 000 Ω，電極線采用屏蔽線并全部或分段壓實(shí)。

②在電磁干擾大的測點(diǎn)處，為了防止采集的電場數(shù)據(jù)飽和，電極距設(shè)定為50 m(個(gè)別電磁場強(qiáng)度特大處采用25 m電極距)。同一方向上，兩電極相對高差控制在極距長度的3%以內(nèi)。

③水平磁棒方位經(jīng)儀器實(shí)測，方位誤差不超過±1°，磁棒埋設(shè)深度≥20 cm；垂直磁傳感器埋深≥2/3自身長度。

④有效觀測記錄時(shí)間20 h以上。

2 高鐵干擾分析

京廣高速鐵路運(yùn)營車輛采用AT供電方式，有輸電能力強(qiáng)、牽引網(wǎng)阻抗小、對通信影響小的優(yōu)點(diǎn)[8]。供電系統(tǒng)主要由牽引變電所、牽引網(wǎng)和供電線路組成，牽引變電所主變低壓側(cè)母線額定電壓為27.5 kV，50 Hz；接觸網(wǎng)額定電壓為25 kV，50 Hz[9]。自耦變壓器每隔8～12 km并聯(lián)接入于接觸網(wǎng)與正饋線之間，自耦變壓器的中點(diǎn)與鋼軌相連，列車通過接觸懸掛系統(tǒng)由接觸網(wǎng)受電后，電流由鋼軌流回，并經(jīng)自耦變壓器繞組和正饋線流回牽引變電所[10](圖2)。

圖2 AT供電方式結(jié)構(gòu)Fig.2 AT power supply system

高速鐵路產(chǎn)生電磁干擾的來源主要有3點(diǎn)：①列車在行駛時(shí)，牽引懸掛系統(tǒng)與接觸網(wǎng)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)并發(fā)生弓網(wǎng)離線，從而導(dǎo)致火花放電，即“弓網(wǎng)電弧”。弓網(wǎng)電弧在形成時(shí)會(huì)向周圍環(huán)境釋放電磁波，對高頻信號產(chǎn)生影響[11-12]。②自耦變壓器等高功率設(shè)備在電能轉(zhuǎn)換過程中，電路中電壓與電流的變化會(huì)產(chǎn)生豐富的諧波，對測量造成大量干擾[13-14]。③高鐵供電系統(tǒng)中，電流回流時(shí)會(huì)有一部分流入地下，入地電流會(huì)直接導(dǎo)致觀測的電場及磁場幅值變大[15-16]。

2.1 高鐵干擾噪聲類型

分析并統(tǒng)計(jì)大地電磁測深數(shù)據(jù)的時(shí)間序列波形，將觀測到主要干擾信號的時(shí)間與高碑店東站列車時(shí)刻表(表1)對比，發(fā)現(xiàn)干擾信號出現(xiàn)時(shí)刻與列車進(jìn)站時(shí)刻吻合，隨著試驗(yàn)點(diǎn)與高鐵距離的增大，測點(diǎn)所受干擾減小，干擾信號也隨之減弱，可以推斷噪聲為高鐵列車所產(chǎn)生。

表1 高碑店東站列車時(shí)刻表Table 1 Railway station train timetable of Gaobeidian East

圖3為脈沖噪聲時(shí)間序列曲線，在距離鐵路5 km以內(nèi)的測點(diǎn)可以觀測到脈沖干擾信號，頻率較高，在時(shí)間序列中表現(xiàn)為振幅很高的尖峰形態(tài)，幅值較大，能量較強(qiáng)，隨著測點(diǎn)與高鐵距離的增大，振幅逐漸減?。壕嚯x高鐵線路0.5 km處振幅為5 000，1 km處振幅為3 000，1.5 km處振幅為2 000，2 km、3 km處振幅降到1 000以下，在5 km處脈沖信號振幅與正常信號相差無幾，在距離高鐵5 km以上的試驗(yàn)點(diǎn)未能觀測到該信號。

a.Ex分量曲線; b.Ey分量曲線;c. Hx、Hy、Hz分量曲線。圖3 脈沖噪聲時(shí)間序列曲線Fig.3 Time series curves of impulse noise

圖4為階躍噪聲時(shí)間序列曲線，在距離鐵路3 km以內(nèi)的測點(diǎn)可以觀測到階躍噪聲干擾信號，在時(shí)間序列中表現(xiàn)為電磁信號突然抬升或下降，然后逐漸恢復(fù)，變回正常大地電磁信號幅值的形態(tài)，其幅值在距離高鐵線路0.5 km處超過5 000，其信號衰減較快，在3 km處已觀測不到該干擾信號。

分析測點(diǎn)GT-1.0的時(shí)間序列曲線(圖5)，階躍噪聲的電場與磁場有較強(qiáng)的相關(guān)性，且階躍噪聲經(jīng)常疊加高頻正弦波信號出現(xiàn)。

a.Ex分量曲線；b.Ey分量曲線。圖4 階躍噪聲時(shí)間序列曲線Fig.4 Time series curves of step noise

圖5 測點(diǎn)GT--1.0時(shí)間序列曲線Fig.5 Time series curves of measuring point GT--1.0

圖6為高鐵所產(chǎn)生的周期噪聲信號，在3 km范圍內(nèi)受到影響，頻率范圍較寬，主要為50 Hz的工頻電磁信號，同時(shí)也產(chǎn)生較強(qiáng)的諧波干擾。時(shí)間序列中表現(xiàn)為較規(guī)則的正弦曲線，周期噪聲持續(xù)時(shí)間較長，對大地電磁觀測會(huì)產(chǎn)生較大影響，但是其信號輻射范圍較小，距離2 km處已衰減至天然場的信號強(qiáng)度，3 km處已觀測不到該信號。從2 400 Hz采樣率的Ex頻譜(圖7)中可以看出50 Hz、100 Hz、150 Hz、200 Hz等處的頻譜能量明顯高于正常值。

a.Ex分量曲線; b. Ey分量曲線。圖6 周期噪聲時(shí)間序列曲線Fig.6 Time series curves of periodic noise

圖7 測點(diǎn)GT--0.5～GT--5.0 Ex頻譜(2 400 Hz采樣率)Fig.7 Test point GT--0.5 ～ GT--5.0 Ex spectrum(2 400 Hz sampling rate)

2.2 高鐵干擾方式

圖8～圖17為各測點(diǎn)的視電阻率曲線及相位曲線。分析測點(diǎn)視電阻率及相位測深曲線，可以發(fā)現(xiàn)距離高鐵線路0.5 km處，視電阻率及相位曲線在5～100 Hz跳變不連續(xù)，受到50 Hz及其諧波干擾較為明顯；距離0.5 km、1 km、1.5 km在10 Hz以后，2 km、3 km、5 km在5 Hz以后,8 km、10 km在1 Hz以后相位開始明顯下降并逐漸趨于0°或-180°，視電阻率曲線呈45°上升，受到近場干擾影響。>10 Hz的干擾信號影響范圍不超過0.5 km；5～10 Hz的干擾信號影響范圍不超過3 km；1～5 Hz的干擾信號影響范圍不超過5 km；<1 Hz的干擾信號影響范圍超過5 km。在距離高鐵12 km、14 km處測點(diǎn)雖然不能完全避免高鐵干擾，但是數(shù)據(jù)受干擾程度及呈近源特征的頻率范圍大大降低，使用儀器自帶的SSMT-2000數(shù)據(jù)處理軟件常規(guī)處理，即可參與反演計(jì)算。

a.視電阻率曲線; b.相位曲線。圖8 測點(diǎn)GT--0.5視電阻率及相位曲線Fig.8 Apparent resistivity and phase curves of measuring points GT--0.5

a.視電阻率曲線; b.相位曲線。圖9 測點(diǎn)GT--1.0視電阻率及相位曲線Fig.9 Apparent resistivity and phase curves of measuring points GT--1.0

a.視電阻率曲線; b.相位曲線。圖10 測點(diǎn)GT--1.5視電阻率及相位曲線Fig.10 Apparent resistivity and phase curves of measuring points GT--1.5

a.視電阻率曲線; b.相位曲線。圖11 測點(diǎn)GT--2.0視電阻率及相位曲線Fig.11 Apparent resistivity and phase curves of measuring points GT--2.0

a.視電阻率曲線; b.相位曲線。圖12 測點(diǎn)GT--3.0視電阻率及相位曲線Fig.12 Apparent resistivity and phase curves of measuring points GT--3.0

a.視電阻率曲線; b.相位曲線。圖13 測點(diǎn)GT--5.0視電阻率及相位曲線Fig.13 Apparent resistivity and phase curves of measuring points GT--5.0

a.視電阻率曲線; b.相位曲線。圖14 測點(diǎn)GT--8.0視電阻率及相位曲線Fig.14 Apparent resistivity and phase curves of measuring points GT--8.0

a.視電阻率曲線; b.相位曲線。圖15 測點(diǎn)GT--10.0視電阻率及相位曲線Fig.15 Apparent resistivity and phase curves of measuring points GT--10.0

a.視電阻率曲線; b.相位曲線。圖16 測點(diǎn)GT--12.0視電阻率及相位曲線Fig.16 Apparent resistivity and phase curves of measuring points GT--12.0

a.視電阻率曲線; b.相位曲線。圖17 測點(diǎn)GT--14.0視電阻率及相位曲線Fig.17 Apparent resistivity and phase curves of measuring points GT--14.0

3 結(jié)論

(1)高鐵線路及列車行駛時(shí)產(chǎn)生電磁干擾，嚴(yán)重影響大地電磁測深數(shù)據(jù)采集，從時(shí)間域來看，其主要干擾信號為脈沖噪聲、階躍噪聲及周期噪聲。

(2)分析頻率域曲線可知高鐵干擾對大地電磁測深100 Hz以下頻段數(shù)據(jù)均會(huì)產(chǎn)生影響，主要影響方式為近場干擾。影響程度與測點(diǎn)和干擾源距離有關(guān)；>10 Hz的干擾信號影響范圍不超過0.5 km；5～10 Hz的干擾信號影響范圍不超過3 km；1～5 Hz的干擾信號影響范圍不超過5 km；<1 Hz的干擾信號影響范圍超過5 km。在12 km以外可以忽略高鐵的干擾。

(3)在高鐵運(yùn)營時(shí)間段內(nèi)，為了獲得更高質(zhì)量的大地電磁數(shù)據(jù)，盡量減少高鐵信號的干擾，在設(shè)計(jì)觀測點(diǎn)位時(shí)應(yīng)距離高鐵線路12 km以上；在點(diǎn)位無法避開高鐵線路時(shí)，可以選擇在高鐵停運(yùn)時(shí)段觀測或采取布設(shè)遠(yuǎn)參考站等方法。