现代高速铁路对大地电磁测深的影响规律研究

白云天，李桐林，朱威，孟银生，邰书坤

1.吉林大学 地球探测科学与技术学院，长春 130026；2.中国地质科学院 地球物理地球化学勘查研究所，河北 廊坊 065000

0 引言

大地电磁测深法是一种重要的地球深部探测技术，在地球深部地质结构、深部热源探测中有不可替代的作用[1]。大地电磁测深法所采集的天然场电磁信号较弱，极易受到各种人为干扰。

对于干扰信号的研究，胡家华等[2]针对工业交流电这一干扰源，研究了工频电磁场对大地电磁观测资料的影响，并提出一些压制干扰的具体方法，如电磁屏蔽、十字对称布极和布设远参考站等；孙洁等[3]将大地电磁测深的噪声分为场源噪声、地质噪声及人文噪声，并对常见噪声进行频谱分析，研究了尖峰干扰、方波干扰、单向漂移、阶跃干扰以及频率偏移干扰的频谱特征，总结其影响频段。王大勇[4]从原理上分析了近源干扰的产生及特点，依据九瑞矿集区的大地电磁测量结果，在时间域将噪声分为三角波噪声、脉冲噪声、阶跃噪声、周期噪声以及充放电噪声，归纳出每种噪声的波形特征，并对矿山、无线通讯设备以及其他人文干扰的噪声源进行研究，总结了矿集区各种干扰源的噪声类型及影响频段。汤井田等[5]对庐江—枞阳矿集产生的电磁干扰进行了研究，用数学形态学的方法，将五种典型干扰信号(三角波、脉冲噪声、类方波、阶跃噪声以及充放电噪声)从受噪严重的大地电磁时间序列中提取出来并进行分析，又将噪声与未受干扰的数据进行叠加，通过视电阻率-相位曲线的对比，总结了该地区各种噪声的影响规律。张弢等[6]研究了澳大利亚132kV高压线的电磁干扰特征，认为引起干扰的主要原因是50Hz及其谐波的工频电磁场干扰。李致君等[7]分别研究了高压输电线、水电站、村庄人文干扰对大地电磁测深的影响，对各种干扰的波形特征及对视电阻率-相位曲线造成的影响进行了总结。高速铁路作为一种新型干扰源，其供电系统复杂，电流较大，会对周围电磁环境产生严重的干扰，但是尚未有人对其信号特征、干扰方式进行研究。

京津冀地区作为中国北方经济规模最大的地区，也是交通物流网络最为密集的地区，京津冀铁路网的完善为京津冀地区协同发展提供了强有力的支撑和保障，同时也带来了强烈的电磁信号干扰，严重影响了大地电磁测深技术的应用效果，使其探测能力和探测精度大打折扣。查明高铁信号特征、干扰方式，研发抗干扰的大地电磁测深技术是开展深部资源调查迫在眉睫的科技问题。本研究在冀中坳陷区开展针对高铁干扰源的大地电磁测深干扰试验，通过改变测点与高速铁路间的距离，研究高速铁路对大地电磁测深数据采集的影响，对比各测点的时间序列及视电阻率-相位曲线研究干扰信号的特征和干扰方式，并得出相关结论。

1 观测试验

为研究高铁对大地电磁测深数据的影响，选择了京广高速铁路的北京—涿州段作为实验的干扰源，测点布设在高碑店三里铺村附近，分别距离高速铁路0.5 km、1 km、1.5 km、2 km、3 km、5 km、8 km、10 km、12 km、14 km进行观测(图1)。仪器设备用加拿大PHOENIX(凤凰)公司生产的MTU-5A(V5-2000)型大地电磁观测系统。磁场信号采用MTC-50长周期磁传感器采集，频率范围为：400～0.00 002 Hz。观测方式采用张量测量方式，一个排列至少同时观测一组Ex、Ey、Hx、Hy、Hz五个分量。

图1 试验点位置Fig.1 Test point location

数据采集：

①电极一般采用标准“+”字形布设，因地形条件无法采用“+”字形布设时，可采用“L”形或“T”形方式布设；要求接地电阻<2 000 Ω，电极线采用屏蔽线并全部或分段压实。

②在电磁干扰大的测点处，为了防止采集的电场数据饱和，电极距设定为50 m(个别电磁场强度特大处采用25 m电极距)。同一方向上，两电极相对高差控制在极距长度的3%以内。

③水平磁棒方位经仪器实测，方位误差不超过±1°，磁棒埋设深度≥20 cm；垂直磁传感器埋深≥2/3自身长度。

④有效观测记录时间20 h以上。

2 高铁干扰分析

京广高速铁路运营车辆采用AT供电方式，有输电能力强、牵引网阻抗小、对通信影响小的优点[8]。供电系统主要由牵引变电所、牵引网和供电线路组成，牵引变电所主变低压侧母线额定电压为27.5 kV，50 Hz；接触网额定电压为25 kV，50 Hz[9]。自耦变压器每隔8～12 km并联接入于接触网与正馈线之间，自耦变压器的中点与钢轨相连，列车通过接触悬挂系统由接触网受电后，电流由钢轨流回，并经自耦变压器绕组和正馈线流回牵引变电所[10](图2)。

图2 AT供电方式结构Fig.2 AT power supply system

高速铁路产生电磁干扰的来源主要有3点：①列车在行驶时，牵引悬挂系统与接触网会产生振动并发生弓网离线，从而导致火花放电，即“弓网电弧”。弓网电弧在形成时会向周围环境释放电磁波，对高频信号产生影响[11-12]。②自耦变压器等高功率设备在电能转换过程中，电路中电压与电流的变化会产生丰富的谐波，对测量造成大量干扰[13-14]。③高铁供电系统中，电流回流时会有一部分流入地下，入地电流会直接导致观测的电场及磁场幅值变大[15-16]。

2.1 高铁干扰噪声类型

分析并统计大地电磁测深数据的时间序列波形，将观测到主要干扰信号的时间与高碑店东站列车时刻表(表1)对比，发现干扰信号出现时刻与列车进站时刻吻合，随着试验点与高铁距离的增大，测点所受干扰减小，干扰信号也随之减弱，可以推断噪声为高铁列车所产生。

表1 高碑店东站列车时刻表Table 1 Railway station train timetable of Gaobeidian East

图3为脉冲噪声时间序列曲线，在距离铁路5 km以内的测点可以观测到脉冲干扰信号，频率较高，在时间序列中表现为振幅很高的尖峰形态，幅值较大，能量较强，随着测点与高铁距离的增大，振幅逐渐减小：距离高铁线路0.5 km处振幅为5 000，1 km处振幅为3 000，1.5 km处振幅为2 000，2 km、3 km处振幅降到1 000以下，在5 km处脉冲信号振幅与正常信号相差无几，在距离高铁5 km以上的试验点未能观测到该信号。

a.Ex分量曲线; b.Ey分量曲线;c. Hx、Hy、Hz分量曲线。图3 脉冲噪声时间序列曲线Fig.3 Time series curves of impulse noise

图4为阶跃噪声时间序列曲线，在距离铁路3 km以内的测点可以观测到阶跃噪声干扰信号，在时间序列中表现为电磁信号突然抬升或下降，然后逐渐恢复，变回正常大地电磁信号幅值的形态，其幅值在距离高铁线路0.5 km处超过5 000，其信号衰减较快，在3 km处已观测不到该干扰信号。

分析测点GT-1.0的时间序列曲线(图5)，阶跃噪声的电场与磁场有较强的相关性，且阶跃噪声经常叠加高频正弦波信号出现。

a.Ex分量曲线；b.Ey分量曲线。图4 阶跃噪声时间序列曲线Fig.4 Time series curves of step noise

图5 测点GT--1.0时间序列曲线Fig.5 Time series curves of measuring point GT--1.0

图6为高铁所产生的周期噪声信号，在3 km范围内受到影响，频率范围较宽，主要为50 Hz的工频电磁信号，同时也产生较强的谐波干扰。时间序列中表现为较规则的正弦曲线，周期噪声持续时间较长，对大地电磁观测会产生较大影响，但是其信号辐射范围较小，距离2 km处已衰减至天然场的信号强度，3 km处已观测不到该信号。从2 400 Hz采样率的Ex频谱(图7)中可以看出50 Hz、100 Hz、150 Hz、200 Hz等处的频谱能量明显高于正常值。

a.Ex分量曲线; b. Ey分量曲线。图6 周期噪声时间序列曲线Fig.6 Time series curves of periodic noise

图7 测点GT--0.5～GT--5.0 Ex频谱(2 400 Hz采样率)Fig.7 Test point GT--0.5 ～ GT--5.0 Ex spectrum(2 400 Hz sampling rate)

2.2 高铁干扰方式

图8～图17为各测点的视电阻率曲线及相位曲线。分析测点视电阻率及相位测深曲线，可以发现距离高铁线路0.5 km处，视电阻率及相位曲线在5～100 Hz跳变不连续，受到50 Hz及其谐波干扰较为明显；距离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以后相位开始明显下降并逐渐趋于0°或-180°，视电阻率曲线呈45°上升，受到近场干扰影响。>10 Hz的干扰信号影响范围不超过0.5 km；5～10 Hz的干扰信号影响范围不超过3 km；1～5 Hz的干扰信号影响范围不超过5 km；<1 Hz的干扰信号影响范围超过5 km。在距离高铁12 km、14 km处测点虽然不能完全避免高铁干扰，但是数据受干扰程度及呈近源特征的频率范围大大降低，使用仪器自带的SSMT-2000数据处理软件常规处理，即可参与反演计算。

a.视电阻率曲线; b.相位曲线。图8 测点GT--0.5视电阻率及相位曲线Fig.8 Apparent resistivity and phase curves of measuring points GT--0.5

a.视电阻率曲线; b.相位曲线。图9 测点GT--1.0视电阻率及相位曲线Fig.9 Apparent resistivity and phase curves of measuring points GT--1.0

a.视电阻率曲线; b.相位曲线。图10 测点GT--1.5视电阻率及相位曲线Fig.10 Apparent resistivity and phase curves of measuring points GT--1.5

a.视电阻率曲线; b.相位曲线。图11 测点GT--2.0视电阻率及相位曲线Fig.11 Apparent resistivity and phase curves of measuring points GT--2.0

a.视电阻率曲线; b.相位曲线。图12 测点GT--3.0视电阻率及相位曲线Fig.12 Apparent resistivity and phase curves of measuring points GT--3.0

a.视电阻率曲线; b.相位曲线。图13 测点GT--5.0视电阻率及相位曲线Fig.13 Apparent resistivity and phase curves of measuring points GT--5.0

a.视电阻率曲线; b.相位曲线。图14 测点GT--8.0视电阻率及相位曲线Fig.14 Apparent resistivity and phase curves of measuring points GT--8.0

a.视电阻率曲线; b.相位曲线。图15 测点GT--10.0视电阻率及相位曲线Fig.15 Apparent resistivity and phase curves of measuring points GT--10.0

a.视电阻率曲线; b.相位曲线。图16 测点GT--12.0视电阻率及相位曲线Fig.16 Apparent resistivity and phase curves of measuring points GT--12.0

a.视电阻率曲线; b.相位曲线。图17 测点GT--14.0视电阻率及相位曲线Fig.17 Apparent resistivity and phase curves of measuring points GT--14.0

3 结论

(1)高铁线路及列车行驶时产生电磁干扰，严重影响大地电磁测深数据采集，从时间域来看，其主要干扰信号为脉冲噪声、阶跃噪声及周期噪声。

(2)分析频率域曲线可知高铁干扰对大地电磁测深100 Hz以下频段数据均会产生影响，主要影响方式为近场干扰。影响程度与测点和干扰源距离有关；>10 Hz的干扰信号影响范围不超过0.5 km；5～10 Hz的干扰信号影响范围不超过3 km；1～5 Hz的干扰信号影响范围不超过5 km；<1 Hz的干扰信号影响范围超过5 km。在12 km以外可以忽略高铁的干扰。

(3)在高铁运营时间段内，为了获得更高质量的大地电磁数据，尽量减少高铁信号的干扰，在设计观测点位时应距离高铁线路12 km以上；在点位无法避开高铁线路时，可以选择在高铁停运时段观测或采取布设远参考站等方法。