大地电磁多站远参考在压制城市游散电流近场干扰中的应用

邰书坤，李桐林，朱威，王大勇，王刚

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

大地电磁法是利用天然电磁场研究地电结构的一种方法，其中宽频大地电磁法观测频段为n×102～10-3Hz，同时具备AMT浅层分辨率高和LMT有效探测深度大的优点，是深部地质探测的有效手段[1--2]。但由于观测频段较宽，信号微弱，容易受到各种电磁噪声的干扰。如高铁、城市游散电流、高压输电线路、变电站、高速公路和通讯基站等，其中城市游散电流干扰尤为显著。陈有发等[3]认为电气化铁路漏入大地60～200 A的游散电流，会引起自然电场和大地电场的量值和位相强烈变化。王蕃树等[4]从均匀半空间电磁分别原理出发，推导了符合地台站精度要求的工业游散电流干扰源避开距离公式。李桐林等[5]研究了50万伏超高压输电线的电磁噪声规律，得出其对电磁场影响频段主要为50 Hz及其高次谐波。白云天等[6]通过实测数据分析了高铁对大地电磁测深的影响规律。

在地球物理勘探方法中，数据去噪是一个十分重要的过程。朱鹤文等[7]利用基于K--SVD字典学习和主成分分析(PCA)相结合的主成分字典学习算法，提高了地震数据的信噪比。代丽艳等[8]总结了地面微地震监测中常见噪声的基本特征及数据去噪方法。对于大地电磁测深法而言，数据求取准确阻抗的过程也是一个去噪的过程。常见的去噪手段有最小二乘法、互功率谱法、Robust阻抗张量估计和Hilbert-huang变换等。城市游散电流引起的强烈近场干扰作为一种相关噪声，常规去噪方法效果有限。为降低相关噪声对基站的干扰，Gamble et al.[9]最早提出通过增设远参考站，用互功率谱代替自功率谱，可降低相关噪声的影响。Varentsov[10]提出了一种在相关噪声存在时也能达到噪声压制效果的方法，即用磁场转换函数来控制阻抗估计的远参考磁场控制原则。Muoz et al.[11]在磁场相关的基础上提出一种伪远参考的数据采集方法并通过试验验证了该方法的可靠性。Goubau et al.[12]最初认为测点与远参考站距离几千米可获得无偏数据。Jones et al.[13]选择135 km的参考距离取得了良好的效果。Shalivahan et al.[14]分析了参考道距离对远参考处理结果的影响，得出远参考站距基站须 215 km以上方能有效提升 30～0.000 55 Hz频段的数据质量的结论。田绍耕[15]认为对于“近场效应”的噪声干扰传统解决办法是采用远参考处理技术进行压制。黄哲[16]通过实例验证了远参考法对于MT数据质量提升的有效性，并给出高、中、低频段远参考点与本地测点的合理距离。杨生[17]以实例分析了远参考法在改善高频数据、畸变曲线校正等方面的作用。徐志敏等[18]通过对庐枞矿集区大地电磁数据远参考处理，分析了不同参考距离下的远参考处理数据改善频段不同。仇根根等[19]将远参考法应用到东北强电磁干扰区，对数据品质提升显著。

作为当前难以避开的强电磁干扰源，尚未见到针对城市游散电流对大地电磁测深的干扰方式进行研究的公开成果。远参考法作为压制近场干扰的有效手段，前人研究主要针对单站远参考，而对于强电磁干扰引起的近场干扰，单站远参考对于数据质量的改善效果有限，多站远参考处理效果有待探究。笔者首先分析了城市游散电流对大地电磁测深的干扰特征，根据干扰特征选取远参考法进行干扰压制，同时考虑到单站远参考站参考频段的局限性，利用多站远参考站与单站远参考站处理效果对比分析，结果显示经多站远参考处理后近场干扰压制效果较好，数据质量提升明显。

1 原理及方法

1.1 干扰源与干扰距离分析

当接地电极A、B间长度小于A、B中心到观测点间距离的3～5倍时，在观测点处的场就可以认为是偶极子场。以在介质中衰减较慢的电偶极子源为例，对于近区赤道装置，有：

(1)

(2)

即在距离干扰源736 m外，测点受到的干扰可忽略，该距离为干扰范围。

1.2 远参考法原理

远参考大地电磁测深法(remote reference MT，简称RRMT)由Gamble et al.[9]提出，原理是基于地磁场在一定范围内缓慢变化，利用弱噪声地区远参考点与测点间电磁分量噪声不相关而信号相关的特征,将远参考点处的磁信号当作测点处的磁分量来计算互功率谱，达到消除测点自功率谱的目的。

在大地电磁测深中，若无噪声干扰，则有：

Ex=ZxxHx+ZxyHy

(3)

Ey=ZyxHx+ZyyHy

(4)

式中：Ex,Ey为水平电场分量；Hy,Hy为水平磁场分量；Zxx,Zyx等为阻抗张量元素。根据(3)、(4)式，如无噪声干扰，易求出张量阻抗值，但在实际大地电磁测深中观测值为噪声信号与噪声干扰的叠加：

Ex=Exs+Exn

(5)

Ey=Eys+Eyn

(6)

Hx=Hxs+Hxn

(7)

Hy=Hys+Hyn

(8)

式中：s和n分别为真实信号和噪声干扰。此时，只有真实信号满足关系式(3)、(4)，而含有噪声的观测值不满足阻抗张量关系式。为避免噪声干扰，利用远参考站处磁场分量Hxr和Hyr分别乘以(3)、(4)式再经过一些运算可得张量阻抗元素Zij:

(9)

(10)

(11)

(12)

1.3 多站远参考法基本理论

黄哲[16]通过实例分析认为要想达到噪声压制效果，高频段数据参考距为10～20 km，中频段为50～100 km，低频段应>100 km，俄罗斯科学院地磁研究中心Varentsov et al.[20]认为对于低频数据应该选取长距离的地磁台站作为远参考站。为弥补单点远参考只能改善单一频段的局限性，基于短距离参考站对于高频段数据参考效果较好，中距离参考站对于中频段数据参考效果较好，长距离参考站对于低频段数据处理效果较好，选择多站远参考处理方式。其基本思路是在满足基站与远参考站信号相关噪声不相关的前提下，选取极限小的远参考距离，避免远参考站与测点之间叠加同相位、同方位的干扰信号。利用同步布设的近、中、远距离远参考站分别。对测点数据处理，分频段挑选最优结果，再将结果进行最优化组合，得到最终的大地电磁测深曲线。

2 噪声干扰分析

中国地质科学院物化探所承担的中国地调局地质调查项目“冀中坳陷深部碳酸盐岩热储调查评价”，其工作区域位于人文噪声干扰严重的京津冀地区，为了有效制定大地电磁测深技术指标，提升大地电磁测深数据质量，项目组开展了6种干扰源、11个远参考站的多站远参考方法技术试验。本文正是基于这一项目，下面以城市游散电流为例分析噪声干扰特征及去噪方法。

2.1 城市游散电流干扰观测试验

针对城市游散电流对大地电磁测深的干扰，以北京市中心为试验原点，距原点15 km、27 km、38 km、50 km、60 km和70 km处布设测点。为避免测点处其他干扰源影响试验数据的准确性，测点选址尽量避开当地工厂、高压线组等其他干扰源，保证观测对象的唯一性。试验仪器采用加拿大 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 宽频磁传感器，频率范围为400～0.000 02 Hz，为确保低频段的数据质量，每个测点采集时长不低于20 h。仪器观测采用张量观测方法，同时测量Ex、Ey、Hx、Hy、Hz5个分量。

图1 北京城南游散电流试验点位置Fig.1 Location of stray current test points in southern Beijing

2.2 噪声干扰特征分析

北京城区电气化铁路密布、工业用电设备繁多，由于接地线的存在，各种用电设备的接地端与变压器地线间的大地形成接地电流而对地电观测造成影响。在电气化铁路中，牵引电流回流时会有一部分流入大地，在地中形成电流场，造成地电位升高。在地铁供电系统中，牵引变流器整流逆变电路在工作期间会造成严重的电磁干扰，其干扰频率在9 kHz～1 GHz之间，但高频衰减很快，不在大地电磁观测范围内[21]。高压线、变电站的辐射干扰集中在50 Hz及其谐波，但其影响范围有限，在测点选址时能够避开，其对长距离外大地电磁工作的干扰还是以接地电流为主。

图2、3为距城市游散电流干扰源不同距离处视电阻率与相位曲线，分析可知距离北京市中心15 km处测点数据的视电阻率与相位曲线从320 Hz开始相位曲线明显下降并逐渐趋于 0°或±180°，视电阻率曲线近 45°上升，全频段受到严重的近区场干扰，曲线跳变巨大，实际地电信息完全被湮灭。15 km以外测点近场干扰频段逐渐向低频移动，其中27 km处测点从79 Hz，38 km测点从5.6 Hz，50 km、60 km和70 km测点分别从0.25 Hz、0.18 Hz、0.51 Hz进入近区场。15 km与27 km处由近场干扰引起视电阻率--相位曲线畸变十分严重，视电阻率畸变值最高可达107Ω·m，38 km干扰明显减弱，视电阻率畸变值最高为1 000 Ω·m，50 km以外近场干扰只能影响到很低的频段。城市游散电流对大地电磁测深主要的干扰方式为近场干扰，其影响范围在50 km以内。

图2 测点YS--15～YS--70视电阻率与相位曲线(xy)Fig.2 Apparent resistivity and phase curves (xy) of measuring points YS--15～YS--70

图3 测点YS--15～YS--70视电阻率与相位曲线(yx)Fig.3 Apparent resistivity and phase curves (yx) of measuring points YS--15～YS--70

图4为距干扰源不同距离测点处15 Hz、150 Hz和2 400 Hz采样率数据算出的全频段频谱密度曲线。图中可明显看出测点距离城市游散电流越远，其频谱能量越低。在低频段0.001～5.5 Hz处能量衰减很快，最高点到最低点相差好几个数量级，在5.5 Hz以上的中高频段，频谱能量逐渐趋于稳定。从频谱上可看出50 Hz及其谐波处出现明显波峰，而且在50 Hz、150 Hz和250 Hz等奇次谐波处能量更为突出，远高于相邻频点。

图4 测点YS--15～YS--70 Ex全频段频谱密度曲线Fig.4 Ex full frequency spectrum density curves of YS--15～YS--70

3 单站远参考对近场干扰的处理

3.1 多个远参考站同步观测

杨生[17]分析认为当远参考点与测点间距为14倍探测深度时，可满足噪声不相关条件；由于电磁场总场为一次场与二次场之和，而且二次场是由一次场激发的，只要测点与远参考点的一次场相关就可满足信号相关条件。在满足远参考与测点噪声不相关信号相关的前提下，考虑到单个远参考站对于宽频大地电磁全频段数据改善的局限性，再结合远参考与测点距离、方位与构造条件等因素，项目组以北京市中心为原点开展了多站远参考大地电磁测深试验，布设了11个远参考站(图5)。11个远参考站与干扰源试验测点同步观测，远参考数据连续采集，时长超过30 d，采用的观测仪器、磁探头均与测点一致。

图5 远参考点位置(构造单元划分据文献[22])Fig.5 Location of remote reference points

如图6、7所示，易县、多伦与朝阳3个远参考站的视电阻率与相位曲线，除少数频点蹦跳外，曲线总体十分光滑，曲线质量较好，适合作为远参考站。

图6 远参考站视电阻率与相位曲线(xy)Fig.6 Apparent resistivity and phase curves (xy) of remote reference stations

图7 远参考站视电阻率与相位曲线 (yx)Fig.7 Apparent resistivity and phase curves (yx) of remote reference stations

3.2 3个远参考站分别对YS--15、YS--27测点处理结果

由图8、9可知，距离北京市中心15 km的YS--15测点全频段均受到近场干扰，视电阻率曲线呈45°抬升，相位曲线趋于0或180°。经易县(80 km)、多伦(220 km)和朝阳(390 km)3个不同距离的远参考站处理后，除少数跳点有改善外，全频段几乎没有参考效果，甚至处理后数据质量更差，分析是由于测点距市区太近，干扰太大所致。

图8 测点YS--15经3个远参考站处理后视电阻率与相位曲线(xy)Fig.8 Apparent resistivity and phase curves(xy)of measuring point YS--15 is processed by 3 remote reference stations

图9 测点YS--15经3个远参考站处理后视电阻率与相位曲线(yx)Fig.9 Apparent resistivity and phase curves (yx) of measuring point YS--15 is processed by 3 remote reference stations

由图10、11可知，距离北京市中心27 km的YS--27测点从79 Hz开始进入近区场，视电阻率曲线呈45°抬升，相位曲线趋于0或180°。经易县(80 km)、多伦(220 km)和朝阳(390 km)3个不同距离的远参考站处理后，中高频段的近场效应得到一定改善。经易县、多伦和朝阳远参考单独处理后，进入近区场频率分别降低为27.5 Hz、16.2 Hz和11.2 Hz，呈现参考距离越远，参考频段越低的特征。

图10 测点YS--27经3个远参考站处理后视电阻率与相位曲线(xy)Fig.10 Apparent resistivity and phase curves(xy)of measuring point YS--27 is processed by 3 remote reference stations

图11 测点YS--27经3个远参考站处理后视电阻率与相位曲线(yx)Fig.11 Apparent resistivity and phase curves (yx) of measuring point YS--27 is processed by 3 remote reference stations

3.3 11个不同距离远参考站分别对YS--38测点处理结果

如图12、13所示，YS--38测点经呼和浩特、五台等11个远参考站处理后视电阻率与相位曲线对比图。由图可知，原始视电阻率与相位曲线在100 Hz处受到50 Hz谐波工频干扰，从5.6 Hz起进入近区场。经远参考法处理后，数据质量在不同频段得到不同程度的提升。其中，在>0.35 Hz的中高频段，所有远参考处理后效果都很好，工频干扰得到一定压制，跳变频点基本消失，曲线趋于光滑连续，进入近区场频段由5.6 Hz降到0.35 Hz±,近场干扰压制效果很好；在0.35～0.044 Hz频段，经易县远参处理后，视电阻率值恢复到正常值,曲线近场特征基本消失，形态清晰，效果较好；在0.063～0.003 4 Hz频段，多伦参考站处理效果较好，0.01 Hz±视电阻率值从1 000±的异常值被恢复到10±的正常值，降低了2个数量级，相位曲线也从0°或-180°回到正常值，曲线趋于光滑，朝阳、呼和浩特、大同、易县、锡林浩特、宝山和平谷处理效果一般，包头、五台和承德处理效果较差；在0.005 50～0.000 57 Hz频段，只有朝阳站处理效果较好，曲线形态清晰，测点经其余远参考处理后曲线形态都跳变比较大，失去规律性。

图12 测点YS--38经11个远参考站处理后视电阻率与相位曲线(xy)Fig.12 Apparent resistivity and phase curves(xy)of measuring point YS--38 is processed by 11 remote reference stations

图13 测点YS--38经11个远参考站处理后视电阻率与相位曲线(yx)Fig.13 Apparent resistivity and phase curves (yx) of measuring point YS--38 is processed by 11 remote reference stations

4 多站远参考对近场干扰的处理：以北京南中轴YS--38测点为例

通过对比11个不同距离远参考站的处理效果，发现单一远参考站只能改善大地电磁测深某一频段数据质量，难以在全频段达到较好噪声压制效果。为得到全频段高质量大地电磁测深曲线，选取对于城市游散电流近场干扰在高、中、低频处理效果较好的3个远参考站，分别位于距北京80 km的近程远参考站河北省易县、220 km的中程远参考站内蒙古自治区多伦县和360 km的远程远参考站辽宁省朝阳市，对受干扰数据进行多站远参考处理，分析视电阻率与相位曲线改善效果，进而评价远参考处理效果。

YS--38测点距离北京市中心38 km，距北京大兴国际机场仅3.7 km，但在试验期间机场尚未投入使用，该点受到的干扰仍以北京城市游散电流为主。如图2、3所示，YS--38测点视电阻率与相位曲线在100 Hz处受到50 Hz谐波的工频干扰，曲线出现跳点，从5.6 Hz起进入近区场，视电阻率畸变值在0.01 Hz处达到1 000 Ω·m±，所受近场干扰尤为严重。

由于近程远参考站易县、中程远参考站多伦、远程远参考站朝阳分别对YS--38测点高、中、低频段数据改善效果较好，为得到全频段最优的宽频大地电磁测深曲线，可以按照高、中、低频段分别选择一个最优的阻抗，组合得到多点远参考处理后的最优测深曲线。

选取易县远参考结果中0.044 Hz以上的中高频数据成分和多伦远参考中0.044 Hz以下频段数据成分，经简单编辑处理后，得到如图14、15所示远参考站处理结果。结果显示，在0.003 4Hz以上频段，相对于单个远参考站处理结果，在绝大部分频段数据品质提升明显，yx模式的视电阻率和相位曲线更加光滑连续。同样方式得到易县与朝阳，多伦与朝阳多站远参考结果如图14、15所示。选择易县远参考结果中0.044 Hz以上的中高频数据成分和多伦远参考中0.044～0.005 5 Hz频段数据成分，再加上朝阳远参考站中0.005 5～0.000 57 Hz频段数据成分，经最优阻抗组合结果如图示。结果表明，同步测量的3个远参考站处理结果要优于2个远参考站、1个远参考站处理结果，对于城市游散电流YS38测点数据所受近场干扰基本能够压制，在数据质量改善十分显著。

图14 不同远参考站组合处理结果图(xy)Fig.14 Combined processing results of different remote reference stations (xy)

图15 不同远参考站组合处理结果图(yx)Fig.15 Combined processing results of different remote reference stations(yx)

以上试验说明，当宽频大地电磁测深工作受到城市游散电流强烈近场干扰时，单站远参考处理对于数据质量的提升只能在某一频段，难以在全频段取得较好效果。而多站远参考对于城市游散电流噪声近场干扰的压制是可行而且有效的，经多站远参考处理后曲线更加连续、光滑，而且对于曲线不连续和工频干扰也有一定效果。同时，多站远参考处理的远参考站个数也不是越多越好，需在满足测点与远参考点信号相关噪声不相关的前提下，针对数据质量实际改善情况选择远参考个数进行多站远参考数据处理。

5 结论

(1)北京城市游散电流对于冀中坳陷地区开展的大地电磁测深工作干扰严重，主要干扰方式为近场干扰，影响范围在50 km以内。距干扰源15 km范围内全频段受到近场干扰，27 km处从79 Hz开始进入近区，38 km以外干扰明显减弱，38 km处从5.6 Hz开始进入近区，50 km以外在0.25 Hz以下频段进入近区场，近场干扰呈现向低频移动特征。

(2)根据城市游散电流以近场干扰为主的干扰特征，通过不同频段最优阻抗相结合的多站远参考处理，27 km以外测点数据所受近场干扰可得到有效压制，达到了压制城市游散电流引起的近场干扰，提升数据质量的目的，优于单站远参考处理。但在较低的频段由于数据频点蹦跳较为严重，多站远参考处理效果仍然有限，可通过进一步优化多站远参考处理方式来提升大地电磁测深数据质量。