高干扰矿集区大地电磁噪声抑制技术探索

郝社锋,田少兵,梅荣,彭荣华,李兆令

(1.南京大学 地球科学与工程学院,江苏 南京 210023; 2.江苏省地质调查研究院,江苏 南京 210049; 3.中国地质大学(武汉) 地球物理与空间信息学院,湖北 武汉 430074; 4.山东省第五地质矿产勘查院,山东 泰安 271000)

0 引言

随着经济、技术的发展,向地球深部进军已成为战略科技问题。目前,世界先进水平的勘探开采深度已达到2 500～4 000 m,而我国大多小于500 m。开展地球深部探测是解决地学重大基础理论问题的需要,也是国家保证能源资源安全、扩展经济社会发展空间的重大需求[1]。大地电磁测深法(简称MT)是研究地球电性结构、寻找深部资源的重要方法之一[2-3]。随着国民经济的快速发展,人文电磁干扰日益严重,如何有效抑制电磁噪声已成为勘探效果好坏的首要因素。传统的大地电磁勘探技术规范,如石油大地电磁法采集技术规程(SY/T 5820—2014),要求测点与干扰源(例如繁忙的公路)的距离不小于200 m,对于一些高干扰电磁源(如矿山、工厂、电器铁路、电站等)则要求至少避开2 km以上。然而,一些急需解决深部生产需求的矿集区往往不能满足规范要求,因此,如何对高干扰噪声环境中采集的数据进行有效噪声压制,获取有质量保证的MT数据,成为MT资料采集与处理的核心问题,只有保证采集到最有效的原始数据资料,才能在后期数据处理及反演过程中获取最真实的地质信息。但改变实际的勘探环境往往较为困难,因此考虑在数据采集和处理等方面采取措施来提升数据品质。本文详细总结了以往大地电磁勘探过程中存在的各种噪声特点及处理手段和优缺点,提出了一套有效提升大地电磁测深数据质量的采集与处理工艺,经过试验验证了其应用效果,为今后在类似地区进行天然源大地电磁勘探提供了一套可行的参考方案。

1 现象分析

图1为1963年在美国加利福尼亚州贝克莱召开的国际地球物理和大地测量联合会上提出的全球电、磁强度平均振幅特征图[4-5],图中将地磁脉动划分为连续性脉动Pc型和不规则脉动Pi型。由图中可以看出:在MT频带内存在一信号低值区域,主要在0.05～10 Hz间,使得采集的MT数据有效信号质量变低,该频带被称为“MT死频带”,在音频大地电磁测深(AMT)频带内同样存在信号低值区域,主要在500～4 000 Hz间,称为“AMT死频带”。死频带范围也是最易受到干扰的频段。

图1 全球电磁场强度平均振幅特征[4]Fig.1 Global average amplitude characteristics of electromagnetic field intensity[4]

图2为未经过特别处理的不同区域采集到的不同程度干扰下的MT原始视电阻率、相位曲线,采集时长均超过20 h。图2a测点位于新疆北部准噶尔盆地中南部沙漠中,周围100 km内几乎无人类活动,数据未受到干扰,电阻率曲线圆滑,相位无跳跃,仅在0.1～0.5 Hz范围内存在极小的电阻率曲线起伏,为MT“死频带”的影响;总体来说,在无人文干扰的情况下可以采集到信噪比极高的原始MT数据。图2b位于沿海地区,测点距村庄约3 km,距城镇超过5 km,图中曲线已滤掉工频谐波;图中可见曲线在0.05～1 Hz范围内存在明显45°下降后上扬,对应相位趋于0,表现出显著的“近源效应”特征,而100 Hz以上出现电阻率下掉现象,较为明显是受到脉冲噪声和周期噪声的影响。图2c的测点地形起伏较大,测点周边500 m以内有零星村落,2 km以外为乡镇中心;结合其他相邻测点信息发现,xy方向视电阻率曲线存在明显的上下位移现象,yx方向视电阻率曲线无明显位移现象,在0.01～5 Hz范围内,xy、yx方向的视电阻率均呈45°上升后急剧下降,说明该测点受静态效应影响较大,使得两种极化模式视电阻率曲线分离,同时又受到充放电、方波等噪声影响,使中低频数据产生严重的近源效应;曲线飞点多、离散程度大,是极差的数据。图2d测点周边200 m附近有一排发电风车,具有较强的周期噪声和充放电噪声,图中全频段范围内电阻率曲线无明显的形态特征,出现分段的整体偏移现象,无规律可循,需多种手段处理才有可能恢复其形态。

图2 大地电磁数据在不同干扰情况下的视电阻率、相位曲线Fig.2 Resistivity curves and phase curves of MT data under different interference conditions

在实际生产中,一个测点受到的干扰往往呈现多种类型,获取的视电阻率、相位曲线是多种影响因素的综合体现,不能仅从曲线形态来判断受何种因素的影响。

MT方法是建立在平面电磁波垂直入射到水平均匀层状介质的理论基础上,当观测区距离场源较远、测区构造的水平非均匀性尺度不是很大以及勘探深度并不是特别深时,平面波假设的正确性还是成立的[6]。在MT勘探中,将平面电磁波作为有效场源而不满足平面波特征的场源称为噪声,判断一个电磁波场源属于有效场源还是噪声,主要依据其产生的电磁波到达勘查区域时是否满足平面波特征[7]。经过大量研究发现,MT数据采集中噪声主要可分为观测系统噪声、环境噪声和地质噪声[8-13]。随着科技水平的不断进步,目前世界上较为先进的采集系统本底噪声已经很小,而地质噪声主要是由勘查区域局部不均匀体产生的静态效应或地势起伏产生的地形影响所造成,因此本文主要讨论由于人类活动而产生的电磁干扰,它们往往能产生较强烈的电磁信号。

在飞速发展的现代化社会,人类活动无处不在,即使在荒无人烟的野外,也会存在无线通讯塔、电路输电线等易产生电磁干扰的设备。当一些常见电磁设备靠近勘查区时,其产生的电磁场将不满足平面波特征,而成为MT的电磁噪声。常见的电磁干扰噪声主要分为方波噪声、三角波噪声、阶跃噪声、脉冲噪声、充放电噪声、周期噪声等[11-15],其特征及影响范围如表1所示。在实际环境中,往往是多种电磁噪声混合出现,且一种电磁噪声源也可能同时产生多种噪声,因此在MT数据采集及处理中,应尽可能地在采集阶段远离干扰或降低其影响。

表1 人文电磁噪声类型及特征Table 1 Types and characteristics of humanistic electromagnetic noise

2 校正方法对比

MT中的噪声抑制问题是国内外一直关注的课题[8, 10,12,14, 16-24],表2列举了自20世纪50年代MT提出至今各种抑制大地电磁噪声方面的研究成果。随着科学技术的不断发展,从最初的互功率谱法和Robust法到远参考道技术,人们对大地电磁的输入端噪声进行了有效的研究,很多应用成果也得到了广大学者的认可,但对于噪声干扰严重区域,仍然无法获取有效的原始数据。很多学者从时间域和电磁信号的数学形态入手开展了大量的研究,针对不同问题均取得了一定的应用效果,但很难得到广泛的推广应用,主要原因之一就是对处理者有较高的理论水平和实际经验要求。因此,如何找到一个既能得到较好的应用效果又适用于一般技术人员的处理方法显得尤为重要。

表2 大地电磁噪声压制方法对比Table 2 Comparison of MT noise suppression methods

表2对大地电磁人文噪声压制方法进行了统计分析,从方法、方式、特征特点及该方法的缺陷和取得效果方面进行了评价。可以看出,针对不同问题,例如不相关噪声、相关噪声、周期性噪声、非线性非平稳信号等,都有针对性的解决方法,但是没有一种方法可以解决所有问题,需要寻求多种方法相互补充,共同来完成对MT原始数据质量的提升。因此,组合方式的选取成为一个值得关注的问题。

基于以上需求,根据多年经验,总结了一套在人文干扰强烈区域获取高质量MT资料的生产工艺(图3)。该套工艺存在几个关键点:①在正式数据采集前需进行较为详细的调查与参数试验,主要包括研究区域内噪声类型调查、人文电磁干扰强度试验、远参考距离设置试验,进行对比分析以获取最佳的采集参数及参考站设置;②数据处理过程中对所有数据进行傅里叶变换、Robust估计处理和工频滤波处理,有效降低周期噪声的干扰和减小曲线离散程度;③根据远参考道技术的原理,选取无干扰或与研究区噪声干扰类型不相关的地区作为远参考站,有效消除不相关噪声的影响。

图3 大地电磁数据噪声抑制施工与处理工艺Fig.3 Construction and processing technology of magnetotelluric data noise suppression

经过以上处理后,除MT“死频带”(0.1 Hz左右)频段外,获取的大部分数据质量均有极大的提升。这也是本次工艺必须完成的主要程序。对于“死频带”数据处理主要推荐两种方式:一是对数据进行人工挑选,尽可能地还原曲线特征;二是通过研究区内数据质量较好的曲线特征,在“死频带”频段范围内,应用RhoPlus模型拟合法[38]还原“死频带”范围内的数据。而在现实情况中,经过以上处理后获取的阻抗相位曲线依然存在无法满足要求的情况,这就涉及到特殊情况特殊对待的问题,可使用时间域处理技术,如小波变换去噪法、H-H变换、MT时间序列同步依赖关系去噪法等,针对不同类型噪声特征,针对性地尝试校正。对尝试了各种手段仍无法达到标准要求的测点,则需拋点或重新选位测量。

3 关键技术分析

以上工艺中最为关键的地方在于远参考站的设置问题。自Gamble等[16]和Clarke 等[8]提出远参考道处理技术以来, Shalivahan 和Bhattacharya[18]认为参考站距离至少在215 km以上才能有效提高30～0.000 55 Hz频段内的曲线质量;杨生等[19]通过试验认为参考站距离选择为14倍勘探目标层深度时可满足噪声不相关条件;陈清礼等[25]则认为参考距离可设置在1 000 km以内,且参考站可与测站处在不同的纬度上;徐志敏等[27, 43]认为磁相关性是影响远参考效果的关键因素;张刚等[44]认为40 km参考距磁相关性很好,处理效果优于常规远参考法;田少兵等[45]通过试验验证了参考距离并不是越远越好,对于一些高干扰测站,采用远参考加近参考相结合的多站参考,可以对数据质量提升起到意想不到的作用。

可以看出,不同学者对于远参考站距离的选择并不统一。参考站位置的优劣直接关系到原始数据质量,基于大地电磁测深勘探及远参考技术原理可知,参考站观测需满足参考站与基站电磁环境相关,也就是在一定范围内地球的磁场是稳定的,而该稳定范围高频磁场小,低频磁场大,因此参考站的选择既要保障噪声信号的不相关,又要保证有效信号的高相关,如何选择一个合适的参考距成为关键问题。对于一个电磁源,其对于MT点来说即可能为噪声也可能为有效信号。在此引入CSAMT理论[46],将人文活动产生的电磁源视作电偶极子或磁偶极子源。在一维情况下,假设场源为时谐变化的,则根据赫姆霍兹方程可得趋肤深度公式:

式中:δ为趋肤深度,km;μ为磁导率;ω为谐变电流的圆频率;σ为电导率;f为谐变电流的频率;ρ为电阻率。电磁波在介质中传播的振幅衰减幅度u为式中p=z/δ,通常称其为“电距离”或“感应数”,其实质是以趋肤深度为单位来表示的观察点到场源的距离。

由振幅衰减与趋肤深度的关系曲线(图4)可以看出,随着电磁波在介质中传播距离的增大,波的振幅呈指数衰减,当传播距离z=3.56δ时,波的振幅衰减达到了97.2%,当z=5δ时,波的衰减达到了99%以上,说明电磁偶极源信号在传播达到5倍的趋肤深度时,其波的能量几乎衰减殆尽,若该信号源在研究区为噪声,在该距离上则可认为对测点的影响微乎其微,可忽略不计。设置远参考相对于研究区内电磁干扰源5δ作为最近的参考距离,则其与研究区介质电阻率及频率关系如图5所示,实际工作中,参考站距离的选择可依据其选取。

图4 电磁波振幅衰减与趋肤深度关系Fig.4 Graph of amplitude attenuation of electromagnetic wave and skin depth

图5 最小参考距离与地下介质电阻率及频率的关系Fig.5 Relationship between small reference distance and resistivity and frequency of underground medium

需要注意的是,在远参考站的选取过程中要尽可能地选取无干扰或低干扰测点,且附近不能有与研究区相似的干扰源,比如民用高压线、城镇居民用电等常见工业设施;距离超高压线至少要2.6～2.8 km以上,距离普通高压线至少1 km以上[47]。

4 试验效果对比

依据以上理论及施工工艺,在江苏洪泽盐盆(盐矿)矿集区开展了MT试验工作,勘查区卫星影像图如图6所示。首先在区域内进行电磁偶极源调查,了解区域内主要电磁干扰类型及其分布特征。

图6 江苏淮安洪泽盐盆勘查区电磁干扰概况Fig.6 Summary of electromagnetic interference in Hongze Salt Basin exploration area, Huai 'an, Jiangsu Province

调查发现,研究区内主要干扰源有:居民区及民用输送线、矿井采集设施及开发区、厂房工厂、高压输送线缆、通讯基站以及公路和过往车辆。图6中标注了部分显而易见的干扰源分布区域,而更多的地下采矿井分布则无法明确标出,属于隐藏式干扰源,其中高压线缆仅标出了试验点附近的分布。总体认为研究区属于矿集区高电磁干扰区域,必须采用有效的电磁去噪技术才能获取合格的原始数据,因此设置远参考站是非常必要的。

依据该矿集区地下开采空间深度,初步确定主要目标深度为1～4 km范围,本次勘探深度设定为5 km。根据以往电磁法勘探经验可知,本区地下介质平均电阻率约为10 Ω·m,最低勘探频率为0.05 Hz,趋肤深度约为7 km,采集时间保证在3h以上,则依据图5,远参考距离以35 km为宜。为了验证该结论的可靠性,分别在研究区内不同噪声类型下设计了5个试验测站(SY1～SY5)和4个远参考站(YC1～YC4)进行实验,其中SY1为对比测站,位于低干扰区,其他4个测站布设在区内4个典型噪声源附近。基本情况如表3所示。

表3 试验区测站与远参考站情况一览Table 3 List of test stations and remote reference stations in the test area

图7、图8分别给出了SY2和SY3测站的情况。由图7b可以看出,SY2周边干扰源主要有大型工厂、居民区、采矿井、信号塔、公路等,属于多种干扰源的综合影响。由时间序列特征(图7a)发现,磁信号强度异常增大,主要能量来自于工业谐波的影响;由功率谱曲线(图7c)可以看出,信号在50 Hz及其倍数频率附近受到了强烈干扰,在50 Hz以上频段受到各种不同场源的影响,振幅浮动强烈,在中低频范围内Hy功率谱振幅波动较大且明显高于Hx;图7d显示电阻率曲线形态杂乱无序,特别是ρxy曲线低频段急剧下降,说明受到了强烈干扰。

图7 SY2试验点基本情况一览Fig.7 Summary of basic situation of SY2 test site

图8 SY3试验点基本情况一览Fig.8 Summary of basic situation of SY3 test site

由图8b可以看出,SY3试验点附近主要干扰源为矿井生产设施和居民区,而居民区相距测点达到200 m以上,认为此处主要干扰源为区域内矿井生产设备,为单一主要干扰源。由图8a可以看出SY3测站时间序列呈不规则阶跃型曲线,应是受到阶跃噪声、脉冲和周期噪声的影响;从功率谱特征(图8c)来看,高频部分仅在50 Hz及其倍数频段受到较强烈干扰,在20～40 Hz范围内磁场受到了较明显的影响,在低频段Hx功率谱幅值出现了明显的异常增大,这一点在视电阻率、相位曲线上也反映显著(图8d),ρyx电阻率曲线在低频段呈现异常下凹现象,20～40 Hz段曲线出现明显的“飞点”。

分别对SY1、SY2和SY3采用3.56δ(YC1)、13δ(YC2)和27δ(YC3)3种不同距离参考站进行实验对比,并采用Robust估计处理和工频滤波处理,对比结果后,认为远参考站设置达到3.56δ即已获取较好的效果,因此后期分别对SY2、SY4和SY5进行了5δ(YC4)远参考实验,并在相对较好的处理结果中进行人工挑选。实验结果见图9～图11。

-YC1、-YC2、-YC3分别表示使用YC1、YC2、YC3远参考站处理后的结果;-RG表示远参考站处理后又经过人工挑选的结果

由图9a可以看出,SY1属于测区内低干扰测点,其视电阻率、相位曲线整体连续圆滑,无明显的“飞点”和阶跃现象。但在0.1～10 Hz范围内,存在较为明显的电阻率曲线下凹现象,高频段存在电阻率下掉的现象,认为其下掉的主要原因是:①该频段为MT“死频带”范围内,有效信号弱,无法压制干扰;②周边不同距离的电磁波信号传播到该测站时,磁场强度远大于电场强度。通过不同远参考处理后,在该频段电阻率下凹和高频段下掉的现象得到明显改善,在YC2和YC3参考后在小于1 Hz频段存在个别较为明显的“飞点”,局部存在曲线不连续现象,但是整体偏差不大,经过人工挑选后,可以获取圆滑连续的曲线。综合认为YC1即可满足远参考需求,且效果优于YC2和YC3。

由图9b可以看出,SY3主要受到矿区内单一噪声源影响,视电阻率、相位曲线在10～100 Hz范围内存在明显的“下掉”现象,在0.05～10 Hz频段范围内,yx方向存在明显的电阻率向下凹陷,相位变低的现象,xy方向该现象相对不明显,认为其为矿区内干扰源的主要影响。经过不同参考距参考后,可以看出,在10～100 Hz频段范围内该现象得到了较好的改善,在0.05～10 Hz频段,yx方向电阻率下凹现象得到了一定的提升,但是由于YC2参考道本身受到一定的噪声影响,故其在低频段参考效果较差。YC3参考效果在低频段出现了明显的跳跃和“飞点”现象,虽然总体趋势较YC1一致,但参考效果均不如YC1,经过人工挑选后,可以获取优良的阻抗相位数据。

SY2受到测区内多种电磁噪声源近距离干扰,属于混合干扰,其所受到的电磁影响由原始电阻率、相位曲线可见一斑(图10),曲线在小于1 Hz频段呈上下阶跃性跳动,无明显的走向趋势,高频段同样呈较大浮动,连续性较差。经过不同参考距的实验结果可以看出:在0.5 Hz至高频段,曲线形态得到明显改善,且不同距离参考站参考效果具有较好的一致性;在0.5 Hz至低频段,电阻率、相位曲线仍表现为较大的浮动跳跃现象,无明显趋势,认为无法达到合格要求,经过人工挑选的数据虽然圆滑性有所提升,但其曲线形态仍无法得到明显改善。分析认为,高频段信号经过远参考处理后得到提升,而低频段数据无法通过远参考道方法和人工挑选的方法得到改善。对于此种多干扰源混合干扰测点,需尝试使用时间域处理技术进行单独分析处理,若仍无法达到要求,应尽量远离干扰源布设测点,重新采集或者作拋点处理。

-YC1、…-YC4分别表示使用YC1、…YC4远参考站处理后的结果;-RG表示远参考站处理后又经过人工挑选的结果

经过SY1、SY2和SY3的试验对比分析,与距离较远的YC2和YC3相比,YC1参考站即已获得较好的参考效果,因此对SY4和SY5采用YC4(参考距接近于YC1)进行远参考试验,结果见图11。可以看出,SY4分别受到矿区阴极保护站、道路、居民区等影响,原始曲线呈不连续跳跃状,小于1 Hz频段的电阻率急剧下降,相位曲线升高,说明该频段受到更为明显的影响。经过YC4参考后,1 Hz以上频段得到了明显提升,而低于1 Hz的信号呈阶跃状跳动现象;经人工挑选后,曲线形态连续性得到明显改善,但其数值与远参考处理结果存在较为明显的差异,有待进一步与相邻测点进行对比分析后,再判断其可靠性。

-YC4表示使用YC4远参考站处理后的结果;-RG表示远参考站处理后又经过人工挑选的结果

SY5主要受到高压线缆和居民区的影响,在整个频段均受到不同程度的影响,尤其在中高频段1～100 Hz范围内影响最为严重。经过YC4参考后,1 Hz以上频段的曲线形态得到了明显改善,1 Hz以下频段也得到了一定的提升。经过人工挑选后,整体曲线形态得到了明显改善,可认为达到了合格水平。

5 结论与建议

通过理论分析与实际工作经验总结,对后工业时代天然源大地电磁勘探的主要噪声源及特征、噪声抑制技术及施工特点进行了详细分析,主要结论如下:

1)我国境内主要电磁场产生源可分为12种,其产生的主要噪声分为6类。在现实环境中,一种噪声源可产生多种噪声信号,应在数据采集阶段尽早远离或降低其影响。

2)针对大地电磁测深噪声抑制问题,认为Robust处理、远参考道技术和人工筛选是较为系统和必要的方法,其他方法亦有各自针对的问题,各有千秋。

3)根据多年工作经验,总结了一套适用于高干扰地区的、简易有效的大地电磁数据采集及处理工艺,认为远参考站设置至少大于3.56倍δ(趋肤深度),最佳参考距离为5倍δ。在洪泽盐盆矿集区开展的试验结果证实了该方法的有效性。

基于实际情况及本次研究,在生产过程中需注意以下几个方面:

1)现实电磁噪声环境比理论情况复杂得多,往往是多种电磁干扰源的综合影响,因此在正式施工前需尽可能多地了解工作区概况,优化观测方案,针对高干扰、多噪声区域,设置多种方案。

2)针对个别远参考站效果一般的测点,可尝试远参考加近参考(区内低干扰测点)多站参考的方式进行处理,有可能获得更好的参考效果。

3)针对特殊测点,常规处理手段无法校正的情况下,在时间域采用小波变换、H-H变换等处理方法,有可能得到更好的效果。

4)采用多种技术手段仍无法达到要求的测点,该测点不能参与到后续数据反演工作中,避免产生假异常。