高干擾礦集區大地電磁噪聲抑制技術探索

郝社鋒,田少兵,梅榮,彭榮華,李兆令

(1.南京大學 地球科學與工程學院,江蘇 南京 210023; 2.江蘇省地質調查研究院,江蘇 南京 210049; 3.中國地質大學(武漢) 地球物理與空間信息學院,湖北 武漢 430074; 4.山東省第五地質礦產勘查院,山東 泰安 271000)

0 引言

隨著經濟、技術的發展,向地球深部進軍已成為戰略科技問題。目前,世界先進水平的勘探開采深度已達到2 500～4 000 m,而我國大多小于500 m。開展地球深部探測是解決地學重大基礎理論問題的需要,也是國家保證能源資源安全、擴展經濟社會發展空間的重大需求[1]。大地電磁測深法(簡稱MT)是研究地球電性結構、尋找深部資源的重要方法之一[2-3]。隨著國民經濟的快速發展,人文電磁干擾日益嚴重,如何有效抑制電磁噪聲已成為勘探效果好壞的首要因素。傳統的大地電磁勘探技術規范,如石油大地電磁法采集技術規程(SY/T 5820—2014),要求測點與干擾源(例如繁忙的公路)的距離不小于200 m,對于一些高干擾電磁源(如礦山、工廠、電器鐵路、電站等)則要求至少避開2 km以上。然而,一些急需解決深部生產需求的礦集區往往不能滿足規范要求,因此,如何對高干擾噪聲環境中采集的數據進行有效噪聲壓制,獲取有質量保證的MT數據,成為MT資料采集與處理的核心問題,只有保證采集到最有效的原始數據資料,才能在后期數據處理及反演過程中獲取最真實的地質信息。但改變實際的勘探環境往往較為困難,因此考慮在數據采集和處理等方面采取措施來提升數據品質。本文詳細總結了以往大地電磁勘探過程中存在的各種噪聲特點及處理手段和優缺點,提出了一套有效提升大地電磁測深數據質量的采集與處理工藝,經過試驗驗證了其應用效果,為今后在類似地區進行天然源大地電磁勘探提供了一套可行的參考方案。

1 現象分析

圖1為1963年在美國加利福尼亞州貝克萊召開的國際地球物理和大地測量聯合會上提出的全球電、磁強度平均振幅特征圖[4-5],圖中將地磁脈動劃分為連續性脈動Pc型和不規則脈動Pi型。由圖中可以看出:在MT頻帶內存在一信號低值區域,主要在0.05～10 Hz間,使得采集的MT數據有效信號質量變低,該頻帶被稱為“MT死頻帶”,在音頻大地電磁測深(AMT)頻帶內同樣存在信號低值區域,主要在500～4 000 Hz間,稱為“AMT死頻帶”。死頻帶范圍也是最易受到干擾的頻段。

圖1 全球電磁場強度平均振幅特征[4]Fig.1 Global average amplitude characteristics of electromagnetic field intensity[4]

圖2為未經過特別處理的不同區域采集到的不同程度干擾下的MT原始視電阻率、相位曲線,采集時長均超過20 h。圖2a測點位于新疆北部準噶爾盆地中南部沙漠中,周圍100 km內幾乎無人類活動,數據未受到干擾,電阻率曲線圓滑,相位無跳躍,僅在0.1～0.5 Hz范圍內存在極小的電阻率曲線起伏,為MT“死頻帶”的影響;總體來說,在無人文干擾的情況下可以采集到信噪比極高的原始MT數據。圖2b位于沿海地區,測點距村莊約3 km,距城鎮超過5 km,圖中曲線已濾掉工頻諧波;圖中可見曲線在0.05～1 Hz范圍內存在明顯45°下降后上揚,對應相位趨于0,表現出顯著的“近源效應”特征,而100 Hz以上出現電阻率下掉現象,較為明顯是受到脈沖噪聲和周期噪聲的影響。圖2c的測點地形起伏較大,測點周邊500 m以內有零星村落,2 km以外為鄉鎮中心;結合其他相鄰測點信息發現,xy方向視電阻率曲線存在明顯的上下位移現象,yx方向視電阻率曲線無明顯位移現象,在0.01～5 Hz范圍內,xy、yx方向的視電阻率均呈45°上升后急劇下降,說明該測點受靜態效應影響較大,使得兩種極化模式視電阻率曲線分離,同時又受到充放電、方波等噪聲影響,使中低頻數據產生嚴重的近源效應;曲線飛點多、離散程度大,是極差的數據。圖2d測點周邊200 m附近有一排發電風車,具有較強的周期噪聲和充放電噪聲,圖中全頻段范圍內電阻率曲線無明顯的形態特征,出現分段的整體偏移現象,無規律可循,需多種手段處理才有可能恢復其形態。

圖2 大地電磁數據在不同干擾情況下的視電阻率、相位曲線Fig.2 Resistivity curves and phase curves of MT data under different interference conditions

在實際生產中,一個測點受到的干擾往往呈現多種類型,獲取的視電阻率、相位曲線是多種影響因素的綜合體現,不能僅從曲線形態來判斷受何種因素的影響。

MT方法是建立在平面電磁波垂直入射到水平均勻層狀介質的理論基礎上,當觀測區距離場源較遠、測區構造的水平非均勻性尺度不是很大以及勘探深度并不是特別深時,平面波假設的正確性還是成立的[6]。在MT勘探中,將平面電磁波作為有效場源而不滿足平面波特征的場源稱為噪聲,判斷一個電磁波場源屬于有效場源還是噪聲,主要依據其產生的電磁波到達勘查區域時是否滿足平面波特征[7]。經過大量研究發現,MT數據采集中噪聲主要可分為觀測系統噪聲、環境噪聲和地質噪聲[8-13]。隨著科技水平的不斷進步,目前世界上較為先進的采集系統本底噪聲已經很小,而地質噪聲主要是由勘查區域局部不均勻體產生的靜態效應或地勢起伏產生的地形影響所造成,因此本文主要討論由于人類活動而產生的電磁干擾,它們往往能產生較強烈的電磁信號。

在飛速發展的現代化社會,人類活動無處不在,即使在荒無人煙的野外,也會存在無線通訊塔、電路輸電線等易產生電磁干擾的設備。當一些常見電磁設備靠近勘查區時,其產生的電磁場將不滿足平面波特征,而成為MT的電磁噪聲。常見的電磁干擾噪聲主要分為方波噪聲、三角波噪聲、階躍噪聲、脈沖噪聲、充放電噪聲、周期噪聲等[11-15],其特征及影響范圍如表1所示。在實際環境中,往往是多種電磁噪聲混合出現,且一種電磁噪聲源也可能同時產生多種噪聲,因此在MT數據采集及處理中,應盡可能地在采集階段遠離干擾或降低其影響。

表1 人文電磁噪聲類型及特征Table 1 Types and characteristics of humanistic electromagnetic noise

2 校正方法對比

MT中的噪聲抑制問題是國內外一直關注的課題[8, 10,12,14, 16-24],表2列舉了自20世紀50年代MT提出至今各種抑制大地電磁噪聲方面的研究成果。隨著科學技術的不斷發展,從最初的互功率譜法和Robust法到遠參考道技術,人們對大地電磁的輸入端噪聲進行了有效的研究,很多應用成果也得到了廣大學者的認可,但對于噪聲干擾嚴重區域,仍然無法獲取有效的原始數據。很多學者從時間域和電磁信號的數學形態入手開展了大量的研究,針對不同問題均取得了一定的應用效果,但很難得到廣泛的推廣應用,主要原因之一就是對處理者有較高的理論水平和實際經驗要求。因此,如何找到一個既能得到較好的應用效果又適用于一般技術人員的處理方法顯得尤為重要。

表2 大地電磁噪聲壓制方法對比Table 2 Comparison of MT noise suppression methods

表2對大地電磁人文噪聲壓制方法進行了統計分析,從方法、方式、特征特點及該方法的缺陷和取得效果方面進行了評價?？梢钥闯?針對不同問題,例如不相關噪聲、相關噪聲、周期性噪聲、非線性非平穩信號等,都有針對性的解決方法,但是沒有一種方法可以解決所有問題,需要尋求多種方法相互補充,共同來完成對MT原始數據質量的提升。因此,組合方式的選取成為一個值得關注的問題。

基于以上需求,根據多年經驗,總結了一套在人文干擾強烈區域獲取高質量MT資料的生產工藝(圖3)。該套工藝存在幾個關鍵點:①在正式數據采集前需進行較為詳細的調查與參數試驗,主要包括研究區域內噪聲類型調查、人文電磁干擾強度試驗、遠參考距離設置試驗,進行對比分析以獲取最佳的采集參數及參考站設置;②數據處理過程中對所有數據進行傅里葉變換、Robust估計處理和工頻濾波處理,有效降低周期噪聲的干擾和減小曲線離散程度;③根據遠參考道技術的原理,選取無干擾或與研究區噪聲干擾類型不相關的地區作為遠參考站,有效消除不相關噪聲的影響。

圖3 大地電磁數據噪聲抑制施工與處理工藝Fig.3 Construction and processing technology of magnetotelluric data noise suppression

經過以上處理后,除MT“死頻帶”(0.1 Hz左右)頻段外,獲取的大部分數據質量均有極大的提升。這也是本次工藝必須完成的主要程序。對于“死頻帶”數據處理主要推薦兩種方式:一是對數據進行人工挑選,盡可能地還原曲線特征;二是通過研究區內數據質量較好的曲線特征,在“死頻帶”頻段范圍內,應用RhoPlus模型擬合法[38]還原“死頻帶”范圍內的數據。而在現實情況中,經過以上處理后獲取的阻抗相位曲線依然存在無法滿足要求的情況,這就涉及到特殊情況特殊對待的問題,可使用時間域處理技術,如小波變換去噪法、H-H變換、MT時間序列同步依賴關系去噪法等,針對不同類型噪聲特征,針對性地嘗試校正。對嘗試了各種手段仍無法達到標準要求的測點,則需拋點或重新選位測量。

3 關鍵技術分析

以上工藝中最為關鍵的地方在于遠參考站的設置問題。自Gamble等[16]和Clarke 等[8]提出遠參考道處理技術以來, Shalivahan 和Bhattacharya[18]認為參考站距離至少在215 km以上才能有效提高30～0.000 55 Hz頻段內的曲線質量;楊生等[19]通過試驗認為參考站距離選擇為14倍勘探目標層深度時可滿足噪聲不相關條件;陳清禮等[25]則認為參考距離可設置在1 000 km以內,且參考站可與測站處在不同的緯度上;徐志敏等[27, 43]認為磁相關性是影響遠參考效果的關鍵因素;張剛等[44]認為40 km參考距磁相關性很好,處理效果優于常規遠參考法;田少兵等[45]通過試驗驗證了參考距離并不是越遠越好,對于一些高干擾測站,采用遠參考加近參考相結合的多站參考,可以對數據質量提升起到意想不到的作用。

可以看出,不同學者對于遠參考站距離的選擇并不統一。參考站位置的優劣直接關系到原始數據質量,基于大地電磁測深勘探及遠參考技術原理可知,參考站觀測需滿足參考站與基站電磁環境相關,也就是在一定范圍內地球的磁場是穩定的,而該穩定范圍高頻磁場小,低頻磁場大,因此參考站的選擇既要保障噪聲信號的不相關,又要保證有效信號的高相關,如何選擇一個合適的參考距成為關鍵問題。對于一個電磁源,其對于MT點來說即可能為噪聲也可能為有效信號。在此引入CSAMT理論[46],將人文活動產生的電磁源視作電偶極子或磁偶極子源。在一維情況下,假設場源為時諧變化的,則根據赫姆霍茲方程可得趨膚深度公式:

式中:δ為趨膚深度,km;μ為磁導率;ω為諧變電流的圓頻率;σ為電導率;f為諧變電流的頻率;ρ為電阻率。電磁波在介質中傳播的振幅衰減幅度u為式中p=z/δ,通常稱其為“電距離”或“感應數”,其實質是以趨膚深度為單位來表示的觀察點到場源的距離。

由振幅衰減與趨膚深度的關系曲線(圖4)可以看出,隨著電磁波在介質中傳播距離的增大,波的振幅呈指數衰減,當傳播距離z=3.56δ時,波的振幅衰減達到了97.2%,當z=5δ時,波的衰減達到了99%以上,說明電磁偶極源信號在傳播達到5倍的趨膚深度時,其波的能量幾乎衰減殆盡,若該信號源在研究區為噪聲,在該距離上則可認為對測點的影響微乎其微,可忽略不計。設置遠參考相對于研究區內電磁干擾源5δ作為最近的參考距離,則其與研究區介質電阻率及頻率關系如圖5所示,實際工作中,參考站距離的選擇可依據其選取。

圖4 電磁波振幅衰減與趨膚深度關系Fig.4 Graph of amplitude attenuation of electromagnetic wave and skin depth

圖5 最小參考距離與地下介質電阻率及頻率的關系Fig.5 Relationship between small reference distance and resistivity and frequency of underground medium

需要注意的是,在遠參考站的選取過程中要盡可能地選取無干擾或低干擾測點,且附近不能有與研究區相似的干擾源,比如民用高壓線、城鎮居民用電等常見工業設施;距離超高壓線至少要2.6～2.8 km以上,距離普通高壓線至少1 km以上[47]。

4 試驗效果對比

依據以上理論及施工工藝,在江蘇洪澤鹽盆(鹽礦)礦集區開展了MT試驗工作,勘查區衛星影像圖如圖6所示。首先在區域內進行電磁偶極源調查,了解區域內主要電磁干擾類型及其分布特征。

圖6 江蘇淮安洪澤鹽盆勘查區電磁干擾概況Fig.6 Summary of electromagnetic interference in Hongze Salt Basin exploration area, Huai 'an, Jiangsu Province

調查發現,研究區內主要干擾源有:居民區及民用輸送線、礦井采集設施及開發區、廠房工廠、高壓輸送線纜、通訊基站以及公路和過往車輛。圖6中標注了部分顯而易見的干擾源分布區域,而更多的地下采礦井分布則無法明確標出,屬于隱藏式干擾源,其中高壓線纜僅標出了試驗點附近的分布?？傮w認為研究區屬于礦集區高電磁干擾區域,必須采用有效的電磁去噪技術才能獲取合格的原始數據,因此設置遠參考站是非常必要的。

依據該礦集區地下開采空間深度,初步確定主要目標深度為1～4 km范圍,本次勘探深度設定為5 km。根據以往電磁法勘探經驗可知,本區地下介質平均電阻率約為10 Ω·m,最低勘探頻率為0.05 Hz,趨膚深度約為7 km,采集時間保證在3h以上,則依據圖5,遠參考距離以35 km為宜。為了驗證該結論的可靠性,分別在研究區內不同噪聲類型下設計了5個試驗測站(SY1～SY5)和4個遠參考站(YC1～YC4)進行實驗,其中SY1為對比測站,位于低干擾區,其他4個測站布設在區內4個典型噪聲源附近?；厩闆r如表3所示。

表3 試驗區測站與遠參考站情況一覽Table 3 List of test stations and remote reference stations in the test area

圖7、圖8分別給出了SY2和SY3測站的情況。由圖7b可以看出,SY2周邊干擾源主要有大型工廠、居民區、采礦井、信號塔、公路等,屬于多種干擾源的綜合影響。由時間序列特征(圖7a)發現,磁信號強度異常增大,主要能量來自于工業諧波的影響;由功率譜曲線(圖7c)可以看出,信號在50 Hz及其倍數頻率附近受到了強烈干擾,在50 Hz以上頻段受到各種不同場源的影響,振幅浮動強烈,在中低頻范圍內Hy功率譜振幅波動較大且明顯高于Hx;圖7d顯示電阻率曲線形態雜亂無序,特別是ρxy曲線低頻段急劇下降,說明受到了強烈干擾。

圖7 SY2試驗點基本情況一覽Fig.7 Summary of basic situation of SY2 test site

圖8 SY3試驗點基本情況一覽Fig.8 Summary of basic situation of SY3 test site

由圖8b可以看出,SY3試驗點附近主要干擾源為礦井生產設施和居民區,而居民區相距測點達到200 m以上,認為此處主要干擾源為區域內礦井生產設備,為單一主要干擾源。由圖8a可以看出SY3測站時間序列呈不規則階躍型曲線,應是受到階躍噪聲、脈沖和周期噪聲的影響;從功率譜特征(圖8c)來看,高頻部分僅在50 Hz及其倍數頻段受到較強烈干擾,在20～40 Hz范圍內磁場受到了較明顯的影響,在低頻段Hx功率譜幅值出現了明顯的異常增大,這一點在視電阻率、相位曲線上也反映顯著(圖8d),ρyx電阻率曲線在低頻段呈現異常下凹現象,20～40 Hz段曲線出現明顯的“飛點”。

分別對SY1、SY2和SY3采用3.56δ(YC1)、13δ(YC2)和27δ(YC3)3種不同距離參考站進行實驗對比,并采用Robust估計處理和工頻濾波處理,對比結果后,認為遠參考站設置達到3.56δ即已獲取較好的效果,因此后期分別對SY2、SY4和SY5進行了5δ(YC4)遠參考實驗,并在相對較好的處理結果中進行人工挑選。實驗結果見圖9～圖11。

-YC1、-YC2、-YC3分別表示使用YC1、YC2、YC3遠參考站處理后的結果;-RG表示遠參考站處理后又經過人工挑選的結果

由圖9a可以看出,SY1屬于測區內低干擾測點,其視電阻率、相位曲線整體連續圓滑,無明顯的“飛點”和階躍現象。但在0.1～10 Hz范圍內,存在較為明顯的電阻率曲線下凹現象,高頻段存在電阻率下掉的現象,認為其下掉的主要原因是:①該頻段為MT“死頻帶”范圍內,有效信號弱,無法壓制干擾;②周邊不同距離的電磁波信號傳播到該測站時,磁場強度遠大于電場強度。通過不同遠參考處理后,在該頻段電阻率下凹和高頻段下掉的現象得到明顯改善,在YC2和YC3參考后在小于1 Hz頻段存在個別較為明顯的“飛點”,局部存在曲線不連續現象,但是整體偏差不大,經過人工挑選后,可以獲取圓滑連續的曲線。綜合認為YC1即可滿足遠參考需求,且效果優于YC2和YC3。

由圖9b可以看出,SY3主要受到礦區內單一噪聲源影響,視電阻率、相位曲線在10～100 Hz范圍內存在明顯的“下掉”現象,在0.05～10 Hz頻段范圍內,yx方向存在明顯的電阻率向下凹陷,相位變低的現象,xy方向該現象相對不明顯,認為其為礦區內干擾源的主要影響。經過不同參考距參考后,可以看出,在10～100 Hz頻段范圍內該現象得到了較好的改善,在0.05～10 Hz頻段,yx方向電阻率下凹現象得到了一定的提升,但是由于YC2參考道本身受到一定的噪聲影響,故其在低頻段參考效果較差。YC3參考效果在低頻段出現了明顯的跳躍和“飛點”現象,雖然總體趨勢較YC1一致,但參考效果均不如YC1,經過人工挑選后,可以獲取優良的阻抗相位數據。

SY2受到測區內多種電磁噪聲源近距離干擾,屬于混合干擾,其所受到的電磁影響由原始電阻率、相位曲線可見一斑(圖10),曲線在小于1 Hz頻段呈上下階躍性跳動,無明顯的走向趨勢,高頻段同樣呈較大浮動,連續性較差。經過不同參考距的實驗結果可以看出:在0.5 Hz至高頻段,曲線形態得到明顯改善,且不同距離參考站參考效果具有較好的一致性;在0.5 Hz至低頻段,電阻率、相位曲線仍表現為較大的浮動跳躍現象,無明顯趨勢,認為無法達到合格要求,經過人工挑選的數據雖然圓滑性有所提升,但其曲線形態仍無法得到明顯改善。分析認為,高頻段信號經過遠參考處理后得到提升,而低頻段數據無法通過遠參考道方法和人工挑選的方法得到改善。對于此種多干擾源混合干擾測點,需嘗試使用時間域處理技術進行單獨分析處理,若仍無法達到要求,應盡量遠離干擾源布設測點,重新采集或者作拋點處理。

-YC1、…-YC4分別表示使用YC1、…YC4遠參考站處理后的結果;-RG表示遠參考站處理后又經過人工挑選的結果

經過SY1、SY2和SY3的試驗對比分析,與距離較遠的YC2和YC3相比,YC1參考站即已獲得較好的參考效果,因此對SY4和SY5采用YC4(參考距接近于YC1)進行遠參考試驗,結果見圖11?？梢钥闯?SY4分別受到礦區陰極保護站、道路、居民區等影響,原始曲線呈不連續跳躍狀,小于1 Hz頻段的電阻率急劇下降,相位曲線升高,說明該頻段受到更為明顯的影響。經過YC4參考后,1 Hz以上頻段得到了明顯提升,而低于1 Hz的信號呈階躍狀跳動現象;經人工挑選后,曲線形態連續性得到明顯改善,但其數值與遠參考處理結果存在較為明顯的差異,有待進一步與相鄰測點進行對比分析后,再判斷其可靠性。

-YC4表示使用YC4遠參考站處理后的結果;-RG表示遠參考站處理后又經過人工挑選的結果

SY5主要受到高壓線纜和居民區的影響,在整個頻段均受到不同程度的影響,尤其在中高頻段1～100 Hz范圍內影響最為嚴重。經過YC4參考后,1 Hz以上頻段的曲線形態得到了明顯改善,1 Hz以下頻段也得到了一定的提升。經過人工挑選后,整體曲線形態得到了明顯改善,可認為達到了合格水平。

5 結論與建議

通過理論分析與實際工作經驗總結,對后工業時代天然源大地電磁勘探的主要噪聲源及特征、噪聲抑制技術及施工特點進行了詳細分析,主要結論如下:

1)我國境內主要電磁場產生源可分為12種,其產生的主要噪聲分為6類。在現實環境中,一種噪聲源可產生多種噪聲信號,應在數據采集階段盡早遠離或降低其影響。

2)針對大地電磁測深噪聲抑制問題,認為Robust處理、遠參考道技術和人工篩選是較為系統和必要的方法,其他方法亦有各自針對的問題,各有千秋。

3)根據多年工作經驗,總結了一套適用于高干擾地區的、簡易有效的大地電磁數據采集及處理工藝,認為遠參考站設置至少大于3.56倍δ(趨膚深度),最佳參考距離為5倍δ。在洪澤鹽盆礦集區開展的試驗結果證實了該方法的有效性。

基于實際情況及本次研究,在生產過程中需注意以下幾個方面:

1)現實電磁噪聲環境比理論情況復雜得多,往往是多種電磁干擾源的綜合影響,因此在正式施工前需盡可能多地了解工作區概況,優化觀測方案,針對高干擾、多噪聲區域,設置多種方案。

2)針對個別遠參考站效果一般的測點,可嘗試遠參考加近參考(區內低干擾測點)多站參考的方式進行處理,有可能獲得更好的參考效果。

3)針對特殊測點,常規處理手段無法校正的情況下,在時間域采用小波變換、H-H變換等處理方法,有可能得到更好的效果。

4)采用多種技術手段仍無法達到要求的測點,該測點不能參與到后續數據反演工作中,避免產生假異常。