白云天，李桐林，朱威，孟銀生，邰書坤

1.吉林大學 地球探測科學與技術學院，長春 130026；2.中國地質科學院 地球物理地球化學勘查研究所，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，在地球深部地質結構、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遠參考站等；孫潔等[3]將大地電磁測深的噪聲分為場源噪聲、地質噪聲及人文噪聲，并對常見噪聲進行頻譜分析，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，總結其影響頻段。王大勇[4]從原理上分析了近源干擾的產生及特點，依據九瑞礦集區(qū)的大地電磁測量結果，在時間域將噪聲分為三角波噪聲、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、無線通訊設備以及其他人文干擾的噪聲源進行研究，總結了礦集區(qū)各種干擾源的噪聲類型及影響頻段。湯井田等[5]對廬江—樅陽礦集產生的電磁干擾進行了研究，用數(shù)學形態(tài)學的方法，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)從受噪嚴重的大地電磁時間序列中提取出來并進行分析，又將噪聲與未受干擾的數(shù)據進行疊加，通過視電阻率-相位曲線的對比，總結了該地區(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行了總結。高速鐵路作為一種新型干擾源，其供電系統(tǒng)復雜，電流較大，會對周圍電磁環(huán)境產生嚴重的干擾，但是尚未有人對其信號特征、干擾方式進行研究。

京津冀地區(qū)作為中國北方經濟規(guī)模最大的地區(qū)，也是交通物流網絡最為密集的地區(qū)，京津冀鐵路網的完善為京津冀地區(qū)協(xié)同發(fā)展提供了強有力的支撐和保障，同時也帶來了強烈的電磁信號干擾，嚴重影響了大地電磁測深技術的應用效果，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是開展深部資源調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，通過改變測點與高速鐵路間的距離，研究高速鐵路對大地電磁測深數(shù)據采集的影響，對比各測點的時間序列及視電阻率-相位曲線研究干擾信號的特征和干擾方式，并得出相關結論。

1 觀測試驗

為研究高鐵對大地電磁測深數(shù)據的影響，選擇了京廣高速鐵路的北京—涿州段作為實驗的干擾源，測點布設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進行觀測(圖1)。儀器設備用加拿大PHOENIX(鳳凰)公司生產的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，一個排列至少同時觀測一組Ex、Ey、Hx、Hy、Hz五個分量。

圖1 試驗點位置Fig.1 Test point location

數(shù)據采集：

①電極一般采用標準“+”字形布設，因地形條件無法采用“+”字形布設時，可采用“L”形或“T”形方式布設；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。

②在電磁干擾大的測點處，為了防止采集的電場數(shù)據飽和，電極距設定為50 m(個別電磁場強度特大處采用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。

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

④有效觀測記錄時間20 h以上。

2 高鐵干擾分析

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

圖2 AT供電方式結構Fig.2 AT power supply system

高速鐵路產生電磁干擾的來源主要有3點：①列車在行駛時，牽引懸掛系統(tǒng)與接觸網會產生振動并發(fā)生弓網離線，從而導致火花放電，即“弓網電弧”。弓網電弧在形成時會向周圍環(huán)境釋放電磁波，對高頻信號產生影響[11-12]。②自耦變壓器等高功率設備在電能轉換過程中，電路中電壓與電流的變化會產生豐富的諧波，對測量造成大量干擾[13-14]。③高鐵供電系統(tǒng)中，電流回流時會有一部分流入地下，入地電流會直接導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)計大地電磁測深數(shù)據的時間序列波形，將觀測到主要干擾信號的時間與高碑店東站列車時刻表(表1)對比，發(fā)現(xiàn)干擾信號出現(xiàn)時刻與列車進站時刻吻合，隨著試驗點與高鐵距離的增大，測點所受干擾減小，干擾信號也隨之減弱，可以推斷噪聲為高鐵列車所產生。

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

圖3為脈沖噪聲時間序列曲線，在距離鐵路5 km以內的測點可以觀測到脈沖干擾信號，頻率較高，在時間序列中表現(xiàn)為振幅很高的尖峰形態(tài)，幅值較大，能量較強，隨著測點與高鐵距離的增大，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以上的試驗點未能觀測到該信號。

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

圖4為階躍噪聲時間序列曲線，在距離鐵路3 km以內的測點可以觀測到階躍噪聲干擾信號，在時間序列中表現(xiàn)為電磁信號突然抬升或下降，然后逐漸恢復，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GT-1.0的時間序列曲線(圖5)，階躍噪聲的電場與磁場有較強的相關性，且階躍噪聲經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 階躍噪聲時間序列曲線Fig.4 Time series curves of step noise

圖5 測點GT--1.0時間序列曲線Fig.5 Time series curves of measuring point GT--1.0

圖6為高鐵所產生的周期噪聲信號，在3 km范圍內受到影響，頻率范圍較寬，主要為50 Hz的工頻電磁信號，同時也產生較強的諧波干擾。時間序列中表現(xiàn)為較規(guī)則的正弦曲線，周期噪聲持續(xù)時間較長，對大地電磁觀測會產生較大影響，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 周期噪聲時間序列曲線Fig.6 Time series curves of periodic noise

圖7 測點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為各測點的視電阻率曲線及相位曲線。分析測點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處測點雖然不能完全避免高鐵干擾，但是數(shù)據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)據處理軟件常規(guī)處理，即可參與反演計算。

a.視電阻率曲線; b.相位曲線。圖8 測點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 結論

(1)高鐵線路及列車行駛時產生電磁干擾，嚴重影響大地電磁測深數(shù)據采集，從時間域來看，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)據均會產生影響，主要影響方式為近場干擾。影響程度與測點和干擾源距離有關；>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)在高鐵運營時間段內，為了獲得更高質量的大地電磁數(shù)據，盡量減少高鐵信號的干擾，在設計觀測點位時應距離高鐵線路12 km以上；在點位無法避開高鐵線路時，可以選擇在高鐵停運時段觀測或采取布設遠參考站等方法。