EPJ Plus:覆盖层吸收衰减对电磁噪声的压制——深部地下电磁场观测研究

文摘   科学   2024-04-30 19:13   北京  


受复杂电磁环境噪声的影响,传统地表地球物理电磁场测量面临严峻挑战,其中尤以超过万秒的高精度电场观测最为困难。通常认为,建立“深井”或“深地”观测实验室,有望能够实现高精度、微弱地球物理场信号的实时、原位监测,为地震、火山等严重自然灾害的预警研究提供依据。其中,受狭小空间及极端温度和压力条件等限制,国内外“深井”观测项目多以地震仪、倾斜仪、应变仪及地热和流体测试仪为主,尚缺乏电磁场信号的长期观测;而诸如SAFOD等项目进行的尝试及最终并不理想的结果(Zoback et al., 2011),在一定程度上说明“深井”电磁信号观测仍面临显著挑战。


相较于“深井”观测,基于矿井、隧道等地下空间的“深地”实验室具有物理空间大、观测装置安装和维护难度小、对仪器要求相对较低等优势,在物理学和天文学等研究中取得了显著成果。近年来,中国地质大学(北京)等多个单位利用已停产的淮南潘一东煤矿等深部地下空间,开展了一系列的深部多物理场联合观测工作(王赟 等, 2023)。其中,中国地质大学(北京)谢成良等人开展的深部地下电磁场观测研究表明,深地环境能有效避免因人类活动而产生的“时变”噪声干扰,在长周期电磁场微弱信号的捕捉及机理研究等方面具有潜力。

 

图1 淮南深部地下电磁场观测工作示意图

结合矿区电阻率测井曲线及深部电磁场观测结果,可将研究区地表覆盖层近似为一截止频率约为0.77 Hz的天然低通滤波器。对比分析地表与地下经1 Hz数字低通滤波器处理结果,认为地下数据表现的更为“干净”,即表明传统数字滤波器无法取代覆盖层的衰减吸收作用(图2)。此外,地表数据表受到与人类活动相关的噪声干扰,具有夜间噪声弱、白昼噪声强的显著特点;而地下数据则基本保持稳定(图3,图4)。

图2 地表与地下1 Hz低通滤波时间序列对比

图3 不同时段地表与地下电场小波变换时频谱对比

图4 不同时段地表与地下磁场小波变换时频谱对比

通过对比时间序列、功率谱密度曲线、小波变换时频谱、Allan方差等信息,认为受高导沉积覆盖层的吸收衰减作用,地表高频噪声在传播过程中被有效压制,从而有利于地下环境中对于微弱电磁场信号的长期监测及相关科学问题的研究。另一方面,这也对传统电磁测深仪器传感器的自噪声水平提出了新的要求。

相关研究成果发表于The European Physical Journal Plus期刊:
Xie, C., Chen, C., Liu, C., Wan, W., Jin, S., Ye, G., Jing, J., Wang, Y., 2024. Insights from underground laboratory observations: attenuation-induced suppression of electromagnetic noise. The European Physical Journal Plus 139, 218.
https://doi.org/10.1140/epjp/s13360-024-05033-1

注:(1)图中磁场分量需乘以500 mV/nT的转换系数;
注:(2)其它物理场观测结果参见《地球物理学报》——“深地观测虚拟专题”(http://www.dzkx.org/cjg/specials/204).


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