上海崇明長(zhǎng)江農(nóng)場(chǎng)深井綜合地震觀(guān)測(cè)系統(tǒng)地磁觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量分析*

任 燁，周華根，劉佳敏，尹繼堯

(上海市地震局，上海200062)

上海崇明長(zhǎng)江農(nóng)場(chǎng)深井綜合地震觀(guān)測(cè)系統(tǒng)地磁觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量分析*

任 燁，周華根，劉佳敏，尹繼堯

(上海市地震局，上海200062)

對(duì)上海崇明長(zhǎng)江農(nóng)場(chǎng)井深約460 m的深井綜合地震觀(guān)測(cè)系統(tǒng)中的地磁觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量分析。通過(guò)對(duì)該系統(tǒng)2套地磁儀以及相距約12 km的三烈中學(xué)臺(tái)地磁儀的時(shí)序圖、相關(guān)性、頻譜以及等效背景噪聲水平對(duì)比分析，得出:(1)上海深井綜合地震觀(guān)測(cè)系統(tǒng)中用膨脹水泥固定在井深約460 m巖石中的地磁儀工作正常，未受同一耐壓腔體內(nèi)應(yīng)變儀、地溫計(jì)、空隙壓計(jì)傳感器和安裝在同一個(gè)鉆孔內(nèi)深度為430 m左右的地震儀、傾斜儀傳感器和系統(tǒng)影響，且相距60 m遠(yuǎn)的長(zhǎng)約400 m的井下套管對(duì)其相對(duì)變化也未產(chǎn)生擾動(dòng);(2)長(zhǎng)江農(nóng)場(chǎng)深井地磁觀(guān)測(cè)的等效背景噪聲水平明顯小于三烈中學(xué)臺(tái)，開(kāi)展深井地磁觀(guān)測(cè)既能節(jié)約經(jīng)費(fèi)又能獲得高于地表的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量，是值得推廣的建設(shè)方式。

深井綜合地震觀(guān)測(cè);地磁觀(guān)測(cè);背景噪聲;長(zhǎng)江農(nóng)場(chǎng)臺(tái);三烈中學(xué)臺(tái)

0 引言

地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)是我國(guó)防震減災(zāi)三大工作體系的重要環(huán)節(jié)之一，它不僅服務(wù)于地震預(yù)報(bào)，也是整個(gè)地震學(xué)的基礎(chǔ)。地震預(yù)報(bào)、震害防御、地震緊急救援和地震學(xué)研究都需要地震監(jiān)測(cè)所提供的數(shù)據(jù)做基礎(chǔ)。觀(guān)測(cè)地震前地球物理化學(xué)場(chǎng)的變化是地震預(yù)報(bào)的重要方法。由于地震發(fā)生在地球內(nèi)部，大多數(shù)地震的信號(hào)都非常小，地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的接收靈敏度很高，所以地震監(jiān)測(cè)對(duì)監(jiān)測(cè)環(huán)境都有一定的要求。由于地球物理化學(xué)場(chǎng)變化需要長(zhǎng)期的資料積累，監(jiān)測(cè)環(huán)境一定要長(zhǎng)期相對(duì)穩(wěn)定。

環(huán)境干擾直接影響到地表地震觀(guān)測(cè)和研究工作的開(kāi)展和深入，合理避開(kāi)地表人類(lèi)活動(dòng)的干擾，做到防震減災(zāi)與經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展，成為上海地震監(jiān)測(cè)工作今后一段時(shí)間內(nèi)必須解決的問(wèn)題。此外，各前兆觀(guān)測(cè)手段震前異常各異，由于在不同的觀(guān)測(cè)環(huán)境安裝儀器，使不同前兆觀(guān)測(cè)手段之間無(wú)法進(jìn)行客觀(guān)的對(duì)比分析，如果把所有前兆觀(guān)測(cè)手段集中安裝在同一觀(guān)測(cè)環(huán)境中，對(duì)于前兆異常多學(xué)科聯(lián)合分析起到非常重要的作用。

基于地震預(yù)報(bào)要求和目前的觀(guān)測(cè)環(huán)境，上海市開(kāi)展了深井綜合地震觀(guān)測(cè)系統(tǒng)項(xiàng)目的建設(shè)。目前已建成崇明長(zhǎng)江農(nóng)場(chǎng)站，兩組設(shè)備安裝在井下不同深度，其中應(yīng)變儀、地磁儀、空隙壓計(jì)、地溫計(jì)為一組，安裝在井深約460 m處，用膨脹水泥封在井底，與周?chē)鷰r石成為一體，上述4種傳感器都進(jìn)行了備份，可以同時(shí)運(yùn)行;另一組為傾斜儀和地震計(jì)，安裝在井深約430 m處，卡在井壁，地表安裝GPS和強(qiáng)震儀。深井中所安裝的地磁儀為由英國(guó)Bartington生產(chǎn)的MAG-03MC型地磁儀，是國(guó)內(nèi)首次在深井中安裝地磁儀。地磁傳感器是否會(huì)受到同一耐壓腔體內(nèi)應(yīng)變計(jì)、地溫計(jì)、空隙壓計(jì)探頭和安裝在同一個(gè)鉆孔內(nèi)深度為430 m左右的地震計(jì)、傾斜儀傳感器和系統(tǒng)的影響?同時(shí)是否會(huì)受到距其60 m遠(yuǎn)的長(zhǎng)約400 m(第四系覆蓋層厚度為400 m)井下套管的干擾?和地表地磁觀(guān)測(cè)相比，其性能如何?這些是深井觀(guān)測(cè)系統(tǒng)建成后需要確切知道的問(wèn)題，對(duì)后續(xù)的深井綜合地震觀(guān)測(cè)站建設(shè)具有重要的參考意義。

基于上述問(wèn)題，本文對(duì)崇明長(zhǎng)江農(nóng)場(chǎng)深井綜合地震觀(guān)測(cè)站 (以下簡(jiǎn)稱(chēng)CJNC)的地磁觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量分析，并和相距約12 km的崇明三烈中學(xué)臺(tái) (以下簡(jiǎn)稱(chēng)SLZX)地磁觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

1 資料和方案

由于地磁外源場(chǎng)一般都位于電離層以上，相距不太遠(yuǎn)的2個(gè)臺(tái)的外源場(chǎng)差別不大，可認(rèn)為在一定范圍內(nèi)磁場(chǎng)基本是均勻的。利用CJNC和SLZX臺(tái)2011年7月1～30日的小時(shí)值數(shù)據(jù)和2011年7月2日秒值數(shù)據(jù)進(jìn)行地磁觀(guān)測(cè)質(zhì)量分析，方案如下:

(1)儀器運(yùn)行情況分析

利用CJNC臺(tái)安裝在同一位置的兩套同一類(lèi)型地磁儀和SLZX臺(tái)GM4地磁儀記錄的地磁觀(guān)測(cè)資料分別進(jìn)行小時(shí)值和秒值相關(guān)性分析，來(lái)檢測(cè)儀器的運(yùn)行狀態(tài)和儀器的一致性，同時(shí)進(jìn)行小時(shí)值的功率譜分析，比較CJNC和SLZX臺(tái)地磁日變化等主要周期的差異，從而判別CJNC臺(tái)地磁儀是否受到周?chē)h(huán)境的干擾。

(2)深井、地表地磁觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)背景噪聲水平對(duì)比分析

一般信號(hào)的高頻成分主要由背景噪聲干擾所致，利用傅立葉變換和逆變換截取出CJNC和SLZX臺(tái)地磁觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)中的高頻信息，對(duì)2011年7月2日共86 400個(gè)數(shù)據(jù)計(jì)算RMS(均方根)值，以此作為兩個(gè)臺(tái)站的等效背景噪音水平，為更客觀(guān)地比較兩者的優(yōu)劣，截取5、10、15、20、25、30 s以上的高頻成分分別進(jìn)行比較。

CJNC臺(tái)地磁儀觀(guān)測(cè)的分量為Z(垂直向)、X(東西向)和Y(南北向)，SLZX臺(tái)地磁儀觀(guān)測(cè)的分量為 Z(垂直向)、H(水平向)和 D(磁偏角)，因此，在對(duì)兩者進(jìn)行比較分析時(shí)，先將CJNC臺(tái)地磁儀觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成和SLZX相同的觀(guān)測(cè)分量。

2 研究方法

2.1 傅立葉變換和噪聲功率譜分析

傅立葉變換能將滿(mǎn)足一定條件的某個(gè)函數(shù)表示成三角函數(shù) (正弦/或余弦函數(shù))或者它們積分的線(xiàn)性組合。將平方可積的函數(shù)f(t)表示成復(fù)指數(shù)函數(shù)的積分或級(jí)數(shù)形式。將頻率域的函數(shù)F(ω)表示為時(shí)間域函數(shù)f(t)的積分形式，如

功率譜估計(jì)的目的是根據(jù)有限數(shù)據(jù)給出信號(hào)、隨機(jī)過(guò)程的頻率成分分布的描述。假如隨機(jī)信號(hào)x(t)的自相關(guān)函數(shù)為 Rx(τ)，Rx(τ)的 Fourier變換為

定義Sx(f)為x(t)的自功率譜密度或自功率譜。因?yàn)镾x(f)可解釋為x(t)的平均功率譜相對(duì)于頻率的分布函數(shù)。自功率譜Sx(f)包含Rx(τ)的全部信息，如果隨機(jī)噪聲信號(hào)中還有某種頻率成分，可以從自功率譜中看出 (萬(wàn)永革，2007)。

2.2 RMS(均方根)

利用地磁噪聲的RMS(均方根值)可以衡量臺(tái)站的地磁背景噪聲水平。用該值衡量噪聲水平的優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)來(lái)自不同噪聲源的噪聲可按照一個(gè)相同的尺度進(jìn)行比較。地磁噪聲均方根值計(jì)算公式為 (劉永廷等，2002)

式中，;n為測(cè)量次數(shù);vi為某一點(diǎn)實(shí)測(cè)地磁噪聲值;為實(shí)測(cè)地磁噪聲均值。

3 結(jié)果分析

3.1 儀器運(yùn)行情況分析

根據(jù)上述方案，對(duì)CJNC臺(tái)安裝在同一位置的兩套地磁儀各分量2011年7月1～30日的小時(shí)觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析 (圖1)，并挑選出2011年7月2日的秒值觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)作相關(guān)性分析 (圖2)。

從圖1和圖2可以看出，CJNC臺(tái)地磁觀(guān)測(cè)小時(shí)值日變化周期明顯，兩套地磁儀，無(wú)論是小時(shí)值還是秒值基本看不出差異。為進(jìn)一步識(shí)別差異，對(duì)地磁儀進(jìn)行相關(guān)性分析，參與分析的數(shù)據(jù)為2011年7月1～30日共720個(gè)小時(shí)值，以及2011年7月2日共86 400個(gè)秒值。結(jié)果如表1所示，從表中可以得到:(1)對(duì)于CJNC臺(tái)安裝在同一位置的2套地磁儀各分量，無(wú)論是小時(shí)值還是秒值，其相關(guān)程度極高，最小相關(guān)程度與Z分量秒值相關(guān)，達(dá)到99.82%，最高相關(guān)達(dá)到1;(2)CJNC和SLZX臺(tái)2套地磁儀記錄的數(shù)據(jù)相關(guān)性也非常高，其中各分量小時(shí)值相關(guān)性略低，在83.41%～90%之間，而秒值相關(guān)性較小時(shí)值高，在94% ～99.6%之間。

表1 CJNC臺(tái)和SLZX臺(tái)相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Correlation coefficients statistic of CJNC and SLZX stations

對(duì)CJNC和SLZX臺(tái)的地磁觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)分別進(jìn)行頻譜分析，從表1可知，CJNC臺(tái)2個(gè)地磁儀觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)幾乎相同，因此，只挑選CJNC1和SLZX臺(tái)進(jìn)行對(duì)比。由于水平分量無(wú)顯著周期，故只對(duì)垂直分量、磁偏角分量和地磁總強(qiáng)進(jìn)行比較，如圖3所示，從圖中可以看出2個(gè)地磁臺(tái)都有最顯著的周期為一天的地磁太陽(yáng)日變化，此外還有12 h周期和8 h周期，這和Asimopolos等 (2010)頻譜分析結(jié)果是一致的，SLZX臺(tái)的地磁總強(qiáng)8 h周期不顯著。

綜上所述，筆者分別從小時(shí)值和秒值的時(shí)序圖分析、CJNC臺(tái)兩套地磁儀和SLZX臺(tái)地磁儀相關(guān)分析、頻譜分析得到，上海深井綜合觀(guān)測(cè)系統(tǒng)中用膨脹水泥固定在巖石中的地磁儀目前工作正常，且未受到同一耐壓腔體內(nèi)應(yīng)變儀、地溫、空隙壓計(jì)探頭和安裝在同一鉆孔內(nèi)深度約為430 m的地震儀、傾斜儀的系統(tǒng)影響，同時(shí)垂直向相距60 m遠(yuǎn)的長(zhǎng)約400 m井下套管對(duì)其未產(chǎn)生干擾。

圖3 CJNC1臺(tái)和SLZX臺(tái)地磁各分量小時(shí)值頻譜分析結(jié)果 (Z:垂直分向;D:磁偏角;F:地磁總強(qiáng))Fig.3 Frequency spectrum of hour time of each geomagnetic components recorded by CJNC1 and SLZX Stations(Z:vertical component;D:declination;F:geomagnetic total intensity)

3.2 背景噪聲水平對(duì)比分析

從圖2中可以看出，CJNC臺(tái)地磁觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)各分量的時(shí)序曲線(xiàn)較SLZX臺(tái)平滑，特別是水平向分量。為進(jìn)一步量化分析CJNC臺(tái)和SLZX臺(tái)背景噪聲的差異，利用傅立葉變換和逆變換截取出2個(gè)地磁觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)中的高頻信息，計(jì)算2011年7月2日共86 400個(gè)數(shù)據(jù)的RMS值，以此作為2個(gè)臺(tái)站的等效背景噪音水平。為更客觀(guān)地比較兩者的優(yōu)劣，分別截取周期小于5、10、15、20、25、30 s的高頻成分作為背景噪音進(jìn)行分析。由于篇幅關(guān)系，只給出截取周期小于5 s的CJNC1臺(tái)和SLZX臺(tái)地磁觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)水平分量信號(hào)分離過(guò)程圖 (圖4、圖5)。

對(duì)各分項(xiàng)分不同截取周期進(jìn)行信號(hào)分離后計(jì)算RMS值，得到結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看出:(1)RMS值隨著截取周期的增大而增大，總體呈近似線(xiàn)性增長(zhǎng); (2)CJNC臺(tái)2套地磁儀的RMS值基本相同，表明2套儀器具有很高的一致性，同時(shí)也表明2套地磁儀觀(guān)測(cè)質(zhì)量可靠，運(yùn)行正常;(3)CJNC臺(tái)地磁觀(guān)測(cè)資料各分量的等效背景噪聲RMS值明顯小于SLZX臺(tái)的RMS值。

對(duì)于水平分量，截取周期越小，背景噪聲RMS值相差越大，當(dāng)截取周期為5 s時(shí)，SLZX臺(tái)背景噪聲水平是CJNC臺(tái)近2.3倍。對(duì)于垂直分量，2個(gè)臺(tái)的背景噪聲水平隨著截取周期的變化，基本保持在一個(gè)固定水平，為1.2倍左右。對(duì)于磁偏角，兩者背景噪聲水平也保持在1.5倍左右。

4 結(jié)論和討論

本文主要對(duì)上海深井綜合地震觀(guān)測(cè)系統(tǒng)中安裝在約460 m深井中的地磁儀觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行分析，并且和相距12 km的SLZX臺(tái)GM4地磁儀記錄的地磁觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)長(zhǎng)度為30 d的小時(shí)值和長(zhǎng)度為一天的秒值觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)序圖、相關(guān)性、頻譜分析，以及對(duì)比2個(gè)臺(tái)站的等效背景噪聲水平，得到以下結(jié)論:

(1)對(duì)于CJNC臺(tái)2套安裝在同一位置的地磁儀，其各分量無(wú)論是小時(shí)值還是秒值，相關(guān)程度極高，在99.82%～100%之間，表明該儀器質(zhì)量可靠，且安裝在井深460 m里運(yùn)行正常。

(2)CJNC臺(tái)和SLZX臺(tái)地磁儀的相關(guān)性也非常高，其中各分量小時(shí)值相關(guān)性略低，在83.41%～90%之間，而秒值相關(guān)性較小時(shí)值高，在94%～99.6%之間，頻譜分析結(jié)果表明兩個(gè)地磁臺(tái)都有最顯著的周期為一天的地磁太陽(yáng)日變化周期，此外還有12 h周期和8 h周期，表明CJNC臺(tái)儀器未受到周?chē)h(huán)境干擾而產(chǎn)生擾動(dòng)。

(3)對(duì)比CJNC臺(tái)和SLZX臺(tái)地磁儀的等效背景噪聲水平，結(jié)果表明CJNC臺(tái)地磁觀(guān)測(cè)資料各分量的等效背景噪聲RMS值明顯小于SLZX臺(tái)。對(duì)于水平分量當(dāng)截取周期為5 s時(shí)，SLZX臺(tái)背景噪聲水平是CJNC臺(tái)近2.3倍。垂直分量，2個(gè)臺(tái)的背景噪聲水平基本保持在1.2倍左右;磁偏角，兩個(gè)臺(tái)背景噪聲水平也保持在近1.5倍左右。此外，CJNC臺(tái)2套深井地磁儀的RMS值基本相同，表明兩套儀器具有很高的一致性，同時(shí)也表明2套地磁儀觀(guān)測(cè)質(zhì)量可靠，運(yùn)行正常。

圖4 CNJC1臺(tái)水平分量H的信號(hào)分離過(guò)程圖(截取周期: ＜5 s)(a)原始信號(hào);(b)分離出的周期小于5 s的高頻成分時(shí)序圖;(c)周期大于5 s低頻成分時(shí)序圖Fig.4 Separate process of H component recorded by CJNC1 Station(intercepted period is less than 5 seconds)(a)original signal;(b)separated time series including high frequency component with the period is less than 5 seconds;(c)time series including low frequency component with the period is more than 5 seconds

圖5 SLZX臺(tái)水平分量H的濾信號(hào)分離過(guò)程(截取周期: ＜5 s)(a)原始信號(hào);(b)分離出的周期小于5 s的高頻成分時(shí)序圖;(c)周期大于5 s低頻成分時(shí)序圖Fig.5 Separate process of H component recorded by SLZX Station(intercepted period is less than 5 seconds)(a)original signal;(b)separated time series including high frequency component with the period is less than 5 seconds;(c)time series including low frequency component with the period is more than 5 seconds

圖6 地磁儀RMS值和截取頻率關(guān)系圖(a)水平分量;(b)垂直分量;(c)磁偏角分量Fig.6 Relation between intercepted frequency and RMS of magnetograph(a)H component;(b)Z component;(c)D component

綜上所述，上海深井綜合觀(guān)測(cè)系統(tǒng)中用膨脹水泥固定在井深460 m左右?guī)r石中的地磁儀目前工作正常，且未受到同一耐壓腔體內(nèi)應(yīng)變儀、地溫計(jì)、空隙壓計(jì)探頭和安裝在同一個(gè)鉆孔內(nèi)深度為430 m左右的地震儀、傾斜儀的系統(tǒng)影響，同時(shí)垂直向相距60 m遠(yuǎn)的約400 m井下套管對(duì)其也未產(chǎn)生干擾。此外，CJNC深井地磁觀(guān)測(cè)的等效背景噪聲水平明顯小于SLZX臺(tái)的地表地磁觀(guān)測(cè)。從上述結(jié)果可以得到，深井地磁觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量明顯高于地表觀(guān)測(cè)，由于地表地磁觀(guān)測(cè)對(duì)周?chē)h(huán)境要求非常嚴(yán)格，同時(shí)觀(guān)測(cè)室的建設(shè)要求也非常嚴(yán)格，需要建在非磁異常區(qū)，對(duì)于類(lèi)似上海這樣的大城市來(lái)說(shuō)，地震地表觀(guān)測(cè)受到了日益嚴(yán)重的干擾且涉及到征地、觀(guān)測(cè)室建設(shè)等費(fèi)用比較昂貴。因此，開(kāi)展深井地磁觀(guān)測(cè)既能節(jié)約經(jīng)費(fèi)又能獲得比地表的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量更高的數(shù)據(jù)，是值得推廣的建設(shè)方式。

劉永廷，夏愛(ài)國(guó)，趙慶.2002.烏魯木齊區(qū)域數(shù)字遙測(cè)臺(tái)網(wǎng)各子臺(tái)背景噪聲分析［J］.內(nèi)陸地震，16(4):366 －371.

萬(wàn)永革.2007.數(shù)字信號(hào)處理的MATLAB實(shí)現(xiàn)［M］.北京:科學(xué)出版社.

Asimopolos L，Pestina A，Asimopolos N S.2010.Considerations on geomagnetic data analysis［J］.Chinese J Geophys(in Chinese)，53(3):765－772.

Quality Analysis of Geomagnetic Observation Data Recorded by Comprehensive Seismic Observation System in Deep Borehole on Changjiang Farm in Shanghai

REN Ye，ZHOU Hua-gen，LIU Jia-min，YIN Ji-yao
(Earthquake Administration of Shanghai Municipality，Shanghai 200062，China)

We mainly analyzed the quality of geomagnetic observation data recorded by comprehensive seismic observation system which were installed at the depth of 460 m in deep borehole on Changjiang farm in Shanghai.Then we did a comparative analysis of sequence diagram，correlation，frequency spectrum and equivalent background noise of geomagnetic observation data recorded by magnetometers in Changjiang Farm Station(CJNC)and Sanlie Middle School Station(SLZX)which is 12 m apart from the CJNC Station.The result shows that:(1)The magnetometer was installed in well depth of 460 m by expanding cement works normally in the deep borehole comprehensive seismic observation system，and it doesn't interfered not only by the strain meter，geothermometer，pore pressure meter which were installed in the same withstand voltage chamber，but also by the seismometer，tilt meter which were installed at depth of 430 m in the borehole，and it doesn't interfered by downhole casing with 400 m long at a distance of 60 m.(2)The equivalent background noise of geomagnetic observation data in deep borehole on Changjiang farm is obvious less than that in the surface observation of Sanlie Middle School.Geomagnetic observation in deep borehole not only can save outlay but also can obtain higher quality observation data than the surface observation，so it is worth popularizing.

comprehensive seismic observation system in deep borehole;geomagnetic;data quality;background noise;Changjiang Farm Station;Sanlie Middle School Station

P318.62

A

1000－0666(2012)03－0353－07

2011－09－07.

上海市深井綜合地震觀(guān)測(cè)項(xiàng)目和地震科技星火計(jì)劃項(xiàng)目 (XH12017Y)聯(lián)合資助.