永安地磁臺FHD-2B質(zhì)子磁力儀觀測數(shù)據(jù)干擾分析

全建軍 夏 忠 張 凱 劉水蓮陳珊樺 劉禮誠 陳美梅

1）中國福建366000永安地震臺

2）中國江蘇221400新沂地震臺

3）中國福建363000漳州地震臺

4）中國福建362000泉州基準地震臺

0 引言

隨著地震科技水平的逐步提高，我國地震觀測開始走向數(shù)字化，其高精度、大動態(tài)觀測數(shù)據(jù)在地震科研和預報中得到了廣泛應用（邢西淳等，2008）?！熬盼濉逼陂g江蘇省地震局研制出智能化分量質(zhì)子磁力儀，即FHD質(zhì)子磁力儀，具有數(shù)字化程度高和觀測精度高的特點，目前已在全國數(shù)十個臺站投入使用（夏忠，2002）。FHD質(zhì)子磁力儀經(jīng)過不斷改進與完善，目前較先進的FHD-2B型質(zhì)子磁力儀已開始運行。FHD-2B質(zhì)子磁力儀實現(xiàn)數(shù)字化與網(wǎng)絡化控制，用戶可通過網(wǎng)絡瀏覽儀器網(wǎng)頁、監(jiān)視儀器的運行狀態(tài)、下載觀測數(shù)據(jù)、控制儀器參數(shù)、遠程實現(xiàn)儀器重啟等。

在地震研究觀測中，觀測環(huán)境保護很重要。因為采集地震信息是一個漫長、連續(xù)的過程，要保證地震觀測環(huán)境不被破壞很困難，天氣變化和人為因素等干擾對地磁觀測資料造成很大影響，對各種類型干擾因素如何正確識別，會影響到觀測資料正確預處理。本文分析各種干擾因素對永安地磁臺地磁資料的影響，總結(jié)各種干擾對觀測數(shù)據(jù)變化幅度與曲線形態(tài)的影響大小，在此基礎上，對數(shù)據(jù)預處理方式進行合理選擇，提高地磁觀測資料質(zhì)量。

1 臺站參數(shù)

永安地磁臺建于福建省永安市洪田鎮(zhèn)黃龍村李厝甲，占地面積約9.2畝，距離村民土木房約100 m，東面為民居和農(nóng)田，南面為山坡，西面為高山，北面為民居和農(nóng)田。區(qū)域構(gòu)造簡單，表面為黃土、碎石覆蓋，基巖巖性為沉積石灰?guī)r，未發(fā)現(xiàn)磁體巖體，200 m范圍內(nèi)磁場梯度小于1.0 nT/m，符合地磁臺選址規(guī)范的要求（全建軍等，2013）。

永安地磁臺FHD-2B 數(shù)字化地磁觀測系統(tǒng)（圖1）于2009年10月架設完畢，探頭和線圈安裝在地磁觀測室，主機安裝在臺站辦公樓，地磁觀測室與臺站辦公樓的距離約39 m，采用平行信號線連接。FHD-2B質(zhì)子磁力儀分辨率<0.1 nT；總場F精度< 0.3 nT；水平分量H（或垂直分量Z）精度<0.6 nT；磁偏角D精度<0.1′，測量范圍：20 000 nT—70 000 nT。

圖1 FHD-2B 數(shù)字化地磁觀測系統(tǒng)Fig.1 FHD-2B digital geomagnetic observation system

2 觀測資料相關(guān)干擾分析

地磁場是地球物理場的一種，可以反映地下基本場以及外空場變化。因此，研究地磁場變化成為地震預測預報的一種重要手段。通常地磁場是連續(xù)、穩(wěn)定的，但平時觀測過程易受到各種因素干擾，突出的有觀測環(huán)境干擾以及儀器系統(tǒng)穩(wěn)定性、精度等影響。通過對近幾年永安地磁臺地磁觀測數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)影響觀測資料質(zhì)量的因素主要有自然因素、儀器自身因素、人為干擾因素、外界環(huán)境因素等。通過對這些干擾因素分析，對臺站觀測環(huán)境保護，對提高地磁觀測資料質(zhì)量有積極意義。

2.1 空間電磁影響

當太陽表面活動旺盛，特別是在太陽黑子極大期時，太陽表面耀斑爆發(fā)次數(shù)增加，耀斑爆發(fā)時會輻射出x射線、紫外線、可見光及高能量的質(zhì)子和電子束。其中帶電粒子（質(zhì)子、電子）形成的電流沖擊地球磁場，引起電離層變化，同時引起地球磁場強度和方向發(fā)生急劇不規(guī)則變化，稱為磁暴。按影響強度，磁暴可劃分為小磁暴、中級磁暴和大磁暴。按照形態(tài)變化，磁暴可以分為緩始磁暴與急始磁暴。

在2012年5月11日至13日期間，永安地磁臺地磁觀測曲線出現(xiàn)全天連續(xù)的毛刺突跳現(xiàn)象，與平時相比極不光滑（圖2）。登錄福建省地震局前兆數(shù)據(jù)庫服務器，查看相鄰臺站數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)觀測曲線同樣出現(xiàn)全天連續(xù)的毛刺突跳現(xiàn)象，因此排除儀器自身因素引起的干擾，認定為小磁暴干擾。由圖2可見，在磁暴影響期間，地磁場垂直分量和磁偏角有較明顯的波動。磁暴發(fā)生時，垂直分量和磁偏角出現(xiàn)明顯突跳，其特征是初動波動范圍大且突跳尖銳。因為FHD-2B是分鐘值采樣，且通過2組數(shù)據(jù)平均值生成H值和F值，D值是儀器40 s測量結(jié)束后由補償電流、H值等計算得出；幾個分量采集時間不同步，且存在一些差別；而磁暴變化是連續(xù)的，特別是大磁暴和急始磁暴，雖然時間相差數(shù)秒，但磁暴變化量明顯，從而導致FHD-2B變化與其產(chǎn)出數(shù)據(jù)并不完全一致，其中不正確變化需要人工消除。

日全食是月亮把太陽完全遮住的天文現(xiàn)象。2011年7月22日有日全食發(fā)生，永安地磁臺地磁數(shù)據(jù)曲線起伏較明顯，地磁場垂直分量與磁偏角都呈現(xiàn)出較明顯改變，變化時間上水平分量比磁偏角有所提前，突跳現(xiàn)象也不是很明顯，地磁觀測曲線受日全食影響呈現(xiàn)出一個緩慢下降再上升的變化過程，曲線形態(tài)恢復較快，一般持續(xù)若干小時即可逐漸恢復正常（圖3），對觀測精度產(chǎn)生的影響與磁暴類似。

圖2 2012年5月11日受磁暴干擾曲線Fig.2 Magnetic interference on May 11，2012

圖3 2011年7月22日受日全食干擾曲線Fig. 3 Total solar eclipse interference on July 22，2011

2.2 工作參數(shù)偏離影響

FHD-2B質(zhì)子磁力儀與其他質(zhì)子磁力儀相同，地磁場測量采用LC諧振原理， 根據(jù)諧振公式

③陰極保護系統(tǒng)失效。由于人為因素、意外或施工等原因會造成陰極保護系統(tǒng)的物理性破壞，使得陰極保護系統(tǒng)失散，常見的情況有：新建立的犧牲陽極系統(tǒng)、陰極系統(tǒng)，其中有一個系統(tǒng)未設置，使陰極保護不能運行；陰極保護系統(tǒng)設置不正確，未能提供足夠的保護電流；陰極保護系統(tǒng)部件遭到破壞，一個或多個部件失效；陰極保護系統(tǒng)部件失效，有20%以上的時間未運行；施工單位未按設計要求施工或擅自修改設計施工。

式中：f是LC諧振回路的中心頻率；L是探頭的電感量；C是儀器中的配諧電容值。

根據(jù)這個原理及地球磁場緩慢變化特點，F(xiàn)HD-2B質(zhì)子磁力儀采用自動跟蹤與數(shù)字化選頻技術(shù)。FHD在設定調(diào)諧參數(shù)后，儀器調(diào)諧測量將根據(jù)設定值進行。如果測量結(jié)果與上一次測量結(jié)果或設定值相比≤±100 nT，測量結(jié)果將會自動跟蹤并存入調(diào)諧值存儲單元，為下一次測量選頻提供參考值，否則不作跟蹤時，始終利用存儲單元中的調(diào)諧值進行調(diào)諧測量，如果所需調(diào)諧參數(shù)同存儲單元中調(diào)諧參數(shù)相距較大，調(diào)諧選頻頻率將偏離實際質(zhì)子旋進頻率較多，使信號測量不能產(chǎn)生有效的選頻共振，易導致儀器選頻特性下降、測量誤差增大，造成觀測曲線出現(xiàn)突跳、毛刺、線條變粗等現(xiàn)象（紀加迎等，2011）。

此外，質(zhì)子磁力儀探頭軸向應指向東西方向，因為探頭軸向與地磁場方向成90°夾角時，探頭感應到的質(zhì)子旋進信號電壓最強，如果探頭軸向偏離東西方向較多，感應到的質(zhì)子旋進信號電壓將會明顯減弱，有可能造成觀測數(shù)據(jù)噪聲增大，甚至無法正常觀測。水平補償電流如果較大變化或沒有輸出，將會引起補償磁場較大改變，造成測量參數(shù)嚴重偏離，引起磁偏角測量和水平分量偏離實際值較多，并造成噪聲增大，甚至無法正常觀測。分量線圈方位角如果偏離較多，導致跟蹤參數(shù)偏離較多，也會使磁偏角數(shù)據(jù)噪聲增大。

因此，要保證儀器能夠正常運行，一定要保證儀器補償電流值、調(diào)諧值、觀測方位角、探頭方向等參數(shù)的正確性。臺站地磁觀測人員要熟悉本臺站FHD儀器工作參數(shù)，并經(jīng)常對儀器工作參數(shù)進行檢查，特別是在數(shù)據(jù)曲線出現(xiàn)較多突跳或變粗時，首先應檢查儀器工作參數(shù)，確認其正確后再檢查其他原因。檢查儀器工作參數(shù)有兩種方式：①通過儀器網(wǎng)頁進行檢查；②按照說明書利用儀器面板進行檢查。通過網(wǎng)頁檢查參數(shù)時，要以超級用戶登錄儀器網(wǎng)頁，打開儀器參數(shù)頁面，對比實時工作參數(shù)與原始工作參數(shù)，如果二者相差較大，或雖然相差不大，但實時參數(shù)無法更新，也就是調(diào)諧參數(shù)無法進行跟蹤時，可以打開儀器參數(shù)表下面的“恢復缺省工作參數(shù)”，來恢復儀器測量參數(shù)。如果測量參數(shù)恢復后還不能正常工作，就要到現(xiàn)場檢查儀器，如果仍找不出原因，就要尋找其他原因。

2.3 交流電磁影響

交流電磁干擾對FHD質(zhì)子磁力儀觀測影響大，一般有兩種方式，即：環(huán)境電磁干擾與觀測系統(tǒng)電磁干擾。臺站附近如果有無線電發(fā)射塔發(fā)射的無線電波、高壓交流輸電線路，都會對觀測環(huán)境產(chǎn)生電磁干擾，使觀測數(shù)據(jù)噪聲增大，影響儀器正常觀測。對比類電磁干擾，國家制定了相應的行業(yè)技術(shù)規(guī)范，臺站建臺時需避開，無法避開要與相關(guān)部門交涉。

電磁干擾是FHD觀測數(shù)據(jù)最大、最主要因素。使數(shù)據(jù)曲線毛刺增多，出現(xiàn)線條變粗、突跳現(xiàn)象，嚴重的還會影響儀器自動跟蹤的工作參數(shù)，造成自動跟蹤測量與數(shù)字化選頻失敗，使儀器不能產(chǎn)出有效觀測數(shù)據(jù)，可以通過多種途徑干擾儀器正常觀測：①與信號線距離較近，特別是與信號線平行的交流供電線路，通過信號線的電磁耦合，將電磁干擾耦合到儀器中，使觀測數(shù)據(jù)噪聲增大；②地磁記錄室交流供電線路，特別是環(huán)狀線路與儀器探頭上方的交流線路，可以產(chǎn)生交變干擾磁場，通過探頭感應，使測量數(shù)據(jù)噪聲增大；③FHD質(zhì)子磁力儀與其他儀器集成在儀器柜中，儀器與儀器之間、線路與線路之間距離近，造成相互的電磁干擾，從而影響儀器觀測精度；④給儀器供電的交流電，包含大量高頻電磁諧波，如果未經(jīng)過凈化，會通過電源耦合到儀器中，造成儀器觀測數(shù)據(jù)噪聲增大。圖4是永安地磁臺2009年10月30日FHD-2B質(zhì)子磁力儀受交流干擾的數(shù)據(jù)觀測曲線。

避開交流電磁干擾對FHD質(zhì)子磁力儀觀測的影響，根據(jù)不同干擾途徑，可以采取以下措施。

圖4 受交流干擾的數(shù)據(jù)曲線Fig.4 The data curve interferenced the AC

（1）對于環(huán)境電磁干擾，在地磁臺建設時，應當嚴格按照地磁臺站建設規(guī)范進行勘選和建設，避免交流電磁干擾影響電磁環(huán)境，從而影響地磁觀測。

（2） 對于地磁記錄室中電磁干擾，在布設交流電路時要避免形成環(huán)狀電路，注意探頭上方不要安裝電燈之類的電器設備，避免交流電磁干擾通過探頭影響地磁觀測。

（3）對于通過信號線耦合的交流電磁干擾，在布設信號線時要注意遠離交流電線，特別是與其平行的交流電線要相距兩米以上，與其他儀器的各種線路也要保持一段距離，避免共同埋設在同一溝槽內(nèi)，在進入儀器室時，交流電線要與信號線從不同的方向進入儀器觀測室內(nèi)，與其他儀器的信號線也不要用同一管道進入儀器觀測室。

（4）對于儀器集成產(chǎn)生的電磁干擾，最好不要將FHD-2B質(zhì)子磁力儀同其他儀器集成在一起，如果確實需要集成，布設時要將信號線與供電線分開走線，切不可將信號線與交流電線放在一起，并且儀器接地要良好，這樣才能有效地將機箱表面感應的電磁干擾接入大地。

（5）對于通過電源耦合到儀器的電磁干擾，可以在儀器供電前端將交流電通過線式UPS或在交流凈化電源進行凈化，避免高頻電磁諧波通過交流電源干擾地磁觀測。

2.4 信號線長度的影響

FHD-2B分量質(zhì)子磁力儀觀測系統(tǒng)中，從探頭到儀器主機之間的信號線存在一定線阻和分布電容，如果信號線較短，可以忽略線阻和分布電容對選頻的影響；如果信號線較長，信號線中線阻和分布電容就較大，將對FHD分量核旋儀選頻特性產(chǎn)生一定影響，造成選頻的中心頻率偏離，并降低信噪比；信號線較長、線阻較大時，會降低探頭的極化電流和質(zhì)子旋進信號強度，從而進一步降低測量信號信噪比，造成測量數(shù)據(jù)噪聲增大；此外，信號較長時，容易遭受交流電磁耦合干擾影響，造成數(shù)據(jù)噪聲增大。

為了解決信號線長度對數(shù)據(jù)噪聲的影響，F(xiàn)HD-2B提供信號線分布電容修正功能，根據(jù)信號線長短不同，進行分布電容修正，從而使選頻更加精確；廠家發(fā)現(xiàn)信號線較長，也會適當提高探頭的激化電壓，調(diào)整儀器信號放大倍數(shù)，從而達到提高信噪比的目的。如果臺站改變信號線長度，信號放大倍數(shù)與分布電容修正值應作相應調(diào)整，否則選頻特性將發(fā)生改變，偏離較大會造成磁場測量精度降低。要提高儀器觀測精度，最佳辦法是，在FHD-2B質(zhì)子磁力儀觀測系統(tǒng)設計時，盡可能縮短信號線長度，將其控制在50 m以內(nèi)。

永安地磁臺原先的FHD-2B分量質(zhì)子磁力儀觀測系統(tǒng)中，儀器主機安裝在臺站綜合辦公樓，距離探頭安放的FHD觀察室90多米，受線阻和交流電磁耦合干擾影響，測量數(shù)據(jù)噪聲較大[圖 5 （a）]。2013年6月，永安地磁臺重新將儀器主機安裝到FHD觀察室，儀器主機與探頭相距10 m，廠家重新對信號放大倍數(shù)與分布電容修正值進行調(diào)整，縮短信號線長度后，數(shù)據(jù)噪聲有了很大改善[圖5（b）]，儀器觀測精度得到顯著提高。

圖5 信號線長度改變前后數(shù)據(jù)曲線

2.5 人為干擾影響

人為干擾是指人類活動造成的記錄干擾。目前，永安地磁臺的地磁觀測人為干擾主要來自附件村民烤煙房施工影響。烤煙房距離FHD觀測室50 m，安裝了大量鐵質(zhì)和混凝土的烤煙設備，導致地磁觀測環(huán)境發(fā)生改變，造成數(shù)據(jù)曲線在短時間出現(xiàn)明顯畸變。構(gòu)筑物與建筑物屬于永久性的，在建設過程中及建成后產(chǎn)生的影響屬于靜磁干擾（馮武等，2008）?？緹煼拷ǔ梢院?，觀測環(huán)境基本保持一種穩(wěn)定狀態(tài)，消除了對地磁觀測資料影響，但因存在較大隨機性，有時數(shù)據(jù)曲線會出現(xiàn)一些小突跳，此類干擾較易識別和處理。

根據(jù)以往觀測經(jīng)驗，F(xiàn)HD觀測室與車輛相距60 m以上，一般不會對數(shù)據(jù)曲線形成干擾。而2011年1月11日距離觀測室約50 m的烤煙房施工，對記錄造成一定程度干擾，由于施工車輛非固定不動，干擾有時較明顯，有時則不明顯（圖6）。

圖6 烤煙房施工對地磁的干擾突跳曲線Fig. 6 Geomagnetic disturbances because of construction

3 結(jié)論

通過對永安地磁臺數(shù)字化磁力儀近幾年的觀測資料干擾因素分析研究，得出以下結(jié)論。

（1）在日常觀測中，有些干擾無法避免，如磁暴、日全食等自然現(xiàn)象，對觀測資料影響主要表現(xiàn)為數(shù)據(jù)突跳（特別是磁暴開始時），究其原因是，F(xiàn)HD-2B觀測與磁暴變化不同步，此類變化較易識別與剔除。

（2）有效降低觀測數(shù)據(jù)噪聲的辦法是保證接地良好。在日常觀測中FHD-2B質(zhì)子磁力儀主要使用交流供電，交流電中含有高頻諧波分量，由于儀器信號線和機箱的屏蔽層是金屬制的，雖然有一定屏蔽作用，但表面也會感應耦合到電磁干擾，如果儀器接地裝置不良好，交流電中高頻諧波分量會遭受電磁干擾，影響儀器正常觀測，造成數(shù)據(jù)噪聲增大，嚴重的可能導致無法正常工作。因此，利用在線式UPS或交流凈化電源對供電電源進行凈化，同時確保儀器良好接地，以便將電磁干擾有效引入地下，從而消除交流電產(chǎn)生的電磁干擾。

（3）基建工程影響主要來自施工過程中鐵磁性物質(zhì)形成的干擾，構(gòu)筑物和建筑物屬于永久性的，因此建設過程中和建成后產(chǎn)生的影響屬于靜磁干擾，通常施工結(jié)束后影響會達到平穩(wěn)或消失，具有一定時效性是基建工程影響的特點。在某些特殊情況下，臺站工作人員可阻止有干擾的基建工程實施；車輛影響主要是過于靠近觀測室，可通過人為干預的辦法消除。

馮武，姚偉中，許傳倉.等.對宿遷地震臺地磁所受干擾的再次分析[J]．地震地磁觀測與研究，2008，29（1）：77-79．

紀加迎，夏忠，楊馮威.等. FHD質(zhì)子磁力觀測數(shù)據(jù)噪聲的影響因素及對策[J]．地震地磁觀測與研究，2011，32（增刊1）：19-21．

全建軍，夏忠，劉水蓮. 等. 永安地磁臺的勘選與建設[J]．地震地磁觀測與研究，2013，34（3/4）：96-97．

夏忠，馮志生，稽才建. 等. FHD-1型質(zhì)子磁力儀的改進與完善[J]．地震學刊，2002，22（2）：28-31．

邢西淳，毛娟.等. FHD-1數(shù)字化地磁觀測系統(tǒng)常見故障維修及電源改進[J]．地震地磁觀測與研究，2008，29（6）：129-133．