崇明地震臺ELF觀測數(shù)據(jù)受地鐵干擾情況分析

施俊杰，龔 耀，朱培育，朱佳苗，趙俊香，魏 薇，戴樂翔

(上海市地震局崇明地震臺，上海 202164)

0 引言

20世紀90年代末開始，我國開展了基于大功率人工源超低頻、極低頻技術(shù)的研究，在地震監(jiān)測領(lǐng)域也逐步應(yīng)用?！笆濉逼陂g，中國地震局地質(zhì)研究所在全國安裝12套超低頻電磁觀測儀器(ELF)，總體運行良好。多年的研究中，專家學(xué)者在天然電磁波的各個頻段，特別是極低頻段觀測到了地震前大量的電磁異常現(xiàn)象[1-3]，表明震前存在同震電磁效應(yīng)。

崇明臺ELF電磁觀測從2008年至今，已積累大量的觀測數(shù)據(jù)，為準(zhǔn)確判斷震前異常，文章探究上海市地鐵運行是否會對觀測數(shù)據(jù)造成影響。

1 觀測系統(tǒng)概況

2008年，中國地震局地質(zhì)研究所在崇明長江農(nóng)場綜合臺(以下簡稱長江臺)安裝架設(shè)ELF電磁觀測儀器(俄羅斯生產(chǎn)的ACF-4M型)，觀測四分量的電磁場信號，分別是二分量水平電場(正東西Ex和正南北Ey)和二分量的磁場(正東西Hx和正南北Hy)。電場傳感器(電極)和磁場傳感器埋入地下，連接線采用埋地(50 cm深度)。前置器放大器增益為1，與正南北、正東西45°交角布設(shè)，進行四道電磁場監(jiān)測，觀測相互垂直的水平磁場和電場，頻率范圍為0.1～1 600 Hz，布設(shè)參數(shù)如表1所示。

觀測點位置在崇明島的中北部，離上海市區(qū)較近，在33 km范圍內(nèi)有6條地鐵線路運行，運行時段為04:30—23:45。

表1 崇明臺ELF儀器布設(shè)參數(shù)Table 1 Layout parameters of ELF instrumentin Chongming station

2 觀測數(shù)據(jù)的選取

ELF觀測儀采樣率達3 200 Hz,數(shù)據(jù)量大，采用非24小時連續(xù)觀測方式。崇明臺ELF儀的觀測時段為00:00—05:30和10:00—15:30。對照上海地鐵運行時間表可知，第一觀測時段04:30之前處于地鐵停運時段，不存在地鐵干擾；第二時段則完全處于地鐵運行時段，可能存在地鐵干擾。如果兩者重合時段時的觀測數(shù)據(jù)每天都存在固定的差異，則判定ELF記錄中存在地鐵干擾。

選取2011年1月1日至2012年12月31日可能存在地鐵干擾(10:00—15:30時間段)的一組數(shù)據(jù)B，和無地鐵干擾的(00:00—03:30時間段)兩組數(shù)據(jù)A和C，通過三組數(shù)據(jù)的不同對比組合來研究地鐵的影響情況?；舅悸啡缦拢珻和A兩組無干擾時信號的比值CA作為參考值，B和A的比值BA反映地鐵運行時段和停運時段的情況。如果BA和CA基本相同，則表明儀器不受地鐵干擾；反之，則認為儀器的記錄數(shù)據(jù)包含地鐵干擾成分。

3 數(shù)據(jù)的處理

從原始數(shù)據(jù)的時序圖無法直接觀察出兩個時段數(shù)據(jù)的差異，而功率譜可以較好地反映出信號的特征。

圖1是ELF觀測儀記錄0～1 600 Hz的功率譜圖，由圖可見，以50 Hz倍頻為中心的所有頻段的譜值，都遠大于其他頻段的譜值。依據(jù)我國工頻為50 Hz的情況判斷，這些較大的譜值均是工頻干擾的結(jié)果。為避免工頻帶來的干擾，結(jié)合已有的研究成果顯示地鐵干擾主要集中在較低頻段的情況，以下的對比分析只采用0～40 Hz的譜值。

4 觀測資料對比結(jié)果分析

4.1 磁場數(shù)據(jù)對比分析

經(jīng)上述數(shù)據(jù)處理得到圖2和第15頁圖3，圖2為ELF磁場數(shù)據(jù)無地鐵干擾時段的C和A兩組功率譜值的比值對數(shù)值結(jié)果圖，圖3為可能存在地鐵干擾時段B和無干擾時段A兩組功率譜值的比值對數(shù)值結(jié)果圖。圖中H1表示NS向磁場功率譜，H2表示EW向磁場功率譜。從圖2看出C和A比值的對數(shù)值主要集中在1附近。

圖1 ELF觀測數(shù)據(jù)功率譜圖Fig.1 ELF observation data power spectrum

對比圖2和圖3，兩組比值的對數(shù)值大了近兩個數(shù)量級。圖3中，H1(NS方向)的值多數(shù)在100以上，H2(EW方向)的值基本在70左右。據(jù)此判斷，地鐵對ELF的磁場觀測會產(chǎn)生干擾。對比NS和EW兩個方向，NS方向的值總體上大于EW方向，這一結(jié)果符合趙俊香等[4]在地電受地鐵干擾情況分析中得出的觀測方向與干擾來源方向一致的受干擾程度大，垂直的受干擾程度小的結(jié)論。無論NS還是EW方向，在0.1～4 Hz間的值都較其他頻段的明顯偏大，多數(shù)達到了1 000甚至更高，這說明地鐵可能對地磁場數(shù)據(jù)的低頻段影響更大，但也可能是磁場日變造成的影響，具體情況還有待進一步研究。另外，在此頻段內(nèi)有部分頻點的值接近1，又表明不是每個頻點都會受到地鐵運行干擾。

4.2 電場數(shù)據(jù)對比分析

第15頁圖4為ELF電場數(shù)據(jù)無地鐵干擾時段C和A功率譜比值對數(shù)值結(jié)果圖，圖5為有干擾時段B和無干擾時段A的功率譜比值對數(shù)值結(jié)果圖。圖中，E1表示EW向電場功率譜，E2表示NS向電場功率譜。從圖中看出，兩幅圖的比值均集中在1附近，說明無明顯的地鐵干擾。

圖2 崇明臺ELF觀測磁場在無干擾時數(shù)據(jù)H1、H2功率譜比值Fig.2 The ratio of the power spectrum of H1 and H2 of the ELF observed magnetic field without interference in Chongming station

圖3 崇明臺ELF觀測磁場在有干擾時數(shù)據(jù)H1、H2功率譜比值Fig.3 The ratio of the power spectrum of H1 and H2 of the ELF observed magnetic field with interference in Chongming station

圖4 崇明臺ELF觀測電場在無干擾時數(shù)據(jù)E1、E2功率譜比值Fig.4 The ratio of the power spectrum of E1 and E2 of the ELF observed electric field without interference in Chongming station

圖5 崇明臺ELF觀測電場在有干擾時數(shù)據(jù)E1、E2功率譜比值Fig.5 The ratio of the power spectrum of E1 and E2 of the ELF observed electric field with interference in Chongming station

5 結(jié)論

根據(jù)上述研究，得到如下結(jié)論：

(1) 城市軌道交通對崇明臺ELF觀測的磁場數(shù)據(jù)有較大干擾，對電場數(shù)據(jù)未見明顯干擾。

(2) 上海市地鐵線路均在崇明臺東南方向，崇明臺磁場NS方向的干擾大于EW方向，說明磁場與干擾來源方向存在相關(guān)性，即平行方向干擾較大，垂直方向干擾小。

(3) 城市軌道交通對ELF觀測磁場低頻段的干擾可能更大，但該干擾是否還包含其他干擾源，有待進一步的研究。

[1] 毛桐恩.中國震前電磁波觀測與研究[J].地球物理學(xué)報，1989，32(專輯Ⅰ)：500-504.

[2] 郭自強.地震低頻電磁輻射研究[J].地球物理學(xué)報，1994，37(專輯Ⅰ)：261-267.

[3] 趙國澤，陸建勛.利用人工源超低頻電磁波監(jiān)測地震的試驗與分析[J].中國工程科學(xué)，2003(10):27-32.

[4] 趙俊香,朱培育,畢 波,等.崇明地電場地鐵干擾分析[J]. 地震地磁觀測與研究,2016(2):124-129.