崇州地震臺GM4型磁通門磁力儀典型干擾分析

李國超，鐘李彬，李雪浩

(成都地震基準(zhǔn)臺 四川省地震局，四川 成都 611730)

GM4型磁通門磁力儀是國家“十五”項目地磁學(xué)科研究的重要科技成果，該儀器可用于測量地磁水平、垂直及偏角3個方向的相對變化，具有靈敏度高、頻帶寬、易于實現(xiàn)數(shù)字化等特點，為秒采樣的高精度地磁觀測儀器，目前已成為地磁相對記錄的重要儀器。從儀器的工作原理來看，GM4型磁通門磁力儀的探頭因采用環(huán)形磁通門傳感器，使得GM4型磁力儀易受到觀測站點周圍鐵磁性物質(zhì)及電磁干擾，從而導(dǎo)致部分記錄曲線的畸變(吳瓊,2008)，由于干擾源不同，記錄曲線產(chǎn)生的畸變形態(tài)也不盡相同。崇州地震臺安裝有2臺GM4型磁通門磁力儀，由于受觀測環(huán)境影響，觀測數(shù)據(jù)不時出現(xiàn)突跳、臺階等畸變現(xiàn)象，需要進行處理。產(chǎn)生原因有車輛干擾、電磁干擾等。本文選取崇州地震臺GM4型磁通門磁力部分受干擾記錄曲線形態(tài)進行對比、分析、總結(jié)，以便工作中更好地分辨干擾，對記錄數(shù)據(jù)進行合理、恰當(dāng)?shù)念A(yù)處理，保證數(shù)據(jù)連續(xù)可靠。

1 臺站觀測環(huán)境及儀器簡介

崇州地震臺于2012年建成，為四川省的區(qū)域性臺站，場地位于北東向龍門山斷裂帶的前山斷裂與山前隱伏斷裂帶之間，距前山斷裂7.5 km、處于中央斷裂的東支旋口斷裂19 km處、距離映秀斷裂22 km，距山前隱伏斷裂帶的竹瓦鋪—什邡斷裂約15 km。距場地最近的斷裂是龍門山斷裂帶前山斷裂的次級分支—萬家坪斷裂，龍門山斷裂帶前山斷裂展布于場地北西側(cè)約4.8 km。崇州地震臺地磁觀測為地表觀測，地磁觀測室建于臺站后山，建筑面積40 m2，采用無磁性材料建設(shè)，周圍場地開闊，觀測站距辦公場所80 m，觀測室西面10 m處為臺站圍墻，周圍無大型工礦企業(yè)?；鶐r是由上侏羅統(tǒng)紫灰色砂巖、黃棕色巖屑石英砂巖、棕紅色粉砂巖與泥巖層等組成的互層，并表現(xiàn)為傾向南東的單斜層。崇州臺安裝有GM4型磁通門磁力儀兩臺，Overhouser磁力儀一臺，用于地磁場相對觀測，測量地磁場水平分量H、垂直分量Z、地磁總場強度F和偏角的變化，同時監(jiān)視探頭溫度，產(chǎn)出秒采樣數(shù)據(jù)。儀器參數(shù)：測量范圍為±62 500 nT；分辨力為0.1 nT；采樣率為1次每秒；工作溫度范圍為0～60 ℃。

2 觀測資料相關(guān)干擾分析

通過對崇州臺GM4儀地磁觀測數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)影響觀測資料質(zhì)量主要有自然和人為因素。通常地磁場是連續(xù)、穩(wěn)定的，但平時觀測過程中存在人為干擾因素、環(huán)境因素等。對這些干擾因素進行分析，便于保證我們進行日常數(shù)據(jù)處理的正確性，這對提高地磁觀測資料質(zhì)量有積極意義。

2.1 大型施工機械的干擾

隨著城市建設(shè)的發(fā)展，許多地方都在進行工程施工，這對于地震臺儀器的干擾在所難免。根據(jù)GM4磁力儀觀測工作日志，在2015年7月19日1時17分至7時20分，崇州地震臺地磁觀測室西北圍墻外有大型工程機械進出，位置與觀測室最大水平距離小于30 m、最大垂直距離小于20 m(參見圖1～2)。查閱相鄰距離最近的成都臺觀測曲線，發(fā)現(xiàn)同一時段成都臺沒有處理記錄，即原始曲線與預(yù)處理曲線形態(tài)一致。選取崇州臺和成都臺GM4磁通門磁力儀2015年7月19日三分量數(shù)據(jù)分?jǐn)?shù)據(jù)原始記錄曲線圖對比(參見圖3～4)。由圖3～4看出，崇州臺GM4三分量受大型施工機械影響比較明顯，記錄曲線中可以清晰辨別干擾起始和結(jié)束的形態(tài)，干擾形態(tài)的起始—高峰—結(jié)束差值分別約為0.3、2和0.5 nT。這與施工機械行進路線和儀器相對位置有關(guān)。將成都臺GM4儀分?jǐn)?shù)據(jù)三分量曲線與之相比較，成都臺記錄曲線能夠反映正常的地磁場變化(參見圖5)。3臺GM4儀分?jǐn)?shù)據(jù)三分量曲線相比較，崇州臺大型施工機械對GM4造成的干擾是一個等量加載、卸載的過程，因此記錄曲線反映為畸變—恢復(fù)的過程，這些與大型施工機械的活動對應(yīng)。

圖1 崇州地震臺周圍環(huán)境情況

圖2 崇州地震臺GM4地磁儀設(shè)備示意

圖3 崇州臺GM4第1號儀器原始記錄曲線

圖4 崇州臺GM4第2號儀器原始記錄曲線

圖5 成都臺GM4原始記錄曲線

2.2 圍墻外車輛的干擾

崇州臺地磁觀測室與西面圍墻的最小距離為10 m，西面圍墻處時常有車輛停放，這會對儀器觀測造成干擾。受干擾的記錄曲線在秒數(shù)據(jù)變化中表現(xiàn)為臺階形態(tài)或尖峰形態(tài)，在分鐘數(shù)據(jù)曲線中比較多的表現(xiàn)為明顯的臺階性突然變化(參見圖6)。在2016年2月27日6時43分至7時18分各分量記錄曲線有明顯的臺階性變化，其中對于垂直分量記錄曲線的干擾尤其嚴(yán)重，這是典型的車輛干擾。在日常數(shù)據(jù)處理過程中發(fā)現(xiàn)，圍墻外車輛所造成的干擾，在GM4儀三分量記錄的變化曲線上表現(xiàn)形態(tài)不一樣。有些干擾在三分量記錄曲線上同時出現(xiàn)臺階形態(tài)，有些只在垂直分量和水平分量記錄曲線上以臺階形態(tài)出現(xiàn)，在偏角記錄曲線上則以尖峰形態(tài)出現(xiàn)，也有的干擾在某一分量有明顯臺階突跳形態(tài)，而其他分量并無明顯反映。這與圍墻外車輛停放具體位置有關(guān)，因此在數(shù)據(jù)預(yù)處理過程中，不應(yīng)拘泥于固定形式，要通過對秒數(shù)據(jù)進行仔細(xì)分析后才能夠進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。

圖6 崇州臺GM4三分量受車輛干擾

2.3 基建工程施工的干擾

2016年8月至9月間，在崇州臺觀測區(qū)域進行了川滇實驗場三分量電磁擾動觀測場地的施工建設(shè)，期間每日23時至次日8時均為施工時段，為了研究施工對于觀測數(shù)據(jù)的影響，其中選取8月11日至14日原始記錄曲線進行分析(參見圖7)。針對作業(yè)時段，對崇州臺三分量原始分?jǐn)?shù)據(jù)曲線進行分析，發(fā)現(xiàn)記錄曲線各分量呈現(xiàn)明顯的干擾。圖7中，各分量分?jǐn)?shù)據(jù)記錄曲線在每日23時至次日8時左右有明顯畸變，表現(xiàn)為大幅毛刺及尖峰突跳。而該工程涉及觀測場地的平整及鉆井，匯集了大型機械，施工機械采用交流電對觀測環(huán)境造成電磁干擾產(chǎn)生，導(dǎo)致地磁觀測環(huán)境發(fā)生改變，施工結(jié)束后影響消失。因崇州臺GM4磁力儀為地表觀測，受周邊觀測環(huán)境基建工程影響尤為嚴(yán)重。

圖7 崇州臺GM4三分量受基建工程干擾

2.4 高壓直流輸電的干擾

高壓直流輸電主要對地磁的垂直分量Z產(chǎn)生影響，當(dāng)對垂直分量Z影響較大時，才會對水平分量H、偏角D產(chǎn)生一定影響，且垂直分量明顯大于水平分量，其形態(tài)主要表現(xiàn)為尖峰、緩變、臺階，臺階又可分為單個臺階、多重臺階、緩變臺階和跨日臺階(蔣延林,2014)。崇州臺GM4磁力儀在2016年11月22日數(shù)據(jù)預(yù)處理過程中垂直分量分?jǐn)?shù)據(jù)出現(xiàn)明顯臺階，而水平分量臺階較小，偏角幾乎不受影響(參見圖8)，為典型的高壓直流輸電干擾。經(jīng)查詢國家地磁臺網(wǎng)高壓直流輸電干擾列表，得出了高壓直流輸電干擾時段(參見表1)。2016年11月22日3時57分至8時10分受寶雞德陽線高壓直流輸電干擾，干擾幅度為3.1 nT，干擾曲線表現(xiàn)為典型的單臺階。在處理數(shù)據(jù)過程中，需要根據(jù)給定變化幅度、時間及實際記錄曲線，在進行多臺對比、差值檢測及相關(guān)系數(shù)檢驗后，對高壓直流輸電造成的臺階和緩變臺階量大小和時間做出確定后再進行處理。

圖8 崇州臺GM4三分量受高壓直流輸電干擾

表1 崇州臺2016年11月22日高壓直流輸電干擾時段

2.5 空間電磁影響的干擾

當(dāng)太陽表面活動旺盛，特別是太陽黑子極大期時，太陽表面耀斑爆發(fā)次數(shù)增加，輻射處x射線、紫外、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、沖擊磁暴和大磁暴。按照形態(tài)變化，可分為緩始磁暴和急始磁暴。2017年7月16日6時至7月18日14時，期間崇州臺GM4儀地磁觀測曲線連續(xù)毛刺突跳嚴(yán)重，與平時相比極不平滑。查詢相鄰臺站數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)觀測曲線同樣出現(xiàn)連續(xù)的毛刺突跳現(xiàn)象，因此排除周邊觀測環(huán)境及儀器自身因素引起的干擾，認(rèn)定為磁暴現(xiàn)象(參見圖9)。由圖9可見，在磁暴發(fā)生時，各分量出現(xiàn)明顯突跳，其特征是初動波動范圍大且突跳尖銳。

圖9 崇州臺GM4三分量受磁暴干擾

3 結(jié)論

對崇州臺GM4磁通門磁力儀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，如磁暴等自然現(xiàn)象，對觀測記錄曲線影響主要表現(xiàn)為數(shù)據(jù)突跳(特別是磁暴開始時段)。(2)GM4磁通門磁力儀易受車輛干擾，分?jǐn)?shù)據(jù)記錄曲線畸變主要表現(xiàn)為臺階。且當(dāng)車輛與GM4儀相對位置不同時，對三分量記錄曲線造成的干擾形態(tài)也不盡相同，在分?jǐn)?shù)據(jù)預(yù)處理的時候，需要對秒數(shù)據(jù)進行仔細(xì)分析，再進行處理。(3)基建工程影響主要來自施工過程中機械鐵磁性物體干擾及工程機械交流供電產(chǎn)生的電磁干擾，通常施工結(jié)束后影響消失，具有一定時效性時基建工程影響的特點。(4)高壓直流輸電干擾主要表現(xiàn)為尖峰、緩變及臺階，且對垂直分量Z影響幅度遠大與水平分量H及偏角D，在日常處理過程中，為獲取真實的磁場變化，需要工作人員對不同形態(tài)的干擾采取多種方法進行預(yù)處理。(5)GM4磁通門磁力儀的觀測環(huán)境保護非常重要，觀測室距離圍墻應(yīng)該大于30 m。在觀測室周圍30 m范圍內(nèi)應(yīng)該避免鐵磁性物體干擾。

吳瓊,滕云田,王喜珍,等.2008.“十五”地磁相對記錄儀器干擾分析與安裝方案改進[J].地震地磁觀測與研究，29(4)：53-56.

蔣延林,張秀霞,楊冬梅,等.2014.高壓直流輸電對地磁觀測影響的特征分析[J].地震，34(3)：132-139.