我國(guó)地磁臺(tái)站受干擾的顯著性分析

吳博洋 李赫 張明東 姚蕾 宋田 趙黎明 尚先旗

摘 要：I類、II類地磁臺(tái)站是我國(guó)地磁臺(tái)網(wǎng)布局中十分重要的基本臺(tái)站，其觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量和觀測(cè)資料的歷史連續(xù)性在全國(guó)定點(diǎn)地磁臺(tái)站中都非常優(yōu)秀，但隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，部分臺(tái)站的觀測(cè)環(huán)境受到不同程度的干擾，其中地鐵、輕軌等城市軌道交通的高壓直流供電制式對(duì)地磁場(chǎng)數(shù)據(jù)的影響較大。本文采用我國(guó)18個(gè)I類、II類臺(tái)站的地磁Z分量秒數(shù)據(jù)，選用ap指數(shù)小于3的磁靜日數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，統(tǒng)計(jì)分析振幅譜的噪聲計(jì)算結(jié)果，得出我國(guó)I類、II類臺(tái)站的磁場(chǎng)環(huán)境現(xiàn)況。

關(guān)鍵詞：地鐵干擾；噪聲優(yōu)勢(shì)頻率；I類、二類地磁臺(tái)

引言

目前我國(guó)地磁臺(tái)網(wǎng)中I類地磁基本臺(tái)15個(gè)，Ⅱ類地磁基本臺(tái)22個(gè)，其他區(qū)域地磁臺(tái)站100多個(gè)（見(jiàn)圖1，表1）。I類II類臺(tái)站分布較為均衡，其余區(qū)域臺(tái)站針對(duì)于危險(xiǎn)區(qū)和重點(diǎn)監(jiān)視區(qū)，主要分布于南北帶，郯廬帶和首都圈等地區(qū)，從整體上看，中東部地區(qū)臺(tái)站密度較大（見(jiàn)圖2）。

據(jù)《2014年-2020年中國(guó)城市軌道交通行業(yè)發(fā)展模式與未來(lái)前景分析報(bào)告》的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，截止至2013年末，中國(guó)累計(jì)有19個(gè)城市建成投運(yùn)城軌線路87條，運(yùn)營(yíng)里程2539公里，其中地鐵2074公里，占總里程的81.7%；輕軌192公里，占總里程的7.6%；單軌75公里，占總里程的3.0%；現(xiàn)代有軌電車100公里，占總里程的3.9%；磁浮交通30公里，占總里程的1.2%；市域快軌67公里，占總里程的2.6%。這些線路的運(yùn)行對(duì)周邊幾十公里的地磁數(shù)據(jù)都有不同程度的影響，隨著更多線路的新建和疊加，其對(duì)地磁數(shù)據(jù)的影響將更加深入和復(fù)雜。

如何合理有效地利用地磁臺(tái)網(wǎng)的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行地震預(yù)測(cè)研究是地震科學(xué)的一個(gè)重要問(wèn)題，據(jù)徐文耀（1997）指出，地震預(yù)報(bào)強(qiáng)調(diào)地震前兆要形成場(chǎng)，因此在地磁學(xué)中，研究并繪制高精度的區(qū)域地磁圖，為地震預(yù)報(bào)提供一個(gè)可靠的背景場(chǎng)是重要的課題。國(guó)內(nèi)外在繪制地磁圖時(shí)，分別就地磁臺(tái)站空間選擇、數(shù)據(jù)可靠性分析、區(qū)域地磁場(chǎng)解算等方面做了大量工作（徐文耀，1997）。本文將從中國(guó)大陸東西部地磁臺(tái)站分布密度、地磁環(huán)境干擾程度對(duì)中國(guó)大陸東西部地磁觀測(cè)環(huán)境做具體比較，利用最新的臺(tái)站統(tǒng)計(jì)結(jié)果以及記錄的資料，初步量化評(píng)估I類、II類地磁臺(tái)觀測(cè)環(huán)境的差異，為“七五”、“八五”地震科技攻關(guān)總結(jié)的技術(shù)方法（國(guó)家地震局科技監(jiān)測(cè)司，1990）及近年一些地震地磁分析方法的適應(yīng)性提供參考。

1 東西部I類、II類地磁臺(tái)環(huán)境現(xiàn)狀直觀差異

東西I類、II類臺(tái)站的觀測(cè)環(huán)境差異主要表現(xiàn)在東部人為干擾突出，西部臺(tái)間距太大。

1.1 東部地磁臺(tái)嚴(yán)重干擾現(xiàn)象統(tǒng)計(jì)

改革開(kāi)放以來(lái)，中國(guó)東部地區(qū)鐵路、公路、橋梁、高壓電網(wǎng)、城市地鐵、高樓、大中型企業(yè)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)等都在快速發(fā)展。它們對(duì)地震臺(tái)站尤其對(duì)地磁臺(tái)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)帶來(lái)很大沖擊。臺(tái)站周邊環(huán)境遭到破壞，各種電磁干擾造成觀測(cè)、記錄數(shù)據(jù)失真。不少地磁臺(tái)站因不能正常進(jìn)行工作而遷臺(tái)。比如遼寧大連地磁臺(tái)、湖北武漢地磁臺(tái)、福建泉州地磁臺(tái)、廣州地磁臺(tái)都于近十幾年內(nèi)遷到新的地點(diǎn)。再如北京白家疃地磁臺(tái)、上海佘山地磁臺(tái)的觀測(cè)環(huán)境也都遭到十分嚴(yán)重破壞。前者受北京地鐵干擾，后者則受到周邊企業(yè)等干擾。即使沒(méi)有遷址的其他地磁臺(tái)也面臨著嚴(yán)峻的形勢(shì)。

1.2 西部地磁臺(tái)臺(tái)間距統(tǒng)計(jì)

我國(guó)西部地區(qū)占國(guó)土面積71.35%。而I類臺(tái)和Ⅱ類臺(tái)西部地區(qū)總共只有18個(gè)。以青海、西藏、新疆為例，新疆維吾爾自治區(qū)166.49萬(wàn)平方公里，占中國(guó)國(guó)土總面積16.6%（新世紀(jì)版總參謀部測(cè)繪局編制 ）。西藏自治區(qū)全區(qū)土地面積為122萬(wàn)多平方公里，約占全國(guó)總面積的12.8%。青海省占地面積72.23萬(wàn)平方公里，約占全國(guó)總面積的7.52%。三個(gè)自治區(qū)加起來(lái)占全國(guó)面積的37.5%。而I類臺(tái)一共只有4個(gè)。新疆I類臺(tái)只有烏魯木齊地磁臺(tái)和喀什地磁臺(tái)，西藏I類臺(tái)只有拉薩地磁臺(tái)，青海I類臺(tái)也只有格爾木地磁臺(tái)。喀什與烏魯木齊相距1100公里，烏魯木齊距格爾木1050公里，格爾木距拉薩825公里，拉薩距喀什1750公里。由圖1可以直接看出，從中國(guó)東部地區(qū)到西部地區(qū)臺(tái)站密度呈下降趨勢(shì)。

2 有軌交通規(guī)劃及距臺(tái)站最小距離規(guī)定

2.1 有軌交通規(guī)劃

2009年國(guó)務(wù)院批復(fù)22個(gè)城市的地鐵規(guī)劃，預(yù)計(jì)在2015年前后，在北京，天津等22個(gè)城市建設(shè)79條軌道交通線路，全長(zhǎng)2259.84公里，總投資8820.03億元，軌道交通信號(hào)干擾將成為地磁學(xué)科面臨的普遍問(wèn)題（天津市人民政府，2011）。

2.2 城市有軌直流運(yùn)輸系統(tǒng)距地震臺(tái)站電磁觀測(cè)設(shè)施的最小距離

在城市有軌直流運(yùn)輸系統(tǒng)對(duì)地的過(guò)渡電阻值符合CJJ49-1992的條件下，城市有軌直流運(yùn)輸系統(tǒng)距地震臺(tái)站電磁觀測(cè)設(shè)施的最小距離，應(yīng)符合下列規(guī)定：

城市有軌直流運(yùn)輸系統(tǒng)距地震臺(tái)站地磁觀測(cè)點(diǎn)的最小距離應(yīng)不小于30Km。

3 地鐵對(duì)地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)干擾情況

選取全國(guó)東部三個(gè)臺(tái)站連續(xù)三日（2017年11月20日至11月22日）的地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)為例作為分析，其中靜海、崇明、杭州受軌道交通的影響比較明顯。從圖3見(jiàn)，天津靜海臺(tái)的噪聲變化在1nT左右，造成干擾的主要原因是地鐵與輕軌等干擾。地鐵的運(yùn)行時(shí)間是北京時(shí)間06時(shí)至23時(shí)，在其停運(yùn)期間地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)基本恢復(fù)正常。杭州臺(tái)的干擾也比較明顯，噪聲范圍在5nT左右，主要影響同樣是地鐵干擾，杭州臺(tái)距離地鐵線路較近，數(shù)據(jù)變化較大。上海的崇明臺(tái)噪聲變化在3nT左右。為使圖3更加清晰，在原有圖形（圖3）的基礎(chǔ)上上海增加4nT、杭州增加12nT、靜海不變。

4 東西部地磁臺(tái)站觀測(cè)質(zhì)量對(duì)比

通過(guò)對(duì)東部三個(gè)臺(tái)站和西部三個(gè)臺(tái)站（2017年11月20日至11月22日）三天地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算得出表1。對(duì)東部臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行分析，通過(guò)數(shù)據(jù)可以分析出西部三臺(tái)觀測(cè)資料比東部三臺(tái)觀測(cè)資料總體質(zhì)量要高，從而更加說(shuō)明西部觀測(cè)環(huán)境的優(yōu)越性。

進(jìn)一步對(duì)全國(guó)18個(gè)臺(tái)站進(jìn)行原譜值分析，提取受地鐵干擾最嚴(yán)重的時(shí)間段和地鐵停運(yùn)的時(shí)間段進(jìn)行分析，導(dǎo)致頻譜成份復(fù)雜，所受干擾的頻帶較寬，振幅值大，上海的振幅范圍0.01-0.02，杭州較為嚴(yán)重振幅值范圍0.01-0.13。給出東部三大城市地鐵與觀測(cè)點(diǎn)之間的距離（表2）。西部大部分臺(tái)站觀測(cè)數(shù)據(jù)振幅值值較小，振幅值值范圍在0.01。比東部（杭州）振幅值小了一個(gè)數(shù)量級(jí)。西部臺(tái)站觀測(cè)環(huán)境近乎純天然，很適合地磁觀測(cè)。

為使原譜值圖更加清晰，在原有譜值圖的基礎(chǔ)上靜海不變、杭州增加0.01、上海增加0.02、每臺(tái)依次增加0.01。

圖4是18個(gè)臺(tái)站三日觀測(cè)數(shù)據(jù)的原譜值圖，圖5是提取地鐵開(kāi)通時(shí)間段受干擾的情況，明顯看可以看出干擾嚴(yán)重（上海，杭州最為明顯）由圖6可見(jiàn)在地鐵停運(yùn)期間，觀測(cè)數(shù)據(jù)所基本恢復(fù)正常。綜上所述，地鐵對(duì)地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)生了非常明顯的干擾，尤其是東部大城市如杭州、上海，已經(jīng)成為重災(zāi)區(qū)。西部由于有軌交通目前為止不是很發(fā)達(dá)，所以觀測(cè)環(huán)境背景相對(duì)較為干凈。

5 結(jié)論與討論

本文通過(guò)對(duì)中國(guó)大陸東西部地磁臺(tái)站密度、觀測(cè)環(huán)境等進(jìn)行了比較分析。通過(guò)分析顯示，東部地區(qū)大城市觀測(cè)環(huán)境相對(duì)較差，尤其受地鐵影響較為嚴(yán)重，西部城市觀測(cè)環(huán)境明顯比東部具有較大的優(yōu)勢(shì)。

目前比較成熟的地磁預(yù)報(bào)方法有空間相關(guān)法、簡(jiǎn)單差值法、低點(diǎn)位移法、轉(zhuǎn)換函數(shù)法。但在當(dāng)前的觀測(cè)環(huán)境下比較成熟的地磁預(yù)報(bào)方法實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為困難。尤其目前城市都在積極建設(shè)有軌交通，而且離地磁臺(tái)站的距離越來(lái)越近，觀測(cè)數(shù)據(jù)將面臨更嚴(yán)重的干擾。從而對(duì)地磁預(yù)報(bào)地震產(chǎn)生更嚴(yán)重的影響。

通過(guò)以上討論，西部地區(qū)建設(shè)地磁臺(tái)網(wǎng)是很必要的。因西部地區(qū)城市化發(fā)展沒(méi)有東部如此迅猛，軌道交通目前并不發(fā)達(dá)，觀測(cè)環(huán)境所受破壞程度相對(duì)較小。甚至在一些人煙稀少的地方，觀測(cè)環(huán)境近乎純天然，從而保證了觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量，加之西部臺(tái)站密度極低，西部建設(shè)地磁臺(tái)網(wǎng)大有發(fā)展。如能在西部地區(qū)提供的準(zhǔn)確的地磁數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之上運(yùn)用一些經(jīng)典的預(yù)報(bào)地震的方法，會(huì)進(jìn)一步提高當(dāng)?shù)氐卣痤A(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

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