成都地震基準(zhǔn)臺(tái)及其下屬臺(tái)站地磁干擾類(lèi)型和數(shù)據(jù)預(yù)處理分析

廖紹歡，李雪浩，魏嘉曦

（1.四川省地震局成都地震監(jiān)測(cè)中心站，四川 成都611730；2.四川省地震局江油地震臺(tái)，四川 江油621724）

地磁觀測(cè)是地震前兆觀測(cè)的基本手段之一。由于地震在孕育過(guò)程中存在磁效應(yīng)變化，故地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)已廣泛用于地震預(yù)測(cè)研究（林云芳，1990；黃雪香等，1999）。在地磁異常研究過(guò)程中，不同類(lèi)型的干擾信號(hào)會(huì)對(duì)地震電磁異常的判斷產(chǎn)生影響，而識(shí)別此類(lèi)干擾和異常的一種可靠方式就是找出所有干擾并分類(lèi)，通過(guò)建立干擾信息索引，甄別出真正與地震相關(guān)的電磁異常（包文超等，2020）。通過(guò)對(duì)成都地震基準(zhǔn)臺(tái)及其下屬臺(tái)站近幾年來(lái)地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)其中存在多種形式的觀測(cè)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤處理或過(guò)度處理的情況，譬如造成隔天數(shù)據(jù)臺(tái)階變化、刪除正確數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)段錯(cuò)誤等。如果這些干擾數(shù)據(jù)不能被正確地預(yù)處理，將會(huì)給地震預(yù)報(bào)研究工作帶來(lái)困擾，甚至誤導(dǎo)。本研究通過(guò)對(duì)成都地震監(jiān)測(cè)中心站及其下屬臺(tái)站2013～2018年觀測(cè)數(shù)據(jù)的梳理，統(tǒng)計(jì)分析研究區(qū)域存在的地磁干擾類(lèi)型，并對(duì)這些干擾數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理分析，以便正確排除干擾，識(shí)別出有效的地震前兆觀測(cè)信息。

1 成都監(jiān)測(cè)中心站及其下屬臺(tái)站干擾類(lèi)型

1.1 成都地震監(jiān)測(cè)中心站干擾類(lèi)型

成都地震監(jiān)測(cè)中心站臺(tái)址位于走石山，除東邊1 km左右有一機(jī)磚廠（機(jī)磚廠現(xiàn)已停工）和一座信號(hào)接收塔外，附近沒(méi)有其它的工礦干擾源。如表1所示，成都地震監(jiān)測(cè)中心站主要受到的地磁干擾是高壓直流輸電和儀器故障干擾。其原因主要是成都臺(tái)受到寶德線(xiàn)、酒湖線(xiàn)、蘇錦線(xiàn)高壓直流輸電線(xiàn)干擾。其中寶德線(xiàn)距離該臺(tái)最近，產(chǎn)生的干擾幅度最大。成都臺(tái)GM4（2）型磁力儀臺(tái)于2016年投入使用；GM4（1）型磁力儀于2013年投入使用，使用年限相對(duì)較長(zhǎng)，儀器可能存在老化等原因，所以?xún)x器故障干擾較多。

表1 成都臺(tái)GM4儀干擾類(lèi)型匯總 （單位：次）

1.2 崇州臺(tái)干擾類(lèi)型統(tǒng)計(jì)

2008年因成青快鐵建設(shè)，成都地震臺(tái)部分觀測(cè)項(xiàng)目不得不進(jìn)行搬遷。2011年6月，新建崇州地震臺(tái)，2014年正式投入觀測(cè)。如表2所示，崇州臺(tái)主要受到的干擾是基建工程和人為干擾。基建工程干擾其原因主要是在近幾年在崇州臺(tái)觀測(cè)區(qū)域進(jìn)行了多種項(xiàng)目改造，如川滇實(shí)驗(yàn)場(chǎng)三分量電磁擾動(dòng)觀測(cè)場(chǎng)地的施工建設(shè)，在此期間每日23時(shí)至次日8時(shí)均為施工時(shí)段，還有周邊居民修建了幾家農(nóng)家樂(lè)小院。而這些工程涉及觀測(cè)場(chǎng)地的平整及鉆井，匯集了大型機(jī)械，鐵磁性設(shè)備對(duì)觀測(cè)環(huán)境造成了電磁干擾，導(dǎo)致地磁觀測(cè)環(huán)境發(fā)生改變，施工結(jié)束后影響消失。人為干擾主要原因是前幾年在地磁房30 m遠(yuǎn)的位置修建了一個(gè)養(yǎng)雞場(chǎng)（現(xiàn)已拆除），其用電作業(yè)等會(huì)影響地磁場(chǎng)數(shù)據(jù)。

表2 崇州臺(tái)GM4儀干擾類(lèi)型匯總 （單位：次）

1.3 江油臺(tái)干擾類(lèi)型統(tǒng)計(jì)

江油地震臺(tái)由于江油西環(huán)線(xiàn)公路的建設(shè)而搬遷，繼承原臺(tái)（江油市德勝村）部分觀測(cè)手段。2015年10月完成儀器的安裝和調(diào)試，2016年正式投入使用。附近是農(nóng)田，無(wú)任何工業(yè)廠礦。如表3所示，江油臺(tái)主要受到的干擾是高壓直流輸電、車(chē)輛干擾和人為干擾。高壓直流輸電干擾主要是江油臺(tái)受到寶德線(xiàn)、酒湖線(xiàn)、昌宣線(xiàn)高壓直流輸電線(xiàn)干擾。其中寶德線(xiàn)距離該臺(tái)最近，受到的干擾幅度最大。車(chē)輛干擾是由于江油臺(tái)地磁觀測(cè)室與臺(tái)站辦公樓的最小距離為80 m，儀器房外圍與附近的村道距離為40 m，圍墻與辦公樓處時(shí)常有車(chē)輛停放，這會(huì)對(duì)儀器觀測(cè)造成干擾。人為干擾是臺(tái)站周邊地勢(shì)平坦，大部分為農(nóng)田，隨著農(nóng)村經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，臺(tái)站附近村民使用農(nóng)田旋耕機(jī)、大型拖拉機(jī)耕地，建橋施工、農(nóng)田栽種、蝦塘搭建，養(yǎng)蜂人員工作使用鐵器等等因素，這些都是施工設(shè)備造成的，即鐵磁性設(shè)備或大電流設(shè)備靠近記錄室引起的。

表3 江油臺(tái)GM4儀干擾類(lèi)型匯總 （單位：次）

1.4 巴中臺(tái)干擾類(lèi)型統(tǒng)計(jì)

巴中地震臺(tái)址周?chē)? km范圍內(nèi)無(wú)大型工礦企業(yè)，北東方向約300 m處有一小規(guī)模采石場(chǎng)。最近居民點(diǎn)距臺(tái)址約100 m，巴州至光輝鄉(xiāng)公路從臺(tái)址以東約1 km處通過(guò)，臺(tái)址周?chē)鸀闇\土層耕地。如表4所示，巴中臺(tái)主要受到高壓直流輸電、儀器故障和電源故障的影響。其原因主要是巴中臺(tái)受到寶德線(xiàn)、酒湖線(xiàn)、昌宣線(xiàn)高壓直流輸電線(xiàn)干擾。其中寶德線(xiàn)距離該臺(tái)最近，產(chǎn)生的干擾幅度最大。巴中臺(tái)屬于無(wú)人值守?zé)o人看管臺(tái)站，儀器或者電源故障不能及時(shí)的維修。

表4 巴中臺(tái)GM4儀干擾類(lèi)型匯總 （單位：次）

2 干擾數(shù)據(jù)預(yù)處理方法

我們通常采用剔除尖峰、去除臺(tái)階和刪除錯(cuò)誤數(shù)據(jù)三種方法對(duì)干擾數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。剔除尖峰是對(duì)單點(diǎn)尖峰按線(xiàn)性插值處理，即尖峰數(shù)據(jù)用其前點(diǎn)和后點(diǎn)數(shù)據(jù)的均值代替；去除臺(tái)階也就是說(shuō)對(duì)發(fā)生臺(tái)階跳動(dòng)的數(shù)據(jù)整體加上或減去一個(gè)值，使數(shù)據(jù)曲線(xiàn)恢復(fù)正常的日變形態(tài)；對(duì)于錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，由于其變化雜亂無(wú)章，且具有連續(xù)性，無(wú)法校正，只能刪除，即當(dāng)做缺數(shù)處理。在進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理時(shí)，我們必須堅(jiān)持一個(gè)原則：最大限度保留正確數(shù)據(jù)，精確校正可挽救數(shù)據(jù)，堅(jiān)決去除錯(cuò)誤數(shù)據(jù)（張正霞等，2009）。即對(duì)于正確反映自然地磁場(chǎng)變化的記錄數(shù)據(jù)，我們一定要保留，不可隨意修改或刪除；對(duì)于可挽救數(shù)據(jù)要注意把握預(yù)處理尺度；對(duì)于不可修正的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)應(yīng)堅(jiān)決予以刪除。這些干擾預(yù)處理需要結(jié)合以下幾種方法。

2.1 多臺(tái)曲線(xiàn)對(duì)比

對(duì)于有條件在預(yù)處理軟件中查看多臺(tái)曲線(xiàn)的臺(tái)站，我們可利用處理軟件中的“多臺(tái)預(yù)處理”功能選取臨近各臺(tái)站的曲線(xiàn)，對(duì)各臺(tái)的預(yù)處理數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，這樣可以把任何隱蔽的干擾或不熟悉的干擾形態(tài)查找出來(lái)。崇州臺(tái)2016年4月14日D分量的干擾不明顯（見(jiàn)圖1a），但在多臺(tái)對(duì)比中，我們能清楚看到干擾曲線(xiàn)部分異于其他臺(tái)（見(jiàn)圖1b）。

圖1 巴中與崇州臺(tái)干擾數(shù)據(jù)對(duì)比

2.2 不同尺度放大查看曲線(xiàn)形態(tài)

在干擾幅度很小的情況下，整天的曲線(xiàn)形態(tài)中，我們無(wú)法輕易地發(fā)現(xiàn)干擾的存在。但我們可以對(duì)日曲線(xiàn)的各個(gè)時(shí)段進(jìn)行放大查看以便于發(fā)現(xiàn)干擾。江油臺(tái)2018年8月12日數(shù)據(jù)曲線(xiàn)放大之前，看不出明顯干擾來(lái)（見(jiàn)圖2a）；但放大后，江油臺(tái)2018年8月12日6點(diǎn)至7點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)曲線(xiàn)，我們能清楚的看到各分量存在臺(tái)階干擾（見(jiàn)圖2b）。

圖2 江油臺(tái)數(shù)據(jù)放大前、后對(duì)比

2.3 不同分量對(duì)比

一般情況下，各分量同時(shí)受到干擾，但各分量受到的干擾幅度可能不同，部分分量干擾表現(xiàn)不明顯，預(yù)處理時(shí)比較容易出現(xiàn)漏處理。這時(shí)我們可以把各分量預(yù)處理對(duì)應(yīng)時(shí)段的曲線(xiàn)進(jìn)行放大對(duì)比，可以看到成都臺(tái)2018年4月14日GM4儀器D、H分量存在小幅臺(tái)階，正好與Z分量的大幅臺(tái)階發(fā)生時(shí)間上完全一致，可以斷定該處存在干擾臺(tái)階（見(jiàn)圖3）。

圖3 不同分量對(duì)比發(fā)現(xiàn)干擾

2.4 結(jié)合秒數(shù)據(jù)形態(tài)

對(duì)于有秒數(shù)據(jù)產(chǎn)出的臺(tái)站，當(dāng)分?jǐn)?shù)據(jù)中干擾無(wú)法判斷時(shí)，我們可以結(jié)合秒數(shù)據(jù)對(duì)干擾發(fā)生時(shí)段作出判斷。一般干擾在高采樣率數(shù)據(jù)中會(huì)表現(xiàn)得比較明顯，特別是在磁場(chǎng)擾動(dòng)時(shí)，原來(lái)固有的干擾在分鐘值上可能無(wú)法輕易識(shí)別出來(lái)。成都臺(tái)2018年3月1日的地電阻率觀測(cè)供電干擾，當(dāng)磁場(chǎng)擾動(dòng)比較大時(shí)，我們無(wú)法從分鐘值上找準(zhǔn)地電干擾的時(shí)間段，但秒數(shù)據(jù)上卻表現(xiàn)得非常明顯（見(jiàn)圖4）。

圖4 成都臺(tái)分、秒數(shù)據(jù)中的供電干擾

2.5 繪制查看連續(xù)多天數(shù)據(jù)曲線(xiàn)

在數(shù)據(jù)曲線(xiàn)中，我們經(jīng)常發(fā)現(xiàn)跨天的臺(tái)階干擾，很多時(shí)候只能查看到當(dāng)天數(shù)據(jù)，無(wú)法看全一個(gè)完整的臺(tái)階，可能無(wú)法分清數(shù)據(jù)的干擾段和正常段，這時(shí)我們可以繪制連續(xù)多天數(shù)據(jù)曲線(xiàn)，發(fā)現(xiàn)跨天臺(tái)階，分清楚受干擾數(shù)據(jù)段。成都臺(tái)2018年8月1-2日連續(xù)兩天受到寶雞德陽(yáng)線(xiàn)直流輸電臺(tái)階干擾（見(jiàn)圖5）。

圖5 跨天臺(tái)階

3 總結(jié)

通過(guò)對(duì)成都地震監(jiān)測(cè)中心站及下屬臺(tái)站的八套GM4儀地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)的各類(lèi)干擾情況進(jìn)行分類(lèi)統(tǒng)計(jì)及研究，得出以下結(jié)論：磁暴、地鐵輕軌、地電阻率和高壓直流輸電等這些無(wú)法避免的干擾在以后臺(tái)站重建或遷建中可考慮遠(yuǎn)離，擴(kuò)大地電阻率觀測(cè)供電線(xiàn)路與地磁記錄室的距離，避免或減小其干擾。人為干擾、基建工程影響、車(chē)輛影響、雷擊干擾和儀器電源故障這幾類(lèi)干擾可以盡量避免。通過(guò)對(duì)觀測(cè)保護(hù)區(qū)進(jìn)行巡查，可以盡量避免人為干擾，如存在隱患應(yīng)及時(shí)制止?；üこ逃绊懼饕怯捎谑┕み^(guò)程中鐵磁性施工設(shè)備造成，當(dāng)施工結(jié)束，影響也就會(huì)隨之消失。車(chē)輛影響大多數(shù)是車(chē)輛過(guò)于靠近記錄室，也可通過(guò)人為干預(yù)加以消除。雷擊干擾造成的干擾應(yīng)該加強(qiáng)防雷措施，比如在信號(hào)線(xiàn)接口和GPS接口處加裝專(zhuān)用避雷裝置；由于儀器電源故障干擾可能是儀器存在老化等故障原因，可在臺(tái)站配足備機(jī)備件以防儀器斷記。干擾在記錄曲線(xiàn)上的表現(xiàn)為單點(diǎn)突跳、頻繁的單點(diǎn)或多點(diǎn)突跳、一定時(shí)段內(nèi)數(shù)據(jù)突升或下降的臺(tái)階。各類(lèi)干擾都具有相應(yīng)的原理和特征，特定臺(tái)站的干擾類(lèi)型、干擾出現(xiàn)時(shí)間及其干擾表現(xiàn)形態(tài)存在一定的規(guī)律，在一定時(shí)期內(nèi)不會(huì)有太大的變化。合理組合利用各種判斷處理方法，在日常處理資料工作中就可以準(zhǔn)確地剔除干擾信息，可以提升觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量，為震情跟蹤分析和地震預(yù)報(bào)提供可靠的基礎(chǔ)信息。