承德地球物理臺網(wǎng)地磁觀測環(huán)境干擾

郭亞亞 張玉林 任俊峰 楊東輝

（中國河北 067000 河北省地震局承德中心臺）

0 引言

地磁觀測主要記錄地球基本磁場和變化磁場的時空變化特征。真實可靠的地磁數(shù)據(jù)對研究震磁關(guān)系和地震預(yù)報至關(guān)重要。但是，隨著國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，觀測環(huán)境日趨惡化，尤其是高壓輸電線路的架設(shè)和運行（方煒等，2012；王向陽等，2013），對沿線地磁觀測臺站造成較大影響。同時，隨著城市化進(jìn)程的加快，許多原本遠(yuǎn)離城市的臺站漸漸被包裹進(jìn)市區(qū)，車輛的不斷增加，使得車輛干擾也成為影響臺站地磁觀測的主要因素之一。

地磁觀測常見干擾類型有：磁暴、地電阻率、地鐵輕軌、電源故障、儀器故障、雷擊、人為、高壓直流輸電、車輛和基建工程干擾（王仲康等，2020；賡紹歡等，2021）。承德和豐寧地震臺地磁觀測涉及干擾類型有：磁暴、電源故障、儀器故障、人為、高壓直流輸電、車輛和基建工程，其中高壓直流輸電、車輛和基建工程屬于觀測環(huán)境干擾。

通過提取跟蹤分析數(shù)據(jù)庫中2014—2020 年承德和豐寧地震臺（下文簡稱承德臺和豐寧臺）的地磁觀測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)主要干擾因素是高壓直流輸電和車輛干擾。文中通過分析2 種干擾因素的特征，歸納、總結(jié)二者的不同之處，為數(shù)據(jù)預(yù)處理工作中準(zhǔn)確識別干擾源提供幫助。

1 臺站概況

承德地處華北北部山區(qū)帶，為燕山構(gòu)造帶和陰山構(gòu)造帶的一部分，大致以張北—多倫與內(nèi)蒙高原穩(wěn)定區(qū)為界，構(gòu)造位置基本相當(dāng)于內(nèi)蒙地軸的范圍。該區(qū)布設(shè)承德地震中心臺（省區(qū)域臺），下轄承德臺、寬城臺和豐寧臺3 個子臺。

承德臺位于承德市雙橋區(qū)西北郊，距市區(qū)15 km，地處燕山沉陷帶、承德臺凸中部，南與中生代承德盆地相鄰，北靠燕窩鋪—周臺子背斜，臺基巖性為太古界深變質(zhì)片麻巖。豐寧臺位于承德市豐寧縣西山根，為燕山丘陵地貌單元，西北部為沙土平地和季河，東南部為山嶺，地質(zhì)分為3 個單元層：上層為第四紀(jì)黃土層，中部為沙土沉積層，下部為花崗片麻巖（圖1）。

圖1 承德地區(qū)地震臺站空間位置Fig.1 The spatial location of seismic stations in the Chengde area

承德臺和豐寧臺配備FHD-2B 質(zhì)子矢量磁力儀進(jìn)行地磁觀測。承德臺地磁觀測儀器安裝在承德中心臺院內(nèi)西北側(cè)山上[圖2(a)]，于2012 年10 月正式運行；豐寧臺地磁觀測儀器安裝在豐寧達(dá)二營觀測點[圖2(b)]，于2008 年5 月正式運行。2 個觀測點均遠(yuǎn)離鐵路，附近無采礦場、采石場及水庫、機(jī)械廠等干擾源，觀測環(huán)境良好。2 套儀器自運行以來，數(shù)據(jù)連續(xù)、穩(wěn)定、可靠，2014—2020 年逐日比異常與地震對應(yīng)率為75%。

圖2 承德中心臺FHD-2B 質(zhì)子矢量磁力儀布設(shè)(a)承德；(b)豐寧Fig.2 Plan of the FHD-2B proton vector magnetometer layout of Chengde Center Station

2 觀測環(huán)境干擾因素分析

對承德臺和豐寧臺2014—2020 年地磁觀測環(huán)境干擾因素進(jìn)行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)地磁觀測環(huán)境影響因素主要有高壓直流輸電、車輛和施工，具體影響時間見表1。由表1 可知：①承德臺主要受到高壓直流輸電和車輛干擾，豐寧臺主要受到高壓直流輸電干擾；②承德臺和豐寧臺分別于2014 年和2017 年出現(xiàn)4 天施工影響，均為觀測室改造所致（豐寧臺為避雷地網(wǎng)架設(shè)影響）；③豐寧臺總計6 次車輛影響均為農(nóng)用車停駐距磁房較近所致；④高壓直流輸電影響線路多，時間較長，頻率高，且不受臺站控制，不可避免。

表1 承德地球物理臺網(wǎng)地磁觀測環(huán)境干擾因素統(tǒng)計Table 1 Statistics of geomagnetic observation environment interference factors in Chengde Geophysical network

2.1 高壓直流輸電干擾

影響承德臺和豐寧臺地磁觀測的高壓直流輸電線路有4 條，分別為寧東線（寧夏銀川—青島膠州）、呼遼線（呼倫貝爾—遼寧遼陽）、扎青線（內(nèi)蒙古扎魯特—山東青州）、錫泰線（內(nèi)蒙古錫盟—江蘇泰州），各高壓輸電線路參數(shù)見表2，線路走向見圖3。

圖3 高壓直流輸電線路走向示意Fig.3 Schematic diagram of the direction of HVDC transmission lines

表2 高壓直流輸電線路基本情況Table 2 The basic situation of HVDC transmission lines

2014 年4 月13 日，承德臺和豐寧臺FHD-2B 磁力儀觀測數(shù)據(jù)首次受到高壓直流輸電干擾。此次干擾由寧東青島線引起，主要對地磁Z分量產(chǎn)生影響，其中承德臺干擾幅度多在0.1—0.9 nT，豐寧臺干擾幅度多在0.1—0.7 nT。2014年8 月1 日起，承德臺受到呼遼線干擾，干擾幅度多在1.5—1.9 nT，而豐寧臺基本不受呼遼線干擾。2017 年6 月29 日起，承德臺和豐寧臺受到錫泰線干擾，其中承德臺干擾幅度多在0.3—12.4 nT，豐寧臺干擾幅度多在0.5—14 nT。2017年9 月30 日起，承德臺和豐寧臺受到扎青線干擾，其中承德臺干擾幅度多在0.5—23.7 nT，豐寧臺干擾幅度多在0.5—2.8 nT。在調(diào)試階段，高壓直流輸電線路對地磁臺站的干擾較頻繁，其中2014 年寧東線、2015 年呼遼線、2017—2019 年扎青線和錫泰線，干擾頻率大，單天出現(xiàn)多個臺階（圖4）。

圖4 高壓直流輸電干擾示意圖（2017 年11 月18 日）Fig.4 Diagram of interference in HVDC transmission (November 18,2017)

河北省共布設(shè)8 套FHD-2B 質(zhì)子矢量磁力儀，由南到北依次安裝在涉縣臺、廣平臺、隆堯臺、黃壁莊臺、文安臺、昌黎臺、承德臺、豐寧臺。高壓直流輸電干擾幅度隨臺站與干擾線路的距離變大而逐漸減弱，與輸電線路中的不平衡電流大小成正比；不同臺站所受干擾的方向也不同，輸電線路同側(cè)臺站Z分量干擾方向相同，異側(cè)干擾方向相反（蔣延林等，2014）。如：①2018年4月3日，承德臺和豐寧臺受到錫泰線干擾，2臺站分布在錫泰線兩側(cè)，且與干擾線路距離相近，受高壓輸電干擾方向相反，干擾幅度相差不大（圖5）；②2018 年5 月10 日，承德臺和豐寧臺受到扎青線干擾，2 臺站分布在扎青線同側(cè)，受干擾方向相同，而承德臺距干擾線路較近，干擾幅明顯大于豐寧臺（圖6）；③2016 年7 月17 日，8 個地磁臺受到寧東線干擾，涉縣臺和廣平臺干擾方向與其他臺站相反，是因為2 臺站分布在寧東線南部，其他臺站分布在寧東線北部，寧東線北部臺站隆堯臺距離線路最近干擾幅度最大，承德臺和豐寧臺距離線路最遠(yuǎn)干擾幅度最?。▓D7）。

圖5 承德臺和豐寧臺地磁受錫泰線高壓直流輸電干擾觀測曲線（2018 年4 月3 日）Fig.5 Interference observation curve of Xi-Tai HVDC transmission at Chengde and Fengning seismic stations (April 3,2018)

圖6 承德臺和豐寧臺受扎青線高壓直流輸電干擾觀測曲線（2018 年5 月10 日）Fig.6 Interference observation curve of Zha-Qing HVDC transmission at Chengde and Fengning seismic stations (May 10,2018)

圖7 河北省FHD-2B 質(zhì)子矢量磁力儀受高壓直流輸電干擾觀測曲線（2016 年7 月17 日）Fig.7 Observation curve of FHD-2B proton vector magnetometer in Hebei Province subjected to HVDC transmission interference (July 17,2016)

高壓直流輸電對地磁觀測數(shù)據(jù)的干擾主要呈臺階形態(tài)，具體表現(xiàn)為：急起急落或起落時緩變時間較短的臺階；多次緩慢階變組成的弧形臺階。前者較易處理，后者需多次小幅度緩變處理，如：2019 年6 月17 日，承德臺地磁觀測數(shù)據(jù)曲線出現(xiàn)弧形階變，需進(jìn)行多次緩變完成預(yù)處理（圖8）。

圖8 承德臺高壓直流輸電干擾曲線（2019 年6 月17 日）Fig.8 Interference curve of HVDC transmission at Chengde Seismic Station (June,17 2019)

2.2 車輛干擾

車輛是帶有磁性的物體，其靠近觀測室時產(chǎn)生近場區(qū)偶極源電磁場，造成觀測儀器周邊磁場發(fā)生變化，一般垂直分量Z和水平分量H會受到影響，有時D分量也會受到影響。觀測曲線畸變時間一般與車輛進(jìn)出場地范圍的時間同步，影響程度主要取決于車輛與觀測儀器的距離（姚休義，2015）。若車輛在測區(qū)內(nèi)保持不動，觀測數(shù)據(jù)為在地磁場基礎(chǔ)上疊加固定干擾的數(shù)值，曲線形態(tài)多表現(xiàn)為臺階；車輛駛離測區(qū)，則干擾停止（王莉森等，2017）。

承德臺地磁觀測點位于市區(qū)，經(jīng)常受到車輛干擾，而豐寧達(dá)二營觀測點位置偏僻，周邊為農(nóng)田，且磁房周邊設(shè)有安全網(wǎng)，發(fā)生車輛干擾的次數(shù)較少。如：2015 年5 月24 日，承德臺FHD-2B 磁力儀D、H、Z分量受車輛干擾，出現(xiàn)臺階畸變（圖9）。若車輛處于運動狀態(tài)，則干擾形態(tài)表現(xiàn)為單尖峰或多尖峰，一般D、H、Z分量同時受到影響，如：2015年1 月26 日，一大貨車在承德臺磁房附近調(diào)頭，F(xiàn)HD-2B 磁力儀3 個分量的觀測曲線均出現(xiàn)短時尖峰干擾（圖10）。

圖9 2015 年5 月24 日承德臺車輛干擾觀測曲線Fig.9 Vehicle interference observation curve of Chengde Seismic Station on May 24,2015

圖10 2015 年1 月26 日承德臺車輛干擾觀測曲線Fig.10 Vehicle interference observation curve of Chengde Seismic Station on January 26,2015

2.3 高壓直流輸電與車輛干擾的識別

綜上所述，可從以下方面對高壓直流輸電與車輛干擾進(jìn)行識別：①高壓直流輸電與車輛對地磁數(shù)據(jù)分量的影響不同，其中：高壓直流輸電主要對地磁垂直分量Z產(chǎn)生影響，且干擾程度明顯比其他分量大，甚至對其他分量不產(chǎn)生影響（蔣延林等，2014），而車輛一般對垂直分量Z、水平分量H產(chǎn)生影響，有時對磁偏角D也會產(chǎn)生影響；②利用多臺站曲線對比，識別高壓直流輸電與車輛干擾。高壓直流輸電干擾一般對近距離地磁臺站均產(chǎn)生影響，且觀測曲線畸變在時間上具有同步性；車輛一般只影響其附近的單個臺站，僅該臺站觀測曲線出現(xiàn)畸變；③查詢。高壓直流輸電干擾屬遠(yuǎn)場干擾，可在國家地磁臺網(wǎng)中心地磁臺網(wǎng)高壓直流輸電判別系統(tǒng)網(wǎng)站，查詢?nèi)珖髋_站受高壓直流輸電干擾的干擾線路、事件編號、開始時間和結(jié)束時間、臺階幅度；車輛干擾屬于近場干擾，可以通過查看監(jiān)控、詢問門衛(wèi)、每日巡查場地等方式，核實有無車輛出入或車輛進(jìn)出觀測場地的時間及動向。

3 建議

地震地磁觀測對于場地環(huán)境有一定要求，需保證觀測環(huán)境滿足儀器工作要求。對于現(xiàn)有臺站，高壓直流輸電影響不可避免，在進(jìn)行地磁觀測數(shù)據(jù)預(yù)處理時，需剔除干擾數(shù)據(jù)，以保證儀器對天然空間磁場記錄的真實性，若進(jìn)行新臺站選址，則需避開此類干擾源。對于可控干擾源，如臺站改造施工，必須嚴(yán)格遵守地磁觀測環(huán)境規(guī)范的相關(guān)要求，盡量縮短作業(yè)時間；地磁房附近設(shè)置安全網(wǎng)，禁止閑雜人員進(jìn)入；在地磁房周圍設(shè)置可視化監(jiān)控，嚴(yán)格管理觀測區(qū)出入車輛，盡量避免車輛干擾。

4 結(jié)束語

近年來，承德地球物理臺網(wǎng)地磁觀測數(shù)據(jù)影響因素主要為高壓直流輸電和車輛。二者對地磁觀測數(shù)據(jù)的干擾，實質(zhì)上是干擾源產(chǎn)生的空間磁場在地球天然空間磁場上的疊加，主要表現(xiàn)形態(tài)為臺階，工作人員可根據(jù)高壓直流輸電和車輛干擾的特點準(zhǔn)確識別。通過對地磁觀測數(shù)據(jù)的預(yù)處理和數(shù)據(jù)跟蹤分析，可為地震分析預(yù)報和科學(xué)研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)。