信陽臺地磁觀測數(shù)據(jù)干擾分析及觀測質(zhì)量改善

陳賢,成萬里,黃恩賢

(河南省地震局，河南 鄭州 450000)

0 引 言

在任何一種地震觀測手段的觀測數(shù)據(jù)中，都不可避免的會出現(xiàn)各種干擾現(xiàn)象，例如自然干擾、環(huán)境干擾、人為干擾、儀器故障等干擾[1-2]。地磁觀測也是如此，對觀測數(shù)據(jù)產(chǎn)生的干擾種類繁多，這些干擾數(shù)據(jù)的曲線形態(tài)主要表現(xiàn)為記錄曲線的單點(diǎn)突跳、頻繁的單點(diǎn)或多點(diǎn)突跳、一定時段內(nèi)數(shù)據(jù)抬升或下降(臺階)。造成這種記錄曲線異常的主要原因有以下幾種：磁暴、高壓直流輸電、車輛、建設(shè)施工、城際輕軌、地鐵、背景噪聲、人為因素以及儀器內(nèi)部干擾等[3]。只有充分認(rèn)識地磁場的干擾因素，并將干擾因素進(jìn)行分類總結(jié)，正確地做好預(yù)處理工作，保障好觀測資料質(zhì)量，才能更好地分析地磁場的異常變化，為地震監(jiān)測與預(yù)報(bào)提供真實(shí)準(zhǔn)確的信息支持[4-5]。

基于地磁數(shù)據(jù)跟蹤分析軟件，以信陽地震臺(以下簡稱“信陽臺”)近年來地磁觀測資料為例，分析近年來受到的各種干擾因素影響，并提供典型干擾數(shù)據(jù)圖例，總結(jié)干擾特征并給出合理的降低干擾影響的措施，以便提高地震臺站人員識別各種干擾的能力和數(shù)據(jù)預(yù)處理的水平。

1 觀測場地背景

信陽地震臺周邊觀測地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，信陽臺地理坐標(biāo)為：32.13°N，114.02°E。位于信陽市正西方向8 km南灣轄區(qū)，賢山北西向5°約1 km處，距南灣水庫約1.5 km。大地構(gòu)造上，該區(qū)隸屬秦嶺褶皺系，地震臺站附近發(fā)育有桐柏—商城斷裂帶、龜山—梅山斷裂帶等。地貌上，地震臺站位于桐柏山東麓低山丘陵區(qū)與山前沖積平原過渡帶。依據(jù)地貌類型，從西南到東北可劃為桐柏—大別山低山區(qū)、南灣—東雙河丘陵區(qū)、平昌關(guān)—信陽低丘陵平原區(qū)。本研究區(qū)域涉及華北斷塊、秦嶺斷褶系和揚(yáng)子斷塊區(qū)三個大地構(gòu)造單元。該區(qū)域在喜馬拉雅運(yùn)動以前漫長的地質(zhì)歷史中，主要處于近南北向的水平擠壓應(yīng)力場中，使區(qū)域構(gòu)造線大致呈北西西向展布。區(qū)域主要活動構(gòu)造有：華北斷塊區(qū)南緣斷裂帶、欒川—魯山—漯河—太和斷裂帶、白河—谷城斷裂帶、青峰斷裂帶、新安—郟縣斷裂帶、許昌—鄢陵斷裂帶、蘭田—朱陽關(guān)—南陽—信陽斷裂帶、封門口—五指嶺斷裂帶。該區(qū)域地震構(gòu)造環(huán)境中對本區(qū)和鄰區(qū)有發(fā)震影響的主要構(gòu)造有：華北斷塊區(qū)南緣斷裂帶、蘭田—朱陽關(guān)—南陽—信陽斷裂帶、欒川—魯山—漯河—太和斷裂帶、丹鳳—西峽斷裂帶(圖1)。

圖1 信陽臺附近地質(zhì)構(gòu)造

信陽臺GM4地磁儀器位于臺站院內(nèi)磁房內(nèi)，GM4探頭距離臺站院墻外約為45 m，院墻外時常有過往車輛干擾、高壓直流輸電干擾等電磁干擾、施工人員在磁房附近施工、砍樹、挖樹等人為干擾。

2 觀測資料干擾性分析

利用地震前兆地磁數(shù)據(jù)處理軟件和地磁數(shù)據(jù)跟蹤分析軟件，通過分析2016年以來信陽臺GM4型磁通門磁力儀觀測數(shù)據(jù)受到多種干擾情況，認(rèn)為GM4地磁儀受多種干擾影響，其影響持續(xù)時間、數(shù)據(jù)變化幅值、干擾變化形態(tài)如表1)。將干擾類型分為內(nèi)觀測環(huán)境干擾和外觀測環(huán)境干擾。內(nèi)觀測環(huán)境干擾主要為觀測室內(nèi)溫濕度變化儀器本身背景噪聲的影響；外觀測環(huán)境干擾主要為高壓直流輸電和臺站附近車輛干擾；內(nèi)、外觀測環(huán)境干擾都能通過及時有效的措施來降低其干擾影響，從而改善觀測資料質(zhì)量。

表1 信陽臺GM4地磁儀受多種干擾特征及干擾形態(tài)對比

2.1 內(nèi)觀測環(huán)境干擾分析

2017年12月，信陽臺工作人員通過數(shù)據(jù)跟蹤分析軟件對地磁GM4數(shù)據(jù)進(jìn)行多臺對比，發(fā)現(xiàn)Z分量數(shù)據(jù)自2017年11月13日儀器重設(shè)補(bǔ)償值開始，與省內(nèi)其它地磁臺站同類型儀器數(shù)據(jù)相比變化不同步，存在明顯反?，F(xiàn)象。表現(xiàn)為與觀測室溫度變化呈現(xiàn)一定相關(guān)性，即溫度上升，觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)下降趨勢；溫度下降，觀測數(shù)據(jù)呈現(xiàn)上升趨勢；溫度恒定，觀測數(shù)據(jù)基本穩(wěn)定(圖2)。

由圖2可以看出信陽臺GM4觀測數(shù)據(jù)Z分量隨溫度變化較為反常。為核實(shí)此反常變化，分別對GM4儀器主機(jī)、探頭、模擬盒、通信系統(tǒng)、供電線路、UPS、供電電壓、避雷設(shè)施等進(jìn)行了檢查。同時對觀測房房頂、墻裙作防水、隔熱、磁房內(nèi)部設(shè)施進(jìn)行檢查，且臺站周邊也無任何施工干擾，無明顯異常，判定觀測數(shù)據(jù)Z分量隨溫度異常變化為觀測室溫濕度原因。信陽臺工作人員在GM4地磁房門口位置架設(shè)了探頭、模擬盒進(jìn)行對比觀測，從同步對比觀測中可以直觀地看出，Z分量數(shù)據(jù)漂移與溫度變化相關(guān)性大。因此著重分析了兩個階段：(1)2～6月溫度顯著上升，數(shù)據(jù)出現(xiàn)漂移下降趨勢，下降幅度約40 nT，兩者相關(guān)系數(shù)R=0.69(圖3a)；(2)9～12月溫度顯著下降，數(shù)據(jù)出現(xiàn)漂移上升趨勢，上升幅度約120 nT，兩者相關(guān)系數(shù)R=0.98(圖3b)。

圖2 信陽臺GM4觀測數(shù)據(jù)隨溫度變化曲線

圖3 信陽臺GM4觀測數(shù)據(jù)Z分量與溫度觀測曲線

儀器故障對地磁觀測數(shù)據(jù)造成的干擾是不可避免的、也是突發(fā)性的。儀器工作時間比較久之后，儀器內(nèi)部會出現(xiàn)一些存儲軟件故障，對地磁觀測數(shù)據(jù)也會產(chǎn)生干擾，并且這種突發(fā)情況下產(chǎn)生的干擾難以明確，一般情況下只能采取排除法檢查故障原因。例如信陽臺FHD數(shù)采CF存儲卡故障，無法正常儲存數(shù)據(jù)，導(dǎo)致原始數(shù)據(jù)被壓制，甚至出現(xiàn)錯誤數(shù)據(jù)，這種情況預(yù)處理只能將原始錯誤數(shù)據(jù)刪除，氣溫、氣壓這些觀測環(huán)境突變也會對儀器的觀測有影響，甚至影響儀器內(nèi)部元件，導(dǎo)致對地磁觀測造成干擾。

2.2 外觀測環(huán)境干擾特征

高壓直流輸電干擾。在部分臺站的地磁觀測中，當(dāng)受到地電觀測、高頻干擾、地鐵干擾時，觀測數(shù)據(jù)的表現(xiàn)形態(tài)為周期性規(guī)律的方波或大量毛刺[6]。這與高壓直流輸電干擾有著明顯的區(qū)別，仔細(xì)觀測數(shù)據(jù)變化形態(tài)就可以很好判定為非高壓直流輸電故障干擾。但當(dāng)?shù)卮庞^測受到臺站周圍的人為活動、車輛運(yùn)行、基建工程等干擾時，其干擾后的觀測數(shù)據(jù)變化形態(tài)表現(xiàn)大多為尖峰、緩變、臺階等，這和高壓直流輸電故障干擾表現(xiàn)形態(tài)大致相同，這時就需要我們?nèi)ヅ卸ǎ瑢⑷藶楫a(chǎn)生的干擾與高壓直流輸電干擾區(qū)分開來。判定區(qū)分的方法為：(1)通常人為、車輛運(yùn)行、基建工程等環(huán)境干擾時，總場F、水平分量 H、垂直分量Z、偏角D會出時出現(xiàn)尖峰、緩變、臺階。而高壓直流輸電故障時，主要是對地磁的垂直分量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。(2)人為、車輛運(yùn)行、基建工程等環(huán)境干擾只對單臺產(chǎn)生影響，而高壓直流輸電故障通常會對線路周邊的多個臺站產(chǎn)生影響，多個臺站在基本相同的時間內(nèi)出現(xiàn)相同的干擾形態(tài)。(3)位于輸電線路兩側(cè)的地磁觀測臺站，由于地磁觀測參數(shù)各方向分量的差異，垂直分量Z方向與受到干擾的臺階方向是相反的，同側(cè)臺站臺階方向則是相同的，比如在受到干擾時，?？h、洛陽、代縣臺階向上，信陽、武漢、應(yīng)城、蒙城臺階則是向下的。(4)高壓直流輸電故障干擾幅度，隨著臺站距線路距離變大而變小，并與不平衡電流的大小成比，同一條線路的不同臺站的干擾幅度成比值，此比值為常數(shù)，比如信陽臺干擾幅度為潢川的臺的1.5倍，為蒙城臺的2倍減去0.1～ 0.2 nT。

高壓直流輸電故障對地磁觀測產(chǎn)生影響時，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、跨日臺階。以信陽臺為例分別對上述形態(tài)做出描述(通過對比原始圖和預(yù)處理后的圖，可以更清晰地看出數(shù)據(jù)受干擾后的變化)。2020年12月3日高壓直流輸電干擾，由于臺階當(dāng)天沒有結(jié)束，所以稱之為跨天臺階。(1)尖峰：所謂尖峰即是單點(diǎn)脈沖，01時10分表現(xiàn)為尖峰。(2)單個臺階：突然變化且變化量大小相同的方波，05時49分至06時45分表現(xiàn)為單個臺階。(3)多重臺階：在一個變化的臺階中再次出現(xiàn)新的變化量的臺階，11時30分至14時10分表現(xiàn)為多重臺階。(4)緩變臺階：在長時間內(nèi)緩慢上升或下降的臺階，16時05分至18時58分的臺階中為緩慢上升所以稱其為緩變臺階。臺站附近車輛、施工干擾。

2017年以來信陽臺觀測環(huán)境受周邊住戶居民過往車輛、防雷改造、優(yōu)化改造、標(biāo)準(zhǔn)化改造等干擾影響較為明顯，施工期間零線與接地線混為一團(tuán)，造成觀測區(qū)附近有電流干擾，漏電電流引起Z分量觀測曲線出現(xiàn)密集型臺階變化，在全天記錄曲線上分布較為均勻，每間隔一定時間出現(xiàn)一組明顯臺階，持續(xù)時間為5 min，臺階幅度大小基本在0.5～2.5 nT。由于分布較為密集，磁通門磁力儀FGM01在記錄秒數(shù)據(jù)在預(yù)處理過程中十分繁瑣。當(dāng)磁房附近的車輛快速通過時，這種干擾對磁房附近的磁場影響是短時的、突然性的，往往這種干擾對數(shù)據(jù)會產(chǎn)生比較明顯的突跳、尖峰；當(dāng)磁房附近停放車輛時，這種干擾對磁房附近的磁場的影響會比較長，可以根據(jù)停放時間記錄下產(chǎn)生干擾的時間節(jié)點(diǎn)，往往這種干擾對數(shù)據(jù)會產(chǎn)生明顯的臺階，臺階量的大小與停放車輛對大地磁場的影響量，臺階區(qū)間就是停放的時間節(jié)點(diǎn)。總之車輛干擾對地磁觀測分量干擾的幅度不盡相同，開始、結(jié)束時間相同，干擾時間與車輛通過或停放的時間具有一定的對應(yīng)性(圖4)。對于車輛干擾一般情況下需要對產(chǎn)生的突跳和尖峰做刪除預(yù)處理，對產(chǎn)生的臺階核實(shí)影響的時間節(jié)點(diǎn)，然后做臺階預(yù)處理。

圖4 信陽臺FGM01受高壓直流和車輛施工干擾記錄曲線(2020年12月14日)

3 觀測資料干擾應(yīng)對措施分析

針對上文所示內(nèi)觀測環(huán)境干擾和外觀測環(huán)境干擾，可采取以下措施，防止對地磁觀測產(chǎn)生的影響。

(1)內(nèi)觀測環(huán)境干擾。此類干擾是偶然發(fā)生的，一般情況下當(dāng)儀器內(nèi)部元器件故障時，觀測數(shù)據(jù)會產(chǎn)生缺數(shù)或者突跳，在分?jǐn)?shù)據(jù)和秒數(shù)據(jù)同時出現(xiàn)；而當(dāng)觀測室溫濕度變化幅度較大時，觀測數(shù)據(jù)會出現(xiàn)漂移等現(xiàn)象。針對此類干擾需地震臺站工作人員定期對儀器工作環(huán)境和工作狀態(tài)進(jìn)行周、月、季檢查。如每周進(jìn)行一次周檢查，每月進(jìn)行一次月檢查，每個季度進(jìn)行一次大范圍內(nèi)巡檢，檢查內(nèi)容包括更換觀測室干燥劑、除濕劑等。每次檢查后做好登記簿，觀測儀器工作環(huán)境和工作狀態(tài)情況，保持在觀測室溫濕度維持一定范圍內(nèi)，檢查儀器運(yùn)行情況。在進(jìn)行臺站標(biāo)準(zhǔn)化、優(yōu)化改造等大型施工后，也需及時檢查儀器連接線與接地線的連接方式，以免儀器連接線與接地線混接，導(dǎo)致產(chǎn)生一些干擾電流，影響儀器觀測資料質(zhì)量?？傊疁p少內(nèi)觀測環(huán)境背景噪聲，才能降低儀器受工作環(huán)境和工作狀態(tài)的影響。

(2)外觀測環(huán)境干擾。此類干擾是偶然發(fā)生的，一般情況下當(dāng)儀器附件有車輛通過或者人員施工時，觀測數(shù)據(jù)會產(chǎn)生臺階或者突跳，在分鐘值數(shù)據(jù)和秒數(shù)據(jù)同時出現(xiàn)；而當(dāng)高壓直流輸電對觀測數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響時，觀測數(shù)據(jù)會根據(jù)輸電影響時間對應(yīng)出現(xiàn)規(guī)則的臺階或緩變臺階現(xiàn)象。針對此類干擾因觀測區(qū)在一定時間內(nèi)收到不規(guī)律電磁干擾，主要包括高壓直流輸電干擾和觀測室周邊過往車輛干擾。對于高壓直流干擾，地震臺站工作人員首先要對比其他臺站或者查詢高壓直流網(wǎng)站分清是否為高壓直流干擾。高壓直流干擾處理觀測數(shù)據(jù)的方法主要過程如下：①剔除尖峰選用數(shù)據(jù)處理軟件中的“剔除尖峰”；②去除臺階選用數(shù)據(jù)處理軟件中的“去除臺階―錄入時間和改正量”；③對于緩慢變化時間較短的變化數(shù)據(jù)，也可以用“剔除尖峰”方法處理；④緩慢變化時間較長的，選用數(shù)據(jù)處理軟件中的“去除緩變―錄入時間和改正量”。對于觀測室周邊過往車輛干擾，應(yīng)在地震臺站觀測室附近增加警示標(biāo)志，劃定地磁觀測區(qū)范圍，盡量避免過往車輛、攜帶鐵磁性物質(zhì)的人員靠近觀測室，以降低周邊環(huán)境對觀測資料質(zhì)量造成的影響。

4 結(jié) 論

基于地磁數(shù)據(jù)跟蹤分析軟件對信陽臺地磁觀測資料受內(nèi)外觀測環(huán)境干擾因素分析，可以得出以下結(jié)論：

(1)信陽臺地磁觀測儀器受觀測室溫濕度變化影響較大，而且觀測數(shù)據(jù)變現(xiàn)為較長期存在，在日常觀測中要時刻保持觀測室溫濕度保持在一定范圍內(nèi)。

(2)地磁儀器靈敏度較高，對于觀測時間較長的地磁儀器，要長期檢查主備機(jī)工作狀態(tài)，特別是地磁數(shù)據(jù)存儲卡CF卡、SD卡，需保證存儲卡對數(shù)據(jù)采集狀態(tài)。

(3)信陽臺地磁觀測環(huán)境受國內(nèi)多條高壓直流輸電干擾影響，地震臺站工作人員需在日常數(shù)據(jù)預(yù)處理過程中，核對每日觀測數(shù)據(jù)受高壓直流影響情況，準(zhǔn)確判斷出受干擾情況，正常預(yù)處理受高壓直流影響的地磁資料。

(4)隨著中國經(jīng)濟(jì)全面快速的發(fā)展，對于周邊過往車輛干擾，必須在觀測室圍墻懸掛地震觀測標(biāo)志，盡量避免車輛距離觀測室30 m。受到車輛不同形態(tài)的干擾，采用多種方法進(jìn)行觀測數(shù)據(jù)的預(yù)處理，利用多臺對比、差值及相關(guān)的方法進(jìn)行檢驗(yàn)，從而保證地磁觀測數(shù)據(jù)的真實(shí)、可靠、連續(xù)、穩(wěn)定，更好地服務(wù)于地震預(yù)報(bào)實(shí)踐和科學(xué)研究。