大同站 FHD-2B 地磁觀測數(shù)據(jù)典型干擾分析

郝雪景　韓勝　高龍飛　劉煒

摘要山西省大同地震監(jiān)測中心站 FHD-2B 地磁觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量主要受儀器自身觀測系統(tǒng)和周圍環(huán)境干擾影響，由于儀器出廠后性能接近穩(wěn)定，因此要提高觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量，可以從改善環(huán)境干擾入手。本文從連續(xù)率、完整率和背景噪聲3個方面對2017—2021年的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量評價，發(fā)現(xiàn)自2019年6月儀器更新改造后，儀器背景噪聲水平明顯降低。通過分析場地施工、車輛運行、高壓直流輸電、斷電等典型干擾事件下的數(shù)據(jù)曲線形態(tài)，發(fā)現(xiàn)施工干擾一般表現(xiàn)為各分量受干擾時段一致，干擾幅度不同；高壓直流輸電干擾常表現(xiàn)為 Z 分量干擾嚴(yán)重，可以通過國家地磁臺網(wǎng)中心給出的干擾時段，結(jié)合周邊地磁臺站數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；車輛干擾對數(shù)據(jù)各分量均產(chǎn)生干擾，對應(yīng)于車輛活動時段；斷電干擾表現(xiàn)為 D、H、Z 分量觀測數(shù)據(jù)曲線變粗，毛刺增多，甚至出現(xiàn)錯誤數(shù)據(jù)，通過修改儀器參數(shù)解決?？偨Y(jié)不同干擾曲線特征，便于工作人員正確使用 FHD-2B 地磁數(shù)據(jù)進(jìn)行地震研究。

關(guān)鍵詞 FHD-2B；地磁；質(zhì)量評價；干擾；大同

中圖分類號： P315.63文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A文章編號：2096-7780（2023）06-0251-10

doi：10.19987/j.dzkxjz.2022-157

Typical interference analysis ofFHD-2B observation data at Datong seismic station

Hao Xuejing1， 2），Han Sheng1， 2），Gao Longfei1， 2），Liu Wei1， 2）

1） Shanxi Earthquake Agency， Shanxi Taiyuan 030021， China

2） National Continental Rift Valley Dynamics Observatory of Taiyuan， Shanxi Taiyuan 030025， China

AbstractThe geomagnetic observation data ofFHD-2B at Datong seismic station in Shanxi is mainly affected bythe interference of the instruments own observation system and the surrounding environment. Since the performance oftheinstrumentisnearlystableafterdelivery，wecanimprovethequalityofobservationdatabyimprovingtheenvironment. Inthispaper，thequalityofobservationdatafrom 2017 to 2021 wasevaluatedfromthreeaspects： continuity rate，integrity rate and background noise，and it is found that the background noise level of the instrument hasbeen significantly reduced since the instrument was updated in June 2019. By analyzing the data curves of differentinterferences such as construction interference，vehicle interference，high-voltage direct current transmission interferenceand power failure，it is found that the construction interference is generally manifested in the same period of time wheneach component is interfered，and the interference amplitude is different；the interference of high-voltage direct current transmission is usually serious in Z component，which can be processed through the interference period given by the NationalGeomagneticNetworkCenterandcombinedwiththedataofsurroundinggeomagneticstations；vehicle interferenceinterfereswitheachcomponentofdata，correspondingtovehicleactivityperiod；thepowerfailure interference shows that the observed data curves of D，H and Z components become thicker，burrs increase，and even wrong data appear，which can be solved by modifying the parameters of the instrument home page. The characteristics of different interference curves are summarized，which is convenient for workers to use FHD-2B geomagnetic data correctly for seismic research.

KeywordsFHD-2B; geomagnetism; quality evaluation; interference; Datong

引言

山西斷陷盆地歷史上地震頻發(fā)，其主要原因是斷陷盆地內(nèi)的全新世活動斷裂強(qiáng)烈活動引起的[1-3]。地磁場變化中存在與孕育地震有關(guān)的地殼磁場變化[4]，通過地磁觀測可以得到地磁場變化信息，全國目前有逾百個地震臺站具有地磁觀測設(shè)備。許多學(xué)者對 FHD 地磁觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行過分析研究。彭洪軍[5]對 FHD 磁力儀使用過程中的干擾因素進(jìn)行分析并制訂合理的預(yù)處理措施；李慶武等[6]從多方面探尋降低豐寧臺 FHD 儀背景噪聲的方法；陳賢等[7]、郭灝明[8]和彭澎等[9]分析了信陽臺、鹽城臺和宿遷臺地磁觀測中的各類干擾識別與處理方法；何宇飛等[10]根據(jù)近年來 FHD 儀觀測中出現(xiàn)的問題對儀器進(jìn)行升級改進(jìn)。

山西省大同地震監(jiān)測中心站（下文簡稱大同站）地磁觀測配備1套 FHD-2B 質(zhì)子矢量磁力儀、2套 GM4-XL 磁通門磁力儀和1套 OVERHAUSER 磁力儀，其中 FHD-2B 磁力儀于2008年1月正式投入運行，經(jīng)過10多年的觀測，積累了大量的數(shù)據(jù)資料。本文結(jié)合國家地磁臺網(wǎng)中心的評議結(jié)果對大同站2017—2021年 FHD-2B 觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量評價，分析影響其觀測水平的因素，通過查閱觀測日志、對比原始與預(yù)處理數(shù)據(jù)曲線，總結(jié)不同干擾的曲線變化特征，便于工作人員正確識別干擾并處理數(shù)據(jù)，提高觀測資料質(zhì)量。

1 臺站及儀器信息

1.1 臺站概況

大同站上皇莊觀測站位于大同市馬軍營鄉(xiāng)上皇莊村，距市區(qū)約4 km，地理位置如圖1所示。臺站處于大同盆地邊緣兩大地貌單元的分界處，臺站西北部為山區(qū)，山地中溝谷發(fā)育，切割較深，東南部為洪積傾斜平原，口泉斷裂在臺站附近通過[11]。地磁觀測場地遠(yuǎn)離居民住宅區(qū)、公路、采石場、電磁線路，測區(qū)地形平坦、開闊。

1.2 儀器介紹

FHD-2B 質(zhì)子矢量磁力儀（下文簡稱 FHD 儀）觀測系統(tǒng)包括主機(jī)、探頭、分量線圈及連接線路，利用質(zhì)子旋進(jìn)原理連續(xù)觀測地磁場的總強(qiáng)度 F、水平分量 H、磁偏角 D。通過 F、H 可以計算得到垂直分量 Z，由數(shù)據(jù)處理軟件計算轉(zhuǎn)換產(chǎn)出。該儀器采用數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化控制，工作人員通過訪問儀器主頁，可以下載觀測數(shù)據(jù)，控制儀器參數(shù)，監(jiān)視運行狀態(tài)等。儀器主要技術(shù)指標(biāo)為：分辨率0.1 nT，總場 F 精度0.3 nT，垂直分量 Z 精度0.6 nT，水平分量 H 精度0.6 nT，磁偏角 D 精度0.1′，測量范圍20000—70000 nT，采樣率為1 min。儀器主機(jī)、探頭及分量線圈如圖2所示。

大同站 FHD 儀于2008年1月正式運行，儀器探頭和線圈獨立放置在探頭室的觀測墩上，主機(jī)放在探頭室東北向約20 m 遠(yuǎn)的地磁房內(nèi)，使用沿地埋線管布設(shè)的雙絞線傳輸。

2 質(zhì)量評價

結(jié)合國家地磁臺網(wǎng)中心 FHD 觀測評比結(jié)果可知，大同站主要受數(shù)據(jù)連續(xù)率、完整率和背景噪聲影響，偶有數(shù)據(jù)預(yù)處理錯誤等。隨著觀測系統(tǒng)的不斷完善、工作人員處理數(shù)據(jù)水平的不斷進(jìn)步，除一些不可抗拒的干擾因素外，大同站 FHD 儀觀測質(zhì)量在逐步改善。

2.1 連續(xù)率和完整率

觀測數(shù)據(jù)的連續(xù)率反映原始數(shù)據(jù)的完整性，完整率反映預(yù)處理數(shù)據(jù)的完整性，二者可以直接表征儀器的運行狀態(tài)及經(jīng)過處理后數(shù)據(jù)的保留程度。影響連續(xù)率的主要因素是數(shù)采漏采、儀器故障、儀器標(biāo)定、停電等導(dǎo)致的數(shù)據(jù)缺失，影響完整率的主要因素是場地施工、人為干擾等錯誤數(shù)據(jù)的刪除。

統(tǒng)計大同站2017—2021年的連續(xù)率和完整率（表1）。2019年連續(xù)率和完整率均低于99%，原因是2019年6月大同站 FHD 儀儀器更新改造，更換了新的主機(jī)、探頭、線圈和信號線，期間存在數(shù)據(jù)缺測和施工干擾，并且12月觀測場地內(nèi)存在施工干擾（安裝保溫棚）。2020年儀器在4月和12月出現(xiàn)兩次主機(jī)死機(jī)故障，導(dǎo)致數(shù)據(jù)缺測；受9月探頭房周邊土地修整施工和10月辦公機(jī)房改造干擾的影響導(dǎo)致完整率較低。2021年儀器運行穩(wěn)定，連續(xù)率和完整率較好。

2.2 背景噪聲

地磁觀測參考背景噪聲是指固定臺站某套儀器對磁場變化響應(yīng)的靈敏程度，是數(shù)據(jù)質(zhì)量評價的一項重要內(nèi)容[12]。圖3為2017—2021年大同站 FHD 儀各測項分量背景噪聲值與國家地磁臺網(wǎng)中心噪聲平均值的對比圖。

2019年6月，大同站 FHD 儀進(jìn)行了儀器更新改造（圖3箭頭所示），更換了新的主機(jī)、探頭和線圈。可以看出，在此之前大同站背景噪聲一直較大，D 分量分布在0.7—1.2 nT之間，H 分量分布在0.3—0.9 nT之間，Z 分量分布在0.4—0.7 nT之間，F(xiàn) 分量分布在0.3—0.7 nT之間，多數(shù)情況下都超出臺網(wǎng)噪聲平均值，是制約觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的主要因素。6月之后，D、 Z、F 分量噪聲值明顯下降，H 分量噪聲水平略微下降，普遍低于臺網(wǎng)噪聲平均值，其中 H、Z、F 三個分量噪聲值全年較穩(wěn)定，D 分量變化幅度不超過0.2 nT，很大程度改善了背景噪聲超標(biāo)的情況。

3 典型干擾分析

大同站 FHD 儀主要受到場地施工、車輛運行、高壓直流輸電、斷電等干擾。在數(shù)據(jù)處理中能夠準(zhǔn)確識別各種干擾并采取正確的預(yù)處理方式，對保證觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量至關(guān)重要。

3.1 場地施工干擾

當(dāng)儀器觀測場地周圍施工時，使用的電磁性工具、建筑材料等不可避免地會對地磁觀測產(chǎn)生影響。圖4為2019年12月10日施工干擾事件的數(shù)據(jù)曲線。當(dāng)日大同站工作人員在 FHD 儀探頭室東南側(cè)約20 m 處安裝保溫棚，兩個施工時段都對觀測數(shù)據(jù)產(chǎn)生干擾（圖中方框所示），壓制了正常曲線形態(tài)，當(dāng)刪除掉干擾數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)正常的日變趨勢得以顯示。

施工干擾一般表現(xiàn)為各分量受干擾時段一致，干擾幅度不同。對于場地施工產(chǎn)生的干擾數(shù)據(jù)，多采取缺數(shù)處理，刪除相應(yīng)的錯誤數(shù)據(jù)。

3.2 高壓直流輸電干擾

隨著“西電東輸”工程的不斷發(fā)展，高壓直流輸電線路也逐漸增多，當(dāng)輸電線路出現(xiàn)故障或調(diào)試時，線路中的不平衡電流會對一定范圍內(nèi)的地磁觀測產(chǎn)生干擾[13]。地磁臺網(wǎng)高壓直流輸電判別處理系統(tǒng)能夠給出干擾線路、受影響臺站、干擾時間和幅度，為工作人員數(shù)據(jù)預(yù)處理提供參考。

山西省地磁觀測數(shù)據(jù)受到寧紹線、寧東線、哈鄭線、晉南線、上臨線、昌宣線、陜湖線和錫泰線等輸電線路的影響，各線路與臺站的空間位置如圖5所示。大同站地磁數(shù)據(jù)主要受到晉南線、寧東線、上臨線和錫泰線4條輸電線路干擾，寧東線、上臨線和錫泰線最大干擾幅度均不超過1.5 nT，晉南線最大干擾幅度約3.3 nT。這是由于大同站距離晉南線送端換流站約110 km，受其干擾較其他線路嚴(yán)重，且晉南線對山西省內(nèi)地磁觀測臺站均有影響，故本文主要分析晉南線干擾情況。晉南線輸電線路以山西朔州為送端，江蘇盱眙為受端，途徑山西、河北、山東、河南、安徽和江蘇6省，于2016年4月投入運行，額定功率8000 MW，電流5000 A，電壓±800 kV，線路長度1118.5 km，避讓距離20 km。

2019年4月28日晉南線輸電線路17：43—20：35發(fā)生干擾事件，選取當(dāng)日15—24時大同站和太原站 FHD 儀觀測數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行對比（圖6），干擾時段為圖中方框所示?？梢钥闯?，大同站 FHD 儀 Z 分量受干擾，干擾幅度為2.1 nT；太原站 FHD 儀各分量均受干擾，Z、F 分量較嚴(yán)重，最大干擾幅度為4.8 nT，這可能與臺站和輸電線路的相對位置有關(guān)。大同站 Z 分量受干擾臺階方向向下，太原站 Z 分量臺階向上，這是由于大同站和太原站位于輸電線路兩側(cè)，導(dǎo)致 Z 分量干擾變化方向相反。

蔣延林等[14]推導(dǎo)了高壓直流輸電干擾時產(chǎn)生的附加磁場值ΔZ（nT）與線路中不平衡電流ΔI（ A）、臺站與線路視距離rs（km）的關(guān)系式：

由上式可知，對于同一條輸電線路的同一次干擾，不平衡電流一致，由于臺站和輸電線路位置固定，那么兩個臺站ΔZ的比值就等于rs的反比，也就是一個恒定值，即關(guān)系式：

因此，當(dāng)知道一個臺站的干擾幅度后，可以利用上式計算出另一個臺站的干擾值。

統(tǒng)計2018—2020年大同站、太原站、代縣站和定襄站4個臺站受晉南線輸電干擾事件，以大同站Z 分量干擾幅度為基準(zhǔn)，將其他3個臺站的數(shù)據(jù)與大同站做比值，結(jié)果如表2所示，將大同站干擾幅度值作為 X 軸，其他臺站干擾幅度作為 Y 軸，繪制干擾擬合曲線，如圖7所示。由于代縣站距離晉南線最近，受干擾的幅度最大，大同站和代縣站受干擾方向一致，太原站和定襄站一致。經(jīng)過分析可以看出，各臺站干擾幅度比值擬合效果較好，都接近某一固定值，由于不可避免的受到觀測噪聲影響，比值也會出現(xiàn)波動。太原站與大同站比值近似為?2.261，代縣站與大同站比值近似為24.56，定襄站與大同站比值近似為?12.743。

高壓直流輸電干擾的原則是干擾上升總量等于下降總量，數(shù)據(jù)曲線常表現(xiàn)為尖峰、緩變、臺階， Z 分量受干擾幅度明顯大于其他分量，且各臺站同時出現(xiàn)干擾，利用地磁臺網(wǎng)中心給出的干擾時段，結(jié)合周邊地磁臺站數(shù)據(jù)，可以有效識別高壓直流輸電干擾。對于高壓直流輸電干擾，可以根據(jù)曲線形態(tài)，結(jié)合臺階改正、去除緩變、剔除尖峰進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

3.3 車輛干擾

當(dāng)有車輛在地磁觀測場地附近活動時，往往會對數(shù)據(jù)造成干擾。圖8是2020年9月20日大同站 FHD 儀數(shù)據(jù)受車輛干擾曲線。經(jīng)現(xiàn)場工作人員記錄，當(dāng)日（世界時）06：30—07：30和10：15—10：45有重達(dá)10 t 的大型金屬卡車兩次進(jìn)入地磁觀測場地，由當(dāng)日地磁數(shù)據(jù)曲線可以看出，兩次車輛活動對 FHD 儀各分量數(shù)據(jù)都產(chǎn)生了干擾。車輛06：30第一次進(jìn)入場地時，車輛駛?cè)牒笸？吭谔筋^房東北側(cè)約50 m 處，停放1小時未活動后駛出場地，對應(yīng)數(shù)據(jù)曲線是臺階型干擾，D 分量最大變化2.3′，H 分量變化13 nT，Z 分量變化4.5 nT，F(xiàn) 分量變化3.5 nT。當(dāng)車輛10：15第二次駛?cè)雸龅貢r，車輛圍繞場地行駛一圈，中途不時?？?，距探頭房最近時僅2 m，D 分量最大變化13.8′，H 分量變化130.9 nT，Z 分量變化70.8 nT，F(xiàn) 分量變化62.4 nT，曲線形態(tài)復(fù)雜，突跳和臺階混合，干擾幅度也明顯大于第一次車輛活動。

當(dāng)?shù)卮欧扛浇熊囕v過往，一般會引起數(shù)據(jù)突跳，有車輛停放時會產(chǎn)生臺階，干擾在觀測數(shù)據(jù)各分量上均有體現(xiàn)，受干擾時段對應(yīng)于車輛活動時段。工作人員可以結(jié)合臺站監(jiān)控設(shè)備對觀測場地周邊環(huán)境進(jìn)行實時監(jiān)控，利于識別車輛干擾。對于車輛?？恳鸬呐_階型干擾，可利用臺階改正和剔除尖峰進(jìn)行處理；當(dāng)車輛通過引起突跳時可利用剔除尖峰處理；當(dāng)干擾復(fù)雜，在無法保證曲線形態(tài)的情況下，可采用缺數(shù)處理。

3.4 斷電干擾

2020年10月大同站進(jìn)行辦公機(jī)房改造，期間數(shù)次斷電，恢復(fù)供電后發(fā)現(xiàn) FHD 儀觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)了不規(guī)律干擾，且每次斷電后都會出現(xiàn)這種干擾情況，圖9為10月13日和14日的兩次斷電干擾數(shù)據(jù)曲線，斷電時數(shù)據(jù)缺測，隨之 D、H、Z 分量觀測曲線變粗，出現(xiàn)了錯誤數(shù)據(jù)，而 F 分量正常。經(jīng)工作人員檢查，觀測環(huán)境正常，儀器接線完好，最后發(fā)現(xiàn) FHD 儀主頁的儀器參數(shù)錯誤，實時參數(shù)與原始參數(shù)出現(xiàn)較大偏差，調(diào)諧值偏離超過100 nT。

當(dāng)儀器正常工作時，儀器的實時參數(shù)與原始參數(shù)狀態(tài)較為接近，調(diào)諧值最大偏離約10 nT，儀器參數(shù)界面如圖10所示。原始參數(shù)是儀器在初始儀器調(diào)試或標(biāo)定時形成的工作參數(shù)，實時工作參數(shù)是儀器當(dāng)前的工作參數(shù)。當(dāng)調(diào)諧值嚴(yán)重偏離時，會影響到觀測數(shù)據(jù)的精度，使觀測數(shù)據(jù)曲線線條變粗，毛刺增多，甚至出現(xiàn)亂數(shù)現(xiàn)象，儀器工作參數(shù)不能實時跟蹤變化，在選擇“恢復(fù)缺省參數(shù)”功能后，實時參數(shù)恢復(fù)為原始參數(shù)，儀器正常工作，數(shù)據(jù)曲線也恢復(fù)正常。

對于此種斷電導(dǎo)致實時參數(shù)變化的干擾，需要工作人員監(jiān)控通電情況，在恢復(fù)供電后及時檢查儀器主頁參數(shù)情況，盡快處理，保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

（1）制約大同站 FHD 儀觀測水平的主要因素是背景噪聲超標(biāo)，在2019年6月儀器更新改造后得到明顯改善。

（2）通過分析場地施工、車輛運行、高壓直流輸電、斷電等典型干擾事件下的數(shù)據(jù)曲線形態(tài)，總結(jié)出以下特征：①施工干擾會產(chǎn)生不規(guī)律的錯誤數(shù)據(jù)，各分量受干擾時段一致，干擾幅度不同；②車輛干擾表現(xiàn)為觀測場地附近有車輛過往時引起數(shù)據(jù)突跳，有車輛停放時產(chǎn)生臺階，數(shù)據(jù)各分量均受干擾，對應(yīng)于車輛活動時段；③高壓直流輸電干擾常表現(xiàn)為 Z 分量干擾嚴(yán)重，且各臺站干擾具有同步性，可以通過國家地磁臺網(wǎng)中心給出的干擾時段，結(jié)合周邊地磁臺站數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；④斷電干擾表現(xiàn)為 D、H、Z 分量觀測數(shù)據(jù)曲線變粗，毛刺增多，甚至出現(xiàn)錯誤數(shù)據(jù)，可以通過修改儀器參數(shù)解決。當(dāng)數(shù)據(jù)曲線可以通過臺階改正、去除緩變和剔除尖峰處理時，應(yīng)盡量保證數(shù)據(jù)的完整性；當(dāng)干擾復(fù)雜無規(guī)律時，才采用缺數(shù)處理。

（3）工作人員在進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理時，應(yīng)結(jié)合當(dāng)天干擾情況和數(shù)據(jù)形態(tài)，正確進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。同時，對于無法判定的數(shù)據(jù)異常變化，要結(jié)合其他地磁臺站數(shù)據(jù)對比分析，利用相對差值檢測等方式及時發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)變化原因，進(jìn)行合理的預(yù)處理，保證數(shù)據(jù)可靠性。

致謝

本文地磁觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量評價是基于國家地磁臺網(wǎng)中心的評議結(jié)果，高壓直流輸電干擾時段也由地磁臺網(wǎng)中心給出，在此表示誠摯的謝意。

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