邕宁地震台地磁观测一次特殊干扰分析

李 莎吴 静李家宁原永东向 巍阎春恒

1）中国南宁530022广西壮族自治区地震局

2）中国广西壮族自治区530200邕宁地震台

邕宁地震台地磁观测一次特殊干扰分析

李 莎1）吴 静1）李家宁2）原永东1）向 巍1）阎春恒1）

1）中国南宁530022广西壮族自治区地震局

2）中国广西壮族自治区530200邕宁地震台

2015年6月26日以来邕宁地震台GM4和FHDZ-M15磁力仪秒记录数据出现同步尖峰异常，分析此次特殊干扰的变化特征，排除了观测系统、农具、高压直流输电、雷电、市政修路铁磁性物质干扰的可能。利用毕奥—萨伐尔定律进行计算，发现干扰源为杂散电流的可能性较大。结合邕宁地震台周边环境推测，居民用电设备、市政施工、地铁试运行通电等用电设备漏电均可能产生杂散电流。

地磁观测；尖峰干扰；异常核实；干扰源排查

0 引言

随着地震预测研究工作的不断深入，地震前兆观测资料在中短期地震预测预报实践中的作用日益显著。大量破坏性地震研究已证实，震前电磁异常现象已成为地震日常监测预报，特别是短临预报的有效手段之一（鲁跃等，1999；丁鉴海等，2003，2004，2006；韩鹏等，2009；王武星等，2009；李树华等，2011；袁洁浩等，2014）。地磁观测信号包含地球变化磁场的外场和地球内部电性介质感应生成的变化内场等丰富信息，具有频带宽、动态范围大、易遭受干扰等特点，这给我们获得连续可靠的观测资料带来巨大困难，也是我们需要逐步解决的基本问题（高荣胜等，1999）。近年来，随着城市建设发展，地磁观测数据质量逐年下降，地磁干扰日益增多，甚至会造成地震前兆异常的误判和掩盖（李轶群等，2007；冯武等，2008；赵永志等，2013）。如何识别并排除各种地磁干扰，已经成为目前地磁台站工作的一个重要组成部分，通过这项工作可为地震监测和预报提供更为真实、准确的信息支持（吴乔木，2007；毛华峰等，2013）。

邕宁地震台（下文简称邕宁台）GM4和FHDZ-M15（下文简称M15）两套磁力仪2015年6月26日起秒记录数据出现同步尖峰异常，该现象比较特殊，在该台比较少见。此次尖峰异常干扰源来自何处？属于观测系统干扰还是环境干扰？对此，本文从地磁干扰分析、干扰源排查进行分析，以便对观测环境保护提供借鉴。

1 台站概况

邕宁台由广州地震大队始建于1972年5月，属国家基准台，地处NW向右江断裂带与NE向桂林—南宁断裂带交汇处以东，距南宁市中心约27 km，占地面积约5 500 m2。观测房和记录室位于台站以北160 m处独立院内，台基岩石为白云质石灰岩（阎春恒等，2015）。邕宁台先后建成地磁相对记录室和绝对观测室，由于保温、防潮等不达标，1982年8月起对绝对观测室和相对记录室进行全面改造，1984年产出数据。为避免水患，1987年10月增建相对记录房进行对比观测。“九五”期间，重建邕宁地磁绝对观测房，对原相对观测仪器进行数字化更新，并重新测定观测墩方位角。“十五”期间安装M15地磁总场与分量组合观测系统，同时撤消CB-3型磁变仪。

图1　邕宁地震台地磁测项分布Fig.1 The distribution map of geomagnetic observation project at Yongning Seismic Station

目前，邕宁台地磁观测拥有绝对观测和相对观测两种手段。绝对观测仪器包括CTM-DI、Mingeo-DI和G856磁力仪，相对观测仪器为GM4和M15，见图1。图中1号墩是MINGEO-DI地磁经纬仪，2号墩是G856质子旋进磁力仪，3号墩是CTM-DT地磁经纬仪，4号墩是备用墩，5号墩是FHDZ-M15地磁总场与分量组合观测系统，6号墩是GM4磁通门磁力仪。自1984年以来实时产出地磁观测资料，至今已经积累大量连续观测资料。除2007年3月至5月因数字化改造出现较长时间缺数外，其余时段资料连续率好，可靠性较高。2013年地磁学科观测资料预报效能评估邕宁台为A类，观测资料质量较好①广西地震局地磁学科组.广西壮族自治区电磁学科观测资料地震预报效能评估报告.2013.。

2 地磁特殊干扰特征

2015年6月26日起，邕宁台GM4和M15磁力仪的秒采样数据均出现尖峰干扰，而分采样数据未受到干扰。分析干扰时段的连续观测资料，限于篇幅，仅给出2015年8月1日至3日两套仪器地磁记录变化曲线（图2，图3）及8月1日Z分量尖峰出现时间、变化幅值、干扰形态对比表（表1）。由图2、图3和表1发现，持续尖峰干扰存在以下变化特征：①各分量干扰同步出现，其中Z分量和F分量干扰较明显，H分量和D分量很小，可以忽略；②尖峰干扰出现时间随机性较大，无明显规律，且每次干扰持续时间一般不超过3 s；③Z、F分量记录的尖峰干扰形态一致，呈现向上或向下变化的随机性，从影响幅值来看，Z分量变化幅值约0.5—5.5 nT，F分量约0.5—2.0 nT，同一时刻两分量记录的尖峰干扰幅值不同，通常Z分量干扰值较大。

进一步分析发现，受干扰明显的Z分量，GM4和M15两套仪器地磁变化幅值差值最大可达3.0 nT。两套仪器相距约5 m，仪器采样率、整体功耗、供电电源及工作环境温度相同，对工作环境湿度要求存在差异，GM4小于80%，M15小于85%。推测两套仪器受干扰幅度存在差值，可能由仪器工作性能或到干扰源距离不同所致。

图2　邕宁地震台GM4磁力仪Z、H和D分量秒记录数据曲线Fig.2 The Z，H and D component secondly data curves of GM4 magnetometer at Yongning Seismic Station

图3　邕宁台M15磁力仪Z、H、D和F分量秒记录数据曲线Fig.3 The Z， H，D and F component secondly data curves of M15 magnetometer at Yongning Seismic Station

表1　2015年8月1日GM4和M15磁力仪Z分量尖峰出现时间、变化幅值、干扰形态对比Table 1 Spikes time，variation amplitude and interference form comparison of Z component of GM4 and M15 on August 1，2015

3 干扰排查

3.1 观测系统

为了查明尖峰干扰源，首先对仪器系统进行排查。GM4和M15的仪器探头、模拟装置和主机均正常工作，由图2、图3可见，两套仪器记录的正常地磁场变化曲线形态一致，尖峰干扰的时间、变化幅值、干扰特征（表1）也基本同步，表明两套仪器处于正常工作状态。

依据《地磁测量与地磁台站工作指南》，检查辅助观测系统，发现观测室温度、湿度、抽湿机、供电系统等均符合观测要求。2015年5月16日室内避雷箱尖峰吸收器损坏，9月14日修复，尖峰干扰依然存在，由此可排除干扰源为避雷箱的可能。

3.2 观测环境与自然环境

邕宁台观测环境和自然环境干扰主要为农耕、高压直流输电及雷电，干扰特征见表2。

（1）邕宁台四周皆为农田，时常受到铁磁性农具干扰，Z、F、D、H分量均不同程度受到影响，干扰形态以台阶为主，影响幅值约10 nT。

（2）2000年12月以来，邕宁台磁力仪受到广西“西电东送”高压直流输电线路（天生桥→平果→来宾→梧州→广州）干扰。当高压直流输电线路通电时，Z、F、D、H分量分数据和秒数据记录均受到影响，干扰形态以台阶为主，持续2—3小时，变化幅值约10 nT。

（3）1997年至今，邕宁台受雷电干扰，造成数据突跳现象，Z、F、D、H分量原始分数据和秒数据记录均受到影响，干扰形式表现为观测曲线随雷电持续时间整体偏移，类似长时间台阶，变化幅值约20 nT。

以上3类干扰磁力仪Z、F、D、H分量均能记录到，干扰形态基本呈台阶状，幅值10—20 nT，持续时间数分钟至几小时不等，与此次尖峰干扰存在明显差别。因此，可排除农具、高压直流输电和雷电为尖峰干扰源的可能。

表2　农具、高压直流输电及雷电干扰特征Table 2 The interference characteristics of farm tools，HVDC and lightning

4 尖峰干扰源确认

经上述分析，基本排除尖峰干扰源来自观测系统、观测环境及自然环境的可能。基于此，针对疑似干扰源进行进一步探究。

4.1 市政修路干扰

邕宁台观测室周边自2012年5月起陆续受到市政施工影响，施工点距离观测室200—400 m，施工器械以大型挖掘机和运输车辆为主。2012年5月至2015年6月26日，地磁分、秒观测数据曲线尚未出现明显台阶和密集尖峰干扰现象。赵学敏（1988）认为，观测室与机动车辆公路距离超过300 m，干扰可忽略。结合2012年5月至今的观测曲线，可排除300—400 m范围内路政施工影响。观测房与市政修路点最小距离205 m，该施工点于2015年3月起施工，至6月26日地磁观测曲线未出现尖峰干扰，由此基本排除该施工点铁磁性物质干扰影响。

4.2 用电设备漏电干扰

地磁观测房周边民居日益增多，观测室与最近民居直线距离仅约150 m，各种家用电器、路灯、建筑施工器械等用电设备数量增多。此外，南宁市地铁1号线2014年底竣工，地铁东端到台站最小距离约7.5 km，目前已进入通电调试阶段。这意味着观测房周边用电设备泄露的杂散电流增多。尖峰干扰幅度约5 nT，设干扰源为周边泄露的杂散电流，采用毕奥—萨伐尔定律（赵凯华等，1985；谢凡等，2011）计算电流量值，与周边用电设备漏电电流进行对比，以此排查并判定干扰源。

4.2.1 原理。由毕奥—萨伐尔定律（赵凯华等，1985；谢凡等，2011）可知，在地表（z=0）某点（x，y）处，电流元Idl在细导线上激发的元磁场是

式中，μ0为真空磁导率，r为从电流元到观测点的矢量。一个有限长或者半无限长细导线上的电流产生的磁场可由式（1）推导，即

式中，R为由细导线到观测点的垂直距离，θ和φ分别为观测点到该导线头尾两端的角度。当导线无限长时，式（2）可简化为

4.2.2 计算结果。假设观测室周边产生杂散电流的用电设备导线无限长，真空磁导率μ0取值4π×10-7H/m，磁场强度取尖峰干扰最大幅值5 nT，R为不同用电设备到观测室的垂直距离（单位：m），代入式（3），可得不同距离用电设备与地磁干扰幅值的关系为I=0.025R，由此式计算漏电电流理论值I，见表3。

当地磁干扰幅值为5 nT时，不同距离用电设备产生的泄露电流量值是相对合理的（表3）。由此可知，邕宁地震台周边环境较复杂，居民用电设备漏电、市政施工漏电、地铁试运行通电等产生的泄露电流，均可能为潜在干扰源。是否还存在其他干扰因素，有待获取更多资料进行深入探讨。

表3　干扰最大幅值5 nT与用电设备不同距离电流关系Table 3 The relationship of maximum interference amplitude（5 nT） and the electric current from the electrical equipments in different distances

5 结论

对2015年6月26日以来邕宁地震台地磁观测出现的尖峰干扰变化进行分析，排除干扰源为观测系统、农具、高压直流输电、雷电、市政修路铁磁性物质的可能，从尖峰干扰特征和地磁观测室周边环境推测，干扰源为杂散电流的可能性较大。据此，假设尖峰干扰的影响幅值为5 nT，利用毕奥—萨伐尔定律进行理论推算，结果显示，杂散电流与距离的关系式可以表示为I=0.025R。此电流大小与周边用电设备可能产生的泄露电流量值基本一致，表明观测室周边居民用电设备漏电、市政施工漏电、地铁试运行通电等产生的泄露电流，均可能成为潜在干扰源。

可靠的地震前兆观测资料是开展地震预测预报探索实践和地震基础研究的基础。然而，随着经济快速发展和城市化进程的加速，地震前兆观测干扰越来越多。地震台站观测环境保护工作任重而道远，需要大力宣传和依法保护，更需要全社会的鼎力支持和共同参与。

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Abstract

There were some synchronized spike interferences appeared at second recording data of GM4 and FHDZ-M15 magnetometers at Yongning Seismic Station since June 26，2015.By analyzing the changed characteristics of special interference，the possibility of observation system，farm tools，HVDC，lightning and ferromagnetic material of municipal roads had been ruled out.Calculating by the Biot-Savart law，it is believed that stray current was likely to be a source of interference.Combined with the surrounding environment of Yongning Seismic Station，it is found that the stray current maybe come from the leakage of residential electricity equipment，municipal construction，the subway running electricity and other electrical equipment.

A special interference analysis of geomagnetic observation at Yongning Seismic Station

Li Sha1），Wu Jing1），Li Jianing2），Yuan Yongdong1），Xiang Wei1）and Yan Chunheng1）
1） Earthquake Administration of Guangxi Zhuang Autonomous Region，Nanning 530022，China
2） Yongning Seismic Station，Guangxi Zhuang Autonomous Region 530200，China

geomagnetic observation，spike interference，abnormal verification，interference source exclusion

10.3969/j.issn.1003-3246.2016.03.024

李莎（1989—），女，硕士研究生，主要从事前兆数据处理分析工作。E-mail： lisha4340@163.com

广西科技攻关计划（编号：14124004-4-8、1298005-2、1377002、12426001）、地震科技星火计划（编号：XH14041Y）、中国地震局“三结合”课题（编号：152001、162001）联合资助