崇州地震台GM4型磁通门磁力仪典型干扰分析

李国超，钟李彬，李雪浩

(成都地震基准台 四川省地震局，四川 成都 611730)

GM4型磁通门磁力仪是国家“十五”项目地磁学科研究的重要科技成果，该仪器可用于测量地磁水平、垂直及偏角3个方向的相对变化，具有灵敏度高、频带宽、易于实现数字化等特点，为秒采样的高精度地磁观测仪器，目前已成为地磁相对记录的重要仪器。从仪器的工作原理来看，GM4型磁通门磁力仪的探头因采用环形磁通门传感器，使得GM4型磁力仪易受到观测站点周围铁磁性物质及电磁干扰，从而导致部分记录曲线的畸变(吴琼,2008)，由于干扰源不同，记录曲线产生的畸变形态也不尽相同。崇州地震台安装有2台GM4型磁通门磁力仪，由于受观测环境影响，观测数据不时出现突跳、台阶等畸变现象，需要进行处理。产生原因有车辆干扰、电磁干扰等。本文选取崇州地震台GM4型磁通门磁力部分受干扰记录曲线形态进行对比、分析、总结，以便工作中更好地分辨干扰，对记录数据进行合理、恰当的预处理，保证数据连续可靠。

1 台站观测环境及仪器简介

崇州地震台于2012年建成，为四川省的区域性台站，场地位于北东向龙门山断裂带的前山断裂与山前隐伏断裂带之间，距前山断裂7.5 km、处于中央断裂的东支旋口断裂19 km处、距离映秀断裂22 km，距山前隐伏断裂带的竹瓦铺—什邡断裂约15 km。距场地最近的断裂是龙门山断裂带前山断裂的次级分支—万家坪断裂，龙门山断裂带前山断裂展布于场地北西侧约4.8 km。崇州地震台地磁观测为地表观测，地磁观测室建于台站后山，建筑面积40 m2，采用无磁性材料建设，周围场地开阔，观测站距办公场所80 m，观测室西面10 m处为台站围墙，周围无大型工矿企业。基岩是由上侏罗统紫灰色砂岩、黄棕色岩屑石英砂岩、棕红色粉砂岩与泥岩层等组成的互层，并表现为倾向南东的单斜层。崇州台安装有GM4型磁通门磁力仪两台，Overhouser磁力仪一台，用于地磁场相对观测，测量地磁场水平分量H、垂直分量Z、地磁总场强度F和偏角的变化，同时监视探头温度，产出秒采样数据。仪器参数：测量范围为±62 500 nT；分辨力为0.1 nT；采样率为1次每秒；工作温度范围为0～60 ℃。

2 观测资料相关干扰分析

通过对崇州台GM4仪地磁观测数据分析，发现影响观测资料质量主要有自然和人为因素。通常地磁场是连续、稳定的，但平时观测过程中存在人为干扰因素、环境因素等。对这些干扰因素进行分析，便于保证我们进行日常数据处理的正确性，这对提高地磁观测资料质量有积极意义。

2.1 大型施工机械的干扰

随着城市建设的发展，许多地方都在进行工程施工，这对于地震台仪器的干扰在所难免。根据GM4磁力仪观测工作日志，在2015年7月19日1时17分至7时20分，崇州地震台地磁观测室西北围墙外有大型工程机械进出，位置与观测室最大水平距离小于30 m、最大垂直距离小于20 m(参见图1～2)。查阅相邻距离最近的成都台观测曲线，发现同一时段成都台没有处理记录，即原始曲线与预处理曲线形态一致。选取崇州台和成都台GM4磁通门磁力仪2015年7月19日三分量数据分数据原始记录曲线图对比(参见图3～4)。由图3～4看出，崇州台GM4三分量受大型施工机械影响比较明显，记录曲线中可以清晰辨别干扰起始和结束的形态，干扰形态的起始—高峰—结束差值分别约为0.3、2和0.5 nT。这与施工机械行进路线和仪器相对位置有关。将成都台GM4仪分数据三分量曲线与之相比较，成都台记录曲线能够反映正常的地磁场变化(参见图5)。3台GM4仪分数据三分量曲线相比较，崇州台大型施工机械对GM4造成的干扰是一个等量加载、卸载的过程，因此记录曲线反映为畸变—恢复的过程，这些与大型施工机械的活动对应。

图1 崇州地震台周围环境情况

图2 崇州地震台GM4地磁仪设备示意

图3 崇州台GM4第1号仪器原始记录曲线

图4 崇州台GM4第2号仪器原始记录曲线

图5 成都台GM4原始记录曲线

2.2 围墙外车辆的干扰

崇州台地磁观测室与西面围墙的最小距离为10 m，西面围墙处时常有车辆停放，这会对仪器观测造成干扰。受干扰的记录曲线在秒数据变化中表现为台阶形态或尖峰形态，在分钟数据曲线中比较多的表现为明显的台阶性突然变化(参见图6)。在2016年2月27日6时43分至7时18分各分量记录曲线有明显的台阶性变化，其中对于垂直分量记录曲线的干扰尤其严重，这是典型的车辆干扰。在日常数据处理过程中发现，围墙外车辆所造成的干扰，在GM4仪三分量记录的变化曲线上表现形态不一样。有些干扰在三分量记录曲线上同时出现台阶形态，有些只在垂直分量和水平分量记录曲线上以台阶形态出现，在偏角记录曲线上则以尖峰形态出现，也有的干扰在某一分量有明显台阶突跳形态，而其他分量并无明显反映。这与围墙外车辆停放具体位置有关，因此在数据预处理过程中，不应拘泥于固定形式，要通过对秒数据进行仔细分析后才能够进行相应的数据处理。

图6 崇州台GM4三分量受车辆干扰

2.3 基建工程施工的干扰

2016年8月至9月间，在崇州台观测区域进行了川滇实验场三分量电磁扰动观测场地的施工建设，期间每日23时至次日8时均为施工时段，为了研究施工对于观测数据的影响，其中选取8月11日至14日原始记录曲线进行分析(参见图7)。针对作业时段，对崇州台三分量原始分数据曲线进行分析，发现记录曲线各分量呈现明显的干扰。图7中，各分量分数据记录曲线在每日23时至次日8时左右有明显畸变，表现为大幅毛刺及尖峰突跳。而该工程涉及观测场地的平整及钻井，汇集了大型机械，施工机械采用交流电对观测环境造成电磁干扰产生，导致地磁观测环境发生改变，施工结束后影响消失。因崇州台GM4磁力仪为地表观测，受周边观测环境基建工程影响尤为严重。

图7 崇州台GM4三分量受基建工程干扰

2.4 高压直流输电的干扰

高压直流输电主要对地磁的垂直分量Z产生影响，当对垂直分量Z影响较大时，才会对水平分量H、偏角D产生一定影响，且垂直分量明显大于水平分量，其形态主要表现为尖峰、缓变、台阶，台阶又可分为单个台阶、多重台阶、缓变台阶和跨日台阶(蒋延林,2014)。崇州台GM4磁力仪在2016年11月22日数据预处理过程中垂直分量分数据出现明显台阶，而水平分量台阶较小，偏角几乎不受影响(参见图8)，为典型的高压直流输电干扰。经查询国家地磁台网高压直流输电干扰列表，得出了高压直流输电干扰时段(参见表1)。2016年11月22日3时57分至8时10分受宝鸡德阳线高压直流输电干扰，干扰幅度为3.1 nT，干扰曲线表现为典型的单台阶。在处理数据过程中，需要根据给定变化幅度、时间及实际记录曲线，在进行多台对比、差值检测及相关系数检验后，对高压直流输电造成的台阶和缓变台阶量大小和时间做出确定后再进行处理。

图8 崇州台GM4三分量受高压直流输电干扰

表1 崇州台2016年11月22日高压直流输电干扰时段

2.5 空间电磁影响的干扰

当太阳表面活动旺盛，特别是太阳黑子极大期时，太阳表面耀斑爆发次数增加，辐射处x射线、紫外、可见光及高能量的质子和电子束。其中带电粒子(质子、电子)形成的电流冲击地球磁场，引起电离层变化，同时引起地球磁场强度和方向发生急剧不规则变化，称为磁暴。按影响强度，磁暴可划分为小磁暴、冲击磁暴和大磁暴。按照形态变化，可分为缓始磁暴和急始磁暴。2017年7月16日6时至7月18日14时，期间崇州台GM4仪地磁观测曲线连续毛刺突跳严重，与平时相比极不平滑。查询相邻台站数据发现观测曲线同样出现连续的毛刺突跳现象，因此排除周边观测环境及仪器自身因素引起的干扰，认定为磁暴现象(参见图9)。由图9可见，在磁暴发生时，各分量出现明显突跳，其特征是初动波动范围大且突跳尖锐。

图9 崇州台GM4三分量受磁暴干扰

3 结论

对崇州台GM4磁通门磁力仪的观测资料干扰因素分析研究，得出以下结论：(1)在日常观测中，有些干扰无法避免，如磁暴等自然现象，对观测记录曲线影响主要表现为数据突跳(特别是磁暴开始时段)。(2)GM4磁通门磁力仪易受车辆干扰，分数据记录曲线畸变主要表现为台阶。且当车辆与GM4仪相对位置不同时，对三分量记录曲线造成的干扰形态也不尽相同，在分数据预处理的时候，需要对秒数据进行仔细分析，再进行处理。(3)基建工程影响主要来自施工过程中机械铁磁性物体干扰及工程机械交流供电产生的电磁干扰，通常施工结束后影响消失，具有一定时效性时基建工程影响的特点。(4)高压直流输电干扰主要表现为尖峰、缓变及台阶，且对垂直分量Z影响幅度远大与水平分量H及偏角D，在日常处理过程中，为获取真实的磁场变化，需要工作人员对不同形态的干扰采取多种方法进行预处理。(5)GM4磁通门磁力仪的观测环境保护非常重要，观测室距离围墙应该大于30 m。在观测室周围30 m范围内应该避免铁磁性物体干扰。

吴琼,滕云田,王喜珍,等.2008.“十五”地磁相对记录仪器干扰分析与安装方案改进[J].地震地磁观测与研究，29(4)：53-56.

蒋延林,张秀霞,杨冬梅,等.2014.高压直流输电对地磁观测影响的特征分析[J].地震，34(3)：132-139.