我国地磁台站受干扰的显著性分析

吴博洋 李赫 张明东 姚蕾 宋田 赵黎明 尚先旗

摘 要：I类、II类地磁台站是我国地磁台网布局中十分重要的基本台站，其观测数据的质量和观测资料的历史连续性在全国定点地磁台站中都非常优秀，但随着我国经济建设的发展，部分台站的观测环境受到不同程度的干扰，其中地铁、轻轨等城市轨道交通的高压直流供电制式对地磁场数据的影响较大。本文采用我国18个I类、II类台站的地磁Z分量秒數据，选用ap指数小于3的磁静日数据进行频谱分析，统计分析振幅谱的噪声计算结果，得出我国I类、II类台站的磁场环境现况。

关键词：地铁干扰；噪声优势频率；I类、二类地磁台

引言

目前我国地磁台网中I类地磁基本台15个，Ⅱ类地磁基本台22个，其他区域地磁台站100多个（见图1，表1）。I类II类台站分布较为均衡，其余区域台站针对于危险区和重点监视区，主要分布于南北带，郯庐带和首都圈等地区，从整体上看，中东部地区台站密度较大（见图2）。

据《2014年-2020年中国城市轨道交通行业发展模式与未来前景分析报告》的统计数据显示，截止至2013年末，中国累计有19个城市建成投运城轨线路87条，运营里程2539公里，其中地铁2074公里，占总里程的81.7%；轻轨192公里，占总里程的7.6%；单轨75公里，占总里程的3.0%；现代有轨电车100公里，占总里程的3.9%；磁浮交通30公里，占总里程的1.2%；市域快轨67公里，占总里程的2.6%。这些线路的运行对周边几十公里的地磁数据都有不同程度的影响，随着更多线路的新建和叠加，其对地磁数据的影响将更加深入和复杂。

如何合理有效地利用地磁台网的观测数据进行地震预测研究是地震科学的一个重要问题，据徐文耀（1997）指出，地震预报强调地震前兆要形成场，因此在地磁学中，研究并绘制高精度的区域地磁图，为地震预报提供一个可靠的背景场是重要的课题。国内外在绘制地磁图时，分别就地磁台站空间选择、数据可靠性分析、区域地磁场解算等方面做了大量工作（徐文耀，1997）。本文将从中国大陆东西部地磁台站分布密度、地磁环境干扰程度对中国大陆东西部地磁观测环境做具体比较，利用最新的台站统计结果以及记录的资料，初步量化评估I类、II类地磁台观测环境的差异，为“七五”、“八五”地震科技攻关总结的技术方法（国家地震局科技监测司，1990）及近年一些地震地磁分析方法的适应性提供参考。

1 东西部I类、II类地磁台环境现状直观差异

东西I类、II类台站的观测环境差异主要表现在东部人为干扰突出，西部台间距太大。

1.1 东部地磁台严重干扰现象统计

改革开放以来，中国东部地区铁路、公路、桥梁、高压电网、城市地铁、高楼、大中型企业、乡镇企业等都在快速发展。它们对地震台站尤其对地磁台站的观测数据带来很大冲击。台站周边环境遭到破坏，各种电磁干扰造成观测、记录数据失真。不少地磁台站因不能正常进行工作而迁台。比如辽宁大连地磁台、湖北武汉地磁台、福建泉州地磁台、广州地磁台都于近十几年内迁到新的地点。再如北京白家疃地磁台、上海佘山地磁台的观测环境也都遭到十分严重破坏。前者受北京地铁干扰，后者则受到周边企业等干扰。即使没有迁址的其他地磁台也面临着严峻的形势。

1.2 西部地磁台台间距统计

我国西部地区占国土面积71.35%。而I类台和Ⅱ类台西部地区总共只有18个。以青海、西藏、新疆为例，新疆维吾尔自治区166.49万平方公里，占中国国土总面积16.6%（新世纪版总参谋部测绘局编制 ）。西藏自治区全区土地面积为122万多平方公里，约占全国总面积的12.8%。青海省占地面积72.23万平方公里，约占全国总面积的7.52%。三个自治区加起来占全国面积的37.5%。而I类台一共只有4个。新疆I类台只有乌鲁木齐地磁台和喀什地磁台，西藏I类台只有拉萨地磁台，青海I类台也只有格尔木地磁台。喀什与乌鲁木齐相距1100公里，乌鲁木齐距格尔木1050公里，格尔木距拉萨825公里，拉萨距喀什1750公里。由图1可以直接看出，从中国东部地区到西部地区台站密度呈下降趋势。

2 有轨交通规划及距台站最小距离规定

2.1 有轨交通规划

2009年国务院批复22个城市的地铁规划，预计在2015年前后，在北京，天津等22个城市建设79条轨道交通线路，全长2259.84公里，总投资8820.03亿元，轨道交通信号干扰将成为地磁学科面临的普遍问题（天津市人民政府，2011）。

2.2 城市有轨直流运输系统距地震台站电磁观测设施的最小距离

在城市有轨直流运输系统对地的过渡电阻值符合CJJ49-1992的条件下，城市有轨直流运输系统距地震台站电磁观测设施的最小距离，应符合下列规定：

城市有轨直流运输系统距地震台站地磁观测点的最小距离应不小于30Km。

3 地铁对地磁观测数据干扰情况

选取全国东部三个台站连续三日（2017年11月20日至11月22日）的地磁观测数据为例作为分析，其中静海、崇明、杭州受轨道交通的影响比较明显。从图3见，天津静海台的噪声变化在1nT左右，造成干扰的主要原因是地铁与轻轨等干扰。地铁的运行时间是北京时间06时至23时，在其停运期间地磁观测数据基本恢复正常。杭州台的干扰也比较明显，噪声范围在5nT左右，主要影响同样是地铁干扰，杭州台距离地铁线路较近，数据变化较大。上海的崇明台噪声变化在3nT左右。为使图3更加清晰，在原有图形（图3）的基础上上海增加4nT、杭州增加12nT、静海不变。

4 东西部地磁台站观测质量对比

通过对东部三个台站和西部三个台站（2017年11月20日至11月22日）三天地磁观测数据进行标准差计算得出表1。对东部台的标准差进行分析，通过数据可以分析出西部三台观测资料比东部三台观测资料总体质量要高，从而更加说明西部观测环境的优越性。

进一步对全国18个台站进行原谱值分析，提取受地铁干扰最严重的时间段和地铁停运的时间段进行分析，导致频谱成份复杂，所受干扰的频带较宽，振幅值大，上海的振幅范圍0.01-0.02，杭州较为严重振幅值范围0.01-0.13。给出东部三大城市地铁与观测点之间的距离（表2）。西部大部分台站观测数据振幅值值较小，振幅值值范围在0.01。比东部（杭州）振幅值小了一个数量级。西部台站观测环境近乎纯天然，很适合地磁观测。

为使原谱值图更加清晰，在原有谱值图的基础上静海不变、杭州增加0.01、上海增加0.02、每台依次增加0.01。

图4是18个台站三日观测数据的原谱值图，图5是提取地铁开通时间段受干扰的情况，明显看可以看出干扰严重（上海，杭州最为明显）由图6可见在地铁停运期间，观测数据所基本恢复正常。综上所述，地铁对地磁观测数据产生了非常明显的干扰，尤其是东部大城市如杭州、上海，已经成为重灾区。西部由于有轨交通目前为止不是很发达，所以观测环境背景相对较为干净。

5 结论与讨论

本文通过对中国大陆东西部地磁台站密度、观测环境等进行了比较分析。通过分析显示，东部地区大城市观测环境相对较差，尤其受地铁影响较为严重，西部城市观测环境明显比东部具有较大的优势。

目前比较成熟的地磁预报方法有空间相关法、简单差值法、低点位移法、转换函数法。但在当前的观测环境下比较成熟的地磁预报方法实现起来较为困难。尤其目前城市都在积极建设有轨交通，而且离地磁台站的距离越来越近，观测数据将面临更严重的干扰。从而对地磁预报地震产生更严重的影响。

通过以上讨论，西部地区建设地磁台网是很必要的。因西部地区城市化发展没有东部如此迅猛，轨道交通目前并不发达，观测环境所受破坏程度相对较小。甚至在一些人烟稀少的地方，观测环境近乎纯天然，从而保证了观测数据的质量，加之西部台站密度极低，西部建设地磁台网大有发展。如能在西部地区提供的准确的地磁数据基础之上运用一些经典的预报地震的方法，会进一步提高当地地震预测的准确性。

参考文献

[1] 周锦屏.中国地磁台网观测与研究进展[J].地震地磁观测与研究，1999，20（5）：113-120.

[2] 张明东，张文蕾，曹井泉等，基于Copula理论挖掘地磁Z分量震磁信息，地震学报[J]，2014，36（5）：930-943.

[3] 张明东，马骥，尚先旗等，天津GM4磁通门磁力仪受轨道交通干扰的谱分析，内陆地[J]，2015，29（2），154-161.