漳州台地磁观测环境干扰分析及排除＊

2020-02-25郑志泓李杏梅俞文俊张凯全建军赖见深

科技与创新 2020年2期

郑志泓，李杏梅，俞文俊，张凯，全建军，赖见深

漳州台地磁观测环境干扰分析及排除＊

郑志泓1，李杏梅1，俞文俊1，张凯1，全建军2，赖见深3

（1.福建省地震局漳州地震台，福建漳州 363000；2.福建省地震局永安地震台，福建永安 366000； 3.福建省地震局东山地震台，福建东山 363400）

通过统计漳州台地磁观测资料中存在台阶和尖峰的时间段，结合监控设备对地磁房周边环境进行实时监控，以及与福建省其他地磁台站的差值进行比较，判断该时间段的台阶和尖峰是否由观测环境变化引起，并分析环境干扰造成的数据曲线形态特征及变化幅度大小；同时，结合日常处理环境干扰的经验，总结如何排除地磁观测环境的干扰以及对干扰的数据进行预处理。希望不仅能为台站地磁观测数据预处理、异常跟踪分析和地磁会商提供有效可靠参考意见，还能为地震预报及其他提供思路。

地磁；观测环境；地震；监测台

1 台站参数

漳州地震监测台成立于1971-07-01，位于龙海市九湖镇衍后村石狮岩，地理坐标为东经117°37′54.9″，北纬24°28′ 58″，海拔42.3 m。基岩为花岗闪长岩，台站距长诏断裂带几十千米，附近有北西向、近南北向断裂经过。漳州地震台地磁观测始于1981年，根据地磁Ⅱ类台要求，地磁总强梯度小于等于10 nT/m，地磁房台址地质条件覆盖层厚、基岩为花岗闪长岩，未发现磁体岩体，符合地磁台选址规范的要求。目前漳州台电磁学科配备了FHD-2B型质子矢量磁力仪、GM3型磁通门磁力仪以及FGM 01磁通门磁力仪。

2 观测环境干扰分析

通过对近几年漳州台地磁观测数据分析，发现影响观测资料质量的因素主要有自然因素、仪器自身因素、人为干扰因素、外界环境因素等多方面干扰因素。漳州地震台地磁观测场地位于台站内部，有两间地磁观测房，距离围墙外公路仅30 m，距离台站山顶寺庙仅70 m，距离台站宿舍楼及山洞仅15 m左右，观测环境受外界干扰较大，为尽快、有效对地磁观测环境的干扰进行分析及排除，在地磁房附近安装了4个摄像头，时刻监视观测环境是否受到破坏，通过对这些干扰因素分析，对台站观测环境保护、提高地磁观测资料质量有积极意义。

漳州地震台地磁观测点分布如图1所示。

2.1 自然因素的影响（磁暴）

当太阳表面活动旺盛，特别是在太阳黑子极大期时，太阳表面耀斑爆发次数也会增加，耀斑爆发时会辐射出Ｘ射线、紫外线、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、中级磁暴和大磁暴。按照形态变化，磁暴可以分为缓始磁暴与急始磁暴。例如漳州台GM3、FHD-2B两套地磁仪器2017-08-31T 05：39—2017-09-01T19：00记录到急始型磁暴SC，地磁各分量尤其是分量变化剧烈，急始变幅=1.8，=85.1 nT，=13 nT，活动程度为，最大值为7（本台站FHD-2质子矢量磁力仪同期记录到该磁暴变化）。2017-08-31漳州地磁受磁暴干扰的数据曲线如图2所示。

图1 漳州地震台地磁观测点分布图

由图2可知，在磁暴影响期间，地磁场垂直分量和磁偏角都有较明显的波动，磁暴发生时垂直分量和磁偏角都出现明显突跳，其特征是初动波动范围大且突跳尖锐。分析其对观测精度方面影响，因为FHD-2B是分钟值采样，且通过2组数据平均值生成值和值，值是仪器40 s测量结束后由补偿电流、值等计算得出；几个分量采集的时间不同步，且时间存在一些差别；而磁暴变化是连续的，特别是大磁暴和急始磁暴，虽然时间相差数秒，但磁暴变化量很明显，从而导致FHD-2B、GM3变化与其产出数据不完全一致，其中不正确变化需要人工消除。

图2 2017-08-31漳州地磁受磁暴干扰的数据曲线

2.2 交流电磁的影响

交流电磁干扰对FHD质子磁力仪观测影响最大，台站附近如果有无线电发射塔发射的无线电波、高压交流输电线路，都会对观测环境产生电磁干扰，使观测数据噪声增大，影响仪器正常观测。

漳州台GM3磁通门和FHD-2B磁力仪因条件限制，目前两套仪器和交换机等网络设备一起集中供电，很多线都交叉在一起，交流供电线路，特别是环状线路与仪器探头上方的交流线路，可以产生交变干扰磁场，通过探头感应，使得测量数据噪声增大，导致数据曲线毛刺增多，出现线条变粗、突跳现象。

2.3 基建干扰

通过监控及长期跟踪走访，发现漳州台地磁房上方约50 m处山顶寺庙正在修建铜殿，修建铜殿过程中伴随大型施工车辆出入，其殿顶部分的吊装使用大型吊车施工，因此干扰较大，同时大殿主体结构均为铁质，且距离较近，对磁房外的观测环境造成严重影响。

2.4 水库气枪设备作业干扰

水库气枪震源实验大型设备吊装及运输，以及大型吊车、货运车辆及人员进出台站，造成多时段曲线突跳台阶及畸变，这种干扰比较明显，容易排查出来。

2.5 车辆干扰

漳州台安装GM3以及FHD-2B仪器的观测磁房（石灰石砌墙）位于台站内部，1号磁房距离围墙不到26 m，围墙外陆续建有很多居民楼，距离磁房东面50 m处有一座寺庙，香火较旺，寺庙边上还设有停车场，因此在通往山上寺庙的道路上，经常有驾校学员车以及上山礼佛的车辆经过。

车辆具有铁磁性，一辆较大的汽车或者卡车重1 300～ 3 000 kg，本身携带的磁性对地磁各要素会产生较大的影响，如果车辆距离地磁房较近或者出入频繁干扰更为严重。为了研究车辆经过对观测环境和观测数据是否造成干扰以及干扰强度，台站工作人员结合监控设备对地磁房周边环境的实时监控，以及与福建省其他地磁台站的差值比较，判断车辆经过时间段的台阶和尖峰是否由观测环境变化引起，并分析环境干扰造成的数据曲线形态特征及变化幅度大小；同时结合日常处理环境干扰的经验，提出改进及解决方法。漳州台GM-3仪器2018-03-13观测曲线如图3所示。

图3 漳州台GM-3仪器2018-03-13观测曲线

通过监控视频回放以及结合地磁观测数据来看，当某一时段经过的车辆较多时，观测曲线呈现出不同程度的尖峰和台阶现象，而且时间较为一致。

为了验证数据出现的突跳和尖峰是否只是本台站特有的还是磁场内部本身的物理量变化，利用本台垂直分量、磁偏角与福建省内其他台站2018-03-13数据进行差值比较，从观测曲线可以看出磁偏角、垂直分量变化一致，且无明显突跳和台阶，台站工作人员对观测系统、仪器参数及其他干扰源进行检查后均无发现异常，可以判断曲线突跳、毛刺由外部观测环境干扰引起。

3 影响漳州台地磁观测环境干扰的排除

3.1 小波变换处理

传统的傅里叶分析方法不能区分出表现突变的高频成分和表现噪声的高频成分，而小波变换的模极大值在不同类型的奇异点处随尺度的增加有不同的变化规律，正是利用了这个规律，将突变点与噪声点区分开来，这是小波方法优于其他方法的一个突出优点。

漳州台因观测环境存在不可控干扰源，背景噪声较大，个别时间段曲线形态不明显，存在毛刺偏多现象，利用小波消噪的方法可以有效去除随小波分解尺度增大而减小的小波模极大值，而保留大于阈值的小波系数，保留随尺度增大而增大的模极大值，然后用剩余的小波变换模极大值去重构信号，实现噪声信号与地磁信号的有效分离。漳州台GM3磁通门2016-06-12数据小波消噪如图4所示。

图4 漳州台GM3磁通门2016-06-12数据小波消噪

3.2 减少交流电磁干扰

对于地磁记录室中电磁干扰，在布设交流电路时要避免形成环状电路，探头上方不要安装电灯之类的电器设备，避免交流电磁干扰通过探头影响地磁观测。

对于通过信号线耦合的交流电磁干扰，在布设信号线时要注意远离交流电线，特别是与其平行的交流电线要相距 2 m以上，与其他仪器的各种线路也要保持一段距离，避免共同埋设在同一沟槽内。在进入仪器室时，交流电线要与信号线从不同的方向进入仪器观测室内，与其他仪器的信号线也不要用同一管道进入仪器观测室。

在仪器供电前端将交流电通过线式UPS或在交流净化电源进行净化，避免高频电磁谐波通过交流电源干扰地磁观测。从探头到仪器主机之间的信号线还存在一定线阻和分布电容，如果信号线较长，信号线中线阻和分布电容就较大，将对地磁仪器选频特性产生一定影响，使选频的中心频率偏低，并降低信噪比，使测量数据噪声增大，信号线在50 m以内比较合适。

3.3 减少可控干扰源

与寺庙基建施工方进行协商，要求他们施工时必须严格遵守地磁观测环境规范的相关要求；水库气枪震源设备作业需远离地磁房，并且控制作业时间；严格禁止闲杂人员到地磁观测房附近，在台站内不做任何有可能影响观测环境的行为；台站环境修缮期间尽量使用无磁器具；在地磁房周围加装监控，监控地磁房附近的活动，提升了地磁观测环境的可靠性；车辆影响主要是车辆停靠过于靠近观测室，通过人为干预的方法加以消除。

4 数据处理

在日常观测中，有些干扰无法避免，比如磁暴、日全食等自然现象，对观测资料影响主要表现为数据突跳（特别是磁暴开始时），究其原因是地磁观测与磁暴变化不同步，此类变化易识别与剔除。对明确由基建、车辆、气枪作业干扰造成的数据突跳、尖峰，根据地磁学科规范进行预处理。

有噪声干扰的地磁观测数据经过小波变换将低频趋势信号与高频噪声及突变信号很好地分离，分量的细节保留充分，因此，小波变换对非平稳信号的消噪效果显著。可以用小波变换模极大值抑制方法对地磁观测数据进行预处理，预处理后的结果提高了资料的质量，可更好地研究地磁信号，对震磁关系进行探讨，同时对不同的干扰特征，通过具体调试，合理地选取小波去噪阈值，这是有效抑制信号噪声的关键。

在日常观测资料处理中，尤其是车辆干扰引起的脉冲或者台阶变化，可以找出变化幅度接近、方向相反的一组台阶，可以对它们进行预处理，如果干扰造成的是尖峰或者突跳，进行尖峰处理即可。