都兰地磁台FHD-2B磁力仪观测数据干扰分析

2020-06-17卢嘉沁赵玉红

高原地震 2020年1期

卢嘉沁，赵玉红

(青海省地震局，青海西宁 810001)

0 引言

随着地震科技水平的日益提高，地震观测逐步走向数字化，高精度、大动态的观测数据在地震科研和预报中得到了广泛应用[1]。随着“九五”项目的实施，中国地震局开始了规范化的地磁观测。“十五”项目期间江苏省地震局研制出智能化分量质子磁力仪，即FHD质子磁力仪，具有数字化程度高和观测精度高的特点。FHD经过不断地改进，先进的FHD-2B磁力仪已在全国近百个台站投入观测。FHD-2B质子磁力仪实现数字化和网络化控制，用户可通过网络浏览仪器网页、监视仪器的运行状态、下载数据及远程实现仪器重启等。

地磁信号具有频带宽，动态范围大和容易遭受很强的其他因素产生的干扰等特点，这些是地磁观测技术需要考虑或逐步解决的基本问题[2]。干扰使得观测数据精度降低，对观测资料造成很多大的影响，故在日常观测中对各种干扰的识别尤为重要。本文选取2015年1月～2018年12月的观测数据，分别统计观测环境因素、观测系统影响及人为干扰等各类干扰情况，分析各类干扰对地磁观测数据的影响特征，总结得出都兰地震台地磁FHD观测数据的干扰因素及干扰特征，并提出各类干扰的应对措施，以提高数据的观测质量。

1 都兰台FHD-2B质子磁力仪的概况

1.1 台站观测环境

都兰地磁台位于青海省海西蒙古族藏族自治州都兰县，属国家Ⅱ类台，海拔3 198米 m。台站所在位置属昆仑褶皱系所属二级构造单元—东昆仑褶皱带之北缘，其北缘以深断裂带与祁连褶皱系相隔，而西接柴达木地块，故地势西高东低，山间常发育小型盆地。观测环境周边无铁路、金属管线等，无产生工业游散电流的干扰源。

1.2 地磁观测概况

都兰地磁台观测室于2007年建成，质子磁力仪(FHD-2B)数据观测质量良好。由于2013年起受高速公路影响，前兆观测场地于2014年11月10日整体搬迁至东山根(都兰县上庄村二队)，搬迁后前兆观测场地距离台站4 km，质子磁力仪与地电场仪也随之搬迁。同时，在该观测场地架设三套地磁秒数据仪器[GM4-xl(6)、GM4-xl(7)和overhauser]，地磁观测场地200 m范围内磁场梯度小于1.0 nT/m，电磁环境干扰背景≤0.1 nT,静态磁场干扰≤0.5 nT，符合地磁观测要求。地磁观测室均由石英砂建成，无磁性，从而减少了干扰。FHD-2B的探头、线圈与数采安装在不同的地磁观测室，信号线通过地埋方式连接到数采，两者相距85 m。FHD-2B测量范围(20 000～70 000)nT，分辨率总长F为0.1 nT，分量H(或Z)为0.1 nT，磁偏角D为0.01′。2014年11月10日搬迁后，观测曲线与湟源台观测曲线一致，本文选取了2016年1～12月同期观测曲线(图1)。

图1 都兰台、湟源台FHD-2B正常记录曲线(2016-01-01～2016-12-31)

2 干扰的分析识别与解决办法

2.1 工作参数偏离的影响

FHD-2B分量质子磁力仪是利用质子旋进原理测量地磁场强度的。在该测量系统中，探头是感性元件，经磁化后将产生与质子旋进频率相同的感应电动势，测出该频率信号后，经过计算便可得到相应的磁场强度。要测量出该频率信号，就要对该频率信号进行选频，FHD-2B分量质子磁力仪是利用LC并联谐振回路进行选频测量的，根据谐振公式：

(1)

其中：L是探头的电感量，C是仪器中的配谐电容值，f是LC谐振回路的中心频率。

FHD-2B的调谐参数在设定以后，仪器将根据设定值进行调谐测量，测量结果如果与设定值或上一次测量结果相差不超过±100 nT，将自动跟踪存入调谐值存储单元，作为下一次测量选频的参考值，反之则不作跟踪，始终以存储单元中存储的调谐值进行调谐测量。如果存储单元中存储的调谐参数与需要的调谐参数相差较多，调谐的共振频率将较多地偏离实际需要的共振频率，造成频率特性降低从而产生较大的测量误差，使数据曲线出现毛刺、突跳、线条变粗的现象[3]。并且分量质子磁力仪是利用核子共振的方式进行信号采集的，只要这些参数中有一个参数产生较严重的偏离，那么就使信号选频电路采集到信号变弱，也会使得观测数据的曲线出现噪声变大、线条变粗的情况发生。

图2(a)为2015年8月29日都兰地磁台FHD-2B分钟值曲线图，全天数据无正常曲线形态，大幅突跳后各分量数据出现恒值现象，通过网页查看仪器参数时发现总场调谐值原始参数值为53 817.7 nT，实时参数变为55 297.9 nT，相差1 480.2 nT；水平磁场调谐值原始参数为30 247.0 nT实时参数为31 265.4 nT，相差1 018.4 nT，恢复缺省参数后数据恢复正常，如图2(b)所示。故要保证仪器能够正常的运行，一定要保证仪器的的调谐值、补偿电流值、探头方向以及观测方位角等各种参数的正确性。

图2 都兰台FHD-2B受干扰前后分钟值曲线

2.2 线路松动

2017年5月8日三分量均出现错误数据，总场强度F则降为0 nT，如图2(c)。及时巡视了观测场地未发现场地环境及人为干扰，经与多台其他地磁仪器数据对比分析最终确定为数采自身观测系统故障，分段排查后发现数采中一组数据线接触不良。解决办法为对数据线接头做加固处理。

2.3 交流电磁的影响

交流电磁干扰的影响对FHD质子磁力仪的干扰影响很大，这些影响会使观测数据出现线条变粗，记录数据突跳等现象[4]。目前大多数台站的FHD磁力仪都会受到此类干扰的影响，严重的将影响工作参数丢失，造成数字化选频与自动跟踪测量的失败，使仪器不能产生有效的数据。交流电磁干扰主要来源于仪器与仪器之间，线路与线路之间，当距离近时会相互引起电磁干扰，影响观测数据的精度。未净化的交流电中存在高频率的电磁谐波，进入仪器电源后叠加于观测数据，使得仪器背景噪音增大。如图3(a)所示是都兰台2015年8月22日FHD质子磁力仪数据受交流电磁影响的曲线图，三分量出现不同程度的突跳，致使数据曲线无正常形态。

为避开交流电磁干扰对FHD质子磁力仪观测的影响，根据不同干扰途径，可采取如下措施加以解决。

(1)环境电磁干扰：严格按照地磁台站建设规范进行勘选、建设；

(2)地磁房中电磁干扰：避免形成环状电路，在向磁房供电的地方安装闸刀；

(3)信号线耦合的交流电磁干扰：信号线避开平行的交流电线，避开和其它线路同埋在一个地沟，信号线要与交流电线或其它线路从不同的方向进入仪器室；

(4)仪器集成产生的电磁干扰：将供电线与信号线分开走线，仪器的接地一定要良好；

(5)电源耦合造成的电磁干扰：通过交流净化电源或在线式UPS进行净化，接地要良好[5]。

都兰台工作人员在数据出现异常后即刻至观测室巡检，发现原本挂在墙上的数据线掉于地面并与放置在地面的信号线重合，立即将数据线与信号线分隔开，数据逐渐恢复正常，如图3(b)所示。

图3 都兰台FHD-2B交流电磁影响前后分钟值曲线

2.4 信号线长度的影响

在FHD-2B观测系统中，连接探头和仪器间的信号线还存在一定分布电容和线阻，若信号线较短，可忽略线阻和分布电容对选频的影响；若信号线较长，信号线中存在的分布电容和电阻就较大，会对FHD质子磁力仪选频特性产生一定的影响，造成选频中心频率偏移并降低信噪比；信号线较长、信号线电阻较大时，会衰减仪器的信号强度，造成测量数据噪声增大。此外，信号线较长易受到交流电磁耦合干扰，造成数据噪声增大。

为解决信号线长度造成的噪声干扰，FHD-2B提供信号线分布电容修正功能，根据信号线长短不同，进行分布电容修正，从而选频更加精确；厂家发现信号线较长，也会适当提高探头的激化电压，调整仪器信号放大倍数，从而提高信噪比。若改变信号线长度，信号放大倍数与分布电容修正值作相应调整，否则选频特性将发生改变，偏离较大时会使磁场测量精度降低。要保证测量精度，最好将信号线控制在50 m以内[6]。

都兰地磁台FHD-2B质子磁力仪观测系统中，仪器探头与仪器数采位于两间观测室内，信号线通过地埋方式连接，长约85 m，信号线过长导致观测曲线较粗，D分项尤为明显，降低了仪器精度，如图4。

图4 都兰台FHD-2B受信号线长度影响分钟值曲线

2.5 人为干扰

人为干扰是指人的活动造成的记录干扰(此处特指除高压直流输电、地电阻率观测、车辆、基建工程、交直流切换、工厂运行、地铁轻轨影响外的人为干扰)，主要为操作不规范，人为携带小型具有铁磁性物件靠近记录探头所造成的，表现为各分量出现短时间、高频、大幅度的变化曲线。

都兰台FHD-2B人为干扰主要来自携带磁性物件进入观测室。如：①2016年10月3日由于工作人员在巡检仪器时携带了钥匙，H、D分量数据出现尖峰，且持续时间较短，但对总场F分量影响不明显，如图5(a)所示，故预处理对H、D分量做剔除尖峰处理。②2017年02月27日由于检查仪器时携带手机，导致三分向均出现向上的台阶，且变化幅度较大，如图5(b)所示，预处理对三分量做了去台阶处理。③2018年01月14日由于巡检仪器将手电筒带入观测室，导致三分量出现脉冲，如图5(c)所示，预处理做剔除尖峰和去除台阶处理。具体干扰情况如表1所示。