信阳台地磁观测数据干扰分析及观测质量改善

陈贤,成万里,黄恩贤

(河南省地震局，河南 郑州 450000)

0 引 言

在任何一种地震观测手段的观测数据中，都不可避免的会出现各种干扰现象，例如自然干扰、环境干扰、人为干扰、仪器故障等干扰[1-2]。地磁观测也是如此，对观测数据产生的干扰种类繁多，这些干扰数据的曲线形态主要表现为记录曲线的单点突跳、频繁的单点或多点突跳、一定时段内数据抬升或下降(台阶)。造成这种记录曲线异常的主要原因有以下几种：磁暴、高压直流输电、车辆、建设施工、城际轻轨、地铁、背景噪声、人为因素以及仪器内部干扰等[3]。只有充分认识地磁场的干扰因素，并将干扰因素进行分类总结，正确地做好预处理工作，保障好观测资料质量，才能更好地分析地磁场的异常变化，为地震监测与预报提供真实准确的信息支持[4-5]。

基于地磁数据跟踪分析软件，以信阳地震台(以下简称“信阳台”)近年来地磁观测资料为例，分析近年来受到的各种干扰因素影响，并提供典型干扰数据图例，总结干扰特征并给出合理的降低干扰影响的措施，以便提高地震台站人员识别各种干扰的能力和数据预处理的水平。

1 观测场地背景

信阳地震台周边观测地质构造较为复杂，信阳台地理坐标为：32.13°N，114.02°E。位于信阳市正西方向8 km南湾辖区，贤山北西向5°约1 km处，距南湾水库约1.5 km。大地构造上，该区隶属秦岭褶皱系，地震台站附近发育有桐柏—商城断裂带、龟山—梅山断裂带等。地貌上，地震台站位于桐柏山东麓低山丘陵区与山前冲积平原过渡带。依据地貌类型，从西南到东北可划为桐柏—大别山低山区、南湾—东双河丘陵区、平昌关—信阳低丘陵平原区。本研究区域涉及华北断块、秦岭断褶系和扬子断块区三个大地构造单元。该区域在喜马拉雅运动以前漫长的地质历史中，主要处于近南北向的水平挤压应力场中，使区域构造线大致呈北西西向展布。区域主要活动构造有：华北断块区南缘断裂带、栾川—鲁山—漯河—太和断裂带、白河—谷城断裂带、青峰断裂带、新安—郏县断裂带、许昌—鄢陵断裂带、兰田—朱阳关—南阳—信阳断裂带、封门口—五指岭断裂带。该区域地震构造环境中对本区和邻区有发震影响的主要构造有：华北断块区南缘断裂带、兰田—朱阳关—南阳—信阳断裂带、栾川—鲁山—漯河—太和断裂带、丹凤—西峡断裂带(图1)。

图1 信阳台附近地质构造

信阳台GM4地磁仪器位于台站院内磁房内，GM4探头距离台站院墙外约为45 m，院墙外时常有过往车辆干扰、高压直流输电干扰等电磁干扰、施工人员在磁房附近施工、砍树、挖树等人为干扰。

2 观测资料干扰性分析

利用地震前兆地磁数据处理软件和地磁数据跟踪分析软件，通过分析2016年以来信阳台GM4型磁通门磁力仪观测数据受到多种干扰情况，认为GM4地磁仪受多种干扰影响，其影响持续时间、数据变化幅值、干扰变化形态如表1)。将干扰类型分为内观测环境干扰和外观测环境干扰。内观测环境干扰主要为观测室内温湿度变化仪器本身背景噪声的影响；外观测环境干扰主要为高压直流输电和台站附近车辆干扰；内、外观测环境干扰都能通过及时有效的措施来降低其干扰影响，从而改善观测资料质量。

表1 信阳台GM4地磁仪受多种干扰特征及干扰形态对比

2.1 内观测环境干扰分析

2017年12月，信阳台工作人员通过数据跟踪分析软件对地磁GM4数据进行多台对比，发现Z分量数据自2017年11月13日仪器重设补偿值开始，与省内其它地磁台站同类型仪器数据相比变化不同步，存在明显反常现象。表现为与观测室温度变化呈现一定相关性，即温度上升，观测数据出现下降趋势；温度下降，观测数据呈现上升趋势；温度恒定，观测数据基本稳定(图2)。

由图2可以看出信阳台GM4观测数据Z分量随温度变化较为反常。为核实此反常变化，分别对GM4仪器主机、探头、模拟盒、通信系统、供电线路、UPS、供电电压、避雷设施等进行了检查。同时对观测房房顶、墙裙作防水、隔热、磁房内部设施进行检查，且台站周边也无任何施工干扰，无明显异常，判定观测数据Z分量随温度异常变化为观测室温湿度原因。信阳台工作人员在GM4地磁房门口位置架设了探头、模拟盒进行对比观测，从同步对比观测中可以直观地看出，Z分量数据漂移与温度变化相关性大。因此着重分析了两个阶段：(1)2～6月温度显著上升，数据出现漂移下降趋势，下降幅度约40 nT，两者相关系数R=0.69(图3a)；(2)9～12月温度显著下降，数据出现漂移上升趋势，上升幅度约120 nT，两者相关系数R=0.98(图3b)。

图2 信阳台GM4观测数据随温度变化曲线

图3 信阳台GM4观测数据Z分量与温度观测曲线

仪器故障对地磁观测数据造成的干扰是不可避免的、也是突发性的。仪器工作时间比较久之后，仪器内部会出现一些存储软件故障，对地磁观测数据也会产生干扰，并且这种突发情况下产生的干扰难以明确，一般情况下只能采取排除法检查故障原因。例如信阳台FHD数采CF存储卡故障，无法正常储存数据，导致原始数据被压制，甚至出现错误数据，这种情况预处理只能将原始错误数据删除，气温、气压这些观测环境突变也会对仪器的观测有影响，甚至影响仪器内部元件，导致对地磁观测造成干扰。

2.2 外观测环境干扰特征

高压直流输电干扰。在部分台站的地磁观测中，当受到地电观测、高频干扰、地铁干扰时，观测数据的表现形态为周期性规律的方波或大量毛刺[6]。这与高压直流输电干扰有着明显的区别，仔细观测数据变化形态就可以很好判定为非高压直流输电故障干扰。但当地磁观测受到台站周围的人为活动、车辆运行、基建工程等干扰时，其干扰后的观测数据变化形态表现大多为尖峰、缓变、台阶等，这和高压直流输电故障干扰表现形态大致相同，这时就需要我们去判定，将人为产生的干扰与高压直流输电干扰区分开来。判定区分的方法为：(1)通常人为、车辆运行、基建工程等环境干扰时，总场F、水平分量 H、垂直分量Z、偏角D会出时出现尖峰、缓变、台阶。而高压直流输电故障时，主要是对地磁的垂直分量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。(2)人为、车辆运行、基建工程等环境干扰只对单台产生影响，而高压直流输电故障通常会对线路周边的多个台站产生影响，多个台站在基本相同的时间内出现相同的干扰形态。(3)位于输电线路两侧的地磁观测台站，由于地磁观测参数各方向分量的差异，垂直分量Z方向与受到干扰的台阶方向是相反的，同侧台站台阶方向则是相同的，比如在受到干扰时，浚县、洛阳、代县台阶向上，信阳、武汉、应城、蒙城台阶则是向下的。(4)高压直流输电故障干扰幅度，随着台站距线路距离变大而变小，并与不平衡电流的大小成比，同一条线路的不同台站的干扰幅度成比值，此比值为常数，比如信阳台干扰幅度为潢川的台的1.5倍，为蒙城台的2倍减去0.1～ 0.2 nT。

高压直流输电故障对地磁观测产生影响时，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、跨日台阶。以信阳台为例分别对上述形态做出描述(通过对比原始图和预处理后的图，可以更清晰地看出数据受干扰后的变化)。2020年12月3日高压直流输电干扰，由于台阶当天没有结束，所以称之为跨天台阶。(1)尖峰：所谓尖峰即是单点脉冲，01时10分表现为尖峰。(2)单个台阶：突然变化且变化量大小相同的方波，05时49分至06时45分表现为单个台阶。(3)多重台阶：在一个变化的台阶中再次出现新的变化量的台阶，11时30分至14时10分表现为多重台阶。(4)缓变台阶：在长时间内缓慢上升或下降的台阶，16时05分至18时58分的台阶中为缓慢上升所以称其为缓变台阶。台站附近车辆、施工干扰。

2017年以来信阳台观测环境受周边住户居民过往车辆、防雷改造、优化改造、标准化改造等干扰影响较为明显，施工期间零线与接地线混为一团，造成观测区附近有电流干扰，漏电电流引起Z分量观测曲线出现密集型台阶变化，在全天记录曲线上分布较为均匀，每间隔一定时间出现一组明显台阶，持续时间为5 min，台阶幅度大小基本在0.5～2.5 nT。由于分布较为密集，磁通门磁力仪FGM01在记录秒数据在预处理过程中十分繁琐。当磁房附近的车辆快速通过时，这种干扰对磁房附近的磁场影响是短时的、突然性的，往往这种干扰对数据会产生比较明显的突跳、尖峰；当磁房附近停放车辆时，这种干扰对磁房附近的磁场的影响会比较长，可以根据停放时间记录下产生干扰的时间节点，往往这种干扰对数据会产生明显的台阶，台阶量的大小与停放车辆对大地磁场的影响量，台阶区间就是停放的时间节点。总之车辆干扰对地磁观测分量干扰的幅度不尽相同，开始、结束时间相同，干扰时间与车辆通过或停放的时间具有一定的对应性(图4)。对于车辆干扰一般情况下需要对产生的突跳和尖峰做删除预处理，对产生的台阶核实影响的时间节点，然后做台阶预处理。

图4 信阳台FGM01受高压直流和车辆施工干扰记录曲线(2020年12月14日)

3 观测资料干扰应对措施分析

针对上文所示内观测环境干扰和外观测环境干扰，可采取以下措施，防止对地磁观测产生的影响。

(1)内观测环境干扰。此类干扰是偶然发生的，一般情况下当仪器内部元器件故障时，观测数据会产生缺数或者突跳，在分数据和秒数据同时出现；而当观测室温湿度变化幅度较大时，观测数据会出现漂移等现象。针对此类干扰需地震台站工作人员定期对仪器工作环境和工作状态进行周、月、季检查。如每周进行一次周检查，每月进行一次月检查，每个季度进行一次大范围内巡检，检查内容包括更换观测室干燥剂、除湿剂等。每次检查后做好登记簿，观测仪器工作环境和工作状态情况，保持在观测室温湿度维持一定范围内，检查仪器运行情况。在进行台站标准化、优化改造等大型施工后，也需及时检查仪器连接线与接地线的连接方式，以免仪器连接线与接地线混接，导致产生一些干扰电流，影响仪器观测资料质量。总之减少内观测环境背景噪声，才能降低仪器受工作环境和工作状态的影响。

(2)外观测环境干扰。此类干扰是偶然发生的，一般情况下当仪器附件有车辆通过或者人员施工时，观测数据会产生台阶或者突跳，在分钟值数据和秒数据同时出现；而当高压直流输电对观测数据产生影响时，观测数据会根据输电影响时间对应出现规则的台阶或缓变台阶现象。针对此类干扰因观测区在一定时间内收到不规律电磁干扰，主要包括高压直流输电干扰和观测室周边过往车辆干扰。对于高压直流干扰，地震台站工作人员首先要对比其他台站或者查询高压直流网站分清是否为高压直流干扰。高压直流干扰处理观测数据的方法主要过程如下：①剔除尖峰选用数据处理软件中的“剔除尖峰”；②去除台阶选用数据处理软件中的“去除台阶―录入时间和改正量”；③对于缓慢变化时间较短的变化数据，也可以用“剔除尖峰”方法处理；④缓慢变化时间较长的，选用数据处理软件中的“去除缓变―录入时间和改正量”。对于观测室周边过往车辆干扰，应在地震台站观测室附近增加警示标志，划定地磁观测区范围，尽量避免过往车辆、携带铁磁性物质的人员靠近观测室，以降低周边环境对观测资料质量造成的影响。

4 结 论

基于地磁数据跟踪分析软件对信阳台地磁观测资料受内外观测环境干扰因素分析，可以得出以下结论：

(1)信阳台地磁观测仪器受观测室温湿度变化影响较大，而且观测数据变现为较长期存在，在日常观测中要时刻保持观测室温湿度保持在一定范围内。

(2)地磁仪器灵敏度较高，对于观测时间较长的地磁仪器，要长期检查主备机工作状态，特别是地磁数据存储卡CF卡、SD卡，需保证存储卡对数据采集状态。

(3)信阳台地磁观测环境受国内多条高压直流输电干扰影响，地震台站工作人员需在日常数据预处理过程中，核对每日观测数据受高压直流影响情况，准确判断出受干扰情况，正常预处理受高压直流影响的地磁资料。

(4)随着中国经济全面快速的发展，对于周边过往车辆干扰，必须在观测室围墙悬挂地震观测标志，尽量避免车辆距离观测室30 m。受到车辆不同形态的干扰，采用多种方法进行观测数据的预处理，利用多台对比、差值及相关的方法进行检验，从而保证地磁观测数据的真实、可靠、连续、稳定，更好地服务于地震预报实践和科学研究。