极低频电磁观测天然源的数据分析与运维管理

池国民 赵银刚＊ 刘海林 柴光斌 马 娟 吴 婧

（山东省地震局潍坊地震监测中心站，山东 潍坊 261000）

极低频通常是指3～3 000 Hz频段之间的电磁波，能够穿透较深的地层和较深的海水，在地质结构探测、海底矿产勘探、地震灾害预测等领域有广阔应用前景。极低频电磁观测是一项新兴技术，参考大地电磁测探法（MT）开展布置和观测，主要观测天然电磁场，逐渐成为探索地球深部电性的重要方法[1]。极低频探地（WEM）工程地震预测分系统是国家重大科技项目，在地震活动较强烈的川滇地区和地震重点监视区首都圈地区共建设了15个极低频观测台站[2]，其中山东地区共布设了无棣、莱阳、莒县、安丘等4个台站。该站网实现对地震空间电磁场异常和震源区周围地下电性结构变化的监测，对于及时捕捉川滇和首都圈地区中强地震电磁异常情况、提升地震预测预报能力，具有重要价值。安丘地震监测站（以下简称安丘站）隶属潍坊地震监测中心站，位于山东省潍坊安丘市金冢子镇冯家坊子村西北。本文主要研究极低频观测天然电磁场的数据正常变化及典型干扰的变化特征，分享日常运维实践经验。

1 仪器简介及数据处理

1.1 仪器简介

安丘极低频电磁观测仪器采用ADU-07e型电磁观测仪，产地德国，观测正交方向的电磁场。选择十字形布极方式，以正北、正东分别为x轴、y轴，东、西、南、北四个方向布设测量电极，观测Ey（东西向）和Ex（南北向）电场分量；磁传感器观测Hx（南北）、Hy（东西）和Hz（垂直）三个方向的磁场分量。采用Pb-PbCl2固体不极化和铅柱两套电极，铅柱电极采用饱和盐水浸泡48 h，加快氧化程度。根据场地实际，电极埋深由2.2 m改为打井深至15 m，中心电极埋深5 m，其他电极埋深15 m，并使用地磁经纬仪定向，提高定向精度。为确保接地可靠稳定，减少冬季冰冻等因素影响，在布设时添加了膨润土作为降阻剂降低接地电阻。台站建设完成时，测试仪器室防雷接地电阻为1.6 Ω，电极间的回路电阻值东西为133 Ω·m，南北为165 Ω·m，东中为160 Ω·m，西中为180 Ω·m，南中为150 Ω·m，北中为140 Ω·m（中代表中心电极），均符合项目建设规范要求。为减少风噪和温度等因素影响，磁传感器安装在无磁玻璃钢罐内，上方制作罐盖以防水防潮，埋深1.1 m。太阳能电池安装在仪器室附近的地面上，有效降低被雷击的概率。

1.2 数据处理

数据处理时，首先利用快速傅里叶变换（FFT）方法处理各分量时间序列观测数据，再以频率域进行仪器响应校正，最后计算视电阻率、阻抗相位及各分量的自功率谱、互功率谱。数据处理使用德国Metronix公司研发的Procmt程序，提供全叠加法、相关阈值法、中值法等三种方法[3]。结果以EDI格式存储。

1.2.1 全叠加法

以阻抗张量、谱张量的均值为最终估值进行叠加，通常情况下可以为其他方法提供参照，给出数据整体情况，指出数据优势频段范围，清晰了解记录数据质量，且在死频或高频段效果明显。

1.2.2 相干度阈值法

计算Ex和Hy、Ey和Hx的相干度，设置若干不同相干度阈值挑选数据。数据量较大时，选取较大阈值如0.9或更大，可以获得更高质量的数据，但阈值也不能选取过大，否则会因条件过于苛刻而无法选到相应阈值。测点近场干扰明显时，相干度值也会增大，相干度阈值法使用受限，产出结果较差。

1.2.3 中值法

利用计算阻抗张量中值估算Zxy与Zyx，即阻抗张量排序后的中值，该估算方法稳定可靠，可有效剔掉除飞点，但如果叠加次数不够，计算中值与平均值均没有意义。综合上述三种方法，发现对有一定干扰源的测点，中值法能够得到更稳定的结果。

2 数据变化特征及主要干扰因素分析

2.1 数据变化特征

2.1.1 电磁场谱日变特征

由于地球自转，太阳与地球表面固定某点可发生周期性变化，当电离层电流对应固定台站发生周期性变化时，观测曲线随之出现规律性日变，呈现稳定变化且有一定周期的正弦波波形[4]。

选取干扰小、数据稳定的时段，绘制频率74 Hz连续8天的10 min均值数据图，发现电磁场谱具有明显日变特征，曲线呈类似正弦波形态，白天电磁场谱较强（峰值一般出现在12：00左右），夜间稍微（谷值一般出现在5：00左右），与太阳活动有关。2022年4月10日—17日电磁场谱密度日变曲线如图1所示。

图1 2022年4月10日—17日电磁场谱密度日变曲线

2.1.2 电磁场谱季节变化特征

以频率74 Hz为例，计算统计了2022年冬季（2022年1月1日—2月28日）和2022年夏季（2022年7月1日—8月31日）电磁场谱中位值和夏冬两季谱值之比。结果显示，夏季谱值明显高于冬天，夏季与冬季谱值之比约为2。分析原因可能与我国北方地区夏季多雷电影响有关。电磁场谱冬季与夏季对比如表1所示。

2.2 干扰因素分析

2.2.1 磁暴影响

磁暴（地电暴）是由太阳活动产生的强大射电与太阳风引起的，具有同步发生全球性的特点。地电暴发生期间，地电场观测记录到不同程度的同步高频脉冲信号变化，也是导致极低频测值出现异常的重要因素。同一区域范围内数据变化的时长、变幅与地电暴持续时间和强度表现为正相关，磁暴发生时地磁记录水平分量变化最剧烈。

山东安丘站地磁观测记录到多次急始磁暴，以2023年2月的急始磁暴事件为例，2月26日地磁K指数为3、3、4、3、3、2、5、5，2月27日地磁K指数为4、5、5、6、7、6、6、5，最大K指数即Kmax为7。安丘站地磁FHD观测水平分量H急始变幅为44.6 nT，最大扰动量为283.7 nT。急始磁暴时段安丘极低频132 Hz电磁场谱10min均值曲线如图2所示。

图2 急始磁暴时段安丘极低频电磁场谱10 min均值曲线

可以看出，磁暴对极低频观测结果的主要影响是使谱10 min均值产生明显的震荡突跳，扰动剧烈且幅度较大。

2.2.2 雷电影响

在无雷暴云等天气的晴天，大气电场和地电场二者呈对立统一的平衡场电体系。雷电时，雷云中大量电荷与地面导电介质发生感应，改变区域电场分布环境。雷电对电磁观测的影响，一是导致观测数据的出现震荡甚至畸变；二是冲击损坏仪器，导致数据缺记[5]。

分析发现，雷电影响极低频观测在谱日均值上表现明显，各分量谱值大幅变化，数值上近3个数量级的增强，且不同分量变幅不同。

2.2.3 高压直流输电影响

通常情况下，高压直流输电采用双向输电形成电流回路，流经两条导线的电流大小基本相等、方向相反，仅有少部分不平衡电流入地，此时产生的磁场相互抵消，对数千米之外的电磁台站影响可以忽略。一旦出现故障，将出现极大的不平衡电流，对线路两侧的电磁观测台站造成严重干扰。经统计，2022年安丘站极低频观测受高压直流输电干扰有20多次，主要受宁东、哈郑、呼辽、晋南、锡泰、扎青、上临、昌宣等线路影响，其中宁东线影响最大。宁东线±660 kV高压直流输电线路，起自宁夏银川灵武市临河镇换流站，止于山东青岛胶州市胶西换流站，线路全长约1 335 km，采用单回路双极架设方式。以宁东线2023年的一次高压直流干扰为例，高压直流输电在故障时造成数据同步出现阶跃、突跳现象。高压直流输电时安丘极低频电磁场谱10 min均值曲线如图3所示。

图3 高压直流输电时安丘极低频电磁场谱10 min均值曲线

2.2.4 降雨、农田灌溉和同场地仪器观测影响

降雨或灌溉后，水分渗入地层导致电极接头处潮湿，产生极化电位导致地电观测受到影响。随着水分下渗蒸发，农田恢复干涸，干扰也随之消失。该类干扰需要详细准确记录天气及测区环境变化情况，才能判定此类干扰。极低频观测与地电阻率同场地观测时，地电阻率测量需要在整点值对场地供电，人工电场与自然电场相叠加，导致数据畸变。针对此类干扰，可以通过设计符合其正弦周期的滤波器和调整门限参数等多种方式解决。

3 日常运维及故障排除

3.1 日常运维

3.1.1 仪器状态检查（电源、GPS、记录状态等）

连续按动仪器面板上“SCROLL”按钮，直到显示“Battery Stauts”，此时窗口显示的信息是电池电压和电流状态，若电压低于11 V，则需要检查供电。连续按动“SCROLL”按钮，直到显示“GPS Data”，按动“PARAM”键，窗口依次显示GPS经度、纬度、卫星颗数和高程。连续按动“SCROLL”按钮直到“System”状态，按“PARAM”，查询电极接地电阻，磁探头序列号偏移量以及仪器的IP地址等信息。

3.1.2 数据处理及日志报送

根据学科观测技术规范要求，每天上午完成前一天原始观测数据处理，填写各类日志并入库。工作日志当日填写，主要对台站每天的系统运行状况，数据采集、报送和处理等工作做详细记录。观测日志预处理时填写，记录对观测产生显著影响的所有事件，需要按事件逐条记录。

3.1.3 数据存储与备份

每天上午将台站观测数据和日志报送至区域地震台网中心，每月观测数据及日志信息报送率不低于98%。每天备份观测数据和日志，每月将上月的上述数据进行光盘备份，形成永久保存介质。

3.2 故障排除

数据不能下载，在采集日志中显示连接异常，错误信息为java.net.ConnectException：Connection timed out。该故障原因为网络不通，需要检查到下级节点服务器的网络。

采集日志中显示登录失败，首先需要确认配置的下级节点用户名密码是否正确，用户名密码正确则需要修改下级节点服务器的sshd配置文件。

数据传输系统无法启动，通过ps-ef |grep java查看无JAVA进程。首先在终端中执行java-version命令，查看JAVA程序是否正确安装，如果安装不正确重新安装JAVA程序；如果已正确安装，则检查/etc/profile中JAVA环境配置。

据库连接异常，首先检查学科中心服务器的网络是否正常；然后检查数据传输系统配置文件目录下的app.properties文件存放数据库密码，即jdbc.password；最后检查数据名称fms_SD与所属区域的数据库名称是否一致。

4 结语

极低频电磁场存在日变规律，曲线呈正弦波形态，通常表现为夜间值低、正午值高；同时具有年变，冬季值较低，夏季值较高，夏季与冬季谱值之比约为2。磁暴对极低频观测的主要影响表现在产生明显的震荡突跳，扰动剧烈且幅度较大。雷电对极低频电磁观测的影响较大，表现为使电磁场谱值突变。高压直流输电在故障期间对极低频电磁观测数据造成同步阶跃、突跳现象。运维常见的故障点有网络问题、JAVA运行环境、SSH服务、MYSQL数据库、服务器时间等。基层地震台站工作人员需加强仪器设备日常巡检维护，准确判定识别干扰并高质完成数据处理，为极低频台网产出连续、可靠和稳定的数据提供保障。