大同站 FHD-2B 地磁观测数据典型干扰分析

郝雪景　韩胜　高龙飞　刘炜

摘要山西省大同地震監测中心站 FHD-2B 地磁观测数据质量主要受仪器自身观测系统和周围环境干扰影响，由于仪器出厂后性能接近稳定，因此要提高观测数据质量，可以从改善环境干扰入手。本文从连续率、完整率和背景噪声3个方面对2017—2021年的观测数据进行质量评价，发现自2019年6月仪器更新改造后，仪器背景噪声水平明显降低。通过分析场地施工、车辆运行、高压直流输电、断电等典型干扰事件下的数据曲线形态，发现施工干扰一般表现为各分量受干扰时段一致，干扰幅度不同；高压直流输电干扰常表现为 Z 分量干扰严重，可以通过国家地磁台网中心给出的干扰时段，结合周边地磁台站数据进行处理；车辆干扰对数据各分量均产生干扰，对应于车辆活动时段；断电干扰表现为 D、H、Z 分量观测数据曲线变粗，毛刺增多，甚至出现错误数据，通过修改仪器参数解决。总结不同干扰曲线特征，便于工作人员正确使用 FHD-2B 地磁数据进行地震研究。

关键词 FHD-2B；地磁；质量评价；干扰；大同

中图分类号： P315.63文献标识码： A文章编号：2096-7780（2023）06-0251-10

doi：10.19987/j.dzkxjz.2022-157

Typical interference analysis ofFHD-2B observation data at Datong seismic station

Hao Xuejing1， 2），Han Sheng1， 2），Gao Longfei1， 2），Liu Wei1， 2）

1） Shanxi Earthquake Agency， Shanxi Taiyuan 030021， China

2） National Continental Rift Valley Dynamics Observatory of Taiyuan， Shanxi Taiyuan 030025， China

AbstractThe geomagnetic observation data ofFHD-2B at Datong seismic station in Shanxi is mainly affected bythe interference of the instruments own observation system and the surrounding environment. Since the performance oftheinstrumentisnearlystableafterdelivery，wecanimprovethequalityofobservationdatabyimprovingtheenvironment. Inthispaper，thequalityofobservationdatafrom 2017 to 2021 wasevaluatedfromthreeaspects： continuity rate，integrity rate and background noise，and it is found that the background noise level of the instrument hasbeen significantly reduced since the instrument was updated in June 2019. By analyzing the data curves of differentinterferences such as construction interference，vehicle interference，high-voltage direct current transmission interferenceand power failure，it is found that the construction interference is generally manifested in the same period of time wheneach component is interfered，and the interference amplitude is different；the interference of high-voltage direct current transmission is usually serious in Z component，which can be processed through the interference period given by the NationalGeomagneticNetworkCenterandcombinedwiththedataofsurroundinggeomagneticstations；vehicle interferenceinterfereswitheachcomponentofdata，correspondingtovehicleactivityperiod；thepowerfailure interference shows that the observed data curves of D，H and Z components become thicker，burrs increase，and even wrong data appear，which can be solved by modifying the parameters of the instrument home page. The characteristics of different interference curves are summarized，which is convenient for workers to use FHD-2B geomagnetic data correctly for seismic research.

KeywordsFHD-2B; geomagnetism; quality evaluation; interference; Datong

引言

山西断陷盆地历史上地震频发，其主要原因是断陷盆地内的全新世活动断裂强烈活动引起的[1-3]。地磁场变化中存在与孕育地震有关的地壳磁场变化[4]，通过地磁观测可以得到地磁场变化信息，全国目前有逾百个地震台站具有地磁观测设备。许多学者对 FHD 地磁观测数据进行过分析研究。彭洪军[5]对 FHD 磁力仪使用过程中的干扰因素进行分析并制订合理的预处理措施；李庆武等[6]从多方面探寻降低丰宁台 FHD 仪背景噪声的方法；陈贤等[7]、郭灏明[8]和彭澎等[9]分析了信阳台、盐城台和宿迁台地磁观测中的各类干扰识别与处理方法；何宇飞等[10]根据近年来 FHD 仪观测中出现的问题对仪器进行升级改进。

山西省大同地震监测中心站（下文简称大同站）地磁观测配备1套 FHD-2B 质子矢量磁力仪、2套 GM4-XL 磁通门磁力仪和1套 OVERHAUSER 磁力仪，其中 FHD-2B 磁力仪于2008年1月正式投入运行，经过10多年的观测，积累了大量的数据资料。本文结合国家地磁台网中心的评议结果对大同站2017—2021年 FHD-2B 观测数据进行质量评价，分析影响其观测水平的因素，通过查阅观测日志、对比原始与预处理数据曲线，总结不同干扰的曲线变化特征，便于工作人员正确识别干扰并处理数据，提高观测资料质量。

1 台站及仪器信息

1.1 台站概况

大同站上皇庄观测站位于大同市马军营乡上皇庄村，距市区约4 km，地理位置如图1所示。台站处于大同盆地边缘两大地貌单元的分界处，台站西北部为山区，山地中沟谷发育，切割较深，东南部为洪积倾斜平原，口泉断裂在台站附近通过[11]。地磁观测场地远离居民住宅区、公路、采石场、电磁线路，测区地形平坦、开阔。

1.2 仪器介绍

FHD-2B 质子矢量磁力仪（下文简称 FHD 仪）观测系统包括主机、探头、分量线圈及连接线路，利用质子旋进原理连续观测地磁场的总强度 F、水平分量 H、磁偏角 D。通过 F、H 可以计算得到垂直分量 Z，由数据处理软件计算转换产出。该仪器采用数字化、网络化控制，工作人员通过访问仪器主页，可以下载观测数据，控制仪器参数，监视运行状态等。仪器主要技术指标为：分辨率0.1 nT，总场 F 精度0.3 nT，垂直分量 Z 精度0.6 nT，水平分量 H 精度0.6 nT，磁偏角 D 精度0.1′，测量范围20000—70000 nT，采样率为1 min。仪器主机、探头及分量线圈如图2所示。

大同站 FHD 仪于2008年1月正式运行，仪器探头和线圈独立放置在探头室的观测墩上，主机放在探头室东北向约20 m 远的地磁房内，使用沿地埋线管布设的双绞线传输。

2 质量评价

结合国家地磁台网中心 FHD 观测评比结果可知，大同站主要受数据连续率、完整率和背景噪声影响，偶有数据预处理错误等。随着观测系统的不断完善、工作人员处理数据水平的不断进步，除一些不可抗拒的干扰因素外，大同站 FHD 仪观测质量在逐步改善。

2.1 连续率和完整率

观测数据的连续率反映原始数据的完整性，完整率反映预处理数据的完整性，二者可以直接表征仪器的运行状态及经过处理后数据的保留程度。影响连续率的主要因素是数采漏采、仪器故障、仪器标定、停电等导致的数据缺失，影响完整率的主要因素是场地施工、人为干扰等错误数据的删除。

统计大同站2017—2021年的连续率和完整率（表1）。2019年连续率和完整率均低于99%，原因是2019年6月大同站 FHD 仪仪器更新改造，更换了新的主机、探头、线圈和信号线，期间存在数据缺测和施工干扰，并且12月观测场地内存在施工干扰（安装保温棚）。2020年仪器在4月和12月出现两次主机死机故障，导致数据缺测；受9月探头房周边土地修整施工和10月办公机房改造干扰的影响导致完整率较低。2021年仪器运行稳定，连续率和完整率较好。

2.2 背景噪声

地磁观测参考背景噪声是指固定台站某套仪器对磁场变化响应的灵敏程度，是数据质量评价的一项重要内容[12]。图3为2017—2021年大同站 FHD 仪各测项分量背景噪声值与国家地磁台网中心噪声平均值的对比图。

2019年6月，大同站 FHD 仪进行了仪器更新改造（图3箭头所示），更换了新的主机、探头和线圈。可以看出，在此之前大同站背景噪声一直较大，D 分量分布在0.7—1.2 nT之间，H 分量分布在0.3—0.9 nT之间，Z 分量分布在0.4—0.7 nT之间，F 分量分布在0.3—0.7 nT之间，多数情况下都超出台网噪声平均值，是制约观测数据质量的主要因素。6月之后，D、 Z、F 分量噪声值明显下降，H 分量噪声水平略微下降，普遍低于台网噪声平均值，其中 H、Z、F 三个分量噪声值全年较稳定，D 分量变化幅度不超过0.2 nT，很大程度改善了背景噪声超标的情况。

3 典型干扰分析

大同站 FHD 仪主要受到場地施工、车辆运行、高压直流输电、断电等干扰。在数据处理中能够准确识别各种干扰并采取正确的预处理方式，对保证观测数据质量至关重要。

3.1 场地施工干扰

当仪器观测场地周围施工时，使用的电磁性工具、建筑材料等不可避免地会对地磁观测产生影响。图4为2019年12月10日施工干扰事件的数据曲线。当日大同站工作人员在 FHD 仪探头室东南侧约20 m 处安装保温棚，两个施工时段都对观测数据产生干扰（图中方框所示），压制了正常曲线形态，当删除掉干扰数据后，数据正常的日变趋势得以显示。

施工干扰一般表现为各分量受干扰时段一致，干扰幅度不同。对于场地施工产生的干扰数据，多采取缺数处理，删除相应的错误数据。

3.2 高压直流输电干扰

随着“西电东输”工程的不断发展，高压直流输电线路也逐渐增多，当输电线路出现故障或调试时，线路中的不平衡电流会对一定范围内的地磁观测产生干扰[13]。地磁台网高压直流输电判别处理系统能够给出干扰线路、受影响台站、干扰时间和幅度，为工作人员数据预处理提供参考。

山西省地磁观测数据受到宁绍线、宁东线、哈郑线、晋南线、上临线、昌宣线、陕湖线和锡泰线等输电线路的影响，各线路与台站的空间位置如图5所示。大同站地磁数据主要受到晋南线、宁东线、上临线和锡泰线4条输电线路干扰，宁东线、上临线和锡泰线最大干扰幅度均不超过1.5 nT，晋南线最大干扰幅度约3.3 nT。这是由于大同站距离晋南线送端换流站约110 km，受其干扰较其他线路严重，且晋南线对山西省内地磁观测台站均有影响，故本文主要分析晋南线干扰情况。晋南线输电线路以山西朔州为送端，江苏盱眙为受端，途径山西、河北、山东、河南、安徽和江苏6省，于2016年4月投入运行，额定功率8000 MW，电流5000 A，电压±800 kV，线路长度1118.5 km，避让距离20 km。

2019年4月28日晋南线输电线路17：43—20：35发生干扰事件，选取当日15—24时大同站和太原站 FHD 仪观测数据曲线进行对比（图6），干扰时段为图中方框所示。可以看出，大同站 FHD 仪 Z 分量受干扰，干扰幅度为2.1 nT；太原站 FHD 仪各分量均受干扰，Z、F 分量较严重，最大干扰幅度为4.8 nT，这可能与台站和输电线路的相对位置有关。大同站 Z 分量受干扰台阶方向向下，太原站 Z 分量台阶向上，这是由于大同站和太原站位于输电线路两侧，导致 Z 分量干扰变化方向相反。

蒋延林等[14]推导了高压直流输电干扰时产生的附加磁场值ΔZ（nT）与线路中不平衡电流ΔI（ A）、台站与线路视距离rs（km）的关系式：

由上式可知，对于同一条输电线路的同一次干扰，不平衡电流一致，由于台站和输电线路位置固定，那么两个台站ΔZ的比值就等于rs的反比，也就是一个恒定值，即关系式：

因此，当知道一个台站的干扰幅度后，可以利用上式计算出另一个台站的干扰值。

统计2018—2020年大同站、太原站、代县站和定襄站4个台站受晋南线输电干扰事件，以大同站Z 分量干扰幅度为基准，将其他3个台站的数据与大同站做比值，结果如表2所示，将大同站干扰幅度值作为 X 轴，其他台站干扰幅度作为 Y 轴，绘制干扰拟合曲线，如图7所示。由于代县站距离晋南线最近，受干扰的幅度最大，大同站和代县站受干扰方向一致，太原站和定襄站一致。经过分析可以看出，各台站干扰幅度比值拟合效果较好，都接近某一固定值，由于不可避免的受到观测噪声影响，比值也会出现波动。太原站与大同站比值近似为?2.261，代县站与大同站比值近似为24.56，定襄站与大同站比值近似为?12.743。

高压直流输电干扰的原则是干扰上升总量等于下降总量，数据曲线常表现为尖峰、缓变、台阶， Z 分量受干扰幅度明显大于其他分量，且各台站同时出现干扰，利用地磁台网中心给出的干扰时段，结合周边地磁台站数据，可以有效识别高压直流输电干扰。对于高压直流输电干扰，可以根据曲线形态，结合台阶改正、去除缓变、剔除尖峰进行数据处理。

3.3 车辆干扰

当有车辆在地磁观测场地附近活动时，往往会对数据造成干扰。图8是2020年9月20日大同站 FHD 仪数据受车辆干扰曲线。经现场工作人员记录，当日（世界时）06：30—07：30和10：15—10：45有重达10 t 的大型金属卡车两次进入地磁观测场地，由当日地磁数据曲线可以看出，两次车辆活动对 FHD 仪各分量数据都产生了干扰。车辆06：30第一次进入场地时，车辆驶入后停靠在探头房东北侧约50 m 处，停放1小时未活动后驶出场地，对应数据曲线是台阶型干扰，D 分量最大变化2.3′，H 分量变化13 nT，Z 分量变化4.5 nT，F 分量变化3.5 nT。当车辆10：15第二次駛入场地时，车辆围绕场地行驶一圈，中途不时停靠，距探头房最近时仅2 m，D 分量最大变化13.8′，H 分量变化130.9 nT，Z 分量变化70.8 nT，F 分量变化62.4 nT，曲线形态复杂，突跳和台阶混合，干扰幅度也明显大于第一次车辆活动。

当地磁房附近有车辆过往，一般会引起数据突跳，有车辆停放时会产生台阶，干扰在观测数据各分量上均有体现，受干扰时段对应于车辆活动时段。工作人员可以结合台站监控设备对观测场地周边环境进行实时监控，利于识别车辆干扰。对于车辆停靠引起的台阶型干扰，可利用台阶改正和剔除尖峰进行处理；当车辆通过引起突跳时可利用剔除尖峰处理；当干扰复杂，在无法保证曲线形态的情况下，可采用缺数处理。

3.4 断电干扰

2020年10月大同站进行办公机房改造，期间数次断电，恢复供电后发现 FHD 仪观测数据出现了不规律干扰，且每次断电后都会出现这种干扰情况，图9为10月13日和14日的两次断电干扰数据曲线，断电时数据缺测，随之 D、H、Z 分量观测曲线变粗，出现了错误数据，而 F 分量正常。经工作人员检查，观测环境正常，仪器接线完好，最后发现 FHD 仪主页的仪器参数错误，实时参数与原始参数出现较大偏差，调谐值偏离超过100 nT。

当仪器正常工作时，仪器的实时参数与原始参数状态较为接近，调谐值最大偏离约10 nT，仪器参数界面如图10所示。原始参数是仪器在初始仪器调试或标定时形成的工作参数，实时工作参数是仪器当前的工作参数。当调谐值严重偏离时，会影响到观测数据的精度，使观测数据曲线线条变粗，毛刺增多，甚至出现乱数现象，仪器工作参数不能实时跟踪变化，在选择“恢复缺省参数”功能后，实时参数恢复为原始参数，仪器正常工作，数据曲线也恢复正常。

对于此种断电导致实时参数变化的干扰，需要工作人员监控通电情况，在恢复供电后及时检查仪器主页参数情况，尽快处理，保证数据准确性。

4 结论

（1）制约大同站 FHD 仪观测水平的主要因素是背景噪声超标，在2019年6月仪器更新改造后得到明显改善。

（2）通过分析场地施工、车辆运行、高压直流输电、断电等典型干扰事件下的数据曲线形态，总结出以下特征：①施工干扰会产生不规律的错误数据，各分量受干扰时段一致，干扰幅度不同；②车辆干扰表现为观测场地附近有车辆过往时引起数据突跳，有车辆停放时产生台阶，数据各分量均受干扰，对应于车辆活动时段；③高压直流输电干扰常表现为 Z 分量干扰严重，且各台站干扰具有同步性，可以通过国家地磁台网中心给出的干扰时段，结合周边地磁台站数据进行处理；④断电干扰表现为 D、H、Z 分量觀测数据曲线变粗，毛刺增多，甚至出现错误数据，可以通过修改仪器参数解决。当数据曲线可以通过台阶改正、去除缓变和剔除尖峰处理时，应尽量保证数据的完整性；当干扰复杂无规律时，才采用缺数处理。

（3）工作人员在进行数据预处理时，应结合当天干扰情况和数据形态，正确进行数据处理。同时，对于无法判定的数据异常变化，要结合其他地磁台站数据对比分析，利用相对差值检测等方式及时发现数据变化原因，进行合理的预处理，保证数据可靠性。

致谢

本文地磁观测数据质量评价是基于国家地磁台网中心的评议结果，高压直流输电干扰时段也由地磁台网中心给出，在此表示诚挚的谢意。

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