地磁數(shù)字化資料干擾分析及數(shù)據(jù)處理*

董海龍,許玉紅,雷功明,張俏麗(甘肅省地震局嘉峪關(guān)中心地震臺(tái)，甘肅　嘉峪關(guān)　735100)

?

地磁數(shù)字化資料干擾分析及數(shù)據(jù)處理*

董海龍,許玉紅,雷功明,張俏麗
(甘肅省地震局嘉峪關(guān)中心地震臺(tái)，甘肅嘉峪關(guān)735100)

摘要：利用“十五”數(shù)字地磁臺(tái)的數(shù)據(jù)資料，分別統(tǒng)計(jì)在地磁臺(tái)觀測(cè)中出現(xiàn)的自然因素、觀測(cè)環(huán)境因素和儀器設(shè)備故障等各類干擾情況，對(duì)這些干擾進(jìn)行詳細(xì)的分類，分析人為干擾、地鐵輕軌干擾、交直流轉(zhuǎn)換干擾和地電阻率干擾等對(duì)地磁場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的影響特征，并提出了干擾的數(shù)據(jù)處理辦法。

關(guān)鍵詞：地磁;數(shù)字化資料;干擾分析;數(shù)據(jù)預(yù)處理

1　地磁觀測(cè)干擾類型

近年來，由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展的加快，城市建設(shè)面積的擴(kuò)大，新型技術(shù)的突飛猛逐步影響到了地磁場(chǎng)的正常觀測(cè)，經(jīng)常會(huì)遇到觀測(cè)數(shù)據(jù)記錄曲線異常現(xiàn)象。統(tǒng)計(jì)甘肅省“十五”數(shù)字地磁臺(tái)2008年至今的數(shù)據(jù)資料，發(fā)現(xiàn)在數(shù)字地磁臺(tái)觀測(cè)中除了的自然因素、環(huán)境和儀器中的各類干擾外，還受到人為干擾、地鐵輕軌、交直流切換、高壓直流輸電、地電阻率觀測(cè)等影響，這些干擾在記錄曲線上的表現(xiàn)為單點(diǎn)突跳、頻繁的單點(diǎn)或多點(diǎn)突跳、一定時(shí)段內(nèi)數(shù)據(jù)突升或下降（臺(tái)階），各類干擾都具有相應(yīng)的特征[1]。

2　地磁觀測(cè)干擾的特征

2.1人為干擾

人為干擾是指未按照規(guī)范要求，攜帶具有鐵磁性物件在觀測(cè)環(huán)境范圍內(nèi)活動(dòng)造成的干擾，基建工程和車輛影響也屬于人為干擾的一種,在數(shù)據(jù)記錄中主要表現(xiàn)為D、H、Z、F個(gè)分量短時(shí)間高頻大幅度的頻繁多點(diǎn)突跳和臺(tái)階變化（如圖1所示），在圖中1 時(shí)-5時(shí)出現(xiàn)了明顯的尖峰突跳和臺(tái)階，人為干擾屬于偶然性干擾，發(fā)生的頻率不高，可通過設(shè)立地磁觀測(cè)環(huán)境保護(hù)區(qū)域和人為干預(yù)加以消除。

2.2地鐵輕軌影響

直流牽引城市軌道交通系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)軌道作為整個(gè)供電回路的一部分，流入大地的泄露電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)是對(duì)周圍地磁臺(tái)站產(chǎn)生干擾的重要原因，由于鋼軌的絕緣性問題,雜散電流入大地形成泄露電流，整個(gè)直流供電回路由于漏電產(chǎn)生的不平衡性，也會(huì)在一定范圍內(nèi)產(chǎn)生少許干擾磁場(chǎng)，其干擾主要來自軌道泄露電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)和輸電線路產(chǎn)生的磁場(chǎng)[2]。觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線形態(tài)較粗，且毛刺較多，資料表現(xiàn)中D、H、Z分量的突跳尖峰干擾集中在輕軌運(yùn)行時(shí)段，較強(qiáng)的干擾脈沖為地鐵通過時(shí)的干擾，干擾幅度主要特征為Z＞H＞D，干擾包括車體經(jīng)過時(shí)的干擾以及線路的電磁干擾，如圖2所示。甘肅省蘭州市地鐵線路正在建設(shè)中，只有在規(guī)劃設(shè)計(jì)前按照地磁觀測(cè)環(huán)境規(guī)范要求進(jìn)行環(huán)境保護(hù)避免干擾。

2.3交直流切換影響

圖1　嘉峪關(guān)臺(tái)人為干擾原始曲線圖（2009年9月15日）

圖2　佘山臺(tái)地鐵干擾曲線圖（2015年1月12日）

一般配備交直流兩套電源設(shè)備能保障儀器的正常運(yùn)行，保證資料產(chǎn)出的連續(xù)率，當(dāng)直流供電設(shè)備未保持正常電壓，交直流電源轉(zhuǎn)換后，在使用直流供電時(shí)，就會(huì)影響儀器的供電，產(chǎn)生錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。圖3為2013年12月23日嘉峪關(guān)臺(tái)GM4儀器D、H、Z、分量原始數(shù)據(jù)圖，在20時(shí)之后地磁場(chǎng)D、H、Z分量資料記錄曲線出現(xiàn)連續(xù)的緩慢變化，儀器工作不正常，記錄數(shù)據(jù)隨著直流電源電壓的變化會(huì)出現(xiàn)緩變臺(tái)階，同時(shí)在切換直流供電后，部分儀器的記錄背景噪聲一般會(huì)變大[3]。

圖3　嘉峪關(guān)臺(tái)D、H、Z分量原始數(shù)據(jù)曲線圖（2013年12月23日）

2.4地電阻率觀測(cè)影響

在全國范圍內(nèi)，由于觀測(cè)場(chǎng)地的限制，地電阻率與地磁場(chǎng)的觀測(cè)通常被迫進(jìn)行同場(chǎng)觀測(cè)，地電阻率的觀測(cè)為每個(gè)整點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，地磁場(chǎng)的觀測(cè)為每秒觀測(cè)，之間會(huì)出現(xiàn)相互干擾現(xiàn)象。山丹地磁臺(tái)為典型的電磁同場(chǎng)觀測(cè)，圖4中可以發(fā)現(xiàn)，山丹臺(tái)地磁場(chǎng)觀測(cè)記錄中的Z分量和F分量在整點(diǎn)期間出現(xiàn)明顯突跳尖峰，具有規(guī)律性。干擾的主要原因是地電阻率觀測(cè)在每個(gè)整點(diǎn)通過供電極進(jìn)行一次大電流的供電，在測(cè)量極進(jìn)行測(cè)量產(chǎn)出數(shù)據(jù)，在供電時(shí)就相當(dāng)于在供電極形成了磁場(chǎng)，對(duì)垂直分量和地磁總場(chǎng)干擾比較明顯。

圖4　山丹臺(tái)地電阻率干擾原始曲線圖（2015年1月12日）

3　干擾數(shù)據(jù)的預(yù)處理

人為干擾、基建施工干擾、交直流切換干擾、不同干擾類型其數(shù)據(jù)的處理方式也不同，原則上在確保資料的準(zhǔn)確度的情況下，盡力保證資料的連續(xù)率和完整率較高，干擾的處理過程中普遍應(yīng)用去除尖峰和修正臺(tái)階的方法。首先，要選定臺(tái)階開始和結(jié)束時(shí)間，量取臺(tái)階幅度后進(jìn)行處理，先優(yōu)先最大臺(tái)階的預(yù)處理，逐步進(jìn)行小臺(tái)階的處理，進(jìn)行反復(fù)多次的臺(tái)階處理，配合剔除尖峰的方法來最后完成干擾數(shù)據(jù)的處理。對(duì)于像地鐵輕軌這樣的干擾，其干擾時(shí)間具有規(guī)律性，干擾數(shù)據(jù)表現(xiàn)一致，需要先查明干擾原因，對(duì)于這類干擾因素比較明朗的、周期存在的干擾不作處理，盡可能的改善觀測(cè)環(huán)境。地電阻率觀測(cè)干擾的表現(xiàn)為明顯的尖峰且時(shí)段固定，干擾源明確，這類的干擾就必須應(yīng)用剔除尖峰的方法來進(jìn)行資料的預(yù)處理工作。高壓直流輸電對(duì)地磁觀測(cè)影響復(fù)雜多變，在資料的預(yù)處理方面只有通過選取多臺(tái)資料進(jìn)行對(duì)比，確定高壓直流輸電時(shí)間、幅度和干擾形態(tài)，然后應(yīng)用剔除尖峰、去臺(tái)階、去緩變臺(tái)階及錯(cuò)誤數(shù)據(jù)等相應(yīng)合適的處理方法進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，考慮到緯度區(qū)別和背景磁場(chǎng)的遷移，也可以計(jì)算后加以修正。需要注意的是在像儀器校準(zhǔn)這類干擾出現(xiàn)的尖峰和臺(tái)階，數(shù)據(jù)預(yù)處理要按照相關(guān)規(guī)范要求進(jìn)行。

4　結(jié)論

地磁場(chǎng)觀測(cè)中的人為干擾具體偶然性，地鐵輕軌干擾在時(shí)間和幅度上都具有固定性，交直流切換影響在地磁記錄數(shù)據(jù)上具有多分量同步性，地電阻率觀測(cè)干擾的時(shí)段比較一致具有周期性，這些干擾都具有各自的特征，通過地磁觀測(cè)場(chǎng)地周圍的環(huán)境調(diào)查和多臺(tái)觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比能夠很容易進(jìn)行區(qū)分。地磁數(shù)據(jù)的預(yù)處理在原則上在確保資料的準(zhǔn)確度的情況下，盡力保證資料的連續(xù)率和完整率較高，首先需要分析干擾的類型，各種干擾的特點(diǎn)，不明確的時(shí)候需要調(diào)查周圍環(huán)境變化，對(duì)干擾的數(shù)據(jù)處理過程中與區(qū)域臺(tái)站的資料進(jìn)行對(duì)比分析，應(yīng)用去除尖峰和修正臺(tái)階的方法完成資料的預(yù)處理。只有充分認(rèn)識(shí)了干擾的特點(diǎn)，正確的進(jìn)行了資料處理，才能產(chǎn)出真實(shí)、可靠的觀測(cè)數(shù)據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙永志，劉天龍，白琳，等．遼寧省數(shù)字化地磁觀測(cè)干擾識(shí)別及數(shù)據(jù)處理［J］．防災(zāi)減災(zāi)學(xué)報(bào)，2013,29(3):39-43．

[2]謝凡，滕云田，徐學(xué)恭，等．直流牽引城市軌道交通系統(tǒng)對(duì)地磁觀測(cè)干擾研究—以天津軌道交通為例［J］．地球物理學(xué)進(jìn)展，2011,26（2）:732-738.

[3]陳俊，楊冬梅，曾獻(xiàn)軍．地磁觀測(cè)干擾概況淺析［J］．地震地磁觀測(cè)與研究，2010,31（Z1）:1-5.

[4]劉敏，陳傳華，張素琴．泰安地震臺(tái)GM-4儀觀測(cè)中臺(tái)階干擾分析[J]．地震地磁觀測(cè)與研究,2012,33(2):74-79．

[5]羅俊秋，李德前，賀玉方，等．武漢市軌道交通運(yùn)行對(duì)地磁觀測(cè)的影響[J]．大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué),2010,30(Z1): 135-140．

*基金項(xiàng)目：甘肅省地震局科技發(fā)展基金-青年基金資助項(xiàng)目（編號(hào)2014Q01）。

中圖分類號(hào)：P3