邕寧地震臺(tái)地磁觀測(cè)一次特殊干擾分析

李 莎吳 靜李家寧原永東向 巍閻春恒

1）中國(guó)南寧530022廣西壯族自治區(qū)地震局

2）中國(guó)廣西壯族自治區(qū)530200邕寧地震臺(tái)

邕寧地震臺(tái)地磁觀測(cè)一次特殊干擾分析

李 莎1）吳 靜1）李家寧2）原永東1）向 巍1）閻春恒1）

1）中國(guó)南寧530022廣西壯族自治區(qū)地震局

2）中國(guó)廣西壯族自治區(qū)530200邕寧地震臺(tái)

2015年6月26日以來邕寧地震臺(tái)GM4和FHDZ-M15磁力儀秒記錄數(shù)據(jù)出現(xiàn)同步尖峰異常，分析此次特殊干擾的變化特征，排除了觀測(cè)系統(tǒng)、農(nóng)具、高壓直流輸電、雷電、市政修路鐵磁性物質(zhì)干擾的可能。利用畢奧—薩伐爾定律進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)干擾源為雜散電流的可能性較大。結(jié)合邕寧地震臺(tái)周邊環(huán)境推測(cè)，居民用電設(shè)備、市政施工、地鐵試運(yùn)行通電等用電設(shè)備漏電均可能產(chǎn)生雜散電流。

地磁觀測(cè)；尖峰干擾；異常核實(shí)；干擾源排查

0 引言

隨著地震預(yù)測(cè)研究工作的不斷深入，地震前兆觀測(cè)資料在中短期地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)實(shí)踐中的作用日益顯著。大量破壞性地震研究已證實(shí)，震前電磁異常現(xiàn)象已成為地震日常監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)，特別是短臨預(yù)報(bào)的有效手段之一（魯躍等，1999；丁鑒海等，2003，2004，2006；韓鵬等，2009；王武星等，2009；李樹華等，2011；袁潔浩等，2014）。地磁觀測(cè)信號(hào)包含地球變化磁場(chǎng)的外場(chǎng)和地球內(nèi)部電性介質(zhì)感應(yīng)生成的變化內(nèi)場(chǎng)等豐富信息，具有頻帶寬、動(dòng)態(tài)范圍大、易遭受干擾等特點(diǎn)，這給我們獲得連續(xù)可靠的觀測(cè)資料帶來巨大困難，也是我們需要逐步解決的基本問題（高榮勝等，1999）。近年來，隨著城市建設(shè)發(fā)展，地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量逐年下降，地磁干擾日益增多，甚至?xí)斐傻卣鹎罢桩惓５恼`判和掩蓋（李軼群等，2007；馮武等，2008；趙永志等，2013）。如何識(shí)別并排除各種地磁干擾，已經(jīng)成為目前地磁臺(tái)站工作的一個(gè)重要組成部分，通過這項(xiàng)工作可為地震監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)提供更為真實(shí)、準(zhǔn)確的信息支持（吳喬木，2007；毛華峰等，2013）。

邕寧地震臺(tái)（下文簡(jiǎn)稱邕寧臺(tái)）GM4和FHDZ-M15（下文簡(jiǎn)稱M15）兩套磁力儀2015年6月26日起秒記錄數(shù)據(jù)出現(xiàn)同步尖峰異常，該現(xiàn)象比較特殊，在該臺(tái)比較少見。此次尖峰異常干擾源來自何處？屬于觀測(cè)系統(tǒng)干擾還是環(huán)境干擾？對(duì)此，本文從地磁干擾分析、干擾源排查進(jìn)行分析，以便對(duì)觀測(cè)環(huán)境保護(hù)提供借鑒。

1 臺(tái)站概況

邕寧臺(tái)由廣州地震大隊(duì)始建于1972年5月，屬國(guó)家基準(zhǔn)臺(tái)，地處NW向右江斷裂帶與NE向桂林—南寧斷裂帶交匯處以東，距南寧市中心約27 km，占地面積約5 500 m2。觀測(cè)房和記錄室位于臺(tái)站以北160 m處獨(dú)立院內(nèi)，臺(tái)基巖石為白云質(zhì)石灰?guī)r（閻春恒等，2015）。邕寧臺(tái)先后建成地磁相對(duì)記錄室和絕對(duì)觀測(cè)室，由于保溫、防潮等不達(dá)標(biāo)，1982年8月起對(duì)絕對(duì)觀測(cè)室和相對(duì)記錄室進(jìn)行全面改造，1984年產(chǎn)出數(shù)據(jù)。為避免水患，1987年10月增建相對(duì)記錄房進(jìn)行對(duì)比觀測(cè)。“九五”期間，重建邕寧地磁絕對(duì)觀測(cè)房，對(duì)原相對(duì)觀測(cè)儀器進(jìn)行數(shù)字化更新，并重新測(cè)定觀測(cè)墩方位角。“十五”期間安裝M15地磁總場(chǎng)與分量組合觀測(cè)系統(tǒng)，同時(shí)撤消CB-3型磁變儀。

圖1　邕寧地震臺(tái)地磁測(cè)項(xiàng)分布Fig.1 The distribution map of geomagnetic observation project at Yongning Seismic Station

目前，邕寧臺(tái)地磁觀測(cè)擁有絕對(duì)觀測(cè)和相對(duì)觀測(cè)兩種手段。絕對(duì)觀測(cè)儀器包括CTM-DI、Mingeo-DI和G856磁力儀，相對(duì)觀測(cè)儀器為GM4和M15，見圖1。圖中1號(hào)墩是MINGEO-DI地磁經(jīng)緯儀，2號(hào)墩是G856質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀，3號(hào)墩是CTM-DT地磁經(jīng)緯儀，4號(hào)墩是備用墩，5號(hào)墩是FHDZ-M15地磁總場(chǎng)與分量組合觀測(cè)系統(tǒng)，6號(hào)墩是GM4磁通門磁力儀。自1984年以來實(shí)時(shí)產(chǎn)出地磁觀測(cè)資料，至今已經(jīng)積累大量連續(xù)觀測(cè)資料。除2007年3月至5月因數(shù)字化改造出現(xiàn)較長(zhǎng)時(shí)間缺數(shù)外，其余時(shí)段資料連續(xù)率好，可靠性較高。2013年地磁學(xué)科觀測(cè)資料預(yù)報(bào)效能評(píng)估邕寧臺(tái)為A類，觀測(cè)資料質(zhì)量較好①?gòu)V西地震局地磁學(xué)科組.廣西壯族自治區(qū)電磁學(xué)科觀測(cè)資料地震預(yù)報(bào)效能評(píng)估報(bào)告.2013.。

2 地磁特殊干擾特征

2015年6月26日起，邕寧臺(tái)GM4和M15磁力儀的秒采樣數(shù)據(jù)均出現(xiàn)尖峰干擾，而分采樣數(shù)據(jù)未受到干擾。分析干擾時(shí)段的連續(xù)觀測(cè)資料，限于篇幅，僅給出2015年8月1日至3日兩套儀器地磁記錄變化曲線（圖2，圖3）及8月1日Z分量尖峰出現(xiàn)時(shí)間、變化幅值、干擾形態(tài)對(duì)比表（表1）。由圖2、圖3和表1發(fā)現(xiàn)，持續(xù)尖峰干擾存在以下變化特征：①各分量干擾同步出現(xiàn)，其中Z分量和F分量干擾較明顯，H分量和D分量很小，可以忽略；②尖峰干擾出現(xiàn)時(shí)間隨機(jī)性較大，無明顯規(guī)律，且每次干擾持續(xù)時(shí)間一般不超過3 s；③Z、F分量記錄的尖峰干擾形態(tài)一致，呈現(xiàn)向上或向下變化的隨機(jī)性，從影響幅值來看，Z分量變化幅值約0.5—5.5 nT，F(xiàn)分量約0.5—2.0 nT，同一時(shí)刻兩分量記錄的尖峰干擾幅值不同，通常Z分量干擾值較大。

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，受干擾明顯的Z分量，GM4和M15兩套儀器地磁變化幅值差值最大可達(dá)3.0 nT。兩套儀器相距約5 m，儀器采樣率、整體功耗、供電電源及工作環(huán)境溫度相同，對(duì)工作環(huán)境濕度要求存在差異，GM4小于80%，M15小于85%。推測(cè)兩套儀器受干擾幅度存在差值，可能由儀器工作性能或到干擾源距離不同所致。

圖2　邕寧地震臺(tái)GM4磁力儀Z、H和D分量秒記錄數(shù)據(jù)曲線Fig.2 The Z，H and D component secondly data curves of GM4 magnetometer at Yongning Seismic Station

圖3　邕寧臺(tái)M15磁力儀Z、H、D和F分量秒記錄數(shù)據(jù)曲線Fig.3 The Z， H，D and F component secondly data curves of M15 magnetometer at Yongning Seismic Station

表1　2015年8月1日GM4和M15磁力儀Z分量尖峰出現(xiàn)時(shí)間、變化幅值、干擾形態(tài)對(duì)比Table 1 Spikes time，variation amplitude and interference form comparison of Z component of GM4 and M15 on August 1，2015

3 干擾排查

3.1 觀測(cè)系統(tǒng)

為了查明尖峰干擾源，首先對(duì)儀器系統(tǒng)進(jìn)行排查。GM4和M15的儀器探頭、模擬裝置和主機(jī)均正常工作，由圖2、圖3可見，兩套儀器記錄的正常地磁場(chǎng)變化曲線形態(tài)一致，尖峰干擾的時(shí)間、變化幅值、干擾特征（表1）也基本同步，表明兩套儀器處于正常工作狀態(tài)。

依據(jù)《地磁測(cè)量與地磁臺(tái)站工作指南》，檢查輔助觀測(cè)系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)觀測(cè)室溫度、濕度、抽濕機(jī)、供電系統(tǒng)等均符合觀測(cè)要求。2015年5月16日室內(nèi)避雷箱尖峰吸收器損壞，9月14日修復(fù)，尖峰干擾依然存在，由此可排除干擾源為避雷箱的可能。

3.2 觀測(cè)環(huán)境與自然環(huán)境

邕寧臺(tái)觀測(cè)環(huán)境和自然環(huán)境干擾主要為農(nóng)耕、高壓直流輸電及雷電，干擾特征見表2。

（1）邕寧臺(tái)四周皆為農(nóng)田，時(shí)常受到鐵磁性農(nóng)具干擾，Z、F、D、H分量均不同程度受到影響，干擾形態(tài)以臺(tái)階為主，影響幅值約10 nT。

（2）2000年12月以來，邕寧臺(tái)磁力儀受到廣西“西電東送”高壓直流輸電線路（天生橋→平果→來賓→梧州→廣州）干擾。當(dāng)高壓直流輸電線路通電時(shí)，Z、F、D、H分量分?jǐn)?shù)據(jù)和秒數(shù)據(jù)記錄均受到影響，干擾形態(tài)以臺(tái)階為主，持續(xù)2—3小時(shí)，變化幅值約10 nT。

（3）1997年至今，邕寧臺(tái)受雷電干擾，造成數(shù)據(jù)突跳現(xiàn)象，Z、F、D、H分量原始分?jǐn)?shù)據(jù)和秒數(shù)據(jù)記錄均受到影響，干擾形式表現(xiàn)為觀測(cè)曲線隨雷電持續(xù)時(shí)間整體偏移，類似長(zhǎng)時(shí)間臺(tái)階，變化幅值約20 nT。

以上3類干擾磁力儀Z、F、D、H分量均能記錄到，干擾形態(tài)基本呈臺(tái)階狀，幅值10—20 nT，持續(xù)時(shí)間數(shù)分鐘至幾小時(shí)不等，與此次尖峰干擾存在明顯差別。因此，可排除農(nóng)具、高壓直流輸電和雷電為尖峰干擾源的可能。

表2　農(nóng)具、高壓直流輸電及雷電干擾特征Table 2 The interference characteristics of farm tools，HVDC and lightning

4 尖峰干擾源確認(rèn)

經(jīng)上述分析，基本排除尖峰干擾源來自觀測(cè)系統(tǒng)、觀測(cè)環(huán)境及自然環(huán)境的可能。基于此，針對(duì)疑似干擾源進(jìn)行進(jìn)一步探究。

4.1 市政修路干擾

邕寧臺(tái)觀測(cè)室周邊自2012年5月起陸續(xù)受到市政施工影響，施工點(diǎn)距離觀測(cè)室200—400 m，施工器械以大型挖掘機(jī)和運(yùn)輸車輛為主。2012年5月至2015年6月26日，地磁分、秒觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線尚未出現(xiàn)明顯臺(tái)階和密集尖峰干擾現(xiàn)象。趙學(xué)敏（1988）認(rèn)為，觀測(cè)室與機(jī)動(dòng)車輛公路距離超過300 m，干擾可忽略。結(jié)合2012年5月至今的觀測(cè)曲線，可排除300—400 m范圍內(nèi)路政施工影響。觀測(cè)房與市政修路點(diǎn)最小距離205 m，該施工點(diǎn)于2015年3月起施工，至6月26日地磁觀測(cè)曲線未出現(xiàn)尖峰干擾，由此基本排除該施工點(diǎn)鐵磁性物質(zhì)干擾影響。

4.2 用電設(shè)備漏電干擾

地磁觀測(cè)房周邊民居日益增多，觀測(cè)室與最近民居直線距離僅約150 m，各種家用電器、路燈、建筑施工器械等用電設(shè)備數(shù)量增多。此外，南寧市地鐵1號(hào)線2014年底竣工，地鐵東端到臺(tái)站最小距離約7.5 km，目前已進(jìn)入通電調(diào)試階段。這意味著觀測(cè)房周邊用電設(shè)備泄露的雜散電流增多。尖峰干擾幅度約5 nT，設(shè)干擾源為周邊泄露的雜散電流，采用畢奧—薩伐爾定律（趙凱華等，1985；謝凡等，2011）計(jì)算電流量值，與周邊用電設(shè)備漏電電流進(jìn)行對(duì)比，以此排查并判定干擾源。

4.2.1 原理。由畢奧—薩伐爾定律（趙凱華等，1985；謝凡等，2011）可知，在地表（z=0）某點(diǎn)（x，y）處，電流元Idl在細(xì)導(dǎo)線上激發(fā)的元磁場(chǎng)是

式中，μ0為真空磁導(dǎo)率，r為從電流元到觀測(cè)點(diǎn)的矢量。一個(gè)有限長(zhǎng)或者半無限長(zhǎng)細(xì)導(dǎo)線上的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)可由式（1）推導(dǎo)，即

式中，R為由細(xì)導(dǎo)線到觀測(cè)點(diǎn)的垂直距離，θ和φ分別為觀測(cè)點(diǎn)到該導(dǎo)線頭尾兩端的角度。當(dāng)導(dǎo)線無限長(zhǎng)時(shí)，式（2）可簡(jiǎn)化為

4.2.2 計(jì)算結(jié)果。假設(shè)觀測(cè)室周邊產(chǎn)生雜散電流的用電設(shè)備導(dǎo)線無限長(zhǎng)，真空磁導(dǎo)率μ0取值4π×10-7H/m，磁場(chǎng)強(qiáng)度取尖峰干擾最大幅值5 nT，R為不同用電設(shè)備到觀測(cè)室的垂直距離（單位：m），代入式（3），可得不同距離用電設(shè)備與地磁干擾幅值的關(guān)系為I=0.025R，由此式計(jì)算漏電電流理論值I，見表3。

當(dāng)?shù)卮鸥蓴_幅值為5 nT時(shí)，不同距離用電設(shè)備產(chǎn)生的泄露電流量值是相對(duì)合理的（表3）。由此可知，邕寧地震臺(tái)周邊環(huán)境較復(fù)雜，居民用電設(shè)備漏電、市政施工漏電、地鐵試運(yùn)行通電等產(chǎn)生的泄露電流，均可能為潛在干擾源。是否還存在其他干擾因素，有待獲取更多資料進(jìn)行深入探討。

表3　干擾最大幅值5 nT與用電設(shè)備不同距離電流關(guān)系Table 3 The relationship of maximum interference amplitude（5 nT） and the electric current from the electrical equipments in different distances

5 結(jié)論

對(duì)2015年6月26日以來邕寧地震臺(tái)地磁觀測(cè)出現(xiàn)的尖峰干擾變化進(jìn)行分析，排除干擾源為觀測(cè)系統(tǒng)、農(nóng)具、高壓直流輸電、雷電、市政修路鐵磁性物質(zhì)的可能，從尖峰干擾特征和地磁觀測(cè)室周邊環(huán)境推測(cè)，干擾源為雜散電流的可能性較大。據(jù)此，假設(shè)尖峰干擾的影響幅值為5 nT，利用畢奧—薩伐爾定律進(jìn)行理論推算，結(jié)果顯示，雜散電流與距離的關(guān)系式可以表示為I=0.025R。此電流大小與周邊用電設(shè)備可能產(chǎn)生的泄露電流量值基本一致，表明觀測(cè)室周邊居民用電設(shè)備漏電、市政施工漏電、地鐵試運(yùn)行通電等產(chǎn)生的泄露電流，均可能成為潛在干擾源。

可靠的地震前兆觀測(cè)資料是開展地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)探索實(shí)踐和地震基礎(chǔ)研究的基礎(chǔ)。然而，隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加速，地震前兆觀測(cè)干擾越來越多。地震臺(tái)站觀測(cè)環(huán)境保護(hù)工作任重而道遠(yuǎn)，需要大力宣傳和依法保護(hù)，更需要全社會(huì)的鼎力支持和共同參與。

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Abstract

There were some synchronized spike interferences appeared at second recording data of GM4 and FHDZ-M15 magnetometers at Yongning Seismic Station since June 26，2015.By analyzing the changed characteristics of special interference，the possibility of observation system，farm tools，HVDC，lightning and ferromagnetic material of municipal roads had been ruled out.Calculating by the Biot-Savart law，it is believed that stray current was likely to be a source of interference.Combined with the surrounding environment of Yongning Seismic Station，it is found that the stray current maybe come from the leakage of residential electricity equipment，municipal construction，the subway running electricity and other electrical equipment.

A special interference analysis of geomagnetic observation at Yongning Seismic Station

Li Sha1），Wu Jing1），Li Jianing2），Yuan Yongdong1），Xiang Wei1）and Yan Chunheng1）
1） Earthquake Administration of Guangxi Zhuang Autonomous Region，Nanning 530022，China
2） Yongning Seismic Station，Guangxi Zhuang Autonomous Region 530200，China

geomagnetic observation，spike interference，abnormal verification，interference source exclusion

10.3969/j.issn.1003-3246.2016.03.024

李莎（1989—），女，碩士研究生，主要從事前兆數(shù)據(jù)處理分析工作。E-mail： lisha4340@163.com

廣西科技攻關(guān)計(jì)劃（編號(hào)：14124004-4-8、1298005-2、1377002、12426001）、地震科技星火計(jì)劃（編號(hào)：XH14041Y）、中國(guó)地震局“三結(jié)合”課題（編號(hào)：152001、162001）聯(lián)合資助