我國地磁臺站受干擾的顯著性分析

吳博洋 李赫 張明東 姚蕾 宋田 趙黎明 尚先旗

摘 要：I類、II類地磁臺站是我國地磁臺網布局中十分重要的基本臺站，其觀測數據的質量和觀測資料的歷史連續性在全國定點地磁臺站中都非常優秀，但隨著我國經濟建設的發展，部分臺站的觀測環境受到不同程度的干擾，其中地鐵、輕軌等城市軌道交通的高壓直流供電制式對地磁場數據的影響較大。本文采用我國18個I類、II類臺站的地磁Z分量秒數據，選用ap指數小于3的磁靜日數據進行頻譜分析，統計分析振幅譜的噪聲計算結果，得出我國I類、II類臺站的磁場環境現況。

關鍵詞：地鐵干擾；噪聲優勢頻率；I類、二類地磁臺

引言

目前我國地磁臺網中I類地磁基本臺15個，Ⅱ類地磁基本臺22個，其他區域地磁臺站100多個（見圖1，表1）。I類II類臺站分布較為均衡，其余區域臺站針對于危險區和重點監視區，主要分布于南北帶，郯廬帶和首都圈等地區，從整體上看，中東部地區臺站密度較大（見圖2）。

據《2014年-2020年中國城市軌道交通行業發展模式與未來前景分析報告》的統計數據顯示，截止至2013年末，中國累計有19個城市建成投運城軌線路87條，運營里程2539公里，其中地鐵2074公里，占總里程的81.7%；輕軌192公里，占總里程的7.6%；單軌75公里，占總里程的3.0%；現代有軌電車100公里，占總里程的3.9%；磁浮交通30公里，占總里程的1.2%；市域快軌67公里，占總里程的2.6%。這些線路的運行對周邊幾十公里的地磁數據都有不同程度的影響，隨著更多線路的新建和疊加，其對地磁數據的影響將更加深入和復雜。

如何合理有效地利用地磁臺網的觀測數據進行地震預測研究是地震科學的一個重要問題，據徐文耀（1997）指出，地震預報強調地震前兆要形成場，因此在地磁學中，研究并繪制高精度的區域地磁圖，為地震預報提供一個可靠的背景場是重要的課題。國內外在繪制地磁圖時，分別就地磁臺站空間選擇、數據可靠性分析、區域地磁場解算等方面做了大量工作（徐文耀，1997）。本文將從中國大陸東西部地磁臺站分布密度、地磁環境干擾程度對中國大陸東西部地磁觀測環境做具體比較，利用最新的臺站統計結果以及記錄的資料，初步量化評估I類、II類地磁臺觀測環境的差異，為“七五”、“八五”地震科技攻關總結的技術方法（國家地震局科技監測司，1990）及近年一些地震地磁分析方法的適應性提供參考。

1 東西部I類、II類地磁臺環境現狀直觀差異

東西I類、II類臺站的觀測環境差異主要表現在東部人為干擾突出，西部臺間距太大。

1.1 東部地磁臺嚴重干擾現象統計

改革開放以來，中國東部地區鐵路、公路、橋梁、高壓電網、城市地鐵、高樓、大中型企業、鄉鎮企業等都在快速發展。它們對地震臺站尤其對地磁臺站的觀測數據帶來很大沖擊。臺站周邊環境遭到破壞，各種電磁干擾造成觀測、記錄數據失真。不少地磁臺站因不能正常進行工作而遷臺。比如遼寧大連地磁臺、湖北武漢地磁臺、福建泉州地磁臺、廣州地磁臺都于近十幾年內遷到新的地點。再如北京白家疃地磁臺、上海佘山地磁臺的觀測環境也都遭到十分嚴重破壞。前者受北京地鐵干擾，后者則受到周邊企業等干擾。即使沒有遷址的其他地磁臺也面臨著嚴峻的形勢。

1.2 西部地磁臺臺間距統計

我國西部地區占國土面積71.35%。而I類臺和Ⅱ類臺西部地區總共只有18個。以青海、西藏、新疆為例，新疆維吾爾自治區166.49萬平方公里，占中國國土總面積16.6%（新世紀版總參謀部測繪局編制 ）。西藏自治區全區土地面積為122萬多平方公里，約占全國總面積的12.8%。青海省占地面積72.23萬平方公里，約占全國總面積的7.52%。三個自治區加起來占全國面積的37.5%。而I類臺一共只有4個。新疆I類臺只有烏魯木齊地磁臺和喀什地磁臺，西藏I類臺只有拉薩地磁臺，青海I類臺也只有格爾木地磁臺。喀什與烏魯木齊相距1100公里，烏魯木齊距格爾木1050公里，格爾木距拉薩825公里，拉薩距喀什1750公里。由圖1可以直接看出，從中國東部地區到西部地區臺站密度呈下降趨勢。

2 有軌交通規劃及距臺站最小距離規定

2.1 有軌交通規劃

2009年國務院批復22個城市的地鐵規劃，預計在2015年前后，在北京，天津等22個城市建設79條軌道交通線路，全長2259.84公里，總投資8820.03億元，軌道交通信號干擾將成為地磁學科面臨的普遍問題（天津市人民政府，2011）。

2.2 城市有軌直流運輸系統距地震臺站電磁觀測設施的最小距離

在城市有軌直流運輸系統對地的過渡電阻值符合CJJ49-1992的條件下，城市有軌直流運輸系統距地震臺站電磁觀測設施的最小距離，應符合下列規定：

城市有軌直流運輸系統距地震臺站地磁觀測點的最小距離應不小于30Km。

3 地鐵對地磁觀測數據干擾情況

選取全國東部三個臺站連續三日（2017年11月20日至11月22日）的地磁觀測數據為例作為分析，其中靜海、崇明、杭州受軌道交通的影響比較明顯。從圖3見，天津靜海臺的噪聲變化在1nT左右，造成干擾的主要原因是地鐵與輕軌等干擾。地鐵的運行時間是北京時間06時至23時，在其停運期間地磁觀測數據基本恢復正常。杭州臺的干擾也比較明顯，噪聲范圍在5nT左右，主要影響同樣是地鐵干擾，杭州臺距離地鐵線路較近，數據變化較大。上海的崇明臺噪聲變化在3nT左右。為使圖3更加清晰，在原有圖形（圖3）的基礎上上海增加4nT、杭州增加12nT、靜海不變。

4 東西部地磁臺站觀測質量對比

通過對東部三個臺站和西部三個臺站（2017年11月20日至11月22日）三天地磁觀測數據進行標準差計算得出表1。對東部臺的標準差進行分析，通過數據可以分析出西部三臺觀測資料比東部三臺觀測資料總體質量要高，從而更加說明西部觀測環境的優越性。

進一步對全國18個臺站進行原譜值分析，提取受地鐵干擾最嚴重的時間段和地鐵停運的時間段進行分析，導致頻譜成份復雜，所受干擾的頻帶較寬，振幅值大，上海的振幅范圍0.01-0.02，杭州較為嚴重振幅值范圍0.01-0.13。給出東部三大城市地鐵與觀測點之間的距離（表2）。西部大部分臺站觀測數據振幅值值較小，振幅值值范圍在0.01。比東部（杭州）振幅值小了一個數量級。西部臺站觀測環境近乎純天然，很適合地磁觀測。

為使原譜值圖更加清晰，在原有譜值圖的基礎上靜海不變、杭州增加0.01、上海增加0.02、每臺依次增加0.01。

圖4是18個臺站三日觀測數據的原譜值圖，圖5是提取地鐵開通時間段受干擾的情況，明顯看可以看出干擾嚴重（上海，杭州最為明顯）由圖6可見在地鐵停運期間，觀測數據所基本恢復正常。綜上所述，地鐵對地磁觀測數據產生了非常明顯的干擾，尤其是東部大城市如杭州、上海，已經成為重災區。西部由于有軌交通目前為止不是很發達，所以觀測環境背景相對較為干凈。

5 結論與討論

本文通過對中國大陸東西部地磁臺站密度、觀測環境等進行了比較分析。通過分析顯示，東部地區大城市觀測環境相對較差，尤其受地鐵影響較為嚴重，西部城市觀測環境明顯比東部具有較大的優勢。

目前比較成熟的地磁預報方法有空間相關法、簡單差值法、低點位移法、轉換函數法。但在當前的觀測環境下比較成熟的地磁預報方法實現起來較為困難。尤其目前城市都在積極建設有軌交通，而且離地磁臺站的距離越來越近，觀測數據將面臨更嚴重的干擾。從而對地磁預報地震產生更嚴重的影響。

通過以上討論，西部地區建設地磁臺網是很必要的。因西部地區城市化發展沒有東部如此迅猛，軌道交通目前并不發達，觀測環境所受破壞程度相對較小。甚至在一些人煙稀少的地方，觀測環境近乎純天然，從而保證了觀測數據的質量，加之西部臺站密度極低，西部建設地磁臺網大有發展。如能在西部地區提供的準確的地磁數據基礎之上運用一些經典的預報地震的方法，會進一步提高當地地震預測的準確性。

參考文獻

[1] 周錦屏.中國地磁臺網觀測與研究進展[J].地震地磁觀測與研究，1999，20（5）：113-120.

[2] 張明東，張文蕾，曹井泉等，基于Copula理論挖掘地磁Z分量震磁信息，地震學報[J]，2014，36（5）：930-943.

[3] 張明東，馬驥，尚先旗等，天津GM4磁通門磁力儀受軌道交通干擾的譜分析，內陸地[J]，2015，29（2），154-161.