漳州臺地磁觀測環(huán)境干擾分析及排除＊

鄭志泓，李杏梅，俞文俊，張凱，全建軍，賴見深

漳州臺地磁觀測環(huán)境干擾分析及排除＊

鄭志泓1，李杏梅1，俞文俊1，張凱1，全建軍2，賴見深3

（1.福建省地震局漳州地震臺，福建 漳州 363000；2.福建省地震局永安地震臺，福建 永安 366000； 3.福建省地震局東山地震臺，福建 東山 363400）

通過統(tǒng)計漳州臺地磁觀測資料中存在臺階和尖峰的時間段，結合監(jiān)控設備對地磁房周邊環(huán)境進行實時監(jiān)控，以及與福建省其他地磁臺站的差值進行比較，判斷該時間段的臺階和尖峰是否由觀測環(huán)境變化引起，并分析環(huán)境干擾造成的數(shù)據(jù)曲線形態(tài)特征及變化幅度大小；同時，結合日常處理環(huán)境干擾的經(jīng)驗，總結如何排除地磁觀測環(huán)境的干擾以及對干擾的數(shù)據(jù)進行預處理。希望不僅能為臺站地磁觀測數(shù)據(jù)預處理、異常跟蹤分析和地磁會商提供有效可靠參考意見，還能為地震預報及其他提供思路。

地磁；觀測環(huán)境；地震；監(jiān)測臺

1 臺站參數(shù)

漳州地震監(jiān)測臺成立于1971-07-01，位于龍海市九湖鎮(zhèn)衍后村石獅巖，地理坐標為東經(jīng)117°37′54.9″，北緯24°28′ 58″，海拔42.3 m。基巖為花崗閃長巖，臺站距長詔斷裂帶幾十千米，附近有北西向、近南北向斷裂經(jīng)過。漳州地震臺地磁觀測始于1981年，根據(jù)地磁Ⅱ類臺要求，地磁總強梯度小于等于10 nT/m，地磁房臺址地質條件覆蓋層厚、基巖為花崗閃長巖，未發(fā)現(xiàn)磁體巖體，符合地磁臺選址規(guī)范的要求。目前漳州臺電磁學科配備了FHD-2B型質子矢量磁力儀、GM3型磁通門磁力儀以及FGM 01磁通門磁力儀。

2 觀測環(huán)境干擾分析

通過對近幾年漳州臺地磁觀測數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)影響觀測資料質量的因素主要有自然因素、儀器自身因素、人為干擾因素、外界環(huán)境因素等多方面干擾因素。漳州地震臺地磁觀測場地位于臺站內(nèi)部，有兩間地磁觀測房，距離圍墻外公路僅30 m，距離臺站山頂寺廟僅70 m，距離臺站宿舍樓及山洞僅15 m左右，觀測環(huán)境受外界干擾較大，為盡快、有效對地磁觀測環(huán)境的干擾進行分析及排除，在地磁房附近安裝了4個攝像頭，時刻監(jiān)視觀測環(huán)境是否受到破壞，通過對這些干擾因素分析，對臺站觀測環(huán)境保護、提高地磁觀測資料質量有積極意義。

漳州地震臺地磁觀測點分布如圖1所示。

2.1 自然因素的影響（磁暴）

當太陽表面活動旺盛，特別是在太陽黑子極大期時，太陽表面耀斑爆發(fā)次數(shù)也會增加，耀斑爆發(fā)時會輻射出Ｘ射線、紫外線、可見光及高能量的質子和電子束。其中帶電粒子（質子、電子）形成的電流沖擊地球磁場，引起電離層變化，同時引起地球磁場強度和方向發(fā)生急劇不規(guī)則變化，稱為磁暴。按影響強度，磁暴可劃分為小磁暴、中級磁暴和大磁暴。按照形態(tài)變化，磁暴可以分為緩始磁暴與急始磁暴。例如漳州臺GM3、FHD-2B兩套地磁儀器2017-08-31T 05：39—2017-09-01T19：00記錄到急始型磁暴SC，地磁各分量尤其是分量變化劇烈，急始變幅=1.8，=85.1 nT，=13 nT，活動程度為，最大值為7（本臺站FHD-2質子矢量磁力儀同期記錄到該磁暴變化）。2017-08-31漳州地磁受磁暴干擾的數(shù)據(jù)曲線如圖2所示。

圖1 漳州地震臺地磁觀測點分布圖

由圖2可知，在磁暴影響期間，地磁場垂直分量和磁偏角都有較明顯的波動，磁暴發(fā)生時垂直分量和磁偏角都出現(xiàn)明顯突跳，其特征是初動波動范圍大且突跳尖銳。分析其對觀測精度方面影響，因為FHD-2B是分鐘值采樣，且通過2組數(shù)據(jù)平均值生成值和值，值是儀器40 s測量結束后由補償電流、值等計算得出；幾個分量采集的時間不同步，且時間存在一些差別；而磁暴變化是連續(xù)的，特別是大磁暴和急始磁暴，雖然時間相差數(shù)秒，但磁暴變化量很明顯，從而導致FHD-2B、GM3變化與其產(chǎn)出數(shù)據(jù)不完全一致，其中不正確變化需要人工消除。

圖2 2017-08-31漳州地磁受磁暴干擾的數(shù)據(jù)曲線

2.2 交流電磁的影響

交流電磁干擾對FHD質子磁力儀觀測影響最大，臺站附近如果有無線電發(fā)射塔發(fā)射的無線電波、高壓交流輸電線路，都會對觀測環(huán)境產(chǎn)生電磁干擾，使觀測數(shù)據(jù)噪聲增大，影響儀器正常觀測。

漳州臺GM3磁通門和FHD-2B磁力儀因條件限制，目前兩套儀器和交換機等網(wǎng)絡設備一起集中供電，很多線都交叉在一起，交流供電線路，特別是環(huán)狀線路與儀器探頭上方的交流線路，可以產(chǎn)生交變干擾磁場，通過探頭感應，使得測量數(shù)據(jù)噪聲增大，導致數(shù)據(jù)曲線毛刺增多，出現(xiàn)線條變粗、突跳現(xiàn)象。

2.3 基建干擾

通過監(jiān)控及長期跟蹤走訪，發(fā)現(xiàn)漳州臺地磁房上方約50 m處山頂寺廟正在修建銅殿，修建銅殿過程中伴隨大型施工車輛出入，其殿頂部分的吊裝使用大型吊車施工，因此干擾較大，同時大殿主體結構均為鐵質，且距離較近，對磁房外的觀測環(huán)境造成嚴重影響。

2.4 水庫氣槍設備作業(yè)干擾

水庫氣槍震源實驗大型設備吊裝及運輸，以及大型吊車、貨運車輛及人員進出臺站，造成多時段曲線突跳臺階及畸變，這種干擾比較明顯，容易排查出來。

2.5 車輛干擾

漳州臺安裝GM3以及FHD-2B儀器的觀測磁房（石灰石砌墻）位于臺站內(nèi)部，1號磁房距離圍墻不到26 m，圍墻外陸續(xù)建有很多居民樓，距離磁房東面50 m處有一座寺廟，香火較旺，寺廟邊上還設有停車場，因此在通往山上寺廟的道路上，經(jīng)常有駕校學員車以及上山禮佛的車輛經(jīng)過。

車輛具有鐵磁性，一輛較大的汽車或者卡車重1 300～ 3 000 kg，本身攜帶的磁性對地磁各要素會產(chǎn)生較大的影響，如果車輛距離地磁房較近或者出入頻繁干擾更為嚴重。為了研究車輛經(jīng)過對觀測環(huán)境和觀測數(shù)據(jù)是否造成干擾以及干擾強度，臺站工作人員結合監(jiān)控設備對地磁房周邊環(huán)境的實時監(jiān)控，以及與福建省其他地磁臺站的差值比較，判斷車輛經(jīng)過時間段的臺階和尖峰是否由觀測環(huán)境變化引起，并分析環(huán)境干擾造成的數(shù)據(jù)曲線形態(tài)特征及變化幅度大小；同時結合日常處理環(huán)境干擾的經(jīng)驗，提出改進及解決方法。漳州臺GM-3儀器2018-03-13觀測曲線如圖3所示。

圖3 漳州臺GM-3儀器2018-03-13觀測曲線

通過監(jiān)控視頻回放以及結合地磁觀測數(shù)據(jù)來看，當某一時段經(jīng)過的車輛較多時，觀測曲線呈現(xiàn)出不同程度的尖峰和臺階現(xiàn)象，而且時間較為一致。

為了驗證數(shù)據(jù)出現(xiàn)的突跳和尖峰是否只是本臺站特有的還是磁場內(nèi)部本身的物理量變化，利用本臺垂直分量、磁偏角與福建省內(nèi)其他臺站2018-03-13數(shù)據(jù)進行差值比較，從觀測曲線可以看出磁偏角、垂直分量變化一致，且無明顯突跳和臺階，臺站工作人員對觀測系統(tǒng)、儀器參數(shù)及其他干擾源進行檢查后均無發(fā)現(xiàn)異常，可以判斷曲線突跳、毛刺由外部觀測環(huán)境干擾引起。

3 影響漳州臺地磁觀測環(huán)境干擾的排除

3.1 小波變換處理

傳統(tǒng)的傅里葉分析方法不能區(qū)分出表現(xiàn)突變的高頻成分和表現(xiàn)噪聲的高頻成分，而小波變換的模極大值在不同類型的奇異點處隨尺度的增加有不同的變化規(guī)律，正是利用了這個規(guī)律，將突變點與噪聲點區(qū)分開來，這是小波方法優(yōu)于其他方法的一個突出優(yōu)點。

漳州臺因觀測環(huán)境存在不可控干擾源，背景噪聲較大，個別時間段曲線形態(tài)不明顯，存在毛刺偏多現(xiàn)象，利用小波消噪的方法可以有效去除隨小波分解尺度增大而減小的小波模極大值，而保留大于閾值的小波系數(shù)，保留隨尺度增大而增大的模極大值，然后用剩余的小波變換模極大值去重構信號，實現(xiàn)噪聲信號與地磁信號的有效分離。漳州臺GM3磁通門2016-06-12數(shù)據(jù)小波消噪如圖4所示。

圖4 漳州臺GM3磁通門2016-06-12數(shù)據(jù)小波消噪

3.2 減少交流電磁干擾

對于地磁記錄室中電磁干擾，在布設交流電路時要避免形成環(huán)狀電路，探頭上方不要安裝電燈之類的電器設備，避免交流電磁干擾通過探頭影響地磁觀測。

對于通過信號線耦合的交流電磁干擾，在布設信號線時要注意遠離交流電線，特別是與其平行的交流電線要相距 2 m以上，與其他儀器的各種線路也要保持一段距離，避免共同埋設在同一溝槽內(nèi)。在進入儀器室時，交流電線要與信號線從不同的方向進入儀器觀測室內(nèi)，與其他儀器的信號線也不要用同一管道進入儀器觀測室。

在儀器供電前端將交流電通過線式UPS或在交流凈化電源進行凈化，避免高頻電磁諧波通過交流電源干擾地磁觀測。從探頭到儀器主機之間的信號線還存在一定線阻和分布電容，如果信號線較長，信號線中線阻和分布電容就較大，將對地磁儀器選頻特性產(chǎn)生一定影響，使選頻的中心頻率偏低，并降低信噪比，使測量數(shù)據(jù)噪聲增大，信號線在50 m以內(nèi)比較合適。

3.3 減少可控干擾源

與寺廟基建施工方進行協(xié)商，要求他們施工時必須嚴格遵守地磁觀測環(huán)境規(guī)范的相關要求；水庫氣槍震源設備作業(yè)需遠離地磁房，并且控制作業(yè)時間；嚴格禁止閑雜人員到地磁觀測房附近，在臺站內(nèi)不做任何有可能影響觀測環(huán)境的行為；臺站環(huán)境修繕期間盡量使用無磁器具；在地磁房周圍加裝監(jiān)控，監(jiān)控地磁房附近的活動，提升了地磁觀測環(huán)境的可靠性；車輛影響主要是車輛停靠過于靠近觀測室，通過人為干預的方法加以消除。

4 數(shù)據(jù)處理

在日常觀測中，有些干擾無法避免，比如磁暴、日全食等自然現(xiàn)象，對觀測資料影響主要表現(xiàn)為數(shù)據(jù)突跳（特別是磁暴開始時），究其原因是地磁觀測與磁暴變化不同步，此類變化易識別與剔除。對明確由基建、車輛、氣槍作業(yè)干擾造成的數(shù)據(jù)突跳、尖峰，根據(jù)地磁學科規(guī)范進行預處理。

有噪聲干擾的地磁觀測數(shù)據(jù)經(jīng)過小波變換將低頻趨勢信號與高頻噪聲及突變信號很好地分離，分量的細節(jié)保留充分，因此，小波變換對非平穩(wěn)信號的消噪效果顯著。可以用小波變換模極大值抑制方法對地磁觀測數(shù)據(jù)進行預處理，預處理后的結果提高了資料的質量，可更好地研究地磁信號，對震磁關系進行探討，同時對不同的干擾特征，通過具體調試，合理地選取小波去噪閾值，這是有效抑制信號噪聲的關鍵。

在日常觀測資料處理中，尤其是車輛干擾引起的脈沖或者臺階變化，可以找出變化幅度接近、方向相反的一組臺階，可以對它們進行預處理，如果干擾造成的是尖峰或者突跳，進行尖峰處理即可。

5 結論

通過多種方法和渠道排查了漳州臺地磁觀測環(huán)境的干擾因素，有效地排除了可控干擾源，解決了漳州臺地磁觀測中背景噪聲大的問題，提高了漳州臺地磁觀測數(shù)據(jù)的質量，減少了日常觀測中出現(xiàn)的錯誤數(shù)據(jù)和不可用數(shù)據(jù)，同時地磁觀測精度得到了一定程度的提升，為全國地磁臺站在處理相同問題時提供了可靠的建議。

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P318.6

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.02.013

2095－6835（2020）02－0046－03

鄭志泓（1988—），男，工學學士，主要從事地震前兆監(jiān)測工作。

福建省地震局地震臺站科技基金（編號：T201603）

〔編輯：張思楠〕