滿洲里地震臺FHDZ-M15地磁總場與分量組合觀測系統秒采樣干擾問題的分析

朱天元，舒 雷，烏 蘭

(內蒙古自治區地震局滿洲里地震臺，內蒙古 滿洲里市 021400)

0 引言

目前，全國地磁臺站的相對記錄室多數建在山洞、掩體、地下或半地下，目的是為了保障記錄室內的溫度盡量恒定[1]。很多研究結果顯示，影響地磁儀器數據質量的因素不僅有溫度，室內濕度和儀器本身的噪聲也對數據造成影響。記錄室內濕度較溫度和滑動對地磁資料產生的影響更復雜[2]，如北方的德都臺、烏魯木齊臺，南方的洛陽臺、成都臺，地磁儀器均曾因儀器室濕度過大，對產出的數據資料造成了嚴重影響。為此，郅紅魁等曾設計開發了一套地磁房濕度智能監控系統[3-4]，對地磁房的濕度進行監控，并在超出工作范圍時提出警示，為地磁儀器觀測環境的保護提供保障。

滿洲里地震臺(以下簡稱滿洲里臺)地處中俄蒙三國交匯地帶，屬國家Ⅰ類地磁臺站，現有FHDZ-M15地磁總場與分量組合觀測系統(以下簡稱M15)和GM4磁通門磁力儀(以下簡稱GM4)在內的10臺套觀測儀器。滿洲里臺使用的M15地磁總場與分量組合觀測系統由丹麥生產的FGE三分量磁通門磁力儀探頭、英國生產的FGE模擬裝置、加拿大生產的 Overhouser 磁力儀以及中國地震局地球物理研究所第六研究室開發設計、北京天祥公司生產的主機共同組成。現階段，該套觀測系統安裝在臺站南山磁房內，2007年投入觀測以來，秒采樣數據資料質量穩定。2017年冬季起，滿洲里臺M15的尖峰干擾數量激增了上百倍，且冬季尖峰干擾數量多于夏季，數據質量明顯下降，臺站工作人員數據預處理的工作量也隨之激增。2018—2019年，對臺站M15所受的干擾進行逐項排查發現，臺站外部環境無改變，初步判定干擾因素來自儀器室記錄環境或儀器自身。

滿洲里臺地磁秒采樣數據所受干擾的記錄形態表現為階躍和尖峰，某種因素引發的記錄尖峰是滿洲里臺M15秒采樣數據最主要的干擾表現形態。

現階段，快速、準確識別觀測數據中的干擾因素已成為地磁監測人員的必備能力。筆者選用滿洲里臺M15秒采樣觀測數據，通過數據分析、加溫、除潮和更換線路等實驗手段，結合同一儀器室所放置GM4儀器的數據資料，分析M15所受的干擾，并通過判別干擾源，結合臺站實際，提出解決辦法。

1 數據資料選取

選取滿洲里臺2015年8月至2020年3月M15的觀測數據資料，使用“中國地震前兆數據處理系統-地磁學科版”進行處理，同時對比同觀測室內GM4的觀測資料，判斷資料受干擾的情況。

2 干擾類型及干擾源的分析

分析表明，滿洲里臺M15數據干擾的記錄形態主要有階躍和尖峰兩種。

2.1 階躍形態

通過查詢日志資料，M15階躍形態干擾的成因分別為高壓直流輸電和車輛停放。

(1) 高壓直流輸電。高壓直流輸電影響M15儀Z、F分量的曲線形態，有明確的時間段和干擾線路，可利用多臺對比分析和網站查詢等方法確定干擾時間。

(2) 車輛停放。測區周邊停放車輛，對M15各分量產生干擾，曲線干擾形態以明顯階躍為主，出現時間不固定，易發現，可通過設立明顯警示標識和及時提醒干擾車輛等方式進行預防。

2.2 尖峰形態

此類干擾表現為高頻的毛刺形態，幅度大、頻次高，造成記錄曲線變粗，對儀器數據質量影響十分明顯，也給數據預處理造成極大困擾。

對2015年以來M15數據資料的對比分析(包括分析不同年份同月份的數據和同年份不同月份的數據)，結合工作日志，確定M15數據尖峰干擾數量激增的原因有以下幾方面。

(1) 環境溫度的影響。分析2015年8月至2018年7月M15的觀測資料發現，毛刺尖峰在每年的1月、2月出現較多，6月、7月較少，表現為記錄曲線變粗，各分量原始秒采樣數據一階差分計算結果在2017年冬季之后明顯變大(見圖1)，冬季大于夏季，受季節(溫度)影響明顯。

圖1 M15儀器出現干擾前后原始秒采樣數據各分量一階差分結果Fig.1 The first-order difference results of each component of the raw second sampling data before and after interference appeared in M15 instrument

查閱M15的使用說明及官網查詢UPS不間斷電源的工作參數，發現M15和UPS所要求的工作溫度范圍均在0 ℃～40 ℃。目前，滿洲里臺M15的儀器探頭和模擬裝置均安置于地下儀器室，年溫差基本穩定于10～20 ℃，完全符合儀器正常工作的溫度要求，儀器主機和UPS放在地上的儀器室內，年溫差大，環境溫度在冬季可達-15 ℃。結合滿洲里地區氣候特點，推測此類干擾應與M15主機和UPS所處環境溫度有關。

2018年12月24日在儀器室配備加熱設備，主機、UPS等設備工作的環境溫度由-12 ℃上升至-3 ℃，D、H、Z分量的毛刺尖峰大幅度減少，相應原始數據一階差分變化幅度變小(見圖2)，F分量尖峰干擾數量變化不明顯。因此，認為地上儀器室室溫過低是M15出現尖峰干擾(D、H分量及大部分Z分量)的直接原因。

圖2 地上儀器室加熱前后原始秒采樣尖峰數量及一階差分結果對比Fig.2 Comparison of the number of raw second sampling spikes and first-order difference results before and after heating in the above-ground instrument chamber

(2) 環境濕度的影響。通過分析滿洲里臺與其他臺站的數據資料、查閱中國地磁臺網資料和相關文獻，發現地磁觀測設備與儀器裝置受潮可能表現為兩方面：第一，儀器探頭和所在儀器墩受潮會造成儀器探頭力學性質的改變，通常在數據資料上表現為基線值隨時間變化[5]；第二，儀器受潮造成內部電路元件電氣性能改變，表現形態與受潮的電路元件有關，不同元件受潮造成資料的干擾形態不同。

查詢M15的使用說明，發現其探頭和模擬裝置的正常工作濕度范圍在10%～85%。為判斷Z、F分量的尖峰形態干擾是否為儀器室環境濕度過大所導致，工作人員對地下儀器室進行了檢查。結果發現，儀器架設時對儀器探頭加了防潮盒和吸潮藥品，但未對模擬裝置配備防潮盒和吸潮裝置。

考慮到儀器模擬裝置受潮可能對觀測資料產生影響，2019年7月1日(本地區降水量最大的季節中期)在模擬裝置的防潮盒內添加變色硅膠進行吸潮處理。結果顯示，放入除潮劑后的四天(7月2日—5日)，變色硅膠幾乎未發生變色，觀測數據也未好轉(見第18頁圖3)，資料尖峰數量未發生明顯減少，原始秒數據一階差分計算結果變化幅度仍很大(最大差值達到3)。結合實驗結果可以看出，滿洲里臺M15觀測環境穩定，探頭密封防潮效果良好，儀器墩為石頭材質，不存在傾斜現象，對模擬裝置吸潮，資料未發生變化。因此，認為尖峰干擾與模擬裝置受潮無關。

(3) 供電系統設備老化的影響。結合滿洲里臺M15主機儀器室加熱后Z、F分量尖峰干擾依然存在和臺站2017年對儀器配電室進行了優化改造的具體情況，推斷該干擾可能存在于輸電過程中。電擾的形態比較多樣,可能表現為曲線跳動十分劇烈或曲線較粗，也可能為突然出現的一段時間幅度極大的尖峰干擾。兩種干擾中，前者多為直流漏電干擾，后者則在區域電網負荷增強時表現更加明顯[6]。兩種電擾在M15的觀測資料中都存在，前者常見，特別表現在Z和F分量上。

結合上述推斷，在2020年3月2日更換臺站所有地磁設備的輸電線路和UPS不間斷電源，更換中做到供電線路間、供電線路與信號線路間相互分離。3月3日起，M15數據資料除個別整點尖峰外，Z、F分量毛刺形態尖峰干擾基本消失，原始數據資料的一階差分計算結果恢復至平穩且小范圍跳動(變化量基本在0.5以下)，恢復正常(見第18頁至第19頁圖4)。

更換輸電線路和UPS后，M15秒采樣資料的尖峰干擾基本消失。2017年冬季以來，M15的F和部分Z分量出現的尖峰干擾是供電設備或線路中存在的某種電擾，該干擾是由某些電氣元件的老化造成，還是在優化改造過程中某些電氣元件受損造成，已無法判斷。

(4) 對比同一儀器室內兩套儀器資料，判斷干擾源。滿洲里臺M15和GM4的秒采樣觀測資料顯示，兩套儀器尖峰形態干擾出現的時間相類似，主要表現為所有分量尖峰數量增多(Z分量更加明顯)，尖峰幅度增大。查閱和分析兩套儀器的預處理情況及兩套儀器原始秒采樣資料的一階差分計算結果(見圖5)，發現GM4的尖峰數量遠少于M15。

圖3 儀器室除潮前后M15儀器原始秒采樣數據及一階差分結果對比Fig.3 Comparison of raw second sampling data and first-order difference results of M15 instrument before and after dehumidification in instrument room

圖4 更換線路前后M15儀器原始秒采樣數據及一階差分結果對比Fig.4 Comparison of raw second sampling data and first-order difference results of M15 instrument before and after line replacement

圖5 GM4與M15儀秒采樣各分量一階差分計算結果對比Fig.5 Comparison of first order difference calculation results between GM4 and M15 instruments second sampling components

2018年12月24日在儀器室配備加熱設備后，M15的D、H、Z分量尖峰數量大幅度減少，GM4的數據變化不明顯(見第20頁圖6)。認為是儀器原件老化(如主機中電容等老化)造成低溫時工作的不穩定。

經對比發現，M15的Z、F分量與GM4的Z分量原始數據在干擾形態和時間上具有較好的一致性(見第20頁圖7)。由此判斷，M15數據的毛刺尖峰干擾非儀器自身噪聲所致。

更換輸電線路和UPS不間斷電源后，M15的Z、F分量與GM4的Z分量的尖峰干擾均有很大程度的改善，其數據一階差分計算結果也符合地磁臺網對背景噪聲值的要求(見第21頁圖8)。因此判斷，該干擾是供電設備本身老化造成。考慮到兩套儀器受用電干擾的一致性，判斷兩套儀器在線路或設備發生漏電時，均會受到干擾且表現相似。

圖6 地上儀器室加熱前后GM4儀器各分量一階差分計算結果對比Fig.6 Comparison of the first order difference calculation results of GM4 instruments before and after heating in the above-ground instrument chamber

圖7 2019年11月7日M15與GM4儀原始秒數據尖峰干擾對應情況Fig.7 On November 7, 2019, M15 corresponded to the peak interference of raw second data of GM4 instrument

3 結論和討論

(1) 分析2015年8月至2020年3月滿洲里臺M15秒采樣觀測數據發現，該儀器受到干擾后表現形態主要為階躍與尖峰型。其中，階躍型來自高壓直流輸電和車輛停放；尖峰型來自地上儀器室溫度過低造成的主機和UPS工作不穩定，以及供電設備或電氣元件老化或損壞造成的漏電；儀器所受干擾與環境濕度無關，也非儀器自身噪聲所致。

(2) 對比M15與GM4主機儀器室加熱前后的秒采樣數據和差值，發現在(-10～-20 )℃的工作環境下，M15受低溫影響明顯，GM4幾乎不受其影響。

(3) 分析M15儀秒采樣數據的干擾來源，可為今后地磁儀器的安裝和地磁臺站的建設與改造提供以下參考：第一，地磁儀器室、觀測室和配電室的環境溫度與濕度都應恒定，同時，儀器各部件都應在架設過程中進行防潮處理，為在資料出現異常時可減少排查環節；第二，儀器輸電線路與信號線路架設應規范，避免相互干擾，地埋線路應套防壓管，防止線路絕緣皮遭到破壞導致漏電，同時應定期對供電設備進行檢測，發現異常及時更換；第三，M15是“十五”儀器，多數臺站已安裝并投入使用超過10年，儀器本身、供電設備和輸電線路等均可能出現老化，影響數據準確性，因此不同地區的臺站應根據自身實際情況定期對儀器、線路、UPS、電瓶、避雷等設備進行檢查和及時更換，避免數據資料受到影響。

圖8 GM4儀Z分量原始秒數據及一階差分計算結果Fig.8 Raw second data of Z component of GM4 instrument and calculation results of first-order difference