成都地震基準臺及其下屬臺站地磁干擾類型和數據預處理分析

廖紹歡，李雪浩，魏嘉曦

（1.四川省地震局成都地震監測中心站，四川 成都611730；2.四川省地震局江油地震臺，四川 江油621724）

地磁觀測是地震前兆觀測的基本手段之一。由于地震在孕育過程中存在磁效應變化，故地磁觀測數據已廣泛用于地震預測研究（林云芳，1990；黃雪香等，1999）。在地磁異常研究過程中，不同類型的干擾信號會對地震電磁異常的判斷產生影響，而識別此類干擾和異常的一種可靠方式就是找出所有干擾并分類，通過建立干擾信息索引，甄別出真正與地震相關的電磁異常（包文超等，2020）。通過對成都地震基準臺及其下屬臺站近幾年來地磁觀測數據進行檢查，發現其中存在多種形式的觀測數據錯誤處理或過度處理的情況，譬如造成隔天數據臺階變化、刪除正確數據和處理數據段錯誤等。如果這些干擾數據不能被正確地預處理，將會給地震預報研究工作帶來困擾，甚至誤導。本研究通過對成都地震監測中心站及其下屬臺站2013～2018年觀測數據的梳理，統計分析研究區域存在的地磁干擾類型，并對這些干擾數據進行預處理分析，以便正確排除干擾，識別出有效的地震前兆觀測信息。

1 成都監測中心站及其下屬臺站干擾類型

1.1 成都地震監測中心站干擾類型

成都地震監測中心站臺址位于走石山，除東邊1 km左右有一機磚廠（機磚廠現已停工）和一座信號接收塔外，附近沒有其它的工礦干擾源。如表1所示，成都地震監測中心站主要受到的地磁干擾是高壓直流輸電和儀器故障干擾。其原因主要是成都臺受到寶德線、酒湖線、蘇錦線高壓直流輸電線干擾。其中寶德線距離該臺最近，產生的干擾幅度最大。成都臺GM4（2）型磁力儀臺于2016年投入使用；GM4（1）型磁力儀于2013年投入使用，使用年限相對較長，儀器可能存在老化等原因，所以儀器故障干擾較多。

表1 成都臺GM4儀干擾類型匯總 （單位：次）

1.2 崇州臺干擾類型統計

2008年因成青快鐵建設，成都地震臺部分觀測項目不得不進行搬遷。2011年6月，新建崇州地震臺，2014年正式投入觀測。如表2所示，崇州臺主要受到的干擾是基建工程和人為干擾。基建工程干擾其原因主要是在近幾年在崇州臺觀測區域進行了多種項目改造，如川滇實驗場三分量電磁擾動觀測場地的施工建設，在此期間每日23時至次日8時均為施工時段，還有周邊居民修建了幾家農家樂小院。而這些工程涉及觀測場地的平整及鉆井，匯集了大型機械，鐵磁性設備對觀測環境造成了電磁干擾，導致地磁觀測環境發生改變，施工結束后影響消失。人為干擾主要原因是前幾年在地磁房30 m遠的位置修建了一個養雞場（現已拆除），其用電作業等會影響地磁場數據。

表2 崇州臺GM4儀干擾類型匯總 （單位：次）

1.3 江油臺干擾類型統計

江油地震臺由于江油西環線公路的建設而搬遷，繼承原臺（江油市德勝村）部分觀測手段。2015年10月完成儀器的安裝和調試，2016年正式投入使用。附近是農田，無任何工業廠礦。如表3所示，江油臺主要受到的干擾是高壓直流輸電、車輛干擾和人為干擾。高壓直流輸電干擾主要是江油臺受到寶德線、酒湖線、昌宣線高壓直流輸電線干擾。其中寶德線距離該臺最近，受到的干擾幅度最大。車輛干擾是由于江油臺地磁觀測室與臺站辦公樓的最小距離為80 m，儀器房外圍與附近的村道距離為40 m，圍墻與辦公樓處時常有車輛停放，這會對儀器觀測造成干擾。人為干擾是臺站周邊地勢平坦，大部分為農田，隨著農村經濟建設的發展，臺站附近村民使用農田旋耕機、大型拖拉機耕地，建橋施工、農田栽種、蝦塘搭建，養蜂人員工作使用鐵器等等因素，這些都是施工設備造成的，即鐵磁性設備或大電流設備靠近記錄室引起的。

表3 江油臺GM4儀干擾類型匯總 （單位：次）

1.4 巴中臺干擾類型統計

巴中地震臺址周圍1 km范圍內無大型工礦企業，北東方向約300 m處有一小規模采石場。最近居民點距臺址約100 m，巴州至光輝鄉公路從臺址以東約1 km處通過，臺址周圍為淺土層耕地。如表4所示，巴中臺主要受到高壓直流輸電、儀器故障和電源故障的影響。其原因主要是巴中臺受到寶德線、酒湖線、昌宣線高壓直流輸電線干擾。其中寶德線距離該臺最近，產生的干擾幅度最大。巴中臺屬于無人值守無人看管臺站，儀器或者電源故障不能及時的維修。

表4 巴中臺GM4儀干擾類型匯總 （單位：次）

2 干擾數據預處理方法

我們通常采用剔除尖峰、去除臺階和刪除錯誤數據三種方法對干擾數據進行處理。剔除尖峰是對單點尖峰按線性插值處理，即尖峰數據用其前點和后點數據的均值代替；去除臺階也就是說對發生臺階跳動的數據整體加上或減去一個值，使數據曲線恢復正常的日變形態；對于錯誤數據，由于其變化雜亂無章，且具有連續性，無法校正，只能刪除，即當做缺數處理。在進行數據預處理時，我們必須堅持一個原則：最大限度保留正確數據，精確校正可挽救數據，堅決去除錯誤數據（張正霞等，2009）。即對于正確反映自然地磁場變化的記錄數據，我們一定要保留，不可隨意修改或刪除；對于可挽救數據要注意把握預處理尺度；對于不可修正的錯誤數據應堅決予以刪除。這些干擾預處理需要結合以下幾種方法。

2.1 多臺曲線對比

對于有條件在預處理軟件中查看多臺曲線的臺站，我們可利用處理軟件中的“多臺預處理”功能選取臨近各臺站的曲線，對各臺的預處理數據進行對比，這樣可以把任何隱蔽的干擾或不熟悉的干擾形態查找出來。崇州臺2016年4月14日D分量的干擾不明顯（見圖1a），但在多臺對比中，我們能清楚看到干擾曲線部分異于其他臺（見圖1b）。

圖1 巴中與崇州臺干擾數據對比

2.2 不同尺度放大查看曲線形態

在干擾幅度很小的情況下，整天的曲線形態中，我們無法輕易地發現干擾的存在。但我們可以對日曲線的各個時段進行放大查看以便于發現干擾。江油臺2018年8月12日數據曲線放大之前，看不出明顯干擾來（見圖2a）；但放大后，江油臺2018年8月12日6點至7點之間的數據曲線，我們能清楚的看到各分量存在臺階干擾（見圖2b）。

圖2 江油臺數據放大前、后對比

2.3 不同分量對比

一般情況下，各分量同時受到干擾，但各分量受到的干擾幅度可能不同，部分分量干擾表現不明顯，預處理時比較容易出現漏處理。這時我們可以把各分量預處理對應時段的曲線進行放大對比，可以看到成都臺2018年4月14日GM4儀器D、H分量存在小幅臺階，正好與Z分量的大幅臺階發生時間上完全一致，可以斷定該處存在干擾臺階（見圖3）。

圖3 不同分量對比發現干擾

2.4 結合秒數據形態

對于有秒數據產出的臺站，當分數據中干擾無法判斷時，我們可以結合秒數據對干擾發生時段作出判斷。一般干擾在高采樣率數據中會表現得比較明顯，特別是在磁場擾動時，原來固有的干擾在分鐘值上可能無法輕易識別出來。成都臺2018年3月1日的地電阻率觀測供電干擾，當磁場擾動比較大時，我們無法從分鐘值上找準地電干擾的時間段，但秒數據上卻表現得非常明顯（見圖4）。

圖4 成都臺分、秒數據中的供電干擾

2.5 繪制查看連續多天數據曲線

在數據曲線中，我們經常發現跨天的臺階干擾，很多時候只能查看到當天數據，無法看全一個完整的臺階，可能無法分清數據的干擾段和正常段，這時我們可以繪制連續多天數據曲線，發現跨天臺階，分清楚受干擾數據段。成都臺2018年8月1-2日連續兩天受到寶雞德陽線直流輸電臺階干擾（見圖5）。

圖5 跨天臺階

3 總結

通過對成都地震監測中心站及下屬臺站的八套GM4儀地磁觀測數據出現的各類干擾情況進行分類統計及研究，得出以下結論：磁暴、地鐵輕軌、地電阻率和高壓直流輸電等這些無法避免的干擾在以后臺站重建或遷建中可考慮遠離，擴大地電阻率觀測供電線路與地磁記錄室的距離，避免或減小其干擾。人為干擾、基建工程影響、車輛影響、雷擊干擾和儀器電源故障這幾類干擾可以盡量避免。通過對觀測保護區進行巡查，可以盡量避免人為干擾，如存在隱患應及時制止。基建工程影響主要是由于施工過程中鐵磁性施工設備造成，當施工結束，影響也就會隨之消失。車輛影響大多數是車輛過于靠近記錄室，也可通過人為干預加以消除。雷擊干擾造成的干擾應該加強防雷措施，比如在信號線接口和GPS接口處加裝專用避雷裝置；由于儀器電源故障干擾可能是儀器存在老化等故障原因，可在臺站配足備機備件以防儀器斷記。干擾在記錄曲線上的表現為單點突跳、頻繁的單點或多點突跳、一定時段內數據突升或下降的臺階。各類干擾都具有相應的原理和特征，特定臺站的干擾類型、干擾出現時間及其干擾表現形態存在一定的規律，在一定時期內不會有太大的變化。合理組合利用各種判斷處理方法，在日常處理資料工作中就可以準確地剔除干擾信息，可以提升觀測數據質量，為震情跟蹤分析和地震預報提供可靠的基礎信息。