浚縣地震臺(tái)地磁秒采樣數(shù)據(jù)高頻干擾分析

郭少峰 李志濤 張 達(dá) 路中慧

（中國(guó)河南 456250 河南省浚縣地震臺(tái)）

0 引言

目前，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，地磁觀測(cè)干擾不斷出現(xiàn)，這使得地磁觀測(cè)臺(tái)站的觀測(cè)環(huán)境受到不同程度影響。而地磁觀測(cè)是對(duì)觀測(cè)環(huán)境要求較高的地球物理觀測(cè)手段，尤其是地磁秒采樣觀測(cè)，因其采樣率較高而對(duì)環(huán)境變化較敏感。對(duì)于地磁數(shù)據(jù)干擾的判別，國(guó)內(nèi)已有相關(guān)研究。鄧娜等（2010）提出6種常用方法對(duì)地磁數(shù)據(jù)干擾進(jìn)行判別；畢金孟等（2020）、楊亞運(yùn)等（2020）分別從臺(tái)站地磁觀測(cè)實(shí)際出發(fā)，對(duì)地磁觀測(cè)干擾情況進(jìn)行了分析。由于每個(gè)地磁臺(tái)站的觀測(cè)環(huán)境不盡相同，干擾形態(tài)存在差異，本文擬以浚縣地震臺(tái)地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)及觀測(cè)日志為例，通過(guò)采用別爾采夫?yàn)V波和畢奧薩伐爾定律，分析浚縣地震臺(tái)較高發(fā)的秒采樣數(shù)據(jù)高頻干擾，探究干擾原因，以期為浚縣地震臺(tái)及其他地磁臺(tái)站在干擾判定及數(shù)據(jù)預(yù)處理方面提供一定參考。

1 浚縣地震臺(tái)地磁秒采樣觀測(cè)概況

浚縣地震臺(tái)位于河南省浚縣縣城南浮丘山，海拔高度90 m，1975 年4 月建臺(tái)。該臺(tái)位于華北凹陷區(qū)、太行山隆起的東南麓，地層出露簡(jiǎn)單，83%的面積為第四系所覆蓋，橫跨內(nèi)黃隆起和湯陰地塹，東屬內(nèi)黃隆起區(qū)，西屬湯陰地塹區(qū)，有NNE 向湯東斷裂帶、NW 向安陽(yáng)南斷裂帶2 大斷裂帶，再向東是聊蘭斷裂帶，臺(tái)站地理位置見(jiàn)圖1。

圖1 浚縣地震臺(tái)地理位置Fig.1 Geographical location of Xunxian Seismic Station

浚縣地震臺(tái)地磁相對(duì)觀測(cè)于2007 年投入運(yùn)行，采用FHD-2B 型質(zhì)子分量磁力儀進(jìn)行觀測(cè)，2014 年2 月10 日新增1 套FGM-01 型磁通門磁力儀。

磁通門磁力儀擁有靈敏度高、頻帶寬、易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化等優(yōu)點(diǎn)。浚縣地震臺(tái)FGM-01型磁通門磁力儀運(yùn)行以來(lái)，工作狀態(tài)一直較穩(wěn)定，觀測(cè)數(shù)據(jù)連續(xù)可靠，數(shù)據(jù)曲線日變形態(tài)清晰，年變規(guī)律正常。本文浚縣地震臺(tái)地磁秒采樣數(shù)據(jù)就來(lái)自FGM-01 型磁通門磁力儀。

2 干擾時(shí)段分析

根據(jù)平時(shí)數(shù)據(jù)預(yù)處理的經(jīng)驗(yàn)，浚縣地震臺(tái)地磁秒采樣數(shù)據(jù)最常見(jiàn)的干擾是整點(diǎn)或整點(diǎn)附近的GPS 授時(shí)干擾和高壓直流輸電干擾，目前新版的“中國(guó)地震前兆數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（地磁學(xué)科版）”數(shù)據(jù)處理軟件已集成一階差分檢測(cè)和緩變處理方法，以上2 種干擾通過(guò)日常的數(shù)據(jù)預(yù)處理基本可以消除。

除以上所列已知干擾外，日常數(shù)據(jù)處理過(guò)程中偶爾會(huì)發(fā)現(xiàn)未知原因?qū)е碌母哳l干擾，表現(xiàn)為叢集的尖峰，但不同時(shí)段干擾的叢集程度和受干擾分量存在差異，因此，有理由認(rèn)為干擾源不唯一，應(yīng)對(duì)其加以排查分析。

2.1 濾波分析

選取已知的存在高頻干擾的日期2016 年2 月13 日和2017 年7 月9 日，使用MATLAB 軟件分別進(jìn)行別爾采夫?yàn)V波，去除日變背景，保留高頻信號(hào)，得到典型的干擾信號(hào)（圖2）。

圖2 別爾采夫?yàn)V波結(jié)果（a）2016 年2 月13 日；（b）2017 年7 月9 日Fig.2 Berzev filter results

對(duì)上述2 個(gè)干擾時(shí)段，使用“中國(guó)地震前兆數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（地磁學(xué)科版）”繪制原始曲線（圖3）。

圖3 典型干擾原始曲線（a）2016 年2 月13 日；（b）2017 年7 月9 日Fig.3 Original curvet of typical interference

由圖2、3 可見(jiàn)，高頻干擾可分為2 種類型：干擾類型a 以2016 年2 月13 日為代表，表現(xiàn)為干擾成分的叢集程度相對(duì)較高，呈現(xiàn)鋸齒狀，可能會(huì)壓制曲線形態(tài)，會(huì)影響地磁秒采樣觀測(cè)質(zhì)量；干擾類型b 以2017 年7 月9 日為代表，尖峰的叢集程度相對(duì)較低，一般經(jīng)去尖峰處理后不影響地磁秒采樣觀測(cè)質(zhì)量。

2.2 干擾源分析

由圖2、3 可知，在原始曲線上只有選取2 —3 h 的尺度才能較直觀地觀察到干擾變化，而經(jīng)過(guò)別爾采夫?yàn)V波在1 日的尺度就能直觀地觀察到干擾變化。

對(duì)2015—2020 年地磁秒采樣數(shù)據(jù)，以日為尺度，分別進(jìn)行別爾采夫?yàn)V波，統(tǒng)計(jì)存在高頻干擾的日期，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 2015—2020 年高頻干擾日期Table 1 Summary of high-frequency interference dates from 2015 to 2020

從干擾日期可知，a 型干擾常發(fā)生在旱季，b 型干擾常發(fā)生在雨季。

（1）對(duì)于a 型干擾可知，擾動(dòng)的方向和受干擾的分量唯一，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)推測(cè)，這種干擾應(yīng)該是一種人為干擾。

一些干擾發(fā)生后，場(chǎng)地巡檢曾發(fā)現(xiàn)人為干擾的跡象，都表現(xiàn)為電焊施工，但是浚縣地震臺(tái)觀測(cè)環(huán)境較差，周圍被景區(qū)和民房包圍，大部分干擾發(fā)生后均找不到人為干擾的痕跡。

電焊的工作原理是通過(guò)電焊機(jī)內(nèi)置變壓器將市電轉(zhuǎn)換為小的直流電壓和大的直流電流，其電流一般為100—300 A 或以上的范圍，可使電能產(chǎn)生巨大的電弧熱量融化焊條和鋼鐵。而如此高的直流電流，將在周圍較大范圍內(nèi)形成環(huán)形磁場(chǎng)，從而對(duì)地磁場(chǎng)觀測(cè)產(chǎn)生干擾。電焊干擾可以歸類為事件型磁騷擾，依據(jù)GB/T 19531.2—2004《地震臺(tái)站觀測(cè)環(huán)境技術(shù)要求 第2 部分：電磁觀測(cè)》（中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局等，2004），事件型磁騷擾強(qiáng)度應(yīng)不大于0.1 nT。根據(jù)畢奧薩伐爾定律，可得電焊機(jī)在FGM-01 型磁通門磁力儀探頭位置產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小

其中，μ0=4π×10-7N·A-2，為真空磁導(dǎo)率（空氣磁導(dǎo)率近似為真空磁導(dǎo)率）。l為載流導(dǎo)線長(zhǎng)度；I為電流；r為電焊機(jī)與探頭間的距離。因載流導(dǎo)線長(zhǎng)度即本文中的電焊條長(zhǎng)度較小，可忽略電焊條不同位置的電荷產(chǎn)生磁感應(yīng)強(qiáng)度的差異，式（1）可近似為

那么推導(dǎo)可得距離

根據(jù)已知電焊條規(guī)格，取常用電焊條長(zhǎng)度的平均值0.4 m，電流取300 A，代入式（3）可計(jì)算得到電焊機(jī)對(duì)地磁觀測(cè)產(chǎn)生0.1 nT 干擾的理論最遠(yuǎn)距離r≈ 346 m。在91 衛(wèi)圖助手上使用天地圖標(biāo)識(shí)范圍得到圖4。其中，已知的電焊干擾時(shí)間與電焊工作位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系為：2015 年1 月23 日、30 日對(duì)應(yīng)電焊位置1；2017 年10 月11 日對(duì)應(yīng)電焊位置2；2018 年4 月26 日對(duì)應(yīng)電焊位置3，都在理論干擾范圍內(nèi)。因理論干擾范圍內(nèi)還有大量民房，這給干擾調(diào)查帶來(lái)較大困難。根據(jù)合理推斷，認(rèn)為a 型干擾都是電焊干擾。

圖4 理論上的浚縣地震臺(tái)電焊干擾范圍Fig.4 Theoretical interference range of electric welding at Xunxian Seismic Station

（2）對(duì)于b 型干擾，其特點(diǎn)是D、H、Z分量均受影響，干擾方向不唯一。經(jīng)查詢工作日志發(fā)現(xiàn)，大多有降雨或雷電的記錄，綜合分析認(rèn)為，b 型干擾是由雷電導(dǎo)致的。因雷電屬于強(qiáng)脈沖放電，所以不會(huì)連續(xù)對(duì)地磁秒數(shù)據(jù)造成干擾，因此，干擾形態(tài)表現(xiàn)為尖峰，叢集度相對(duì)較低。

3 結(jié)論與討論

通過(guò)以上分析可知，浚縣地震臺(tái)地磁秒采樣觀測(cè)高頻干擾主要來(lái)自電焊施工和雷電，這2 種高頻干擾都會(huì)導(dǎo)致秒采樣數(shù)據(jù)一階差分超差，影響觀測(cè)質(zhì)量。不同的是電焊施工產(chǎn)生的干擾有些無(wú)法通過(guò)去尖峰處理消除，而雷電干擾表現(xiàn)為尖峰，通過(guò)去尖峰處理基本可消除其影響，數(shù)據(jù)預(yù)處理時(shí)應(yīng)注意加以甄別。

根據(jù)理論計(jì)算，電焊干擾影響范圍較大，由于周邊房屋太多，且多為民房，查證存在較大困難。因此，在日常異常核實(shí)工作中應(yīng)保持耐心，適當(dāng)擴(kuò)大巡檢范圍，以求盡量發(fā)現(xiàn)干擾源，以便開(kāi)展地震觀測(cè)環(huán)境保護(hù)工作。