地鐵電磁場對甚寬頻帶地震計觀測的影響評估

劉明輝 李 江 林 湛 朱小毅 周銀興 崔仁勝 馬士振

1 中國地震局地震預測研究所，北京市復興路63號，100036 2 北京市地震局，北京市蘇州街28號，100080

在固定地震臺站的觀測系統(tǒng)中，常常將三分向?qū)掝l帶或甚寬頻帶地震計與24位地震數(shù)據(jù)采集器組合起來作為主要的地震觀測儀器[1]，而地震計是地震觀測系統(tǒng)的核心設(shè)備之一，也是檢測真實地面運動的關(guān)鍵設(shè)備。為了能夠檢測到極其微弱的真實地面運動，要求地震計具有較低的自噪聲水平，并且長期穩(wěn)定工作[2-4]。目前，地震計的自噪聲水平在部分頻段低于新的地球低噪聲模型，且不同廠家生產(chǎn)的地震計自噪聲各不相同[5]。甚寬頻帶地震計是一種由機械擺體和放大反饋電路組成的機電一體化傳感器，支撐甚寬頻帶地震計質(zhì)量塊轉(zhuǎn)動的關(guān)鍵部件簧片通常采用3J58恒彈性合金材料加工而成，其主要成分是鎳和鐵，容易受磁場影響而引起觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量發(fā)生變化。實驗驗證，采用大背簧片支撐質(zhì)量塊轉(zhuǎn)動的甚寬頻帶地震計垂直分向受到的干擾最大[6]。

地震臺站的觀測能力范圍由地震觀測系統(tǒng)的動態(tài)范圍和臺站環(huán)境的背景噪聲水平?jīng)Q定。在地震觀測臺站的建設(shè)過程中，臺基背景噪聲都經(jīng)過了嚴格的勘選測試，避開了車輛、飛機、地鐵、工廠等干擾源，但隨著城市的快速發(fā)展，部分臺站周邊新修了高鐵或地鐵。我國地鐵軌道牽引供電網(wǎng)絡(luò)采用DC750 V接觸軌道供電或DC1500 V架空接觸網(wǎng)供電，供電接觸網(wǎng)能夠產(chǎn)生電磁場，進而對一定范圍內(nèi)的磁性物體產(chǎn)生干擾[7]。本文實地測試了地鐵電磁場對大背簧片支撐質(zhì)量塊轉(zhuǎn)動的甚寬頻帶地震計三分向的影響。

1 測試環(huán)境

北京地鐵燕房線是中國首條自主研發(fā)的全自動運行示范線路，全長14.4 km，每日運行時段為05:00～23:00，周口店地震臺與該線路的燕山地鐵站和房山城關(guān)地鐵站的距離都約3 km。

周口店地震臺山洞內(nèi)的常年溫度為15.0 ℃，山洞內(nèi)有專門的接地網(wǎng)和北斗授時系統(tǒng)。山洞內(nèi)同一觀測儀器墩上嚴格按照指北方向安裝了2臺垂直(UD)、東西(EW)和南北(NS)三分向正交的甚寬頻帶地震計，其型號和性能指標完全相同，2臺地震計之間間隔約0.2 m，都連接到同一臺6通道數(shù)據(jù)采集器上，其中1號甚寬頻帶地震計(1號地震計)安裝了坡莫合金屏蔽罩，2號甚寬頻帶地震計(2號地震計)沒有安裝。2臺地震計都具有同樣的保溫罩和密封條件，工作頻帶范圍都為120 s～50 Hz，靈敏度為2 000 V/m·s-1；數(shù)據(jù)采集器的分辨率為24位，量程為±2.5 V，采樣率為100 Hz，通過北斗系統(tǒng)授時[8]。2臺地震計的密封殼體與調(diào)平底腳導通，即與大地導通，地震計到數(shù)據(jù)采集器的線纜有多層屏蔽。

2 評估方法

地震計記錄到的噪聲包含地震計的自噪聲和觀測環(huán)境的背景噪聲，其中觀測環(huán)境的背景噪聲又包括磁場、地電場、微震、氣壓、風速、溫度及人文環(huán)境等。全球著名的STS-1甚寬頻帶地震計的垂直分向內(nèi)部安裝了坡莫合金屏蔽罩，對地震計周圍的磁場干擾具有一定的屏蔽作用[9]。在本次測試過程中，2臺甚寬頻帶地震計除了有無磁屏蔽罩外，其他測試條件完全相同，因此除了受到的磁場干擾不同外，其他觀測環(huán)境背景噪聲是相同的。

在研究地球高噪聲模型(NHNM)和低噪聲模型(NLNM)時，Peterson[10]采用全球地震臺網(wǎng)臺站記錄到的背景噪聲來計算加速度自功率譜密度(PSD)，單位為m2·s-4·Hz-1，并以分貝(dB)表示。假設(shè)隨機信號x(t)的自相關(guān)函數(shù)為Rx(τ)，其Fourier變換為[11]：

(1)

定義Sx(f)為x(t)的自功率譜密度或稱為自功率譜，Sx(f)為信號x(t)的平均功率相對于頻率的分布函數(shù)，如果噪聲信號中含有某種頻率成分，可以從自功率譜中看到。

地球自噪聲模型已經(jīng)成為全世界公認的衡量地震觀測臺站臺基背景噪聲的標準，在臺站的勘選測試過程中，將新勘選臺站的背景噪聲與全球模型相對比。為了評估地鐵電磁場對甚寬頻帶地震計觀測的影響，選取連續(xù)24 h無震的觀測數(shù)據(jù)，計算每小時的加速度自功率譜密度，對比2臺地震計記錄到的背景噪聲變化，并與地球的噪聲模型(NHNM和NLNM)進行對比。

3 評估結(jié)果

3.1 垂直分向結(jié)果

以h為單位，用Icheck軟件[12]計算了2臺地震計垂直(UD)分向連續(xù)24 h背景噪聲的PSD，具體見圖1。

從圖1可以看出，2臺地震計在01:00垂直分向的PSD基本相當，并且在第100 s附近都接近地球低噪聲模型(NLNM)，表明2臺地震計都有記錄微弱震動信號的能力；在05:00～23:00時段，2號地震計的PSD在10～1 000 s頻帶范圍內(nèi)都維持在較高水平，有時甚至接近地球高噪聲模型(NHNM)，而1號地震計的PSD也在10～1 000 s頻帶范圍內(nèi)有所上升，但明顯低于2號地震計；而在0.1～20 Hz頻帶范圍內(nèi)，2臺地震計垂直分向的PSD基本相同。在實驗室測試中發(fā)現(xiàn)，外界磁場主要對甚寬頻帶地震計長周期觀測數(shù)據(jù)的影響較大，而對短周期觀測數(shù)據(jù)影響相對較小。2臺地震計垂直分向24 h內(nèi)每小時第100 s處的PSD值見表1。

藍線為1號地震計，紅線為2號地震計，黑實線為NLNM，黑虛線為NHNM

表1 2臺地震計垂直分向在100 s處的PSD值

從表1可以看出，在連續(xù)觀測的24 h內(nèi)，2臺地震計的垂直分向在第100 s處的PSD最大差值為30.8 dB，最小差值為2.6 dB，平均差值為25.5 dB，變化趨勢見圖2。

結(jié)合表1和圖2可以看出，在05:00～23:00(地鐵運行期間)時段內(nèi)，2臺地震計垂直分向在100 s處的PSD明顯高于00:00～04:00時段，平均高出28.4 dB。

圖2 垂直分向100 s處的PSD值

3.2 水平分向

同樣用Icheck軟件計算了2臺地震計連續(xù)24 h東西(EW)和南北(NS)分向的PSD，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，2臺地震計水平分向的PSD在00:00大致相同，具體見圖3。

藍線為1號地震計，紅線為2號地震計，黑實線為NLNM，黑虛線為NHNM

與垂直分向類似，2臺地震計的水平分向在00:00～04:00時段的PSD明顯低于05:00～23:00(地鐵運行期間)時段。在05:00～23:00時段內(nèi)，2號地震計的PDS在10～1 000 s頻率范圍內(nèi)都維持在較高水平，而1號地震計的PDS在10～1 000 s頻帶范圍內(nèi)有所上升，但不高于2號地震計。2臺地震計東西分向的PSD在0.1～20Hz頻帶范圍內(nèi)基本相同，南北分向的PSD也基本相同，水平分向在每小時第100 s處的PSD值變化趨勢見圖4。

圖4 水平分向100 s處的PSD值

由圖4可知，在地鐵運行期間，2號地震計東西分向在100 s處的PSD比1號地震計平均高出13.4 dB，南北分向的PSD比1號地震計平均高出13.9 dB。計算2臺地震計三分向每小時第100 s處的PSD差值，結(jié)果見圖5。

圖5 2臺地震計三分向100 s處的PSD差值

從圖5可以看出，在地鐵運行期間，2號地震計三分向在100 s處的PSD都比1號地震計高。

3.3 交叉對比測試

將周口店地震觀測臺站1號地震計的屏蔽罩取掉，并罩在2號地震計上，其他觀測條件不變，同樣選取連續(xù)24 h無震的觀測數(shù)據(jù)進行處理。與交叉對比前的測試結(jié)果類似，2臺地震計垂直、東西和南北分向在0.1～20 Hz頻帶范圍內(nèi)的PSD值基本相同；地鐵運行期間，1號地震計三分向在10～1 000 s頻帶范圍內(nèi)的PSD都高于2號地震計，每小時第100 s處的PSD差值見圖6。

圖6 2臺地震計三分向交叉測試100 s處的PSD差值

從圖6可以看出，在地鐵運行期間，1號地震計三分向在100 s處的PSD都比2號地震計高；1號地震計垂直分向的PSD比2號地震計平均高出28.2 dB，東西分向平均高出13.5 dB，南北分向平均高出9.4 dB。

2次屏蔽測試結(jié)果顯示，2臺地震計垂直分向的PSD平均相差28.3 dB，東西分向平均相差13.5 dB，南北分向平均相差11.6 dB。

4 結(jié) 語

1)地鐵運行期間，2臺甚寬頻帶地震計記錄到的環(huán)境背景噪聲在10～1 000 s頻帶范圍內(nèi)都有明顯升高，未加磁屏蔽地震計的環(huán)境背景噪聲明顯高于帶磁屏蔽地震計；在0.1～20 Hz頻帶范圍內(nèi)，2臺甚寬頻帶地震計記錄到的環(huán)境背景噪聲水平基本相同。對于相同強度磁場作用在甚寬頻帶地震計簧片上產(chǎn)生的加速度，頻率越低加速度值越大，頻率越高加速度值越小，再加上海洋脈動的存在，地球自噪聲在14 s附近頻帶出現(xiàn)小尖峰，在5 s附近頻帶出現(xiàn)大尖峰，地鐵電磁場在10 s附近頻帶范圍內(nèi)對地震計的影響淹沒在海洋脈動中，因此地鐵磁場對甚寬頻帶地震計長周期觀測頻帶范圍的影響較大，而對短周期觀測頻帶范圍的影響較小，這與實驗室模擬測試的結(jié)果一致。

2)地鐵運行期間，與加磁屏蔽罩的地震計相比，未加磁屏蔽罩地震計的垂直分向在每小時第100 s處的PSD平均高出28.4 dB，東西分向平均高出13.4 dB，南北分向平均高出11.6 dB，表明地鐵磁場對甚寬頻帶地震計垂直分向的影響高于水平分向。

3)要提高觀測設(shè)備的信噪比，需確保記錄到的地面運動真實可靠，也需要選擇低噪聲的地震計作為觀測儀器，更需要考慮地鐵等電磁場對地震觀測的影響。如果地震觀測臺站有電磁場干擾，需要加裝磁屏蔽罩來降低干擾。地震計生產(chǎn)廠家需要用低磁性材料來研制低自噪聲的甚寬頻帶地震計，以確保其能長期穩(wěn)定工作。

4)地鐵電磁場是否對所有類型的甚寬頻帶地震計都有影響及影響程度有多大，還需要進行進一步研究。