鹽城臺(tái)地磁觀測(cè)干擾特征分析

郭灝明

（江蘇省鹽城地震臺(tái)，江蘇 鹽城 224005）

地磁觀測(cè)是一種重要的地球物理觀測(cè)手段，其不僅為地震預(yù)報(bào)服務(wù)，同時(shí)也是地磁學(xué)科和其他相關(guān)學(xué)科研究的基礎(chǔ)。然而，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市化進(jìn)程的加快，基礎(chǔ)設(shè)施的不斷完善，地磁的觀測(cè)環(huán)境卻在日趨惡化。國(guó)內(nèi)相關(guān)人員研究發(fā)現(xiàn)，地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)的干擾種類(lèi)主要有磁暴、高壓直流輸電、車(chē)輛、建設(shè)施工、噪聲等（張英杰等，2017）。因此，在日常觀測(cè)過(guò)程中正確識(shí)別各種干擾因素的特征，做好數(shù)據(jù)預(yù)處理工作，不僅可以提高觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量，還可以為識(shí)別地震前兆異常提供保障。本文以鹽城地震臺(tái)為例，結(jié)合日常工作，分析總結(jié)地磁觀測(cè)中的各類(lèi)干擾因素及其記錄形態(tài)特征，為日后數(shù)據(jù)預(yù)處理提供參考。

1 觀測(cè)臺(tái)站概況

鹽城地震臺(tái)為江蘇省省屬地震臺(tái)站，位于江蘇省東部鹽城市龍岡鎮(zhèn)果林場(chǎng)內(nèi)，臺(tái)基坐落在第四紀(jì)沉積層上，處在南黃海地震活動(dòng)帶邊緣。臺(tái)站及鄰近地區(qū)地震地質(zhì)構(gòu)造比較復(fù)雜，蘇北—南黃海坳陷區(qū)受到不同地質(zhì)時(shí)期的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用，形成了一系列級(jí)別不等的活動(dòng)斷裂。主要斷裂構(gòu)造有NE向的淮陰—響水?dāng)嗔选⒑闈伞獪隙諗嗔押望}城—南洋岸斷裂等，NW 向的蘇北濱海大斷裂、溝墩斷裂等，全部隱伏在沉積層之下。鹽城臺(tái)地磁觀測(cè)場(chǎng)地位于臺(tái)站內(nèi)部，觀測(cè)場(chǎng)地磁場(chǎng)平均梯度小于2 nT/m，采用數(shù)字化FHD-2B型質(zhì)子磁力儀進(jìn)行日常觀測(cè)。

2 干擾因素分析

2.1 磁暴干擾

太陽(yáng)表面活動(dòng)旺盛時(shí)，尤其是太陽(yáng)黑子極大期，太陽(yáng)表面耀斑爆發(fā)次數(shù)增加，耀斑爆發(fā)時(shí)輻射出X射線、紫外線、可見(jiàn)光、高能量的質(zhì)子和電子束，帶電粒子形成的電流沖擊地球地磁場(chǎng)，導(dǎo)致地球磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方向發(fā)生急劇變化，這種現(xiàn)象稱(chēng)之為磁暴。磁暴發(fā)生時(shí)，各個(gè)地磁觀測(cè)分量同時(shí)受到干擾，水平分量、磁偏角變化明顯，且開(kāi)始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間同步。鹽城臺(tái)FHD-2B記錄到2021年5月12日磁暴干擾期間分鐘值曲線形態(tài)（見(jiàn)圖1），干擾期間地磁各分量變化劇烈，尤以D和H分量波動(dòng)明顯，出現(xiàn)明顯突跳。因磁暴具有偶然性、全球性等特點(diǎn)，可通過(guò)多臺(tái)對(duì)比判定，因此對(duì)于受磁暴干擾時(shí)段的數(shù)據(jù)不需做預(yù)處理。

圖1 2021年5月12日鹽城臺(tái)地磁受磁暴干擾記錄曲線

2.2 高壓直流電干擾

經(jīng)研究表明高壓直流輸電線路能對(duì)其兩側(cè)數(shù)百千米內(nèi)地磁觀測(cè)產(chǎn)生影響，全國(guó)許多地磁臺(tái)站都不同程度受到干擾，具體表現(xiàn)為當(dāng)換流站發(fā)生不平衡電流或者高壓線路上產(chǎn)生感應(yīng)電流時(shí)導(dǎo)致地磁產(chǎn)生突跳性變化（蔣延林等，2014）。供電部門(mén)對(duì)高壓直流線路的調(diào)試具有隨機(jī)性，且造成的干擾不可避免，因此臺(tái)站需準(zhǔn)確判別其干擾形態(tài)并采用正確手段進(jìn)行預(yù)處理，目前地磁臺(tái)網(wǎng)高壓直流輸電判別處理系統(tǒng)為一線臺(tái)站人員提供了參考標(biāo)準(zhǔn)。

經(jīng)長(zhǎng)期調(diào)查總結(jié)發(fā)現(xiàn)，影響鹽城臺(tái)地磁觀測(cè)的高壓直流電線路有7條，分別為葛上線、三上線、三常線、錦蘇線、錫泰線、昌宣線及溪浙線，其中錫泰線距離鹽城臺(tái)最近，干擾幅度最大，影響范圍為0.1～14 nT（見(jiàn)圖2）。高壓直流電對(duì)地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)造成的影響具有時(shí)域特征，即同一條干擾線路的同一個(gè)干擾事件對(duì)線路兩邊的地磁臺(tái)站觀測(cè)造成的干擾會(huì)同步發(fā)生、方向及幅度特征表現(xiàn)為在導(dǎo)線的兩邊產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向相反，與輸電線路距離臺(tái)站的距離成反比（楊學(xué)慧等，2020）。鹽城臺(tái)與淮安臺(tái)、高郵臺(tái)分別位于錫泰線兩側(cè)，通過(guò)比對(duì)2020年5月31日地磁觀測(cè)時(shí)域記錄數(shù)據(jù)（見(jiàn)圖3）發(fā)現(xiàn)，三個(gè)臺(tái)站干擾時(shí)段同步，同側(cè)臺(tái)站干擾形態(tài)方向一致、異側(cè)臺(tái)站干擾形態(tài)方向相反，且距離線路越近，影響幅度越大。高壓直流電對(duì)地磁觀測(cè)的影響主要體現(xiàn)在Z分量上，D分量次之，H分量最為輕微，干擾形態(tài)主要表現(xiàn)為臺(tái)階。以2021年2月2日和2021年5月26日的地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)為例，臺(tái)階的形態(tài)主要有兩種：直起直落或起落緩變時(shí)間短臺(tái)“方波”狀臺(tái)階和緩變連續(xù)的弧形或U型臺(tái)階（見(jiàn)圖4）。同一事件、同一時(shí)間段內(nèi)常見(jiàn)多種形態(tài)臺(tái)階或臺(tái)階嵌套，無(wú)論哪種形態(tài)，確定緩變起始時(shí)間都有一定難度，日常處理須在參考地磁臺(tái)網(wǎng)高壓直流輸電判別處理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，輔助人工判定才能對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行正確預(yù)處理。

圖2 2021年1月7日鹽城臺(tái)地磁受錫泰線高壓直流輸電干擾曲線

圖3 2020年5月31日錫泰線東側(cè)鹽城臺(tái)與錫泰線西側(cè)淮安臺(tái)和高郵臺(tái)地磁受高壓直流輸電干擾曲線

圖4 2021年2月2日（a、b、c、d）和2021年5月26日（e、f、g、h）鹽城臺(tái)受高壓直流輸電干擾曲線

2.3 觀測(cè)噪聲干擾

地磁觀測(cè)噪聲干擾主要是由于觀測(cè)環(huán)境背景噪聲、儀器工作參數(shù)偏離、信號(hào)線較長(zhǎng)產(chǎn)生的渦流電流影響、交流干擾和集成干擾等造成的（陳賢等，2020）。根據(jù)國(guó)家地磁臺(tái)網(wǎng)中心網(wǎng)站發(fā)布的計(jì)算噪聲方法，通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)鹽城臺(tái)2019年10月至2020年6月地磁數(shù)據(jù)背景噪聲偏大（見(jiàn)表1中2020年7月之前的數(shù)據(jù)），對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的精度產(chǎn)生一定影響。為解決分量噪聲偏大的問(wèn)題，鹽城臺(tái)與生產(chǎn)廠方進(jìn)行聯(lián)系排查，在測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，儀器的接地線不好，導(dǎo)致信號(hào)衰減，從而背景噪聲增大，經(jīng)處理修正后，各分量背景噪聲于2020年7月恢復(fù)正常（見(jiàn)表1中2020年7月之后的數(shù)據(jù)），確保了觀測(cè)數(shù)據(jù)的精度。

表1 2019年10月至2021年3月鹽城臺(tái)地磁F、D、H、Z分量噪聲月平均值

2.4 車(chē)輛的影響

鹽城臺(tái)緊鄰省道232，磁房距離公路直線距離約200 m，且公路上經(jīng)過(guò)的重型車(chē)輛較多，對(duì)地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)造成了一定的影響。當(dāng)車(chē)輛快速通過(guò)時(shí)，對(duì)磁房附近磁場(chǎng)的影響突然且時(shí)間短，對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的形態(tài)干擾表現(xiàn)為突跳和尖峰。通過(guò)分析2021年5月23日地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)（見(jiàn)圖5）發(fā)現(xiàn)，車(chē)輛的干擾對(duì)H分量的影響最大、Z分量次之。在確定干擾因素后，需要對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行臺(tái)階預(yù)處理，使數(shù)據(jù)曲線達(dá)到平滑狀態(tài)。

圖5 2021年5月23日鹽城臺(tái)地磁FHD觀測(cè)受車(chē)輛干擾曲線

2.5 基建的影響

鹽城臺(tái)位于鹽城市鹽都區(qū)龍岡果林場(chǎng)（公園）內(nèi)，該區(qū)域被地方政府規(guī)劃為旅游景區(qū)，規(guī)模多次擴(kuò)大，建設(shè)過(guò)程中工程車(chē)輛設(shè)備進(jìn)出?？?、作業(yè)，工地堆積的含鐵磁性材料都對(duì)磁房外的觀測(cè)環(huán)境造成了嚴(yán)重影響。值班人員在結(jié)合巡檢排查基礎(chǔ)上確定干擾時(shí)段，并進(jìn)行相應(yīng)預(yù)處理。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)2019～2021年鹽城臺(tái)地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)影響觀測(cè)精度的因素主要有自然因素、環(huán)境因素、人為因素以及儀器故障等。受干擾數(shù)據(jù)的曲線形態(tài)主要表現(xiàn)為單點(diǎn)突跳、多點(diǎn)突跳和突跳臺(tái)階等。造成數(shù)據(jù)曲線異常的主要原因有磁暴、高壓直流電、噪聲、車(chē)輛和基建等。

地震觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量直接影響分析預(yù)報(bào)的可信度。只有充分識(shí)別地磁觀測(cè)中的各類(lèi)干擾因素，正確預(yù)處理數(shù)據(jù)，方能使產(chǎn)出數(shù)據(jù)完整、連續(xù)、可靠。以鹽城臺(tái)為例，剖析了地磁觀測(cè)中的部分影響因素及相應(yīng)干擾的形態(tài)，有效排除可控干擾源，解決了日常觀測(cè)中背景噪聲大的問(wèn)題，提高了觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量。