邵武臺(tái)FHD-2B磁力儀性能綜合分析經(jīng)驗(yàn)點(diǎn)滴＊

林苗祿 方傳極梁 凱賴見深

1)福州地震監(jiān)測(cè)中心站，福建福州 350000

2)南平地震監(jiān)測(cè)中心站，福建南平 353000

3)漳州地震監(jiān)測(cè)中心站，福建漳州 363000

引言

地震前地球磁場(chǎng)存在前兆異常信息，為地震觀測(cè)資料的分析與預(yù)報(bào)提供了理論依據(jù)和方法指南[1]?！熬盼濉?期間我國(guó)研制出觀測(cè)地球磁場(chǎng)的專用儀器FHD分量質(zhì)子磁力儀， “十五” 期間升級(jí)為FHD-2B并延用至今。采集地震信息是一個(gè)漫長(zhǎng)、連續(xù)的過程，而孕震過程引起的電磁前兆非常微弱，所以觀測(cè)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)是否穩(wěn)定可靠關(guān)系到地震前兆異常信息的捕捉[2]。

1 臺(tái)站和儀器概況

邵武地震臺(tái)始建于1979年，臺(tái)址處于邵武—河源斷裂帶上，2008年安裝了FHD-2B型質(zhì)子矢量磁力儀并投入使用。FHD-2B質(zhì)子矢量磁力儀測(cè)量系統(tǒng)由質(zhì)子磁力儀、分量線圈、供電系統(tǒng)以及通信線路構(gòu)成，分量線圈安裝在占地50 m2的FHD觀測(cè)室內(nèi)，主機(jī)安裝在距離觀測(cè)室50 m外的監(jiān)測(cè)樓內(nèi)。2018年11月更換FHD-2B主機(jī)，主機(jī)安裝在觀測(cè)室內(nèi)。2009、2010、2018、2020和2021年FHD儀器觀測(cè)運(yùn)行率不高，主要原因是遭雷擊、儀器自身故障、儀器部分器件老化和市電頻繁停電所致，其他年份運(yùn)行率均保持在98%以上。通過逐年防雷改造、更換FHD主機(jī)、配備柴油發(fā)電機(jī)與更新UPS電源等技術(shù)改造，儀器觀測(cè)運(yùn)行率得到一定程度的提高。

FHD-2B磁力儀觀測(cè)至今，地磁場(chǎng)總場(chǎng)F、水平分量H、垂直分量Z數(shù)據(jù)基本正常，磁偏角D分量數(shù)據(jù)不穩(wěn)定。F、Z值呈上升趨勢(shì)，D、H值呈下降趨勢(shì)，變化規(guī)律符合各分量間的物理關(guān)系。從臺(tái)站地磁數(shù)據(jù)分析判斷，未見明顯的震磁異常。邵武臺(tái)F、H、Z三分量與漳州、龍巖、永安、泉州4個(gè)臺(tái)站地磁場(chǎng)觀測(cè)分量對(duì)比，表現(xiàn)出同步變化規(guī)律，有較好的一致性。

2 干擾因素分析

FHD-2B分量質(zhì)子磁力儀原始數(shù)據(jù)預(yù)處理時(shí)，須熟練區(qū)分人為干擾、觀測(cè)系統(tǒng)故障干擾、交流電磁干擾、高壓直流輸電干擾、空間天氣干擾和市電停電干擾對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)造成的影響，才能正確預(yù)處理數(shù)據(jù)，對(duì)干擾給予準(zhǔn)確的物理解釋，產(chǎn)出合格優(yōu)質(zhì)的觀測(cè)數(shù)據(jù)[3]。

2.1 人為干擾

人為干擾是指在觀測(cè)室周圍帶有鐵磁性物件的人為活動(dòng)，在觀測(cè)數(shù)據(jù)中表現(xiàn)為多分量短時(shí)大幅度的突跳和臺(tái)階。2012年1月10日10:12一臺(tái)推土機(jī)在地磁觀測(cè)室附近施工，數(shù)據(jù)出現(xiàn)明顯的尖峰突跳和臺(tái)階，H分量最大變幅46.5 nT，D分量最大變幅3.14 min，F(xiàn)分量最大變幅63.5 nT。10:34施工結(jié)束后，推土機(jī)駛離場(chǎng)地，數(shù)據(jù)即刻恢復(fù)正常（圖1）。人為干擾屬于偶然性干擾，發(fā)生的頻度不高，可設(shè)立地磁觀測(cè)環(huán)境有效保護(hù)區(qū)或人工預(yù)處理予以消除。

2.2 觀測(cè)系統(tǒng)故障干擾

FHD-2B分量質(zhì)子磁力儀由電源、單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信工控機(jī)系統(tǒng)和探頭組成。儀器一旦出現(xiàn)故障將極大影響觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量，邵武臺(tái)FHD-2B磁力儀經(jīng)常遇到的故障有： ① 儀器主機(jī)與分量線圈接口有干擾易產(chǎn)生錯(cuò)誤數(shù)據(jù)； ② 工控機(jī)PC104故障造成無法收數(shù)，回傳數(shù)據(jù)突跳或出現(xiàn)臺(tái)階； ③ 傳感器（探頭）故障易產(chǎn)生錯(cuò)誤數(shù)據(jù)； ④ 主機(jī)電源或CF卡故障造成缺數(shù)； ⑤ 儀器參數(shù)配置出錯(cuò)產(chǎn)生錯(cuò)誤數(shù)據(jù)； ⑥ 線圈角度偏差產(chǎn)生錯(cuò)誤數(shù)據(jù)等。2011年4月23日8時(shí)觀測(cè)員處理數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)現(xiàn)前一天數(shù)據(jù)是錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，通過排查發(fā)現(xiàn)，主機(jī)與線圈接頭松動(dòng)有虛焊情況引起了傳送錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，維修焊接后數(shù)據(jù)恢復(fù)正常。2017年8月21日，觀測(cè)線圈角度出現(xiàn)偏差，造成D分量數(shù)據(jù)紊亂，其他分量正常。校正線圈角度后，儀器恢復(fù)正常，對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，刪除錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，曲線恢復(fù)正常形態(tài)（圖2）。

圖1 邵武臺(tái)FHD-2B質(zhì)子磁力儀2012-01-10日原始分鐘值曲線Fig.1 Original minute valueof FHD-2B proton magnetometer in Shaowu seismic station on January 10，2012

2.3 交流電磁干擾

交流電磁干擾是觀測(cè)系統(tǒng)受到周邊交流供電磁場(chǎng)影響，引起數(shù)據(jù)曲線毛刺增多、線條變粗、噪聲變大。2013年7月2日觀測(cè)數(shù)據(jù)因疊加了交流電磁干擾，使數(shù)據(jù)曲線變粗。通過強(qiáng)弱電線路分開布線、整理機(jī)柜線路、配備無磁性機(jī)柜和UPS電源等有效措施，7月10日后數(shù)據(jù)曲線變得平滑流暢（圖3）。

2.4 高壓直流輸電干擾

圖2 邵武臺(tái)FHD-2B質(zhì)子磁力儀2017-08-21日D分量原始和預(yù)處理分鐘值曲線Fig.2 D component original and preprocessed minute value of FHD-2B proton magnetometer in Shaowu seismic station on August 21，2017

圖3 邵武臺(tái)FHD-2B質(zhì)子磁力儀2013-07-02（a)和2013-07-10（b）原始分鐘值曲線Fig.3 Original minute valueof FHD-2Bproton magnetometer in Shaowu seismic station on July 2 and 10，2013

高壓直流輸電因節(jié)能、經(jīng)濟(jì)、高效，在超遠(yuǎn)距離輸電中得到廣泛應(yīng)用，但傳輸線路出現(xiàn)故障或改變輸送電流時(shí)，會(huì)對(duì)線路兩側(cè)的臺(tái)站電磁儀器觀測(cè)造成嚴(yán)重干擾[4]。邵武臺(tái)FHD-2B磁力儀從2014年11月開始，受 “溪—浙線” ±800 kV特高壓直流輸電工程線路的影響，Z分量和F分量數(shù)據(jù)受干擾十分明顯，H分量和磁偏角D分量基本無影響。日常工作中對(duì)地磁資料進(jìn)行預(yù)處理時(shí)，需要登錄“地磁臺(tái)網(wǎng)高壓直流輸電判別處理系統(tǒng)” 查詢高壓直流干擾的相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)比省內(nèi)同受 “溪—浙線” 影響的永安臺(tái)數(shù)據(jù)，以便精確地進(jìn)行地磁數(shù)據(jù)預(yù)處理。以2014年11月3日為例，00:59 Z分量數(shù)據(jù)出現(xiàn)向下臺(tái)階，臺(tái)階幅度6.5 nT，緩變持續(xù)時(shí)間18 min；01:18數(shù)據(jù)出現(xiàn)向上臺(tái)階，臺(tái)階幅度-6.5 n T，緩變持續(xù)時(shí)間7 min；01:26數(shù)據(jù)又出現(xiàn)向下臺(tái)階，臺(tái)階幅度5.9 nT，緩變持續(xù)時(shí)間8 min；01:35數(shù)據(jù)再次出現(xiàn)向上臺(tái)階，臺(tái)階幅度-5.9 nT，之后數(shù)據(jù)曲線恢復(fù)正常的日變化（圖4）。

圖4 邵武臺(tái)FHD-2B質(zhì)子磁力儀2014-11-03日原始分鐘值曲線Fig.4 Original minute value of FHD-2B proton magnetometer in Shaowu seismic station on November 3，2014

2.5 空間天氣干擾

太陽表面活動(dòng)異?；钴S時(shí)，會(huì)引起全球磁場(chǎng)的劇烈擾動(dòng)，稱之為磁暴或空間的短時(shí)地磁振動(dòng)現(xiàn)象，造成地球磁各分量都出現(xiàn)劇烈變化，其中水平分量H變化尤為顯著。急始突跳后水平分量H曲線會(huì)出現(xiàn)上升的主相和向下的初相，隨后進(jìn)入緩慢恢復(fù)的恢復(fù)相，磁暴影響數(shù)據(jù)將持續(xù)幾十個(gè)小時(shí)才能恢復(fù)正常。2021年5月12日06:40臺(tái)站FHD-2B記錄到一次急始型磁暴SC，急始變幅D=1.68 min，H=40.1 nT，Z=1.9 nT，F(xiàn)=30.1 nT，最大擾動(dòng)K指數(shù)為7，最大擾動(dòng)幅度D=4.82 min，H=157.6 nT，Z=22.6 nT，F(xiàn)=111.4 nT，磁暴影響至當(dāng)日16:33結(jié)束（圖5）。

圖5 邵武臺(tái)FHD-2B質(zhì)子磁力儀2021-05-12日原始分鐘值曲線Fig.5 Original minute value of FHD-2B proton magnetometer in Shaowu seismic station on May 12，2021

2.6 市電停電發(fā)電機(jī)干擾

邵武臺(tái)FHD-2B儀器運(yùn)行采取市電接入U(xiǎn)PS電源供電方式，并配有一臺(tái)備用發(fā)電機(jī)，確保觀測(cè)資料產(chǎn)出的連續(xù)率。2015年7月23日，邵武城郊鎮(zhèn)片區(qū)外線交流供電出現(xiàn)故障，造成臺(tái)站及周邊村莊住宅區(qū)從當(dāng)日7:45時(shí)—24日15:55市電停電，斷電時(shí)長(zhǎng)30多個(gè)小時(shí)。7:45—12:19儀器采用UPS供電，12:20—次日15:55啟用發(fā)電機(jī)供電，24日15:56恢復(fù)市電供電。市電斷電后儀器采用UPS時(shí)，曲線正常；啟用發(fā)電機(jī)供電后，因交流電干擾影響，使得數(shù)據(jù)噪聲偏大，曲線毛刺明顯；市電恢復(fù)供電后，數(shù)據(jù)曲線逐漸恢復(fù)正常（圖6）。

圖6 邵武臺(tái)FHD-2B質(zhì)子磁力儀2015-07-22—24日預(yù)處理分鐘值曲線（格林尼治時(shí)間）Fig.6 Pretreatment minutevalue of FHD-2B proton magnetometer in Shaowu seismic station from July 22 to 24，2015（GMT）

3 噪聲分析

根據(jù)國(guó)家地磁臺(tái)網(wǎng)中心質(zhì)量分析報(bào)告中臺(tái)網(wǎng)參考背景噪聲統(tǒng)計(jì)月報(bào)，邵武臺(tái)FHD-2B四個(gè)分量中Z分量背景噪聲最大，超過1 nT，其余三個(gè)分量大都在1 nT以下。邵武臺(tái)FHD-2B數(shù)據(jù)產(chǎn)生背景噪聲的因素有： ① 由于農(nóng)村電網(wǎng)供電電壓不穩(wěn)定，外接入的交流供電對(duì)地磁觀測(cè)干擾，尤其對(duì)Z分量影響大； ② 高壓直流傳輸線路對(duì)地磁觀測(cè)干擾，由于受 “溪—浙線” 高壓直流傳輸影響，Z分量易出現(xiàn)臺(tái)階干擾； ③ 遠(yuǎn)程重啟主機(jī)回傳數(shù)據(jù)易造成數(shù)據(jù)突跳或出現(xiàn)臺(tái)階干擾； ④ 外界市電停電頻次較多，采用發(fā)電機(jī)發(fā)電，一定程度上也會(huì)影響數(shù)據(jù)噪聲水平； ⑤ 信號(hào)傳輸線過長(zhǎng)，易引入擾動(dòng)噪聲； ⑥ 儀器老化故障或參數(shù)配置有誤； ⑦ 其他儀器與地磁儀器集成一起易產(chǎn)生相互干擾； ⑧ 強(qiáng)弱電未能嚴(yán)格分隔開足夠距離。

我們選取2017年全國(guó)地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)國(guó)家地磁臺(tái)網(wǎng)中心質(zhì)量分析報(bào)告中臺(tái)網(wǎng)參考背景噪聲統(tǒng)計(jì)月報(bào)，得出江蘇新沂臺(tái)、福建漳州臺(tái)、福建龍巖臺(tái)、福建永安臺(tái)和邵武臺(tái)5個(gè)臺(tái)站FHD-2B磁力儀運(yùn)行期間統(tǒng)計(jì)背景噪聲值（表1）。邵武臺(tái)FHD-2B磁力儀的背景噪聲數(shù)值與省內(nèi)其他3個(gè)臺(tái)站FHD-2B磁力儀相近，但與江蘇新沂臺(tái)有較大的差距，背景噪聲數(shù)值越小，觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量越好。

表1 2017年5個(gè)臺(tái)站FHD-2B質(zhì)子磁力儀背景噪聲年平均值統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical table of annual average value of FHD-2B background noise at five seismic stationsin 2017

在FHD-2B儀器觀測(cè)系統(tǒng)中，連接線圈探頭和主機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸線過長(zhǎng)，易引入線路分布電容和分布電阻參數(shù)，也容易遭受交流電磁耦合干擾影響，造成數(shù)據(jù)噪聲增大[5]。早期，邵武臺(tái)FHD-2B的分量線圈安裝在觀測(cè)室內(nèi)，而主機(jī)安裝在50 m外的監(jiān)測(cè)樓內(nèi)，使得信號(hào)傳輸線長(zhǎng)近100 m。2018年11月11日因儀器老化，更換主機(jī)。為降低數(shù)據(jù)噪聲，新主機(jī)安裝在觀測(cè)室內(nèi)，使得信號(hào)傳輸線縮短至20 m內(nèi)，降低了傳輸線分布參數(shù)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的影響。2018年7月25日觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線毛刺多，數(shù)據(jù)質(zhì)量差；11月11日觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線變得光滑，毛刺變少，數(shù)據(jù)噪聲有了很大改善，觀測(cè)精度得到顯著提高（圖7）。

圖7 邵武臺(tái)FHD-2B質(zhì)子磁力儀2018-07-25（a）和2018-11-11（b）原始分鐘值曲線Fig.7 Original minute value of FHD-2B proton magnetometer in Shaowu seismic station on July 25，2018（a）and November 11，2018（b）

4 地磁觀測(cè)場(chǎng)地梯度測(cè)量

2018年9月25日，對(duì)邵武臺(tái)FHD-2B觀測(cè)室周圍開展場(chǎng)地磁場(chǎng)梯度測(cè)量，根據(jù)觀測(cè)區(qū)地形地貌，按照5 m一個(gè)測(cè)點(diǎn)間距布設(shè)測(cè)網(wǎng)。使用測(cè)量?jī)x器GSM-19W OVERHAUSER磁力儀，探頭高度120 cm。測(cè)量結(jié)果表明，場(chǎng)地磁場(chǎng)梯度較好，大多數(shù)區(qū)域磁場(chǎng)梯度在1—5 nT/m左右，雖然比剛建臺(tái)站時(shí)數(shù)據(jù)略偏大，但仍符合規(guī)范對(duì)地磁區(qū)域臺(tái)的要求。不過，矢量?jī)x觀測(cè)室探頭房間的東側(cè)空地有防雷地網(wǎng)使用了角鋼、扁鋼接地，導(dǎo)致地網(wǎng)附近區(qū)域磁場(chǎng)梯度增大，達(dá)到20 nT/m左右，超出規(guī)范要求。建議臺(tái)站地磁觀測(cè)區(qū)域的防雷地網(wǎng)，應(yīng)改用銅帶、銅筋與銅制構(gòu)件建設(shè)地網(wǎng)，避免對(duì)觀測(cè)區(qū)磁場(chǎng)梯度的影響。

5 結(jié)束語

邵武臺(tái)FHD-2B地磁室觀測(cè)環(huán)境、場(chǎng)地條件較好，周圍無明顯干擾源，觀測(cè)環(huán)境也未曾遭到破壞，觀測(cè)數(shù)據(jù)總體穩(wěn)定，與省內(nèi)其他4個(gè)地磁臺(tái)數(shù)據(jù)有較好的一致性。通過更換升級(jí)主機(jī)和縮短信號(hào)傳輸線長(zhǎng)度，極大的降低了信噪比。在日常觀測(cè)中，做好儀器維護(hù)，及時(shí)維修排除故障，定期更換UPS蓄電池，實(shí)時(shí)跟蹤儀器參數(shù)變化及時(shí)調(diào)整，識(shí)別干擾類型，落實(shí)干擾異常，F(xiàn)HD-2B的觀測(cè)質(zhì)量將會(huì)得到進(jìn)一步提升。