浚县地震台地磁秒采样数据高频干扰分析

郭少峰 李志涛 张 达 路中慧

（中国河南 456250 河南省浚县地震台）

目前，随着经济社会的发展，地磁观测干扰不断出现，这使得地磁观测台站的观测环境受到不同程度影响。而地磁观测是对观测环境要求较高的地球物理观测手段，尤其是地磁秒采样观测，因其采样率较高而对环境变化较敏感。对于地磁数据干扰的判别，国内已有相关研究。邓娜等（2010）提出6种常用方法对地磁数据干扰进行判别；
毕金孟等（2020）、杨亚运等（2020）分别从台站地磁观测实际出发，对地磁观测干扰情况进行了分析。由于每个地磁台站的观测环境不尽相同，干扰形态存在差异，本文拟以浚县地震台地磁观测数据及观测日志为例，通过采用别尔采夫滤波和毕奥萨伐尔定律，分析浚县地震台较高发的秒采样数据高频干扰，探究干扰原因，以期为浚县地震台及其他地磁台站在干扰判定及数据预处理方面提供一定参考。

浚县地震台位于河南省浚县县城南浮丘山，海拔高度90 m，1975 年4 月建台。该台位于华北凹陷区、太行山隆起的东南麓，地层出露简单，83%的面积为第四系所覆盖，横跨内黄隆起和汤阴地堑，东属内黄隆起区，西属汤阴地堑区，有NNE 向汤东断裂带、NW 向安阳南断裂带2 大断裂带，再向东是聊兰断裂带，台站地理位置见图1。

图1 浚县地震台地理位置Fig.1 Geographical location of Xunxian Seismic Station

浚县地震台地磁相对观测于2007 年投入运行，采用FHD-2B 型质子分量磁力仪进行观测，2014 年2 月10 日新增1 套FGM-01 型磁通门磁力仪。

磁通门磁力仪拥有灵敏度高、频带宽、易于实现数字化等优点。浚县地震台FGM-01型磁通门磁力仪运行以来，工作状态一直较稳定，观测数据连续可靠，数据曲线日变形态清晰，年变规律正常。本文浚县地震台地磁秒采样数据就来自FGM-01 型磁通门磁力仪。

根据平时数据预处理的经验，浚县地震台地磁秒采样数据最常见的干扰是整点或整点附近的GPS 授时干扰和高压直流输电干扰，目前新版的“中国地震前兆数据处理系统（地磁学科版）”数据处理软件已集成一阶差分检测和缓变处理方法，以上2 种干扰通过日常的数据预处理基本可以消除。

除以上所列已知干扰外，日常数据处理过程中偶尔会发现未知原因导致的高频干扰，表现为丛集的尖峰，但不同时段干扰的丛集程度和受干扰分量存在差异，因此，有理由认为干扰源不唯一，应对其加以排查分析。

2.1 滤波分析

选取已知的存在高频干扰的日期2016 年2 月13 日和2017 年7 月9 日，使用MATLAB 软件分别进行别尔采夫滤波，去除日变背景，保留高频信号，得到典型的干扰信号（图2）。

图2 别尔采夫滤波结果（a）2016 年2 月13 日；
（b）2017 年7 月9 日Fig.2 Berzev filter results

对上述2 个干扰时段，使用“中国地震前兆数据处理系统（地磁学科版）”绘制原始曲线（图3）。

图3 典型干扰原始曲线（a）2016 年2 月13 日；
（b）2017 年7 月9 日Fig.3 Original curvet of typical interference

由图2、3 可见，高频干扰可分为2 种类型：干扰类型a 以2016 年2 月13 日为代表，表现为干扰成分的丛集程度相对较高，呈现锯齿状，可能会压制曲线形态，会影响地磁秒采样观测质量；
干扰类型b 以2017 年7 月9 日为代表，尖峰的丛集程度相对较低，一般经去尖峰处理后不影响地磁秒采样观测质量。

2.2 干扰源分析

由图2、3 可知，在原始曲线上只有选取2 —3 h 的尺度才能较直观地观察到干扰变化，而经过别尔采夫滤波在1 日的尺度就能直观地观察到干扰变化。

对2015—2020 年地磁秒采样数据，以日为尺度，分别进行别尔采夫滤波，统计存在高频干扰的日期，结果见表1。

表1 2015—2020 年高频干扰日期Table 1 Summary of high-frequency interference dates from 2015 to 2020

从干扰日期可知，a 型干扰常发生在旱季，b 型干扰常发生在雨季。

（1）对于a 型干扰可知，扰动的方向和受干扰的分量唯一，根据经验推测，这种干扰应该是一种人为干扰。

一些干扰发生后，场地巡检曾发现人为干扰的迹象，都表现为电焊施工，但是浚县地震台观测环境较差，周围被景区和民房包围，大部分干扰发生后均找不到人为干扰的痕迹。

电焊的工作原理是通过电焊机内置变压器将市电转换为小的直流电压和大的直流电流，其电流一般为100—300 A 或以上的范围，可使电能产生巨大的电弧热量融化焊条和钢铁。而如此高的直流电流，将在周围较大范围内形成环形磁场，从而对地磁场观测产生干扰。电焊干扰可以归类为事件型磁骚扰，依据GB/T 19531.2—2004《地震台站观测环境技术要求 第2 部分：电磁观测》（中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局等，2004），事件型磁骚扰强度应不大于0.1 nT。根据毕奥萨伐尔定律，可得电焊机在FGM-01 型磁通门磁力仪探头位置产生的磁感应强度大小

其中，μ0=4π×10-7N·A-2，为真空磁导率（空气磁导率近似为真空磁导率）。l为载流导线长度；
I为电流；
r为电焊机与探头间的距离。因载流导线长度即本文中的电焊条长度较小，可忽略电焊条不同位置的电荷产生磁感应强度的差异，式（1）可近似为

那么推导可得距离

根据已知电焊条规格，取常用电焊条长度的平均值0.4 m，电流取300 A，代入式（3）可计算得到电焊机对地磁观测产生0.1 nT 干扰的理论最远距离r≈ 346 m。在91 卫图助手上使用天地图标识范围得到图4。其中，已知的电焊干扰时间与电焊工作位置的对应关系为：2015 年1 月23 日、30 日对应电焊位置1；
2017 年10 月11 日对应电焊位置2；
2018 年4 月26 日对应电焊位置3，都在理论干扰范围内。因理论干扰范围内还有大量民房，这给干扰调查带来较大困难。根据合理推断，认为a 型干扰都是电焊干扰。

图4 理论上的浚县地震台电焊干扰范围Fig.4 Theoretical interference range of electric welding at Xunxian Seismic Station

（2）对于b 型干扰，其特点是D、H、Z分量均受影响，干扰方向不唯一。经查询工作日志发现，大多有降雨或雷电的记录，综合分析认为，b 型干扰是由雷电导致的。因雷电属于强脉冲放电，所以不会连续对地磁秒数据造成干扰，因此，干扰形态表现为尖峰，丛集度相对较低。

通过以上分析可知，浚县地震台地磁秒采样观测高频干扰主要来自电焊施工和雷电，这2 种高频干扰都会导致秒采样数据一阶差分超差，影响观测质量。不同的是电焊施工产生的干扰有些无法通过去尖峰处理消除，而雷电干扰表现为尖峰，通过去尖峰处理基本可消除其影响，数据预处理时应注意加以甄别。

根据理论计算，电焊干扰影响范围较大，由于周边房屋太多，且多为民房，查证存在较大困难。因此，在日常异常核实工作中应保持耐心，适当扩大巡检范围，以求尽量发现干扰源，以便开展地震观测环境保护工作。

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