朱天元，舒 雷，烏 蘭

(內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局滿洲里地震臺(tái)，內(nèi)蒙古 滿洲里市 021400)

0 引言

目前，全國地磁臺(tái)站的相對(duì)記錄室多數(shù)建在山洞、掩體、地下或半地下，目的是為了保障記錄室內(nèi)的溫度盡量恒定[1]。很多研究結(jié)果顯示，影響地磁儀器數(shù)據(jù)質(zhì)量的因素不僅有溫度，室內(nèi)濕度和儀器本身的噪聲也對(duì)數(shù)據(jù)造成影響。記錄室內(nèi)濕度較溫度和滑動(dòng)對(duì)地磁資料產(chǎn)生的影響更復(fù)雜[2]，如北方的德都臺(tái)、烏魯木齊臺(tái)，南方的洛陽臺(tái)、成都臺(tái)，地磁儀器均曾因儀器室濕度過大，對(duì)產(chǎn)出的數(shù)據(jù)資料造成了嚴(yán)重影響。為此，郅紅魁等曾設(shè)計(jì)開發(fā)了一套地磁房濕度智能監(jiān)控系統(tǒng)[3-4]，對(duì)地磁房的濕度進(jìn)行監(jiān)控，并在超出工作范圍時(shí)提出警示，為地磁儀器觀測(cè)環(huán)境的保護(hù)提供保障。

滿洲里地震臺(tái)(以下簡(jiǎn)稱滿洲里臺(tái))地處中俄蒙三國交匯地帶，屬國家Ⅰ類地磁臺(tái)站，現(xiàn)有FHDZ-M15地磁總場(chǎng)與分量組合觀測(cè)系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱M15)和GM4磁通門磁力儀(以下簡(jiǎn)稱GM4)在內(nèi)的10臺(tái)套觀測(cè)儀器。滿洲里臺(tái)使用的M15地磁總場(chǎng)與分量組合觀測(cè)系統(tǒng)由丹麥生產(chǎn)的FGE三分量磁通門磁力儀探頭、英國生產(chǎn)的FGE模擬裝置、加拿大生產(chǎn)的 Overhouser 磁力儀以及中國地震局地球物理研究所第六研究室開發(fā)設(shè)計(jì)、北京天祥公司生產(chǎn)的主機(jī)共同組成。現(xiàn)階段，該套觀測(cè)系統(tǒng)安裝在臺(tái)站南山磁房?jī)?nèi)，2007年投入觀測(cè)以來，秒采樣數(shù)據(jù)資料質(zhì)量穩(wěn)定。2017年冬季起，滿洲里臺(tái)M15的尖峰干擾數(shù)量激增了上百倍，且冬季尖峰干擾數(shù)量多于夏季，數(shù)據(jù)質(zhì)量明顯下降，臺(tái)站工作人員數(shù)據(jù)預(yù)處理的工作量也隨之激增。2018—2019年，對(duì)臺(tái)站M15所受的干擾進(jìn)行逐項(xiàng)排查發(fā)現(xiàn)，臺(tái)站外部環(huán)境無改變，初步判定干擾因素來自儀器室記錄環(huán)境或儀器自身。

滿洲里臺(tái)地磁秒采樣數(shù)據(jù)所受干擾的記錄形態(tài)表現(xiàn)為階躍和尖峰，某種因素引發(fā)的記錄尖峰是滿洲里臺(tái)M15秒采樣數(shù)據(jù)最主要的干擾表現(xiàn)形態(tài)。

現(xiàn)階段，快速、準(zhǔn)確識(shí)別觀測(cè)數(shù)據(jù)中的干擾因素已成為地磁監(jiān)測(cè)人員的必備能力。筆者選用滿洲里臺(tái)M15秒采樣觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析、加溫、除潮和更換線路等實(shí)驗(yàn)手段，結(jié)合同一儀器室所放置GM4儀器的數(shù)據(jù)資料，分析M15所受的干擾，并通過判別干擾源，結(jié)合臺(tái)站實(shí)際，提出解決辦法。

1 數(shù)據(jù)資料選取

選取滿洲里臺(tái)2015年8月至2020年3月M15的觀測(cè)數(shù)據(jù)資料，使用“中國地震前兆數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)-地磁學(xué)科版”進(jìn)行處理，同時(shí)對(duì)比同觀測(cè)室內(nèi)GM4的觀測(cè)資料，判斷資料受干擾的情況。

2 干擾類型及干擾源的分析

分析表明，滿洲里臺(tái)M15數(shù)據(jù)干擾的記錄形態(tài)主要有階躍和尖峰兩種。

2.1 階躍形態(tài)

通過查詢?nèi)罩举Y料，M15階躍形態(tài)干擾的成因分別為高壓直流輸電和車輛停放。

(1) 高壓直流輸電。高壓直流輸電影響M15儀Z、F分量的曲線形態(tài)，有明確的時(shí)間段和干擾線路，可利用多臺(tái)對(duì)比分析和網(wǎng)站查詢等方法確定干擾時(shí)間。

(2) 車輛停放。測(cè)區(qū)周邊停放車輛，對(duì)M15各分量產(chǎn)生干擾，曲線干擾形態(tài)以明顯階躍為主，出現(xiàn)時(shí)間不固定，易發(fā)現(xiàn)，可通過設(shè)立明顯警示標(biāo)識(shí)和及時(shí)提醒干擾車輛等方式進(jìn)行預(yù)防。

2.2 尖峰形態(tài)

此類干擾表現(xiàn)為高頻的毛刺形態(tài)，幅度大、頻次高，造成記錄曲線變粗，對(duì)儀器數(shù)據(jù)質(zhì)量影響十分明顯，也給數(shù)據(jù)預(yù)處理造成極大困擾。

對(duì)2015年以來M15數(shù)據(jù)資料的對(duì)比分析(包括分析不同年份同月份的數(shù)據(jù)和同年份不同月份的數(shù)據(jù))，結(jié)合工作日志，確定M15數(shù)據(jù)尖峰干擾數(shù)量激增的原因有以下幾方面。

(1) 環(huán)境溫度的影響。分析2015年8月至2018年7月M15的觀測(cè)資料發(fā)現(xiàn)，毛刺尖峰在每年的1月、2月出現(xiàn)較多，6月、7月較少，表現(xiàn)為記錄曲線變粗，各分量原始秒采樣數(shù)據(jù)一階差分計(jì)算結(jié)果在2017年冬季之后明顯變大(見圖1)，冬季大于夏季，受季節(jié)(溫度)影響明顯。

圖1 M15儀器出現(xiàn)干擾前后原始秒采樣數(shù)據(jù)各分量一階差分結(jié)果Fig.1 The first-order difference results of each component of the raw second sampling data before and after interference appeared in M15 instrument

查閱M15的使用說明及官網(wǎng)查詢UPS不間斷電源的工作參數(shù)，發(fā)現(xiàn)M15和UPS所要求的工作溫度范圍均在0 ℃～40 ℃。目前，滿洲里臺(tái)M15的儀器探頭和模擬裝置均安置于地下儀器室，年溫差基本穩(wěn)定于10～20 ℃，完全符合儀器正常工作的溫度要求，儀器主機(jī)和UPS放在地上的儀器室內(nèi)，年溫差大，環(huán)境溫度在冬季可達(dá)-15 ℃。結(jié)合滿洲里地區(qū)氣候特點(diǎn)，推測(cè)此類干擾應(yīng)與M15主機(jī)和UPS所處環(huán)境溫度有關(guān)。

2018年12月24日在儀器室配備加熱設(shè)備，主機(jī)、UPS等設(shè)備工作的環(huán)境溫度由-12 ℃上升至-3 ℃，D、H、Z分量的毛刺尖峰大幅度減少，相應(yīng)原始數(shù)據(jù)一階差分變化幅度變小(見圖2)，F(xiàn)分量尖峰干擾數(shù)量變化不明顯。因此，認(rèn)為地上儀器室室溫過低是M15出現(xiàn)尖峰干擾(D、H分量及大部分Z分量)的直接原因。

圖2 地上儀器室加熱前后原始秒采樣尖峰數(shù)量及一階差分結(jié)果對(duì)比Fig.2 Comparison of the number of raw second sampling spikes and first-order difference results before and after heating in the above-ground instrument chamber

(2) 環(huán)境濕度的影響。通過分析滿洲里臺(tái)與其他臺(tái)站的數(shù)據(jù)資料、查閱中國地磁臺(tái)網(wǎng)資料和相關(guān)文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)地磁觀測(cè)設(shè)備與儀器裝置受潮可能表現(xiàn)為兩方面：第一，儀器探頭和所在儀器墩受潮會(huì)造成儀器探頭力學(xué)性質(zhì)的改變，通常在數(shù)據(jù)資料上表現(xiàn)為基線值隨時(shí)間變化[5]；第二，儀器受潮造成內(nèi)部電路元件電氣性能改變，表現(xiàn)形態(tài)與受潮的電路元件有關(guān)，不同元件受潮造成資料的干擾形態(tài)不同。

查詢M15的使用說明，發(fā)現(xiàn)其探頭和模擬裝置的正常工作濕度范圍在10%～85%。為判斷Z、F分量的尖峰形態(tài)干擾是否為儀器室環(huán)境濕度過大所導(dǎo)致，工作人員對(duì)地下儀器室進(jìn)行了檢查。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，儀器架設(shè)時(shí)對(duì)儀器探頭加了防潮盒和吸潮藥品，但未對(duì)模擬裝置配備防潮盒和吸潮裝置。

考慮到儀器模擬裝置受潮可能對(duì)觀測(cè)資料產(chǎn)生影響，2019年7月1日(本地區(qū)降水量最大的季節(jié)中期)在模擬裝置的防潮盒內(nèi)添加變色硅膠進(jìn)行吸潮處理。結(jié)果顯示，放入除潮劑后的四天(7月2日—5日)，變色硅膠幾乎未發(fā)生變色，觀測(cè)數(shù)據(jù)也未好轉(zhuǎn)(見第18頁圖3)，資料尖峰數(shù)量未發(fā)生明顯減少，原始秒數(shù)據(jù)一階差分計(jì)算結(jié)果變化幅度仍很大(最大差值達(dá)到3)。結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，滿洲里臺(tái)M15觀測(cè)環(huán)境穩(wěn)定，探頭密封防潮效果良好，儀器墩為石頭材質(zhì)，不存在傾斜現(xiàn)象，對(duì)模擬裝置吸潮，資料未發(fā)生變化。因此，認(rèn)為尖峰干擾與模擬裝置受潮無關(guān)。

(3) 供電系統(tǒng)設(shè)備老化的影響。結(jié)合滿洲里臺(tái)M15主機(jī)儀器室加熱后Z、F分量尖峰干擾依然存在和臺(tái)站2017年對(duì)儀器配電室進(jìn)行了優(yōu)化改造的具體情況，推斷該干擾可能存在于輸電過程中。電擾的形態(tài)比較多樣,可能表現(xiàn)為曲線跳動(dòng)十分劇烈或曲線較粗，也可能為突然出現(xiàn)的一段時(shí)間幅度極大的尖峰干擾。兩種干擾中，前者多為直流漏電干擾，后者則在區(qū)域電網(wǎng)負(fù)荷增強(qiáng)時(shí)表現(xiàn)更加明顯[6]。兩種電擾在M15的觀測(cè)資料中都存在，前者常見，特別表現(xiàn)在Z和F分量上。

結(jié)合上述推斷，在2020年3月2日更換臺(tái)站所有地磁設(shè)備的輸電線路和UPS不間斷電源，更換中做到供電線路間、供電線路與信號(hào)線路間相互分離。3月3日起，M15數(shù)據(jù)資料除個(gè)別整點(diǎn)尖峰外，Z、F分量毛刺形態(tài)尖峰干擾基本消失，原始數(shù)據(jù)資料的一階差分計(jì)算結(jié)果恢復(fù)至平穩(wěn)且小范圍跳動(dòng)(變化量基本在0.5以下)，恢復(fù)正常(見第18頁至第19頁圖4)。

更換輸電線路和UPS后，M15秒采樣資料的尖峰干擾基本消失。2017年冬季以來，M15的F和部分Z分量出現(xiàn)的尖峰干擾是供電設(shè)備或線路中存在的某種電擾，該干擾是由某些電氣元件的老化造成，還是在優(yōu)化改造過程中某些電氣元件受損造成，已無法判斷。

(4) 對(duì)比同一儀器室內(nèi)兩套儀器資料，判斷干擾源。滿洲里臺(tái)M15和GM4的秒采樣觀測(cè)資料顯示，兩套儀器尖峰形態(tài)干擾出現(xiàn)的時(shí)間相類似，主要表現(xiàn)為所有分量尖峰數(shù)量增多(Z分量更加明顯)，尖峰幅度增大。查閱和分析兩套儀器的預(yù)處理情況及兩套儀器原始秒采樣資料的一階差分計(jì)算結(jié)果(見圖5)，發(fā)現(xiàn)GM4的尖峰數(shù)量遠(yuǎn)少于M15。

圖3 儀器室除潮前后M15儀器原始秒采樣數(shù)據(jù)及一階差分結(jié)果對(duì)比Fig.3 Comparison of raw second sampling data and first-order difference results of M15 instrument before and after dehumidification in instrument room

圖4 更換線路前后M15儀器原始秒采樣數(shù)據(jù)及一階差分結(jié)果對(duì)比Fig.4 Comparison of raw second sampling data and first-order difference results of M15 instrument before and after line replacement

圖5 GM4與M15儀秒采樣各分量一階差分計(jì)算結(jié)果對(duì)比Fig.5 Comparison of first order difference calculation results between GM4 and M15 instruments second sampling components

2018年12月24日在儀器室配備加熱設(shè)備后，M15的D、H、Z分量尖峰數(shù)量大幅度減少，GM4的數(shù)據(jù)變化不明顯(見第20頁圖6)。認(rèn)為是儀器原件老化(如主機(jī)中電容等老化)造成低溫時(shí)工作的不穩(wěn)定。

經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，M15的Z、F分量與GM4的Z分量原始數(shù)據(jù)在干擾形態(tài)和時(shí)間上具有較好的一致性(見第20頁圖7)。由此判斷，M15數(shù)據(jù)的毛刺尖峰干擾非儀器自身噪聲所致。

更換輸電線路和UPS不間斷電源后，M15的Z、F分量與GM4的Z分量的尖峰干擾均有很大程度的改善，其數(shù)據(jù)一階差分計(jì)算結(jié)果也符合地磁臺(tái)網(wǎng)對(duì)背景噪聲值的要求(見第21頁圖8)。因此判斷，該干擾是供電設(shè)備本身老化造成?？紤]到兩套儀器受用電干擾的一致性，判斷兩套儀器在線路或設(shè)備發(fā)生漏電時(shí)，均會(huì)受到干擾且表現(xiàn)相似。

圖6 地上儀器室加熱前后GM4儀器各分量一階差分計(jì)算結(jié)果對(duì)比Fig.6 Comparison of the first order difference calculation results of GM4 instruments before and after heating in the above-ground instrument chamber

圖7 2019年11月7日M15與GM4儀原始秒數(shù)據(jù)尖峰干擾對(duì)應(yīng)情況Fig.7 On November 7, 2019, M15 corresponded to the peak interference of raw second data of GM4 instrument

3 結(jié)論和討論

(1) 分析2015年8月至2020年3月滿洲里臺(tái)M15秒采樣觀測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，該儀器受到干擾后表現(xiàn)形態(tài)主要為階躍與尖峰型。其中，階躍型來自高壓直流輸電和車輛停放；尖峰型來自地上儀器室溫度過低造成的主機(jī)和UPS工作不穩(wěn)定，以及供電設(shè)備或電氣元件老化或損壞造成的漏電；儀器所受干擾與環(huán)境濕度無關(guān)，也非儀器自身噪聲所致。

(2) 對(duì)比M15與GM4主機(jī)儀器室加熱前后的秒采樣數(shù)據(jù)和差值，發(fā)現(xiàn)在(-10～-20 )℃的工作環(huán)境下，M15受低溫影響明顯，GM4幾乎不受其影響。

(3) 分析M15儀秒采樣數(shù)據(jù)的干擾來源，可為今后地磁儀器的安裝和地磁臺(tái)站的建設(shè)與改造提供以下參考：第一，地磁儀器室、觀測(cè)室和配電室的環(huán)境溫度與濕度都應(yīng)恒定，同時(shí)，儀器各部件都應(yīng)在架設(shè)過程中進(jìn)行防潮處理，為在資料出現(xiàn)異常時(shí)可減少排查環(huán)節(jié)；第二，儀器輸電線路與信號(hào)線路架設(shè)應(yīng)規(guī)范，避免相互干擾，地埋線路應(yīng)套防壓管，防止線路絕緣皮遭到破壞導(dǎo)致漏電，同時(shí)應(yīng)定期對(duì)供電設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)更換；第三，M15是“十五”儀器，多數(shù)臺(tái)站已安裝并投入使用超過10年，儀器本身、供電設(shè)備和輸電線路等均可能出現(xiàn)老化，影響數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，因此不同地區(qū)的臺(tái)站應(yīng)根據(jù)自身實(shí)際情況定期對(duì)儀器、線路、UPS、電瓶、避雷等設(shè)備進(jìn)行檢查和及時(shí)更換，避免數(shù)據(jù)資料受到影響。

圖8 GM4儀Z分量原始秒數(shù)據(jù)及一階差分計(jì)算結(jié)果Fig.8 Raw second data of Z component of GM4 instrument and calculation results of first-order difference