楊學(xué)慧，楊正綱，姚休義，王赟輝

(云南省地震局，云南昆明 650224)

0 引 言

基于地磁觀測數(shù)據(jù)的研究成果廣泛服務(wù)于國防建設(shè)、能源和礦產(chǎn)資源的探查、導(dǎo)航及航天環(huán)境的監(jiān)測，以及震磁關(guān)系研究和地震預(yù)報實踐等諸多領(lǐng)域[1-2]。近年來，一些學(xué)者如馮志生[3]利用地磁垂直分量日變化幅度響應(yīng)比、逐日比和空間分布特征等方法，綜合分析了江蘇及周邊地區(qū)中強震前異常的特征。倪曉寅[4]、李霞[5]等分析了強震前短周期地磁諧波振幅比變化特征。這些研究為短臨跟蹤、長趨勢分析等工作提供了顯著的支持，為震磁關(guān)系研究積累了大量資料，而支撐這些研究的基礎(chǔ)就是地磁臺站產(chǎn)出的連續(xù)完整、準確可靠的觀測資料[6]。隨著地磁觀測技術(shù)的不斷改進、電子技術(shù)和通訊技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字化地磁觀測儀器陸續(xù)安裝和運行，地磁觀測數(shù)據(jù)日益豐富，觀測技術(shù)更加完善。然而，隨著社會經(jīng)濟快速發(fā)展，鐵路、公路和電網(wǎng)等國家基礎(chǔ)設(shè)施的大規(guī)模建設(shè)運行，地磁臺站觀測環(huán)境不可避免受到不同程度的干擾，進而影響地磁觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量，制約地磁觀測工作的發(fā)展和應(yīng)用效能的發(fā)揮，同時也影響依賴地磁觀測數(shù)據(jù)的相關(guān)科學(xué)研究。

1 觀測現(xiàn)狀

目前云南地區(qū)共有地磁觀測臺站11個，臺站分布見圖1。其中，通海、楚雄和永勝三個臺站地磁數(shù)字化觀測始于2008年。為加強云南地區(qū)地磁觀測能力，2015年云南省地震局依托中國地震局背景場建設(shè)項目，新建了景谷、勐臘、富源、西盟、盈江、馬關(guān)和云龍7個相對觀測臺和麗江基準地磁臺，較大程度提升了云南地磁觀測密度，各臺站觀測儀器配置狀況詳見表1。

圖1 云南省地磁臺站分布

背景場項目新建地磁臺站觀測運行至今，部分臺站的觀測環(huán)境受到不同程度的干擾，其中盈江、勐臘、西盟、富源及景谷等5個臺站受到高壓直流輸電、車輛、裝置系統(tǒng)和人為等干擾的影響。這些影響在數(shù)據(jù)曲線上表現(xiàn)為尖峰、大小臺階(驟變、緩變)或錯誤數(shù)據(jù)等。以盈江地震臺和富源地震臺為例，2016年8月11日，盈江地震臺2號測點的GM4-XL儀器的觀測數(shù)據(jù)中就存在2184個干擾信號，Z分量最大變化幅度達31 nT；2018年11月24日，富源地震臺受高壓直流輸電影響，Z分量受嚴重影響，干擾幅度高達43 nT(圖2)。

圖2 觀測儀器受各類典型干擾

對于上述的干擾變化，只能采取人工逐項識別、手動干預(yù)的方法進行處理，這種方法涉及高采樣率導(dǎo)致工作量極為龐大，加之分量多、干擾類型復(fù)雜等因素進一步增加了人工處理難度。鑒于以上情況，謝凡等[7-9]通過建立干擾模型模擬軌道交通對地磁觀測的干擾，利用小波方法對其進行干擾抑制，取得較好結(jié)果。吳利輝[10]利用經(jīng)典功率譜估計法對地鐵干擾數(shù)據(jù)進行了功率譜對比分析,然后通過小波變換對受干擾數(shù)據(jù)進行干擾抑制處理，再進行多級分解和重構(gòu)，取得了較好的處理效果。鄭星亮[11]、苑益軍[12]采用窗函數(shù)、同相疊加技術(shù)和信號延時疊加來提高信噪比，降低信號受干擾程度。然而，地磁觀測數(shù)據(jù)往往同時受多種干擾影響，且時間尺度不同，導(dǎo)致單一的分析處理方法不適用于日常預(yù)處理工作，亟需一種能快速識別典型干擾信號并自動預(yù)處理的方法。通過對地磁數(shù)據(jù)中的典型干擾特征進行分類，使用一階差分識別、參考分量斜率反算及線性插值等處理方法對數(shù)據(jù)進行處理，嘗試研究一套適用于地磁干擾自動識別及預(yù)處理的方法，以期在保證正常數(shù)據(jù)形態(tài)的基礎(chǔ)上，將曲線中的臺階、尖峰、高壓直流輸電干擾和畸變等信號去除，實現(xiàn)典型干擾的識別與自動預(yù)處理。

2 干擾特征分類

目前，對地磁觀測數(shù)據(jù)造成干擾的主要因素包括交通運輸、基建施工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動以及高壓直流輸電等。交通運輸干擾是指車輛在運動過程中近距離接觸觀測室，產(chǎn)生近場區(qū)偶極源電磁場導(dǎo)致觀測環(huán)境受到干擾，其影響程度主要取決于車輛距觀測儀器距離的遠近，在垂直分量上表現(xiàn)為隨著干擾源由遠及近再遠離的過程，曲線呈現(xiàn)快速下降又恢復(fù)的形態(tài)(圖3a)。基建干擾和農(nóng)業(yè)活動是指觀測臺站附近由于建筑施工、農(nóng)業(yè)活動等，鐵磁性物質(zhì)接近觀測室產(chǎn)生的近場區(qū)偶極源電磁場干擾和施工過程中產(chǎn)生的噪聲干擾[6]，多表現(xiàn)為曲線呈雜亂無章的錯誤數(shù)據(jù)(圖3c)或者尖峰現(xiàn)象(圖3d)。高壓直流輸電技術(shù)是將三相交流電通過換流站整流變成直流電，然后通過直流輸電線路送往另一個換流站逆變成三相交流電的輸電技術(shù)[13]，其對地磁觀測數(shù)據(jù)造成的影響有時域特征：同一條干擾線路同一個干擾事件對線路兩邊的地磁臺站觀測造成的干擾同步發(fā)生、方向及幅度特征表現(xiàn)為在導(dǎo)線的兩邊產(chǎn)生的磁場方向相反，大小與輸電線路中的不平衡電流的大小成正比，與輸電線距臺站的視距離成反比等，主要體現(xiàn)在垂直分量上，高壓直流輸電干擾在地磁數(shù)據(jù)曲線上表現(xiàn)為緩變臺階(圖3b)和直上直下的驟變臺階，其中驟變臺階可以通過定量改正處理，而緩變臺階由于起始和結(jié)束時間難以確定，通常需要人工判定，此干擾類型是本次研究的重點?？傮w而言，除驟變臺階和單點尖峰以外，其余干擾形態(tài)具有多點復(fù)雜畸變、幅度大、逐漸偏離日變形態(tài)的共性。由此，可嘗試利用這一共性，歸類為緩慢變化處理。

圖3 干擾形態(tài)示意圖

3 干擾識別與處理

3.1 干擾識別方法

將需要進行預(yù)處理臺站定義為對象臺站，其受干擾的地磁某一分量定義為對象分量，選取參考臺站的同一分量作為參考分量。參考分量及參考臺需滿足以下條件：觀測環(huán)境干擾較小、背景噪聲低于臺網(wǎng)平均噪聲水平，預(yù)處理當日數(shù)據(jù)連續(xù)完整、內(nèi)精度好，無鐘差，未受高壓直流輸電干擾影響，已產(chǎn)出預(yù)處理數(shù)據(jù)，對象分量和參考分量應(yīng)為同一分量。經(jīng)調(diào)研，通海地震臺、云龍地震臺(自2017年以來)及麗江地震臺的地磁觀測滿足上述條件。

3.1.1 編碼

3.1.2 閾值的設(shè)定及確定需處理時段

前期調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在觀測系統(tǒng)工作正常，無高壓直流輸電、基建干擾、車輛干擾或人為干擾等觀測環(huán)境極為優(yōu)秀的臺站產(chǎn)出的數(shù)據(jù)中，一階差分均小于等于0.4 nT。而富源、通海等地震臺站受高壓直流輸電影響時段內(nèi)產(chǎn)出的數(shù)據(jù)中，一階差分均大于等于0.5 nT(如圖4，為2020年5月5日富源地震臺受高壓直流輸電影響時段的數(shù)據(jù))。其余干擾導(dǎo)致的一階差分結(jié)果更大，擾動時段內(nèi)的數(shù)據(jù)一階差分結(jié)果也大于0.5 nT，故在排除擾動時段的基礎(chǔ)上，以0.5 nT為閾值，能最大限度保證干擾信號被處理而又不會導(dǎo)致過度處理，這也是目前全國地磁秒數(shù)據(jù)人工預(yù)處理普遍采用的閾值，據(jù)此，將閾值設(shè)定為0.5 nT。

圖4 2020年5月5日富源地震臺受高壓直流輸電干擾影響

將對象分量進行兩次一階差分計算依次檢測，閾值R=0.5 nT，第一次檢測， 當|Yn-Yn-1|≥R且|Yn+1-Yn|

(1)

3.2 數(shù)據(jù)處理

(2)

由于前期對數(shù)據(jù)序列進行過編碼，故：

Xn+1-Xn=1

(3)

K=Yn+1-Yn

(4)

即，值等于一階差分的計算結(jié)果。

由于定點觀測的磁場變化相對穩(wěn)定，兩定點觀測地磁臺的觀測數(shù)據(jù)之間的相關(guān)系數(shù)極高，因此嘗試將參考分量數(shù)據(jù)段內(nèi)相鄰兩點的斜率應(yīng)用在對象分量上，即設(shè)定對象分量與參考分量的斜率相同，即：

K(n+1)=K'(n+1)

(5)

=Y(n+1)-Yn

(6)

Y(n+1)=K'(n+1)+Yn

(7)

至此，即可對緩變時段內(nèi)的數(shù)據(jù)依次插值。

基于上述方法，開發(fā)了處理軟件，可直接連接數(shù)據(jù)庫，并根據(jù)臺站實際情況選擇參考臺站、分量，以及設(shè)定處理時段，該軟件在經(jīng)過驗收后可直接推廣至各個地磁臺使用(圖5)。

圖5 地磁干擾數(shù)據(jù)自動處理軟件界面

4 實測數(shù)據(jù)處理效果檢驗

前期大量統(tǒng)計分析顯示，相鄰兩個臺站的相同分量之間的相關(guān)性相對穩(wěn)定，臺間距相近的兩個臺站、相同分量之間相關(guān)性亦保持相同水平，故可以此檢驗該方法的處理效果。以云龍臺為參考臺(其一階差分結(jié)果遠低于閾值0.5 nT)、盈江地震臺為對象臺站，處理后的相關(guān)系數(shù)將與臺間距相近的永勝地震臺至云龍地震臺的相關(guān)系數(shù)作比對，若兩個相關(guān)系數(shù)相近，則認定處理成功，該方法有效。結(jié)果如表2所示，可以看出處理后盈江地震臺與云龍地震臺的相關(guān)性與已知的永勝地震臺與云龍地震臺的相關(guān)性相近(表2)；同樣，以景谷地震臺為參考臺，西盟地震臺為對象臺站，處理后的相關(guān)系數(shù)與臺間距相近的勐臘地震臺至景谷地震臺的相關(guān)系數(shù)作對比(表2)，根據(jù)兩次的結(jié)果可以看出處理效果較好，達到研究目的效果(圖6)：

表2 處理前后的相關(guān)性

圖6 盈江地震臺Z分量處理效果

本文曾嘗試使用交通運輸干擾、基建干擾基本為零的對象分量的子夜值與參考分量子夜值計算背景相關(guān)系數(shù)，再用處理后的相關(guān)性與之對比，以期檢驗處理效果。但由于子夜時間段內(nèi)磁層電流特別微弱、來自于磁層的變化磁場也很弱，更多是電離層電流體系在不同的地下結(jié)構(gòu)感應(yīng)出的不同的感應(yīng)磁場，受局部環(huán)境影響比較大，相關(guān)性較差，不具備可比性。

5 討 論

在處理效果檢驗的過程中，曾嘗試使用車輛干擾、基建干擾基本為零的對象分量子夜值與參考分量子夜值計算背景相關(guān)系數(shù)，再用處理后的相關(guān)性與之對比，以期衡量和檢驗處理效果。但由于子夜時間段內(nèi)磁層電流特別微弱、來自于磁層的變化磁場也很弱，計算出的相關(guān)系數(shù)不穩(wěn)定，不具備參考性。

筆者將本研究方法應(yīng)用在盈江地震臺，經(jīng)過近半年的在線實測數(shù)據(jù)檢測，能在保證數(shù)據(jù)曲線正常形態(tài)的基礎(chǔ)上，將數(shù)據(jù)曲線中的臺階、尖峰、畸變信號較好的去除。但由于地磁觀測數(shù)據(jù)包含外源磁場和內(nèi)源磁場的信息，一旦替換窗口較長會引起不可忽視的誤差，且在調(diào)研過程中發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)干擾皆為偶發(fā)性、時間短，故建議窗長不宜超過1個小時。