上海崇明長江農場深井綜合地震觀測系統地磁觀測數據質量分析*

任 燁，周華根，劉佳敏，尹繼堯

(上海市地震局，上海200062)

上海崇明長江農場深井綜合地震觀測系統地磁觀測數據質量分析*

任 燁，周華根，劉佳敏，尹繼堯

(上海市地震局，上海200062)

對上海崇明長江農場井深約460 m的深井綜合地震觀測系統中的地磁觀測數據進行質量分析。通過對該系統2套地磁儀以及相距約12 km的三烈中學臺地磁儀的時序圖、相關性、頻譜以及等效背景噪聲水平對比分析，得出:(1)上海深井綜合地震觀測系統中用膨脹水泥固定在井深約460 m巖石中的地磁儀工作正常，未受同一耐壓腔體內應變儀、地溫計、空隙壓計傳感器和安裝在同一個鉆孔內深度為430 m左右的地震儀、傾斜儀傳感器和系統影響，且相距60 m遠的長約400 m的井下套管對其相對變化也未產生擾動;(2)長江農場深井地磁觀測的等效背景噪聲水平明顯小于三烈中學臺，開展深井地磁觀測既能節約經費又能獲得高于地表的觀測數據質量，是值得推廣的建設方式。

深井綜合地震觀測;地磁觀測;背景噪聲;長江農場臺;三烈中學臺

0 引言

地震監測預報是我國防震減災三大工作體系的重要環節之一，它不僅服務于地震預報，也是整個地震學的基礎。地震預報、震害防御、地震緊急救援和地震學研究都需要地震監測所提供的數據做基礎。觀測地震前地球物理化學場的變化是地震預報的重要方法。由于地震發生在地球內部，大多數地震的信號都非常小，地震監測系統的接收靈敏度很高，所以地震監測對監測環境都有一定的要求。由于地球物理化學場變化需要長期的資料積累，監測環境一定要長期相對穩定。

環境干擾直接影響到地表地震觀測和研究工作的開展和深入，合理避開地表人類活動的干擾，做到防震減災與經濟協調發展，成為上海地震監測工作今后一段時間內必須解決的問題。此外，各前兆觀測手段震前異常各異，由于在不同的觀測環境安裝儀器，使不同前兆觀測手段之間無法進行客觀的對比分析，如果把所有前兆觀測手段集中安裝在同一觀測環境中，對于前兆異常多學科聯合分析起到非常重要的作用。

基于地震預報要求和目前的觀測環境，上海市開展了深井綜合地震觀測系統項目的建設。目前已建成崇明長江農場站，兩組設備安裝在井下不同深度，其中應變儀、地磁儀、空隙壓計、地溫計為一組，安裝在井深約460 m處，用膨脹水泥封在井底，與周圍巖石成為一體，上述4種傳感器都進行了備份，可以同時運行;另一組為傾斜儀和地震計，安裝在井深約430 m處，卡在井壁，地表安裝GPS和強震儀。深井中所安裝的地磁儀為由英國Bartington生產的MAG-03MC型地磁儀，是國內首次在深井中安裝地磁儀。地磁傳感器是否會受到同一耐壓腔體內應變計、地溫計、空隙壓計探頭和安裝在同一個鉆孔內深度為430 m左右的地震計、傾斜儀傳感器和系統的影響?同時是否會受到距其60 m遠的長約400 m(第四系覆蓋層厚度為400 m)井下套管的干擾?和地表地磁觀測相比，其性能如何?這些是深井觀測系統建成后需要確切知道的問題，對后續的深井綜合地震觀測站建設具有重要的參考意義。

基于上述問題，本文對崇明長江農場深井綜合地震觀測站 (以下簡稱CJNC)的地磁觀測數據進行質量分析，并和相距約12 km的崇明三烈中學臺 (以下簡稱SLZX)地磁觀測數據進行對比。

1 資料和方案

由于地磁外源場一般都位于電離層以上，相距不太遠的2個臺的外源場差別不大，可認為在一定范圍內磁場基本是均勻的。利用CJNC和SLZX臺2011年7月1～30日的小時值數據和2011年7月2日秒值數據進行地磁觀測質量分析，方案如下:

(1)儀器運行情況分析

利用CJNC臺安裝在同一位置的兩套同一類型地磁儀和SLZX臺GM4地磁儀記錄的地磁觀測資料分別進行小時值和秒值相關性分析，來檢測儀器的運行狀態和儀器的一致性，同時進行小時值的功率譜分析，比較CJNC和SLZX臺地磁日變化等主要周期的差異，從而判別CJNC臺地磁儀是否受到周圍環境的干擾。

(2)深井、地表地磁觀測數據背景噪聲水平對比分析

一般信號的高頻成分主要由背景噪聲干擾所致，利用傅立葉變換和逆變換截取出CJNC和SLZX臺地磁觀測數據中的高頻信息，對2011年7月2日共86 400個數據計算RMS(均方根)值，以此作為兩個臺站的等效背景噪音水平，為更客觀地比較兩者的優劣，截取5、10、15、20、25、30 s以上的高頻成分分別進行比較。

CJNC臺地磁儀觀測的分量為Z(垂直向)、X(東西向)和Y(南北向)，SLZX臺地磁儀觀測的分量為 Z(垂直向)、H(水平向)和 D(磁偏角)，因此，在對兩者進行比較分析時，先將CJNC臺地磁儀觀測數據轉換成和SLZX相同的觀測分量。

2 研究方法

2.1 傅立葉變換和噪聲功率譜分析

傅立葉變換能將滿足一定條件的某個函數表示成三角函數 (正弦/或余弦函數)或者它們積分的線性組合。將平方可積的函數f(t)表示成復指數函數的積分或級數形式。將頻率域的函數F(ω)表示為時間域函數f(t)的積分形式，如

功率譜估計的目的是根據有限數據給出信號、隨機過程的頻率成分分布的描述。假如隨機信號x(t)的自相關函數為 Rx(τ)，Rx(τ)的 Fourier變換為

定義Sx(f)為x(t)的自功率譜密度或自功率譜。因為Sx(f)可解釋為x(t)的平均功率譜相對于頻率的分布函數。自功率譜Sx(f)包含Rx(τ)的全部信息，如果隨機噪聲信號中還有某種頻率成分，可以從自功率譜中看出 (萬永革，2007)。

2.2 RMS(均方根)

利用地磁噪聲的RMS(均方根值)可以衡量臺站的地磁背景噪聲水平。用該值衡量噪聲水平的優點在于對來自不同噪聲源的噪聲可按照一個相同的尺度進行比較。地磁噪聲均方根值計算公式為 (劉永廷等，2002)

式中，;n為測量次數;vi為某一點實測地磁噪聲值;為實測地磁噪聲均值。

3 結果分析

3.1 儀器運行情況分析

根據上述方案，對CJNC臺安裝在同一位置的兩套地磁儀各分量2011年7月1～30日的小時觀測數據進行對比分析 (圖1)，并挑選出2011年7月2日的秒值觀測數據作相關性分析 (圖2)。

從圖1和圖2可以看出，CJNC臺地磁觀測小時值日變化周期明顯，兩套地磁儀，無論是小時值還是秒值基本看不出差異。為進一步識別差異，對地磁儀進行相關性分析，參與分析的數據為2011年7月1～30日共720個小時值，以及2011年7月2日共86 400個秒值。結果如表1所示，從表中可以得到:(1)對于CJNC臺安裝在同一位置的2套地磁儀各分量，無論是小時值還是秒值，其相關程度極高，最小相關程度與Z分量秒值相關，達到99.82%，最高相關達到1;(2)CJNC和SLZX臺2套地磁儀記錄的數據相關性也非常高，其中各分量小時值相關性略低，在83.41%～90%之間，而秒值相關性較小時值高，在94% ～99.6%之間。

表1 CJNC臺和SLZX臺相關系數統計表Tab.1 Correlation coefficients statistic of CJNC and SLZX stations

對CJNC和SLZX臺的地磁觀測數據分別進行頻譜分析，從表1可知，CJNC臺2個地磁儀觀測數據幾乎相同，因此，只挑選CJNC1和SLZX臺進行對比。由于水平分量無顯著周期，故只對垂直分量、磁偏角分量和地磁總強進行比較，如圖3所示，從圖中可以看出2個地磁臺都有最顯著的周期為一天的地磁太陽日變化，此外還有12 h周期和8 h周期，這和Asimopolos等 (2010)頻譜分析結果是一致的，SLZX臺的地磁總強8 h周期不顯著。

綜上所述，筆者分別從小時值和秒值的時序圖分析、CJNC臺兩套地磁儀和SLZX臺地磁儀相關分析、頻譜分析得到，上海深井綜合觀測系統中用膨脹水泥固定在巖石中的地磁儀目前工作正常，且未受到同一耐壓腔體內應變儀、地溫、空隙壓計探頭和安裝在同一鉆孔內深度約為430 m的地震儀、傾斜儀的系統影響，同時垂直向相距60 m遠的長約400 m井下套管對其未產生干擾。

圖3 CJNC1臺和SLZX臺地磁各分量小時值頻譜分析結果 (Z:垂直分向;D:磁偏角;F:地磁總強)Fig.3 Frequency spectrum of hour time of each geomagnetic components recorded by CJNC1 and SLZX Stations(Z:vertical component;D:declination;F:geomagnetic total intensity)

3.2 背景噪聲水平對比分析

從圖2中可以看出，CJNC臺地磁觀測數據各分量的時序曲線較SLZX臺平滑，特別是水平向分量。為進一步量化分析CJNC臺和SLZX臺背景噪聲的差異，利用傅立葉變換和逆變換截取出2個地磁觀測數據中的高頻信息，計算2011年7月2日共86 400個數據的RMS值，以此作為2個臺站的等效背景噪音水平。為更客觀地比較兩者的優劣，分別截取周期小于5、10、15、20、25、30 s的高頻成分作為背景噪音進行分析。由于篇幅關系，只給出截取周期小于5 s的CJNC1臺和SLZX臺地磁觀測數據水平分量信號分離過程圖 (圖4、圖5)。

對各分項分不同截取周期進行信號分離后計算RMS值，得到結果如圖6所示。從圖中可以看出:(1)RMS值隨著截取周期的增大而增大，總體呈近似線性增長; (2)CJNC臺2套地磁儀的RMS值基本相同，表明2套儀器具有很高的一致性，同時也表明2套地磁儀觀測質量可靠，運行正常;(3)CJNC臺地磁觀測資料各分量的等效背景噪聲RMS值明顯小于SLZX臺的RMS值。

對于水平分量，截取周期越小，背景噪聲RMS值相差越大，當截取周期為5 s時，SLZX臺背景噪聲水平是CJNC臺近2.3倍。對于垂直分量，2個臺的背景噪聲水平隨著截取周期的變化，基本保持在一個固定水平，為1.2倍左右。對于磁偏角，兩者背景噪聲水平也保持在1.5倍左右。

4 結論和討論

本文主要對上海深井綜合地震觀測系統中安裝在約460 m深井中的地磁儀觀測數據質量進行分析，并且和相距12 km的SLZX臺GM4地磁儀記錄的地磁觀測數據進行對比，通過長度為30 d的小時值和長度為一天的秒值觀測數據時序圖、相關性、頻譜分析，以及對比2個臺站的等效背景噪聲水平，得到以下結論:

(1)對于CJNC臺2套安裝在同一位置的地磁儀，其各分量無論是小時值還是秒值，相關程度極高，在99.82%～100%之間，表明該儀器質量可靠，且安裝在井深460 m里運行正常。

(2)CJNC臺和SLZX臺地磁儀的相關性也非常高，其中各分量小時值相關性略低，在83.41%～90%之間，而秒值相關性較小時值高，在94%～99.6%之間，頻譜分析結果表明兩個地磁臺都有最顯著的周期為一天的地磁太陽日變化周期，此外還有12 h周期和8 h周期，表明CJNC臺儀器未受到周圍環境干擾而產生擾動。

(3)對比CJNC臺和SLZX臺地磁儀的等效背景噪聲水平，結果表明CJNC臺地磁觀測資料各分量的等效背景噪聲RMS值明顯小于SLZX臺。對于水平分量當截取周期為5 s時，SLZX臺背景噪聲水平是CJNC臺近2.3倍。垂直分量，2個臺的背景噪聲水平基本保持在1.2倍左右;磁偏角，兩個臺背景噪聲水平也保持在近1.5倍左右。此外，CJNC臺2套深井地磁儀的RMS值基本相同，表明兩套儀器具有很高的一致性，同時也表明2套地磁儀觀測質量可靠，運行正常。

圖4 CNJC1臺水平分量H的信號分離過程圖(截取周期: ＜5 s)(a)原始信號;(b)分離出的周期小于5 s的高頻成分時序圖;(c)周期大于5 s低頻成分時序圖Fig.4 Separate process of H component recorded by CJNC1 Station(intercepted period is less than 5 seconds)(a)original signal;(b)separated time series including high frequency component with the period is less than 5 seconds;(c)time series including low frequency component with the period is more than 5 seconds

圖5 SLZX臺水平分量H的濾信號分離過程(截取周期: ＜5 s)(a)原始信號;(b)分離出的周期小于5 s的高頻成分時序圖;(c)周期大于5 s低頻成分時序圖Fig.5 Separate process of H component recorded by SLZX Station(intercepted period is less than 5 seconds)(a)original signal;(b)separated time series including high frequency component with the period is less than 5 seconds;(c)time series including low frequency component with the period is more than 5 seconds

圖6 地磁儀RMS值和截取頻率關系圖(a)水平分量;(b)垂直分量;(c)磁偏角分量Fig.6 Relation between intercepted frequency and RMS of magnetograph(a)H component;(b)Z component;(c)D component

綜上所述，上海深井綜合觀測系統中用膨脹水泥固定在井深460 m左右巖石中的地磁儀目前工作正常，且未受到同一耐壓腔體內應變儀、地溫計、空隙壓計探頭和安裝在同一個鉆孔內深度為430 m左右的地震儀、傾斜儀的系統影響，同時垂直向相距60 m遠的約400 m井下套管對其也未產生干擾。此外，CJNC深井地磁觀測的等效背景噪聲水平明顯小于SLZX臺的地表地磁觀測。從上述結果可以得到，深井地磁觀測數據質量明顯高于地表觀測，由于地表地磁觀測對周圍環境要求非常嚴格，同時觀測室的建設要求也非常嚴格，需要建在非磁異常區，對于類似上海這樣的大城市來說，地震地表觀測受到了日益嚴重的干擾且涉及到征地、觀測室建設等費用比較昂貴。因此，開展深井地磁觀測既能節約經費又能獲得比地表的觀測數據質量更高的數據，是值得推廣的建設方式。

劉永廷，夏愛國，趙慶.2002.烏魯木齊區域數字遙測臺網各子臺背景噪聲分析［J］.內陸地震，16(4):366 －371.

萬永革.2007.數字信號處理的MATLAB實現［M］.北京:科學出版社.

Asimopolos L，Pestina A，Asimopolos N S.2010.Considerations on geomagnetic data analysis［J］.Chinese J Geophys(in Chinese)，53(3):765－772.

Quality Analysis of Geomagnetic Observation Data Recorded by Comprehensive Seismic Observation System in Deep Borehole on Changjiang Farm in Shanghai

REN Ye，ZHOU Hua-gen，LIU Jia-min，YIN Ji-yao
(Earthquake Administration of Shanghai Municipality，Shanghai 200062，China)

We mainly analyzed the quality of geomagnetic observation data recorded by comprehensive seismic observation system which were installed at the depth of 460 m in deep borehole on Changjiang farm in Shanghai.Then we did a comparative analysis of sequence diagram，correlation，frequency spectrum and equivalent background noise of geomagnetic observation data recorded by magnetometers in Changjiang Farm Station(CJNC)and Sanlie Middle School Station(SLZX)which is 12 m apart from the CJNC Station.The result shows that:(1)The magnetometer was installed in well depth of 460 m by expanding cement works normally in the deep borehole comprehensive seismic observation system，and it doesn't interfered not only by the strain meter，geothermometer，pore pressure meter which were installed in the same withstand voltage chamber，but also by the seismometer，tilt meter which were installed at depth of 430 m in the borehole，and it doesn't interfered by downhole casing with 400 m long at a distance of 60 m.(2)The equivalent background noise of geomagnetic observation data in deep borehole on Changjiang farm is obvious less than that in the surface observation of Sanlie Middle School.Geomagnetic observation in deep borehole not only can save outlay but also can obtain higher quality observation data than the surface observation，so it is worth popularizing.

comprehensive seismic observation system in deep borehole;geomagnetic;data quality;background noise;Changjiang Farm Station;Sanlie Middle School Station

P318.62

A

1000－0666(2012)03－0353－07

2011－09－07.

上海市深井綜合地震觀測項目和地震科技星火計劃項目 (XH12017Y)聯合資助.