地磁數字化資料干擾分析及數據處理*

董海龍,許玉紅,雷功明,張俏麗(甘肅省地震局嘉峪關中心地震臺，甘肅　嘉峪關　735100)

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地磁數字化資料干擾分析及數據處理*

董海龍,許玉紅,雷功明,張俏麗
(甘肅省地震局嘉峪關中心地震臺，甘肅嘉峪關735100)

摘要：利用“十五”數字地磁臺的數據資料，分別統計在地磁臺觀測中出現的自然因素、觀測環境因素和儀器設備故障等各類干擾情況，對這些干擾進行詳細的分類，分析人為干擾、地鐵輕軌干擾、交直流轉換干擾和地電阻率干擾等對地磁場觀測數據的影響特征，并提出了干擾的數據處理辦法。

關鍵詞：地磁;數字化資料;干擾分析;數據預處理

1　地磁觀測干擾類型

近年來，由于經濟發展的加快，城市建設面積的擴大，新型技術的突飛猛逐步影響到了地磁場的正常觀測，經常會遇到觀測數據記錄曲線異常現象。統計甘肅省“十五”數字地磁臺2008年至今的數據資料，發現在數字地磁臺觀測中除了的自然因素、環境和儀器中的各類干擾外，還受到人為干擾、地鐵輕軌、交直流切換、高壓直流輸電、地電阻率觀測等影響，這些干擾在記錄曲線上的表現為單點突跳、頻繁的單點或多點突跳、一定時段內數據突升或下降（臺階），各類干擾都具有相應的特征[1]。

2　地磁觀測干擾的特征

2.1人為干擾

人為干擾是指未按照規范要求，攜帶具有鐵磁性物件在觀測環境范圍內活動造成的干擾，基建工程和車輛影響也屬于人為干擾的一種,在數據記錄中主要表現為D、H、Z、F個分量短時間高頻大幅度的頻繁多點突跳和臺階變化（如圖1所示），在圖中1 時-5時出現了明顯的尖峰突跳和臺階，人為干擾屬于偶然性干擾，發生的頻率不高，可通過設立地磁觀測環境保護區域和人為干預加以消除。

2.2地鐵輕軌影響

直流牽引城市軌道交通系統運行時，鋼結構軌道作為整個供電回路的一部分，流入大地的泄露電流所產生的磁場是對周圍地磁臺站產生干擾的重要原因，由于鋼軌的絕緣性問題,雜散電流入大地形成泄露電流，整個直流供電回路由于漏電產生的不平衡性，也會在一定范圍內產生少許干擾磁場，其干擾主要來自軌道泄露電流產生的磁場和輸電線路產生的磁場[2]。觀測數據曲線形態較粗，且毛刺較多，資料表現中D、H、Z分量的突跳尖峰干擾集中在輕軌運行時段，較強的干擾脈沖為地鐵通過時的干擾，干擾幅度主要特征為Z＞H＞D，干擾包括車體經過時的干擾以及線路的電磁干擾，如圖2所示。甘肅省蘭州市地鐵線路正在建設中，只有在規劃設計前按照地磁觀測環境規范要求進行環境保護避免干擾。

2.3交直流切換影響

圖1　嘉峪關臺人為干擾原始曲線圖（2009年9月15日）

圖2　佘山臺地鐵干擾曲線圖（2015年1月12日）

一般配備交直流兩套電源設備能保障儀器的正常運行，保證資料產出的連續率，當直流供電設備未保持正常電壓，交直流電源轉換后，在使用直流供電時，就會影響儀器的供電，產生錯誤數據。圖3為2013年12月23日嘉峪關臺GM4儀器D、H、Z、分量原始數據圖，在20時之后地磁場D、H、Z分量資料記錄曲線出現連續的緩慢變化，儀器工作不正常，記錄數據隨著直流電源電壓的變化會出現緩變臺階，同時在切換直流供電后，部分儀器的記錄背景噪聲一般會變大[3]。

圖3　嘉峪關臺D、H、Z分量原始數據曲線圖（2013年12月23日）

2.4地電阻率觀測影響

在全國范圍內，由于觀測場地的限制，地電阻率與地磁場的觀測通常被迫進行同場觀測，地電阻率的觀測為每個整點進行測量，地磁場的觀測為每秒觀測，之間會出現相互干擾現象。山丹地磁臺為典型的電磁同場觀測，圖4中可以發現，山丹臺地磁場觀測記錄中的Z分量和F分量在整點期間出現明顯突跳尖峰，具有規律性。干擾的主要原因是地電阻率觀測在每個整點通過供電極進行一次大電流的供電，在測量極進行測量產出數據，在供電時就相當于在供電極形成了磁場，對垂直分量和地磁總場干擾比較明顯。

圖4　山丹臺地電阻率干擾原始曲線圖（2015年1月12日）

3　干擾數據的預處理

人為干擾、基建施工干擾、交直流切換干擾、不同干擾類型其數據的處理方式也不同，原則上在確保資料的準確度的情況下，盡力保證資料的連續率和完整率較高，干擾的處理過程中普遍應用去除尖峰和修正臺階的方法。首先，要選定臺階開始和結束時間，量取臺階幅度后進行處理，先優先最大臺階的預處理，逐步進行小臺階的處理，進行反復多次的臺階處理，配合剔除尖峰的方法來最后完成干擾數據的處理。對于像地鐵輕軌這樣的干擾，其干擾時間具有規律性，干擾數據表現一致，需要先查明干擾原因，對于這類干擾因素比較明朗的、周期存在的干擾不作處理，盡可能的改善觀測環境。地電阻率觀測干擾的表現為明顯的尖峰且時段固定，干擾源明確，這類的干擾就必須應用剔除尖峰的方法來進行資料的預處理工作。高壓直流輸電對地磁觀測影響復雜多變，在資料的預處理方面只有通過選取多臺資料進行對比，確定高壓直流輸電時間、幅度和干擾形態，然后應用剔除尖峰、去臺階、去緩變臺階及錯誤數據等相應合適的處理方法進行數據預處理，考慮到緯度區別和背景磁場的遷移，也可以計算后加以修正。需要注意的是在像儀器校準這類干擾出現的尖峰和臺階，數據預處理要按照相關規范要求進行。

4　結論

地磁場觀測中的人為干擾具體偶然性，地鐵輕軌干擾在時間和幅度上都具有固定性，交直流切換影響在地磁記錄數據上具有多分量同步性，地電阻率觀測干擾的時段比較一致具有周期性，這些干擾都具有各自的特征，通過地磁觀測場地周圍的環境調查和多臺觀測數據對比能夠很容易進行區分。地磁數據的預處理在原則上在確保資料的準確度的情況下，盡力保證資料的連續率和完整率較高，首先需要分析干擾的類型，各種干擾的特點，不明確的時候需要調查周圍環境變化，對干擾的數據處理過程中與區域臺站的資料進行對比分析，應用去除尖峰和修正臺階的方法完成資料的預處理。只有充分認識了干擾的特點，正確的進行了資料處理，才能產出真實、可靠的觀測數據。

參考文獻：

[1]趙永志，劉天龍，白琳，等．遼寧省數字化地磁觀測干擾識別及數據處理［J］．防災減災學報，2013,29(3):39-43．

[2]謝凡，滕云田，徐學恭，等．直流牽引城市軌道交通系統對地磁觀測干擾研究—以天津軌道交通為例［J］．地球物理學進展，2011,26（2）:732-738.

[3]陳俊，楊冬梅，曾獻軍．地磁觀測干擾概況淺析［J］．地震地磁觀測與研究，2010,31（Z1）:1-5.

[4]劉敏，陳傳華，張素琴．泰安地震臺GM-4儀觀測中臺階干擾分析[J]．地震地磁觀測與研究,2012,33(2):74-79．

[5]羅俊秋，李德前，賀玉方，等．武漢市軌道交通運行對地磁觀測的影響[J]．大地測量與地球動力學,2010,30(Z1): 135-140．

*基金項目：甘肅省地震局科技發展基金-青年基金資助項目（編號2014Q01）。

中圖分類號：P3