邵武臺FHD-2B磁力儀性能綜合分析經驗點滴＊

林苗祿 方傳極梁 凱賴見深

1)福州地震監測中心站，福建福州 350000

2)南平地震監測中心站，福建南平 353000

3)漳州地震監測中心站，福建漳州 363000

引言

地震前地球磁場存在前兆異常信息，為地震觀測資料的分析與預報提供了理論依據和方法指南[1]。“九五” 期間我國研制出觀測地球磁場的專用儀器FHD分量質子磁力儀， “十五” 期間升級為FHD-2B并延用至今。采集地震信息是一個漫長、連續的過程，而孕震過程引起的電磁前兆非常微弱，所以觀測系統和數據是否穩定可靠關系到地震前兆異常信息的捕捉[2]。

1 臺站和儀器概況

邵武地震臺始建于1979年，臺址處于邵武—河源斷裂帶上，2008年安裝了FHD-2B型質子矢量磁力儀并投入使用。FHD-2B質子矢量磁力儀測量系統由質子磁力儀、分量線圈、供電系統以及通信線路構成，分量線圈安裝在占地50 m2的FHD觀測室內，主機安裝在距離觀測室50 m外的監測樓內。2018年11月更換FHD-2B主機，主機安裝在觀測室內。2009、2010、2018、2020和2021年FHD儀器觀測運行率不高，主要原因是遭雷擊、儀器自身故障、儀器部分器件老化和市電頻繁停電所致，其他年份運行率均保持在98%以上。通過逐年防雷改造、更換FHD主機、配備柴油發電機與更新UPS電源等技術改造，儀器觀測運行率得到一定程度的提高。

FHD-2B磁力儀觀測至今，地磁場總場F、水平分量H、垂直分量Z數據基本正常，磁偏角D分量數據不穩定。F、Z值呈上升趨勢，D、H值呈下降趨勢，變化規律符合各分量間的物理關系。從臺站地磁數據分析判斷，未見明顯的震磁異常。邵武臺F、H、Z三分量與漳州、龍巖、永安、泉州4個臺站地磁場觀測分量對比，表現出同步變化規律，有較好的一致性。

2 干擾因素分析

FHD-2B分量質子磁力儀原始數據預處理時，須熟練區分人為干擾、觀測系統故障干擾、交流電磁干擾、高壓直流輸電干擾、空間天氣干擾和市電停電干擾對觀測數據造成的影響，才能正確預處理數據，對干擾給予準確的物理解釋，產出合格優質的觀測數據[3]。

2.1 人為干擾

人為干擾是指在觀測室周圍帶有鐵磁性物件的人為活動，在觀測數據中表現為多分量短時大幅度的突跳和臺階。2012年1月10日10:12一臺推土機在地磁觀測室附近施工，數據出現明顯的尖峰突跳和臺階，H分量最大變幅46.5 nT，D分量最大變幅3.14 min，F分量最大變幅63.5 nT。10:34施工結束后，推土機駛離場地，數據即刻恢復正常（圖1）。人為干擾屬于偶然性干擾，發生的頻度不高，可設立地磁觀測環境有效保護區或人工預處理予以消除。

2.2 觀測系統故障干擾

FHD-2B分量質子磁力儀由電源、單片機測控系統、網絡通信工控機系統和探頭組成。儀器一旦出現故障將極大影響觀測數據的質量，邵武臺FHD-2B磁力儀經常遇到的故障有： ① 儀器主機與分量線圈接口有干擾易產生錯誤數據； ② 工控機PC104故障造成無法收數，回傳數據突跳或出現臺階； ③ 傳感器（探頭）故障易產生錯誤數據； ④ 主機電源或CF卡故障造成缺數； ⑤ 儀器參數配置出錯產生錯誤數據； ⑥ 線圈角度偏差產生錯誤數據等。2011年4月23日8時觀測員處理數據時發現前一天數據是錯誤數據，通過排查發現，主機與線圈接頭松動有虛焊情況引起了傳送錯誤數據，維修焊接后數據恢復正常。2017年8月21日，觀測線圈角度出現偏差，造成D分量數據紊亂，其他分量正常。校正線圈角度后，儀器恢復正常，對觀測數據進行預處理，刪除錯誤數據，曲線恢復正常形態（圖2）。

圖1 邵武臺FHD-2B質子磁力儀2012-01-10日原始分鐘值曲線Fig.1 Original minute valueof FHD-2B proton magnetometer in Shaowu seismic station on January 10，2012

2.3 交流電磁干擾

交流電磁干擾是觀測系統受到周邊交流供電磁場影響，引起數據曲線毛刺增多、線條變粗、噪聲變大。2013年7月2日觀測數據因疊加了交流電磁干擾，使數據曲線變粗。通過強弱電線路分開布線、整理機柜線路、配備無磁性機柜和UPS電源等有效措施，7月10日后數據曲線變得平滑流暢（圖3）。

2.4 高壓直流輸電干擾

圖2 邵武臺FHD-2B質子磁力儀2017-08-21日D分量原始和預處理分鐘值曲線Fig.2 D component original and preprocessed minute value of FHD-2B proton magnetometer in Shaowu seismic station on August 21，2017

圖3 邵武臺FHD-2B質子磁力儀2013-07-02（a)和2013-07-10（b）原始分鐘值曲線Fig.3 Original minute valueof FHD-2Bproton magnetometer in Shaowu seismic station on July 2 and 10，2013

高壓直流輸電因節能、經濟、高效，在超遠距離輸電中得到廣泛應用，但傳輸線路出現故障或改變輸送電流時，會對線路兩側的臺站電磁儀器觀測造成嚴重干擾[4]。邵武臺FHD-2B磁力儀從2014年11月開始，受 “溪—浙線” ±800 kV特高壓直流輸電工程線路的影響，Z分量和F分量數據受干擾十分明顯，H分量和磁偏角D分量基本無影響。日常工作中對地磁資料進行預處理時，需要登錄“地磁臺網高壓直流輸電判別處理系統” 查詢高壓直流干擾的相關數據，對比省內同受 “溪—浙線” 影響的永安臺數據，以便精確地進行地磁數據預處理。以2014年11月3日為例，00:59 Z分量數據出現向下臺階，臺階幅度6.5 nT，緩變持續時間18 min；01:18數據出現向上臺階，臺階幅度-6.5 n T，緩變持續時間7 min；01:26數據又出現向下臺階，臺階幅度5.9 nT，緩變持續時間8 min；01:35數據再次出現向上臺階，臺階幅度-5.9 nT，之后數據曲線恢復正常的日變化（圖4）。

圖4 邵武臺FHD-2B質子磁力儀2014-11-03日原始分鐘值曲線Fig.4 Original minute value of FHD-2B proton magnetometer in Shaowu seismic station on November 3，2014

2.5 空間天氣干擾

太陽表面活動異常活躍時，會引起全球磁場的劇烈擾動，稱之為磁暴或空間的短時地磁振動現象，造成地球磁各分量都出現劇烈變化，其中水平分量H變化尤為顯著。急始突跳后水平分量H曲線會出現上升的主相和向下的初相，隨后進入緩慢恢復的恢復相，磁暴影響數據將持續幾十個小時才能恢復正常。2021年5月12日06:40臺站FHD-2B記錄到一次急始型磁暴SC，急始變幅D=1.68 min，H=40.1 nT，Z=1.9 nT，F=30.1 nT，最大擾動K指數為7，最大擾動幅度D=4.82 min，H=157.6 nT，Z=22.6 nT，F=111.4 nT，磁暴影響至當日16:33結束（圖5）。

圖5 邵武臺FHD-2B質子磁力儀2021-05-12日原始分鐘值曲線Fig.5 Original minute value of FHD-2B proton magnetometer in Shaowu seismic station on May 12，2021

2.6 市電停電發電機干擾

邵武臺FHD-2B儀器運行采取市電接入UPS電源供電方式，并配有一臺備用發電機，確保觀測資料產出的連續率。2015年7月23日，邵武城郊鎮片區外線交流供電出現故障，造成臺站及周邊村莊住宅區從當日7:45時—24日15:55市電停電，斷電時長30多個小時。7:45—12:19儀器采用UPS供電，12:20—次日15:55啟用發電機供電，24日15:56恢復市電供電。市電斷電后儀器采用UPS時，曲線正常；啟用發電機供電后，因交流電干擾影響，使得數據噪聲偏大，曲線毛刺明顯；市電恢復供電后，數據曲線逐漸恢復正常（圖6）。

圖6 邵武臺FHD-2B質子磁力儀2015-07-22—24日預處理分鐘值曲線（格林尼治時間）Fig.6 Pretreatment minutevalue of FHD-2B proton magnetometer in Shaowu seismic station from July 22 to 24，2015（GMT）

3 噪聲分析

根據國家地磁臺網中心質量分析報告中臺網參考背景噪聲統計月報，邵武臺FHD-2B四個分量中Z分量背景噪聲最大，超過1 nT，其余三個分量大都在1 nT以下。邵武臺FHD-2B數據產生背景噪聲的因素有： ① 由于農村電網供電電壓不穩定，外接入的交流供電對地磁觀測干擾，尤其對Z分量影響大； ② 高壓直流傳輸線路對地磁觀測干擾，由于受 “溪—浙線” 高壓直流傳輸影響，Z分量易出現臺階干擾； ③ 遠程重啟主機回傳數據易造成數據突跳或出現臺階干擾； ④ 外界市電停電頻次較多，采用發電機發電，一定程度上也會影響數據噪聲水平； ⑤ 信號傳輸線過長，易引入擾動噪聲； ⑥ 儀器老化故障或參數配置有誤； ⑦ 其他儀器與地磁儀器集成一起易產生相互干擾； ⑧ 強弱電未能嚴格分隔開足夠距離。

我們選取2017年全國地磁觀測數據，根據國家地磁臺網中心質量分析報告中臺網參考背景噪聲統計月報，得出江蘇新沂臺、福建漳州臺、福建龍巖臺、福建永安臺和邵武臺5個臺站FHD-2B磁力儀運行期間統計背景噪聲值（表1）。邵武臺FHD-2B磁力儀的背景噪聲數值與省內其他3個臺站FHD-2B磁力儀相近，但與江蘇新沂臺有較大的差距，背景噪聲數值越小，觀測數據質量越好。

表1 2017年5個臺站FHD-2B質子磁力儀背景噪聲年平均值統計表Table 1 Statistical table of annual average value of FHD-2B background noise at five seismic stationsin 2017

在FHD-2B儀器觀測系統中，連接線圈探頭和主機的數據傳輸線過長，易引入線路分布電容和分布電阻參數，也容易遭受交流電磁耦合干擾影響，造成數據噪聲增大[5]。早期，邵武臺FHD-2B的分量線圈安裝在觀測室內，而主機安裝在50 m外的監測樓內，使得信號傳輸線長近100 m。2018年11月11日因儀器老化，更換主機。為降低數據噪聲，新主機安裝在觀測室內，使得信號傳輸線縮短至20 m內，降低了傳輸線分布參數對觀測數據的影響。2018年7月25日觀測數據曲線毛刺多，數據質量差；11月11日觀測數據曲線變得光滑，毛刺變少，數據噪聲有了很大改善，觀測精度得到顯著提高（圖7）。

圖7 邵武臺FHD-2B質子磁力儀2018-07-25（a）和2018-11-11（b）原始分鐘值曲線Fig.7 Original minute value of FHD-2B proton magnetometer in Shaowu seismic station on July 25，2018（a）and November 11，2018（b）

4 地磁觀測場地梯度測量

2018年9月25日，對邵武臺FHD-2B觀測室周圍開展場地磁場梯度測量，根據觀測區地形地貌，按照5 m一個測點間距布設測網。使用測量儀器GSM-19W OVERHAUSER磁力儀，探頭高度120 cm。測量結果表明，場地磁場梯度較好，大多數區域磁場梯度在1—5 nT/m左右，雖然比剛建臺站時數據略偏大，但仍符合規范對地磁區域臺的要求。不過，矢量儀觀測室探頭房間的東側空地有防雷地網使用了角鋼、扁鋼接地，導致地網附近區域磁場梯度增大，達到20 nT/m左右，超出規范要求。建議臺站地磁觀測區域的防雷地網，應改用銅帶、銅筋與銅制構件建設地網，避免對觀測區磁場梯度的影響。

5 結束語

邵武臺FHD-2B地磁室觀測環境、場地條件較好，周圍無明顯干擾源，觀測環境也未曾遭到破壞，觀測數據總體穩定，與省內其他4個地磁臺數據有較好的一致性。通過更換升級主機和縮短信號傳輸線長度，極大的降低了信噪比。在日常觀測中，做好儀器維護，及時維修排除故障，定期更換UPS蓄電池，實時跟蹤儀器參數變化及時調整，識別干擾類型，落實干擾異常，FHD-2B的觀測質量將會得到進一步提升。