極低頻電磁觀測天然源的數據分析與運維管理

池國民 趙銀剛＊ 劉海林 柴光斌 馬 娟 吳 婧

（山東省地震局濰坊地震監測中心站，山東 濰坊 261000）

極低頻通常是指3～3 000 Hz頻段之間的電磁波，能夠穿透較深的地層和較深的海水，在地質結構探測、海底礦產勘探、地震災害預測等領域有廣闊應用前景。極低頻電磁觀測是一項新興技術，參考大地電磁測探法（MT）開展布置和觀測，主要觀測天然電磁場，逐漸成為探索地球深部電性的重要方法[1]。極低頻探地（WEM）工程地震預測分系統是國家重大科技項目，在地震活動較強烈的川滇地區和地震重點監視區首都圈地區共建設了15個極低頻觀測臺站[2]，其中山東地區共布設了無棣、萊陽、莒縣、安丘等4個臺站。該站網實現對地震空間電磁場異常和震源區周圍地下電性結構變化的監測，對于及時捕捉川滇和首都圈地區中強地震電磁異常情況、提升地震預測預報能力，具有重要價值。安丘地震監測站（以下簡稱安丘站）隸屬濰坊地震監測中心站，位于山東省濰坊安丘市金冢子鎮馮家坊子村西北。本文主要研究極低頻觀測天然電磁場的數據正常變化及典型干擾的變化特征，分享日常運維實踐經驗。

1 儀器簡介及數據處理

1.1 儀器簡介

安丘極低頻電磁觀測儀器采用ADU-07e型電磁觀測儀，產地德國，觀測正交方向的電磁場。選擇十字形布極方式，以正北、正東分別為x軸、y軸，東、西、南、北四個方向布設測量電極，觀測Ey（東西向）和Ex（南北向）電場分量；磁傳感器觀測Hx（南北）、Hy（東西）和Hz（垂直）三個方向的磁場分量。采用Pb-PbCl2固體不極化和鉛柱兩套電極，鉛柱電極采用飽和鹽水浸泡48 h，加快氧化程度。根據場地實際，電極埋深由2.2 m改為打井深至15 m，中心電極埋深5 m，其他電極埋深15 m，并使用地磁經緯儀定向，提高定向精度。為確保接地可靠穩定，減少冬季冰凍等因素影響，在布設時添加了膨潤土作為降阻劑降低接地電阻。臺站建設完成時，測試儀器室防雷接地電阻為1.6 Ω，電極間的回路電阻值東西為133 Ω·m，南北為165 Ω·m，東中為160 Ω·m，西中為180 Ω·m，南中為150 Ω·m，北中為140 Ω·m（中代表中心電極），均符合項目建設規范要求。為減少風噪和溫度等因素影響，磁傳感器安裝在無磁玻璃鋼罐內，上方制作罐蓋以防水防潮，埋深1.1 m。太陽能電池安裝在儀器室附近的地面上，有效降低被雷擊的概率。

1.2 數據處理

數據處理時，首先利用快速傅里葉變換（FFT）方法處理各分量時間序列觀測數據，再以頻率域進行儀器響應校正，最后計算視電阻率、阻抗相位及各分量的自功率譜、互功率譜。數據處理使用德國Metronix公司研發的Procmt程序，提供全疊加法、相關閾值法、中值法等三種方法[3]。結果以EDI格式存儲。

1.2.1 全疊加法

以阻抗張量、譜張量的均值為最終估值進行疊加，通常情況下可以為其他方法提供參照，給出數據整體情況，指出數據優勢頻段范圍，清晰了解記錄數據質量，且在死頻或高頻段效果明顯。

1.2.2 相干度閾值法

計算Ex和Hy、Ey和Hx的相干度，設置若干不同相干度閾值挑選數據。數據量較大時，選取較大閾值如0.9或更大，可以獲得更高質量的數據，但閾值也不能選取過大，否則會因條件過于苛刻而無法選到相應閾值。測點近場干擾明顯時，相干度值也會增大，相干度閾值法使用受限，產出結果較差。

1.2.3 中值法

利用計算阻抗張量中值估算Zxy與Zyx，即阻抗張量排序后的中值，該估算方法穩定可靠，可有效剔掉除飛點，但如果疊加次數不夠，計算中值與平均值均沒有意義。綜合上述三種方法，發現對有一定干擾源的測點，中值法能夠得到更穩定的結果。

2 數據變化特征及主要干擾因素分析

2.1 數據變化特征

2.1.1 電磁場譜日變特征

由于地球自轉，太陽與地球表面固定某點可發生周期性變化，當電離層電流對應固定臺站發生周期性變化時，觀測曲線隨之出現規律性日變，呈現穩定變化且有一定周期的正弦波波形[4]。

選取干擾小、數據穩定的時段，繪制頻率74 Hz連續8天的10 min均值數據圖，發現電磁場譜具有明顯日變特征，曲線呈類似正弦波形態，白天電磁場譜較強（峰值一般出現在12：00左右），夜間稍微（谷值一般出現在5：00左右），與太陽活動有關。2022年4月10日—17日電磁場譜密度日變曲線如圖1所示。

圖1 2022年4月10日—17日電磁場譜密度日變曲線

2.1.2 電磁場譜季節變化特征

以頻率74 Hz為例，計算統計了2022年冬季（2022年1月1日—2月28日）和2022年夏季（2022年7月1日—8月31日）電磁場譜中位值和夏冬兩季譜值之比。結果顯示，夏季譜值明顯高于冬天，夏季與冬季譜值之比約為2。分析原因可能與我國北方地區夏季多雷電影響有關。電磁場譜冬季與夏季對比如表1所示。

2.2 干擾因素分析

2.2.1 磁暴影響

磁暴（地電暴）是由太陽活動產生的強大射電與太陽風引起的，具有同步發生全球性的特點。地電暴發生期間，地電場觀測記錄到不同程度的同步高頻脈沖信號變化，也是導致極低頻測值出現異常的重要因素。同一區域范圍內數據變化的時長、變幅與地電暴持續時間和強度表現為正相關，磁暴發生時地磁記錄水平分量變化最劇烈。

山東安丘站地磁觀測記錄到多次急始磁暴，以2023年2月的急始磁暴事件為例，2月26日地磁K指數為3、3、4、3、3、2、5、5，2月27日地磁K指數為4、5、5、6、7、6、6、5，最大K指數即Kmax為7。安丘站地磁FHD觀測水平分量H急始變幅為44.6 nT，最大擾動量為283.7 nT。急始磁暴時段安丘極低頻132 Hz電磁場譜10min均值曲線如圖2所示。

圖2 急始磁暴時段安丘極低頻電磁場譜10 min均值曲線

可以看出，磁暴對極低頻觀測結果的主要影響是使譜10 min均值產生明顯的震蕩突跳，擾動劇烈且幅度較大。

2.2.2 雷電影響

在無雷暴云等天氣的晴天，大氣電場和地電場二者呈對立統一的平衡場電體系。雷電時，雷云中大量電荷與地面導電介質發生感應，改變區域電場分布環境。雷電對電磁觀測的影響，一是導致觀測數據的出現震蕩甚至畸變；二是沖擊損壞儀器，導致數據缺記[5]。

分析發現，雷電影響極低頻觀測在譜日均值上表現明顯，各分量譜值大幅變化，數值上近3個數量級的增強，且不同分量變幅不同。

2.2.3 高壓直流輸電影響

通常情況下，高壓直流輸電采用雙向輸電形成電流回路，流經兩條導線的電流大小基本相等、方向相反，僅有少部分不平衡電流入地，此時產生的磁場相互抵消，對數千米之外的電磁臺站影響可以忽略。一旦出現故障，將出現極大的不平衡電流，對線路兩側的電磁觀測臺站造成嚴重干擾。經統計，2022年安丘站極低頻觀測受高壓直流輸電干擾有20多次，主要受寧東、哈鄭、呼遼、晉南、錫泰、扎青、上臨、昌宣等線路影響，其中寧東線影響最大。寧東線±660 kV高壓直流輸電線路，起自寧夏銀川靈武市臨河鎮換流站，止于山東青島膠州市膠西換流站，線路全長約1 335 km，采用單回路雙極架設方式。以寧東線2023年的一次高壓直流干擾為例，高壓直流輸電在故障時造成數據同步出現階躍、突跳現象。高壓直流輸電時安丘極低頻電磁場譜10 min均值曲線如圖3所示。

圖3 高壓直流輸電時安丘極低頻電磁場譜10 min均值曲線

2.2.4 降雨、農田灌溉和同場地儀器觀測影響

降雨或灌溉后，水分滲入地層導致電極接頭處潮濕，產生極化電位導致地電觀測受到影響。隨著水分下滲蒸發，農田恢復干涸，干擾也隨之消失。該類干擾需要詳細準確記錄天氣及測區環境變化情況，才能判定此類干擾。極低頻觀測與地電阻率同場地觀測時，地電阻率測量需要在整點值對場地供電，人工電場與自然電場相疊加，導致數據畸變。針對此類干擾，可以通過設計符合其正弦周期的濾波器和調整門限參數等多種方式解決。

3 日常運維及故障排除

3.1 日常運維

3.1.1 儀器狀態檢查（電源、GPS、記錄狀態等）

連續按動儀器面板上“SCROLL”按鈕，直到顯示“Battery Stauts”，此時窗口顯示的信息是電池電壓和電流狀態，若電壓低于11 V，則需要檢查供電。連續按動“SCROLL”按鈕，直到顯示“GPS Data”，按動“PARAM”鍵，窗口依次顯示GPS經度、緯度、衛星顆數和高程。連續按動“SCROLL”按鈕直到“System”狀態，按“PARAM”，查詢電極接地電阻，磁探頭序列號偏移量以及儀器的IP地址等信息。

3.1.2 數據處理及日志報送

根據學科觀測技術規范要求，每天上午完成前一天原始觀測數據處理，填寫各類日志并入庫。工作日志當日填寫，主要對臺站每天的系統運行狀況，數據采集、報送和處理等工作做詳細記錄。觀測日志預處理時填寫，記錄對觀測產生顯著影響的所有事件，需要按事件逐條記錄。

3.1.3 數據存儲與備份

每天上午將臺站觀測數據和日志報送至區域地震臺網中心，每月觀測數據及日志信息報送率不低于98%。每天備份觀測數據和日志，每月將上月的上述數據進行光盤備份，形成永久保存介質。

3.2 故障排除

數據不能下載，在采集日志中顯示連接異常，錯誤信息為java.net.ConnectException：Connection timed out。該故障原因為網絡不通，需要檢查到下級節點服務器的網絡。

采集日志中顯示登錄失敗，首先需要確認配置的下級節點用戶名密碼是否正確，用戶名密碼正確則需要修改下級節點服務器的sshd配置文件。

數據傳輸系統無法啟動，通過ps-ef |grep java查看無JAVA進程。首先在終端中執行java-version命令，查看JAVA程序是否正確安裝，如果安裝不正確重新安裝JAVA程序；如果已正確安裝，則檢查/etc/profile中JAVA環境配置。

據庫連接異常，首先檢查學科中心服務器的網絡是否正常；然后檢查數據傳輸系統配置文件目錄下的app.properties文件存放數據庫密碼，即jdbc.password；最后檢查數據名稱fms_SD與所屬區域的數據庫名稱是否一致。

4 結語

極低頻電磁場存在日變規律，曲線呈正弦波形態，通常表現為夜間值低、正午值高；同時具有年變，冬季值較低，夏季值較高，夏季與冬季譜值之比約為2。磁暴對極低頻觀測的主要影響表現在產生明顯的震蕩突跳，擾動劇烈且幅度較大。雷電對極低頻電磁觀測的影響較大，表現為使電磁場譜值突變。高壓直流輸電在故障期間對極低頻電磁觀測數據造成同步階躍、突跳現象。運維常見的故障點有網絡問題、JAVA運行環境、SSH服務、MYSQL數據庫、服務器時間等。基層地震臺站工作人員需加強儀器設備日常巡檢維護，準確判定識別干擾并高質完成數據處理，為極低頻臺網產出連續、可靠和穩定的數據提供保障。