地磁数字化资料干扰分析及数据处理*

董海龙,许玉红,雷功明,张俏丽(甘肃省地震局嘉峪关中心地震台，甘肃　嘉峪关　735100)



地磁数字化资料干扰分析及数据处理*

董海龙,许玉红,雷功明,张俏丽
(甘肃省地震局嘉峪关中心地震台，甘肃嘉峪关735100)

摘要：利用“十五”数字地磁台的数据资料，分别统计在地磁台观测中出现的自然因素、观测环境因素和仪器设备故障等各类干扰情况，对这些干扰进行详细的分类，分析人为干扰、地铁轻轨干扰、交直流转换干扰和地电阻率干扰等对地磁场观测数据的影响特征，并提出了干扰的数据处理办法。

关键词：地磁;数字化资料;干扰分析;数据预处理

1　地磁观测干扰类型

近年来，由于经济发展的加快，城市建设面积的扩大，新型技术的突飞猛逐步影响到了地磁场的正常观测，经常会遇到观测数据记录曲线异常现象。统计甘肃省“十五”数字地磁台2008年至今的数据资料，发现在数字地磁台观测中除了的自然因素、环境和仪器中的各类干扰外，还受到人为干扰、地铁轻轨、交直流切换、高压直流输电、地电阻率观测等影响，这些干扰在记录曲线上的表现为单点突跳、频繁的单点或多点突跳、一定时段内数据突升或下降（台阶），各类干扰都具有相应的特征[1]。

2　地磁观测干扰的特征

2.1人为干扰

人为干扰是指未按照规范要求，携带具有铁磁性物件在观测环境范围内活动造成的干扰，基建工程和车辆影响也属于人为干扰的一种,在数据记录中主要表现为D、H、Z、F个分量短时间高频大幅度的频繁多点突跳和台阶变化（如图1所示），在图中1 时-5时出现了明显的尖峰突跳和台阶，人为干扰属于偶然性干扰，发生的频率不高，可通过设立地磁观测环境保护区域和人为干预加以消除。

2.2地铁轻轨影响

直流牵引城市轨道交通系统运行时，钢结构轨道作为整个供电回路的一部分，流入大地的泄露电流所产生的磁场是对周围地磁台站产生干扰的重要原因，由于钢轨的绝缘性问题,杂散电流入大地形成泄露电流，整个直流供电回路由于漏电产生的不平衡性，也会在一定范围内产生少许干扰磁场，其干扰主要来自轨道泄露电流产生的磁场和输电线路产生的磁场[2]。观测数据曲线形态较粗，且毛刺较多，资料表现中D、H、Z分量的突跳尖峰干扰集中在轻轨运行时段，较强的干扰脉冲为地铁通过时的干扰，干扰幅度主要特征为Z＞H＞D，干扰包括车体经过时的干扰以及线路的电磁干扰，如图2所示。甘肃省兰州市地铁线路正在建设中，只有在规划设计前按照地磁观测环境规范要求进行环境保护避免干扰。

2.3交直流切换影响

图1　嘉峪关台人为干扰原始曲线图（2009年9月15日）

图2　佘山台地铁干扰曲线图（2015年1月12日）

一般配备交直流两套电源设备能保障仪器的正常运行，保证资料产出的连续率，当直流供电设备未保持正常电压，交直流电源转换后，在使用直流供电时，就会影响仪器的供电，产生错误数据。图3为2013年12月23日嘉峪关台GM4仪器D、H、Z、分量原始数据图，在20时之后地磁场D、H、Z分量资料记录曲线出现连续的缓慢变化，仪器工作不正常，记录数据随着直流电源电压的变化会出现缓变台阶，同时在切换直流供电后，部分仪器的记录背景噪声一般会变大[3]。

图3　嘉峪关台D、H、Z分量原始数据曲线图（2013年12月23日）

2.4地电阻率观测影响

在全国范围内，由于观测场地的限制，地电阻率与地磁场的观测通常被迫进行同场观测，地电阻率的观测为每个整点进行测量，地磁场的观测为每秒观测，之间会出现相互干扰现象。山丹地磁台为典型的电磁同场观测，图4中可以发现，山丹台地磁场观测记录中的Z分量和F分量在整点期间出现明显突跳尖峰，具有规律性。干扰的主要原因是地电阻率观测在每个整点通过供电极进行一次大电流的供电，在测量极进行测量产出数据，在供电时就相当于在供电极形成了磁场，对垂直分量和地磁总场干扰比较明显。

图4　山丹台地电阻率干扰原始曲线图（2015年1月12日）

3　干扰数据的预处理

人为干扰、基建施工干扰、交直流切换干扰、不同干扰类型其数据的处理方式也不同，原则上在确保资料的准确度的情况下，尽力保证资料的连续率和完整率较高，干扰的处理过程中普遍应用去除尖峰和修正台阶的方法。首先，要选定台阶开始和结束时间，量取台阶幅度后进行处理，先优先最大台阶的预处理，逐步进行小台阶的处理，进行反复多次的台阶处理，配合剔除尖峰的方法来最后完成干扰数据的处理。对于像地铁轻轨这样的干扰，其干扰时间具有规律性，干扰数据表现一致，需要先查明干扰原因，对于这类干扰因素比较明朗的、周期存在的干扰不作处理，尽可能的改善观测环境。地电阻率观测干扰的表现为明显的尖峰且时段固定，干扰源明确，这类的干扰就必须应用剔除尖峰的方法来进行资料的预处理工作。高压直流输电对地磁观测影响复杂多变，在资料的预处理方面只有通过选取多台资料进行对比，确定高压直流输电时间、幅度和干扰形态，然后应用剔除尖峰、去台阶、去缓变台阶及错误数据等相应合适的处理方法进行数据预处理，考虑到纬度区别和背景磁场的迁移，也可以计算后加以修正。需要注意的是在像仪器校准这类干扰出现的尖峰和台阶，数据预处理要按照相关规范要求进行。

4　结论

地磁场观测中的人为干扰具体偶然性，地铁轻轨干扰在时间和幅度上都具有固定性，交直流切换影响在地磁记录数据上具有多分量同步性，地电阻率观测干扰的时段比较一致具有周期性，这些干扰都具有各自的特征，通过地磁观测场地周围的环境调查和多台观测数据对比能够很容易进行区分。地磁数据的预处理在原则上在确保资料的准确度的情况下，尽力保证资料的连续率和完整率较高，首先需要分析干扰的类型，各种干扰的特点，不明确的时候需要调查周围环境变化，对干扰的数据处理过程中与区域台站的资料进行对比分析，应用去除尖峰和修正台阶的方法完成资料的预处理。只有充分认识了干扰的特点，正确的进行了资料处理，才能产出真实、可靠的观测数据。

参考文献：

[1]赵永志，刘天龙，白琳，等．辽宁省数字化地磁观测干扰识别及数据处理［J］．防灾减灾学报，2013,29(3):39-43．

[2]谢凡，滕云田，徐学恭，等．直流牵引城市轨道交通系统对地磁观测干扰研究—以天津轨道交通为例［J］．地球物理学进展，2011,26（2）:732-738.

[3]陈俊，杨冬梅，曾献军．地磁观测干扰概况浅析［J］．地震地磁观测与研究，2010,31（Z1）:1-5.

[4]刘敏，陈传华，张素琴．泰安地震台GM-4仪观测中台阶干扰分析[J]．地震地磁观测与研究,2012,33(2):74-79．

[5]罗俊秋，李德前，贺玉方，等．武汉市轨道交通运行对地磁观测的影响[J]．大地测量与地球动力学,2010,30(Z1): 135-140．

*基金项目：甘肃省地震局科技发展基金-青年基金资助项目（编号2014Q01）。

中图分类号：P3