山东省地磁FHD观测资料初步分析

池国民，赵银刚，董晓娜，林秀娜

（1.安丘地震台，山东 安丘 262100；2.山东省地震局，山东 济南 250014；3.泰安基准地震台，山东 泰安 271000）

山东省地磁FHD观测资料初步分析

池国民1，赵银刚1，董晓娜2，林秀娜3

（1.安丘地震台，山东 安丘 262100；2.山东省地震局，山东 济南 250014；3.泰安基准地震台，山东 泰安 271000）

介绍了山东省地磁FHD观测的基本情况，选取各台2011—2015年的观测数据，从资料的连续性、完整性，仪器背景噪声，相对差值，数据变化形态及主要干扰等方面进行了分析探讨。结果表明：各台地磁FHD观测资料保持了较高的连续性和完整性，数据能满足分析预报的使用要求；仪器背景噪声良好，整体在全国省级地磁台网中处于中上水准；通过多台相对差值检测发现我省地磁FHD数据总体拟合程度较好，一致性较高，数据可靠，可为地震预测研究提供可靠的数据支持。数据变化方面，地磁静日变化平缓，曲线平滑，呈比较规则的“双峰一谷”形态，波谷时间点相对比较固定，不同季节的地磁总场F数据变化幅度存在差异；地磁扰日，特别是磁暴发生时，地磁各分量出现明显突跳，多为无规则变化形态。日常观测中，主要受到高压直流输电、信号线长度过长和交流电线路并行及人为等干扰。

地磁FHD；连续性；完整性；日变化特征；干扰；

0 引言

随着我国地震科技水平的日益提高，地震观测逐步走向数字化。数字化地震观测具有大动态、高精度、稳定性强等特点，其产出的观测数据在地震分析预报中得到了广泛应用[1]。随着“九五”项目的实施，中国地震局开始了规范化的地磁观测，“十五”项目完成后，我国逐渐形成了大规模化的地磁观测台网。其中“九五”期间江苏省地震局设计研制出智能化分量质子磁力仪，即FHD质子磁力仪，具有数字化程度高及观测精度高等优点，目前较为先进的FHD-2B型质子磁力仪已在全国近百个台站投入观测。多年以来，国内外专家学者对地磁观测资料展开分析研究并取得了丰硕成果，本文选取2011—2015年山东省地磁FHD观测资料，从数据质量、数据变化形态、主要干扰等方面展开分析研究，这有助于更好地认识地磁场的变化特征，准确识别干扰及异常，从而提高地磁FHD观测资料质量，为识别地震前兆异常提供依据，同时期望为相关地磁台站提供一定的参考借鉴。

1 基本情况

“九五”及“十五”项目完成后，山东省陆续建立了7个地磁观测站，分别是泰安台、马陵山台、安丘台、菏泽台、陵阳台、大山台、济南台。台站分布相对密集和合理，主要集中在鲁中和鲁南地区，鲁北地区目前有大山一个台站。其中马陵山台、安丘台、陵阳台3个台站沿沂沭断裂带布设，泰安台地处莱芜弧形断裂，大山台地处埕宁隆起，菏泽台紧邻聊考断裂带，济南台西邻聊考断裂、东邻泰山山前断裂。各台站均无铁路、金属管线穿过测区，无产生工业游散电流和其它电磁信号的干扰源。地质条件、观测环境、局部场地都符合地磁仪器观测规范要求。

山东省地磁台站均开展地磁相对观测，仪器均采用江苏省地震局按照国家局“十五”规程设计研制的FHD-2B型质子磁力仪。该仪器用于地磁场相对观测，测量地磁总场F，水平分量H，磁偏角D，数据产出为1次/分钟，具有IP网络接口，可接入前兆服务器，完成数据自动采集，支持http和ftp访问功能，可直接通过IE浏览器访问和管理仪器。FHD-2B型质子磁力仪分辨率＜0.1nT；总场F精度＜0.3nT；水平分量H（或垂直分量Z）精度＜0.6nT；磁偏角D精度＜0.1'，测量范围：20000～70000nT。仪器产出的数据每天上报山东省地震局分析预报中心。

2 数据质量分析

2.1 资料的连续性、完整性

观测数据的连续性、完整性是地震预测研究对前兆观测数据最为基本的要求，也是衡量数据质量好坏的一个重要指标，通常用数据的连续率、完整率来表示。连续率统计的对象是原始数据，即由观测仪器直接产出且未经任何处理的数据。完整率统计的对象是预处理数据，即按照各学科要求经过处理后得到的数据。

连续率、完整率的计算公式如下：

根据公式（1）和（2），本文对2011—2015年山东省地磁FHD观测数据的连续率、完整率分别进行了计算统计（表1、表2）。从表1中可以看出，陵阳台因2013年仪器故障，导致平均连续率低于99.00%，其余各台5年平均连续率均达到99.55%以上，全部台站5年平均连续率为99.60%。可见，山东省地磁FHD观测资料保持了较高的数据连续性，说明各台仪器运行比较稳定，观测系统运转基本正常。

表1 山东省地磁FHD观测数据连续率（%）

从表2中可以看出，全部台站5年平均完整率为99.23%，完整率总体来说良好。泰安台完整率最高，5年平均完整率达到99.88%；菏泽台、陵阳台5年平均完整率分别为98.49%、97.99%，低于全省的平均水平，分析原因是台站业务人员预处理经验欠缺以及预处理尺度上存在偏差，导致观测数据完整率偏低。综上所述，山东省7个地磁FHD观测台站数据的连续性、完整性能够满足地震分析预报的数据使用要求。

表2 山东省地磁FHD观测数据完整率（%）

2.2 仪器背景噪声

绝大部分仪器精度受自然环境制约，仪器正常观测时，决定仪器性能好坏的确切指标并不是仪器本身的灵敏度或分辨率，而是仪器的背景噪声[2]。背景噪声是指仪器对磁场变化响应的灵敏程度，也是观测数据相对精度的反映，噪声小的数据相对精度高，反之就低。地磁台网中心的评比标准中包含仪器参考背景噪声指标，可通过它来衡量仪器性能的优良。背景噪声的具体计算方法如下：每月选定5个磁静日，计算F、Z、H、D各要素每日地方时00点—03点预处理数据的一阶差分值，排除占总数20%的极值点之后，取峰峰值δF、δZ、δH、δD，剔除5个峰峰值中的最大值，计算剩余4个峰峰值的平均值，即得到该要素的背景噪声SF、SZ、SH、SD。台网中心将各台站仪器背景噪声与台网参考背景噪声进行对比，从而计算出该仪器参考背景噪声的具体得分。在地磁FHD观测系列国家局年度资料评比中，仪器参考背景噪声满分计15分，本文对2011—2015年山东省地磁FHD观测仪器背景噪声得分情况进行了统计（表3）。从表3中可以看出，山东省地磁FHD观测站仪器背景噪声5年平均得分为14.333分，高于国家地磁FHD观测台网13.739的平均得分，在省级地磁台网处于中上水准，仪器背景噪声良好。其中泰安台仪器背景噪声最小，5年平均得分达到14.963分，其中2014—2015年已连续两年得到满分15分；安丘台、菏泽台在2013年通过缩短仪器信号线长度和规避交流电线路并行等措施，仪器背景噪声在2014—2015年得到明显改善，安丘台2014—2015年也连续两年得到满分15分，该项成功试验值得推广借鉴；郯城台因仪器老化导致背景噪声变大，得分偏低，建议更换仪器。

表3 山东省FHD-2B型质子磁力仪背景噪声得分情况（分）

2.3 相对差值分析

根据在局部区域（如100～200km范围内）地磁场具有时空变化规律一致性和相关性的特点，如果选择一个数据相对稳定可靠的台站作为参考台站进行相对差值分析，即可通过差值变化情况来判断台站观测仪器的数据是否可靠[3]。本文选取临近台站地磁FHD资料质量最好的红山台数据作为标准，用地磁数据处理软件对我省7个地磁FHD观测台站数据逐年进行相对差值检测发现，我省地磁FHD观测台站数据总体拟合程度较好，一致性较高，数据可靠，其中泰安台地磁FHD数据最为准确可靠，质量最高，该台2011—2015年连续五年有四年排名全国前二；其余台站部分时段数据因仪器自身原因及外界因素干扰，导致数据存在偏差，但整体数据也达到了优秀等级。图1为笔者对2012年泰安台与红山台日均值数据相对差值检测示图。

图1 泰安台与红山台地磁FHD相对差值图Fig.1 Geomagnetic FHD relative difference between Tai'an and Hongshan Seismic Station

3 数据变化形态

3.1 地磁静日变化形态

地磁静日变化Sq的研究历史较长，因其自身的复杂性以及非Sq变化干扰，其形态学特征及物理机制比较复杂[4]。地磁静日变化是地磁场变化的主要成分，只有充分且正确了解其基本形态和变化特征，才能解析有用信息。由于Sq有明显的季节变化特征，为了消除该变化的影响，根据劳埃德季节（Lloydseasons）对夏至点月份（5、6、7、8月）、冬至点月份（11、12、1、2月）、春秋分点月份（3、4、9、10月）的规定，笔者选取了泰安台2015年冬至点月份11月、夏至点月份6月、春秋分点月份4月的观测数据，选择每月K指数最小、磁场变化最为平静的5天数据，用时序叠加法计算得出该月平均Sq（图2）。由图2可以看出：（1）地磁静日变化平缓，曲线平滑，有比较规则的“双峰一谷”形态，波谷时间点相对比较固定，在地方时11：30左右出现；（2）根据平均Sq计算总场F变化幅度，可以发现，夏季谷值最低，日变幅最大，为48.8nT、冬季谷值最高，日变幅最小，为27.4nT、春秋季谷值居中，日变幅为34.2nT。即地磁静日总场F日变幅为夏季＞春秋季＞冬季。

图2 泰安台磁静日变化Fig.2 Geomagnetic daily quiet variation of Tai'an Seismic Station

上述地磁场的静日变化是地磁观测资料分析的基础，加强对地磁场静日变化的认识和分析，有助于提取与地震有关的异常信息。

3.2 地磁扰日变化形态

磁扰的出现常常是不同类型的磁扰彼此叠加在一起出现的，尤其是磁暴。当太阳表面活动旺盛，太阳表面的耀斑爆发辐射出的带电粒子（质子、电子）形成电流冲击地球磁场，引起电流层的变化，同时引起地球磁场的强度和方向发生急剧不规则变化，称为磁暴。磁暴具有全球同时发生的性质，按影响强度可划分为小磁暴、中级磁暴和大磁暴；按照形态变化可分为缓始磁暴和急始磁暴。山东省地磁台网每年记录到的磁扰和磁暴的次数很多，图3是安丘台地磁2015年3月17日记录到的磁暴分钟值曲线形态，该日K指数为3、6、6、6、6、6、6、6，总和达到45。从图中不难看出，磁暴发生时，各分量出现明显突跳，其特征是初动波动范围大且突跳尖锐，均是无规则变化形态。判断磁暴的发生可结合本台站地磁指K数来分析（其中K=4时为磁扰；K＞5时为磁暴）。

图3 安丘台磁扰日数据曲线Fig.3 The curves of the magnetic disturbance at Anqiu Seismic Station

4 主要干扰

4.1 高压直流输电

近年来，随着中国电网建设快速发展，高压直流输电技术因其具有输电损耗低和超远距离输电等特点，在“西电东送”工程中得到广泛应用。高压直流供电线路的布线方式为一来一回的双向线，可以利用大地作为回路输送电力。正常工作时，大部分电流从两条架空线路经过，方向相反，大小基本相等[5]，只有少部分不平衡电流入地（小于30A），此时产生的磁场相互抵消，对数千米外的地磁台站影响极小。高压直流供电线路一旦出现故障，可能出现很大的不平衡电流，对线路两侧的电磁观测台站造成严重干扰，已成为影响地震地磁观测的主要因素。宁东—山东±660千伏直流输电示范工程是世界第一个±660千伏电压等级的直流输电工程，起点在宁夏银川市灵武，终点在山东青岛[6]，几乎横贯山东境内。山东省除菏泽台外，其余6个地磁台站均受到此输电线路的干扰。该输电线路胶西换流站接地极位于山东安丘市景芝镇，距离安丘台较近，核查发现，安丘台为线路南侧受干扰最大的地磁观测台站。

北京时间2014年9月9日23时07分（对应世界时间为2014年9月9日15时07分），山东省地磁台网受到高压直流输电干扰，以安丘台地磁FHD为例分析，图4为数据预处理前后对比曲线，可见地磁四分量D、H、Z、F均受到宁东高压直流输电干扰，地磁总强度F和Z干扰明显，且Z分量干扰远大于水平分量H，大多数干扰对H分量和磁偏角无影响。

图4 安丘台高压直流输电干扰曲线Fig.4 The interference of high voltage direct current transmission for Anqiu Seismic Station

目前，该类干扰已可以通过恰当的方法预处理掉[7]。针对高压直流输电干扰，地震台站及上级主管部门可与电力部门沟通协调，尽量避免单向供电情况的出现，最大可能的减少高压直流输电对地磁观测的干扰。

4.2 信号线长度和交流电线路的影响

在地磁FHD观测系统中，探头到仪器主机之间信号线存在一定线阻和分布电容，如果信号线较长，则信号线中线阻和分布电容就较大，将对FHD仪选频特性产生一定影响，造成选频的中心频率偏移，同时降低探头的极化电流和质子旋进信号强度，从而降低测量信号信噪比，造成测量数据噪声增大[8]。同时，当有交流供电线路与信号线并行时，交流干扰信号会通过信号线耦合到仪器中，也会造成数据噪声增大。

安丘台、菏泽台在如何降低仪器噪声，提高观测精度方面做了诸多尝试。2013年6月，安丘台将FHD仪器主机移到强震动观测室内（原安装在办公楼仪器室内），信号线长度由100m缩短至40m左右，同时规避了各前兆仪器交流电线路与信号线并行的问题，数据噪声有了很大改善，图5为Z分量数据调整前后对比曲线，可以看出数据曲线线条变细，毛刺减少，精度得到显著提高。

图5 安丘台缩短信号线长度、规避交流电线路前后对比曲线Fig.5 Contrast curves before and after shorten the length of the signal line, avoiding the AC line for Anqiu Seismic Station

4.3 人为干扰

人为干扰指的是人类活动造成的记录干扰。调研分析发现，山东省地磁FHD观测的人为干扰主要来自台站项目施工建设和人在地磁观测室周围劳动的影响。2014年4月12日陵阳台极低频项目建设施工，大型挖掘机对后院进行整平时，距离地磁观测室约为70m，FHD观测数据出现大幅突跳以及台阶变化。施工机械距离地磁观测室越近，干扰越大。施工结束，干扰也随之消失（图6）；同时我们也发现人在地磁观测室周围劳动或者带着钥匙、手机进入时对观测数据也有一定影响。所以，为了保证地磁观测数据的准确、可靠，我们要尽量避免这种可控人为干扰的发生，尽量不要让有干扰的物体或人靠近地磁观测室，把这些干扰源控制在有效范围以外。

图6 陵阳台地磁FHD受机械施工干扰曲线Fig.6 Geomagnetic FHD curves interference by mechanical construction at Lingyang Seismic Station

5 结论

本文首先对山东省7个地磁FHD观测台站的概况进行了简单阐述，之后对2011—2015年各台的观测数据资料从连续性和完整性、仪器背景噪声、相对差值、数据变化形态和主要干扰等几个方面进行了分析和探讨。

（1）各台地磁FHD观测资料连续率、完整率较高，5年的平均连续率为99.60%，平均完整率为99.23%，综合而言，山东省地磁FHD观测数据保持了较好的连续性和完整性，能够满足分析预报的数据使用要求。

（2）仪器背景噪声方面，整体在全国省级地磁台网处于中上水准，仪器背景噪声良好。具体来看，泰安台仪器背景噪声最小，安丘台、荷泽台通过缩短信号线长度和规避交流电线路并行等措施，仪器背景噪声得到明显改善，该项成功试验值得推广借鉴，郯城台因仪器老化背景噪声最大。通过多台相对差值检测发现我省地磁FHD台站数据总体拟合程度较好，一致性较高，数据可靠，可为地震分析预报提供可靠的数据支持。

（3）数据变化形态方面，地磁静日变化平缓，曲线平滑，呈比较规则的“双峰一谷”形态，波谷时间点相对比较固定，劳埃德季节不同季节的地磁总场F数据变化幅度存在差异；地磁扰日，特别是磁暴发生时，各分量出现明显的突跳，多为无规则变化形态。

（4）在日常观测中，山东省地磁FHD观测主要受到了高压直流输电，信号线长度过长和交流电线路并行及人为等干扰。加强部门之间的沟通协调，可以有效减少高压直流输电对地磁观测的干扰。同时，地磁观测中的干扰识别分析和排查，是一个不断探索和经验积累的过程，准确识别并及时排除各类干扰，对获得真实数据，提取有用的地震前兆地磁信息有很大的帮助。

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Abstract:Introducing the basic situation of geomagnetic FHD observation in Shandong Province, we selected the observation data by each station from 2011 to 2015 and analyzed the data's continuity， integrity，instrument background noise，relative difference，data change pattern and the its main interferences.The results showed that the geomagnetic FHD observation data kept high continuity and integrity and met the requirement of the analysis and forecast. Instrumental background noise aspect，on the whole，is in the middle and upper level in the provincial geomagnetic network in China. The instrument background noise is good. Through multiple sets of relative difference testing，we found that the overall fitting degree of geomagnetic FHD data in our province is better，high consistency，data is reliable，which can provide reliable data support for earthquake prediction research. on the data change aspect，The geomagnetic quiet day changes smoothly, and the curve is smooth，presenting a comparison of the rules of the "doublepeak and one valley" form，valley relatively fixed point in time. The geomagnetic fieldFdata changes are different in different seasons. In the geomagnetic disturbed days，especially during a geomagnetic storm，geomagnetic components appear obvious jump，more irregular shape changes. Daily observation, mainly interfered by the high voltage DC transmission，the signal line length is too long and the AC lineparallel and humen.

Key words：Shandong geomagnetic FHD；continuity; integrity; diurnal variation characteristics; interference

Preliminary Analysis of Geomagnetic FHD Observation Data in Shandong Province

CHI Guo-min1, ZHAO Yin-gang1, DONG Xiao-na2, LIN Xiu-na3
( 1. Anqiu Seismic Station, Shandong Anqiu 262100, China;2. Earthquake Administration of Shandong Province, Shandong Jinan 250014, China;3. Tai，an Fiducial Seismic Station, Shandong Tai，an 271000, China)

P315.63

A

10.13693/j.cnki.cn21-1573.2017.03.011

1674-8565（2017）03-0061-07

2017-01-05

2017-05-16

池国民（1987-），男，山东省诸城市人，本科，助理工程师，现主要从事电磁前兆观测和地震仪器维护管理方面的工作。