崇明地震台ELF观测数据受地铁干扰情况分析

施俊杰，龚 耀，朱培育，朱佳苗，赵俊香，魏 薇，戴乐翔

(上海市地震局崇明地震台，上海 202164)

0 引言

20世纪90年代末开始，我国开展了基于大功率人工源超低频、极低频技术的研究，在地震监测领域也逐步应用。“十五”期间，中国地震局地质研究所在全国安装12套超低频电磁观测仪器(ELF)，总体运行良好。多年的研究中，专家学者在天然电磁波的各个频段，特别是极低频段观测到了地震前大量的电磁异常现象[1-3]，表明震前存在同震电磁效应。

崇明台ELF电磁观测从2008年至今，已积累大量的观测数据，为准确判断震前异常，文章探究上海市地铁运行是否会对观测数据造成影响。

1 观测系统概况

2008年，中国地震局地质研究所在崇明长江农场综合台(以下简称长江台)安装架设ELF电磁观测仪器(俄罗斯生产的ACF-4M型)，观测四分量的电磁场信号，分别是二分量水平电场(正东西Ex和正南北Ey)和二分量的磁场(正东西Hx和正南北Hy)。电场传感器(电极)和磁场传感器埋入地下，连接线采用埋地(50 cm深度)。前置器放大器增益为1，与正南北、正东西45°交角布设，进行四道电磁场监测，观测相互垂直的水平磁场和电场，频率范围为0.1～1 600 Hz，布设参数如表1所示。

观测点位置在崇明岛的中北部，离上海市区较近，在33 km范围内有6条地铁线路运行，运行时段为04:30—23:45。

表1 崇明台ELF仪器布设参数Table 1 Layout parameters of ELF instrumentin Chongming station

2 观测数据的选取

ELF观测仪采样率达3 200 Hz,数据量大，采用非24小时连续观测方式。崇明台ELF仪的观测时段为00:00—05:30和10:00—15:30。对照上海地铁运行时间表可知，第一观测时段04:30之前处于地铁停运时段，不存在地铁干扰；第二时段则完全处于地铁运行时段，可能存在地铁干扰。如果两者重合时段时的观测数据每天都存在固定的差异，则判定ELF记录中存在地铁干扰。

选取2011年1月1日至2012年12月31日可能存在地铁干扰(10:00—15:30时间段)的一组数据B，和无地铁干扰的(00:00—03:30时间段)两组数据A和C，通过三组数据的不同对比组合来研究地铁的影响情况。基本思路如下，C和A两组无干扰时信号的比值CA作为参考值，B和A的比值BA反映地铁运行时段和停运时段的情况。如果BA和CA基本相同，则表明仪器不受地铁干扰；反之，则认为仪器的记录数据包含地铁干扰成分。

3 数据的处理

从原始数据的时序图无法直接观察出两个时段数据的差异，而功率谱可以较好地反映出信号的特征。

图1是ELF观测仪记录0～1 600 Hz的功率谱图，由图可见，以50 Hz倍频为中心的所有频段的谱值，都远大于其他频段的谱值。依据我国工频为50 Hz的情况判断，这些较大的谱值均是工频干扰的结果。为避免工频带来的干扰，结合已有的研究成果显示地铁干扰主要集中在较低频段的情况，以下的对比分析只采用0～40 Hz的谱值。

4 观测资料对比结果分析

4.1 磁场数据对比分析

经上述数据处理得到图2和第15页图3，图2为ELF磁场数据无地铁干扰时段的C和A两组功率谱值的比值对数值结果图，图3为可能存在地铁干扰时段B和无干扰时段A两组功率谱值的比值对数值结果图。图中H1表示NS向磁场功率谱，H2表示EW向磁场功率谱。从图2看出C和A比值的对数值主要集中在1附近。

图1 ELF观测数据功率谱图Fig.1 ELF observation data power spectrum

对比图2和图3，两组比值的对数值大了近两个数量级。图3中，H1(NS方向)的值多数在100以上，H2(EW方向)的值基本在70左右。据此判断，地铁对ELF的磁场观测会产生干扰。对比NS和EW两个方向，NS方向的值总体上大于EW方向，这一结果符合赵俊香等[4]在地电受地铁干扰情况分析中得出的观测方向与干扰来源方向一致的受干扰程度大，垂直的受干扰程度小的结论。无论NS还是EW方向，在0.1～4 Hz间的值都较其他频段的明显偏大，多数达到了1 000甚至更高，这说明地铁可能对地磁场数据的低频段影响更大，但也可能是磁场日变造成的影响，具体情况还有待进一步研究。另外，在此频段内有部分频点的值接近1，又表明不是每个频点都会受到地铁运行干扰。

4.2 电场数据对比分析

第15页图4为ELF电场数据无地铁干扰时段C和A功率谱比值对数值结果图，图5为有干扰时段B和无干扰时段A的功率谱比值对数值结果图。图中，E1表示EW向电场功率谱，E2表示NS向电场功率谱。从图中看出，两幅图的比值均集中在1附近，说明无明显的地铁干扰。

图2 崇明台ELF观测磁场在无干扰时数据H1、H2功率谱比值Fig.2 The ratio of the power spectrum of H1 and H2 of the ELF observed magnetic field without interference in Chongming station

图3 崇明台ELF观测磁场在有干扰时数据H1、H2功率谱比值Fig.3 The ratio of the power spectrum of H1 and H2 of the ELF observed magnetic field with interference in Chongming station

图4 崇明台ELF观测电场在无干扰时数据E1、E2功率谱比值Fig.4 The ratio of the power spectrum of E1 and E2 of the ELF observed electric field without interference in Chongming station

图5 崇明台ELF观测电场在有干扰时数据E1、E2功率谱比值Fig.5 The ratio of the power spectrum of E1 and E2 of the ELF observed electric field with interference in Chongming station

5 结论

根据上述研究，得到如下结论：

(1) 城市轨道交通对崇明台ELF观测的磁场数据有较大干扰，对电场数据未见明显干扰。

(2) 上海市地铁线路均在崇明台东南方向，崇明台磁场NS方向的干扰大于EW方向，说明磁场与干扰来源方向存在相关性，即平行方向干扰较大，垂直方向干扰小。

(3) 城市轨道交通对ELF观测磁场低频段的干扰可能更大，但该干扰是否还包含其他干扰源，有待进一步的研究。

[1] 毛桐恩.中国震前电磁波观测与研究[J].地球物理学报，1989，32(专辑Ⅰ)：500-504.

[2] 郭自强.地震低频电磁辐射研究[J].地球物理学报，1994，37(专辑Ⅰ)：261-267.

[3] 赵国泽，陆建勋.利用人工源超低频电磁波监测地震的试验与分析[J].中国工程科学，2003(10):27-32.

[4] 赵俊香,朱培育,毕 波,等.崇明地电场地铁干扰分析[J]. 地震地磁观测与研究,2016(2):124-129.