邵武台FHD-2B磁力仪性能综合分析经验点滴＊

林苗禄 方传极梁 凯赖见深

1)福州地震监测中心站，福建福州 350000

2)南平地震监测中心站，福建南平 353000

3)漳州地震监测中心站，福建漳州 363000

引言

地震前地球磁场存在前兆异常信息，为地震观测资料的分析与预报提供了理论依据和方法指南[1]。“九五” 期间我国研制出观测地球磁场的专用仪器FHD分量质子磁力仪， “十五” 期间升级为FHD-2B并延用至今。采集地震信息是一个漫长、连续的过程，而孕震过程引起的电磁前兆非常微弱，所以观测系统和数据是否稳定可靠关系到地震前兆异常信息的捕捉[2]。

1 台站和仪器概况

邵武地震台始建于1979年，台址处于邵武—河源断裂带上，2008年安装了FHD-2B型质子矢量磁力仪并投入使用。FHD-2B质子矢量磁力仪测量系统由质子磁力仪、分量线圈、供电系统以及通信线路构成，分量线圈安装在占地50 m2的FHD观测室内，主机安装在距离观测室50 m外的监测楼内。2018年11月更换FHD-2B主机，主机安装在观测室内。2009、2010、2018、2020和2021年FHD仪器观测运行率不高，主要原因是遭雷击、仪器自身故障、仪器部分器件老化和市电频繁停电所致，其他年份运行率均保持在98%以上。通过逐年防雷改造、更换FHD主机、配备柴油发电机与更新UPS电源等技术改造，仪器观测运行率得到一定程度的提高。

FHD-2B磁力仪观测至今，地磁场总场F、水平分量H、垂直分量Z数据基本正常，磁偏角D分量数据不稳定。F、Z值呈上升趋势，D、H值呈下降趋势，变化规律符合各分量间的物理关系。从台站地磁数据分析判断，未见明显的震磁异常。邵武台F、H、Z三分量与漳州、龙岩、永安、泉州4个台站地磁场观测分量对比，表现出同步变化规律，有较好的一致性。

2 干扰因素分析

FHD-2B分量质子磁力仪原始数据预处理时，须熟练区分人为干扰、观测系统故障干扰、交流电磁干扰、高压直流输电干扰、空间天气干扰和市电停电干扰对观测数据造成的影响，才能正确预处理数据，对干扰给予准确的物理解释，产出合格优质的观测数据[3]。

2.1 人为干扰

人为干扰是指在观测室周围带有铁磁性物件的人为活动，在观测数据中表现为多分量短时大幅度的突跳和台阶。2012年1月10日10:12一台推土机在地磁观测室附近施工，数据出现明显的尖峰突跳和台阶，H分量最大变幅46.5 nT，D分量最大变幅3.14 min，F分量最大变幅63.5 nT。10:34施工结束后，推土机驶离场地，数据即刻恢复正常（图1）。人为干扰属于偶然性干扰，发生的频度不高，可设立地磁观测环境有效保护区或人工预处理予以消除。

2.2 观测系统故障干扰

FHD-2B分量质子磁力仪由电源、单片机测控系统、网络通信工控机系统和探头组成。仪器一旦出现故障将极大影响观测数据的质量，邵武台FHD-2B磁力仪经常遇到的故障有： ① 仪器主机与分量线圈接口有干扰易产生错误数据； ② 工控机PC104故障造成无法收数，回传数据突跳或出现台阶； ③ 传感器（探头）故障易产生错误数据； ④ 主机电源或CF卡故障造成缺数； ⑤ 仪器参数配置出错产生错误数据； ⑥ 线圈角度偏差产生错误数据等。2011年4月23日8时观测员处理数据时发现前一天数据是错误数据，通过排查发现，主机与线圈接头松动有虚焊情况引起了传送错误数据，维修焊接后数据恢复正常。2017年8月21日，观测线圈角度出现偏差，造成D分量数据紊乱，其他分量正常。校正线圈角度后，仪器恢复正常，对观测数据进行预处理，删除错误数据，曲线恢复正常形态（图2）。

图1 邵武台FHD-2B质子磁力仪2012-01-10日原始分钟值曲线Fig.1 Original minute valueof FHD-2B proton magnetometer in Shaowu seismic station on January 10，2012

2.3 交流电磁干扰

交流电磁干扰是观测系统受到周边交流供电磁场影响，引起数据曲线毛刺增多、线条变粗、噪声变大。2013年7月2日观测数据因叠加了交流电磁干扰，使数据曲线变粗。通过强弱电线路分开布线、整理机柜线路、配备无磁性机柜和UPS电源等有效措施，7月10日后数据曲线变得平滑流畅（图3）。

2.4 高压直流输电干扰

图2 邵武台FHD-2B质子磁力仪2017-08-21日D分量原始和预处理分钟值曲线Fig.2 D component original and preprocessed minute value of FHD-2B proton magnetometer in Shaowu seismic station on August 21，2017

图3 邵武台FHD-2B质子磁力仪2013-07-02（a)和2013-07-10（b）原始分钟值曲线Fig.3 Original minute valueof FHD-2Bproton magnetometer in Shaowu seismic station on July 2 and 10，2013

高压直流输电因节能、经济、高效，在超远距离输电中得到广泛应用，但传输线路出现故障或改变输送电流时，会对线路两侧的台站电磁仪器观测造成严重干扰[4]。邵武台FHD-2B磁力仪从2014年11月开始，受 “溪—浙线” ±800 kV特高压直流输电工程线路的影响，Z分量和F分量数据受干扰十分明显，H分量和磁偏角D分量基本无影响。日常工作中对地磁资料进行预处理时，需要登录“地磁台网高压直流输电判别处理系统” 查询高压直流干扰的相关数据，对比省内同受 “溪—浙线” 影响的永安台数据，以便精确地进行地磁数据预处理。以2014年11月3日为例，00:59 Z分量数据出现向下台阶，台阶幅度6.5 nT，缓变持续时间18 min；01:18数据出现向上台阶，台阶幅度-6.5 n T，缓变持续时间7 min；01:26数据又出现向下台阶，台阶幅度5.9 nT，缓变持续时间8 min；01:35数据再次出现向上台阶，台阶幅度-5.9 nT，之后数据曲线恢复正常的日变化（图4）。

图4 邵武台FHD-2B质子磁力仪2014-11-03日原始分钟值曲线Fig.4 Original minute value of FHD-2B proton magnetometer in Shaowu seismic station on November 3，2014

2.5 空间天气干扰

太阳表面活动异常活跃时，会引起全球磁场的剧烈扰动，称之为磁暴或空间的短时地磁振动现象，造成地球磁各分量都出现剧烈变化，其中水平分量H变化尤为显著。急始突跳后水平分量H曲线会出现上升的主相和向下的初相，随后进入缓慢恢复的恢复相，磁暴影响数据将持续几十个小时才能恢复正常。2021年5月12日06:40台站FHD-2B记录到一次急始型磁暴SC，急始变幅D=1.68 min，H=40.1 nT，Z=1.9 nT，F=30.1 nT，最大扰动K指数为7，最大扰动幅度D=4.82 min，H=157.6 nT，Z=22.6 nT，F=111.4 nT，磁暴影响至当日16:33结束（图5）。

图5 邵武台FHD-2B质子磁力仪2021-05-12日原始分钟值曲线Fig.5 Original minute value of FHD-2B proton magnetometer in Shaowu seismic station on May 12，2021

2.6 市电停电发电机干扰

邵武台FHD-2B仪器运行采取市电接入UPS电源供电方式，并配有一台备用发电机，确保观测资料产出的连续率。2015年7月23日，邵武城郊镇片区外线交流供电出现故障，造成台站及周边村庄住宅区从当日7:45时—24日15:55市电停电，断电时长30多个小时。7:45—12:19仪器采用UPS供电，12:20—次日15:55启用发电机供电，24日15:56恢复市电供电。市电断电后仪器采用UPS时，曲线正常；启用发电机供电后，因交流电干扰影响，使得数据噪声偏大，曲线毛刺明显；市电恢复供电后，数据曲线逐渐恢复正常（图6）。

图6 邵武台FHD-2B质子磁力仪2015-07-22—24日预处理分钟值曲线（格林尼治时间）Fig.6 Pretreatment minutevalue of FHD-2B proton magnetometer in Shaowu seismic station from July 22 to 24，2015（GMT）

3 噪声分析

根据国家地磁台网中心质量分析报告中台网参考背景噪声统计月报，邵武台FHD-2B四个分量中Z分量背景噪声最大，超过1 nT，其余三个分量大都在1 nT以下。邵武台FHD-2B数据产生背景噪声的因素有： ① 由于农村电网供电电压不稳定，外接入的交流供电对地磁观测干扰，尤其对Z分量影响大； ② 高压直流传输线路对地磁观测干扰，由于受 “溪—浙线” 高压直流传输影响，Z分量易出现台阶干扰； ③ 远程重启主机回传数据易造成数据突跳或出现台阶干扰； ④ 外界市电停电频次较多，采用发电机发电，一定程度上也会影响数据噪声水平； ⑤ 信号传输线过长，易引入扰动噪声； ⑥ 仪器老化故障或参数配置有误； ⑦ 其他仪器与地磁仪器集成一起易产生相互干扰； ⑧ 强弱电未能严格分隔开足够距离。

我们选取2017年全国地磁观测数据，根据国家地磁台网中心质量分析报告中台网参考背景噪声统计月报，得出江苏新沂台、福建漳州台、福建龙岩台、福建永安台和邵武台5个台站FHD-2B磁力仪运行期间统计背景噪声值（表1）。邵武台FHD-2B磁力仪的背景噪声数值与省内其他3个台站FHD-2B磁力仪相近，但与江苏新沂台有较大的差距，背景噪声数值越小，观测数据质量越好。

表1 2017年5个台站FHD-2B质子磁力仪背景噪声年平均值统计表Table 1 Statistical table of annual average value of FHD-2B background noise at five seismic stationsin 2017

在FHD-2B仪器观测系统中，连接线圈探头和主机的数据传输线过长，易引入线路分布电容和分布电阻参数，也容易遭受交流电磁耦合干扰影响，造成数据噪声增大[5]。早期，邵武台FHD-2B的分量线圈安装在观测室内，而主机安装在50 m外的监测楼内，使得信号传输线长近100 m。2018年11月11日因仪器老化，更换主机。为降低数据噪声，新主机安装在观测室内，使得信号传输线缩短至20 m内，降低了传输线分布参数对观测数据的影响。2018年7月25日观测数据曲线毛刺多，数据质量差；11月11日观测数据曲线变得光滑，毛刺变少，数据噪声有了很大改善，观测精度得到显著提高（图7）。

图7 邵武台FHD-2B质子磁力仪2018-07-25（a）和2018-11-11（b）原始分钟值曲线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 地磁观测场地梯度测量

2018年9月25日，对邵武台FHD-2B观测室周围开展场地磁场梯度测量，根据观测区地形地貌，按照5 m一个测点间距布设测网。使用测量仪器GSM-19W OVERHAUSER磁力仪，探头高度120 cm。测量结果表明，场地磁场梯度较好，大多数区域磁场梯度在1—5 nT/m左右，虽然比刚建台站时数据略偏大，但仍符合规范对地磁区域台的要求。不过，矢量仪观测室探头房间的东侧空地有防雷地网使用了角钢、扁钢接地，导致地网附近区域磁场梯度增大，达到20 nT/m左右，超出规范要求。建议台站地磁观测区域的防雷地网，应改用铜带、铜筋与铜制构件建设地网，避免对观测区磁场梯度的影响。

5 结束语

邵武台FHD-2B地磁室观测环境、场地条件较好，周围无明显干扰源，观测环境也未曾遭到破坏，观测数据总体稳定，与省内其他4个地磁台数据有较好的一致性。通过更换升级主机和缩短信号传输线长度，极大的降低了信噪比。在日常观测中，做好仪器维护，及时维修排除故障，定期更换UPS蓄电池，实时跟踪仪器参数变化及时调整，识别干扰类型，落实干扰异常，FHD-2B的观测质量将会得到进一步提升。