安徽区域台网电磁学科数据跟踪分析

王燚坤，叶 青，陈 俊，李军辉，裴红云，郑海刚

（1.安徽省地震局, 合肥 230031；2.中国地震台网中心, 北京 100045）

0 引言

地震前兆观测数据是地球物理台网的核心产品，也是开展地震预测和研究的重要基础[1]。开展数据跟踪分析是对前兆数据的初步挖掘，根据数据变化及所属类型，以事件为单位，分析记录各类事件并记入数据库保存[2]，其中有用的观测事件记录为地震预测和科学研究人员提供了更高层次的服务产品，从而减轻海量数据分析工作的强度[3]。随着信息库分析事件的不断补充、积累，信息量的不断增加，地震前兆数据跟踪分析产品库将成为一种趋于大数据分析的基础信息库[4]。数据跟踪分析工作在全国开展以来，各区域地球物理台网基于数据跟踪分析产品库，深入挖掘分析台网干扰事件特征，在异常变化识别与判定、改善跟踪分析质量、台站观测数据背景噪声评估以及合理的台网规划等方面进行了深入研究[5-6]，为进一步提升前兆台网整体运行质量与服务效能奠定基础。

安徽区域地球物理台网作为试点单位于2012 年6 月开启前兆数据跟踪分析工作，至今已取得大量以周、月和年为时间周期的跟踪分析产品。本文以数据跟踪分析产品库中电磁观测干扰事件作为研究对象，通过发掘典型干扰实例、解析干扰因素的成因及动态变化特征，客观反映前兆电磁测网的观测效能和制约因素，根据干扰成因、观测经验总结问题并提出建议，为提高安徽电磁测网资料质量、数据分析与应用服务提供技术支持。

1 安徽电磁测网观测与产出概况

安徽电磁测网历经模拟观测、“九五”、“十五”、“背景场”建设等项目改造，已初具规模，有9 个电磁观测点，其中地磁观测有蒙城、金寨、泾县、蚌埠4 个测点，集中在皖南、皖北地区，干扰源少，观测装置及环境符合电磁观测规范技术要求[7]；地磁观测分为相对和绝对观测2 种，使用的观测仪器有：GM-4 和FGM-01 磁通门磁力仪、FHD-2 质子矢量磁力仪、G856 质子旋进式磁力仪，产出分钟值和秒钟值数据。地电观测有蒙城、大蜀山、嘉山、合肥形变、黄山、安庆6 个测点，包含地电阻率和地电场测项，其中大蜀山、黄山测点分别由于城市轨道交通和工程施工干扰导致观测环境遭到破坏，其他测点观测条件较为稳定；外线路均统一采用绝缘线架空方式，供电极距在600～1 000 m，测量极距在200～250 m，使用的观测仪器为ZD8M 地电仪、ZD9A-Ⅱ地电场仪，分别产出小时值和分钟值数据。安徽电磁测网站点分布相对均匀，最大间距约153 km，最小间距约31 km，电磁观测点分布见图1。测点主要位于地震构造带附近，包括郯庐断裂带、华北断块、秦岭-大别山断褶带和扬子断块，有利于捕获地质构造变化产生的信号。在1999 年利辛MS4.9、2005 年九江MS5.7、2011 年安庆MS4.8等地震前记录到了显著的异常变化[8]，对安徽地区及郯庐断裂带中南段的震情监视起到重要作用。

图1 安徽省电磁测点及断层分布图Fig.1 Distribution Map of electromagnetic measuring points and fault in Anhui province

2014 年1 月—2021 年12 月，安徽区域电磁测网9 个测点15 套仪器产出数据跟踪分析记录事件（不含正常事件）共计1 263 条。数据跟踪分析根据前兆观测数据的变化特征与演变规律，将事件记录分为7 大类，即：正常演变背景、观测系统故障、自然环境干扰、场地环境干扰、人为干扰、地球物理事件和不明原因变化。其中，正常事件记录是分析观测数据变化规律的基准，表明观测数据特征符合理论预期或长期变化趋势。后6 类非正常动态中前5 类是对数据变化原因进行干扰排查，不明原因类数据变化主要为疑似故障或干扰。经统计，安徽区域电磁测网中自然环境干扰占所有事件的比例最高（图2），为36%，主要由降雨、雷电等引起；场地环境干扰较为突出，占比25%，主要为高压输电线、设备漏电、工程施工、城市轨道交通干扰等，随着监测站周边经济快速发展，观测环境遭到破坏，场地干扰记录事件自2016年起逐年增多，严重影响数据内在质量；观测系统事件占所有事件的12%，2017 年以来随着观测仪器升级和线路优化改造，观测系统故障事件也随之减少，数据运行率有所提升；人为干扰和不明原因干扰事件较少，各占4%和1%；地球物理类事件较多，占比22%，可见，安徽前兆电磁测网监测效能良好，各类仪器均可清晰地记录到地球物理类事件（包括磁扰、磁暴、地电暴等）。

图2 数据跟踪分析记录干扰事件类型比例Fig.2 The proportion of interference event types of data tracking analysis records

从学科角度分析可知，地磁类仪器运行良好，主要受观测系统故障和人为干扰影响，主机死机、数采故障、供电系统故障多为短时影响，人为干扰主要是由于仪器标定和检修造成；地磁观测不受自然环境影响，且地磁相对观测记录磁暴清晰精准。地电类仪器受观测系统故障、自然环境、场地环境干扰制约较大，观测系统故障主要有外线路漏电、主机故障、UPS 供电故障；自然环境干扰很普遍，全省的地电阻率和地电场观测对降雨均有一定响应；场地环境干扰尤为严重，大多数仪器记录到不同程度的场地环境事件，甚至个别测点场地环境长期不正常，对数据连续率和观测精度造成显著影响。

2 典型干扰事件

筛选安徽区域台网电磁学科6 类典型干扰事件加以剖析，以了解电磁测网运行情况与观测背景变化态势。

2.1 观测系统故障

观测系统故障记录反映了由于观测系统的故障状态引起的观测数据偏离；曲线形态主要表现为缺数和错误数据（阶变、突跳、粗差）。观测系统故障包括：传感器故障、主机故障、数采故障、线路故障、UPS 供电故障、避雷系统故障、供电系统故障、观测装置故障等。典型事件如下：

1）2018 年2 月27 日15:00 至3 月2 日13:00，嘉山台ZD8M 地电仪EW 向地电阻率、自然电位观测出现间断性缺数，期间有大幅度突跳和粗差数据（图3a）。经排查发现EW 向东端测量电极的观测室引线处，接地电阻测试结果不合格；测试人工电位差有不稳定、漂移现象，初步判断EW 向外线路测量线故障。检查地电外线路漏电绝缘等情况，发现EW 向测量线存在短路现象，换线处理后数据恢复正常。

图3 观测系统类事件示例Fig.3 Observation system type event example

2）2017 年4 月20 日16:34 至28 日10:52，泾县台FGM-01 磁通门磁力仪主机死机导致垂直分量Z、水平分量H、 磁偏角D间断性缺数(图3b)，经检查发现主机SD 卡损坏，更换仪器SD 卡后，观测数据恢复正常。

2.2 自然环境干扰

自然环境类干扰事件指与自然环境相关的，引起观测数据出现短时波动、高频扰动、趋势性上升或下降的变化，包括由风、雨、雷、电、温湿度、测区地下水位等与大自然相关的干扰产生的数据变化。安徽区域台网现有的电磁学科观测受自然环境影响不显著，仅在强雷暴天气时表现为不规律的尖峰干扰形态。地电阻率、地电场观测受自然环境干扰影响较大，其中降雨作为自然环境干扰的主要类型，在安徽省地电观测中最为普遍，各测点在降水后呈现的数据变化形态、幅度各不相同。降雨后地表导电性增强，原有电力线分布或走向发生改变，从而引起地电阻率观测值发生变化[9]。这种变化与降雨量大小、降雨时间长短、场地高差等因素密切相关。强降雨后地表有极薄的一层饱水层，使表层地电阻率迅速下降，甚至数小时内较快的下降变化，少数台站降雨过程伴随雷电时还会导致数据出现台阶变化；连续数日降雨时，对地电阻率的影响表现为趋势下降变化，两者还存在一定的滞后效应，雨水逐渐下渗、流失、蒸发等，使得受雨水影响的深度逐渐增加，而水的饱和程度逐渐减小并最终恢复到原来的状态，表层地电阻率随之缓慢恢复。例如：2016 年7 月1 日合肥形变台NS 向地电阻率受暴雨（降雨量为98 mm）影响出现快速下降，2-7 日连续降雨，NS、EW 向地电阻率呈趋势性下降变化，8 日降雨结束后观测数据开始缓慢回升（图4a）。降雨对地电场观测的影响主要是集中强降雨造成了布极区表层土壤含水量明显增加，地下介质中的电离子加速运动，从而引起地电场的变化[9]，其干扰形态表现为3 种，第1 种是快速上升或下降变化，达到高值或低值后，逐渐恢复到降雨前变化范围；第2 种是阶变，暴雨引起数据出现台阶变化，此外有雷阵雨时个别测道会出现台阶，可能由于雷电给电极充电所导致。第3 种是数据出现高频毛刺的连续动态变化，降雨结束后恢复原形态。例如：2018 年7 月5—6 日有强降雨，期间嘉山台ZD9A-Ⅱ地电场观测数据毛刺增多（图4b）。

图4 降雨干扰事件示例Fig.4 Examples of rainfall disturbance events

2.3 场地环境干扰

随着社会经济的发展，台站周围电磁干扰的日益增多，大多数仪器记录到不同程度的场地环境事件。地磁观测场地环境干扰事件记录较少，主要为高压直流输电、车辆运行等干扰；地电观测受场地环境干扰显著，甚至个别测点场地环境长期不正常，一定程度上影响观测数据的运行率和内在精度。归纳安徽区域地电观测的环境影响因素，主要受高压直流输电、城市轨道交通（地铁）、设备漏电、场地施工、地下金属管线敷设等干扰，观测曲线的影响形态主要表现为突跳、阶变、上升或下降等变化。

典型事件如下：

1）蒙城台、嘉山台地电场ZD9A-Ⅱ观测受锡泰线、晋南线高压直流输电线路干扰显著，当高压直流输电线路进行调试或产生故障时，双直流线路中间将产生较大电流差，需要通过接地极进行补偿，此时双直流供电就类似于单极大地回线方式，在沿线上产生附加磁场、电场，对线路两边及接地极一定范围内的地电场观测产生影响[10-11]。锡泰线、晋南线高压输电线距蒙城台分别为300 km、100 km，距嘉山台均为250 km，对其造成了非连续性的间断干扰，2 个台站的数据干扰变化形态具有同步性，呈现频繁波动、台阶变化形态。例如2017 年9 月22 日00:38—20:02 蒙城台和嘉山台地电场数据受锡泰线高压输电线故障干扰，同步出现大幅度上升、下降变化，蒙城台数据变化幅度在12.86～52.04 mV/km；嘉山台数据变化幅度在51.44～141.53 mV/km（图5a）。2018 年6 月15 日15:30—19:35 蒙城台和嘉山台地电场观测数据呈“方波”形态变化，蒙城台数据变化幅度在21.68～109.40 mV/km；嘉山台数据变化幅度在88.95～206.79 mV/km（图5b）。对比地磁同期数据后确认是晋南线高压直流输电线干扰导致，干扰结束后数据随之恢复正常。

图5 高压直流输电线干扰示例Fig.5 Examples of HVDC transmission line disturbance events

2）大蜀山台和合肥形变台受合肥市城市轨道交通(地铁)干扰影响，背景噪声显著增大。因地铁机车运行时铁轨与地不可能做到绝对的绝缘，会有电流泄漏现象，将会在漏电点及其周围产生附加电场，这部分电场将干扰带到其附近的电磁观测台站从而造成影响[12]。大蜀山台距地铁1 号和2 号线直线距离分别为10.70 km、0.83 km，合肥形变台距地铁1 号和2 号线直线距离为25.10 km、19.20 km。

自2016 年9 月合肥市地铁1 号线运行后，大蜀山台三方向地电阻率毛刺增多，NS 向突跳变化幅度在0.73 %～1.89 %、NE 向在0.68 %～2.07 %、NW向在0.55 %～1.68 %；合肥形变台NS 向突跳变化幅度在0.40 %～0.97 %，其EW 向数据受地铁干扰影响不显著。自2017 年5—9 月合肥市地铁2 号线加密测试运行后，该台地电阻率三方向数据呈现高频次突跳，2018 年1 月正式运行后数据持续大幅度突跳变化，较正常背景值变化幅度高达2 %～6 %；合肥形变台NS 向观测噪声在地铁2 号线运行后无明显增大现象，但其EW 向突跳、毛刺显著增多，幅度达0.37 %～0.68 %（图6）。

3）测区内或附近使用大功率用电设备时接地漏电，地电观测数据会出现阶跃性变化，变化幅度根据漏电电位与距离的不同而不同[13]。例如2017年9 月30 日3:00 安庆 台ZD8M 地电仪EW 向地电阻率数据出现大幅度阶跃式下降变化，幅度达到52.3 Ω·m，相对变化量为16.3%，自然电位差则上升了143.9 mV；其NS 向数据未发生变化。经排查测区环境，初步判断该方向东端测量电极约50 m处变压器有漏电现象；10 月10 日3:00 将变压器断电，数据立即恢复正常，重新开启变压器工作时，观测数据再次出现台阶，22 日变压器经维修改造后，EW向观测数据随之恢复正常。2018 年6 月4 日15:00安庆台NS、EW 向地电阻率数据再次出现阶跃式下降形态的变化，幅度分别达到0.80 Ω·m、4.54 Ω·m。经现场核实调查，发现测区内安装了路灯电路，该路灯线路横穿EW 向测量极，距离M3 电极最近距离50 m，距离N3 电极130 m，路灯安装路段总长约1 600 m，路灯杆间距30 m，沿道路两边安装，道路宽度约25 m；道路与NS 向测线接近平行，距离M1 电极约200 m，经过仔细排查，发现该路灯除正常供电线路外，还安装有等电位联接段子线，将整个路灯杆连接为一个整体并接地，这样在测区内形成一个多点接地的导体，引起测区电性结构改变，造成地电阻率阶变下降。2018 年6 月24 日17:00 解除路灯接地后数据恢复正常（图7）。

图7 测区漏电干扰事件示例Fig.7 Examples of electric leakage disturbance events in survey area

2.4 地球物理事件

安徽前兆台网电磁学科观测记录到的地球物理事件主要包括地磁扰动、磁情指数K≥5 的磁暴、地电暴等，观测曲线影响形态主要表现为反复突跳、阶跃、观测噪声增大，一般持续时间在1～3 天。例如：2018 年4 月20 日7:37—22 日13:03 蒙城台GM-4 磁通门磁力仪记录到最大K指数为5 的急始型磁暴，期间垂直分量Z、水平分量H、磁偏角D数据观测噪声增大，突跳增多，最大变化幅度分别达到48.7 nT、163.0 nT、9.78′′。在此时段，蒙城台地电场、地电阻率也观测到明显的地电暴现象，ZD9A-Ⅱ地电场仪观测数据表现为大幅度突跳变化，最大幅度约122.75 mV/km；地电阻率、均方差、自然电位差观测数据受磁暴影响出现明显波动，最大变化幅度分别达到0.38 Ω·m、3.4 mV，均方差增大5 倍，表明观测噪声增大，数据具体变化情况见图8。

2.5 人为干扰

人为干扰事件的持续时间通常较短，对观测曲线造成的影响表现为阶变和缺数等。安徽区域地电人为干扰主要包括：人为操作仪器（如标定、检修、调试）、人为调整观测装置（如更换电极、外线路检测和维修）等；地磁人为干扰主要以仪器标定和重启、磁房改造、车辆干扰为主。例如：2021 年2 月12 日1:16 泾县台重启GM-4 磁通门磁力仪导致水平分量H、垂直分量Z缺数，磁偏角D出现台阶（图9），13 日6:52 对仪器调整补偿参数后数据恢复正常。按照预处理要求去除错误数据和修正台阶，磁偏角D台阶修正值为5.3′。

图9 泾县台地磁观测人为干扰变化形态Fig.9 The variation form of human disturbance in geomagnetic observation in Jingxian station

2.6 不明原因干扰

排除以上5 类影响因素，仍然无法确定或判定证据不足的数据变化，归类到不明原因类事件。该类事件需要结合数据异常情况、以往的工作经验、观测系统和环境排查情况，提供充足有力的佐证以给出属于哪种不明原因；后续还需持续跟踪，直至探明其确切诱因，重新对事件进行分类记录，若为疑似地震前兆异常，需做必要的地震前兆相关论证分析。随着跟踪分析工作的深入开展，不明原因事件较前期明显有所减少。2016 年3 月2 日2:00—4 日15:00 期 间，蒙 城 台ZD8M 地 电 仪NS 向、EW向地电阻率数据出现“凹”型变化，4 日15:00 其EW 向数据恢复至正常值，NS 向则上升0.74 Ω·m，之后数据一直未恢复至下降前的数值。针对数据变化开展了多次调查核实：测区环境未发现明显变化；观测仪器标定和外线路漏电、绝缘检查等结果均符合观测规范要求；对比历史资料分析，未发现类似异常变化；同时同台其他测项及其他台站地电阻率测项数据未发生类似变化事件；3 月2—4 日前后几日也未发生降雨（图10），被列为不明原因事件。

图10 蒙城台地电阻率不明原因干扰变化形态Fig.10 The variation form of unknown disturbance in ground resistivity observation in Mengcheng station

3 结论与讨论

本文通过分析安徽地球物理台网中心电磁观测干扰事件记录，提取并归纳各类干扰变化特征，列举了典型事例，为数据异常分析、台站观测背景噪声评估提供参考依据。基于对电磁干扰事件的分类统计，结果揭示，观测系统故障、降雨干扰、场地环境干扰是影响安徽区域电磁台网运行的主要影响因素。近年来通过开展仪器、线路和观测室升级改造、UPS 电源和辅助观测设备配备等解决故障措施，电磁日常观测运行率明显有所提升。

降雨作为自然环境干扰之一，在安徽地电阻率、地电场观测中普遍存在，因安徽省内绝大多数观测站点观测极距较小（600 m），布极区场地处丘陵地区，高差大，覆盖层薄且降雨充沛，受这种台址条件制约的影响，导致观测数据受降雨干扰严重，甚至部分台站在雨量增多、降水时间延长的年份，还会影响到地电阻率的年变幅度和极值出现时间。降雨的影响机制比较复杂，不同的地下电性结构、水文地质环境以及渗透过程对其影响程度不同，所以即使是同一观测站记录到的不同测向降雨干扰形态也存在差异。可以采取加大供电极距或者深埋电极的方式来减小降水等地表环境变化对观测数据的影响，但客观条件不允许时，可采用褶积滤波方法、线性回归等数据处理方法来消除降雨对地电阻率的影响。

目前场地环境干扰对安徽区域地电阻率和地电场观测影响尤为严重，使得观测数据内在精度和运行率降低。场地环境主要有高压输电干扰、城市轨道交通（地铁）干扰、基建施工、地下金属管线敷设等干扰。为有效避免或降低干扰幅度，根据现有的观测方法可采取相应的技术措施提高观测资料质量。基建施工、地下金属管线敷设等表层干扰，实质改变了地下电性结构分布，采用深井地电阻率观测技术可以抑制并有效解决[14]，从而提升观测数据质量；城市轨道交通（地铁）是电磁观测中最为严重和较难解决的干扰之一，地铁钢轨中的杂散电流对地漏电形成泄漏电流，其影响对于埋深电极基本可以看作是远场干扰，因此井下观测对于减小地铁漏电影响基本没有意义，可应用数据处理方式来消除地铁干扰对电磁观测数据的影响。因为由漏电电流产生的附加电场之强弱是随地铁机车运行功率的变化而变化的，产生的干扰也会不断变化，所以基本无法找到随时间变化的干扰幅度进行定量扣除；目前可以应用希尔伯特-黄变换(HHT)、最大熵谱估计(MEM)、删除地铁运行时段数据、小波包阈值滤波等方法来排除观测数据中的干扰成分，可根据影响类型和方式来决定具体采用的方法。随着观测技术的发展、创新，地电阻率交流观测将供电频率避开地铁干扰的频段范围[15]，可以抑制地铁运营等各种杂散电流的影响。目前在江苏江宁、安徽合肥形变等测点开展交流与直流地电阻率对比观测，取得了较好的效果，弥补了直流地电阻率观测系统抗地铁干扰能力的不足。

致谢文中使用的地磁数据来自于中国地震局地球物理研究所国家地磁台网中心，在此表示感谢。