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  地震地磁观测与研究  2018, Vol. 39 Issue (6): 108-113  DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2018.06.016
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引用本文  

张秀玲, 畅国平, 张明东. 北京地磁场环境干扰分析[J]. 地震地磁观测与研究, 2018, 39(6): 108-113. DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2018.06.016.
Zhang Xiuling, Chang Guoping, Zhang Mingdong. Interferences on the geomagnetism observation system in Beijing National Earth Observatory[J]. Seismological and Geomagnetic Observation and Research, 2018, 39(6): 108-113. DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2018.06.016.

基金项目

中国地震局地球物理研究所基本业务专项(项目编号:DQJB18B19)

作者简介

张秀玲(1968-), 女, 北京人, 高级工程师, 从事地球物理观测与数据处理工作

文章历史

本文收到日期:2018-10-18
北京地磁场环境干扰分析
张秀玲 1, 畅国平 2, 张明东 3     
1. 中国北京 100095 北京国家地球观象台;
2. 中国河北 054000 红山基准地震台;
3. 中国天津 300201 天津地震局
摘要:随着北京城市建设的发展,北京国家地球观象台地磁观测环境所受干扰日益严重。利用1985-2016年北京和红山地磁场总强度和垂直分量年均值,对比分析北京地磁场长期环境干扰变化,并选用2个台站GM4磁力仪记录的磁静日秒数据,分析北京地磁场日变化干扰振幅谱和功率谱。
关键词年均值    噪声    振幅频谱    功率谱    
Interferences on the geomagnetism observation system in Beijing National Earth Observatory
Zhang Xiuling1, Chang Guoping2, Zhang Mingdong3     
1. Beijing National Observation, Institute of Geophysics, China Earthquake Administration, Beijing 100095, China;
2. Hongshan Benchmark Seismic Station, Hebei Province 054000, China;
3. Tianjin Earthquake Agency, Tianjin 300201, China
Abstract: With the development of Beijing's construction, the geomagnetic observation environment of Beijing National Earth Observatory is increasingly disturbed. Based on the annual mean of the total intensity and vertical component of Beijing and Hongshan geomagnetic fields from 1985 to 2016, we analyzed the long-term environmental disturbance changes of Beijing geomagnetic field. In addition, the amplitude spectrum and power spectrum of the daily variation of Beijing geomagnetic field were estimated by the magnetically quiet daily second data recorded by the GM4 magnetometer of two stations.
Key words: annual average value    noise    amplitude and frequency    PSD    
0 引言

随着国家经济和城市轨道交通的快速发展,越来越多的地磁监测台站受到外界环境干扰,地磁台站观测数据质量受到影响,地磁观测工作发展受到制约。国内诸多学者开展地磁干扰分析工作,如:马钦忠等(2004)对上海市地铁对地磁观测影响做了实验分析;吴利辉等(2009)选取南京地磁台GM4型磁通门磁力仪观测数据,采用Welch功率谱分析地铁干扰;谢凡等(2011)分析了天津轨道交通对地磁观测的干扰;张明东等(2015)利用天津静海台、徐庄子台、宝坻新台的GM4磁通门磁力仪记录数据,对噪声做频谱分析;张秀玲等(2016)对北京台地球物理观测项目受到的干扰做了分析。

自20世纪90年代后期起,北京国家地球观象台(简称北京台,BJT)受到周边环境及北京地铁交通运行的干扰。北京台是最早受到地铁运行干扰的台站之一,地铁16号线距地磁观测点约3 km,远小于《地磁台站观测规范》要求的35 km安全距离,严重影响地磁观测数据质量。

红山基准地震台(下文简称红山台,LYH)与北京台间距约400 km,地磁观测环境良好,周边无地铁和其他建筑,地磁环境背景干净,无干扰。红山台积累了长期连续的地磁观测资料,与北京台磁场变化相近,地磁场日变形态具有良好的空间相关性,且长期变化具有全球统一特征,如平静日变化、地磁脉动、磁暴等,因此选取该台为参考台站,对比分析北京台地磁场环境干扰。

1 长期变化干扰特征

选用北京和红山台1985—2016年地磁场总强度(F)和垂直强度(Z)的年均值,采用一阶差分方法,对比分析北京台地磁场FZ受到的长期环境干扰量。

1985—2016年北京和红山台地磁总场F年均值和垂直强度Z年均值对比曲线见图 1。由图 1可见,1985—1994年,北京和红山台F年均值变化量稳定,地磁场变化形态一致,F年均值差为-0.23 nT,Z年均值差为-2.34 nT;1995年起,北京台FZ的年均值逐渐变小。

图 1 1985—2016年北京和红山台FZ年均值对比曲线 (a)北京台;(b)红山台 Fig.1 Annual average magnetic of Beijing and Hongshan geomagnetic stations from 1982 to 2016

随着北京城市的发展和台站周边的建设,1995—2016年北京台地磁场受到外界环境干扰逐渐增大,地磁场总强度F减小28.07 nT,垂直分量Z减少101.46 nT,存在3个明显阶段:第1阶段为1995—1996年,北京地磁观测环境不断受到周边工程建设干扰(台站南围墙外别墅区与地磁绝对观测室最小距离不足100 m),年均值出现较大变化,地磁总强度F减少-5.0 nT、-5.7 nT,Z减少-4.7 nT、-12.2 nT;第2个阶段从1997年起,北京台周边工程建设增多,观测环境继续受到干扰,到2003—2004年,地磁总强度F干扰达-15.7 nT,Z干扰增至-27.2 nT;第3阶段在2013—2014年,北京市修建16号线地铁,该地铁距北京台约3 km,F年均值受到-28.3 nT、Z受到-103.8 nT的干扰。

2 日变化干扰特征

北京台2008年起地磁测项全面升级改造为数字化观测,使用GM4磁通门磁力仪进行观测。GM4磁力仪为地磁相对记录仪器,秒采样,分辨率为0.1 nT,连续记录地磁场的三分量变化(ZHD)。

为避免太阳磁暴、钩扰等对地磁场日变化影响,采用磁静日地磁观测数据分析外界干扰。磁静日2017年3月20日北京台和红山台磁通门磁力仪GM4记录的原始三分量形态见图 2,由图可见:2台地磁日变化曲线形态及变化趋势一致;北京台地磁场三分量均受地铁轨道运行影响,其中Z分量干扰严重,噪声较大,水平分量H次之,磁偏角D所受干扰最小;红山台地磁三分量日变曲线光滑,所受干扰较小。

图 2 北京和红山台地磁日变曲线 (a)北京台;(b)红山台 Fig.2 Daily variation data of Beijing and Hongshan geomagnetic stations
2.1 噪声分析

北京地铁16号线距北京台约3 km,运行时段为北京时间04:30—24:30,由图 2明显可见该时段北京台地磁记录所受干扰,在北京时间00:30—04:30地铁停止运行,干扰噪声较小,北京地磁场日变化形态明显,说明北京台地磁干扰主要由地铁运行造成。因此,利用北京和红山台GM4磁力仪地磁三分量原始记录,做返回时间域噪声分析,定量分析北京地磁场日变化噪声大小。2个台站背景噪声对比曲线见图 3

图 3 北京和红山台GM4地磁观测背景噪声曲线 (a)北京台;(b)红山台 Fig.3 Background noise for GM4 at Beijing and Hongshan geomagnetic stations

图 3可见:北京地铁运行时段对北京台地磁场Z分量影响较大,最大干扰噪声达10 nT以上,H分量所受干扰约5 nT,D分量所受干扰约3 nT;红山台地磁场三分量返回时间域噪声值均在0.5 nT以内,北京台地磁环境观测噪声远大于红山台,说明北京地磁场受外界环境干扰较大。

2.2 振幅谱分析

选用北京、红山台磁静日GM4磁力仪三分量原始秒数据,进行振幅频谱分析,并提取对频域内噪声优势频段,返回时间域得出噪声信号。北京、红山台三分量振幅谱见图 4

图 4 北京和红山台三分量振幅谱 (a)北京台;(b)红山台 Fig.4 Amplitude spectrum for GM4 of Beijing and Hongshan geomagnetic stations

图 4可见,北京和红山台地磁场三分量噪声优势频段范围均为0.001—0.02 Hz,其中:①北京台噪声主要集中在0.005—0.008 Hz,部分振幅超过1,且在频点0.005 Hz、0.006 Hz、0.017 Hz附近有较多突跳点。D分量平均振幅小于0.5,Z分量振幅最大,D分量振幅变化相对平缓;②红山台三分量频谱优势频率在0.001—0.02 Hz(清晰明显),振幅平稳,幅度小于0.005,达到地磁观测数据工作要求。充分说明,北京台地磁场受地铁运行和外界环境干扰明显,地铁交通产生的电磁干扰对地磁场垂直分量Z影响较大,对D分量影响较小。

2.3 功率谱分析

利用振幅谱分析所得数据结果较为粗糙,而功率谱能够在频域内有效提取淹没在噪声中的有用信息(张明东等,2015)。为进一步分析北京地磁场干扰特征,采用功率谱估计,利用加窗平均周期图法,即使用合适的非矩形窗口对信号进行处理,减少“频谱泄露”,增加频峰宽度,提高频谱分辨率(万永革,2007),从而有效提取频域内有用信息。

对北京、红山台GM4磁力仪三分量数据进行小波变换,在0.1—0.5 Hz、0.01—0.1 Hz、0—9×10-3 Hz、0—10×10-4 Hz频段内,绘制功率谱分布曲线。本文仅给出有代表性的Z分量4个不同频段的功率谱曲线,见图 5

图 5 北京和红山台Z分量不同频带功率谱 (a)北京台;(b)红山台 Fig.5 Power spectra of different frequency band for Z component of Beijing and Hongshan geomagnetic stations

图 5可见:北京台Z分量功率谱在频段0.005—0.008 Hz内有3个明显跳动,且在频点0.005 Hz、0.006 Hz处功率谱达40 dB;红山台Z分量功率谱在不同频段均保持正常形态,即图像表现为有序走低的缓峰形态,说明该台地磁场背景环境较干净,数据基本未受干扰或干扰较小,观测记录可充分体现真实地磁场,再次证明北京台受周边环境和地铁运行干扰,地磁观测数据出现明显波动,原有地磁场功率谱发生改变(张明东等,2015)。

3 结束语

综上所述,可知:北京地磁场长期变化受3个阶段影响,正常地磁观测数据受到严重干扰;1995—2016年北京地磁场背景干扰增大,与台站周边环境改变和北京城市地铁建设有关。

北京国家地球观象台地磁观测受到周边环境的干扰,观测数据长期受到影响,正常记录和干扰混在一起,必须剔除非天然变化的磁场变化成分,才能保证观测数据的科学性和可靠性,为大家提供使用天然的地磁场数据。现受干扰的地磁台越来越多,希望本文能为全国受环境影响的地磁台站在处理干扰和噪声工作中,有一定帮助,并为提出抑制噪声和消除干扰的工作方法,打下一定基础。

参考文献
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