2020, Vol. 41
表1(Table 1)
2. 中国内蒙古自治区 137400 内蒙古自治区乌兰浩特地震台
2. Ulanhot Seismic Station in Inner Mongolia Autonomous Region, Inner Mongolia Autonomous Region 137400, China
地磁场是地球固有的基本属性之一，伴随着地球形成演化的全过程，已成为地球生物圈（包括人类）生存的重要环境条件之一（徐文耀，2009）。由于在地震孕育过程中存在磁效应变化，地磁观测数据已广泛用于地震预测研究（林云芳，1990；黄雪香等，1999）。
地磁异常信号的提取和分析是研究地震预警预报和其他空间电磁异常现象的基础。诸多研究表明，地震发生前后会出现短时电磁异常（张继红等，1999；肖武军等，2006）。在地磁异常研究过程中，不同类型的干扰信号会对地震电磁异常的判断产生影响（Potthast et al，2008），而识别此类干扰和异常的一种可靠方式就是，找出所有干扰并分类，通过建立干扰信息索引，甄别出真正与地震相关的电磁异常。地磁相对记录数据在实际观测时会叠加各种类型的干扰信号，影响地震地球物理信号的提取。目前，地磁数据研究缺少高效的算法，如何有效识别干扰并保障数据的连续性和可用性是亟需解决的问题。结合傅里叶变换、小波变换等手段，对干扰信号进行提取和分析，可以有效降低干扰排查难度，判定干扰原因，进而排除干扰，使仪器数据恢复稳定。文中对2019年10—11月内蒙古自治区锡林浩特地震台（下文称锡林浩特地震台）质子矢量磁力仪FHD-2B观测数据出现的异常，采用傅里叶变换和小波分析等手段，判定为干扰所致，并对干扰予以剔除。
1 地磁观测概况锡林浩特地区地质构造复杂，属内蒙古弧形构造带东南边缘的三级构造单元，境内主要地质构造可并入弧形构造和新华夏系统构造体系。该区地貌为低山和丘陵，山脉走向呈NEE向，岩性为燕山期中性粒花岗岩，岩石坚硬完整。
锡林浩特地磁观测场地位于锡林浩特市区西南部的山上（图 1），海拔高程1 020 m，距市中心约5 km。依托2012年“中国地震背景场探测项目——锡林浩特地震台地磁项目”，建设国家地磁基准台，2015年9月通过验收并正式开始观测记录。该台配备的观测仪器包括质子矢量磁力仪FHD-2B、磁通门磁力仪GM4-XL、磁通门磁力仪GM4-XL与Overhauser GMS90F1组合、磁通门经纬仪Mag-01、质子旋进磁力仪G856等。地磁观测数据稳定，观测质量较高。
|
图 1 锡林浩特地震台位置 Fig.1 Geomagnetic observation location of Xilinhot Seismic Station |
自2019年10月开始，锡林浩特地震台质子矢量磁力仪FHD-2B的D分量出现噪声逐渐明显变大现象，而同时段其他仪器噪声无明显波动。对比2018年、2019年同时段GM4-XL与质子矢量磁力仪FHD-2B的差值曲线可知，该台质子矢量磁力仪2019年10—11月处于异常状态（图 2）。
|
图 2 FHD-2B与GM4-XL差值对比 (a)2018年10—11月；(b)2019年10—11月 Fig.2 Comparison of differences between FHD-2B and GM4-XL observations |
选取锡林浩特地震台质子矢量磁力仪FHD-2B变幅较为明显的2019年11月20日至26日记录的观测数据，进行傅里叶变换，部分主要信号见图 3。由图 3可知，该时段数据主要对应周期分别为24 h、8 h和6 h，数据无明显高频干扰和其他固定周期信号。
|
图 3 受干扰时段质子矢量磁力仪FHD-2B与GM4-XL幅频对比 Fig.3 Comparison of frequencies of observations of proton vector magnetometer FHD-2B and GM4-XL during the interference period |
对质子矢量磁力仪FHD-2B记录的2019年11月20日至11月26日数据进行小波分析，对干扰信号进行滤除和重构。选取db1对数据进行小波变换，数据差值接近正常。对滤除信号进行重组，可以看出，噪声信号为全天不间断信号（图 4）。
|
图 4 干扰数据的小波分解和重构 Fig.4 Wavelet decomposition and reconstruction of the interference data |
通过数据分析可以确定，影响质子矢量磁力仪FHD-2B记录数据的是周期不固定的24小时不间断干扰。由于锡林浩特地磁观测场地周边无24小时工作的设备和场所，可以判断，该数据变化非外界干扰所致。通常，干扰因素主要为观测室温度、仪器供电、仪器探头故障、观测方位角偏离、水平补偿电流和偏置电流无输出或接触不良及参数错误等。为此，进行逐一排查。
4.1 温度影响当温度过低时，仪器可能无法正常工作。对比锡林浩特历年温度变化，可知2019年温度无异常。调查发现，观测室环境无变化，且观测室温差较小，室内保温措施无损坏，故判断数据变化与温度影响无关。
4.2 电源影响若交流供电线路与信号线平行，交流干扰信号会通过信号线耦合到仪器中，从而出现数据噪声变大现象。停电时，仪器使用蓄电池供电，蓄电池电压不足也会出现类似现象，但该仪器电源近期未出现故障及损坏情况。对仪器供电设备进行测量，电压、电流均较为稳定。分别采用直流和交流供电，数据无明显改变，且设备接地线路正常。因此，排除供电原因导致数据干扰。
4.3 仪器检查当方位角偏离较大或探头轴向较多偏离磁东西向，或者探头漏油时，会出现类似干扰。但对仪器探头和方位角进行检查，均未发现异常。
4.3 参数校准仪器工作参数包括各个分量的调谐值、探头的电感量和信号线的分布电容。分量质子磁力仪利用核子共振的方式进行信号采集，只要以上参数中有一个产生较严重的偏离，那么信号选频电路采集的信号就会变弱，则观测数据曲线噪声变大、线条变粗。水平补偿电流和偏置电流无输出或导线接触不良也会出现类似问题。对水平补偿电流和偏置电流进行检查，实际输出值和设定值基本一致。对参数进行查验，发现仪器正向合成磁场值（R+）、反向合成磁场值（R-）与仪器实际值产生较大漂移（表 1），故对仪器参数进行重新修改，之后观测数据曲线恢复正常，结果见图 5。
|
表 1 仪器R+、R-设定值与实际值 Table 1 Set value and actual value of instrument R+, R- |
|
图 5 调整参数后数据 Fig.5 Data after adjusting parameters |
锡林浩特地震台地磁观测数据出现异常后，通过对观测数据进行时段分析和频谱分析，确定干扰原因非外界影响。明确干扰范围后，对可能原因进一步检查、测试，发现仪器工作参数出现漂移，对参数进行校正后，观测数据恢复正常。
通过对此次锡林浩特地震台地磁干扰因素的分析排查，可以发现，当观测数据受到不明原因的干扰时，进行相关分析可以有效缩小干扰原因的排查范围，避免排查方向出现错误，提升排查效率。
黄雪香, 张美仙, 林云芳, 等. 华北北部几次中强地震前的地磁前兆特征[J]. 地震, 1999, 19(2): 168-178. |
林云芳. 大同-阳高地震前后地磁异常变化及其认识[J]. 地震, 1990(4): 27-36. |
刘明才. 小波分析及其运用[M]. 北京: 清华大学出版社, 2005: 11-15.
|
冉启文, 谭立英. 小波分析与分数傅里叶变换及应用[M]. 北京: 国防工业出版社, 2002: 22-26.
|
肖武军, 余素荣, 丁鉴海. 强震前的地磁异常现象[J]. 地震, 2006, 26(4): 52-58. |
徐文耀. 地球电磁现象物理学[M]. 北京: 中国科学技术大学出版社, 2009.
|
张继红, 陈忠民, 李波, 周萍. 马陵山台地磁异常与地震关系的研究[J]. 地震, 1999, 19(3): 303-308. |
郑治真, 沈萍, 杨选辉, 万玉莉. 小波变换及其MATLAB工具的应用[M]. 北京: 地震出版社, 2001: 94-98.
|
Potthast M, Stein B. New issues in near-duplicate detection[M]//Preisach C, Burkhardt H, Schmidt-Thieme L, et al. Data Analysis, Machine Learning and Applications. Heidelberg: Springer, 2008: 601-609.
|