0 引言

地磁学是一门以观测为基础的学科。固定地磁观测起始时间较早，分布范围较广，是目前地球物理观测的一种常用手段。地震孕育发展过程会改变地下介质的电导率，进而使地表处磁场的感应成分产生变化，监测该变化可以为地震预测提供判据（李琪等，2016），因此，地震地磁台站产出高质量的观测数据具有重要意义。自2008年我国数字化地震地磁观测台网建成以来，已积累了海量的高精度观测数据。但随着经济社会的不断发展，全国各地的地震地磁台站均受到不同程度及不同类型的干扰（朱天元等，2020）。由于干扰因素众多、干扰时间不规律、干扰形态复杂、干扰与正常磁扰叠加等原因，部分干扰数据预处理困难，影响了地磁观测数据质量，数据应用效能也随之降低。

目前，地震地磁台站的观测数据类型主要为秒钟值、分钟值采样，其中，秒采样数据由于采样周期短、分辨率高，受干扰影响较严重，数据预处理工作也更费时、费力。目前，河南省地震局共有5个数字化地震地磁观测台站，每个台站均有1套磁通门类秒采样地磁仪，且5个台站均不同程度地受多种干扰的影响。在梳理相关文献的研究结果（王莉森等，2017；朱天元等，2020；毕金孟等，2020；廖绍欢等，2021；郭亚亚等，2021；陈贤等，2021）后发现，这些研究或是针对单个台站的干扰情况进行分析，或没有涉及其他台站出现的典型干扰，因此，亟需全面系统地分析多个地震地磁台站秒采样数据的干扰因素及干扰数据的预处理方法，提高数据预处理质量，以更好地为震情跟踪和地震预测提供基础数据。

1 河南地震地磁台站概况

河南5个数字化地震地磁台站分别为洛阳地震台、信阳地震台、浚县地震台、卢氏地震台、潢川地震台（图 1），其中，洛阳地震台、信阳地震台秒采样观测起始时间最早（分别为2008年、2009年）；浚县地震台、卢氏地震台后续增加了秒采样观测（均始于2013年）；潢川地震台是异地迁建台，2015年安装仪器试运行，2020年验收后正式入网运行。目前，各地震地磁台站秒采样观测数据均受到不同程度、不同类型的干扰，观测数据质量整体不高，在全国地震地磁台网数据质量评比中常年处于中下游水平。从2021年全年统计结果来看，各台站受干扰频次、干扰影响程度前3位的干扰类型依次为：洛阳地震台主要受洛阳地铁1号线和2号线运行干扰、高压直流输电干扰、地电阻率观测干扰；信阳地震台主要受邻近道路车辆干扰、高压直流输电干扰、地磁房湿度变化干扰；浚县地震台主要受台站标准化改造施工干扰、高压直流输电干扰、雨季雷电干扰；卢氏地震台主要受邻近浩吉铁路运行干扰、高压直流输电干扰、附近高速公路施工干扰；潢川地震台主要受地电阻率观测干扰、高压直流输电干扰、地磁房温度变化干扰，统计结果见表 1。

2 干扰类型特征及预处理分析

地震台站地磁观测受到干扰的种类繁多，这些干扰数据的曲线形态主要表现为单点突跳、频繁的单点或多点突跳、一定时段内数据上升或下降的阶变、数据曲线畸变等，这些干扰叠加在正常地磁观测曲线之上，通常采用剔除尖峰、去除台阶、删除错误数据等3种方法对干扰数据进行预处理。地磁研究须准确记录变化量，但变化量一般很小，因此需要总结各种干扰的特征，正确识别干扰，尽可能排除干扰的影响，以还原地磁场的真实变化情况。

根据2017年1月至2022年8月河南地震地磁台网积累的秒采样地磁观测资料，分析总结各种干扰因素的影响，将干扰分为5大类：交直流输电类干扰（高压直流输电干扰、地电阻率观测干扰）、交通工具类干扰（车辆干扰、地铁运行干扰、火车运行干扰）、基建工程类干扰（台站内部优化改造施工干扰、外部周边工程施工干扰）、自然环境类干扰（地磁房温度、湿度变化干扰和雷电干扰）、仪器因素干扰（仪器故障干扰、仪器固有噪声干扰），并提供典型干扰数据图例（使用中国地震前兆数据处理系统地磁数据处理软件、前兆台网（站）观测数据跟踪分析软件绘图），总结干扰特征，分析预处理方法，以期提高地震地磁台站人员识别干扰的能力和数据预处理的水平。

2.1 交直流输电类干扰

交直流输电类干扰主要包括高压直流输电干扰和地电阻率观测干扰，河南5个地震地磁台站秒采样数据全部不同程度地受到高压直流输电的干扰，洛阳地震台、潢川地震台受到地电阻率观测的干扰。

高压直流输电线路在工程试运行阶段及运行出现故障时，会产生较大的不平衡电流，在输电线及换流站周围产生的干扰磁场可影响正常的电磁观测，尤其是对输电线路两侧300 km内范围电磁观测的影响较剧烈（蒋延林等，2014）。与周边受影响的其他地震地磁台站观测数据进行对比分析发现，高压直流输电干扰对地磁观测Z分量的影响最大，D分量次之，对距线路较近的地震地磁台站H分量会有轻微干扰；干扰形态多以台阶形式出现，且距线路越近，台阶幅度越大。此外，线路同侧地震地磁台站磁力仪记录的Z分量台阶干扰形态方向一致，而不同侧台站的台阶变化形态则相反（毕金孟等，2020）。根据地磁台网高压直流输电干扰判别处理系统的判定结果，进行相应的消除台阶、缓变等预处理[图 2（a）]。对于地磁、地电阻率同台观测的地震台站，由于地电阻率每个整点供电1次进行观测，供电极产生的磁场对地磁观测秒数据造成干扰。地电测值对地磁观测的干扰主要是地电测值过程（正反向交替向地下供电）干扰，因地磁场Z方向与直流供电场产生的磁场方向基本平行，故所受到的干扰最大（沈红会等，2005）；H分量、磁偏角D与干扰磁场方向接近垂直或垂直，所受干扰较小，且磁偏角D所受的影响比H分量要大。对于地电阻率观测干扰，目前采取对受干扰秒数据全部删除的方式进行预处理[图 2（b）]。

2.2 交通工具类干扰

交通工具类干扰包括车辆干扰、地铁运行干扰、火车运行干扰，河南5个地震地磁台站秒采样数据全部不同程度地受到车辆的干扰，洛阳地震台受地铁运行干扰严重，卢氏地震台受火车运行干扰严重。

由于车辆具有铁磁性，日常生活中常见的电动车、小汽车、大巴车、挖掘机等不同类型车辆距地磁记录室一定范围内就会对地磁观测造成干扰。车辆干扰主要有2种情况：第1种是车辆驶过地磁房附近，在地磁数据曲线上表现为脉冲，时间一般持续数十秒；第2种是车辆停靠在地磁房附近，在数据曲线上表现为台阶，时间一般持续数十分钟至数小时。对此类干扰需进行消除突跳、台阶的处理[图 3（a）、3（b）]。

在城市轨道交通系统运行时，轨道作为整个供电回路的一部分，流入大地的漏电电流会产生局部磁场，进而对周边台站造成一定干扰。在地铁运行时段，地磁观测秒数据Z、H、D分量数据曲线会受影响变粗，其中，Z、H分量变化明显。由于此类干扰每天出现近2 000次，人工预处理费时、费力且效果不佳，故目前不进行预处理[图 3（c）]。

铁路轨道与地磁观测记录室相距太近，也会造成明显干扰。如火车驶过卢氏地震台地磁房附近时，造成的数据曲线干扰形态与普通车辆干扰类似，均为脉冲干扰，但持续时间更长，影响幅度更大，影响频次也更多，D、H、Z三分量均受到明显干扰。但由于通过消除台阶、突跳进行预处理工作量太大，且数据失真严重，故对干扰数据直接作删除预处理[图 3（d）]。

2.3 基建工程类干扰

根据地磁数据受影响的程度，基建工程类干扰可分为台站内部优化改造施工及外部周边工程施工。此类干扰不经常出现，但河南5个地震地磁台站秒采样数据全部不同程度地受到过此类干扰的影响。

台站内部优化改造施工是指台站内部进行的办公楼改造、观测室改造、防雷改造等基建工程项目。常因此类干扰距地磁观测室较近而使得影响幅度较大，但由于是台站自主实施，因此，影响的时段、频次等可以得到有效控制。而台站外部周边工程施工包括附近居民的零散施工、企业的房地产工程开发项目、政府的市政工程建设等，由于距地磁观测室相对较远而使得影响幅度相对偏小。但影响的时段、频次往往难以掌控，对于大型基建工程还需要通过协商、谈判等方式来保护地震观测环境。基建工程类干扰在地磁秒数据曲线上的干扰形态一般为台阶、突跳、数据畸变等，D、H、Z三分量均可受到明显干扰，此类干扰往往难以通过预处理进行消除，一般进行删除预处理[图 4（a）、4（b）]。

2.4 自然环境类干扰

自然环境类干扰包括地磁房温度变化、湿度变化、雷电天气等。其中，潢川地震台地磁房受温度变化干扰严重，洛阳地震台、信阳地震台地磁房受湿度变化干扰严重，信阳地震台、浚县地震台受雷电天气干扰较重。

潢川地震台地磁秒数据受温度变化干扰的原因为地磁房保温效果差，未达到建设规范中“日温差不超过0.1℃、年温差不超过10℃”的要求，温漂干扰对Z、H、D三分量均有明显影响，变化特征为温度显著上升，数据出现漂移上升趋势；温度显著下降，数据出现漂移下降趋势；温度变化缓慢时，数据漂移幅度也较小。对于此类干扰无法通过预处理予以消除[图 5（a）]。

雷雨天气主要集中于每年雨季（6—8月），雷电爆发瞬间产生剧烈变化的区域电场，进而改变地磁观测场地周围固有的磁场分布，对地磁观测数据造成明显干扰，Z、H、D三分量均可受到明显干扰。雷电干扰表现为数据曲线出现大量的尖峰突跳，且变化幅度与雷电强度间成正相关。对于此类干扰可结合当地天气情况进行判定，并通过地磁数据预处理软件进行剔除[图 5（b）]。

地磁房湿度变化干扰表现为地磁房湿度超过80%时，水平分量H数据曲线出现明显的“毛刺”现象，一阶差分结果显示数据突跳增多，采取除湿措施后干扰消失。干扰数据通过地磁数据预处理软件对超差数据逐一剔除[图 5（c）、5（d）]。

2.5 仪器因素干扰

仪器因素干扰包括仪器故障及仪器固有噪声。洛阳地震台、潢川地震台秒采样数据曾受到仪器故障的影响；各台站仪器均有不同程度的固有噪声问题。

仪器故障表现为突然出现几个小时的畸变数据，放大后是类似正弦波的干扰，故障会自动恢复，但会反复出现，对于此类干扰只能作删除预处理[图 6（a）]。

仪器固有噪声问题以信阳地震台为例，从预处理后的秒数据一阶差分图可见[图 6（b）]，在相同量程的坐标下，磁偏角D固有噪声最小，H分量次之，Z分量最大。对于此类干扰目前无法通过预处理予以消除。

将上述总结的各种地磁数据干扰因素信息汇总于表 2，需要特别指出的是，在台站工作实践中，仍存在干扰数据与正常数据类似、混杂等不容易判别的情况，因此，为了减少漏判、错判情形的出现，可以采用多台数据进行对比的方法进一步判定干扰情况。

3 干扰数据预处理问题探讨

目前，地震台站地磁秒采样观测数据的预处理工作由每个地磁台站单独完成，台站工作人员每天上午对前一天的观测数据进行预处理，并通过前兆管理系统上报至省地震局、中国地震局业务中心。根据多年的实际工作体会，笔者认为目前主要存在以下问题：①除高压直流输电干扰外，数据预处理工作主要靠人工经验进行判别处理，自动化程度不高，费时、费力，工作效率低，且依赖于工作人员的责任心和业务能力，存在干扰误判、漏判情况，影响后续数据分析使用；②随着干扰类型的不断增多，干扰程度不断加重，数据预处理工作无法正常进行，如地铁运行干扰造成的突跳每天近2 000次，若全部进行处理工作量巨大，因此，只能申请备案不进行预处理并着手台站迁建工作；对于地电阻率观测干扰、火车运行干扰是进行删除预处理的，但这严重影响了数据的完整率。因此，需要积极探索新技术、新方法如机器学习、大数据方法等，提高观测数据预处理工作的自动化程度，使其既可以减轻台站工作人员机械性、重复性的日常工作，又可以提高数据预处理的质量和效率。

4 结论

基于河南地震地磁台网5个数字化地磁台站秒数据2017年1月至2022年8月受干扰情况，系统全面地总结地磁观测秒数据的各类非地球物理场的干扰因素，并按交直流输电类干扰、交通工具类干扰、基建工程类干扰、自然环境类干扰、仪器因素影响等5大类进行分类具体分析，详述了各种干扰的数据曲线形态、变化特征和预处理方法，对判定方法、干扰幅度、易受干扰分量、干扰时段及频次等进行了汇总，以期为其他受到相似干扰的地磁台站提供有益参考。

地磁观测数据来自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。