0 引言

成都地铁六号线于2020年12月18日正式通车，线路全长约68.8 km。成都地震监测中心站与最近的地铁站——望从祠站间的直线距离约16 km，该地铁站距崇州地震台约34 km，距江油地震台约110 km。在城市轨道交通系统运行中，轨道作为整个供电回路的一部分，流入大地的漏电电流将会产生一定磁场，进而对周边台站观测造成一定干扰（谢凡等，2011），且干扰集中在Z分量观测数据上（马钦忠等，2004；吴利辉等，2009；谢凡等，2011）。本文基于成都地铁六号线运营前后成都地震监测中心站、崇州地震台、江油地震台记录的地磁观测数据，分析数据背景噪声的变化及D、H、Z三分量观测数据受干扰幅度特征，研究成都站地磁H分量观测数据受干扰较大的可能原因，同时提出对成都地震监测中心站观测数据进行重构的可行性。

1 场地、仪器背景

成都地震监测中心站（以下简称成都站）始建于1971年，位于成都市郫都区与都江堰交界处的唐昌镇平康村。成都站为中国地震局最早建立的国家级Ⅰ类基准地震台，地处龙门山地震断裂带的前山断裂附近，距2008年汶川8.0级地震震中约36 km，距芦山地震震中约88 km。崇州地震台为成都站下属台站，位于龙门山断裂带的山前隐伏断裂带与前山断裂带之间。江油八一地震台位于四川省江油市八一乡中心村，地处龙门山中北段江油前山断裂附近，属于NE向构造体系。该区域地势相对较高且平坦，无大型深沟和陡峻山丘（刘华姣等，2020）。

目前，成都站、崇州地震台、江油地震台地磁观测的常规设备为GM4型磁通门磁力仪，该仪器可记录磁场偏角D、水平向H、垂直向Z三分量随时间的相对变化情况（表 1）。

2 地铁干扰分析

成都地铁六号线的终点站——望丛祠站与成都站、崇州地震台、江油地震台间的直线距离分别为16 km、34 km、110 km（图 1），地铁运行时段为每日北京时5—24时（世界时21时—次日16时）。地铁运行对于地磁观测是一种重复性、周期性的干扰，且每日的干扰时段和干扰幅度基本一致。经查询国家地磁台网中心网站，北京时2021年1月19日8时至20日8时（世界时2021年1月19日）未出现磁暴、强磁扰动等剧烈的磁场活动，属磁场平静日，故选取此时段3个台站的地磁观测数据进行对比分析。

2.1 干扰特征

选取北京时2021年1月19日8时至20日8时地磁观测秒数据，由于Z分量在每小时的第5—15 min因地电阻率供电出现尖峰干扰，故对该时间段受干扰的数据作删除处理（图 2）。由图 2可见，三分量上均同步较清晰记录到与地铁6号线运行、停运时间相一致的数据变化，具体表现为在地铁停运时段（1—4时），数据噪声较小，基本反映周边环境的背景噪声；在地铁运行时段（5—24时），数据噪声明显增大，为地铁运行干扰。

选取北京时2021年1月19日8时至20日8时成都站、崇州地震台、江油地震台等3个地磁台站地磁观测秒数据，以60 s窗长、1 s步长计算其一阶差分均方差并将其作为数据噪声（图 3）。由图 3可见：①在地铁运行时段，成都站D、H、Z三分量数据均出现噪声变大的情况，其中，D、H分量数据受影响较大，干扰幅度分别为1.0 nT、1.4 nT，干扰时段噪声均由非干扰时段的0.05 nT上升到0.15 nT左右；Z分量数据受影响较小，干扰幅度为0.5 nT，干扰时段噪声均由非干扰时段的0.05 nT上升到0.08 nT左右。②崇州地震台D分量数据受影响较小，干扰幅度为0.4 nT，干扰时段噪声均由非干扰时段的0.05 nT上升到0.06 nT左右；Z、H分量数据基本无干扰。距望丛祠站110 km的江油地震台地磁观测未受地铁运行的影响。

采用Welch功率谱法对世界时2021年1月成都站、崇州地震台、江油地震台地磁观测秒数据进行分析。分析结果显示，每个台站功率谱形态一致。以世界时2021年1月19日数据为例，选择0.01—0.10 Hz频率段绘图（图 4），由图 4可见，成都站D、H分量数据从0.04 Hz频率处开始出现明显的谱峰。进一步比较3个台站的功率谱可以看出，崇州地震台D分量数据在0.05 Hz频率处出现微弱的谱峰变化，而江油地震台的3个分量均无明显变化。上述表明，成都站地磁观测受到地铁运行干扰的分量主要是D、H，干扰频率为0.04—0.10 Hz，功率谱分析结果与图 4中噪声计算结果一致。

2.2 干扰分析

地铁供电系统对地磁观测产生干扰的来源有2类：一是供电回路中电流不平衡产生的磁场；二是经过铁轨流向地下的杂散电流产生的磁场。其中，不平衡电流产生的磁场可近似视为通电长直导线产生的磁场，其理论干扰应主要集中于垂直分量Z数据中，观测点与地铁间的高度差及地磁仪器自身正交度也可在其他分量上产生干扰（刘广宽等，2006；王晓美，2017）。成都站地磁观测D、H、Z三分量数据均受到地铁运行干扰，其中，H分量数据受干扰程度最大，成都站的地理位置与成都地铁线路基本处于同一高度，且通过同站仪器的同步变化也可排除仪器正交度的影响。

一些研究者曾研究过南京地铁、天津地铁等地铁干扰地磁观测的情况（马钦忠等，2004；吴利辉等，2009；谢凡等，2011），研究发现干扰主要存在于Z分量，从与地铁线路的相对位置来看，受干扰的南京地震台、天津地磁测点均位于地铁轨道两侧（图 5）。也有研究者通过对天津地铁附近的徐庄子地震台和北京地铁附近的高井地磁测点进行研究发现（毕金孟等，2020；孙枋友等，1984），存在H、Z分量数据的干扰幅度比值≥1的现象，即H分量数据受干扰程度较大，此类台站均位于地铁首站或末站远离轨道方向（图 5）。由此可见，地磁观测各分量数据受到的干扰情况与地铁轨道的相对位置有关，但是至今尚未有地铁轨道附近干扰磁场分布的详细模型，故无法合理解释杂散电流产生的复杂磁场。

3 观测数据重构

地磁观测有关规范中提出城市有轨直流运输系统距地震台站电磁观测设施间的最小距离为30 km（中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局等，2004），马钦忠等（2004）也根据实测结果提出约50 km的避让距离。成都地铁六号线对距其34 km处的崇州地震台仍产生干扰，但对110 km处的江油地震台无干扰。基于姚休义等（2016）提出的空间加权法，以目标台站周围一定范围内的参考台站数据为基础，经过空间加权处理方法，达到对目标台站地磁观测数据重构的目的。使用崇州地震台、江油地震台的地磁观测数据对成都站地磁观测数据进行重构

$ \sum\limits_{i = 1}^N {{W_i}} = 1 $

(1)

$ {W_1}{R_1} = {W_2}{R_2} = {W_N}{R_N} $

(2)

$ {Y_j} = \sum\limits_{i = 1}^N {{W_i}} {y_{ij}} + r $

(3)

其中，W_i、R_N、y_ij分别为参考台站的加权因子、与目标站间的距离、归一化观测数据；r为残差项；Y_j为目标站重构后数据。根据式（1）—（3），选取2019年1月19日地磁观测数据进行重构（图 2）。由图 2可见，经过重构后的数据相比原始数据在地铁运行时段的噪声下降，干扰幅度小于0.1 nT。通过功率谱来看（图 6），在0.04 Hz左右频率已不存在谱峰。

4 结论

分析了成都站地磁观测在成都地铁六号线运行时段的背景噪声变化情况，并对成都站、崇州地震台、江油地震台的地磁观测数据进行了对比分析。

（1）成都站地磁观测数据受成都地铁六号线运行干扰，干扰主要在D、H分量观测数据上，干扰幅度分别为1.0 nT、1.4 nT，Z分量干扰幅度为0.5 nT，这种现象可能与观测点相对于地铁轨道的位置有关；崇州地震台地磁观测数据仅在D分量上有微弱干扰；江油地震台地磁观测数据不受地铁运行的影响。

（2）利用空间加权算法，可以崇州地震台、江油地震台地磁数据来重构成都站地磁观测数据，重构后数据的干扰幅度≤0.1 nT。