[摘要] 應用國家重點研發(fā)計劃項目“新型便攜式地震監(jiān)測設備研發(fā)”在云南南部小江斷裂帶南段（玉溪和紅河州地區(qū)）建設的密集臺陣磁力儀觀測資料，采用經驗模態(tài)分解（EMD）方法，對Z分量產出數據進行質量分析。研究結果表明，不同站點間的地磁Z分量日變同步差值標準方差穩(wěn)定在0.86～1.17 nT之間，磁靜擾日的相關系數高達0.9720～1，表明了日變形態(tài)、日變幅值以及磁靜擾日之間均具有較好的一致性特征。研究結果對該地區(qū)地磁場變化的時間和空間特征具有一定的參考意義。

[關鍵詞] 密集地磁臺陣; 磁力儀; Z分量; 質量分析; 日變形態(tài)

[DOI] 10.19987/j.dzkxjz.2024-052

基金項目： 中國地震局第一監(jiān)測中心科技創(chuàng)新主任基金（FMC202313，FMC2022001，FMC202311）資助。

0 引言

地磁場是地球最重要、最基本的地球物理場之一。地磁觀測包括總場強度F，矢量場的北向分量X，東向分量Y和垂直分量Z，磁子午面矢量的水平分量H，磁偏角D，磁傾角I，以上各項統稱為地磁七要素。由于太陽活動對地磁Z分量日變幅的影響較為微弱，相對于其他分量更能反應觀測區(qū)域的磁異常。大量的震磁異常研究主要圍繞地磁Z分量而展開[1-4]。分析地磁Z分量的日變化特征對于認識地磁正常背景場和提取震磁信息具有重要意義。

以往主要集中在對大尺度區(qū)域Z分量的變化進行研究[5]。局部地磁場異?？尚哦仁苷军c數限制，隨著觀測技術的發(fā)展，陸續(xù)建立了相對站點密集的臺陣[6]。從2007年開始，我國開展了地磁臺陣的觀測和相關研究工作。在四川省西昌和甘肅省天祝等地建立了固定地磁臺陣，并一直持續(xù)運行至今，這些臺陣采用磁通門磁力儀進行長期監(jiān)測[7]。中國地震局地球物理研究所于2008—2012年在云南洱源地區(qū)陸續(xù)建設完成小口徑的地磁臺陣[8]。山西省地震局于2014年9—10月在山西北部恒山斷裂帶兩側布設小口徑地磁臺陣等[9]。這些臺陣產出了很多地震電磁關系等方面的應用成果[10-11]。相比于空間稀疏的地磁臺站，密集地磁臺陣更能提供高時空分辨率的地磁觀測數據，從而可以更好地研究較為精細的區(qū)域地磁日變特征。

在國家重點研發(fā)計劃“新型便攜式地震監(jiān)測設備研發(fā)”項目的支持下，中國地震局地球物理研究所在滇南小江斷裂帶南段（云南省玉溪、紅河州、文山州）開展了密集臺陣磁力儀的資料采集，為研究地磁地震等探索新技術新方法。本文基于上述資料，對Z分量的日變幅度、磁靜日的相關性進行分析研究，探討地磁日變化特征。

1 密集臺陣觀測資料

1.1 臺陣簡介

2021年11月—2022年1月，國家重點研發(fā)計劃項目“新型便攜式地震監(jiān)測設備研發(fā)”在滇南小江斷裂帶南段（云南省玉溪、紅河州、文山州）建設站點為110個的密集臺陣（圖1），空間分辨力10 km，儀器架設以地磁坐標系，觀測該地區(qū)的H、D、Z三分量的相對變化。

為了確保密集臺陣站點具備良好的觀測環(huán)境，采用中國地震局地球物理研究所生產的GM4磁通門磁力儀進行現場勘選。站點地磁觀測背景噪聲是決定能否在該點位建設站點的重要評價指標[12]。磁通門磁力儀所需觀測場地觀測環(huán)境的技術指標要求地磁環(huán)境噪聲峰峰值應不超過0.2 nT?；谟^測數據，通過噪聲水平測試，在100 km×120 km區(qū)域中，初選130個點位，最終確定110個站點，間距約10 km，確保了臺陣建設的科學性與高效性。

以站點32，34，38為例，圖2對應給出了3個點位在1 h時段內每10 s觀測數據的峰峰值。依次計算出GM4磁通門磁力儀H、Z、D 3個分量的觀測噪聲。圖2給出的3個點位上GM4磁通門磁力儀3個分量的背景噪聲均小于0.2 nT（表1）。

以降低建設成本和保證相對高質量的地磁觀測為原則，地磁站點采用簡易式地埋建設。在建設過程中，首先對建設場地進行認真的清理，排除磁污染源。向下挖掘直徑1 m，凍土層深1 m的基坑。基坑底部平整夯實，下入整體安裝艙，安裝艙上口至少高于地面20 cm，防止地面雨水漏入傳感器倉（圖3），安裝艙中心放置無磁性大理石。將磁通門傳感器置于觀測墩中心處，調節(jié)底腳達到儀器水平，調節(jié)方向至D分量輸出在±100 nT以內，完成H分量和Z分量補償，達到H分量和Z分量輸出值在±100 nT以內。設備安裝完成后，將安裝艙上口密封，用土填埋50 cm以上。

1.2 臺陣觀測設備簡介

密集臺陣使用的觀測設備是由中國地震局地球物理研究所研制的一款小型化地埋式磁通門磁力儀，其技術指標如表2所示。該磁通門磁力儀的技術指標能夠滿足臺陣地磁相對記錄觀測的需要，同時體積小，功耗低，提高了野外觀測的適應性。

1.3 臺陣資料評估

經為期1年的建設，2022年1月小江斷裂帶南端密集綜合臺陣完成設備的安裝、架設及調試工作。利用自組網系統收集匯總原始觀測數據，對密集臺陣儀器運行結果進行數據質量評估，參照中國地震局電磁學科觀測資料質量評比辦法等相關要求，選擇數據運行連續(xù)率、背景噪聲作為評估該傳感器觀測數據質量的技術指標。

數據連續(xù)運行率計算公式如下：

（1）

選取該臺陣全部站點磁通門傳感器運行1個月的觀測數據，據公式（1）進行秒數據連續(xù)率計算。結果表明各站點磁觀測秒數據連續(xù)率大于70%的站點占80.9%，數據連續(xù)率小于70%的站點占19.1%。調查發(fā)現，少量站點的數據連續(xù)率較低，未達到設計要求，分析認為，可能是由通信傳輸網絡信號丟失所致。圖4為臺陣各站點秒數據的背景噪聲結果。從圖圖4可以看出，噪聲（峰峰值）水平小于0.2 nT的站點達80%，大于1 nT的站點為5.5%。

2 數據處理方法

伴隨社會經濟的快速發(fā)展，地磁觀測面臨日益復雜的干擾，影響數據質量和完整性[14]。當前，秒轉分預處理技術能有效去除高頻噪聲，尤其在減輕地鐵、輕軌交通以及高壓直流輸電線路帶來的干擾方面效果顯著[15]。

2.1 秒轉分數據處理

按照中國地震臺網的地磁前兆處理方法，對秒數據進行干擾預處理，采用高斯濾波算法對秒數據進行處理。若秒數據不存在，將跳過計算下一個分量[15]。

設計算第i分鐘的分鐘值，取i s及其前后各45 s共91 s的秒采樣數據進行高斯濾波計算。公式如下[16]：

（2）

式中，Ai為第i分鐘的分鐘值；ai， j為第i分鐘第j秒的秒采樣數據，其中i、j的取值范圍為00～59；Dm=D-m，為高斯系數（共91個）。

計算00：00：00的分數據時，需要調用前一天的后45個秒數據參與計算。當1 分鐘的60個秒數據中缺數≥10時，對應的分數據為缺數。

2.2 經驗模態(tài)分解（EMD）

經驗模態(tài)分解（Empirical Mode Decomposition，EMD）算法[17]對原始觀測數據進行時域分析。作為一種新的數據處理方法，目前在很多地磁數據處理及信號分析領域得到了成功的應用。覃慶炎等[16]研究基于EMD大地電磁資料進行去噪，張敏等[18]研究基于EMD小波閾值濾波的地磁數據去噪分析。鑒于地磁數據的非線性、非平穩(wěn)性[19-20]，本文采用EMD用于地磁的濾波去噪處理。

EMD的本質是將原始信號進行平穩(wěn)化處理，逐層分解出不同尺度的波動。分解出來的數據序列被稱為固有模態(tài)函數（Intrinsic Mode Functions，IMF）。經驗模態(tài)分解將數據分解為n個IMF分量以及1個趨勢分量res。即

每個IMF在EMD中必須滿足2個條件：①信號序列中的極值點數量與過零點數量相等，或者它們的差異不超過1個；②IMF的局部極大值所形成的上包絡線與局部極小值所形成的下包絡線的均值為零。

文中將原始秒數據經高斯濾波算法對地磁數據進行平滑處理，從而得到分數據，然后再進行EMD分析得到濾波數據，并對濾波前后的數據進行頻譜特性分析（圖5）。從圖5可以看出，EMD濾波有效地減少了原始數據中的高頻噪聲，保留能反應日變基本形態(tài)的低頻部分，使得趨勢更加清晰可見。這有助于更好地識別潛在的規(guī)律和特征。

3 結果分析

密集臺陣通過其高空間密度，顯著提升了地磁日變觀測的精細度，能夠捕捉地磁活動的空間細節(jié)。采用多點同步的觀測數據分析去解決由于受觀測站點所限、異常的可靠性受到質疑的問題，為地磁學研究提供了強有力的支持。

3.1 日變相關性分析

在陸地上進行磁測，由于地球表面的一個局部小區(qū)域內的多個點所受地磁場變化主要受同源影響且表現出相似性。所以地磁場的短期變化具有同步性，在2個地點記錄的地磁場相同要素的變化應該表現出較為穩(wěn)定的相關性[21]。

這里以距離20～50 km之間的站點18，22，33，42，49，62共6個站點（分布如圖6）為例，畫出磁力儀分鐘數據曲線圖（圖7）。由圖7可以看出，各站點Z分量觀測曲線變化趨于一致，重合性較好。

再對數據的一致性進行定量分析，以通海地震臺（位置如圖6）的GM4磁通門磁力儀作為參考儀器，通過計算臺陣站點的儀器與參考儀器的地磁場Z分量日變化同步差值的標準均方差，對6個典型臺站GM4磁通門磁力儀數據的一致性進行定量分析。計算結果見表3。同步差值的標準方差在0.86～1.17 nT之間，表明在一致性上的表現基本相同。

3.2 日變幅度相關性分析

日變幅度是指地磁場日變變化中最大值與最小值的差異[22]。以站點18，22，33，42，49，62為例，圖8為Z分量2023年1—11月逐日日變幅度。從圖8中可以看出，有明顯的季節(jié)特征，表現為類似弓字形狀。

國際地磁指數服務中心根據全球地磁擾動強度指數Kp來評估日期的靜態(tài)和擾動程度。每月選取5個磁場擾動最小的日期作為國際磁靜日，選取5個擾動最大的日期作為國際磁擾日[23]。從圖8可以直觀看出，無論是磁靜日還是磁擾日，各子臺日變化幅度與相位均一致。

分析密集臺陣磁力儀Z分量的日變幅度數據時，首先選取了每月的5個磁靜日和5個磁擾日的數據，并計算它們的算術平均值，以反映當月磁靜日和磁擾日的日變化特征情況[24]。

在小尺度區(qū)域內（孔徑小于或等于200 km），磁靜擾日的垂直分量Z的日變化表現出高度同步性。因此，相關系數可以用來量化不同磁靜擾日日變化的同步性[4]。選取了6個觀測站點為例，對這些站點在磁靜擾日的數據進行了日度相關性分析。計算得到互相兩臺的相關系數如表4和表5。由表4和表5中看出，磁靜日相關系數基本在0.97～1之間，磁擾日基本在0.98～1之間。這表明密集臺陣磁力儀Z分量在靜擾日間高度相關。

4 結論

本文應用國家重點研發(fā)計劃項目“新型便攜式地震監(jiān)測設備研發(fā)” 在云南南部小江斷裂帶南段（玉溪和紅河州地區(qū)）建設的密集臺陣磁力儀觀測資料，采用EMD方法，對Z分量產出數據進行了質量分析。主要結論如下：

（1）密集臺陣自2022年1月試運行以來，表現出了優(yōu)異的穩(wěn)定性，儀器設備工作穩(wěn)定，記錄的數據完整性高，數據質量滿足預期要求，能夠滿足地磁長期觀測的需求，有效地提高了地磁觀測數據的時空分辨力。

（2）不同站點的地磁Z分量日變化在日變形態(tài)均具有較好的一致性，計算不同站點與參考臺之間的同步差值的均方差，結果顯示具有很好的同步性。

（3）日變幅度的統計分析揭示了顯著的季節(jié)特征，磁靜擾日間相關系數高達0.97～1，體現了密集臺陣磁力儀Z分量在靜擾日間的高度相關性。

（4）進一步分析長期密集臺陣的觀測數據，探究觀測區(qū)域內深部地質環(huán)境以及可能存在的地震前兆地磁異常信號。

致謝

本文使用的數據來源于“新型便攜式地震監(jiān)測設備研發(fā)（2018YFC1503800）”科技項目，在此表示感謝。

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