地磁方位标志的稳定性与磁偏角观测精度的研究

吴玉田,徐学恭,张明东,周锦屏,尚先旗,胡培元

(1.天津市地震局,天津 300201;2.中国地震局地球物理研究所,北京 100081)

地磁方位标志的稳定性与磁偏角观测精度的研究

吴玉田1,徐学恭1,张明东1,周锦屏2,尚先旗1,胡培元1

(1.天津市地震局,天津 300201;2.中国地震局地球物理研究所,北京 100081)

地磁台是产出连续完整、准确可靠的地球磁场变化数据的场所。而对某测点地球磁场的描述是以磁偏角D、磁倾角I、总强度F、水平强度 H、北向强度X、西向强度 Y、垂直强度Z等七要素为依据。其中只需直接测定3个独立量,如D、H、Z或D、I、F等组合,则其它量可通过数学关系求得。特别是,磁偏角D在观测中非常重要。本文对静海地磁台改造后连续7年(2002～2008年)的观测记录资料,进行了认真整理和细致研究,研究了标志的漂移对观测值D的影响,说明了观测标志稳定的重要性。

标志漂移;标志稳定性;磁偏角

0 引言

随着数字化、智能化、现代化观测技术的发展,为适应高采样率、高分辨率、高精度新型地磁仪器观测条件的需要,天津市地震局于2000年8月至2001年6月对静海地磁台进行了全面、彻底地改造,内容包括:拓宽场地面积,重建绝对观测室、相对记录室、方位标志、比测亭、办公室等建筑设施,使台站面貌焕然一新,成为我国数字化、自动化、现代化的新型地磁台站之一。

1 地磁台站建设

1.1 地磁绝对观测室建设

绝对观测室为磁南北方向,建筑面积120m2,与传统的磁房相比,具有如下特点:上下圈梁和构造柱由复合碳纤维筋混凝土建造,与墙基分离的联体观测墩基础由杜拉纤维和玻璃纤维混凝土构成,墙体由精加工石灰岩条石和石英砂水泥沙浆砌筑而成,室内设置的6个观测墩与比测亭以及全部方位标志均具备良好通视条件(图1),北面3个观测墩全部能看到北极星。

1.2 观测标志建设

图1 绝对地磁观测室观测墩平面图

在绝对观测室东300m和500m处建有2个观测方位标志,观测室南200m和400m处建有2个观测方位标志。其目的在于使观测者在不同气候条件下均能清楚地瞄准目标,从而保证观测工作能顺利进行。东侧和南侧任意2个标志夹角均大于60°,符合地磁观测规范标准。每个标志杆上面向观测室方向安装2个搪瓷标志牌,一个用于观测,一个备用。标志牌上的“义”型标记中心的宽度是依据观测仪器的精度要求而定。该台使用的磁力仪为CTMDI仪,观测精度0.1′,根据数学公式:X=L×SinA,计算出标记中心宽度(见表1)。

表1 标志宽度换算

按此计算结果设计的标记宽度与观测精度匹配。标志墩基从自然地平下挖,深3m,长、宽为1.6m,中间矗立8m水泥杆,钢筋混凝土浇铸,震捣棒震实,经计算水泥杆的50%以上重量在地下埋设,以确保水泥杆稳固。

2 标志方位角测量

2001年10月台站新增一套CTM-DI磁力仪,为了保证该仪器及时投入使用,特聘请地球物理研究所专家周锦屏老师于2001年11月21日至27日使用德制 T3经纬仪,应用经典的天文测量方法,精密测定7个观测墩(绝对观测室6个墩,比测亭一个墩)至4个方位标志的方位角,共取得38个方位角参数(见图2),可供7套仪器同时进行观测,并可做到全天后观测,这在全国地磁台网中也是少有的。

图2 绝对观测室观测墩与各标志间通视示意图

3 观测工作简介

3.1 绝对观测

该台将CTM-DI磁力仪放置在绝对观测室1号墩,使用502胶粘牢底脚,每周一、周四测量磁偏角D和磁倾角I,以观测室南近标 MS1做主标,东近标ME1做副标,从2002年1月开始正式观测到2008年底。

3.2 绝对观测磁偏角D

磁偏角测量很简单。磁通门探头固定在经纬仪望远镜上,使得探头测量的磁场方向大致就是经纬仪的光轴方向。将望远镜置于水平状态(垂直读盘精确地调到90°或270°)并旋转经纬仪,在探头测不到任何磁场的时候,探头即处于垂直于磁场的位置。在这个位置上的经纬仪水平度盘读数称为 AW↑,它表示经纬仪已转到望远镜朝西看,磁通门探头在望远镜上侧的位置。此时,必须检查垂直读盘的读数,以校正望远镜严格处于水平位置。再将望远镜绕垂直轴水平旋转约180°到相反的水平位置上,在此点,探头再次测零,这表明探头再次垂直于地磁场。水平度盘读数则是 AE↑,此时,望远镜朝东看,探头在望远镜的上部位置。下一个水平度盘读数是AW↓,这是在望远镜绕水平轴旋转180°,并通过调整水平方向找到磁力仪零读数(1个零位置)的位置上读取的。最后,AE↓是将经纬仪绕垂直轴旋转到相反的零位上读取的。磁北的水平度盘读数 A是这4个读数的均值:

4次观测抵消了磁通门探头磁轴与望远镜光轴之间的定向误差(探头磁轴与望远镜光轴不重合)以及磁通门磁力仪可能存在的电子线路部分的零场偏移 (可以计算出来进行调整,由于采用了正确的观测程序,它不会导致观测结果的误差)。

3.3 根据磁偏角D的计算公式:

其中,B是方位标志的水平度盘读数,其地理方位角是AZ。本文重点研究方位标志漂移引起B的变化从而造成磁偏角D的观测误差。该台方位标志的水平度盘读数 MS1是(1)式的 B,因此(1)式可以写成:

4 资料分析

本文系统地整理了2002～2008年共7年的观测记录资料,包括标志读数、偏角 D基线值及记录室温度,全部清晰地显现在表格上(表2至表5)和历年曲线上(略)。

表2显示历年1月份第一次观测标志和下年1月第1次观测标志漂移情况。

表2 历年MS1标志年漂移变化表

表3所示:

(1)显示历年年内标志漂移变化

(2)显示磁偏角 D偏离真值统计

静海地磁台于2002年1月1日使用CTM-DI仪进行正式观测,将1月1日的标志读数认为是真值,来统计历年磁偏角偏离真值的数据。

2002年1月1日～1月17日标志读数相等是真值。

1月 17日以后偏离真值最小 0.10′,最大0.85′,

2003年偏离真值最小0.20′,最大0.85′,

2004年偏离真值最小0.25′,最大1.00′,

2005年偏离真值最小0.35′,最大1.00′,

2006年偏离真值最小0.50′,最大0.70′,

2007年偏离真值最小0.55′,最大0.85′,

2008年偏离真值最小 0.30′,最大 0.60′。

数据显示从2002年1月17日至2008年底磁偏角 D偏离真值最小0.10′,最大1.00′。

表3 历年内MS1标志漂移变化表

对比分析见表4和表5:

(1)表4和表5年温度变化是对该台相对记录室而言,DB基线值年变化和温度系数是对相对记录仪 GM3而言。

(2)表4磁偏角基线值年变化最小1.00′、最大1.50′,与记录室年温度变化相比,毫无规律性。表5磁偏角基线值年变化最小1.30′、最大1.45′,与记录室年温度变化相比规律性很强。

(3)表4磁偏角基线值温度系数年变化最小0.27′、最大 0.40′、相差 0.13′,温度系数变差很大、离散度很大,与记录室年温度变化相比,毫无规律性。表5磁偏角基线值温度系数年变化最小0.34′、最大0.37′、相差0.03′,温度系数变差很小、离散度很小,且和记录室年温度变化匹配,规律性很强。

(4)表5真实反映出磁偏角基线值、年温度变化和温度系数真值的变化。

年份 DB年变化/(′)年温度变化/℃温度系数/(′)温度系数/nT 20022003200420052006200720081.101.001.301.501.351.201.503.53.73.94.24.03.83.70.310.270.330.360.340.320.402.72.32.83.02.92.73.4

表5 消除标志漂移变化影响磁偏角基线值DB年变化表

5 结论和建议

静海地磁台历年标志漂移无规律性,带来的磁偏角观测误差最小0.10′、最大1.00′,其绝对精度超出1nT标准,反映在磁偏角基线值图上离散度大、温度系数离散度大,同时它也影响地磁七要素中北向分量X=HcosD和东向分量 Y=HsinD的值,为了消除这种影响,每次观测后处理数据时都要减掉漂移量,每年年底做地磁观测报告时还要重新复核。

据地球物理研究所专家周锦屏在其论文中写道:静海地磁台利用水泥杆作为方位标志,其优点经济,但其最大缺点受日照、气温等气象因素影响,易发生形变,其最终结果使得磁偏角每年有可能会造成约0.5′～0.8′的漂移。为此,建议:(1)观测者在不搬动仪器的条件下观测磁偏角时须对远近标志瞄准读数记录,以监测标志的长期变化。(2)在“十五”台站改造时,有必要将水泥杆改建成塔式标志,以确保标志稳固不变形[2]。

据1989年全国对地磁台网调整结果,一类台15个,二类台 21个,区域台 133个,全国共有 169个地磁台。这些台站中大部分利用水泥杆或木质杆作为方位标志,像静海地磁台一样极有可能发生漂移,给正常的观测工作带来诸多麻烦,为了获取连续完整高精度的地球磁场变化数据,建议以建成塔式标志为宜,确保标志稳固不变形。

[1] 周锦屏.中国地磁台网观测与研究进展[J].地震地磁观测与研究,1999,20(5):113-120.

[2] 周锦屏,徐学恭,尚先旗.静海地磁台天文方位角测量及其质量评估[J].西北地震学报,2003,25(3):281-285.

[3] [波]Jerzy Jankowski,[芬]Christian Sucksdorff.地磁测量与地磁台站工作指南[M].北京:地震出版社,1999.

[4] 吕凤章,解用明,张双凤.提高地磁绝对观测数据精度的有效途径[J].华北地震科学,2007,25(1):53-55.

Research on the Stability of Geomagnetic Azimuth Marks and the Accuracy of Magnetic Declination Observation

WU Yu-tian1,XU Xue-gong1,ZHANG Ming-dong1,ZHOU Jin-ping2,SHANG Xian-qi1,HU Pei-yuan1
(1.Earthquake Administration of Tianjin,Tianjin 300201,China;
2.Institute of Geophysics,CEA,Beijing 100081,China)

The geomagnetic observation station is a scientific research place,from where complete,accurate and reliable data of the earth’s magnetic field changes is output.The description of a measuring point on the earth’s magnetic field is based on seven elements:the magnetic declination D,the magnetic inclination I,the total intensity F,the horizontal component H,the northern component X,the western component Y,the vertical component Z.In fact,only three independent components are direct surveyed,such as D,H,Z or D,I,F,the other elements can be obtained through mathematical functions.However,D is an essential element.This paper analyzes 7consecutive years(2002～2008)observation data of the Jinghai geomagnetic observation station,through meticulous collation and research.The result shows that azimuth marks shift affects the magnetic declination D,keep observing signs stability is very important.

mark drift;the stability of marks;magnetic declination

P315.72

A

1003-1375(2010)01-0048-04

2009-07-24

吴玉田(1950-),男(汉族),天津市人,天津市地震局高级工程师,主要从事地磁观测.E-mail:jinghai2006@163.com