数字地磁绝对观测若干问题探讨＊

邓 娜 杨冬梅 杨艳芳 陈 俊

(1)湖北省地震局,武汉 430071 2)中国地震局地球物理研究所,北京 100081 3)蒙城地震台,亳州 233527)

数字地磁绝对观测若干问题探讨＊

邓 娜1)杨冬梅2)杨艳芳1)陈 俊3)

(1)湖北省地震局,武汉 430071 2)中国地震局地球物理研究所,北京 100081 3)蒙城地震台,亳州 233527)

结合全国地磁台网 2008年的观测数据,研究了绝对观测中应该注意的问题,如D I仪操作的基本技术、基线值计算中软件的使用技巧和基线选定的方法,以及绝对观测仪器的维护等。

D I仪;基线;绝对观测;维护;地磁台网

1 引言

随着中国数字地震观测网络工程的实施,我国地磁台网已基本实现了数字化和网络化,绝大多数台站在新的技术框架下运行一年有余。在对 2008年地磁资料评比过程中,发现由于新的预处理方式带来了一个不可忽视的问题——基线值选定问题。本文将通过对各台站基线值采用中出现的问题,对地磁绝对观测中的相关技巧及应注意的事项进行探讨。

2 绝对观测的内容

地磁台站绝对观测,是通过确定磁通门磁力仪记录的基线值,来控制磁通门磁力仪随温度和记录墩倾斜的漂移;通过确定分量质子磁力仪记录的基线值,来控制分量质子磁力仪转向差 (装置误差)的变化及随线圈变形、记录墩倾斜的漂移。

2.1 D I仪的操作

观测的要求具体有：仪器严格置中、置平,测量时尽量选择在日变化平静期间,观测计时表对时,避免手扶握磁通门探头等。观测中经常出现的错误在观测曲线中的表现形式如图 1所示。

图 1(a)是A台新建基准台和工作人员对地磁观测要求不熟悉所造成的错误。从基线值图 1(a)上能看到前期三分量同一天观测的两组Db差远大于规范要求的0.1′,Hb和 Zb远大于1 nT;而不同天观测的数据差更大。后期操作熟练后,观测情况好一些,但还是没达到规范要求的精度。

图 1(b)反映出B台 1—5月 3人不同的观测结果的差很大,致使基线跳动大。从图 1(b)中还能看到,有很多天只有一组观测数据,这是观测规范绝不允许的。

上述两个台站反映在基线值图上的问题,完全是人为导致的。具体原因为：

1)观测人员的观测技术不熟练;

2)多人观测时,对标志的观测存在人为误差。

解决办法：

1)建立绝对观测个人负责制;

2)对于多人观测的台站,对读标志的位置及方法进行约定,以减小不同观测人员对标志读数的偏差;

3)为提高偏角观测精度,特别应注意使用 mingeo-D I仪观测D时,在第二、第四观测位置,置好仪器在读数前,应将度盘从水平方向换到垂直方向,查看垂直读数测微器位置是否对齐。

单台检验基线观测好坏最直观的办法是：每次观测不少于 3组数据,选定的两组观测数据 Db之差不能超过 0.1′,Hb、Zb之差不超过 1 nT(M I NGEO精度要求更高)。隔天观测数据如果有较大跳动,应加密观测,查找跳动原因,并填写绝对观测日志。

图 2所示误差则是出在环境干扰上。

C台(图 2(a))在 2008年 9月 17—26日期间,修建相对记录室,致使 18—20日连续 3天的观测时间段内有缺数,21日补测和 22日的观测数据跳动幅度较大,直至 25日、26日逐渐恢复。

图1 观测出错基线图示例Fig.1 Some charts of baseline due to erroneous observation

图2 环境干扰造成基线突跳示例Fig.2 Some baseline mutation caused by evironment disturbance

D台(图 2(b))也是因基建 FHD受影响严重, 12月 1—31日因基建造成两套记录 D、H基线值的跳动量分别达到 0.86’与 4.6 nT。

2.2 处理软件的使用

2.2.1 基线值计算的方法

观测结束后,将观测资料录入到处理软件中进行计算。所有数据最终将归算到台站选定的唯一的标准墩上,理论上台站不论有多少台套记录仪,最终产出的绝对值数据应该是一样的。这里就会涉及到各套仪器参数的录入,包括墩差、仪器差、仪器正反向、仪器格值等。还有一个计算中选择哪套仪器记录的总强(F)参与计算的问题,及 F与标准墩墩差的问题。除此之外,还有一个相对仪器记录差异的问题。如果中间任何一个环节出现错误,将导致年终两套相对记录仪资料不一致的情况(图 3)。

图3 同台G M4和 FHDZ-M15绝对分钟值图Fig.3 Absolute munite values of G M4 and FHDZ-M15 at the same station

2.2.2 基线值有效结果标注的方法

在前兆台网处理软件“地磁”菜单下,“数据计算”选项下的“实测基线值计算”中,允许一天录入50组观测数据 (这是为比测或台站观测日变化记录准确度、标定等工作准备的),但最后显示在“采用基线值选定”菜单下观测区里的只有两组数 (实际只有两组数据成为观测基线数据),要将多组数据中质量较好的两组数据存入数据库,我们就要将这两组数据勾选成“当前页观测基线值有效”。

2.2.3 基线值质量检验的方法

计算基线后,数据处理软件会自动计算出D I仪的各项指标。检查绝对观测质量的资源有：1)通过前兆数据处理软件中“质量控制”检查 (图 4);2)透过台网中心网页 http：//10.2.210.50/qualityPB/ BlvDefault.aspx来检查。

图4 质量控制功能Fig.4 Performance of quality conctral

2.3 基线值的采用

2.3.1 预处理时基线值的选择

光记录时代,日常观测曲线不能人为修改。数字化以后,计算机为快速有效地处理地磁资料提供了新的方法。最终有效的地磁数据加了基线的绝对值,所以在台网管理中,考虑到台站仪器安装、维修或直流干扰等情况的存在,为了统一计算标准,允许台站的处理资料中存在天与天之间的台阶,因为这些台阶在经过基线校正后还是能正确反映磁场的变化的。但是,这并不是意味着错误的预处理所造成的天与天之间的台阶的存在是合理的。

错误预处理造成的错误有两种表现形式：一是人为改正出一个台阶 (图 5);二是台站出现仪器故障,或者UPS故障,或者搬动仪器等其他不可抗因素造成的数据跳动,使一天内的记录曲线有台阶存在(图6)。

图5 人为改正出的错误台阶示例Fig.5 Cases of erroneous steps cause byman-made correction

从图 5(a)中可知,这完全是人为做出的错误台阶。这个台阶从 04点一直到 24点。在台站没有跟进基线值选定的情况下,这一天计算出的绝对值远小于实测值,所以反映在日均值上,比相邻台站都要小。造成这种台阶的情况是使用了处理软件中去台阶功能下的“选定起点自动处理”。严格地说,这样的处理,再怎么选定基线也是不正确的。所以建议台站不要轻易使用“选定起点自动处理”功能。

从图 5(b)中看到在水平分量上,1月 10日为整天对称台阶。这样的错误,虽然通过对基线值的合理选定可以纠正,但我们不提倡这样做。正确的做法是在预处理时就避免出现这种错误。一般通过处理软件中的相对差值检测功能,多看几天的原始和预处理对比曲线,就能发现问题并改正。这样做的好处是,不会在相对记录曲线上留下台阶,也不用刻意指定基线值,并在基线值曲线上造成基线选定错误的假像。

图6 不可抗力造成的日变曲线台阶示例Fig.6 Cases of daily curve steps caused by force majeure

由图 6(a)可知,台站在 4月 8日 01时水平分量有跳动,修正台阶至4月 8日 24时,保证了 4月 8日曲线的连续光滑。这时台站必须注意基线值选定的问题。如果 4月 8日不是观测日,基线选定就应该按前一次观测选定。如果是观测日,最简单的办法就应该是将 00点到 01点的台阶向上,直接选定4月 8日的基线。

图 6(b)是因为基建干扰,每个世界时两点左右在各分量上都留下向上的台阶,台站做了正确的预处理,将台阶留在了天与天之间。但是因为基线选择没有考虑到干扰改正的问题,导致该台的日均值计算出现错误。

2.3.2 高压直流干扰台站基线值的选择

高压直流干扰也是一种不可抗拒因素。目前,河南、湖北、安徽、江苏、上海、浙江、福建、江西、湖南、广东、广西、贵州和云南等 13个省、共 26个地磁台受到了明显干扰,其中丹江、武汉 (九峰)、钟祥、当阳、金寨、泾县、南京、海安、邕宁、河池等台站受干扰严重,轻则几纳特,重则几十纳特,单次干扰持续几十分钟或数小时,有时甚至长达几十小时 (图7)[?]。

图 7 武汉台(九峰)受高压直流干扰造成的台阶Fig.7 Curve steps caused by high voltage DC disturbance atWuhan station

武汉台(九峰)地磁台阶,对真实的磁场来说,这是一个附加的干扰量,只需用去台阶功能去掉它就行。如果这一天不是观测日,就不需要考虑基线问题,如果是,计算及选定基线的正确做法是,在预处理去台阶前(用原始转换数据)计算基线值(这是因为观测时,仪器记录的是真实的当下的绝对磁场,这样计算的基线才是真实的),然后用去台阶功能,去掉高压直流干扰影响的跳动量即可。

2.3.3 仪器漂移的基线值选择

武汉台 (九峰)在 11月 14日经历了一次强降温,观测员在对降温后的绝对观测资料进行计算后发现,FHDZ-M15组合观测仪的偏角基线发生跳动,跳动量为 0.5 nt,第二天补测,偏角基线继续上跳0.1 nt。但在 G M3记录仪上只发现 0.15 nt的跳动,补测时基线几乎未跳动(图 8)。

图8 武汉台(九峰)的基线数据Fig.8 Baseline data of theWuhan station

台站在排除了观测方法的错误、绝对观测仪故障的因素后,发现 FHDZ-M15组合观测仪记录的相对值与台站 G M3记录的相对值有一个较大的偏移。而 G M3在台站记录近十年,一直稳定可靠,故判断为FHDZ-M15组合观测仪发生了漂移。相对记录如图9所示。

当台站遇到这种情况时,应将 0.5 nT的变化量分配到 13—15日 3天中。最好的办法是根据台站仪器的背景噪声来选定。从噪声分析看,通常情况下,各个台站的噪声均应能控制在 0.3 nT以下,也就是说,就分钟值记录而言,在现有的条件下,相邻分钟值之间有 0.3 nT的变化是正常的,那么天与天之间的采用基线值差控制在 0.3 nT之内比较理想。考虑到温度对记录数据的影响,在评比时可以把评估基线值有无跳动的标准定为 0.5 nT。

2.3.4 基线选择失误

图 10是各台基线选择出现失误的图例。

图9 武汉台(九峰)的相对记录曲线Fig.9 Relative recording curves at theWuhan station

图10 基线选择失误示例Fig.10 Some cases of fault in baseline selection

图10(a)中,台站水平分量3月1日后有台阶跳动,由于 3月 1日做了一个跳跃台阶,导致 3月中的水平分量绝对值因偏离实际基线而计算出的数据过大。

图 10(b)中,台站 1月观测数据很好,但在水平分量和垂直分量上,做了错误的基线选定。

图 10(c)中,台站 3月 13日、17日、20日、24日、27日为观测日。但在选定偏角基线时,无故跳过 17、20、24日 3天的观测数据,造成 14—26日 12天的绝对值数据延用 13日的基线值,使数据偏小。

3 绝对观测仪器的使用和维护

1)在整个观测过程中,应突出一个“轻”字,即轻拿、轻放、轻操作。旋转无磁经纬仪的照准部或望远镜时宜双手轻轻操作,但不要握在度盘上,不要向一个方向转动,以防止电缆缠绕或卡住仪器。各调节部位应尽量利用其中间一段位置,转不动时一定不要硬转。观测时避免用手扶触磁通门探头。

2)注意仪器配备的蓄电池电量,降到 11V时应及时充电。

3)外露光学零部件表面如有灰尘、水汽或油污等,可用脱脂棉或镜头纸轻轻的擦净。

4)建议台站要给观测仪安装有机玻璃罩,并在罩内放置干燥剂,以防止仪器内部因潮湿滋生菌丝或霉斑影响仪器的观测精度等。

4 小结

绝对观测地磁记录仪器的记录数据只有通过基线值校正,才能反映出地磁台站所代表的地区的地磁场各要素绝对数值及变化情况。地磁绝对观测的准确和可靠程度,决定了地磁台站最终观测数据产出的准确和可靠程度,地磁绝对观测是地磁台站观测系统中的至关重要的环节。

数据网络化后,预处理工作正确与否、基线值选定的时间起点正确与否、绝对观测质量的好坏,都将对产出的绝对数值有直接的影响。

1 中国地震局.地震电磁数字观测技术[M].北京：地震出版社,1995.

2 中国地震局.地震电磁数字观测技术[M].北京：地震出版社,2002.

ON PROBLEM S OF ABSOLUTE M EASUREM ENT IN GEOMAGNETIC OBSERVATORY

DengNa1),YangDongmei2),Yang Yanfang1)and Chen Jun3)

(1)Earthquake Adm inistration of Hubei Province,W uhan 430071 2)Institute of Geophysics,CEA,B eijing 100081 3)M engcheng Seism ostation,B ozhou 233527)

According to the observatory data of National Geomagnetic Observatory Net works in 2008,some problems,such as basic technology for operatingD Imagnetometer,the skill of using absolute measurement computing soft ware,method of choosing the baseline value,and the maintenance of absolute observation instrument,are discussed.

D Imagnetometer;baseline value;absolute observation;maintenance;National Geomagnetic Observation Network

1671-5942(2010)Supp.(Ⅰ)-0129-06

2010-06-30

邓娜,女,1973年生,主要从事地磁观测工作.E-mail：ddjj1000@163.com

P315.63

A