通海台磁通门地磁记录仪基线值日变化现象

张 福，王锡军

(通海地磁台，云南 通海 652700)

0 引言

在数字化地磁观测中，相对记录仪器的性能，特别是其稳定性和可靠性有了极大的提高，而绝对观测仍需人工进行。为了保证相对观测记录基线值的观测精度，需要对相对记录仪器记录的地磁日变化准确度及仪器的特性有所了解，灵活掌握好绝对观测时间，以获得高精度的观测数据。

受探头轴向正交度、格值线性度、安装定向准确度和稳定性、温度稳定性和温度变化等因素影响，地磁相对记录仪器记录的地磁日变化与真实日变化之间有一定误差，并且每个台站和每套仪器的误差均不相同。因此，地磁台站需要定期进行地磁相对记录仪器的标定，定量考察地磁记录仪器记录的地磁日变化的准确程度，以利于确定台站绝对观测的合适时间段及数据的研究应用。

1 通海台的地磁观测仪器

绝对观测的仪器是由匈牙利产MINGEO DIM磁通门经纬仪和加拿大产GSM－19F型OVERHAUSER质子旋进式磁力仪，仪器参数见表1;用于进行相对记录的仪器是丹麦产的FGE型悬挂式数字磁通门磁力仪，及中国地震局地球物理研究所研制的GM4型数字磁通门磁力仪，仪器参数见表2。由MINGEO DIM磁通门磁力仪与OVERHAUSER质子旋进式磁力仪构成 D、I、F绝对观测，实现对M15(FGE型悬挂式数字磁通门磁力仪)、GM4磁力仪基线值的测量和控制。FHDZ－M15地磁总场与分量组合观测系统(FGE型悬挂式数字磁通门磁力仪 +GSM－19F型OVERHAUSER质子旋进式磁力仪)简称M15磁力仪。

2 地磁日变化记录准确度标定分析

地磁台站观测系统的基本组成是绝对观测仪器和相对记录仪器。相对记录仪器能以足够高的幅度和时间分辨率长期、连续地自动记录地磁三要素的相对变化值。绝对观测仪器定期进行地磁三要素的绝对值测量，定出相对记录仪器的基线值，达到既控制记录仪的工作状态，又将所记录的相对变化值转化为绝对值的目的。因此，在地磁台站系统中，基线值是沟通相对记录和绝对观测的桥梁，也是表征地磁台站工作状态的重要参数。磁场平静时，观测精度比较高;磁场扰动较大时，绝对观测误差较大。相对记录仪器工作状态不稳定，绝对观测误差等问题都会在基线值上反映出来［1］。通常情况下，用标准偏差和变化幅度来衡量基线值的精度和稳定性，标准偏差是个综合参数，既反映仪器工作状态好坏，也反映观测误差大小［2］。

表1 绝对观测仪器主要技术参数Table 1 Main Technical Parameters of Absolute Observation Instrument

表2 相对观测仪器主要技术参数Table 2 Main Technical Parameters of Relative Observation Instrument

2.1 地磁日变化记录准确度的标定方法

通海台每年选定一天在世界时00∶00时至10∶00时，每隔1小时，且在每小时时段前30分钟进行一次绝对观测，每次观测取得2～3组有效数据，每组数据观测时间控制在8～10分钟。通过比较绝对观测值与相对记录值差值，也就是基线值的变化，来定量估计地磁日变化记录的准确度。因此对地磁日变化记录标定数据的分析即是对标定日连续多组基线值观测数据的分析。频繁进行加密绝对观测是不可行的，因此这种标定方法实际上是抽样标定，在不同的磁场扰动情况下可能有不同的标定结果。

2.2 地磁日变化记录准确度分析

为了比较真实的反应观测过程中基线值的变化，以及观测误差大的数据分布情况，直接使用实测基线值。将基线值 DB、HB、ZB三分量观测数据、相对记录预处理分钟值数据绘制图件，进行对比分析(图1)。图中纵坐标DB的单位为分，HB、ZB的单位为nT，横坐标代表时间，以小时为单位。这里主要对基线值与地磁场的变化形态及变化幅度进行对比分析，为了使图形直观、明了，每组基线值数据减去其均值;代表地磁场变化的相对记录预处理分钟值数据也减去其均值，分钟值数据为M15磁力仪记录值。

图1为标定时段基线值数据与相应时段地磁场分钟值数据，(a)为M15磁力仪基线值;(b)为GM4磁力仪基线值;(c)为相对记录地磁场分钟值数据。

从图1可以看出，M15磁力仪基线值DB、HB变化幅度不大，变化趋势为一近似直线，与地磁场日变化无明显的相关性;ZB则随地磁场日变化起伏，2011年10月12日的数据尤为明显，起伏较大;四次标定的基线值ZB具有一定的变化形态，与地磁场Z分量日变化形态相反。

GM4磁力仪基线值 DB变化幅度不大、ZB虽然有一定的变化幅度，它们却没有明显的变化形态，其变化趋势也为一近似直线，与地磁场日变化无明显的相关性;HB则随地磁场日变化起伏，变化幅度较为明显，与地磁场 H分量日变化形态相似。

图1 标定时段基线值数据与相应时段地磁场分钟值数据对比分析Fig.1 Data Comparative Analysis of Calibration Period Baseline Value Data and the Corresponding Time Geomagnetic Minute Value

表3、表4分别为M15、GM4磁力仪基线值标准偏差、变化幅度及记录地磁场变化幅度。从表中可见，四次观测两套磁力仪基线值的观测误差均很小，M15磁力仪基线值 σD≤0.02'、σH≤0.20 nT、σZ≤0.37 nT;GM4磁力仪基线值 σD≤0.02'、σH≤0.41 nT、σZ≤0.28 nT;均满足《数字地磁台网观测资料质量评比办法》σD≤0.10'、σH≤1.0 nT、σZ≤1.0 nT的要求。在整个标定时段内 M15磁力仪 DB变化幅度不超过0.09'，HB不超过0.8 nT;GM4磁力仪 DB变化幅度不超过0.08'，ZB有三次不超过 0.9 nT，2010 年 09 月 08 日因观测时段地磁场扰动较大(表5)，观测误差较大，ZB变化幅度达到1.1 nT。从4年的标定结果看，M15磁力仪 ZB变化幅度均达到或超过0.7 nT;GM4磁力仪 HB变化幅度均达到或超过1.0 nT，变化幅度明显。

M15磁力仪ZB、GM4磁力仪 HB变化幅度与地磁场变化幅度有关。2011年12月05日后两套磁力仪搬迁到重新改造好的新相对记录室工作，之前均在“九五”记录室工作，2012年07月05日的观测数据为仪器在新相对记录室工作的观测结果，记录仪器搬迁、重新架设及观测环境改变，可能会改变记录仪器基线值与地磁日变化的相关程度。

表3 M15磁力仪基线值标准偏差、变化幅度及记录地磁场变化幅度Table 3 Standard Deviation of M15 Magnetometer Baseline Value，Variation and the Recorded Variation Range of Geomagnetic Field

表4 GM4磁力仪基线值标准偏差、变化幅度及记录地磁场变化幅度Table 4 Standard Deviation of GM4 Magnetometer Baseline Value，Variation and the Recorded Variation Range of Geomagnetic Field

表5 标定时段K指数Table 5 K－index of Calibration Period

四次地磁日变化记录准确度标定，基线值观测质量较好，绝对观测不存在问题。两套记录仪器各分量基线值变化形态与地磁场日变化的对比结果均比较一致，M15磁力仪ZB、GM4磁力仪HB与地磁场日变化具有一定的相关性，其他基线值与地磁场日变化并无明显相关性。

3 F－P检验

3.1 F－P检验方法

F是M15磁力仪或GM4磁力仪记录值由经基线值改正后的H、Z分量计算出的总强度F。F计算过程为:H=H记录值+HB(采用基线值)

Z=Z记录值+ZB(采用基线值)

其中，采用基线值在一天之内是一个恒定值。

P是由OVERHAUSER质子旋进磁力仪直接连续测量的地磁场绝对总强度 F，此F值是独立于基线值测量的绝对观测中的总强度测量的，与相对记录仪器无关。通过二者的差值对比，检测相对记录仪器运行状态的稳定性和绝对观测的稳定性。

利用OVERHAUSER磁力仪进行此F(P)记录的意义是更严密地进行资料质量监控，一般而言，OVERHAUSER磁力仪记录数据信噪比高，工作稳定，OVERHAUSER磁力仪是观测地球磁场的标准仪器，它在足够宽的温度范围内，保有0.01 nT的分辨率和0.2 nT的绝对观测精度;为监视数字化记录的短期准确度提供了技术手段。

图2 标定时段F－P值和相应时段地磁场分钟值数据图Fig.2 F-P Value of Calibration Period and Minute Value Data Diagram of Geomagnetic Field in the Corresponding Time

F和P的产出时间同步，并都通化到了台站的标准墩上。由于它们代表的是同一地点同一时间的地磁场总强度值，因此，在理想情况下，F－P的值应接近于零，F－P曲线应是在零附近小幅度变化的一近似直线。其变化状态反映了地磁台站绝对观测对相对记录仪器观测数据的控制水平。F－P可以表示在相邻两次基线值测量之间的分量测值的准确程度。在数字化记录中，随着记录仪器的灵敏度提高，对测值的准确度的要求也相应提高［3］。

3.2 F－P检验结果

图2是标定时段F－P值和相应时段地磁场分钟值数据图。图中纵坐标代表F－P的值，单位为 nT，横坐标代表时间，以小时为单位。这里只是为了比较F－P的值和地磁场日变化的相关性，代表地磁场变化的相对记录预处理分钟值数据也减去其均值，分钟值数据为M15磁力仪记录值。(a)为地磁场 H分量分钟值数据;(b)为地磁场Z分量分钟值数据;(c)为GM4磁力仪F减P值;(d)为M15磁力仪F减P值。

从图2可以看到GM4磁力仪的F－P曲线变化并非一近似直线，而是随地磁场H分量日变化波动，形态与地磁场H分量日变化形态相反;M15磁力仪的F－P曲线变化也并非一近似直线，随地磁场Z分量日变化波动，与地磁场Z分量日变化趋势一致。

GM4磁力仪的F－P曲线变化主要与地磁场H分量日变化形态相关，是由于GM4磁力仪HB与地磁场H分量日变化具有一定的相关性，而且变化趋势一致，而计算得到的地磁总强度F不能反应出这一特性，计算过程中HB是一个恒定值;F－P曲线就显示出这种特性。

M15磁力仪的F－P曲线变化主要与地磁场Z分量日变化形态相关，是由于M15磁力仪ZB与地磁场Z分量日变化具有一定的相关性，而且形态相反，而计算得到的地磁总强度F不能反应出这一特性，计算过程中ZB是一个恒定值;F－P曲线就显示出上述的特性。

F－P值与基线值的变化幅度有很好的对应关系，基线值变化幅度越大，F－P值的变化幅度就越大。GM4磁力仪 HB变化幅度越大，GM4磁力仪的F－P值变化幅度就越大;M15磁力仪ZB变化幅度小，M15磁力仪的 F－P值变化幅度就小。

通海台GM4磁力仪记录的H分量地磁日变化及M15磁力仪记录的Z分量地磁日变化与真实日变化之间有一定误差。尽管误差不大，但在高精度的地磁观测中仍能明显的显示出来。

4 讨论与结论

(1)四次观测两套磁力仪 D、H、Z三分量观测基线值的测量误差较小，实测M15磁力仪基线值 σD≤0.02'、σH≤0.20 nT、σZ≤0.37 nT;GM4磁力仪基线值 σD≤0.02'、σH≤0.41 nT、σZ≤0.28 nT。在整个观测时段内，基线值观测质量较好。

(2)四次地磁日变化记录准确度标定基线值数据及F－P检验均表明通海台M15磁力仪Z分量基线值ZB与地磁场Z分量日变化具有一定的相关性，形态相反;GM4磁力仪HB与地磁场H分量日变化具有一定的相关性，变化趋势一致。其余的基线值虽然在标定观测时段有一定的变化幅度，却没有明显的有规律的变化趋势，观测基线值与地磁场的日变化并无明显相关性。

(3)M15磁力仪 ZB变化幅度均达到或超过0.7 nT，GM4磁力仪 HB变化幅度均达到或超过1.0 nT，虽然变化幅度不大，但是变化趋势明显。在高精度的地磁观测中，通海台的 M15磁力仪ZB、GM4磁力仪 HB有相对明显的“日变化”现象。

(4)在数字化地磁观测中，随着记录仪器的灵敏度提高，仪器比较稳定，基线值变化很慢，几周之内的变化常常在0.5 nT之内，对测值的准确度的要求也相应提高;而基线值存在“日变化”现象的仪器，其基线值在一天之内的变化幅度可能超过1.0 nT;绝对观测时间应该避开地磁场日变化大的时段。

(5)计算地磁观测报告时，选用基线值除考虑绝对观测误差、记录室温度变化等，还须考虑观测日绝对观测时间段地磁场的变化情况，合理选用基线值，产出精准可靠的地磁观测资料。

(6)通海台安装在同一记录室的两套磁通门仪器记录的地磁日变化与真实日变化的误差均不相同。因此，地磁台站需要定期进行地磁相对记录仪器的标定，定量考察地磁记录仪器记录的地磁日变化的准确程度，以利于确定台站绝对观测的合适时间段及数据的研究应用。

［1］ 程安龙.关于基线值拟合问题的讨论［J］.地震地磁观测与研究，1993，14(2):54 －57.

［2］ 高玉芬，程安龙，赵永芬，等.地磁台基线值分析［J］.地震地磁观测与研究，1991，12(2):3 －10.

［3］ 程安龙.中国地磁台站现代化技术研究［J］.地震地磁观测与研究，1999，20(5):54 －66.

［4］ Jerzy Jankowski＆ Christian Sucksdorff.周锦屏，高玉芬，等译.地磁测量与地磁台站工作指南［M］.北京:地震出版社，1999.