红山台磁通门磁力仪观测数据对比分析

2014-11-27胡秀娟李细顺王利兵畅国平王秀敏

华北地震科学 2014年2期

胡秀娟，李细顺，王利兵，王静，畅国平，王秀敏，梁斌

（1.红山基准台，河北邢台 054000；2.新乐地震台，石家庄 050700）

0 引言

提供准确可靠，连续完整的资料是地磁台的基本任务。随着D.I.F 绝对观测技术的发展及各台站多套数字化记录仪器的配备，使得地磁台站观测数据有可能达到更高精度和更高准确度［1］。对于同一个地磁台站来说，多套观测系统的观测资料应该高度一致［2－3］。针对这种情况，对红山台2 套由北京天祥地球物理技术开发公司生产的GM4磁通门磁力仪观测的资料进行了研究。为做对比分析，将2012年6月安装在红山台进行测试实验的北京市京核鑫隆科技公司生产的GM4－XL仪一并引入。

1 台站观测环境

红山台属于国家基准地震台，始建于1966年，坐落在隆尧县山口镇北部，周围是广阔的冲积平原，台站远离城镇和村庄，干扰源较少，是理想的地震观测场所。2005年开始建设地磁记录室，经勘选后场地范围内磁场水平梯度小于1.0nT／m，电磁环境干扰背景噪声≤0.1，静态磁场干扰≤0.5。地磁记录室为地下双层石拱顶石灰石磁房。通道向北长12m，洞口房20m2。地磁室设4个大理石仪器墩，东西向排列，墩基连为一体，室内为大理石地面。磁场水平梯度小于1.0nT／m，日温差≤0.3°，年温差≤10°，室内相对湿度≤85%，满足地磁观测规范要求。记录到的地磁场短期和长期变化能代表所在区域的地磁场特征。

2 观测仪器简介

红山台在十五项目改造后，2006年9月安装了2套GM4磁通门磁力仪（以下简称GM4－1和GM4－2），该仪器由3 部分组成：探头、模拟装置和主机。具有灵敏度高、频带宽等特点，用于地磁场相对观测，测量地磁场水平分量H、垂直分量Z、偏角D，同时督视探头温度T，产出秒值数据。2012年6月底安装了GM4－XL仪（以下简称GM4－3），该仪器为测试仪器，测试时间2个月。GM4－1、GM4－2和GM4－3分别安装在相对记录室2号墩、1号墩和3号墩。

2009年5月安装了绝对观测仪器MINGEODIM 磁通门经纬仪，该仪器由无磁经纬仪、磁通门传感器、磁通门检测器3部分组成，用于观测磁偏角D 和磁倾角I，作为第一观测仪使用近零法进行观测，同时配合G856质子式磁力仪，与GM4磁通门磁力仪组成了一套完整的地磁场数字化观测系统。各仪器性能指标参数见表1。

表1 仪器性能指标参数

3 观测数据对比分析

3.1 参考背景噪声比较

地磁观测参考背景噪声是指固定台站某套仪器对磁场变化响应的灵敏程度，现以列为台网数据质量评比的一项重要内容。表2为2011年2套仪器D、H、Z分量背景噪声值及台网公布的参考背景噪声值。从表2中可知，GM4－1仪全年共有1次背景噪声值大于台网公布的背景噪声值0.01情况，出现在7月份Z分量，D 分量和H 分量的背景噪声值均未超限；GM4－2 仪全年共有12次背景噪声值大于台网公布的背景噪声值情况，其中包括D 分量3次，分别为2月、5月、6月，Z 分量9 次，分别为1月、2月、3月、4月、5月、7月、8月、9月、12月，H分量未出现超限情况。从2套仪器的差值中可以看出，GM4－2仪各分量背景噪声值明显大于GM4－1仪各分量背景噪声值，Z 分量尤为明显，全年各月背景噪声值均大于GM4－1仪背景噪声值，有2次差值高达0.04nT，分别出现在4月和9月。

表2 2011年红山台GM4－1、GM4－2及台网公布的参考背景噪声值

3.2 基线值比较

基线值是指加上记录数据后获得的测量值的最终值。理论上基线值为一恒定值，但由于观测误差，仪器本身存在的温度系数和零点漂移等原因，基线值会有一定的变化［4］。2010年全年使用MINGEODIM 磁通门经纬仪进行了104次近零法观测，每次观测数据2～3组，通过观测的数据分别计算出2套GM4的基线值。按观测规范要求，每月计算出D、H、Z分量月剩余标准差，D 分量＜0.1′，H、Z 分量＜1.0nT。这也是衡量记录仪器运行状况好坏的一个标准［2］。月剩余标准差的计算公式见式（1）。

Y1i为观测基线值，Y2i为采用基线值，n为一个月内绝对观测次数。

表3为2010年红山台GM4－1、GM4－2基线值的月剩余标准差，从表3中可知，GM4－1、GM4－2仪D、H、Z 分量月剩余标准差值均符合规范要求，但GM4－2各分量的月剩余标准差值要大于等于GM4－1，其中D 分量全年共有4次差值为0的情况，分别是1月、5月、9月、12月，其余月份值大于GM4－1仪。H 分量全年共有1次差值为0的情况，出现在9月，其余月份值大于GM4－1仪。Z 分量全年共有1次差值为0的情况，出现在2月，其余月份值大于GM4－1。

表3 2010年红山台GM4－1、GM4－2基线值的月剩余标准差

3.3 预处理分钟值数据比较

对数据的分钟值进行预处理时，发现2套仪器产出的分钟值数据图形不重合现象，为了对比分析，引入了测试仪器GM4－3的观测数据。选取2012年6月7日3小时时段3套仪器H 和Z分量的观测数据，绘制了分钟值曲线图（图1、图2）。

图1 2012年6月7日H 分量预处理分钟值曲线

图2 2012年6月7日Z分量预处理分钟值曲线

从图1中可见，3套仪器H 分量预处理分钟值曲线变化形态一致，其中GM4－1和GM4－3曲线重合性较好，GM4－2曲线偏离GM4－1和GM4－3，偏离幅度最大达到0.7nT。

从图2中可见，3套仪器Z分量预处理分钟值曲线变化形态一致，但不重合现象较为明显。GM4－1和GM4－3保持较好的重合性，GM4－2曲线明显偏离GM4－1和GM4－3，最大偏离幅度达到2.0nT。

3.4 日均值比较

为了考察2套仪器观测数据的内在质量，选取了2010年2套仪器的日均值数据，分别绘制了各分量的日均值曲线图（图3～图5）。

图3 分量日均值曲线

从图3、图4、图5中可见，2套仪器3分量日均值变化曲线形态一致性较好，年变趋势一致。日均值差值主要检验相对记录方面的问题，能表现出基线值所不能消除的各种影响因素［5］。计算2套仪器各分量的日均值数据差值，得出如下差值范围：D 分量≤±0.05′、H 分量≤±0.8nT、Z 分量≤±0.6 nT。理论上，2套仪器日均值的差值应该为0，但是由于种种条件限制，只能是趋于0附近［6］。