GM4磁通门磁力仪观测资料质量分析

贺巍

摘 要：通过观测数据日均值一致性分析、逐步回归法基线值分析以及背景噪声分析，对榆林地磁台两套GM4磁通门磁力仪2011年～2013年的观测资料的质量进行了分析，本文就此次分析进行了详细的说明。

关键词：地磁观测资料；地磁日变化；榆林地震台；

0 引言

地磁观测的基本任务是取得连续完整、准确可靠的地磁场变化资料，为地震预报及其他科学研究服务，分为地磁绝对观测与地磁相对观测[1]。地磁相对观测能够记录到地磁场的日变化信息，但由于受观测仪器探头轴向正交度、格值线性度、温度系数、安装定向准确度和稳定性和观测环境温度变化等因素影响，记录到的地磁日变化与地磁场的真实变化会存在一定的误差，并且每个台站和每套仪器的误差均不相同[2]。但同一个地磁台站的多套仪器的观测资料的变化应该高度一致[3-4]。榆林地磁台（以下简称“榆林台”）配备有两套GM4磁通门磁力仪，自2010年1月起正式运行，现已取得4年的连续、可靠的地磁相对观测资料。而正确评价地磁相对观测资料的质量，是资料使用前应进行的一项工作。为此，笔者通过对榆林台两套GM4磁通门磁力仪2011年至2013年日均值数据一致性分析，利用回归分析方程方法对基线值分析，对背景噪声进行分析等方法，对榆林台GM4磁通门磁力仪的资料质量进行了定量评价。

1 台站概况及观测仪器

1.1 台站概况

榆林台为国家基准地磁台，位于陕西省榆林市西北方向约14km的小纪汗乡昌汉界村，台基是前震旦系地槽型以砂岩为主的碎屑岩构造，底部以灰绿或粉红色厚层长石沙岩和沙质页岩及夹可采煤层或油母页岩为主，上部风化较强，岩体破碎，风化壳深约40m。观测室附近地磁场分布均匀，磁场梯度小于1nT/m 。

1.2 观测仪器

榆林台配备有地磁绝对观测仪器CTM-DI磁通门无磁经纬仪、G856质子旋进式磁力仪和地磁相对观测仪器GM4磁通门磁力仪。其中，按照地震行业标准的要求，GM4磁通门磁力仪D、H、Z各分量的最小示值不大于0.1nt，环境温度T的最小示值不大于0.1℃，噪声应不大于0.1nt（RMS），最大允许误差应不大于±（5%+0.5nt），补偿磁场值的范围为-60000～60000 nt，测量范围为-2000nt～2000nt，温度系数不大于1 nt/℃，频带范围DC～30Hz，三分量传感器的正交度误差应不大于20′。

2 观测数据一致性分析

2011—2013年榆林台两套GM4磁通门磁力仪运转正常，观测数据连续率和完整率均在99%以上。对两套GM4磁通门磁力仪基线值改正后的日均值进行绘图。

3 基线值分析

理论上，在磁照图上的基线是一条不变的直线，当变化曲线与基线相重合时，用绝对观测仪器测得的磁场值即为基线值。如果绝对观测是在任意时间进行的，则有：

DB=D观测-△D；（1）

同样有： HB=H观测-△H；（2）

ZB=Z观测-△Z；（3）

其中DB表示D分量基线值，D观测表示由绝对观测仪器进行定期（周一、周四）观测得到的地磁绝对观测D分量数据，△D为磁通门磁力仪记录的地磁相对数据，通过公式，就可计算得到基线值DB。

3.1 基线值的多元逐步回归分析

对基线值的质量评定一般采用多元逐步回归的方法，基本思路是：设随机因变量y随着m个自变量x1，x2，...，xm变化，并有以下线性关系

y=a0+a1x1+a2x2+...amxm+ε （4）

则（4）式称为回归方程，a0，a1，a2...am为回归系数，ε为剩余误差，是y中无法用x1，x2，...，xm表示的各种复杂因素构成的误差。现使用逐步回归方法，分析基线值变化中的各种影响因素，可得 HB（i）=a0+a1T（i）+a2t（i）+εi

（i=1，2，...N） （5）

其中，HB（i）为某一次某要素的基线观测值，T代表温度，t代表时间，ε为剩余误差，N为观测次数。根据台站N组观测值，相应观测日期记录室温度T（i），距离2013年1月1日的时间t（i）。利用逐步回归算法可计算出a0，a1，a2的估计值，通过统计检验（F检验，选取F1=F2=2）确定回归方程中温度T和时间t的取舍。

本文选取了2013年榆林台的绝对观测数据计算仪器的温度系数与滑动系数（表1，表2）。

表1

根据计算，得到三分量的回归方程为：

D（i）=21355.42-0.02682T（i）-0.00105t（i） （6）

H（i）=29307.5-0.16154T（i）+0.000782t（i）（7）

Z（i）=45472.02-0.9017T（i）-0.01241t（i）（8）

其中，（6）式为磁偏角的回归方程，（7）式为水平分量的回归方程，（8）式为垂直分量的回归方程。利用回归方程，可以得出基线值三分量的预测值与实际观测值曲线。

通过计算，得出了榆林台磁通门磁力仪的温度系数和滑动系数，根据影响基线值的主要因素是温度和滑动，则其他影响因素为剩余标准差。榆林台GM4磁通门磁力仪Z分量的温度系数较高，可以通过增加保温措施，降低温差的变化。另外，通过以上计算方法得出温度系数，消除这种影响，同样也可以保证观测资料的质量。

4 结论

（1）榆林台两套GM4磁通门磁力仪运转正常，取得的观测资料连续、可靠，觀测到的地磁各分量日均值变化一致性较好，相关系数较高；

（2）榆林台两套GM4磁通门磁力仪各分量的基线值主要影响因素为温度系数和滑动系数，Z分量表现最为突出，可以通过逐步回归算法的计算结果消除温度系数的影响，为日后台站选用基线值的准确性提供依据，以保证观测质量；

（3）榆林台两套GM4磁通门磁力仪各分量的背景噪声高于全国台网的平均水平，应采取行之有效的降噪措施，以提高观测资料的质量。