肇庆地磁台基线值观测精度分析

罗玉芬，王建格，陆镜辉

（广东省地震局，广州 510070）

0 引言

肇庆地磁台是国家基准地磁台之一，对于一个合格的国家基准地磁台必须标配两套D、I、F组合观测仪进行绝对观测，绝对观测是为了确定基线值。通过基线值可以监视包括绝对观测和相对记录在内的整个地磁观测系统的工作状态，并能借助于基线值求得相对记录仪记录到的任意时刻的地磁场绝对值，取得最终的地磁观测结果[1]。因此基线值是绝对观测仪和相对记录仪工作状态的综合反映，它是检验地磁资料内在质量的主要标准之一[2]。基线值的观测精度也最终决定了地磁台站观测数据产出的准确和可靠程度。同时配备两套绝对观测仪进行观测，既起到了互相监督的作用，又补充了各自的不足，保证了观测资料的连续和稳定[3]。本文对肇庆地磁台两套绝对观测仪MAG-01H（010B）型及TDJ2（E）型磁通门经纬仪产出的观测数据进行定量分析，评估2019年肇庆地磁台基线值的观测精度和观测数据的内在质量。

1 台站概况

肇庆地磁台是中国地震局地磁观测台网的重要台站（见图1），其前身为广州地磁台，自1994年起，广州地磁台因受广州地铁和华南快速干线等市政建设的影响，地磁观测环境受到严重的干扰。1996年开始地磁台新址的勘选工作，1998年完成基建设计，1999年开始土建工程，2001年11月底完成基本建设，2001年12月18日开始数字化地磁观测，是中国地震局地磁观测台网中较早实现高标准数字化观测的地磁台。

图1 肇庆地磁台地理位置图Fig.1 Geographic location map of Zhaoqing Geomagnetic Station

肇庆地磁台所处大地构造部位为NE-SW向吴川—四会断裂带的南东侧。在台址的南侧分布有上第三系砂砾岩和大面积的奥陶系石英砂岩。台址基岩岩性为下侏罗—上三迭统褐红色、褐黄色砂砾岩，风化层较厚。台站勘选时地磁场总强度的水平梯度均小于1 nT/m，台站基本建设完成后，复测台址内地磁场总强度的水平梯度仍小于1 nT/m[4]。

肇庆地磁台的观测环境良好，地磁观测项目齐全，仪器设备先进，是国家基准地磁台和国际实时地磁观测台网（INTERMAGNET）的成员台，是国内地磁观测条件和数据质量最好的地磁台之一。肇庆地磁台对本地区的地磁场进行观测，为国内地震预报、地磁及空间物理科学研究等领域提供连续、准确、及时的观测数据[4]。

2 观测系统构成

国家基准地磁台站观测系统通常分为绝对观测和相对记录两大部分。绝对观测是对地磁场要素绝对值的测量，观测的数值代表了被测要素真实的大小和方向。相对记录是对被测地磁场要素相对于某一基值变化量的连续测量，此基值称为基线值，基线值不是一个常数，随时间在不断变化[5]。肇庆地磁台的相对记录仪能长期连续地记录地磁场的磁偏角D、水平强度H、垂直强度Z相对变化的分钟值和秒数据，同时还可记录磁场总强度F和温度T的分钟值。通过每周两次对地磁场D、I、F三个独立要素的高精度的绝对测量来定期测定相对记录仪器的基线值，最终将相对记录仪记录的地磁场相对变化值转换为绝对值。绝对观测与相对记录两大部分互为补充，相辅相成，构成了一套完整的地磁观测系统[5]。

肇庆地磁台配备MAG-01H（010B）型及TDJ2（E）型两套磁通门经纬仪，用于测量磁偏角D和磁倾角I的绝对值，一台GSM-19T质子旋进式磁力仪用于测量地磁场总强度F的绝对值。根据《地震台站建设规范（地磁台站）》（DB/T 9-2004）的技术要求[6]，绝对观测类仪器受温度和湿度的影响较小，这三台仪器都放置于采取一般保温防潮措施的绝对观测室内，全年室温在13℃～33℃间，相对湿度小于85%。因相对记录仪观测精度受温度和湿度的影响较大，FGM-01型相对记录仪的探头安置在地下室结构的相对记录室内，全年室温在21℃～25℃间，日温差小于0.1℃，年温差＜4℃，相对湿度小于73%。绝对观测室和相对记录室之间相距约70 m，绝对观测室和相对记录室内的地磁场水平及垂直梯度均小于1 nT/m。肇庆地磁台的绝对观测仪和相对记录仪器的各类参数见表1、表2。

表1 绝对观测仪器参数一览表Table 1 Parameters list of absolute observation instruments

表2 相对记录仪参数一览表Table 2 Parameters list of relative recorder

3 基线值观测精度分析

3.1 基线值观测数据选取

肇庆地磁台在2019年度中使用MAG-01H（010B）磁通门经纬仪与GSM-19T质子磁力仪组合在绝对观测日共进行绝对观测104次，同步使用TDJ2（E）磁通门经纬仪与GSM-19T质子磁力仪组合进行绝对观测101次，每次每套绝对观测仪观测3个测回，从3个测回中优选两组数据，取平均值，最终确定基线值。全年观测时段选择每周一、周四，避开正午11时至14时地磁场扰动较大的时刻，这样可进一步提高基线值的观测精度和稳定性[7]。FGM-01相对记录仪全年记录状况优良，没有数据丢失和中断现象，资料连续率达100%。按照《地震电磁数字观测技术规范》要求对相对记录数据中的高压直流输电干扰、其它干扰产生的异常数据都进行了数据预处理[8]。地磁台站日常数据处理流程见图2。

图2 地磁台站日常数据处理流程图Fig.2 Flow chart of daily data processing of geomagnetic stations

3.2 基线值月剩余标准偏差

中国地震局地磁观测台网地磁观测资料质量评比规定，磁偏角基线值（DB）月剩余标准偏差（σDB）最大限定值为0.1′，水平强度基线值（HB）和垂直强度基线值（ZB）月剩余标准偏差（σHB、σZB）最大限定值为1 nT。肇庆地磁台2019年MAG-01H（010B）型及TDJ2（E）型磁通门经纬仪产出的三个分量基线值月剩余标准偏差见表3。可以看出，两套仪器DB、HB、ZB三个分量基线值月剩余标准偏差均符合地磁观测资料质量评比规定的要求，且比最大限定值小很多，说明两套仪器的工作状态是稳定的。基线值月剩余标准偏差反映了基线值观测数据的离散程度，月剩余标准偏差越小，基线值偏离平均值就越少，基线值就越稳定，反之亦然。基线值月剩余标准偏差目前是衡量地磁观测资料质量的重要指标之一。

表3 MAG-01H（010B）和TDJ2（E）两套磁通门经纬仪观测基线值月标准偏差对照表Table 3 Comparison table of monthly standard deviation of baselinevalues observed by MAG-01H（010B）and TDJ2（E）fluxgate theodolites

3.3 基线值变化与仪器的温度效应

为分析基线值观测数据受FGM 01型磁通门磁力仪（相对记录仪）传感器探头温度变化的影响，绘制了肇庆地磁台2019年MAG-01H（010B）型及TDJ2（E）型磁通门经纬仪产出的三个分量基线值和相对记录室温度曲线，见图3。从图3中明显可以看出：两套仪器H、Z分量基线值与相对记录室温度变化趋势基本一致，D分量基线值则不显著。由于相对记录仪运行的稳定性受温度的影响变化较大，为了定量的评价相对记录仪的温度系数、漂移量等影响因素。通过对两套仪器D、H、Z三分量的基线值进行多元回归分析，求出温度系数、平均日漂移和年漂移量、基线值年变化范围和标准偏差，见表4。

图3 2019年MAG-01（O1OB）和TDJ2（E）经纬仪基线值和相对记录室温度曲线Fig.3 Curves of baseline valueand relative recordingroomtemperatureof MAG-01（O1OB）and TDJ2（E）theodolites in 2019

表4 2019年MAG-01H（010B）和TDJ2（E）磁通门经纬仪基线值变化参数统计表Table 4 The parameter statistics table of the baseline value changes of the MAG-01H（010B）and TDJ2（E）fluxgate theodolitesin 2019

以D分量基线值DB为例，建立基线值的多元回归方程如下：

其中，DB（i）为某一次D分量基线值，T代表相对记录室温度，t代表时间，εi为标准偏差，N为观测次数。a0为常数项，a1为相对记录仪器传感器探头的温度系数，a2为漂移量。根据理论分析和实践经验可知，除了绝对观测误差外，影响基线值的主要因素是相对记录仪器的温度效应和滑动影响（滑动是随时间单调增加或减少的一种漂移，因此它是时间的函数）[2]，本文主要分析这两种影响。

结果显示，FGM 01型磁通门磁力仪传感器探头H分量温度系数为0.97 nT/℃～1.01 nT/℃，计算出的温度系数与厂家标称≤1.0 nT/℃基本相符，说明FGM 01型磁通门磁力仪H分量传感器探头有一定的温度效应。FGM 01型磁通门磁力仪传感器探头Z分量温度系数为1.76 nT/℃～1.79 nT/℃，计算出的温度系数超出厂家的标称值，Z分量传感器探头温度效应大。FGM 01型磁通门磁力仪传感器探头D分量温度系数为0.7 nT/℃～0.8 nT/℃，计算出的温度系数小于厂家的标称值，D分量传感器探头温度效应小，基本不受温度变化的影响。

D分量基线值年漂移0.081′（取两套仪器的平均值，以下均同。），年变化范围0.42′，标准偏差0.123，基线值曲线变化平坦，波动不大，全年无突跳。H分量基线值年漂移0.057 nT，年变化范围3.05 nT，标准偏差0.765，基线值曲线变化也比较平坦，波动不大，全年无突跳。Z分量基线值年漂移-0.08 nT，年变化范围4.5 nT，标准偏差1.19，基线值曲线较为平坦，随温度变化有波动，全年无突跳。

为分析基线值与相对记录室温度的关系，从表5可看出：D分量基线值与温度的相关性较小，相关系数分别为0.8428和0.8555。MAG-01H（010B）H分量基线值与温度的相关系数为0.8777，而TDJ2（E）的相关系数为0.9263，可见MAG-01H（010B）H分量的基线值受温度影响比TDJ2（E）小。Z分量基线值与温度的相关性较高，相关系数分别为0.9398和0.9272，两套仪器均呈现完全的正相关，表明传感器受温度的影响很大。同上面的FGM 01型磁通门磁力仪传感器探头Z分量温度系数偏高的分析意见一致。

表5 2019年MAG-01H（010B）和TDJ2（E）磁通门经纬仪基线值与相对记录室温的相关系数Table 5 The correlation coefficient between the baseline value of the fluxgate theodolites of MAG-01H（010B）and TDJ2（E）in 2019 and the relative recording room temperature

4 讨论和结论

根据上述分析结果，肇庆地磁台2019年MAG-01H（010B）型及TDJ2（E）型磁通门经纬仪产出的基线值观测数据，DB、HB、ZB三个分量基线值月剩余标准偏差σDB分别为0.0091′和0.0108′，小于最大限定值0.1′；σHB分别为0.1216 nT和0.1121 nT，小于最大限定值1 nT，σZB分别为0.0978 nT和0.1197 nT，小于最大限定值1 nT，均完全符合中国地震局地磁观测台网观测资料质量评比规定的要求，且远优于规定的最大限定值。D和H分量基线值年漂移量较小，基线值曲线变化平坦，波动不大，全年无突跳。Z分量基线值年漂移稍大，随温度变化有所波动。两套仪器DB、HB、ZB三个分量基线值的变化趋势一致，稳定性好，具有同等观测精度。

FGM 01型磁通门磁力仪传感器探头D分量温度系数小于厂家的标称值，表明D分量传感器探头温度效应小，基本不受温度变化的影响。H分量温度系数与厂家标称的基本相符，有一定的温度效应。Z分量温度系数超出厂家的标称值，表明Z分量传感器探头温度效应大。原因可能是传感器探头的感应线圈和补偿电路受温度的影响，由于补偿磁场的不均匀，当温度改变时，磁心位置发生变化，引起补偿磁场的滑动，造成输出的突跳和漂移〔9〕，需要厂家在制作工艺上加以完善。

两套仪器D分量基线值与温度的相关性较小，比较一致；H分量的基线值与温度的相关系数MAG-01H（010B）比TDJ2（E）小，可见MAG-01H（010B）受温度的影响比TDJ2（E）小；两套仪器Z分量基线值与温度的相关性都高，表明两套仪器Z分量基线值受温度的影响都大，这与FGM 01型磁通门磁力仪Z分量传感器温度效应大相关。

综上所诉，得以下结论：

（1）肇庆地磁台两套绝对观测仪器测量的基线值的观测精度高，整个观测系统的工作状态稳定可靠，产出的地磁观测数据系统误差小，内在质量高。

（2）FGM 01型磁通门磁力仪Z分量传感器探头温度系数超出厂家的标称值，需与厂家联系更换探头或维修，这将进一步提高整个观测系统的观测精度。

（3）英国产的MAG-01H（010B）在肇庆台已运行20多年，仪器的性能和运行状态依然保持良好，国产的TDJ2（E）在肇庆台运行2年多，观测精度也达到国际先进水平，虽然H分量受温度影响略大，可以在仪器制作工艺上再加以改进，同时维护观测环境，提高观测人员的操作水平也很重要。

（4）2019年肇庆地磁台相对记录室最低温度22.88℃，最高温度24.76℃，平均温度23.80℃，年温差仅1.88℃，为FGM-01型磁通门磁力仪的运行提供了良好的观测环境，尽量减少了传感器探头的温度效应，以保证基线值的稳定性。