大同地震监测中心站GM4-XL磁通门磁力仪观测数据漂移分析

郝雪景 高龙飞 苏燕红 高存英 闫美蓉

1）中国山西037000 山西省地震局大同地震监测中心站

2）中国山西030025 山西太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站

0 引言

通过地磁观测可以获得地磁场变化信息，地磁观测分为绝对观测和相对观测，GM4磁通门磁力仪是地磁相对观测的典型设备。理论上，同一个地磁台站多套仪器观测数据的变化应保持一致（胡秀娟等，2009）。基于此，胡秀娟等（2014）就红山台、高怡佳等（2018）就天水台各自台站2 套GM4 磁力仪，从背景噪声、基线值、预处理数据、日均值等角度，对观测数据进行对比分析，证实同场地不同仪器观测数据一致性较好，但基于仪器自身原因会存在微弱差异。

大同地震监测中心站（下文简称大同站）在背景场建设项目中架设2 套GM4-XL 磁通门磁力仪（下文简称GM4-XL 仪），置于同一观测场地，于2013 年12 月开始运行，至今已积累大量观测数据。自2017 年以来，2 套磁力仪每年夏秋季节会出现明显的漂移现象，且观测数据差异较大，制约了大同站地磁观测数据质量水平，对地震研究造成一定影响。文中对2017 年以来大同站地磁观测数据进行质量评价，利用山西省其他台站地磁数据进行差值检测，以识别数据漂移时段，分析地磁房附近地质条件、地磁观测室及观测墩建设、降雨等因素与数据漂移的相关性，寻找该中心站GM4-XL 磁通门磁力仪数据漂移原因，以便为改善台站地磁观测数据质量提供思路，为其他存在数据漂移现象的地磁台站提供参考。

1 台站概况

大同站位于大同市南郊区马军营乡上皇庄村，距市区约4 km，地磁观测场地位于台站办公区南侧，测区地形相对平坦、开阔，附近无电磁线路通过，远离居民住宅区、公路、采石场、高压线，地电阻率西供电极距地磁观测场地约70 m。台站配备2 套GM4-XL 仪和1 套OVERHAUSER 磁力仪进行地磁观测，其中GM4-XL 仪由磁通门传感器和主机构成，传感器包括探头和模拟盒。3 套磁力仪探头置于地埋式探头室3 个观测墩上，从东到西分别为GM4b、GM4a 和OVERHAUSER，主机置于距探头约20 m 处的仪器室里，信号经探头电缆传输至模拟装置，数据汇集后传输至台站中心机房。场地布设见图1。

图1 大同站地磁观测场地布设示意Fig.1 The map of the geomagnetic observation site at Datong Station

GM4-XL 仪观测地磁场水平分量H、垂直分量Z、偏角D和探头温度T的变化，通过滤波给出秒采样数据（王晓美等，2011）。

2 质量评价

大同站2 套GM4-XL 仪秒采样观测数据质量较差，结合国家地磁台网中心评比细则可知，数据完整率、背景噪声等不达标，且存在数据预处理错误等现象。

2.1 连续率、完整率

观测数据的连续率反映了原始数据的完整性，完整率反映了预处理数据的完整性，二者可直接表征仪器运行状态及经处理后数据的保留程度。

（1）数据连续率。大同站2017—2021 年（2021 年1—9 月）数据连续率统计结果显示，受数采漏采、仪器故障（GM4a 仪更易出现死机等故障）、停电等影响，连续率无法达到100%，其中GM4a 仪年均连续率为99.85%，GM4b 仪年均连续率为99.88%。

（2）数据完整率。在数据预处理过程中，防雷器安装、场地施工、地电阻率供电等干扰数据，均被视为错误数据被删除处理，使得数据完整率受到影响。大同站地电阻率西供电极距磁力仪探头室约70 m，当供电极每小时供电观测时，形成的电磁场会对2 套磁力仪地磁秒数据产生明显干扰，在每小时记录中，D分量需删除时长近480 s 的数据，H分量需删除时长约150 s 的数据，Z分量需删除时长约330 s 的数据。据统计，GM4a 仪D分量年均数据完整率约85.5%，Z分量约90.5%，H分量约95.2%，GM4b 仪D分量年均数据完整率约85.6%，Z分量约90.7%，H分量约95.3%。

2.2 背景噪声

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，是地磁台网数据质量评比的一项重要内容（胡秀娟等，2014）。将2017 年1 月至2021 年9 月大同站GM4a 和GM4b 仪各测项分量背景噪声值与台网噪声平均值进行比较，结果见图2。

图2 大同站GM4a、GM4b 仪与台网背景噪声值对比Fig.2 Comparison of background noise values between GM4a,GM4b and the national network

（1）GM4a 仪、GM4b 仪噪声分布特征。在2020 年1 月前，GM4a 仪D分量除2018年8 月为0.05 nT，超出台网背景噪声值外，均分布在0.03—0.04 nT 之间，H分量分布在0—0.04 nT 之间，均未超出台网背景噪声值，Z分量分布在0.06—0.08 nT 之间，大多高于台网背景噪声值，且GM4a 仪各分量噪声值低于GM4b 仪，特别是D、H分量。自2020 年1 月开始，GM4a 仪各分量噪声值明显增大，普遍超出台网背景噪声平均值。

GM4b 仪各分量噪声水平全年较稳定，其中：D分量噪声值分布在0.04—0.06 nT 之间，从2019 年10 开始均未超出台网背景噪声平均值；H分量分布在0.05—0.06 nT 之间，均未超出台网平均值；Z分量分布在0.07—0.09 nT 之间，从2019 年10 月开始，仅2020 年12 月数值超出台网平均值。

（2）GM4a 仪噪声变化原因。调查该时段观测环境、仪器故障等，以探究噪声变大原因：①观测环境排查：2019 年12 月9 日至11 日，探头房正上方地面塑料保温棚重新安装，疑持续产生背景干扰，因同场地GM4b 仪各分量噪声水平未增大，排除此环境影响；②2019 年12 月16 日至18 日，因防雷器故障，GM4a 仪出现多次死机现象，需拆除防雷器重启，才能恢复正常连续观测；③2020 年8 月和12 月，在GM4a 仪被2 次重启操作后，D分量和Z分量出现噪声增大现象；④2021 年2 月3 日至19 日，GM4a 仪GPS 模块损坏，导致仪器主机故障进行维修，使用太原站同型号备用主机进行观测，该月各分量噪声值明显减小，3 月恢复至噪声高值水平。

综上可知，GM4a 仪噪声水平增大，应为2019 年12 月仪器因故障重启后主机自身性能所致。

2.3 预处理错误

在对GM4a、GM4b 仪秒数据预处理过程中，主要存在一阶差分超差严重、难以处理到位的问题。每日观测数据存在大量尖峰突跳，利用一阶差分算法会得到上千条超差记录，加大了预处理工作的难度。而且，依赖差分算法删除超差数据时易删除正常数据，降低数据可用性和完整性。可见，需进一步探究超差及数据完整性问题。

在对GM4a、GM4b 仪分数据预处理过程中，会产生错误响应现象。据统计，在2018—2020 年，GM4a、GM4b 仪预处理数据错误响应年均10 次以上，以台阶和尖峰居多，伴有数据漂移和不可用数据。其中，台阶和尖峰一般在2 套磁力仪同时出现，应为干扰数据未准确识别所致；数据漂移现象以GM4a 仪居多，主要发生在每年8—10 月；不可用数据均为GM4a 仪产生，应为数据漂移严重、仪器探头线晃动等所致。对于此类数据预处理错误，应及时开展数据检查、完善预处理工作。

3 数据漂移原因分析

大同站GM4a 和GM4b 磁力仪自2017 年夏季出现明显的数据漂移，表1 所示为国家地磁台网中心给出的2019 — 2020 年该中心站2 套磁力仪数据漂移错误响应统计结果。

表1 大同站GM4a、GM4b 数据漂移错误响应统计Table 1 Data drift error response statistics of GM4a and GM4b at Datong Station

在日常数据预处理过程中，发现大同站磁力仪存在数据漂移现象。将大同站2018—2020 年地磁观测相对日均值曲线与应县、代县站数据曲线进行对比，结果见图3，结合表1，可知在每年夏秋季节，大同站地磁观测数据常出现漂移现象（图3 方框所示），且以GM4a 仪居多。初步分析认为，观测室内潮湿、地面积水，观测墩基不稳，表现在磁力仪水平气泡经常漂移。为此，从场地水文地质条件、地磁室及观测墩建设、气温、降雨等展开分析。

图3 2018—2020 年大同、应县、代县地磁观测相对日均值曲线Fig.3 The relative daily average curves of Datong,Yingxian and Daixian from 2018 to 2020

3.1 场地水文地质条件

大同站位于大同盆地边缘两大地貌单元分界处。台站西北部为山区，沟谷发育，切割较深，广泛出露太古界桑干群黑云斜长片麻岩夹斜长角闪岩，混合岩化强烈，上覆第四系黄土；台站东南部为洪积倾斜平原，为冲—洪积砂土、黄土、砾石层等，口泉断裂在台站附近通过（山西省地震局，2005）。观测场地西侧为山坡，左侧为落差近5 m 的山沟，测区位于中间相对平坦的位置。测区土层主要由第四系上更新统坡积物和中更新统洪积物组成，土质疏松易于渗水，含水层岩性为砂砾石或中粗砂夹层，地下水水位埋深较大，来源于大气降水的垂直渗入和边山基岩的侧渗。

3.2 地磁房建设

大同站地磁秒采样观测系统由地埋式探头室、观测墩和仪器室组成（图1）。其中探头室为一玻璃钢圆筒，置于地下5 m 深处，直径2.5 m、长10 m，四周回填开挖的黄土，坑底开挖3 个1 m 见方、1.5 m 深的磁墩坑，铺设15 cm 厚石灰石石子，其上浇筑白水泥、石英砂、石灰石石子混凝土，将1.2 m×0.4 m×0.4 m 的汉白玉观测墩置于其中，且埋深20 cm，使用罗盘定位，正南北放置，上平面水平。2 套GM4-XL 仪传感器置于观测墩上，相距约3 m。仪器室为半地下式，地表部分高2.5 m，地下高2.4 m，墙体加5 cm 厚高密度泡沫板保温层。主机放置于仪器室，仪器室与探头室由近20 m 长的玻璃钢通道相连，通道北高南低，倾斜角度约5.6°。探头室、通道和仪器室接口用玻璃胶密封，安装密封门。为减少玻璃钢罐体承重压力并起到保温效果，在探头室顶部填充1.87 m 厚高密度泡沫块，通道顶部填充1.24 m 厚泡沫块，泡沫块上覆0.5 m 厚黄土。在探头室1.5 m 高度进行磁场水平梯度测量，发现西侧观测墩正对玻璃钢通道，缺失近200 m3土，导致西侧观测墩附近水平梯度约1.5 nT，中间和东侧观测墩水平梯度均小于1 nT，越向东侧变化越小。探头房玻璃钢内潮湿且常有积水，可见接口处密封性较差。

3.3 气温、降雨

大同站磁力仪每年夏秋季节数据漂移现象，可能与气温上升土层解冻、降雨增多有关。大同站2018—2020 年气温与降水统计结果见图4，可见：每年11 月至次年2 月，日均气温在零下，6—8 月平均气温在20 ℃以上；每年降雨量较稳定，其中2018 年降雨量337 mm、2019 年342 mm、2020 年330 mm，降雨集中在6—10 月，与数据漂移时段较吻合。

图4 2018—2020 年大同站气温与降雨关系Fig.4 Temperature and precipitation at Datong Station from 2018 to 2020

3.4 数据漂移处理

调查大同站2020 年9 月至2021 年7 月2 套仪器探头水平气泡位置与探头室地面潮湿及对应的降雨数据，统计结果见表2，可见：夏秋季数据漂移现象发生时，气泡偏移，需清理积水、调节气泡；冬季气泡水平良好，数据变化趋势正常。夏秋季降雨导致探头室地面潮湿、积水，积水甚至近10 cm。冬季气温偏低，土壤坚硬，降水少且蒸发快，观测数据相对平稳。降雨对数据的影响存在滞后效应，气泡随之逐步偏移，数据发生漂移。气泡偏离方向即为观测墩地基变化方向，其中：GM4a 仪水平气泡以南偏和东偏为主，表明观测墩地基东侧和南侧相对上升，西侧和北侧相对下降；GM4b 仪水平状态良好，统计时段内仅出现一次向西偏移现象。

表2 大同站GM4a、GM4b 仪气泡水平状态统计Table 2 Statistics of GM4a and GM4b bubble deviation at Datong Station

以怀仁GM4 仪数据为基准，绘制2020 年大同、代县、应县站地磁观测相对日均值差值曲线，见图5，图中箭头指示台阶为数据漂移后气泡调平操作。由图5 可见，大同站GM4a、GM4b 仪数据在6—10 月数据漂移频繁，尤以GM4a 仪居多，气泡调平仅暂时解决近期数据漂移问题。GM4a、GM4b 仪三分量在每次调平时产生的台阶量不等，其中：GM4a 仪D分量漂移量最大时上升6.5′，H分量最大时下降48 nT，Z分量最大时上升31.2 nT；GM4b 仪D分量漂移量最大时下降11.5′，H分量最大时下降23.2 nT，Z分量最大时上升14.9 nT。

图5 2020 年大同、代县与怀仁相对日均值差值曲线Fig.5 The relative daily average value difference curves between Datong,Daixian and Huairen in 2020

气泡偏离是一个逐步发展的过程，测区位于山坡和山沟中间相对平坦区域，地层土质易于渗水，置于地下的玻璃钢罩密封性较差，降雨渗水致潮湿甚至积水，引起观测墩水平状态发生变化，使得置于其上的仪器探头水平状态改变，观测数据出现漂移。短期内只能通过某些操作，尽量保证数据质量，具体操作如下：在数据预处理过程中，多与其他台站进行数据对比，以及时发现问题；注意保持观测室干燥，降雨后尽快清除积水，定期检查气泡水平状态，发现问题应及时解决。为彻底解决数据漂移问题，保证观测数据的长期稳定性和可靠性，应重新密封玻璃钢罐体、加固观测墩地基等。

4 结论

综上所述，可以得出以下结论：

（1）大同站2 套GM4-XL 仪观测数据质量主要受数据完整率、背景噪声及分数据和秒数据预处理错误影响：①GM4a 仪更易发生数采漏采、死机等故障，数据完整率及连续率比GM4b 仪低。地电阻率测项供电干扰对2 套磁力仪数据完整率影响较大，特别是D分量，每日需删除近15%的数据；②GM4a 仪三分量噪声水平从2020 年1 月开始明显增大，分析认为由主机自身性能所致。GM4b 仪三分量噪声水平全年较稳定，自2019 年10 月以来超出台网噪声平均值的现象较少；③一阶差分超差严重，导致GM4a、GM4b 仪秒数据预处理错误。分数据预处理错误响应以台阶、尖峰和数据漂移居多，GM4a 比GM4b 仪数据质量差。

（2）大同站2 套GM4 仪观测数据在每年夏秋季会出现明显漂移，GM4a 仪数据漂移现象更加严重。通过分析地磁房附近水文地质条件、地磁室及观测墩建设、气温及降雨等因素，认为导致数据漂移的主要原因在于，夏秋季降雨后地层土质易渗水，置于地下玻璃钢罩密封性强度不高，导致探头室地面积水、洞内潮湿，观测墩基不稳，使得置于观测墩上的仪器探头水平状态改变，进而引起观测数据漂移。GM4a 仪观测墩漂移以向西、向北下沉为主。

（3）对于大同站GM4 仪观测数据漂移，目前只能通过调节气泡水平状态以短暂改善。为保障数据质量，需在日常数据预处理过程中有效识别数据漂移趋势，同时在降雨后尽快清除积水、及时调节气泡水平状态。仪器调平会人为对数据产生干扰，并非长久之计，应考虑采取重新密封玻璃钢罐体、加固观测墩地基等措施，做到彻底解决数据漂移问题。