地磁方位標(biāo)志的穩(wěn)定性與磁偏角觀測精度的研究

吳玉田,徐學(xué)恭,張明東,周錦屏,尚先旗,胡培元

(1.天津市地震局,天津 300201;2.中國地震局地球物理研究所,北京 100081)

地磁方位標(biāo)志的穩(wěn)定性與磁偏角觀測精度的研究

吳玉田1,徐學(xué)恭1,張明東1,周錦屏2,尚先旗1,胡培元1

(1.天津市地震局,天津 300201;2.中國地震局地球物理研究所,北京 100081)

地磁臺是產(chǎn)出連續(xù)完整、準(zhǔn)確可靠的地球磁場變化數(shù)據(jù)的場所。而對某測點地球磁場的描述是以磁偏角D、磁傾角I、總強(qiáng)度F、水平強(qiáng)度 H、北向強(qiáng)度X、西向強(qiáng)度 Y、垂直強(qiáng)度Z等七要素為依據(jù)。其中只需直接測定3個獨立量,如D、H、Z或D、I、F等組合,則其它量可通過數(shù)學(xué)關(guān)系求得。特別是,磁偏角D在觀測中非常重要。本文對靜海地磁臺改造后連續(xù)7年(2002～2008年)的觀測記錄資料,進(jìn)行了認(rèn)真整理和細(xì)致研究,研究了標(biāo)志的漂移對觀測值D的影響,說明了觀測標(biāo)志穩(wěn)定的重要性。

標(biāo)志漂移;標(biāo)志穩(wěn)定性;磁偏角

0 引言

隨著數(shù)字化、智能化、現(xiàn)代化觀測技術(shù)的發(fā)展,為適應(yīng)高采樣率、高分辨率、高精度新型地磁儀器觀測條件的需要,天津市地震局于2000年8月至2001年6月對靜海地磁臺進(jìn)行了全面、徹底地改造,內(nèi)容包括:拓寬場地面積,重建絕對觀測室、相對記錄室、方位標(biāo)志、比測亭、辦公室等建筑設(shè)施,使臺站面貌煥然一新,成為我國數(shù)字化、自動化、現(xiàn)代化的新型地磁臺站之一。

1 地磁臺站建設(shè)

1.1 地磁絕對觀測室建設(shè)

絕對觀測室為磁南北方向,建筑面積120m2,與傳統(tǒng)的磁房相比,具有如下特點:上下圈梁和構(gòu)造柱由復(fù)合碳纖維筋混凝土建造,與墻基分離的聯(lián)體觀測墩基礎(chǔ)由杜拉纖維和玻璃纖維混凝土構(gòu)成,墻體由精加工石灰?guī)r條石和石英砂水泥沙漿砌筑而成,室內(nèi)設(shè)置的6個觀測墩與比測亭以及全部方位標(biāo)志均具備良好通視條件(圖1),北面3個觀測墩全部能看到北極星。

1.2 觀測標(biāo)志建設(shè)

圖1 絕對地磁觀測室觀測墩平面圖

在絕對觀測室東300m和500m處建有2個觀測方位標(biāo)志,觀測室南200m和400m處建有2個觀測方位標(biāo)志。其目的在于使觀測者在不同氣候條件下均能清楚地瞄準(zhǔn)目標(biāo),從而保證觀測工作能順利進(jìn)行。東側(cè)和南側(cè)任意2個標(biāo)志夾角均大于60°,符合地磁觀測規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。每個標(biāo)志桿上面向觀測室方向安裝2個搪瓷標(biāo)志牌,一個用于觀測,一個備用。標(biāo)志牌上的“義”型標(biāo)記中心的寬度是依據(jù)觀測儀器的精度要求而定。該臺使用的磁力儀為CTMDI儀,觀測精度0.1′,根據(jù)數(shù)學(xué)公式:X=L×SinA,計算出標(biāo)記中心寬度(見表1)。

表1 標(biāo)志寬度換算

按此計算結(jié)果設(shè)計的標(biāo)記寬度與觀測精度匹配。標(biāo)志墩基從自然地平下挖,深3m,長、寬為1.6m,中間矗立8m水泥桿,鋼筋混凝土澆鑄,震搗棒震實,經(jīng)計算水泥桿的50%以上重量在地下埋設(shè),以確保水泥桿穩(wěn)固。

2 標(biāo)志方位角測量

2001年10月臺站新增一套CTM-DI磁力儀,為了保證該儀器及時投入使用,特聘請地球物理研究所專家周錦屏老師于2001年11月21日至27日使用德制 T3經(jīng)緯儀,應(yīng)用經(jīng)典的天文測量方法,精密測定7個觀測墩(絕對觀測室6個墩,比測亭一個墩)至4個方位標(biāo)志的方位角,共取得38個方位角參數(shù)(見圖2),可供7套儀器同時進(jìn)行觀測,并可做到全天后觀測,這在全國地磁臺網(wǎng)中也是少有的。

圖2 絕對觀測室觀測墩與各標(biāo)志間通視示意圖

3 觀測工作簡介

3.1 絕對觀測

該臺將CTM-DI磁力儀放置在絕對觀測室1號墩,使用502膠粘牢底腳,每周一、周四測量磁偏角D和磁傾角I,以觀測室南近標(biāo) MS1做主標(biāo),東近標(biāo)ME1做副標(biāo),從2002年1月開始正式觀測到2008年底。

3.2 絕對觀測磁偏角D

磁偏角測量很簡單。磁通門探頭固定在經(jīng)緯儀望遠(yuǎn)鏡上,使得探頭測量的磁場方向大致就是經(jīng)緯儀的光軸方向。將望遠(yuǎn)鏡置于水平狀態(tài)(垂直讀盤精確地調(diào)到90°或270°)并旋轉(zhuǎn)經(jīng)緯儀,在探頭測不到任何磁場的時候,探頭即處于垂直于磁場的位置。在這個位置上的經(jīng)緯儀水平度盤讀數(shù)稱為 AW↑,它表示經(jīng)緯儀已轉(zhuǎn)到望遠(yuǎn)鏡朝西看,磁通門探頭在望遠(yuǎn)鏡上側(cè)的位置。此時,必須檢查垂直讀盤的讀數(shù),以校正望遠(yuǎn)鏡嚴(yán)格處于水平位置。再將望遠(yuǎn)鏡繞垂直軸水平旋轉(zhuǎn)約180°到相反的水平位置上,在此點,探頭再次測零,這表明探頭再次垂直于地磁場。水平度盤讀數(shù)則是 AE↑,此時,望遠(yuǎn)鏡朝東看,探頭在望遠(yuǎn)鏡的上部位置。下一個水平度盤讀數(shù)是AW↓,這是在望遠(yuǎn)鏡繞水平軸旋轉(zhuǎn)180°,并通過調(diào)整水平方向找到磁力儀零讀數(shù)(1個零位置)的位置上讀取的。最后,AE↓是將經(jīng)緯儀繞垂直軸旋轉(zhuǎn)到相反的零位上讀取的。磁北的水平度盤讀數(shù) A是這4個讀數(shù)的均值:

4次觀測抵消了磁通門探頭磁軸與望遠(yuǎn)鏡光軸之間的定向誤差(探頭磁軸與望遠(yuǎn)鏡光軸不重合)以及磁通門磁力儀可能存在的電子線路部分的零場偏移 (可以計算出來進(jìn)行調(diào)整,由于采用了正確的觀測程序,它不會導(dǎo)致觀測結(jié)果的誤差)。

3.3 根據(jù)磁偏角D的計算公式:

其中,B是方位標(biāo)志的水平度盤讀數(shù),其地理方位角是AZ。本文重點研究方位標(biāo)志漂移引起B(yǎng)的變化從而造成磁偏角D的觀測誤差。該臺方位標(biāo)志的水平度盤讀數(shù) MS1是(1)式的 B,因此(1)式可以寫成:

4 資料分析

本文系統(tǒng)地整理了2002～2008年共7年的觀測記錄資料,包括標(biāo)志讀數(shù)、偏角 D基線值及記錄室溫度,全部清晰地顯現(xiàn)在表格上(表2至表5)和歷年曲線上(略)。

表2顯示歷年1月份第一次觀測標(biāo)志和下年1月第1次觀測標(biāo)志漂移情況。

表2 歷年MS1標(biāo)志年漂移變化表

表3所示:

(1)顯示歷年年內(nèi)標(biāo)志漂移變化

(2)顯示磁偏角 D偏離真值統(tǒng)計

靜海地磁臺于2002年1月1日使用CTM-DI儀進(jìn)行正式觀測,將1月1日的標(biāo)志讀數(shù)認(rèn)為是真值,來統(tǒng)計歷年磁偏角偏離真值的數(shù)據(jù)。

2002年1月1日～1月17日標(biāo)志讀數(shù)相等是真值。

1月 17日以后偏離真值最小 0.10′,最大0.85′,

2003年偏離真值最小0.20′,最大0.85′,

2004年偏離真值最小0.25′,最大1.00′,

2005年偏離真值最小0.35′,最大1.00′,

2006年偏離真值最小0.50′,最大0.70′,

2007年偏離真值最小0.55′,最大0.85′,

2008年偏離真值最小 0.30′,最大 0.60′。

數(shù)據(jù)顯示從2002年1月17日至2008年底磁偏角 D偏離真值最小0.10′,最大1.00′。

表3 歷年內(nèi)MS1標(biāo)志漂移變化表

對比分析見表4和表5:

(1)表4和表5年溫度變化是對該臺相對記錄室而言,DB基線值年變化和溫度系數(shù)是對相對記錄儀 GM3而言。

(2)表4磁偏角基線值年變化最小1.00′、最大1.50′,與記錄室年溫度變化相比,毫無規(guī)律性。表5磁偏角基線值年變化最小1.30′、最大1.45′,與記錄室年溫度變化相比規(guī)律性很強(qiáng)。

(3)表4磁偏角基線值溫度系數(shù)年變化最小0.27′、最大 0.40′、相差 0.13′,溫度系數(shù)變差很大、離散度很大,與記錄室年溫度變化相比,毫無規(guī)律性。表5磁偏角基線值溫度系數(shù)年變化最小0.34′、最大0.37′、相差0.03′,溫度系數(shù)變差很小、離散度很小,且和記錄室年溫度變化匹配,規(guī)律性很強(qiáng)。

(4)表5真實反映出磁偏角基線值、年溫度變化和溫度系數(shù)真值的變化。

年份 DB年變化/(′)年溫度變化/℃溫度系數(shù)/(′)溫度系數(shù)/nT 20022003200420052006200720081.101.001.301.501.351.201.503.53.73.94.24.03.83.70.310.270.330.360.340.320.402.72.32.83.02.92.73.4

表5 消除標(biāo)志漂移變化影響磁偏角基線值DB年變化表

5 結(jié)論和建議

靜海地磁臺歷年標(biāo)志漂移無規(guī)律性,帶來的磁偏角觀測誤差最小0.10′、最大1.00′,其絕對精度超出1nT標(biāo)準(zhǔn),反映在磁偏角基線值圖上離散度大、溫度系數(shù)離散度大,同時它也影響地磁七要素中北向分量X=HcosD和東向分量 Y=HsinD的值,為了消除這種影響,每次觀測后處理數(shù)據(jù)時都要減掉漂移量,每年年底做地磁觀測報告時還要重新復(fù)核。

據(jù)地球物理研究所專家周錦屏在其論文中寫道:靜海地磁臺利用水泥桿作為方位標(biāo)志,其優(yōu)點經(jīng)濟(jì),但其最大缺點受日照、氣溫等氣象因素影響,易發(fā)生形變,其最終結(jié)果使得磁偏角每年有可能會造成約0.5′～0.8′的漂移。為此,建議:(1)觀測者在不搬動儀器的條件下觀測磁偏角時須對遠(yuǎn)近標(biāo)志瞄準(zhǔn)讀數(shù)記錄,以監(jiān)測標(biāo)志的長期變化。(2)在“十五”臺站改造時,有必要將水泥桿改建成塔式標(biāo)志,以確保標(biāo)志穩(wěn)固不變形[2]。

據(jù)1989年全國對地磁臺網(wǎng)調(diào)整結(jié)果,一類臺15個,二類臺 21個,區(qū)域臺 133個,全國共有 169個地磁臺。這些臺站中大部分利用水泥桿或木質(zhì)桿作為方位標(biāo)志,像靜海地磁臺一樣極有可能發(fā)生漂移,給正常的觀測工作帶來諸多麻煩,為了獲取連續(xù)完整高精度的地球磁場變化數(shù)據(jù),建議以建成塔式標(biāo)志為宜,確保標(biāo)志穩(wěn)固不變形。

[1] 周錦屏.中國地磁臺網(wǎng)觀測與研究進(jìn)展[J].地震地磁觀測與研究,1999,20(5):113-120.

[2] 周錦屏,徐學(xué)恭,尚先旗.靜海地磁臺天文方位角測量及其質(zhì)量評估[J].西北地震學(xué)報,2003,25(3):281-285.

[3] [波]Jerzy Jankowski,[芬]Christian Sucksdorff.地磁測量與地磁臺站工作指南[M].北京:地震出版社,1999.

[4] 呂鳳章,解用明,張雙鳳.提高地磁絕對觀測數(shù)據(jù)精度的有效途徑[J].華北地震科學(xué),2007,25(1):53-55.

Research on the Stability of Geomagnetic Azimuth Marks and the Accuracy of Magnetic Declination Observation

WU Yu-tian1,XU Xue-gong1,ZHANG Ming-dong1,ZHOU Jin-ping2,SHANG Xian-qi1,HU Pei-yuan1
(1.Earthquake Administration of Tianjin,Tianjin 300201,China;
2.Institute of Geophysics,CEA,Beijing 100081,China)

The geomagnetic observation station is a scientific research place,from where complete,accurate and reliable data of the earth’s magnetic field changes is output.The description of a measuring point on the earth’s magnetic field is based on seven elements:the magnetic declination D,the magnetic inclination I,the total intensity F,the horizontal component H,the northern component X,the western component Y,the vertical component Z.In fact,only three independent components are direct surveyed,such as D,H,Z or D,I,F,the other elements can be obtained through mathematical functions.However,D is an essential element.This paper analyzes 7consecutive years(2002～2008)observation data of the Jinghai geomagnetic observation station,through meticulous collation and research.The result shows that azimuth marks shift affects the magnetic declination D,keep observing signs stability is very important.

mark drift;the stability of marks;magnetic declination

P315.72

A

1003-1375(2010)01-0048-04

2009-07-24

吳玉田(1950-),男(漢族),天津市人,天津市地震局高級工程師,主要從事地磁觀測.E-mail:jinghai2006@163.com