通海臺(tái)磁通門地磁記錄儀基線值日變化現(xiàn)象

張 福，王錫軍

(通海地磁臺(tái)，云南 通海 652700)

0 引言

在數(shù)字化地磁觀測(cè)中，相對(duì)記錄儀器的性能，特別是其穩(wěn)定性和可靠性有了極大的提高，而絕對(duì)觀測(cè)仍需人工進(jìn)行。為了保證相對(duì)觀測(cè)記錄基線值的觀測(cè)精度，需要對(duì)相對(duì)記錄儀器記錄的地磁日變化準(zhǔn)確度及儀器的特性有所了解，靈活掌握好絕對(duì)觀測(cè)時(shí)間，以獲得高精度的觀測(cè)數(shù)據(jù)。

受探頭軸向正交度、格值線性度、安裝定向準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性、溫度穩(wěn)定性和溫度變化等因素影響，地磁相對(duì)記錄儀器記錄的地磁日變化與真實(shí)日變化之間有一定誤差，并且每個(gè)臺(tái)站和每套儀器的誤差均不相同。因此，地磁臺(tái)站需要定期進(jìn)行地磁相對(duì)記錄儀器的標(biāo)定，定量考察地磁記錄儀器記錄的地磁日變化的準(zhǔn)確程度，以利于確定臺(tái)站絕對(duì)觀測(cè)的合適時(shí)間段及數(shù)據(jù)的研究應(yīng)用。

1 通海臺(tái)的地磁觀測(cè)儀器

絕對(duì)觀測(cè)的儀器是由匈牙利產(chǎn)MINGEO DIM磁通門經(jīng)緯儀和加拿大產(chǎn)GSM－19F型OVERHAUSER質(zhì)子旋進(jìn)式磁力儀，儀器參數(shù)見表1;用于進(jìn)行相對(duì)記錄的儀器是丹麥產(chǎn)的FGE型懸掛式數(shù)字磁通門磁力儀，及中國(guó)地震局地球物理研究所研制的GM4型數(shù)字磁通門磁力儀，儀器參數(shù)見表2。由MINGEO DIM磁通門磁力儀與OVERHAUSER質(zhì)子旋進(jìn)式磁力儀構(gòu)成 D、I、F絕對(duì)觀測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)M15(FGE型懸掛式數(shù)字磁通門磁力儀)、GM4磁力儀基線值的測(cè)量和控制。FHDZ－M15地磁總場(chǎng)與分量組合觀測(cè)系統(tǒng)(FGE型懸掛式數(shù)字磁通門磁力儀 +GSM－19F型OVERHAUSER質(zhì)子旋進(jìn)式磁力儀)簡(jiǎn)稱M15磁力儀。

2 地磁日變化記錄準(zhǔn)確度標(biāo)定分析

地磁臺(tái)站觀測(cè)系統(tǒng)的基本組成是絕對(duì)觀測(cè)儀器和相對(duì)記錄儀器。相對(duì)記錄儀器能以足夠高的幅度和時(shí)間分辨率長(zhǎng)期、連續(xù)地自動(dòng)記錄地磁三要素的相對(duì)變化值。絕對(duì)觀測(cè)儀器定期進(jìn)行地磁三要素的絕對(duì)值測(cè)量，定出相對(duì)記錄儀器的基線值，達(dá)到既控制記錄儀的工作狀態(tài)，又將所記錄的相對(duì)變化值轉(zhuǎn)化為絕對(duì)值的目的。因此，在地磁臺(tái)站系統(tǒng)中，基線值是溝通相對(duì)記錄和絕對(duì)觀測(cè)的橋梁，也是表征地磁臺(tái)站工作狀態(tài)的重要參數(shù)。磁場(chǎng)平靜時(shí)，觀測(cè)精度比較高;磁場(chǎng)擾動(dòng)較大時(shí)，絕對(duì)觀測(cè)誤差較大。相對(duì)記錄儀器工作狀態(tài)不穩(wěn)定，絕對(duì)觀測(cè)誤差等問題都會(huì)在基線值上反映出來(lái)［1］。通常情況下，用標(biāo)準(zhǔn)偏差和變化幅度來(lái)衡量基線值的精度和穩(wěn)定性，標(biāo)準(zhǔn)偏差是個(gè)綜合參數(shù)，既反映儀器工作狀態(tài)好壞，也反映觀測(cè)誤差大?。?］。

表1 絕對(duì)觀測(cè)儀器主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main Technical Parameters of Absolute Observation Instrument

表2 相對(duì)觀測(cè)儀器主要技術(shù)參數(shù)Table 2 Main Technical Parameters of Relative Observation Instrument

2.1 地磁日變化記錄準(zhǔn)確度的標(biāo)定方法

通海臺(tái)每年選定一天在世界時(shí)00∶00時(shí)至10∶00時(shí)，每隔1小時(shí)，且在每小時(shí)時(shí)段前30分鐘進(jìn)行一次絕對(duì)觀測(cè)，每次觀測(cè)取得2～3組有效數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)觀測(cè)時(shí)間控制在8～10分鐘。通過(guò)比較絕對(duì)觀測(cè)值與相對(duì)記錄值差值，也就是基線值的變化，來(lái)定量估計(jì)地磁日變化記錄的準(zhǔn)確度。因此對(duì)地磁日變化記錄標(biāo)定數(shù)據(jù)的分析即是對(duì)標(biāo)定日連續(xù)多組基線值觀測(cè)數(shù)據(jù)的分析。頻繁進(jìn)行加密絕對(duì)觀測(cè)是不可行的，因此這種標(biāo)定方法實(shí)際上是抽樣標(biāo)定，在不同的磁場(chǎng)擾動(dòng)情況下可能有不同的標(biāo)定結(jié)果。

2.2 地磁日變化記錄準(zhǔn)確度分析

為了比較真實(shí)的反應(yīng)觀測(cè)過(guò)程中基線值的變化，以及觀測(cè)誤差大的數(shù)據(jù)分布情況，直接使用實(shí)測(cè)基線值。將基線值 DB、HB、ZB三分量觀測(cè)數(shù)據(jù)、相對(duì)記錄預(yù)處理分鐘值數(shù)據(jù)繪制圖件，進(jìn)行對(duì)比分析(圖1)。圖中縱坐標(biāo)DB的單位為分，HB、ZB的單位為nT，橫坐標(biāo)代表時(shí)間，以小時(shí)為單位。這里主要對(duì)基線值與地磁場(chǎng)的變化形態(tài)及變化幅度進(jìn)行對(duì)比分析，為了使圖形直觀、明了，每組基線值數(shù)據(jù)減去其均值;代表地磁場(chǎng)變化的相對(duì)記錄預(yù)處理分鐘值數(shù)據(jù)也減去其均值，分鐘值數(shù)據(jù)為M15磁力儀記錄值。

圖1為標(biāo)定時(shí)段基線值數(shù)據(jù)與相應(yīng)時(shí)段地磁場(chǎng)分鐘值數(shù)據(jù)，(a)為M15磁力儀基線值;(b)為GM4磁力儀基線值;(c)為相對(duì)記錄地磁場(chǎng)分鐘值數(shù)據(jù)。

從圖1可以看出，M15磁力儀基線值DB、HB變化幅度不大，變化趨勢(shì)為一近似直線，與地磁場(chǎng)日變化無(wú)明顯的相關(guān)性;ZB則隨地磁場(chǎng)日變化起伏，2011年10月12日的數(shù)據(jù)尤為明顯，起伏較大;四次標(biāo)定的基線值ZB具有一定的變化形態(tài)，與地磁場(chǎng)Z分量日變化形態(tài)相反。

GM4磁力儀基線值 DB變化幅度不大、ZB雖然有一定的變化幅度，它們卻沒有明顯的變化形態(tài)，其變化趨勢(shì)也為一近似直線，與地磁場(chǎng)日變化無(wú)明顯的相關(guān)性;HB則隨地磁場(chǎng)日變化起伏，變化幅度較為明顯，與地磁場(chǎng) H分量日變化形態(tài)相似。

圖1 標(biāo)定時(shí)段基線值數(shù)據(jù)與相應(yīng)時(shí)段地磁場(chǎng)分鐘值數(shù)據(jù)對(duì)比分析Fig.1 Data Comparative Analysis of Calibration Period Baseline Value Data and the Corresponding Time Geomagnetic Minute Value

表3、表4分別為M15、GM4磁力儀基線值標(biāo)準(zhǔn)偏差、變化幅度及記錄地磁場(chǎng)變化幅度。從表中可見，四次觀測(cè)兩套磁力儀基線值的觀測(cè)誤差均很小，M15磁力儀基線值 σD≤0.02'、σH≤0.20 nT、σZ≤0.37 nT;GM4磁力儀基線值 σD≤0.02'、σH≤0.41 nT、σZ≤0.28 nT;均滿足《數(shù)字地磁臺(tái)網(wǎng)觀測(cè)資料質(zhì)量評(píng)比辦法》σD≤0.10'、σH≤1.0 nT、σZ≤1.0 nT的要求。在整個(gè)標(biāo)定時(shí)段內(nèi) M15磁力儀 DB變化幅度不超過(guò)0.09'，HB不超過(guò)0.8 nT;GM4磁力儀 DB變化幅度不超過(guò)0.08'，ZB有三次不超過(guò) 0.9 nT，2010 年 09 月 08 日因觀測(cè)時(shí)段地磁場(chǎng)擾動(dòng)較大(表5)，觀測(cè)誤差較大，ZB變化幅度達(dá)到1.1 nT。從4年的標(biāo)定結(jié)果看，M15磁力儀 ZB變化幅度均達(dá)到或超過(guò)0.7 nT;GM4磁力儀 HB變化幅度均達(dá)到或超過(guò)1.0 nT，變化幅度明顯。

M15磁力儀ZB、GM4磁力儀 HB變化幅度與地磁場(chǎng)變化幅度有關(guān)。2011年12月05日后兩套磁力儀搬遷到重新改造好的新相對(duì)記錄室工作，之前均在“九五”記錄室工作，2012年07月05日的觀測(cè)數(shù)據(jù)為儀器在新相對(duì)記錄室工作的觀測(cè)結(jié)果，記錄儀器搬遷、重新架設(shè)及觀測(cè)環(huán)境改變，可能會(huì)改變記錄儀器基線值與地磁日變化的相關(guān)程度。

表3 M15磁力儀基線值標(biāo)準(zhǔn)偏差、變化幅度及記錄地磁場(chǎng)變化幅度Table 3 Standard Deviation of M15 Magnetometer Baseline Value，Variation and the Recorded Variation Range of Geomagnetic Field

表4 GM4磁力儀基線值標(biāo)準(zhǔn)偏差、變化幅度及記錄地磁場(chǎng)變化幅度Table 4 Standard Deviation of GM4 Magnetometer Baseline Value，Variation and the Recorded Variation Range of Geomagnetic Field

表5 標(biāo)定時(shí)段K指數(shù)Table 5 K－index of Calibration Period

四次地磁日變化記錄準(zhǔn)確度標(biāo)定，基線值觀測(cè)質(zhì)量較好，絕對(duì)觀測(cè)不存在問題。兩套記錄儀器各分量基線值變化形態(tài)與地磁場(chǎng)日變化的對(duì)比結(jié)果均比較一致，M15磁力儀ZB、GM4磁力儀HB與地磁場(chǎng)日變化具有一定的相關(guān)性，其他基線值與地磁場(chǎng)日變化并無(wú)明顯相關(guān)性。

3 F－P檢驗(yàn)

3.1 F－P檢驗(yàn)方法

F是M15磁力儀或GM4磁力儀記錄值由經(jīng)基線值改正后的H、Z分量計(jì)算出的總強(qiáng)度F。F計(jì)算過(guò)程為:H=H記錄值+HB(采用基線值)

Z=Z記錄值+ZB(采用基線值)

其中，采用基線值在一天之內(nèi)是一個(gè)恒定值。

P是由OVERHAUSER質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀直接連續(xù)測(cè)量的地磁場(chǎng)絕對(duì)總強(qiáng)度 F，此F值是獨(dú)立于基線值測(cè)量的絕對(duì)觀測(cè)中的總強(qiáng)度測(cè)量的，與相對(duì)記錄儀器無(wú)關(guān)。通過(guò)二者的差值對(duì)比，檢測(cè)相對(duì)記錄儀器運(yùn)行狀態(tài)的穩(wěn)定性和絕對(duì)觀測(cè)的穩(wěn)定性。

利用OVERHAUSER磁力儀進(jìn)行此F(P)記錄的意義是更嚴(yán)密地進(jìn)行資料質(zhì)量監(jiān)控，一般而言，OVERHAUSER磁力儀記錄數(shù)據(jù)信噪比高，工作穩(wěn)定，OVERHAUSER磁力儀是觀測(cè)地球磁場(chǎng)的標(biāo)準(zhǔn)儀器，它在足夠?qū)挼臏囟确秶鷥?nèi)，保有0.01 nT的分辨率和0.2 nT的絕對(duì)觀測(cè)精度;為監(jiān)視數(shù)字化記錄的短期準(zhǔn)確度提供了技術(shù)手段。

圖2 標(biāo)定時(shí)段F－P值和相應(yīng)時(shí)段地磁場(chǎng)分鐘值數(shù)據(jù)圖Fig.2 F-P Value of Calibration Period and Minute Value Data Diagram of Geomagnetic Field in the Corresponding Time

F和P的產(chǎn)出時(shí)間同步，并都通化到了臺(tái)站的標(biāo)準(zhǔn)墩上。由于它們代表的是同一地點(diǎn)同一時(shí)間的地磁場(chǎng)總強(qiáng)度值，因此，在理想情況下，F(xiàn)－P的值應(yīng)接近于零，F(xiàn)－P曲線應(yīng)是在零附近小幅度變化的一近似直線。其變化狀態(tài)反映了地磁臺(tái)站絕對(duì)觀測(cè)對(duì)相對(duì)記錄儀器觀測(cè)數(shù)據(jù)的控制水平。F－P可以表示在相鄰兩次基線值測(cè)量之間的分量測(cè)值的準(zhǔn)確程度。在數(shù)字化記錄中，隨著記錄儀器的靈敏度提高，對(duì)測(cè)值的準(zhǔn)確度的要求也相應(yīng)提高［3］。

3.2 F－P檢驗(yàn)結(jié)果

圖2是標(biāo)定時(shí)段F－P值和相應(yīng)時(shí)段地磁場(chǎng)分鐘值數(shù)據(jù)圖。圖中縱坐標(biāo)代表F－P的值，單位為 nT，橫坐標(biāo)代表時(shí)間，以小時(shí)為單位。這里只是為了比較F－P的值和地磁場(chǎng)日變化的相關(guān)性，代表地磁場(chǎng)變化的相對(duì)記錄預(yù)處理分鐘值數(shù)據(jù)也減去其均值，分鐘值數(shù)據(jù)為M15磁力儀記錄值。(a)為地磁場(chǎng) H分量分鐘值數(shù)據(jù);(b)為地磁場(chǎng)Z分量分鐘值數(shù)據(jù);(c)為GM4磁力儀F減P值;(d)為M15磁力儀F減P值。

從圖2可以看到GM4磁力儀的F－P曲線變化并非一近似直線，而是隨地磁場(chǎng)H分量日變化波動(dòng)，形態(tài)與地磁場(chǎng)H分量日變化形態(tài)相反;M15磁力儀的F－P曲線變化也并非一近似直線，隨地磁場(chǎng)Z分量日變化波動(dòng)，與地磁場(chǎng)Z分量日變化趨勢(shì)一致。

GM4磁力儀的F－P曲線變化主要與地磁場(chǎng)H分量日變化形態(tài)相關(guān)，是由于GM4磁力儀HB與地磁場(chǎng)H分量日變化具有一定的相關(guān)性，而且變化趨勢(shì)一致，而計(jì)算得到的地磁總強(qiáng)度F不能反應(yīng)出這一特性，計(jì)算過(guò)程中HB是一個(gè)恒定值;F－P曲線就顯示出這種特性。

M15磁力儀的F－P曲線變化主要與地磁場(chǎng)Z分量日變化形態(tài)相關(guān)，是由于M15磁力儀ZB與地磁場(chǎng)Z分量日變化具有一定的相關(guān)性，而且形態(tài)相反，而計(jì)算得到的地磁總強(qiáng)度F不能反應(yīng)出這一特性，計(jì)算過(guò)程中ZB是一個(gè)恒定值;F－P曲線就顯示出上述的特性。

F－P值與基線值的變化幅度有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，基線值變化幅度越大，F(xiàn)－P值的變化幅度就越大。GM4磁力儀 HB變化幅度越大，GM4磁力儀的F－P值變化幅度就越大;M15磁力儀ZB變化幅度小，M15磁力儀的 F－P值變化幅度就小。

通海臺(tái)GM4磁力儀記錄的H分量地磁日變化及M15磁力儀記錄的Z分量地磁日變化與真實(shí)日變化之間有一定誤差。盡管誤差不大，但在高精度的地磁觀測(cè)中仍能明顯的顯示出來(lái)。

4 討論與結(jié)論

(1)四次觀測(cè)兩套磁力儀 D、H、Z三分量觀測(cè)基線值的測(cè)量誤差較小，實(shí)測(cè)M15磁力儀基線值 σD≤0.02'、σH≤0.20 nT、σZ≤0.37 nT;GM4磁力儀基線值 σD≤0.02'、σH≤0.41 nT、σZ≤0.28 nT。在整個(gè)觀測(cè)時(shí)段內(nèi)，基線值觀測(cè)質(zhì)量較好。

(2)四次地磁日變化記錄準(zhǔn)確度標(biāo)定基線值數(shù)據(jù)及F－P檢驗(yàn)均表明通海臺(tái)M15磁力儀Z分量基線值ZB與地磁場(chǎng)Z分量日變化具有一定的相關(guān)性，形態(tài)相反;GM4磁力儀HB與地磁場(chǎng)H分量日變化具有一定的相關(guān)性，變化趨勢(shì)一致。其余的基線值雖然在標(biāo)定觀測(cè)時(shí)段有一定的變化幅度，卻沒有明顯的有規(guī)律的變化趨勢(shì)，觀測(cè)基線值與地磁場(chǎng)的日變化并無(wú)明顯相關(guān)性。

(3)M15磁力儀 ZB變化幅度均達(dá)到或超過(guò)0.7 nT，GM4磁力儀 HB變化幅度均達(dá)到或超過(guò)1.0 nT，雖然變化幅度不大，但是變化趨勢(shì)明顯。在高精度的地磁觀測(cè)中，通海臺(tái)的 M15磁力儀ZB、GM4磁力儀 HB有相對(duì)明顯的“日變化”現(xiàn)象。

(4)在數(shù)字化地磁觀測(cè)中，隨著記錄儀器的靈敏度提高，儀器比較穩(wěn)定，基線值變化很慢，幾周之內(nèi)的變化常常在0.5 nT之內(nèi)，對(duì)測(cè)值的準(zhǔn)確度的要求也相應(yīng)提高;而基線值存在“日變化”現(xiàn)象的儀器，其基線值在一天之內(nèi)的變化幅度可能超過(guò)1.0 nT;絕對(duì)觀測(cè)時(shí)間應(yīng)該避開地磁場(chǎng)日變化大的時(shí)段。

(5)計(jì)算地磁觀測(cè)報(bào)告時(shí)，選用基線值除考慮絕對(duì)觀測(cè)誤差、記錄室溫度變化等，還須考慮觀測(cè)日絕對(duì)觀測(cè)時(shí)間段地磁場(chǎng)的變化情況，合理選用基線值，產(chǎn)出精準(zhǔn)可靠的地磁觀測(cè)資料。

(6)通海臺(tái)安裝在同一記錄室的兩套磁通門儀器記錄的地磁日變化與真實(shí)日變化的誤差均不相同。因此，地磁臺(tái)站需要定期進(jìn)行地磁相對(duì)記錄儀器的標(biāo)定，定量考察地磁記錄儀器記錄的地磁日變化的準(zhǔn)確程度，以利于確定臺(tái)站絕對(duì)觀測(cè)的合適時(shí)間段及數(shù)據(jù)的研究應(yīng)用。

［1］ 程安龍.關(guān)于基線值擬合問題的討論［J］.地震地磁觀測(cè)與研究，1993，14(2):54 －57.

［2］ 高玉芬，程安龍，趙永芬，等.地磁臺(tái)基線值分析［J］.地震地磁觀測(cè)與研究，1991，12(2):3 －10.

［3］ 程安龍.中國(guó)地磁臺(tái)站現(xiàn)代化技術(shù)研究［J］.地震地磁觀測(cè)與研究，1999，20(5):54 －66.

［4］ Jerzy Jankowski＆ Christian Sucksdorff.周錦屏，高玉芬，等譯.地磁測(cè)量與地磁臺(tái)站工作指南［M］.北京:地震出版社，1999.