蒙城國(guó)家野外觀測(cè)研究站F值一致性的初步分析

應(yīng)允翔　汪繼林　王飛　劉紅飛 張明明

摘要：蒙城國(guó)家野外觀測(cè)站現(xiàn)有GM-4磁通門磁力儀、G-856質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀，GSM-19T質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀三套地磁儀器，對(duì)儀器測(cè)量的總強(qiáng)度F觀測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行趨勢(shì)變化、均值、差值以及基線值的對(duì)比分析，認(rèn)為臺(tái)站儀器F的觀測(cè)數(shù)據(jù)具有較高的觀測(cè)精度和一致的變化趨勢(shì)，僅存在較小的差別，達(dá)到了國(guó)內(nèi)高精度地磁觀測(cè)的水平。

關(guān)鍵詞：F值；差值；數(shù)據(jù)對(duì)比；野外觀測(cè)研究站；一致性；高精度地磁觀測(cè) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TP391 文章編號(hào)：1009-2374（2016）28-0061-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.28.031

由于地磁場(chǎng)具有全球性的特點(diǎn)，使得可以利用多臺(tái)數(shù)據(jù)對(duì)比，正確分析地磁數(shù)據(jù)。與此同時(shí)，隨著絕對(duì)觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展及各臺(tái)站數(shù)字化儀器的配備，使得地磁臺(tái)站能夠?qū)崿F(xiàn)高精度和高準(zhǔn)確度的數(shù)據(jù)觀測(cè)。對(duì)于同一臺(tái)站配備多套儀器的情況，根據(jù)多套不同儀器獲取的相同分量的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，可以及時(shí)有效地分析本臺(tái)站數(shù)據(jù)的可靠性。理論上，對(duì)于同地、同時(shí)間的地磁場(chǎng)總強(qiáng)度F應(yīng)該完全相同，但受各種誤差的影響，從不同儀器獲取的地磁場(chǎng)總強(qiáng)值并不可能完全相同。通過(guò)對(duì)蒙城臺(tái)GM-4磁通門磁力儀、G-856質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀、GSM-19T質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀的記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，通過(guò)對(duì)比三套儀器的總強(qiáng)F觀測(cè)數(shù)據(jù)，研究三套儀器的相關(guān)性，驗(yàn)證各套儀器的觀測(cè)精度。

1 場(chǎng)地和儀器

蒙城地震臺(tái)位于皖西北蒙城縣境內(nèi)的黃柏山上，臺(tái)站地處郯廬斷裂帶的西側(cè)，北西向的渦河斷裂從臺(tái)站南東側(cè)通過(guò)。臺(tái)基主要是震旦系砂巖及第四紀(jì)覆蓋層，周圍地區(qū)覆蓋在100～300m。巖石出露為尖山、黃伯山、施連山、狼山等南北走向的低山。該地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，有隱伏NW向的板橋集斷層通過(guò)。觀測(cè)室附近磁場(chǎng)分布均勻，磁場(chǎng)平均梯度小于1nT/m。臺(tái)站現(xiàn)有G-856質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀、GSM-19T質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀以及GM-4磁通門磁力儀，觀測(cè)資料連續(xù)、穩(wěn)定、可靠。本文通過(guò)對(duì)G-856和GSM-19T的世界時(shí)13點(diǎn)（北京時(shí)21點(diǎn)）值進(jìn)行初步對(duì)比分析，結(jié)合GM-4數(shù)據(jù)檢驗(yàn)蒙城地震臺(tái)各套地磁觀測(cè)儀器的工作狀態(tài)及絕對(duì)觀測(cè)對(duì)相對(duì)記錄的控制水平。

GM-4磁通門磁力儀于2007年投入使用，為秒采樣儀器，記錄垂直分量Z、水平分量H、磁偏角D三個(gè)分量數(shù)據(jù)，連續(xù)記錄磁場(chǎng)變化，分辨率為0.1nT。自投入使用以來(lái)，儀器運(yùn)行正常，極少出現(xiàn)數(shù)據(jù)斷記現(xiàn)象，已產(chǎn)出多年連續(xù)穩(wěn)定可靠數(shù)據(jù)。

G-856質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀于2007年投入使用，用于測(cè)量地磁場(chǎng)總強(qiáng)度，儀器使用過(guò)程中不能進(jìn)行連續(xù)測(cè)數(shù)，一次測(cè)數(shù)完成后需要幾秒鐘才能進(jìn)行第二次測(cè)數(shù)，每日世界時(shí)13點(diǎn)（北京時(shí)21點(diǎn)）手工測(cè)量總強(qiáng)，同時(shí)配合CTM-DI儀進(jìn)行絕對(duì)觀測(cè)，近年來(lái)產(chǎn)出數(shù)據(jù)可靠穩(wěn)定。

GSM-19T質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀于2013年投入使用，由加拿大GEM公司生產(chǎn)，用于測(cè)量地磁場(chǎng)總強(qiáng)度，與G-856一樣需要每日世界時(shí)13點(diǎn)（北京時(shí)21點(diǎn)）進(jìn)行手工測(cè)數(shù)。儀器性能穩(wěn)定、數(shù)據(jù)可靠，已產(chǎn)出2年數(shù)據(jù)。2014年10月至2015年9月，一年時(shí)間內(nèi)，三套儀器運(yùn)行穩(wěn)定，未出現(xiàn)斷記或儀器故障的情況。由于臺(tái)站位置偏遠(yuǎn)，遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)、道路、工廠企業(yè)等干擾因素，觀測(cè)環(huán)境優(yōu)良。G-856與GSM-19T主要性能參數(shù)如表1中所示：在靈敏度、分辨率、絕對(duì)精度、動(dòng)態(tài)范圍、梯度容差、工作溫度及存儲(chǔ)容量等性能方面，GSM-19T均優(yōu)于G-856質(zhì)子磁力儀。通過(guò)對(duì)臺(tái)站兩套儀器進(jìn)行比測(cè)，測(cè)試結(jié)果中，G-856磁力儀儀器差的均方差為0.90nT，點(diǎn)位差的均方差為0.54nT；GSM-19T磁力儀儀器差的均方差為0.13nT，點(diǎn)位差的均方差為0.30nT。

G-856和GSM-19T磁力儀均通過(guò)RS232接口下載觀測(cè)數(shù)據(jù)，而觀測(cè)數(shù)據(jù)的文件格式有所不同，G-856磁力儀數(shù)據(jù)輸出文件為stn格式，運(yùn)用MagMap2000導(dǎo)入后輸出dat格式文件數(shù)據(jù)。GSM-19T磁力儀數(shù)據(jù)輸出文件為txt格式，在后期的數(shù)據(jù)通化處理中，需注意格式的統(tǒng)一。

臺(tái)站絕對(duì)觀測(cè)儀器使用國(guó)產(chǎn)的CTM-DI磁通門經(jīng)緯儀。儀器分辨力為0.1nT，零場(chǎng)偏移為±1nT，系統(tǒng)噪聲小于0.2nT，環(huán)境溫度為-10℃～40℃。全年累計(jì)一共進(jìn)行超過(guò)100次絕對(duì)觀測(cè)，每次觀測(cè)三組數(shù)據(jù)，從中選取兩組數(shù)據(jù)，分別為相對(duì)記錄GM-4的H分量和Z分量做基線。相對(duì)記錄GM-4全年無(wú)數(shù)據(jù)丟失和儀器中斷現(xiàn)象，資料連續(xù)率及完整率均達(dá)到100%。G-856、GSM-19T全年工作記錄狀態(tài)良好，連續(xù)率為100%，未出現(xiàn)遲記、漏記現(xiàn)象。

2 資料選取以及對(duì)比分析

本文選取臺(tái)站2014年10月1日至2015年9月30日，G-856和GSM-19T兩套儀器的世界時(shí)13點(diǎn)F值，進(jìn)行對(duì)比分析。為檢驗(yàn)三套儀器觀測(cè)資料的精度、穩(wěn)定性及一致性等，對(duì)所選取時(shí)間段內(nèi)世界時(shí)13點(diǎn)的整點(diǎn)值分別進(jìn)行F值一致性檢驗(yàn)和差值分析，最后對(duì)基線觀測(cè)值進(jìn)行精度和穩(wěn)定性分析。GM4磁通門磁力儀測(cè)定地磁場(chǎng)總強(qiáng)度F，是根據(jù)儀器直接測(cè)量的水平分量H和垂直分量Z按照F=（H2+Z2）1/2，

其中H和Z分量需要經(jīng)過(guò)基線值改正后才能使用。圖1給出了2014年10月至2015年9月G-856和GSM-19T世界時(shí)13點(diǎn)觀測(cè)的數(shù)據(jù)，兩套儀器的數(shù)據(jù)圖形具有很好的一致性。

通過(guò)對(duì)這兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)系數(shù)分析，得到相關(guān)系數(shù)為0.99775，說(shuō)明兩套儀器測(cè)得F相關(guān)性很高。對(duì)兩套儀器世界時(shí)13點(diǎn)的數(shù)據(jù)做差，得到兩組數(shù)據(jù)的差值，利用軟件將這這組數(shù)據(jù)作圖，得到如圖2所示結(jié)果，由圖2可以清晰地看到，兩組數(shù)據(jù)的差值基本控制在4～5.5nT的區(qū)間內(nèi)，偶爾有超出部分，可能與磁場(chǎng)擾動(dòng)強(qiáng)度有關(guān)。

臺(tái)站選用的2014年10月至2015年9月GM-4儀Z分量的基線值離散性較好。只是在2014年10月、2015年6月，基線值的選取離散性較大，與表3中的均方差變化有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

3 分析與討論

（1）G-856、GSM-19T與GM-4計(jì)算出的F值的相關(guān)系數(shù)在0.95以上，說(shuō)明3套儀器的觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量都很高，尤其是G-856與GSM-19T相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.99以上，說(shuō)明儀器具有較高的精度和一致性；（2）絕對(duì)觀測(cè)質(zhì)量的好壞直接影響到相對(duì)記錄儀器的基線值，進(jìn)而對(duì)觀測(cè)報(bào)告中的絕對(duì)值也會(huì)產(chǎn)生較大影響。通過(guò)差值分析，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)觀測(cè)中的問(wèn)題。G-856與GSM-19T均可以配合DI進(jìn)行絕對(duì)觀測(cè)，而且數(shù)據(jù)可以用于對(duì)比參考分析；（3）GSM-19T質(zhì)子磁力儀無(wú)明顯系統(tǒng)誤差。相對(duì)于G-856儀器，其在儀器靈敏度、分辨率、精度、一致性、測(cè)量便利程度等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)；（4）G-856和GSM-19T相關(guān)性很好，差值在一定范圍內(nèi)變化，而這種變化的主要原因是由于儀器墩差造成的，差值超出區(qū)間范圍的大部分情況為磁場(chǎng)擾動(dòng)比較大的時(shí)間段。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)上述資料的分析與對(duì)比，可以看出，數(shù)字化儀器G-856和GSM-19T對(duì)地磁場(chǎng)F值的記錄結(jié)果一致性較高，具有很高的觀測(cè)精度和溫度性。其觀測(cè)數(shù)據(jù)連續(xù)可靠，已達(dá)到國(guó)內(nèi)高精度地磁觀測(cè)水平。兩套儀器相互配合，可以通過(guò)對(duì)比數(shù)據(jù)變化發(fā)現(xiàn)兩個(gè)儀器的穩(wěn)定性，當(dāng)其中一臺(tái)儀器出現(xiàn)故障時(shí)，另一臺(tái)可以替代使用，保證臺(tái)站總強(qiáng)F觀測(cè)的連續(xù)穩(wěn)定，對(duì)資料的準(zhǔn)確性起到了很好的對(duì)比監(jiān)督作用。

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（責(zé)任編輯：蔣建華）