河北昌黎地震臺磁通門磁力儀FGM01與GM4觀測資料對比分析

王 倩，王賀生，韓小賓，王艷榮

(1.河北省地震局秦皇島中心地震臺，河北 秦皇島 066100；2.河北省地礦局秦皇島礦產水文工程地質大隊，河北 秦皇島 066100)

0 引言

地震的孕育和發(fā)生是一個多物理過程，大量觀測與研究表明該過程中伴隨有電磁場的變化，從觀測資料中有效地提取出地震電磁信號有助于加深對地震電磁現(xiàn)象的認識和理解，準確可靠、連續(xù)完整的觀測資料是基礎。國家“十五”數(shù)字網絡項目對全國地磁臺站進行改造，實現(xiàn)了地磁臺站相對記錄數(shù)字化數(shù)據的實時存儲和準實時傳輸[1]。在同一地磁臺站，多套觀測系統(tǒng)的資料應具備一致性、可比性。為此，對昌黎地震臺兩套磁通門磁力儀FGM01和GM4的觀測資料進行系統(tǒng)的對比分析。

1 臺站觀測環(huán)境及儀器概況

昌黎地磁臺(以下簡稱昌黎臺)位于河北省昌黎縣城西10 km，臺址基巖被第四紀砂質黏土覆蓋，花崗巖埋藏于地下70 m左右，地下水位約20 m，位于昌寧斷裂北6 km(非活斷層)，臺基主要是第四紀沉積物。昌黎臺已有30多年的觀測歷史，有一套完整的絕對觀測與相對觀測系統(tǒng)，自上世紀60年代末期建臺至今，地面磁場分布較均勻，周圍干擾源較少，是理想的地磁觀測場所。磁場水平梯度小于1.0 nT/m,室內日溫差≤0.3 ℃，年溫差≤10.0 ℃，相對濕度≤85%，均滿足地磁觀測規(guī)范要求[2]。

昌黎臺分別于2010年10月、2013年12月安裝GM4、FGM01磁通門磁力儀，儀器均由磁通門探頭、模擬裝置和主機3個單元構成，用于地磁場相對記錄，測量地磁場水平分量H、垂直分量Z和地磁偏角D的變化，同時監(jiān)測探頭溫度T。探頭部分的數(shù)據基本采樣率為每秒10次，通過數(shù)字濾波抽樣產出每秒采樣的數(shù)據，簡稱秒數(shù)據。磁通門磁力儀以其靈敏度高、頻帶寬、易于實現(xiàn)數(shù)字化等優(yōu)點，廣泛應用于地磁觀測臺站[3]。Mag-01地磁經緯儀于2015年1月安裝，用于測量地磁場偏角D和傾角I。每周一、四使用近零法進行絕對觀測，同時配合G-856質子核旋儀測量地磁場總強度F，通過換算得到各分量的基線值。儀器基本參數(shù)如表1所示。

表1 儀器性能指標參數(shù)Table 1 Parameters of instrument performance index

2 觀測數(shù)據對比分析

2.1 參考背景噪聲

地磁臺網的評比標準中包含儀器參考背景噪聲指標，可通過它來衡量儀器性能的優(yōu)良[4]。2014年，昌黎臺兩套儀器的Z分量背景噪聲均高于臺網的參考背景噪聲，超出幅度與季節(jié)的變化無明顯關系，這可能是臺站地下介質的電性結構所致(見第33頁表2)。GM4儀器的D分量在6—8月中均高于臺網的背景噪聲，F(xiàn)GM01的D分量在8月高出臺網背景噪聲，可見兩套儀器D分量的背景噪聲可能與季節(jié)有關——夏時段噪聲值較大，冬時段較小。H分量的噪聲值均小于臺網的參考噪聲值，未出現(xiàn)超限情況。

兩套儀器觀測分量值相比，F(xiàn)GM01的D分量背景噪聲值有8次小于GM4的，分別在2—3月、6—7月、9—12月，5月的大于GM4。其他分量相差不明顯(見表2)。排除觀測環(huán)境和場地等影響，認為FGM01儀器的性能較優(yōu)于GM4。

表2 FGM01、GM4背景噪聲和臺網參考背景噪聲對比Table 2 Background noise of FGM01 and GM4 and referencebackground noise of the network

2.2 預處理分鐘值數(shù)據

為分析FGM01與GM4記錄數(shù)據的一致性及內在質量，分別選取磁靜日2015年4月4日全天K指數(shù)總和為9和磁擾日2015年3月17日全天K指數(shù)總和為44的數(shù)據進行分析(見圖1)。

從D、H、Z三分量分鐘值日變化曲線看出，兩套儀器在磁靜日和磁擾日的日變化形態(tài)一致，重合性較好，能很好地反映地磁日變形態(tài)。

2.3 日均值數(shù)據

為明確兩套儀器觀測數(shù)據的內在質量，選取2015年的日均值數(shù)據，繪制D、H、Z三分量的日均值和日均值差值曲線(見第34頁圖2)。

由圖2可知，兩套儀器三分量的日均值變化曲線形態(tài)一致性較好，年變化趨勢一致。日均值差值主要檢驗相對記錄方面的問題，能顯示基線值所不能消除的各種影響因素。兩套儀器各分量的日均值差值為D差值≤±0.5 nT，H差值≤±2.0 nT，Z差值≤±1 nT。另外，D分量差值大于0.3 nT的6天、H分量差值大于1.5 nT和小于-1 nT的2天、Z分量差值小于-0.8 nT的1天均為磁擾日。由此可知，在磁擾日，兩套儀器的日均值差值會較大。理論上，兩套儀器的日均值差值應為0，但由于各種因素影響，只能是趨近于0。

圖1 GM4與FGM01的磁靜日、磁擾日分鐘值曲線Fig.1 Minute value of Magnetic static day and magnetic disturbing day of FGM01 and GM4

2.4 基線值數(shù)據

基線值是地磁臺站的重要資料質量控制數(shù)據，是溝通絕對觀測和相對記錄的橋梁[5]。通過基線值可以監(jiān)控包括絕對和相對記錄儀器在內的整個地磁觀測系統(tǒng)的工作狀態(tài)和檢驗資料的內在質量。相對記錄的基線值由絕對觀測控制，絕對觀測是對地磁場3個獨立分量絕對值進行測量，所測量數(shù)值代表某一測點、某一觀測時刻的地磁場矢量大小和方向，從而確定地磁臺站相對記錄的基線值[6]。根據地磁臺站觀測的規(guī)范要求，每周應進行2次絕對觀測，D和I的觀測精度應達到0.1分，F(xiàn)的觀測精度應達到1 nT。

基線值理論上應為恒定值，但由于觀測誤差，儀器本身存在的溫度系數(shù)和零點漂移等原因，基線值會有一定的變化。昌黎臺2015年使用Mag-01經緯儀進行102次近零法觀測，每次觀測數(shù)據為3組，通過所得數(shù)據計算FGM01和GM4兩套儀器的基線值。按規(guī)范要求，計算出月標準偏差，D分量<0.1分，H分量<1 nT，Z分量<1 nT，是衡量儀器狀況的標準。

圖2 FGM01和GM4日均值、日均差值曲線Fig.2 The daily mean value and the daily mean value difference of FGM01 and GM4

由表3可知，兩套儀器觀測基線值的月標準偏差均滿足“地磁基本臺站觀測資料質量評比”要求，說明兩套儀器工作狀態(tài)穩(wěn)定。FGM01的D分量月標準偏差值全年有10次大于GM4的，H分量6次大于GM4，Z分量7次大于GM4，說明GM4數(shù)據質量優(yōu)于FGM01。

表3 2015年FGM01和GM4觀測基線月標準偏差Table 3 Observational baseline monthly standarddeviation of FGM01 and GM4 in 2015

3 結論

通過對兩套儀器觀測數(shù)據的對比分析，得出以下結論。

(1) 參考背景噪聲數(shù)據分析表明，F(xiàn)GM01儀優(yōu)于GM4儀。兩套儀器的D分量背景噪聲均與季節(jié)有關，夏時段噪聲值較大，冬時段較小。FGM01儀的D分量全年大部分都小于GM4儀，H、Z分量相差不明顯。

(2) 分鐘值預處理數(shù)據分析表明，兩套儀器在磁靜日和磁擾日均有較好的重合性，能反映出地磁日變形態(tài)。

(3) 兩套儀器日均值變化曲線形態(tài)一致性較好，年變化趨勢一致，日均值差值較小，均符合規(guī)范標準。三分量日均值差值較大的時段均為磁擾日。

(4) 兩套儀器觀測基線值的月標準偏差值均滿足“地磁基本臺站觀測資料質量評比”要求，兩套儀器工作狀態(tài)穩(wěn)定。GM4儀的各分量值全年大部分小于FGM01儀。

綜上所述，昌黎臺FGM01和GM4兩套儀器均具有較高的穩(wěn)定性，觀測數(shù)據連續(xù)可靠。由結論(1)和(4)來看，排除觀測環(huán)境和場地等因素的影響，F(xiàn)GM01儀的靈敏度可能稍差于GM4儀。綜合分析，GM4儀的數(shù)據內在質量優(yōu)于FGM01儀，但在降低背景噪聲方面仍需進一步的研究。

[1] 吳 瓊，滕云田，王喜珍.“十五”地磁相對記錄儀器干擾分析與安裝方案改進[J].地震地磁觀測與研究，2008，29(4)：53-56.

[2] 中國地震局.地震及前兆數(shù)字觀測技術規(guī)范[M].北京：地震出版社，2001.

[3] 王曉美，騰云田，王喜珍，等.GM4型磁通門磁力儀性能檢測方法[J].地震地磁觀測與研究，2008，29(6)：88-94.

[4] 賈 華，高登平，王利兵，等.紅山地震臺地磁GM4儀與FHD-2B儀觀測資料對比分析[J].地震地磁觀測與研究，2015，36(3)：98-104.

[5] 程安龍.地磁臺站和地磁臺網現(xiàn)代技術專輯[J].國際地震動態(tài),1995,(6):4.

[6] 中國地震局監(jiān)測預報司.地震電磁數(shù)字觀測技術[M].北京：地震出版社，2002：81-86.