2009-2020 年廣東肇慶站地磁觀測(cè)原始數(shù)據(jù)集

王喜珍，陸鏡輝，鄧娜，張素琴，馬玉立

1. 中國(guó)地震局地球物理研究所，北京 100081

2. 廣東省地震局肇慶地磁臺(tái)，廣東肇慶 526114

3. 湖北省地震局，武漢 430071

4. 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心，北京 100190

引 言

眾所周知，地球處在磁場(chǎng)環(huán)境中，地磁場(chǎng)將地球包圍起來，形成磁層空間。地磁場(chǎng)由地球內(nèi)部的磁性巖石以及分布在地球內(nèi)部和外部的電流體系產(chǎn)生的各種磁場(chǎng)成分疊加而成，主要?jiǎng)澐譃橹鞔艌?chǎng)、地殼磁場(chǎng)、變化磁場(chǎng)和感應(yīng)磁場(chǎng)。主磁場(chǎng)來自地球深處的地核，它穿過地幔和地殼達(dá)到地表并擴(kuò)展到太空，把地球內(nèi)部介質(zhì)的物性組成和運(yùn)動(dòng)狀況等信息攜帶出來，為人類認(rèn)識(shí)無法到達(dá)的地球深部提供了為數(shù)不多的研究途徑。地殼磁場(chǎng)來自地殼巖石圈，它帶來的是巖石復(fù)合體特性信息，這樣使得地磁測(cè)量成為強(qiáng)有力的資源勘探手段。變化磁場(chǎng)和感應(yīng)磁場(chǎng)與地球、太陽和月球活動(dòng)及太陽粒子輻射相關(guān)，反映了空間電流體系的活動(dòng)與變遷，為地球空間環(huán)境探測(cè)和空間天氣預(yù)報(bào)提供了鑰匙。地磁場(chǎng)是地球的基本物理場(chǎng)，處在地球近地空間內(nèi)任意一點(diǎn)都具有磁場(chǎng)強(qiáng)度，且其強(qiáng)度和方向會(huì)隨著不同的經(jīng)度、緯度和高度而變化，并且含有豐富的參數(shù)信息，如地磁總場(chǎng)、地磁三分量、磁傾角、磁偏角和地磁場(chǎng)梯度等，為航空、航天、航海提供了天然的坐標(biāo)系。因此，地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)是國(guó)家不可或缺的戰(zhàn)略數(shù)據(jù)，地磁場(chǎng)觀測(cè)與研究是古老而又充滿活力的重要科學(xué)[1-4]。

我國(guó)是最早開展地磁觀測(cè)的國(guó)家，早在公元前3 世紀(jì)就出現(xiàn)了司南，1915 年繪制了第一張中國(guó)地磁圖，1870 年在北京鷲峰建立了第一個(gè)地磁臺(tái)，50 年代建成我國(guó)基準(zhǔn)臺(tái)網(wǎng)，1966 年邢臺(tái)地震后地磁觀測(cè)與研究迅速發(fā)展起來[5]。隨著中國(guó)地震數(shù)字化改造、“十五”中國(guó)數(shù)字地震觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目、中國(guó)地震背景場(chǎng)探測(cè)以及中國(guó)科學(xué)院、教育部等組織實(shí)施的基建、科研項(xiàng)目的實(shí)施，我國(guó)初步形成了觀測(cè)規(guī)模大、臺(tái)站數(shù)量多、觀測(cè)種類齊全的地磁觀測(cè)網(wǎng)，僅中國(guó)地震局就建成了由46 了基準(zhǔn)臺(tái)、97個(gè)基本臺(tái)以及1385 個(gè)流動(dòng)地磁測(cè)點(diǎn)組成的國(guó)家地磁觀測(cè)網(wǎng)。

肇慶地磁臺(tái)的前身為廣州地磁臺(tái)，是我國(guó)最早建設(shè)的8 個(gè)地磁臺(tái)站之一，稱為“老八臺(tái)”，于1953 年開始選址，1954 年開始建設(shè)，1956 年7 月建成并投入使用，1957 年7 月開始地磁觀測(cè)。1958年開始出版《地磁觀測(cè)報(bào)告》，至1995 年共出版《地震觀測(cè)報(bào)告》21 卷。這些報(bào)告是我國(guó)彌足珍貴的地磁觀測(cè)歷史資料。1995 年因廣州建設(shè)地鐵地磁觀測(cè)環(huán)境受到影響，數(shù)據(jù)干擾嚴(yán)重，開始重新選址建設(shè)。肇慶地磁臺(tái)現(xiàn)址位于肇慶高要市蓮塘鎮(zhèn)，占地面積65 畝，距離廣州約100 km。1996 年開始建設(shè)，2001 年11 月底建成投入使用。2001 年12 月18 日，數(shù)字化的地磁觀測(cè)正式開始記錄。2003年6 月9 日被國(guó)際地磁觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)（INTERMAGNET）接納為正式成員，成為全球92 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化地磁觀測(cè)臺(tái)站之一。該臺(tái)站場(chǎng)址所處大地構(gòu)造部位為NE—SW 向吳川-四會(huì)斷裂帶的南東側(cè)，次級(jí)構(gòu)造為近東西向的白土—馬鞍凹陷的南緣。在場(chǎng)址的南側(cè)分布著上第三系砂礫巖和大面積的奧陶系石英砂巖。臺(tái)基巖性為石炭系石灰?guī)r，其上不整合覆蓋有下侏羅—上三疊統(tǒng)褐紅色、褐黃色砂礫巖，風(fēng)化層較厚。臺(tái)站觀測(cè)場(chǎng)地地磁場(chǎng)分布均勻，水平梯度最大值為0.5 nT/m，電磁背景噪聲水平為0.03 nT，為國(guó)家I 類地磁基準(zhǔn)臺(tái)。臺(tái)站有一個(gè)絕對(duì)觀測(cè)室、兩個(gè)矢量磁力儀室、兩個(gè)電器室、一個(gè)實(shí)驗(yàn)室、一個(gè)比測(cè)亭、一座辦公樓、一個(gè)配電房等地面建筑物和一個(gè)地下室結(jié)構(gòu)的相對(duì)記錄室，總建筑面積為981 m2。相對(duì)記錄室內(nèi)有6 個(gè)記錄墩，按7#～12#的順序排列，輔助墩2 個(gè)，主體材料完全為大理石。相對(duì)記錄室內(nèi)的年溫差＜4.0℃，日溫差＜0.2℃，相對(duì)濕度小于80%。

1 數(shù)據(jù)采集和處理方法

1.1 數(shù)據(jù)采集

本數(shù)據(jù)集采用的觀測(cè)儀器為中國(guó)地震局地球物理研究所研制的GM4 型磁通門磁力儀[6]。該設(shè)備由磁探頭、模擬盒和數(shù)據(jù)采集器組成。GM4 磁通門磁力儀（圖1）是我國(guó)“十五”科技攻關(guān)成果，在成功實(shí)現(xiàn)地磁場(chǎng)H、Z、D 三分量變化測(cè)量的一體化和數(shù)字化的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)傳感器的小型化、拓寬觀測(cè)頻帶、擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量、降低設(shè)備功耗、自然地磁場(chǎng)的自動(dòng)補(bǔ)償，并實(shí)現(xiàn)基于TCP/IP 通信協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)通信。該設(shè)備數(shù)據(jù)采集的基本采樣率為每秒10 次，通過數(shù)字濾波抽樣產(chǎn)出每秒采樣的數(shù)據(jù)。觀測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于1GB 的CF 存儲(chǔ)卡內(nèi)。設(shè)備數(shù)據(jù)通信實(shí)現(xiàn)基于TCP/IP 協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)功能，包括遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)匯集、遠(yuǎn)程WEB 網(wǎng)頁方式等服務(wù)。

圖1 肇慶地磁臺(tái)GM4 型磁通門磁力儀

1.2 數(shù)據(jù)處理

本數(shù)據(jù)集為地磁原始觀測(cè)數(shù)據(jù)，為相對(duì)記錄值，未對(duì)可能存在的環(huán)境干擾，如地鐵、鐵路、高壓直流輸電、車輛等進(jìn)行預(yù)處理，僅對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)本身進(jìn)行校驗(yàn)處理。

地震局節(jié)點(diǎn)站數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)不符合子午工程數(shù)據(jù)格式規(guī)范的數(shù)據(jù)進(jìn)行更正。主要對(duì)數(shù)據(jù)時(shí)間、缺記等進(jìn)行自動(dòng)校驗(yàn)，缺記數(shù)據(jù)用缺省值自動(dòng)填補(bǔ)，確保觀測(cè)數(shù)據(jù)符合子午工程數(shù)據(jù)格式規(guī)范要求。

1.2.1 異常數(shù)據(jù)處理

隨著我國(guó)大規(guī)模的經(jīng)濟(jì)建設(shè)，特別是城市地鐵、高壓直流輸電等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，一些地磁觀測(cè)臺(tái)站受到一定程度的干擾，導(dǎo)致觀測(cè)信號(hào)上疊加非天然地磁場(chǎng)信號(hào)[7]，干擾數(shù)據(jù)波形如圖2。數(shù)據(jù)處理就是將這些疊加信號(hào)予以去除，即對(duì)原始數(shù)據(jù)（或轉(zhuǎn)換分?jǐn)?shù)據(jù)）中尖峰信號(hào)、標(biāo)定信號(hào)、人為干擾信號(hào)和錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的處理。

圖2 已識(shí)別的常規(guī)干擾形態(tài)

中國(guó)地震局根據(jù)不同干擾源產(chǎn)生的干擾特征開發(fā)了干擾形態(tài)識(shí)別和處理技術(shù)，這些技術(shù)已集成在中國(guó)地震前兆臺(tái)網(wǎng)管理軟件中，目前主要包括軌道交通、高壓直流輸電、地電阻率、建筑工地等。

1.2.2 基線值校正

本數(shù)據(jù)集的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)為磁場(chǎng)水平強(qiáng)度H、磁偏角D、磁場(chǎng)垂直強(qiáng)度Z 的相對(duì)變化，并不反應(yīng)地磁場(chǎng)的實(shí)際值。為了將相對(duì)記錄系統(tǒng)觀測(cè)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成真實(shí)的地磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，需通過基線值校正。

基線值的獲取一般是通過臺(tái)站安裝的磁通門經(jīng)緯儀（也稱DI 儀）獲取。地磁場(chǎng)絕對(duì)值每周觀測(cè)兩次，觀測(cè)D、I、F，根據(jù)測(cè)量值計(jì)算出H 和Z，再結(jié)合相對(duì)記錄數(shù)據(jù)算出觀測(cè)基線值，并利用“平滑曲線法”確定各分量的采用基線值[8]。當(dāng)出現(xiàn)基線值跳動(dòng)的情況時(shí)，采用分段平滑。由于溫度對(duì)相對(duì)記錄數(shù)據(jù)的影響已包含在基線值內(nèi)，故在處理最終數(shù)據(jù)時(shí)對(duì)記錄數(shù)據(jù)和基線值均不做溫度改正。

1.3 數(shù)據(jù)傳輸

臺(tái)站觀測(cè)數(shù)據(jù)通過子午工程臺(tái)站管理軟件匯集到臺(tái)站數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)（圖3），并在本地存儲(chǔ)。臺(tái)站工作人員對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后通過臺(tái)站管理軟件數(shù)據(jù)上傳模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至地震局節(jié)點(diǎn)站。地震局節(jié)點(diǎn)站進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與質(zhì)量評(píng)估后，通過子午工程數(shù)據(jù)中心統(tǒng)一配置的HJclient 客戶端數(shù)傳軟件將數(shù)據(jù)上傳至子午工程數(shù)據(jù)中心。

圖3 數(shù)據(jù)傳輸軟件界面

1.4 數(shù)據(jù)發(fā)布

地磁原始觀測(cè)數(shù)據(jù)分別在肇慶地磁臺(tái)、廣東省地震局、國(guó)家地磁臺(tái)網(wǎng)中心（www.geomag.org.cn）、中國(guó)地震局地球物理研究所地震局節(jié)點(diǎn)站以及子午工程數(shù)據(jù)中心存儲(chǔ)，根據(jù)各自職責(zé)開展數(shù)據(jù)共享與發(fā)布。肇慶地磁臺(tái)、廣東省地震局、國(guó)家地磁臺(tái)網(wǎng)中心根據(jù)中國(guó)地震局的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)布。地震局節(jié)點(diǎn)站以及子午工程數(shù)據(jù)中心（data.meridianproject.ac.cn）按照子午工程有關(guān)協(xié)議規(guī)定發(fā)布數(shù)據(jù)。子午工程數(shù)據(jù)中心為對(duì)外發(fā)布的主要渠道，包括原始數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)波形以及其他中間產(chǎn)品，用戶可通過子午工程數(shù)據(jù)中心認(rèn)證后下載本數(shù)據(jù)集。

2 數(shù)據(jù)樣本描述

2.1 文件名

本數(shù)據(jù)集地磁原始數(shù)據(jù)文件命名根據(jù)子午工程數(shù)據(jù)文件交換接口的命名規(guī)則確定，格式為“ZQT_FGM01_DMD_L01_01D__yyyymmddhhmmss.dat”。其中ZQT 為肇慶地磁臺(tái)在子午工程中的臺(tái)站代碼，而在國(guó)際地磁數(shù)據(jù)交換中的代碼為“GZH”。FGM 為儀器磁通門磁力儀代碼，01D 表示原始數(shù)據(jù)，每天一個(gè)文件。yyyymmddhhmmss 為文件起始記錄時(shí)間。

2.2 數(shù)據(jù)格式

本數(shù)據(jù)集地磁原始數(shù)據(jù)格式（表1）采用中國(guó)地震局行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)磁通門磁力儀地磁數(shù)據(jù)格式，其格式說明如下：

數(shù)據(jù)文件由文件頭和數(shù)據(jù)項(xiàng)組成，文件頭包括觀測(cè)時(shí)間、臺(tái)站代碼、設(shè)備號(hào)、采樣率和通道數(shù)組成，每一項(xiàng)均采用“ ”（一位空格）為分隔符。數(shù)據(jù)項(xiàng)由磁場(chǎng)水平強(qiáng)度H、磁偏角D、磁場(chǎng)垂直強(qiáng)度Z 的變化和溫度T 組成，數(shù)據(jù)項(xiàng)均采用“ ”（一位空格）為分隔符，數(shù)據(jù)按H、D、Z 和T 連續(xù)排列，共有86400 組數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)項(xiàng)數(shù)據(jù)采樣的時(shí)間精度為1 秒。一個(gè)完整記錄項(xiàng)的格式碼為I4,I2,I2,X,I5,X,A12,X,I2,X,I2,X,86400(X ,I4，X ,I4，X ,I4，X ,I4)，其中數(shù)字為數(shù)據(jù)占有位數(shù)。

表1 地磁原始觀測(cè)數(shù)據(jù)格式

序號(hào) 數(shù)據(jù)項(xiàng)中文名稱 數(shù)據(jù)項(xiàng)英文名稱 記錄格式 物理單位（中英文） 無效缺省值 數(shù)值范圍17 D 分量測(cè)項(xiàng)代碼D-ComponentCode I4 納特（nT） 9999 -65000～65000 18 空格 Space I1 19 T 測(cè)量值 T value I7 攝氏度（℃） 9999 -100～100... ... . ... ... ...

本數(shù)據(jù)集地磁原始數(shù)據(jù)格式樣例如圖4 所示，地磁觀測(cè)原始數(shù)據(jù)集數(shù)據(jù)波形如圖5。

圖4 地磁觀測(cè)原始數(shù)據(jù)集數(shù)據(jù)格式樣例

圖5 地磁觀測(cè)原始數(shù)據(jù)集數(shù)據(jù)波形圖

2.3 國(guó)際數(shù)據(jù)交換格式

肇慶地磁臺(tái)開展國(guó)際地磁數(shù)據(jù)資料交換的數(shù)據(jù)格式為IAGA2002 格式，該數(shù)據(jù)格式是國(guó)際通用的地磁數(shù)據(jù)交換格式。臺(tái)站按照IAGA 有關(guān)規(guī)定向國(guó)際地磁臺(tái)網(wǎng)中心（intermagnet）提交交換數(shù)據(jù)。本數(shù)據(jù)集數(shù)據(jù)格式與IAGA2002 格式間可通過子午工程地震局節(jié)點(diǎn)站的格式轉(zhuǎn)換軟件進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和評(píng)估

3.1 日常觀測(cè)質(zhì)量控制

為了規(guī)范地磁臺(tái)站日常運(yùn)行與維護(hù)管理，中國(guó)地震局編制了《地震前兆臺(tái)網(wǎng)運(yùn)行管理辦法（試行）》、《電磁臺(tái)網(wǎng)運(yùn)行管理細(xì)則》，以提高臺(tái)站儀器運(yùn)行效率和觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量。

在日常運(yùn)行中，臺(tái)站運(yùn)行與維護(hù)人員按照上述規(guī)范性文件進(jìn)行觀測(cè)、日志編制、數(shù)據(jù)處理以及其他校驗(yàn)校正工作。在波形異常時(shí)，要開展原因排查工作，確定干擾源，采取有效防范措施，以保障觀測(cè)數(shù)據(jù)的客觀性。同時(shí)在運(yùn)行維護(hù)中，加強(qiáng)巡查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，提高觀測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)性。

除日常觀測(cè)質(zhì)量控制外，地磁相對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性、一致性也非常重要。造成長(zhǎng)期穩(wěn)定性、一致性較差的原因主要有溫漂、墩差等。溫漂一方面是由于儀器原因，一方面由于觀測(cè)室環(huán)境溫度。相對(duì)觀測(cè)室環(huán)境溫度年溫差應(yīng)控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)。因觀測(cè)室保溫效果欠佳或年久失修，使觀測(cè)室年溫差高于地磁觀測(cè)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)需要及時(shí)修繕觀測(cè)室。當(dāng)儀器的實(shí)際溫漂大于儀器溫漂指標(biāo)時(shí)，需要及時(shí)對(duì)儀器進(jìn)行維修。墩差主要因觀測(cè)墩地基形變從而使觀測(cè)值發(fā)生變化。為了保持?jǐn)?shù)據(jù)的一致性，儀器觀測(cè)墩需要定期或不定期進(jìn)行墩差測(cè)量，并根據(jù)墩差測(cè)量值對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行改正。

3.2 觀測(cè)質(zhì)量評(píng)估

中國(guó)地震局系統(tǒng)內(nèi)地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)由國(guó)家地磁臺(tái)網(wǎng)中心按照《數(shù)字地磁臺(tái)網(wǎng)觀測(cè)資料質(zhì)量評(píng)比辦法（2015 修訂版》有關(guān)規(guī)定進(jìn)行。評(píng)比分為月評(píng)比和年評(píng)比兩個(gè)層次。月評(píng)比和年評(píng)比均采用百分制。所有在線運(yùn)行的儀器均需參加月評(píng)比。實(shí)際運(yùn)行天數(shù)少于9 個(gè)月者不參加年評(píng)比。在評(píng)比過程中對(duì)各儀器存在的問題均有明確的反饋和處理建議。

肇慶地磁臺(tái)儀器場(chǎng)址條件好，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)連續(xù)性高，數(shù)據(jù)質(zhì)量好，多次在中國(guó)地震局地磁數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)比中評(píng)為“優(yōu)秀”或“一等獎(jiǎng)”。

4 數(shù)據(jù)使用方法和建議

本數(shù)據(jù)集為地磁原始觀測(cè)數(shù)據(jù)，為相對(duì)記錄值，可以用來開展地磁場(chǎng)、地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、磁暴、空間環(huán)境和地球各圈層耦合等方面的研究。

本數(shù)據(jù)集未做預(yù)處理，可能存在環(huán)境干擾，如地鐵、鐵路、高壓直流輸電、車輛等，在使用時(shí)應(yīng)對(duì)可能的干擾形態(tài)特征有所了解。本數(shù)據(jù)集也未作基線值校正，用戶若需基線值校正的數(shù)據(jù)可與作者聯(lián)系后約束使用。

致 謝

感謝國(guó)家地磁臺(tái)網(wǎng)中心對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制的指導(dǎo)，感謝子午工程運(yùn)維團(tuán)隊(duì)在數(shù)據(jù)采集、處理中所做的工作，感謝子午工程辦公室對(duì)本系統(tǒng)運(yùn)維的協(xié)調(diào)與支持。本數(shù)據(jù)論文的完成得到了國(guó)家科技基礎(chǔ)條件平臺(tái)-國(guó)家空間科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http://www.nssdc.ac.cn）的大力支持和幫助。

數(shù)據(jù)作者分工職責(zé)

王喜珍（1972—），男，山西嵐縣人，博士，副研，研究方向?yàn)榈厍蛭锢頂?shù)據(jù)處理。主要承擔(dān)工作：總體負(fù)責(zé)，主要包括數(shù)據(jù)采集、質(zhì)量控制、數(shù)據(jù)管理、傳輸與共享等。

陸鏡輝（1970—），男，廣東省廣州人，中專，工程師，研究方向?yàn)榈厍蛭锢碛^測(cè)和數(shù)據(jù)分析與整理。主要承擔(dān)工作：儀器維護(hù)、地磁數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)傳輸及數(shù)據(jù)處理。

鄧娜（1973—），女，湖北武漢人，學(xué)士，高工，研究方向?yàn)榈卮庞^測(cè)與研究。主要承擔(dān)工作：地磁數(shù)據(jù)處理。

張素琴（1978—），女，河北省張家口市人，碩士，高工，研究方向?yàn)檎鸫抨P(guān)系與地磁日變化。主要承擔(dān)工作：地磁數(shù)據(jù)質(zhì)量控制與評(píng)價(jià)。

馬玉立（1978—），女，北京人，碩士，高工，研究方向?yàn)楣こ坦芾?。主要承?dān)工作：數(shù)據(jù)管理與數(shù)據(jù)發(fā)布。