仙女山地震臺磁通門磁力儀同場觀測數(shù)據(jù)分析

易 江，肖家強，孫國棟

（重慶市地震局，重慶 401147）

提供準確可靠、連續(xù)完整的地磁資料是地磁臺的基本任務(wù)。隨著觀測技術(shù)、電子工業(yè)技術(shù)、數(shù)字化記錄儀器的發(fā)展，觀測數(shù)據(jù)能達到高精度和高準確度。對于同一地點的多套地磁儀器來說，觀測資料理論上應(yīng)高度一致[1-2]。仙女山地震臺目前有兩套GM4-XL型磁通門磁力儀，兩套儀器均安裝在同一觀測室內(nèi)。本文通過對比兩套儀器的各項參數(shù)，從原始分數(shù)據(jù)、日均值、噪聲和日變幅等方面進行分析，從保障優(yōu)質(zhì)數(shù)據(jù)資料，提高觀測質(zhì)量角度，研究儀器的穩(wěn)定性、可靠性和一致性。

1 背景介紹

1.1 地理位置及周邊環(huán)境

仙女山地震臺位于重慶市武隆區(qū)仙女山國家森林公園景區(qū)內(nèi)，地理位置為北緯29°31′、東經(jīng)107°45′，高程為1 810 m。臺址背景噪聲較好，周圍安靜，5 km 以內(nèi)人員活動干擾較少。臺站氣候溫和，雨量充沛，四季分明，年均氣溫為11.2 ℃左右，年降水量高于1 214.3 mm。2007年7月測得觀測場地地磁梯度小于1.0 nT/m。臺站于2008年10月建成并投入使用，屬中國數(shù)字地震觀測網(wǎng)絡(luò)項目和三峽庫區(qū)重慶段地震監(jiān)測系統(tǒng)新建臺站。

1.2 臺站儀器

臺站前兆觀測儀器初期有GM-4 型磁通門磁力儀、ZD9A-Ⅱ型大地電場儀、TWG-28 型低頻電磁擾動儀。2014年4月，中國地震背景場項目增加兩套GM4-XL 型磁通門磁力儀、一套GSM-90F1 型Overhauser 磁力儀、一套G856 型核旋儀和一套Mag-01H 型磁通門經(jīng)緯儀。

2 測點GM-4 型磁通門磁力儀由中國地震局地球物理研究所觀測技術(shù)研究室開發(fā)，具有便攜式、低功耗的特點，既適用于固定臺站觀測，也適用于野外流動觀測，如流磁測量、電磁測深、電磁環(huán)境監(jiān)測、地震前兆加密流動監(jiān)測以及無人值守臺站觀測等，設(shè)備運行可靠，數(shù)據(jù)質(zhì)量高。因2018年5月遭受雷擊損壞，無法修復(fù)，其現(xiàn)已停測。4 測點、5 測點GM4-XL 型磁通門磁力儀由北京市京核鑫隆科技中心研發(fā)，具有一體化、小型化、優(yōu)良的溫度性能和噪聲水平、磁場動態(tài)補償、高分辨力、高采樣率數(shù)據(jù)采集、寬頻帶、低功耗、便攜式等優(yōu)點。GM-4 型磁通門磁力儀為地埋式布設(shè)[3]，GM4-XL 型磁通門磁力儀為地下室觀測墩布設(shè)[4-5]，此次主要分析4 測點、5 測點兩套儀器。GM4-XL 型磁通門磁力儀的工作模式分為絕對（總量）測量與相對測量，測量分量有D、H、Z地磁場三分量和溫度T，測量范圍為0 ～±62 500 nT，動態(tài)范圍為0 ～±2 500 nT，分辨力為0.1 nT，噪聲水平小于0.1 nT （RMS，均方根），工作溫度介于0 ～+40 ℃，溫度系數(shù)小于1 nT/℃。

以臺站辦公樓為中心點，GM4-XL 型磁通門磁力儀位于辦公樓北端，布設(shè)在同一觀測室的不同觀測墩。

1.3 數(shù)據(jù)時間段

從上述背景信息可以看出，場地適合開展地磁數(shù)據(jù)觀測。2014年4月以前，GM4-XL 型磁通門磁力儀未投入觀測，無法對比；2014年8-10月、2015年5-9月，背景場項目整改施工，大量機械工人在觀測區(qū)域內(nèi)活動，干擾非常嚴重，數(shù)據(jù)質(zhì)量低下。為保證數(shù)據(jù)連續(xù)、穩(wěn)定、可靠且具有對比性，本研究特選取2016年1月1日至2018年12月31日時間段的數(shù)據(jù)進行對比分析。

2 數(shù)據(jù)對比分析

2.1 原始分數(shù)據(jù)

之所以選擇原始數(shù)據(jù)而非預(yù)處理數(shù)據(jù)，主要原因在于預(yù)處理過后的數(shù)據(jù)已經(jīng)去除了臺階、突跳、尖峰等異常信息，不能直接反映儀器記錄的所有特征，不能看出各儀器對同一干擾源的表現(xiàn)結(jié)果。

從兩套儀器各分量原始分數(shù)據(jù)對比可以得出，各分量能準確記錄干擾導(dǎo)致的突跳、尖峰、高直等異常情況，整體形態(tài)基本一致；2017年四季度和2018年一季度Z 分量有細微差異，只有一套儀器記錄到了異常。對于同一觀測區(qū)域的同類儀器，理論上，數(shù)據(jù)曲線形態(tài)應(yīng)表現(xiàn)一致，但儀器性能、靈敏度差異、噪聲和室內(nèi)溫濕度等原因可能導(dǎo)致兩套儀器觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)細微差異。下面從不同方面進行詳細 分析。

2.2 日均值

日均值反映了儀器記錄的磁場走勢，通過均值可以看出磁場年度變化。

從兩套儀器各分量日均值數(shù)據(jù)對比可以得出，兩套儀器曲線重合性好，年度變化趨勢一致。由于日均值是通過預(yù)處理分數(shù)據(jù)計算得出的，在基線值充分正確的情況下，其曲線走勢和原始分數(shù)據(jù)曲線走勢一致，可認為兩套儀器均能準確可靠地記錄臺站周邊地磁變化。排除錯誤數(shù)據(jù)后，將兩測點（4 測點、5 測點）日均值做差值，得出：-0.21 ≤D≤0.3，平均值為-0.016；-6.3 ≤H≤5.5，平均值為-0.25； -1.9 ≤Z≤6.7，平均值為0.19。理論上，同一觀測區(qū)域的同類儀器日均值差值應(yīng)該為0[4]，但各種不可控因素導(dǎo)致實際差值在0 上下波動。

2.3 月噪聲

背景噪聲包括儀器自身工作過程中產(chǎn)生的噪聲和觀測場地外部干擾源制造的噪聲（如氣壓、溫度、風(fēng)、海浪、地脈動等）[5]。噪聲能反映出儀器受內(nèi)外部觀測環(huán)境的影響程度。

通過地磁臺網(wǎng)中心查詢到的噪聲數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，所選時間段兩套儀器各分量噪聲不太一致，重合度較低。另外，統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，D分量4 測點噪聲值全部低于臺網(wǎng)平均值，5 測點有1 個月高于臺網(wǎng)平均值；H分量兩測點各有7 個月高于臺網(wǎng)平均值；Z分量4 測點有24 個月高于臺網(wǎng)平均值，5 測點有19 個月高于臺網(wǎng)平均值；兩測點噪聲值高于臺網(wǎng)平均值的月份基本相同。同一觀測區(qū)域內(nèi)，外部背景噪聲應(yīng)該是一致的，對同類儀器的影響也應(yīng)該是一致的，但由于儀器自身有不同程度的工作噪聲，加上出廠時儀器間的靈敏度不完全一致，多方面噪聲疊加，造成各儀器對噪聲的反饋不一致。另外，臺站氣溫平均值較低，地下室內(nèi)潮濕，內(nèi)外溫差大，也可能造成兩套儀器噪聲值不一致。

2.4 日變幅

地磁日變幅是指一天中的最大值與最小值的差值，反映當天的磁場變化幅度。從各分量日變幅數(shù)據(jù)對比可以得出，各分量曲線大致重合，日變形態(tài)一致，通過計算各分量日變幅平均值之差得出，Z分量為0.14，H分量為0.27，D分量為-0.001。這說明D

分量一致性非常好，H分量偏差稍大。經(jīng)過觀測場地巡查，發(fā)現(xiàn)觀測室內(nèi)溫度較為恒定，但濕度較大，地面、墻面甚至有少量積水，懷疑安裝過程中玻璃罩、線管密封性不夠，導(dǎo)致儀器線路受潮，影響儀器工作狀態(tài)，進而表現(xiàn)出不一致性。

3 結(jié)論

從原始分數(shù)據(jù)對比直觀來看，兩套儀器均能記錄各種干擾信息，表現(xiàn)程度大致相同。考慮到儀器性能、靈敏度差異等原因，儀器間的細微差異屬于正?，F(xiàn)象。全國電磁學(xué)科預(yù)報技術(shù)管理組認為，對同一臺站而言，觀測資料差值D≤±0.1′，H≤±2 nT，Z≤±2 nT[6]。兩套儀器三分量日均值差值平均值均符合要求，年度變化一致性非常好。通過和地磁臺網(wǎng)中心的噪聲數(shù)據(jù)對比得出，D分量噪聲最小，Z分量噪聲最大，排除臺站外部和儀器自身因素外，兩套儀器在一致性上的表現(xiàn)基本相同。通過計算各分量日變幅平均值之差可知，D分量一致性非常好，H分量、Z分量一致性較差。受觀測室內(nèi)溫濕度影響，兩套儀器表現(xiàn)出不完全一致性。

自上線運行以來，仙女山地震臺兩套磁通門磁力儀保持連續(xù)穩(wěn)定，運維次數(shù)非常少。其磁通門數(shù)據(jù)曲線形態(tài)與重慶市地震局其他臺站相似，可認為儀器穩(wěn)定可靠，排除儀器性能、靈敏度差異、噪聲和室內(nèi)溫濕度等方面原因。從原始分數(shù)據(jù)、日均值、噪聲和日變幅等方面的數(shù)據(jù)圖形對比分析可以得出，兩套儀器各項表現(xiàn)一致性較好，數(shù)據(jù)資料滿足全國電磁學(xué)科預(yù)報技術(shù)管理組規(guī)范要求，觀測質(zhì)量較好。