大同地震監(jiān)測中心站GM4-XL磁通門磁力儀觀測數(shù)據(jù)漂移分析

郝雪景 高龍飛 蘇燕紅 高存英 閆美蓉

1）中國山西037000 山西省地震局大同地震監(jiān)測中心站

2）中國山西030025 山西太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站

0 引言

通過地磁觀測可以獲得地磁場變化信息，地磁觀測分為絕對觀測和相對觀測，GM4磁通門磁力儀是地磁相對觀測的典型設備。理論上，同一個地磁臺站多套儀器觀測數(shù)據(jù)的變化應保持一致（胡秀娟等，2009）?；诖?，胡秀娟等（2014）就紅山臺、高怡佳等（2018）就天水臺各自臺站2 套GM4 磁力儀，從背景噪聲、基線值、預處理數(shù)據(jù)、日均值等角度，對觀測數(shù)據(jù)進行對比分析，證實同場地不同儀器觀測數(shù)據(jù)一致性較好，但基于儀器自身原因會存在微弱差異。

大同地震監(jiān)測中心站（下文簡稱大同站）在背景場建設項目中架設2 套GM4-XL 磁通門磁力儀（下文簡稱GM4-XL 儀），置于同一觀測場地，于2013 年12 月開始運行，至今已積累大量觀測數(shù)據(jù)。自2017 年以來，2 套磁力儀每年夏秋季節(jié)會出現(xiàn)明顯的漂移現(xiàn)象，且觀測數(shù)據(jù)差異較大，制約了大同站地磁觀測數(shù)據(jù)質量水平，對地震研究造成一定影響。文中對2017 年以來大同站地磁觀測數(shù)據(jù)進行質量評價，利用山西省其他臺站地磁數(shù)據(jù)進行差值檢測，以識別數(shù)據(jù)漂移時段，分析地磁房附近地質條件、地磁觀測室及觀測墩建設、降雨等因素與數(shù)據(jù)漂移的相關性，尋找該中心站GM4-XL 磁通門磁力儀數(shù)據(jù)漂移原因，以便為改善臺站地磁觀測數(shù)據(jù)質量提供思路，為其他存在數(shù)據(jù)漂移現(xiàn)象的地磁臺站提供參考。

1 臺站概況

大同站位于大同市南郊區(qū)馬軍營鄉(xiāng)上皇莊村，距市區(qū)約4 km，地磁觀測場地位于臺站辦公區(qū)南側，測區(qū)地形相對平坦、開闊，附近無電磁線路通過，遠離居民住宅區(qū)、公路、采石場、高壓線，地電阻率西供電極距地磁觀測場地約70 m。臺站配備2 套GM4-XL 儀和1 套OVERHAUSER 磁力儀進行地磁觀測，其中GM4-XL 儀由磁通門傳感器和主機構成，傳感器包括探頭和模擬盒。3 套磁力儀探頭置于地埋式探頭室3 個觀測墩上，從東到西分別為GM4b、GM4a 和OVERHAUSER，主機置于距探頭約20 m 處的儀器室里，信號經(jīng)探頭電纜傳輸至模擬裝置，數(shù)據(jù)匯集后傳輸至臺站中心機房。場地布設見圖1。

圖1 大同站地磁觀測場地布設示意Fig.1 The map of the geomagnetic observation site at Datong Station

GM4-XL 儀觀測地磁場水平分量H、垂直分量Z、偏角D和探頭溫度T的變化，通過濾波給出秒采樣數(shù)據(jù)（王曉美等，2011）。

2 質量評價

大同站2 套GM4-XL 儀秒采樣觀測數(shù)據(jù)質量較差，結合國家地磁臺網(wǎng)中心評比細則可知，數(shù)據(jù)完整率、背景噪聲等不達標，且存在數(shù)據(jù)預處理錯誤等現(xiàn)象。

2.1 連續(xù)率、完整率

觀測數(shù)據(jù)的連續(xù)率反映了原始數(shù)據(jù)的完整性，完整率反映了預處理數(shù)據(jù)的完整性，二者可直接表征儀器運行狀態(tài)及經(jīng)處理后數(shù)據(jù)的保留程度。

（1）數(shù)據(jù)連續(xù)率。大同站2017—2021 年（2021 年1—9 月）數(shù)據(jù)連續(xù)率統(tǒng)計結果顯示，受數(shù)采漏采、儀器故障（GM4a 儀更易出現(xiàn)死機等故障）、停電等影響，連續(xù)率無法達到100%，其中GM4a 儀年均連續(xù)率為99.85%，GM4b 儀年均連續(xù)率為99.88%。

（2）數(shù)據(jù)完整率。在數(shù)據(jù)預處理過程中，防雷器安裝、場地施工、地電阻率供電等干擾數(shù)據(jù)，均被視為錯誤數(shù)據(jù)被刪除處理，使得數(shù)據(jù)完整率受到影響。大同站地電阻率西供電極距磁力儀探頭室約70 m，當供電極每小時供電觀測時，形成的電磁場會對2 套磁力儀地磁秒數(shù)據(jù)產(chǎn)生明顯干擾，在每小時記錄中，D分量需刪除時長近480 s 的數(shù)據(jù)，H分量需刪除時長約150 s 的數(shù)據(jù)，Z分量需刪除時長約330 s 的數(shù)據(jù)。據(jù)統(tǒng)計，GM4a 儀D分量年均數(shù)據(jù)完整率約85.5%，Z分量約90.5%，H分量約95.2%，GM4b 儀D分量年均數(shù)據(jù)完整率約85.6%，Z分量約90.7%，H分量約95.3%。

2.2 背景噪聲

地磁觀測參考背景噪聲是指固定臺站某套儀器對磁場變化響應的靈敏程度，是地磁臺網(wǎng)數(shù)據(jù)質量評比的一項重要內容（胡秀娟等，2014）。將2017 年1 月至2021 年9 月大同站GM4a 和GM4b 儀各測項分量背景噪聲值與臺網(wǎng)噪聲平均值進行比較，結果見圖2。

圖2 大同站GM4a、GM4b 儀與臺網(wǎng)背景噪聲值對比Fig.2 Comparison of background noise values between GM4a,GM4b and the national network

（1）GM4a 儀、GM4b 儀噪聲分布特征。在2020 年1 月前，GM4a 儀D分量除2018年8 月為0.05 nT，超出臺網(wǎng)背景噪聲值外，均分布在0.03—0.04 nT 之間，H分量分布在0—0.04 nT 之間，均未超出臺網(wǎng)背景噪聲值，Z分量分布在0.06—0.08 nT 之間，大多高于臺網(wǎng)背景噪聲值，且GM4a 儀各分量噪聲值低于GM4b 儀，特別是D、H分量。自2020 年1 月開始，GM4a 儀各分量噪聲值明顯增大，普遍超出臺網(wǎng)背景噪聲平均值。

GM4b 儀各分量噪聲水平全年較穩(wěn)定，其中：D分量噪聲值分布在0.04—0.06 nT 之間，從2019 年10 開始均未超出臺網(wǎng)背景噪聲平均值；H分量分布在0.05—0.06 nT 之間，均未超出臺網(wǎng)平均值；Z分量分布在0.07—0.09 nT 之間，從2019 年10 月開始，僅2020 年12 月數(shù)值超出臺網(wǎng)平均值。

（2）GM4a 儀噪聲變化原因。調查該時段觀測環(huán)境、儀器故障等，以探究噪聲變大原因：①觀測環(huán)境排查：2019 年12 月9 日至11 日，探頭房正上方地面塑料保溫棚重新安裝，疑持續(xù)產(chǎn)生背景干擾，因同場地GM4b 儀各分量噪聲水平未增大，排除此環(huán)境影響；②2019 年12 月16 日至18 日，因防雷器故障，GM4a 儀出現(xiàn)多次死機現(xiàn)象，需拆除防雷器重啟，才能恢復正常連續(xù)觀測；③2020 年8 月和12 月，在GM4a 儀被2 次重啟操作后，D分量和Z分量出現(xiàn)噪聲增大現(xiàn)象；④2021 年2 月3 日至19 日，GM4a 儀GPS 模塊損壞，導致儀器主機故障進行維修，使用太原站同型號備用主機進行觀測，該月各分量噪聲值明顯減小，3 月恢復至噪聲高值水平。

綜上可知，GM4a 儀噪聲水平增大，應為2019 年12 月儀器因故障重啟后主機自身性能所致。

2.3 預處理錯誤

在對GM4a、GM4b 儀秒數(shù)據(jù)預處理過程中，主要存在一階差分超差嚴重、難以處理到位的問題。每日觀測數(shù)據(jù)存在大量尖峰突跳，利用一階差分算法會得到上千條超差記錄，加大了預處理工作的難度。而且，依賴差分算法刪除超差數(shù)據(jù)時易刪除正常數(shù)據(jù)，降低數(shù)據(jù)可用性和完整性?？梢?，需進一步探究超差及數(shù)據(jù)完整性問題。

在對GM4a、GM4b 儀分數(shù)據(jù)預處理過程中，會產(chǎn)生錯誤響應現(xiàn)象。據(jù)統(tǒng)計，在2018—2020 年，GM4a、GM4b 儀預處理數(shù)據(jù)錯誤響應年均10 次以上，以臺階和尖峰居多，伴有數(shù)據(jù)漂移和不可用數(shù)據(jù)。其中，臺階和尖峰一般在2 套磁力儀同時出現(xiàn)，應為干擾數(shù)據(jù)未準確識別所致；數(shù)據(jù)漂移現(xiàn)象以GM4a 儀居多，主要發(fā)生在每年8—10 月；不可用數(shù)據(jù)均為GM4a 儀產(chǎn)生，應為數(shù)據(jù)漂移嚴重、儀器探頭線晃動等所致。對于此類數(shù)據(jù)預處理錯誤，應及時開展數(shù)據(jù)檢查、完善預處理工作。

3 數(shù)據(jù)漂移原因分析

大同站GM4a 和GM4b 磁力儀自2017 年夏季出現(xiàn)明顯的數(shù)據(jù)漂移，表1 所示為國家地磁臺網(wǎng)中心給出的2019 — 2020 年該中心站2 套磁力儀數(shù)據(jù)漂移錯誤響應統(tǒng)計結果。

表1 大同站GM4a、GM4b 數(shù)據(jù)漂移錯誤響應統(tǒng)計Table 1 Data drift error response statistics of GM4a and GM4b at Datong Station

在日常數(shù)據(jù)預處理過程中，發(fā)現(xiàn)大同站磁力儀存在數(shù)據(jù)漂移現(xiàn)象。將大同站2018—2020 年地磁觀測相對日均值曲線與應縣、代縣站數(shù)據(jù)曲線進行對比，結果見圖3，結合表1，可知在每年夏秋季節(jié)，大同站地磁觀測數(shù)據(jù)常出現(xiàn)漂移現(xiàn)象（圖3 方框所示），且以GM4a 儀居多。初步分析認為，觀測室內潮濕、地面積水，觀測墩基不穩(wěn)，表現(xiàn)在磁力儀水平氣泡經(jīng)常漂移。為此，從場地水文地質條件、地磁室及觀測墩建設、氣溫、降雨等展開分析。

圖3 2018—2020 年大同、應縣、代縣地磁觀測相對日均值曲線Fig.3 The relative daily average curves of Datong,Yingxian and Daixian from 2018 to 2020

3.1 場地水文地質條件

大同站位于大同盆地邊緣兩大地貌單元分界處。臺站西北部為山區(qū)，溝谷發(fā)育，切割較深，廣泛出露太古界桑干群黑云斜長片麻巖夾斜長角閃巖，混合巖化強烈，上覆第四系黃土；臺站東南部為洪積傾斜平原，為沖—洪積砂土、黃土、礫石層等，口泉斷裂在臺站附近通過（山西省地震局，2005）。觀測場地西側為山坡，左側為落差近5 m 的山溝，測區(qū)位于中間相對平坦的位置。測區(qū)土層主要由第四系上更新統(tǒng)坡積物和中更新統(tǒng)洪積物組成，土質疏松易于滲水，含水層巖性為砂礫石或中粗砂夾層，地下水水位埋深較大，來源于大氣降水的垂直滲入和邊山基巖的側滲。

3.2 地磁房建設

大同站地磁秒采樣觀測系統(tǒng)由地埋式探頭室、觀測墩和儀器室組成（圖1）。其中探頭室為一玻璃鋼圓筒，置于地下5 m 深處，直徑2.5 m、長10 m，四周回填開挖的黃土，坑底開挖3 個1 m 見方、1.5 m 深的磁墩坑，鋪設15 cm 厚石灰石石子，其上澆筑白水泥、石英砂、石灰石石子混凝土，將1.2 m×0.4 m×0.4 m 的漢白玉觀測墩置于其中，且埋深20 cm，使用羅盤定位，正南北放置，上平面水平。2 套GM4-XL 儀傳感器置于觀測墩上，相距約3 m。儀器室為半地下式，地表部分高2.5 m，地下高2.4 m，墻體加5 cm 厚高密度泡沫板保溫層。主機放置于儀器室，儀器室與探頭室由近20 m 長的玻璃鋼通道相連，通道北高南低，傾斜角度約5.6°。探頭室、通道和儀器室接口用玻璃膠密封，安裝密封門。為減少玻璃鋼罐體承重壓力并起到保溫效果，在探頭室頂部填充1.87 m 厚高密度泡沫塊，通道頂部填充1.24 m 厚泡沫塊，泡沫塊上覆0.5 m 厚黃土。在探頭室1.5 m 高度進行磁場水平梯度測量，發(fā)現(xiàn)西側觀測墩正對玻璃鋼通道，缺失近200 m3土，導致西側觀測墩附近水平梯度約1.5 nT，中間和東側觀測墩水平梯度均小于1 nT，越向東側變化越小。探頭房玻璃鋼內潮濕且常有積水，可見接口處密封性較差。

3.3 氣溫、降雨

大同站磁力儀每年夏秋季節(jié)數(shù)據(jù)漂移現(xiàn)象，可能與氣溫上升土層解凍、降雨增多有關。大同站2018—2020 年氣溫與降水統(tǒng)計結果見圖4，可見：每年11 月至次年2 月，日均氣溫在零下，6—8 月平均氣溫在20 ℃以上；每年降雨量較穩(wěn)定，其中2018 年降雨量337 mm、2019 年342 mm、2020 年330 mm，降雨集中在6—10 月，與數(shù)據(jù)漂移時段較吻合。

圖4 2018—2020 年大同站氣溫與降雨關系Fig.4 Temperature and precipitation at Datong Station from 2018 to 2020

3.4 數(shù)據(jù)漂移處理

調查大同站2020 年9 月至2021 年7 月2 套儀器探頭水平氣泡位置與探頭室地面潮濕及對應的降雨數(shù)據(jù)，統(tǒng)計結果見表2，可見：夏秋季數(shù)據(jù)漂移現(xiàn)象發(fā)生時，氣泡偏移，需清理積水、調節(jié)氣泡；冬季氣泡水平良好，數(shù)據(jù)變化趨勢正常。夏秋季降雨導致探頭室地面潮濕、積水，積水甚至近10 cm。冬季氣溫偏低，土壤堅硬，降水少且蒸發(fā)快，觀測數(shù)據(jù)相對平穩(wěn)。降雨對數(shù)據(jù)的影響存在滯后效應，氣泡隨之逐步偏移，數(shù)據(jù)發(fā)生漂移。氣泡偏離方向即為觀測墩地基變化方向，其中：GM4a 儀水平氣泡以南偏和東偏為主，表明觀測墩地基東側和南側相對上升，西側和北側相對下降；GM4b 儀水平狀態(tài)良好，統(tǒng)計時段內僅出現(xiàn)一次向西偏移現(xiàn)象。

表2 大同站GM4a、GM4b 儀氣泡水平狀態(tài)統(tǒng)計Table 2 Statistics of GM4a and GM4b bubble deviation at Datong Station

以懷仁GM4 儀數(shù)據(jù)為基準，繪制2020 年大同、代縣、應縣站地磁觀測相對日均值差值曲線，見圖5，圖中箭頭指示臺階為數(shù)據(jù)漂移后氣泡調平操作。由圖5 可見，大同站GM4a、GM4b 儀數(shù)據(jù)在6—10 月數(shù)據(jù)漂移頻繁，尤以GM4a 儀居多，氣泡調平僅暫時解決近期數(shù)據(jù)漂移問題。GM4a、GM4b 儀三分量在每次調平時產(chǎn)生的臺階量不等，其中：GM4a 儀D分量漂移量最大時上升6.5′，H分量最大時下降48 nT，Z分量最大時上升31.2 nT；GM4b 儀D分量漂移量最大時下降11.5′，H分量最大時下降23.2 nT，Z分量最大時上升14.9 nT。

圖5 2020 年大同、代縣與懷仁相對日均值差值曲線Fig.5 The relative daily average value difference curves between Datong,Daixian and Huairen in 2020

氣泡偏離是一個逐步發(fā)展的過程，測區(qū)位于山坡和山溝中間相對平坦區(qū)域，地層土質易于滲水，置于地下的玻璃鋼罩密封性較差，降雨滲水致潮濕甚至積水，引起觀測墩水平狀態(tài)發(fā)生變化，使得置于其上的儀器探頭水平狀態(tài)改變，觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)漂移。短期內只能通過某些操作，盡量保證數(shù)據(jù)質量，具體操作如下：在數(shù)據(jù)預處理過程中，多與其他臺站進行數(shù)據(jù)對比，以及時發(fā)現(xiàn)問題；注意保持觀測室干燥，降雨后盡快清除積水，定期檢查氣泡水平狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)問題應及時解決。為徹底解決數(shù)據(jù)漂移問題，保證觀測數(shù)據(jù)的長期穩(wěn)定性和可靠性，應重新密封玻璃鋼罐體、加固觀測墩地基等。

4 結論

綜上所述，可以得出以下結論：

（1）大同站2 套GM4-XL 儀觀測數(shù)據(jù)質量主要受數(shù)據(jù)完整率、背景噪聲及分數(shù)據(jù)和秒數(shù)據(jù)預處理錯誤影響：①GM4a 儀更易發(fā)生數(shù)采漏采、死機等故障，數(shù)據(jù)完整率及連續(xù)率比GM4b 儀低。地電阻率測項供電干擾對2 套磁力儀數(shù)據(jù)完整率影響較大，特別是D分量，每日需刪除近15%的數(shù)據(jù)；②GM4a 儀三分量噪聲水平從2020 年1 月開始明顯增大，分析認為由主機自身性能所致。GM4b 儀三分量噪聲水平全年較穩(wěn)定，自2019 年10 月以來超出臺網(wǎng)噪聲平均值的現(xiàn)象較少；③一階差分超差嚴重，導致GM4a、GM4b 儀秒數(shù)據(jù)預處理錯誤。分數(shù)據(jù)預處理錯誤響應以臺階、尖峰和數(shù)據(jù)漂移居多，GM4a 比GM4b 儀數(shù)據(jù)質量差。

（2）大同站2 套GM4 儀觀測數(shù)據(jù)在每年夏秋季會出現(xiàn)明顯漂移，GM4a 儀數(shù)據(jù)漂移現(xiàn)象更加嚴重。通過分析地磁房附近水文地質條件、地磁室及觀測墩建設、氣溫及降雨等因素，認為導致數(shù)據(jù)漂移的主要原因在于，夏秋季降雨后地層土質易滲水，置于地下玻璃鋼罩密封性強度不高，導致探頭室地面積水、洞內潮濕，觀測墩基不穩(wěn)，使得置于觀測墩上的儀器探頭水平狀態(tài)改變，進而引起觀測數(shù)據(jù)漂移。GM4a 儀觀測墩漂移以向西、向北下沉為主。

（3）對于大同站GM4 儀觀測數(shù)據(jù)漂移，目前只能通過調節(jié)氣泡水平狀態(tài)以短暫改善。為保障數(shù)據(jù)質量，需在日常數(shù)據(jù)預處理過程中有效識別數(shù)據(jù)漂移趨勢，同時在降雨后盡快清除積水、及時調節(jié)氣泡水平狀態(tài)。儀器調平會人為對數(shù)據(jù)產(chǎn)生干擾，并非長久之計，應考慮采取重新密封玻璃鋼罐體、加固觀測墩地基等措施，做到徹底解決數(shù)據(jù)漂移問題。