密集臺陣磁力儀Z分量產(chǎn)出數(shù)據(jù)的質(zhì)量分析

[摘要] 應(yīng)用國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“新型便攜式地震監(jiān)測設(shè)備研發(fā)”在云南南部小江斷裂帶南段（玉溪和紅河州地區(qū)）建設(shè)的密集臺陣磁力儀觀測資料，采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（EMD）方法，對Z分量產(chǎn)出數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量分析。研究結(jié)果表明，不同站點(diǎn)間的地磁Z分量日變同步差值標(biāo)準(zhǔn)方差穩(wěn)定在0.86～1.17 nT之間，磁靜擾日的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.9720～1，表明了日變形態(tài)、日變幅值以及磁靜擾日之間均具有較好的一致性特征。研究結(jié)果對該地區(qū)地磁場變化的時(shí)間和空間特征具有一定的參考意義。

[關(guān)鍵詞] 密集地磁臺陣; 磁力儀; Z分量; 質(zhì)量分析; 日變形態(tài)

[DOI] 10.19987/j.dzkxjz.2024-052

基金項(xiàng)目： 中國地震局第一監(jiān)測中心科技創(chuàng)新主任基金（FMC202313，F(xiàn)MC2022001，F(xiàn)MC202311）資助。

0 引言

地磁場是地球最重要、最基本的地球物理場之一。地磁觀測包括總場強(qiáng)度F，矢量場的北向分量X，東向分量Y和垂直分量Z，磁子午面矢量的水平分量H，磁偏角D，磁傾角I，以上各項(xiàng)統(tǒng)稱為地磁七要素。由于太陽活動(dòng)對地磁Z分量日變幅的影響較為微弱，相對于其他分量更能反應(yīng)觀測區(qū)域的磁異常。大量的震磁異常研究主要圍繞地磁Z分量而展開[1-4]。分析地磁Z分量的日變化特征對于認(rèn)識地磁正常背景場和提取震磁信息具有重要意義。

以往主要集中在對大尺度區(qū)域Z分量的變化進(jìn)行研究[5]。局部地磁場異常可信度受站點(diǎn)數(shù)限制，隨著觀測技術(shù)的發(fā)展，陸續(xù)建立了相對站點(diǎn)密集的臺陣[6]。從2007年開始，我國開展了地磁臺陣的觀測和相關(guān)研究工作。在四川省西昌和甘肅省天祝等地建立了固定地磁臺陣，并一直持續(xù)運(yùn)行至今，這些臺陣采用磁通門磁力儀進(jìn)行長期監(jiān)測[7]。中國地震局地球物理研究所于2008—2012年在云南洱源地區(qū)陸續(xù)建設(shè)完成小口徑的地磁臺陣[8]。山西省地震局于2014年9—10月在山西北部恒山斷裂帶兩側(cè)布設(shè)小口徑地磁臺陣等[9]。這些臺陣產(chǎn)出了很多地震電磁關(guān)系等方面的應(yīng)用成果[10-11]。相比于空間稀疏的地磁臺站，密集地磁臺陣更能提供高時(shí)空分辨率的地磁觀測數(shù)據(jù)，從而可以更好地研究較為精細(xì)的區(qū)域地磁日變特征。

在國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“新型便攜式地震監(jiān)測設(shè)備研發(fā)”項(xiàng)目的支持下，中國地震局地球物理研究所在滇南小江斷裂帶南段（云南省玉溪、紅河州、文山州）開展了密集臺陣磁力儀的資料采集，為研究地磁地震等探索新技術(shù)新方法。本文基于上述資料，對Z分量的日變幅度、磁靜日的相關(guān)性進(jìn)行分析研究，探討地磁日變化特征。

1 密集臺陣觀測資料

1.1 臺陣簡介

2021年11月—2022年1月，國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“新型便攜式地震監(jiān)測設(shè)備研發(fā)”在滇南小江斷裂帶南段（云南省玉溪、紅河州、文山州）建設(shè)站點(diǎn)為110個(gè)的密集臺陣（圖1），空間分辨力10 km，儀器架設(shè)以地磁坐標(biāo)系，觀測該地區(qū)的H、D、Z三分量的相對變化。

為了確保密集臺陣站點(diǎn)具備良好的觀測環(huán)境，采用中國地震局地球物理研究所生產(chǎn)的GM4磁通門磁力儀進(jìn)行現(xiàn)場勘選。站點(diǎn)地磁觀測背景噪聲是決定能否在該點(diǎn)位建設(shè)站點(diǎn)的重要評價(jià)指標(biāo)[12]。磁通門磁力儀所需觀測場地觀測環(huán)境的技術(shù)指標(biāo)要求地磁環(huán)境噪聲峰峰值應(yīng)不超過0.2 nT?；谟^測數(shù)據(jù)，通過噪聲水平測試，在100 km×120 km區(qū)域中，初選130個(gè)點(diǎn)位，最終確定110個(gè)站點(diǎn)，間距約10 km，確保了臺陣建設(shè)的科學(xué)性與高效性。

以站點(diǎn)32，34，38為例，圖2對應(yīng)給出了3個(gè)點(diǎn)位在1 h時(shí)段內(nèi)每10 s觀測數(shù)據(jù)的峰峰值。依次計(jì)算出GM4磁通門磁力儀H、Z、D 3個(gè)分量的觀測噪聲。圖2給出的3個(gè)點(diǎn)位上GM4磁通門磁力儀3個(gè)分量的背景噪聲均小于0.2 nT（表1）。

以降低建設(shè)成本和保證相對高質(zhì)量的地磁觀測為原則，地磁站點(diǎn)采用簡易式地埋建設(shè)。在建設(shè)過程中，首先對建設(shè)場地進(jìn)行認(rèn)真的清理，排除磁污染源。向下挖掘直徑1 m，凍土層深1 m的基坑?；拥撞科秸粚?shí)，下入整體安裝艙，安裝艙上口至少高于地面20 cm，防止地面雨水漏入傳感器倉（圖3），安裝艙中心放置無磁性大理石。將磁通門傳感器置于觀測墩中心處，調(diào)節(jié)底腳達(dá)到儀器水平，調(diào)節(jié)方向至D分量輸出在±100 nT以內(nèi)，完成H分量和Z分量補(bǔ)償，達(dá)到H分量和Z分量輸出值在±100 nT以內(nèi)。設(shè)備安裝完成后，將安裝艙上口密封，用土填埋50 cm以上。

1.2 臺陣觀測設(shè)備簡介

密集臺陣使用的觀測設(shè)備是由中國地震局地球物理研究所研制的一款小型化地埋式磁通門磁力儀，其技術(shù)指標(biāo)如表2所示。該磁通門磁力儀的技術(shù)指標(biāo)能夠滿足臺陣地磁相對記錄觀測的需要，同時(shí)體積小，功耗低，提高了野外觀測的適應(yīng)性。

1.3 臺陣資料評估

經(jīng)為期1年的建設(shè)，2022年1月小江斷裂帶南端密集綜合臺陣完成設(shè)備的安裝、架設(shè)及調(diào)試工作。利用自組網(wǎng)系統(tǒng)收集匯總原始觀測數(shù)據(jù)，對密集臺陣儀器運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量評估，參照中國地震局電磁學(xué)科觀測資料質(zhì)量評比辦法等相關(guān)要求，選擇數(shù)據(jù)運(yùn)行連續(xù)率、背景噪聲作為評估該傳感器觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的技術(shù)指標(biāo)。

數(shù)據(jù)連續(xù)運(yùn)行率計(jì)算公式如下：

（1）

選取該臺陣全部站點(diǎn)磁通門傳感器運(yùn)行1個(gè)月的觀測數(shù)據(jù)，據(jù)公式（1）進(jìn)行秒數(shù)據(jù)連續(xù)率計(jì)算。結(jié)果表明各站點(diǎn)磁觀測秒數(shù)據(jù)連續(xù)率大于70%的站點(diǎn)占80.9%，數(shù)據(jù)連續(xù)率小于70%的站點(diǎn)占19.1%。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，少量站點(diǎn)的數(shù)據(jù)連續(xù)率較低，未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，分析認(rèn)為，可能是由通信傳輸網(wǎng)絡(luò)信號丟失所致。圖4為臺陣各站點(diǎn)秒數(shù)據(jù)的背景噪聲結(jié)果。從圖圖4可以看出，噪聲（峰峰值）水平小于0.2 nT的站點(diǎn)達(dá)80%，大于1 nT的站點(diǎn)為5.5%。

2 數(shù)據(jù)處理方法

伴隨社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，地磁觀測面臨日益復(fù)雜的干擾，影響數(shù)據(jù)質(zhì)量和完整性[14]。當(dāng)前，秒轉(zhuǎn)分預(yù)處理技術(shù)能有效去除高頻噪聲，尤其在減輕地鐵、輕軌交通以及高壓直流輸電線路帶來的干擾方面效果顯著[15]。

2.1 秒轉(zhuǎn)分?jǐn)?shù)據(jù)處理

按照中國地震臺網(wǎng)的地磁前兆處理方法，對秒數(shù)據(jù)進(jìn)行干擾預(yù)處理，采用高斯濾波算法對秒數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。若秒數(shù)據(jù)不存在，將跳過計(jì)算下一個(gè)分量[15]。

設(shè)計(jì)算第i分鐘的分鐘值，取i s及其前后各45 s共91 s的秒采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行高斯濾波計(jì)算。公式如下[16]：

（2）

式中，Ai為第i分鐘的分鐘值；ai， j為第i分鐘第j秒的秒采樣數(shù)據(jù)，其中i、j的取值范圍為00～59；Dm=D-m，為高斯系數(shù)（共91個(gè)）。

計(jì)算00：00：00的分?jǐn)?shù)據(jù)時(shí)，需要調(diào)用前一天的后45個(gè)秒數(shù)據(jù)參與計(jì)算。當(dāng)1 分鐘的60個(gè)秒數(shù)據(jù)中缺數(shù)≥10時(shí)，對應(yīng)的分?jǐn)?shù)據(jù)為缺數(shù)。

2.2 經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（EMD）

經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（Empirical Mode Decomposition，EMD）算法[17]對原始觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域分析。作為一種新的數(shù)據(jù)處理方法，目前在很多地磁數(shù)據(jù)處理及信號分析領(lǐng)域得到了成功的應(yīng)用。覃慶炎等[16]研究基于EMD大地電磁資料進(jìn)行去噪，張敏等[18]研究基于EMD小波閾值濾波的地磁數(shù)據(jù)去噪分析。鑒于地磁數(shù)據(jù)的非線性、非平穩(wěn)性[19-20]，本文采用EMD用于地磁的濾波去噪處理。

EMD的本質(zhì)是將原始信號進(jìn)行平穩(wěn)化處理，逐層分解出不同尺度的波動(dòng)。分解出來的數(shù)據(jù)序列被稱為固有模態(tài)函數(shù)（Intrinsic Mode Functions，IMF）。經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解將數(shù)據(jù)分解為n個(gè)IMF分量以及1個(gè)趨勢分量res。即

每個(gè)IMF在EMD中必須滿足2個(gè)條件：①信號序列中的極值點(diǎn)數(shù)量與過零點(diǎn)數(shù)量相等，或者它們的差異不超過1個(gè)；②IMF的局部極大值所形成的上包絡(luò)線與局部極小值所形成的下包絡(luò)線的均值為零。

文中將原始秒數(shù)據(jù)經(jīng)高斯濾波算法對地磁數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，從而得到分?jǐn)?shù)據(jù)，然后再進(jìn)行EMD分析得到濾波數(shù)據(jù)，并對濾波前后的數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜特性分析（圖5）。從圖5可以看出，EMD濾波有效地減少了原始數(shù)據(jù)中的高頻噪聲，保留能反應(yīng)日變基本形態(tài)的低頻部分，使得趨勢更加清晰可見。這有助于更好地識別潛在的規(guī)律和特征。

3 結(jié)果分析

密集臺陣通過其高空間密度，顯著提升了地磁日變觀測的精細(xì)度，能夠捕捉地磁活動(dòng)的空間細(xì)節(jié)。采用多點(diǎn)同步的觀測數(shù)據(jù)分析去解決由于受觀測站點(diǎn)所限、異常的可靠性受到質(zhì)疑的問題，為地磁學(xué)研究提供了強(qiáng)有力的支持。

3.1 日變相關(guān)性分析

在陸地上進(jìn)行磁測，由于地球表面的一個(gè)局部小區(qū)域內(nèi)的多個(gè)點(diǎn)所受地磁場變化主要受同源影響且表現(xiàn)出相似性。所以地磁場的短期變化具有同步性，在2個(gè)地點(diǎn)記錄的地磁場相同要素的變化應(yīng)該表現(xiàn)出較為穩(wěn)定的相關(guān)性[21]。

這里以距離20～50 km之間的站點(diǎn)18，22，33，42，49，62共6個(gè)站點(diǎn)（分布如圖6）為例，畫出磁力儀分鐘數(shù)據(jù)曲線圖（圖7）。由圖7可以看出，各站點(diǎn)Z分量觀測曲線變化趨于一致，重合性較好。

再對數(shù)據(jù)的一致性進(jìn)行定量分析，以通海地震臺（位置如圖6）的GM4磁通門磁力儀作為參考儀器，通過計(jì)算臺陣站點(diǎn)的儀器與參考儀器的地磁場Z分量日變化同步差值的標(biāo)準(zhǔn)均方差，對6個(gè)典型臺站GM4磁通門磁力儀數(shù)據(jù)的一致性進(jìn)行定量分析。計(jì)算結(jié)果見表3。同步差值的標(biāo)準(zhǔn)方差在0.86～1.17 nT之間，表明在一致性上的表現(xiàn)基本相同。

3.2 日變幅度相關(guān)性分析

日變幅度是指地磁場日變變化中最大值與最小值的差異[22]。以站點(diǎn)18，22，33，42，49，62為例，圖8為Z分量2023年1—11月逐日日變幅度。從圖8中可以看出，有明顯的季節(jié)特征，表現(xiàn)為類似弓字形狀。

國際地磁指數(shù)服務(wù)中心根據(jù)全球地磁擾動(dòng)強(qiáng)度指數(shù)Kp來評估日期的靜態(tài)和擾動(dòng)程度。每月選取5個(gè)磁場擾動(dòng)最小的日期作為國際磁靜日，選取5個(gè)擾動(dòng)最大的日期作為國際磁擾日[23]。從圖8可以直觀看出，無論是磁靜日還是磁擾日，各子臺日變化幅度與相位均一致。

分析密集臺陣磁力儀Z分量的日變幅度數(shù)據(jù)時(shí)，首先選取了每月的5個(gè)磁靜日和5個(gè)磁擾日的數(shù)據(jù)，并計(jì)算它們的算術(shù)平均值，以反映當(dāng)月磁靜日和磁擾日的日變化特征情況[24]。

在小尺度區(qū)域內(nèi)（孔徑小于或等于200 km），磁靜擾日的垂直分量Z的日變化表現(xiàn)出高度同步性。因此，相關(guān)系數(shù)可以用來量化不同磁靜擾日日變化的同步性[4]。選取了6個(gè)觀測站點(diǎn)為例，對這些站點(diǎn)在磁靜擾日的數(shù)據(jù)進(jìn)行了日度相關(guān)性分析。計(jì)算得到互相兩臺的相關(guān)系數(shù)如表4和表5。由表4和表5中看出，磁靜日相關(guān)系數(shù)基本在0.97～1之間，磁擾日基本在0.98～1之間。這表明密集臺陣磁力儀Z分量在靜擾日間高度相關(guān)。

4 結(jié)論

本文應(yīng)用國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“新型便攜式地震監(jiān)測設(shè)備研發(fā)” 在云南南部小江斷裂帶南段（玉溪和紅河州地區(qū)）建設(shè)的密集臺陣磁力儀觀測資料，采用EMD方法，對Z分量產(chǎn)出數(shù)據(jù)進(jìn)行了質(zhì)量分析。主要結(jié)論如下：

（1）密集臺陣自2022年1月試運(yùn)行以來，表現(xiàn)出了優(yōu)異的穩(wěn)定性，儀器設(shè)備工作穩(wěn)定，記錄的數(shù)據(jù)完整性高，數(shù)據(jù)質(zhì)量滿足預(yù)期要求，能夠滿足地磁長期觀測的需求，有效地提高了地磁觀測數(shù)據(jù)的時(shí)空分辨力。

（2）不同站點(diǎn)的地磁Z分量日變化在日變形態(tài)均具有較好的一致性，計(jì)算不同站點(diǎn)與參考臺之間的同步差值的均方差，結(jié)果顯示具有很好的同步性。

（3）日變幅度的統(tǒng)計(jì)分析揭示了顯著的季節(jié)特征，磁靜擾日間相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.97～1，體現(xiàn)了密集臺陣磁力儀Z分量在靜擾日間的高度相關(guān)性。

（4）進(jìn)一步分析長期密集臺陣的觀測數(shù)據(jù)，探究觀測區(qū)域內(nèi)深部地質(zhì)環(huán)境以及可能存在的地震前兆地磁異常信號。

致謝

本文使用的數(shù)據(jù)來源于“新型便攜式地震監(jiān)測設(shè)備研發(fā)（2018YFC1503800）”科技項(xiàng)目，在此表示感謝。

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