鄧 娜 楊冬梅 楊艷芳 陳 俊

(1)湖北省地震局,武漢 430071 2)中國(guó)地震局地球物理研究所,北京 100081 3)蒙城地震臺(tái),亳州 233527)

數(shù)字地磁絕對(duì)觀測(cè)若干問題探討＊

鄧 娜1)楊冬梅2)楊艷芳1)陳 俊3)

(1)湖北省地震局,武漢 430071 2)中國(guó)地震局地球物理研究所,北京 100081 3)蒙城地震臺(tái),亳州 233527)

結(jié)合全國(guó)地磁臺(tái)網(wǎng) 2008年的觀測(cè)數(shù)據(jù),研究了絕對(duì)觀測(cè)中應(yīng)該注意的問題,如D I儀操作的基本技術(shù)、基線值計(jì)算中軟件的使用技巧和基線選定的方法,以及絕對(duì)觀測(cè)儀器的維護(hù)等。

D I儀;基線;絕對(duì)觀測(cè);維護(hù);地磁臺(tái)網(wǎng)

1 引言

隨著中國(guó)數(shù)字地震觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)工程的實(shí)施,我國(guó)地磁臺(tái)網(wǎng)已基本實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化,絕大多數(shù)臺(tái)站在新的技術(shù)框架下運(yùn)行一年有余。在對(duì) 2008年地磁資料評(píng)比過程中,發(fā)現(xiàn)由于新的預(yù)處理方式帶來了一個(gè)不可忽視的問題——基線值選定問題。本文將通過對(duì)各臺(tái)站基線值采用中出現(xiàn)的問題,對(duì)地磁絕對(duì)觀測(cè)中的相關(guān)技巧及應(yīng)注意的事項(xiàng)進(jìn)行探討。

2 絕對(duì)觀測(cè)的內(nèi)容

地磁臺(tái)站絕對(duì)觀測(cè),是通過確定磁通門磁力儀記錄的基線值,來控制磁通門磁力儀隨溫度和記錄墩傾斜的漂移;通過確定分量質(zhì)子磁力儀記錄的基線值,來控制分量質(zhì)子磁力儀轉(zhuǎn)向差 (裝置誤差)的變化及隨線圈變形、記錄墩傾斜的漂移。

2.1 D I儀的操作

觀測(cè)的要求具體有：儀器嚴(yán)格置中、置平,測(cè)量時(shí)盡量選擇在日變化平靜期間,觀測(cè)計(jì)時(shí)表對(duì)時(shí),避免手扶握磁通門探頭等。觀測(cè)中經(jīng)常出現(xiàn)的錯(cuò)誤在觀測(cè)曲線中的表現(xiàn)形式如圖 1所示。

圖 1(a)是A臺(tái)新建基準(zhǔn)臺(tái)和工作人員對(duì)地磁觀測(cè)要求不熟悉所造成的錯(cuò)誤。從基線值圖 1(a)上能看到前期三分量同一天觀測(cè)的兩組Db差遠(yuǎn)大于規(guī)范要求的0.1′,Hb和 Zb遠(yuǎn)大于1 nT;而不同天觀測(cè)的數(shù)據(jù)差更大。后期操作熟練后,觀測(cè)情況好一些,但還是沒達(dá)到規(guī)范要求的精度。

圖 1(b)反映出B臺(tái) 1—5月 3人不同的觀測(cè)結(jié)果的差很大,致使基線跳動(dòng)大。從圖 1(b)中還能看到,有很多天只有一組觀測(cè)數(shù)據(jù),這是觀測(cè)規(guī)范絕不允許的。

上述兩個(gè)臺(tái)站反映在基線值圖上的問題,完全是人為導(dǎo)致的。具體原因?yàn)椋?/p>

1)觀測(cè)人員的觀測(cè)技術(shù)不熟練;

2)多人觀測(cè)時(shí),對(duì)標(biāo)志的觀測(cè)存在人為誤差。

解決辦法：

1)建立絕對(duì)觀測(cè)個(gè)人負(fù)責(zé)制;

2)對(duì)于多人觀測(cè)的臺(tái)站,對(duì)讀標(biāo)志的位置及方法進(jìn)行約定,以減小不同觀測(cè)人員對(duì)標(biāo)志讀數(shù)的偏差;

3)為提高偏角觀測(cè)精度,特別應(yīng)注意使用 mingeo-D I儀觀測(cè)D時(shí),在第二、第四觀測(cè)位置,置好儀器在讀數(shù)前,應(yīng)將度盤從水平方向換到垂直方向,查看垂直讀數(shù)測(cè)微器位置是否對(duì)齊。

單臺(tái)檢驗(yàn)基線觀測(cè)好壞最直觀的辦法是：每次觀測(cè)不少于 3組數(shù)據(jù),選定的兩組觀測(cè)數(shù)據(jù) Db之差不能超過 0.1′,Hb、Zb之差不超過 1 nT(M I NGEO精度要求更高)。隔天觀測(cè)數(shù)據(jù)如果有較大跳動(dòng),應(yīng)加密觀測(cè),查找跳動(dòng)原因,并填寫絕對(duì)觀測(cè)日志。

圖 2所示誤差則是出在環(huán)境干擾上。

C臺(tái)(圖 2(a))在 2008年 9月 17—26日期間,修建相對(duì)記錄室,致使 18—20日連續(xù) 3天的觀測(cè)時(shí)間段內(nèi)有缺數(shù),21日補(bǔ)測(cè)和 22日的觀測(cè)數(shù)據(jù)跳動(dòng)幅度較大,直至 25日、26日逐漸恢復(fù)。

圖1 觀測(cè)出錯(cuò)基線圖示例Fig.1 Some charts of baseline due to erroneous observation

圖2 環(huán)境干擾造成基線突跳示例Fig.2 Some baseline mutation caused by evironment disturbance

D臺(tái)(圖 2(b))也是因基建 FHD受影響嚴(yán)重, 12月 1—31日因基建造成兩套記錄 D、H基線值的跳動(dòng)量分別達(dá)到 0.86’與 4.6 nT。

2.2 處理軟件的使用

2.2.1 基線值計(jì)算的方法

觀測(cè)結(jié)束后,將觀測(cè)資料錄入到處理軟件中進(jìn)行計(jì)算。所有數(shù)據(jù)最終將歸算到臺(tái)站選定的唯一的標(biāo)準(zhǔn)墩上,理論上臺(tái)站不論有多少臺(tái)套記錄儀,最終產(chǎn)出的絕對(duì)值數(shù)據(jù)應(yīng)該是一樣的。這里就會(huì)涉及到各套儀器參數(shù)的錄入,包括墩差、儀器差、儀器正反向、儀器格值等。還有一個(gè)計(jì)算中選擇哪套儀器記錄的總強(qiáng)(F)參與計(jì)算的問題,及 F與標(biāo)準(zhǔn)墩墩差的問題。除此之外,還有一個(gè)相對(duì)儀器記錄差異的問題。如果中間任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)錯(cuò)誤,將導(dǎo)致年終兩套相對(duì)記錄儀資料不一致的情況(圖 3)。

圖3 同臺(tái)G M4和 FHDZ-M15絕對(duì)分鐘值圖Fig.3 Absolute munite values of G M4 and FHDZ-M15 at the same station

2.2.2 基線值有效結(jié)果標(biāo)注的方法

在前兆臺(tái)網(wǎng)處理軟件“地磁”菜單下,“數(shù)據(jù)計(jì)算”選項(xiàng)下的“實(shí)測(cè)基線值計(jì)算”中,允許一天錄入50組觀測(cè)數(shù)據(jù) (這是為比測(cè)或臺(tái)站觀測(cè)日變化記錄準(zhǔn)確度、標(biāo)定等工作準(zhǔn)備的),但最后顯示在“采用基線值選定”菜單下觀測(cè)區(qū)里的只有兩組數(shù) (實(shí)際只有兩組數(shù)據(jù)成為觀測(cè)基線數(shù)據(jù)),要將多組數(shù)據(jù)中質(zhì)量較好的兩組數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù),我們就要將這兩組數(shù)據(jù)勾選成“當(dāng)前頁(yè)觀測(cè)基線值有效”。

2.2.3 基線值質(zhì)量檢驗(yàn)的方法

計(jì)算基線后,數(shù)據(jù)處理軟件會(huì)自動(dòng)計(jì)算出D I儀的各項(xiàng)指標(biāo)。檢查絕對(duì)觀測(cè)質(zhì)量的資源有：1)通過前兆數(shù)據(jù)處理軟件中“質(zhì)量控制”檢查 (圖 4);2)透過臺(tái)網(wǎng)中心網(wǎng)頁(yè) http：//10.2.210.50/qualityPB/ BlvDefault.aspx來檢查。

圖4 質(zhì)量控制功能Fig.4 Performance of quality conctral

2.3 基線值的采用

2.3.1 預(yù)處理時(shí)基線值的選擇

光記錄時(shí)代,日常觀測(cè)曲線不能人為修改。數(shù)字化以后,計(jì)算機(jī)為快速有效地處理地磁資料提供了新的方法。最終有效的地磁數(shù)據(jù)加了基線的絕對(duì)值,所以在臺(tái)網(wǎng)管理中,考慮到臺(tái)站儀器安裝、維修或直流干擾等情況的存在,為了統(tǒng)一計(jì)算標(biāo)準(zhǔn),允許臺(tái)站的處理資料中存在天與天之間的臺(tái)階,因?yàn)檫@些臺(tái)階在經(jīng)過基線校正后還是能正確反映磁場(chǎng)的變化的。但是,這并不是意味著錯(cuò)誤的預(yù)處理所造成的天與天之間的臺(tái)階的存在是合理的。

錯(cuò)誤預(yù)處理造成的錯(cuò)誤有兩種表現(xiàn)形式：一是人為改正出一個(gè)臺(tái)階 (圖 5);二是臺(tái)站出現(xiàn)儀器故障,或者UPS故障,或者搬動(dòng)儀器等其他不可抗因素造成的數(shù)據(jù)跳動(dòng),使一天內(nèi)的記錄曲線有臺(tái)階存在(圖6)。

圖5 人為改正出的錯(cuò)誤臺(tái)階示例Fig.5 Cases of erroneous steps cause byman-made correction

從圖 5(a)中可知,這完全是人為做出的錯(cuò)誤臺(tái)階。這個(gè)臺(tái)階從 04點(diǎn)一直到 24點(diǎn)。在臺(tái)站沒有跟進(jìn)基線值選定的情況下,這一天計(jì)算出的絕對(duì)值遠(yuǎn)小于實(shí)測(cè)值,所以反映在日均值上,比相鄰臺(tái)站都要小。造成這種臺(tái)階的情況是使用了處理軟件中去臺(tái)階功能下的“選定起點(diǎn)自動(dòng)處理”。嚴(yán)格地說,這樣的處理,再怎么選定基線也是不正確的。所以建議臺(tái)站不要輕易使用“選定起點(diǎn)自動(dòng)處理”功能。

從圖 5(b)中看到在水平分量上,1月 10日為整天對(duì)稱臺(tái)階。這樣的錯(cuò)誤,雖然通過對(duì)基線值的合理選定可以糾正,但我們不提倡這樣做。正確的做法是在預(yù)處理時(shí)就避免出現(xiàn)這種錯(cuò)誤。一般通過處理軟件中的相對(duì)差值檢測(cè)功能,多看幾天的原始和預(yù)處理對(duì)比曲線,就能發(fā)現(xiàn)問題并改正。這樣做的好處是,不會(huì)在相對(duì)記錄曲線上留下臺(tái)階,也不用刻意指定基線值,并在基線值曲線上造成基線選定錯(cuò)誤的假像。

圖6 不可抗力造成的日變曲線臺(tái)階示例Fig.6 Cases of daily curve steps caused by force majeure

由圖 6(a)可知,臺(tái)站在 4月 8日 01時(shí)水平分量有跳動(dòng),修正臺(tái)階至4月 8日 24時(shí),保證了 4月 8日曲線的連續(xù)光滑。這時(shí)臺(tái)站必須注意基線值選定的問題。如果 4月 8日不是觀測(cè)日,基線選定就應(yīng)該按前一次觀測(cè)選定。如果是觀測(cè)日,最簡(jiǎn)單的辦法就應(yīng)該是將 00點(diǎn)到 01點(diǎn)的臺(tái)階向上,直接選定4月 8日的基線。

圖 6(b)是因?yàn)榛ǜ蓴_,每個(gè)世界時(shí)兩點(diǎn)左右在各分量上都留下向上的臺(tái)階,臺(tái)站做了正確的預(yù)處理,將臺(tái)階留在了天與天之間。但是因?yàn)榛€選擇沒有考慮到干擾改正的問題,導(dǎo)致該臺(tái)的日均值計(jì)算出現(xiàn)錯(cuò)誤。

2.3.2 高壓直流干擾臺(tái)站基線值的選擇

高壓直流干擾也是一種不可抗拒因素。目前,河南、湖北、安徽、江蘇、上海、浙江、福建、江西、湖南、廣東、廣西、貴州和云南等 13個(gè)省、共 26個(gè)地磁臺(tái)受到了明顯干擾,其中丹江、武漢 (九峰)、鐘祥、當(dāng)陽(yáng)、金寨、涇縣、南京、海安、邕寧、河池等臺(tái)站受干擾嚴(yán)重,輕則幾納特,重則幾十納特,單次干擾持續(xù)幾十分鐘或數(shù)小時(shí),有時(shí)甚至長(zhǎng)達(dá)幾十小時(shí) (圖7)[?]。

圖 7 武漢臺(tái)(九峰)受高壓直流干擾造成的臺(tái)階Fig.7 Curve steps caused by high voltage DC disturbance atWuhan station

武漢臺(tái)(九峰)地磁臺(tái)階,對(duì)真實(shí)的磁場(chǎng)來說,這是一個(gè)附加的干擾量,只需用去臺(tái)階功能去掉它就行。如果這一天不是觀測(cè)日,就不需要考慮基線問題,如果是,計(jì)算及選定基線的正確做法是,在預(yù)處理去臺(tái)階前(用原始轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù))計(jì)算基線值(這是因?yàn)橛^測(cè)時(shí),儀器記錄的是真實(shí)的當(dāng)下的絕對(duì)磁場(chǎng),這樣計(jì)算的基線才是真實(shí)的),然后用去臺(tái)階功能,去掉高壓直流干擾影響的跳動(dòng)量即可。

2.3.3 儀器漂移的基線值選擇

武漢臺(tái) (九峰)在 11月 14日經(jīng)歷了一次強(qiáng)降溫,觀測(cè)員在對(duì)降溫后的絕對(duì)觀測(cè)資料進(jìn)行計(jì)算后發(fā)現(xiàn),FHDZ-M15組合觀測(cè)儀的偏角基線發(fā)生跳動(dòng),跳動(dòng)量為 0.5 nt,第二天補(bǔ)測(cè),偏角基線繼續(xù)上跳0.1 nt。但在 G M3記錄儀上只發(fā)現(xiàn) 0.15 nt的跳動(dòng),補(bǔ)測(cè)時(shí)基線幾乎未跳動(dòng)(圖 8)。

圖8 武漢臺(tái)(九峰)的基線數(shù)據(jù)Fig.8 Baseline data of theWuhan station

臺(tái)站在排除了觀測(cè)方法的錯(cuò)誤、絕對(duì)觀測(cè)儀故障的因素后,發(fā)現(xiàn) FHDZ-M15組合觀測(cè)儀記錄的相對(duì)值與臺(tái)站 G M3記錄的相對(duì)值有一個(gè)較大的偏移。而 G M3在臺(tái)站記錄近十年,一直穩(wěn)定可靠,故判斷為FHDZ-M15組合觀測(cè)儀發(fā)生了漂移。相對(duì)記錄如圖9所示。

當(dāng)臺(tái)站遇到這種情況時(shí),應(yīng)將 0.5 nT的變化量分配到 13—15日 3天中。最好的辦法是根據(jù)臺(tái)站儀器的背景噪聲來選定。從噪聲分析看,通常情況下,各個(gè)臺(tái)站的噪聲均應(yīng)能控制在 0.3 nT以下,也就是說,就分鐘值記錄而言,在現(xiàn)有的條件下,相鄰分鐘值之間有 0.3 nT的變化是正常的,那么天與天之間的采用基線值差控制在 0.3 nT之內(nèi)比較理想。考慮到溫度對(duì)記錄數(shù)據(jù)的影響,在評(píng)比時(shí)可以把評(píng)估基線值有無跳動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)定為 0.5 nT。

2.3.4 基線選擇失誤

圖 10是各臺(tái)基線選擇出現(xiàn)失誤的圖例。

圖9 武漢臺(tái)(九峰)的相對(duì)記錄曲線Fig.9 Relative recording curves at theWuhan station

圖10 基線選擇失誤示例Fig.10 Some cases of fault in baseline selection

圖10(a)中,臺(tái)站水平分量3月1日后有臺(tái)階跳動(dòng),由于 3月 1日做了一個(gè)跳躍臺(tái)階,導(dǎo)致 3月中的水平分量絕對(duì)值因偏離實(shí)際基線而計(jì)算出的數(shù)據(jù)過大。

圖 10(b)中,臺(tái)站 1月觀測(cè)數(shù)據(jù)很好,但在水平分量和垂直分量上,做了錯(cuò)誤的基線選定。

圖 10(c)中,臺(tái)站 3月 13日、17日、20日、24日、27日為觀測(cè)日。但在選定偏角基線時(shí),無故跳過 17、20、24日 3天的觀測(cè)數(shù)據(jù),造成 14—26日 12天的絕對(duì)值數(shù)據(jù)延用 13日的基線值,使數(shù)據(jù)偏小。

3 絕對(duì)觀測(cè)儀器的使用和維護(hù)

1)在整個(gè)觀測(cè)過程中,應(yīng)突出一個(gè)“輕”字,即輕拿、輕放、輕操作。旋轉(zhuǎn)無磁經(jīng)緯儀的照準(zhǔn)部或望遠(yuǎn)鏡時(shí)宜雙手輕輕操作,但不要握在度盤上,不要向一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng),以防止電纜纏繞或卡住儀器。各調(diào)節(jié)部位應(yīng)盡量利用其中間一段位置,轉(zhuǎn)不動(dòng)時(shí)一定不要硬轉(zhuǎn)。觀測(cè)時(shí)避免用手扶觸磁通門探頭。

2)注意儀器配備的蓄電池電量,降到 11V時(shí)應(yīng)及時(shí)充電。

3)外露光學(xué)零部件表面如有灰塵、水汽或油污等,可用脫脂棉或鏡頭紙輕輕的擦凈。

4)建議臺(tái)站要給觀測(cè)儀安裝有機(jī)玻璃罩,并在罩內(nèi)放置干燥劑,以防止儀器內(nèi)部因潮濕滋生菌絲或霉斑影響儀器的觀測(cè)精度等。

4 小結(jié)

絕對(duì)觀測(cè)地磁記錄儀器的記錄數(shù)據(jù)只有通過基線值校正,才能反映出地磁臺(tái)站所代表的地區(qū)的地磁場(chǎng)各要素絕對(duì)數(shù)值及變化情況。地磁絕對(duì)觀測(cè)的準(zhǔn)確和可靠程度,決定了地磁臺(tái)站最終觀測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)出的準(zhǔn)確和可靠程度,地磁絕對(duì)觀測(cè)是地磁臺(tái)站觀測(cè)系統(tǒng)中的至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。

數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)化后,預(yù)處理工作正確與否、基線值選定的時(shí)間起點(diǎn)正確與否、絕對(duì)觀測(cè)質(zhì)量的好壞,都將對(duì)產(chǎn)出的絕對(duì)數(shù)值有直接的影響。

1 中國(guó)地震局.地震電磁數(shù)字觀測(cè)技術(shù)[M].北京：地震出版社,1995.

2 中國(guó)地震局.地震電磁數(shù)字觀測(cè)技術(shù)[M].北京：地震出版社,2002.

ON PROBLEM S OF ABSOLUTE M EASUREM ENT IN GEOMAGNETIC OBSERVATORY

DengNa1),YangDongmei2),Yang Yanfang1)and Chen Jun3)

(1)Earthquake Adm inistration of Hubei Province,W uhan 430071 2)Institute of Geophysics,CEA,B eijing 100081 3)M engcheng Seism ostation,B ozhou 233527)

According to the observatory data of National Geomagnetic Observatory Net works in 2008,some problems,such as basic technology for operatingD Imagnetometer,the skill of using absolute measurement computing soft ware,method of choosing the baseline value,and the maintenance of absolute observation instrument,are discussed.

D Imagnetometer;baseline value;absolute observation;maintenance;National Geomagnetic Observation Network

1671-5942(2010)Supp.(Ⅰ)-0129-06

2010-06-30

鄧娜,女,1973年生,主要從事地磁觀測(cè)工作.E-mail：ddjj1000@163.com

P315.63

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