張 福，王錫軍

(通海地磁臺，云南 通海 652700)

0 引言

在數(shù)字化地磁觀測中，相對記錄儀器的性能，特別是其穩(wěn)定性和可靠性有了極大的提高，而絕對觀測仍需人工進行。為了保證相對觀測記錄基線值的觀測精度，需要對相對記錄儀器記錄的地磁日變化準(zhǔn)確度及儀器的特性有所了解，靈活掌握好絕對觀測時間，以獲得高精度的觀測數(shù)據(jù)。

受探頭軸向正交度、格值線性度、安裝定向準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性、溫度穩(wěn)定性和溫度變化等因素影響，地磁相對記錄儀器記錄的地磁日變化與真實日變化之間有一定誤差，并且每個臺站和每套儀器的誤差均不相同。因此，地磁臺站需要定期進行地磁相對記錄儀器的標(biāo)定，定量考察地磁記錄儀器記錄的地磁日變化的準(zhǔn)確程度，以利于確定臺站絕對觀測的合適時間段及數(shù)據(jù)的研究應(yīng)用。

1 通海臺的地磁觀測儀器

絕對觀測的儀器是由匈牙利產(chǎn)MINGEO DIM磁通門經(jīng)緯儀和加拿大產(chǎn)GSM－19F型OVERHAUSER質(zhì)子旋進式磁力儀，儀器參數(shù)見表1;用于進行相對記錄的儀器是丹麥產(chǎn)的FGE型懸掛式數(shù)字磁通門磁力儀，及中國地震局地球物理研究所研制的GM4型數(shù)字磁通門磁力儀，儀器參數(shù)見表2。由MINGEO DIM磁通門磁力儀與OVERHAUSER質(zhì)子旋進式磁力儀構(gòu)成 D、I、F絕對觀測，實現(xiàn)對M15(FGE型懸掛式數(shù)字磁通門磁力儀)、GM4磁力儀基線值的測量和控制。FHDZ－M15地磁總場與分量組合觀測系統(tǒng)(FGE型懸掛式數(shù)字磁通門磁力儀 +GSM－19F型OVERHAUSER質(zhì)子旋進式磁力儀)簡稱M15磁力儀。

2 地磁日變化記錄準(zhǔn)確度標(biāo)定分析

地磁臺站觀測系統(tǒng)的基本組成是絕對觀測儀器和相對記錄儀器。相對記錄儀器能以足夠高的幅度和時間分辨率長期、連續(xù)地自動記錄地磁三要素的相對變化值。絕對觀測儀器定期進行地磁三要素的絕對值測量，定出相對記錄儀器的基線值，達到既控制記錄儀的工作狀態(tài)，又將所記錄的相對變化值轉(zhuǎn)化為絕對值的目的。因此，在地磁臺站系統(tǒng)中，基線值是溝通相對記錄和絕對觀測的橋梁，也是表征地磁臺站工作狀態(tài)的重要參數(shù)。磁場平靜時，觀測精度比較高;磁場擾動較大時，絕對觀測誤差較大。相對記錄儀器工作狀態(tài)不穩(wěn)定，絕對觀測誤差等問題都會在基線值上反映出來［1］。通常情況下，用標(biāo)準(zhǔn)偏差和變化幅度來衡量基線值的精度和穩(wěn)定性，標(biāo)準(zhǔn)偏差是個綜合參數(shù)，既反映儀器工作狀態(tài)好壞，也反映觀測誤差大?。?］。

表1 絕對觀測儀器主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main Technical Parameters of Absolute Observation Instrument

表2 相對觀測儀器主要技術(shù)參數(shù)Table 2 Main Technical Parameters of Relative Observation Instrument

2.1 地磁日變化記錄準(zhǔn)確度的標(biāo)定方法

通海臺每年選定一天在世界時00∶00時至10∶00時，每隔1小時，且在每小時時段前30分鐘進行一次絕對觀測，每次觀測取得2～3組有效數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)觀測時間控制在8～10分鐘。通過比較絕對觀測值與相對記錄值差值，也就是基線值的變化，來定量估計地磁日變化記錄的準(zhǔn)確度。因此對地磁日變化記錄標(biāo)定數(shù)據(jù)的分析即是對標(biāo)定日連續(xù)多組基線值觀測數(shù)據(jù)的分析。頻繁進行加密絕對觀測是不可行的，因此這種標(biāo)定方法實際上是抽樣標(biāo)定，在不同的磁場擾動情況下可能有不同的標(biāo)定結(jié)果。

2.2 地磁日變化記錄準(zhǔn)確度分析

為了比較真實的反應(yīng)觀測過程中基線值的變化，以及觀測誤差大的數(shù)據(jù)分布情況，直接使用實測基線值。將基線值 DB、HB、ZB三分量觀測數(shù)據(jù)、相對記錄預(yù)處理分鐘值數(shù)據(jù)繪制圖件，進行對比分析(圖1)。圖中縱坐標(biāo)DB的單位為分，HB、ZB的單位為nT，橫坐標(biāo)代表時間，以小時為單位。這里主要對基線值與地磁場的變化形態(tài)及變化幅度進行對比分析，為了使圖形直觀、明了，每組基線值數(shù)據(jù)減去其均值;代表地磁場變化的相對記錄預(yù)處理分鐘值數(shù)據(jù)也減去其均值，分鐘值數(shù)據(jù)為M15磁力儀記錄值。

圖1為標(biāo)定時段基線值數(shù)據(jù)與相應(yīng)時段地磁場分鐘值數(shù)據(jù)，(a)為M15磁力儀基線值;(b)為GM4磁力儀基線值;(c)為相對記錄地磁場分鐘值數(shù)據(jù)。

從圖1可以看出，M15磁力儀基線值DB、HB變化幅度不大，變化趨勢為一近似直線，與地磁場日變化無明顯的相關(guān)性;ZB則隨地磁場日變化起伏，2011年10月12日的數(shù)據(jù)尤為明顯，起伏較大;四次標(biāo)定的基線值ZB具有一定的變化形態(tài)，與地磁場Z分量日變化形態(tài)相反。

GM4磁力儀基線值 DB變化幅度不大、ZB雖然有一定的變化幅度，它們卻沒有明顯的變化形態(tài)，其變化趨勢也為一近似直線，與地磁場日變化無明顯的相關(guān)性;HB則隨地磁場日變化起伏，變化幅度較為明顯，與地磁場 H分量日變化形態(tài)相似。

圖1 標(biāo)定時段基線值數(shù)據(jù)與相應(yīng)時段地磁場分鐘值數(shù)據(jù)對比分析Fig.1 Data Comparative Analysis of Calibration Period Baseline Value Data and the Corresponding Time Geomagnetic Minute Value

表3、表4分別為M15、GM4磁力儀基線值標(biāo)準(zhǔn)偏差、變化幅度及記錄地磁場變化幅度。從表中可見，四次觀測兩套磁力儀基線值的觀測誤差均很小，M15磁力儀基線值 σD≤0.02'、σH≤0.20 nT、σZ≤0.37 nT;GM4磁力儀基線值 σD≤0.02'、σH≤0.41 nT、σZ≤0.28 nT;均滿足《數(shù)字地磁臺網(wǎng)觀測資料質(zhì)量評比辦法》σD≤0.10'、σH≤1.0 nT、σZ≤1.0 nT的要求。在整個標(biāo)定時段內(nèi) M15磁力儀 DB變化幅度不超過0.09'，HB不超過0.8 nT;GM4磁力儀 DB變化幅度不超過0.08'，ZB有三次不超過 0.9 nT，2010 年 09 月 08 日因觀測時段地磁場擾動較大(表5)，觀測誤差較大，ZB變化幅度達到1.1 nT。從4年的標(biāo)定結(jié)果看，M15磁力儀 ZB變化幅度均達到或超過0.7 nT;GM4磁力儀 HB變化幅度均達到或超過1.0 nT，變化幅度明顯。

M15磁力儀ZB、GM4磁力儀 HB變化幅度與地磁場變化幅度有關(guān)。2011年12月05日后兩套磁力儀搬遷到重新改造好的新相對記錄室工作，之前均在“九五”記錄室工作，2012年07月05日的觀測數(shù)據(jù)為儀器在新相對記錄室工作的觀測結(jié)果，記錄儀器搬遷、重新架設(shè)及觀測環(huán)境改變，可能會改變記錄儀器基線值與地磁日變化的相關(guān)程度。

表3 M15磁力儀基線值標(biāo)準(zhǔn)偏差、變化幅度及記錄地磁場變化幅度Table 3 Standard Deviation of M15 Magnetometer Baseline Value，Variation and the Recorded Variation Range of Geomagnetic Field

表4 GM4磁力儀基線值標(biāo)準(zhǔn)偏差、變化幅度及記錄地磁場變化幅度Table 4 Standard Deviation of GM4 Magnetometer Baseline Value，Variation and the Recorded Variation Range of Geomagnetic Field

表5 標(biāo)定時段K指數(shù)Table 5 K－index of Calibration Period

四次地磁日變化記錄準(zhǔn)確度標(biāo)定，基線值觀測質(zhì)量較好，絕對觀測不存在問題。兩套記錄儀器各分量基線值變化形態(tài)與地磁場日變化的對比結(jié)果均比較一致，M15磁力儀ZB、GM4磁力儀HB與地磁場日變化具有一定的相關(guān)性，其他基線值與地磁場日變化并無明顯相關(guān)性。

3 F－P檢驗

3.1 F－P檢驗方法

F是M15磁力儀或GM4磁力儀記錄值由經(jīng)基線值改正后的H、Z分量計算出的總強度F。F計算過程為:H=H記錄值+HB(采用基線值)

Z=Z記錄值+ZB(采用基線值)

其中，采用基線值在一天之內(nèi)是一個恒定值。

P是由OVERHAUSER質(zhì)子旋進磁力儀直接連續(xù)測量的地磁場絕對總強度 F，此F值是獨立于基線值測量的絕對觀測中的總強度測量的，與相對記錄儀器無關(guān)。通過二者的差值對比，檢測相對記錄儀器運行狀態(tài)的穩(wěn)定性和絕對觀測的穩(wěn)定性。

利用OVERHAUSER磁力儀進行此F(P)記錄的意義是更嚴(yán)密地進行資料質(zhì)量監(jiān)控，一般而言，OVERHAUSER磁力儀記錄數(shù)據(jù)信噪比高，工作穩(wěn)定，OVERHAUSER磁力儀是觀測地球磁場的標(biāo)準(zhǔn)儀器，它在足夠?qū)挼臏囟确秶鷥?nèi)，保有0.01 nT的分辨率和0.2 nT的絕對觀測精度;為監(jiān)視數(shù)字化記錄的短期準(zhǔn)確度提供了技術(shù)手段。

圖2 標(biāo)定時段F－P值和相應(yīng)時段地磁場分鐘值數(shù)據(jù)圖Fig.2 F-P Value of Calibration Period and Minute Value Data Diagram of Geomagnetic Field in the Corresponding Time

F和P的產(chǎn)出時間同步，并都通化到了臺站的標(biāo)準(zhǔn)墩上。由于它們代表的是同一地點同一時間的地磁場總強度值，因此，在理想情況下，F(xiàn)－P的值應(yīng)接近于零，F(xiàn)－P曲線應(yīng)是在零附近小幅度變化的一近似直線。其變化狀態(tài)反映了地磁臺站絕對觀測對相對記錄儀器觀測數(shù)據(jù)的控制水平。F－P可以表示在相鄰兩次基線值測量之間的分量測值的準(zhǔn)確程度。在數(shù)字化記錄中，隨著記錄儀器的靈敏度提高，對測值的準(zhǔn)確度的要求也相應(yīng)提高［3］。

3.2 F－P檢驗結(jié)果

圖2是標(biāo)定時段F－P值和相應(yīng)時段地磁場分鐘值數(shù)據(jù)圖。圖中縱坐標(biāo)代表F－P的值，單位為 nT，橫坐標(biāo)代表時間，以小時為單位。這里只是為了比較F－P的值和地磁場日變化的相關(guān)性，代表地磁場變化的相對記錄預(yù)處理分鐘值數(shù)據(jù)也減去其均值，分鐘值數(shù)據(jù)為M15磁力儀記錄值。(a)為地磁場 H分量分鐘值數(shù)據(jù);(b)為地磁場Z分量分鐘值數(shù)據(jù);(c)為GM4磁力儀F減P值;(d)為M15磁力儀F減P值。

從圖2可以看到GM4磁力儀的F－P曲線變化并非一近似直線，而是隨地磁場H分量日變化波動，形態(tài)與地磁場H分量日變化形態(tài)相反;M15磁力儀的F－P曲線變化也并非一近似直線，隨地磁場Z分量日變化波動，與地磁場Z分量日變化趨勢一致。

GM4磁力儀的F－P曲線變化主要與地磁場H分量日變化形態(tài)相關(guān)，是由于GM4磁力儀HB與地磁場H分量日變化具有一定的相關(guān)性，而且變化趨勢一致，而計算得到的地磁總強度F不能反應(yīng)出這一特性，計算過程中HB是一個恒定值;F－P曲線就顯示出這種特性。

M15磁力儀的F－P曲線變化主要與地磁場Z分量日變化形態(tài)相關(guān)，是由于M15磁力儀ZB與地磁場Z分量日變化具有一定的相關(guān)性，而且形態(tài)相反，而計算得到的地磁總強度F不能反應(yīng)出這一特性，計算過程中ZB是一個恒定值;F－P曲線就顯示出上述的特性。

F－P值與基線值的變化幅度有很好的對應(yīng)關(guān)系，基線值變化幅度越大，F(xiàn)－P值的變化幅度就越大。GM4磁力儀 HB變化幅度越大，GM4磁力儀的F－P值變化幅度就越大;M15磁力儀ZB變化幅度小，M15磁力儀的 F－P值變化幅度就小。

通海臺GM4磁力儀記錄的H分量地磁日變化及M15磁力儀記錄的Z分量地磁日變化與真實日變化之間有一定誤差。盡管誤差不大，但在高精度的地磁觀測中仍能明顯的顯示出來。

4 討論與結(jié)論

(1)四次觀測兩套磁力儀 D、H、Z三分量觀測基線值的測量誤差較小，實測M15磁力儀基線值 σD≤0.02'、σH≤0.20 nT、σZ≤0.37 nT;GM4磁力儀基線值 σD≤0.02'、σH≤0.41 nT、σZ≤0.28 nT。在整個觀測時段內(nèi)，基線值觀測質(zhì)量較好。

(2)四次地磁日變化記錄準(zhǔn)確度標(biāo)定基線值數(shù)據(jù)及F－P檢驗均表明通海臺M15磁力儀Z分量基線值ZB與地磁場Z分量日變化具有一定的相關(guān)性，形態(tài)相反;GM4磁力儀HB與地磁場H分量日變化具有一定的相關(guān)性，變化趨勢一致。其余的基線值雖然在標(biāo)定觀測時段有一定的變化幅度，卻沒有明顯的有規(guī)律的變化趨勢，觀測基線值與地磁場的日變化并無明顯相關(guān)性。

(3)M15磁力儀 ZB變化幅度均達到或超過0.7 nT，GM4磁力儀 HB變化幅度均達到或超過1.0 nT，雖然變化幅度不大，但是變化趨勢明顯。在高精度的地磁觀測中，通海臺的 M15磁力儀ZB、GM4磁力儀 HB有相對明顯的“日變化”現(xiàn)象。

(4)在數(shù)字化地磁觀測中，隨著記錄儀器的靈敏度提高，儀器比較穩(wěn)定，基線值變化很慢，幾周之內(nèi)的變化常常在0.5 nT之內(nèi)，對測值的準(zhǔn)確度的要求也相應(yīng)提高;而基線值存在“日變化”現(xiàn)象的儀器，其基線值在一天之內(nèi)的變化幅度可能超過1.0 nT;絕對觀測時間應(yīng)該避開地磁場日變化大的時段。

(5)計算地磁觀測報告時，選用基線值除考慮絕對觀測誤差、記錄室溫度變化等，還須考慮觀測日絕對觀測時間段地磁場的變化情況，合理選用基線值，產(chǎn)出精準(zhǔn)可靠的地磁觀測資料。

(6)通海臺安裝在同一記錄室的兩套磁通門儀器記錄的地磁日變化與真實日變化的誤差均不相同。因此，地磁臺站需要定期進行地磁相對記錄儀器的標(biāo)定，定量考察地磁記錄儀器記錄的地磁日變化的準(zhǔn)確程度，以利于確定臺站絕對觀測的合適時間段及數(shù)據(jù)的研究應(yīng)用。

［1］ 程安龍.關(guān)于基線值擬合問題的討論［J］.地震地磁觀測與研究，1993，14(2):54 －57.

［2］ 高玉芬，程安龍，趙永芬，等.地磁臺基線值分析［J］.地震地磁觀測與研究，1991，12(2):3 －10.

［3］ 程安龍.中國地磁臺站現(xiàn)代化技術(shù)研究［J］.地震地磁觀測與研究，1999，20(5):54 －66.

［4］ Jerzy Jankowski＆ Christian Sucksdorff.周錦屏，高玉芬，等譯.地磁測量與地磁臺站工作指南［M］.北京:地震出版社，1999.