張 敏楊福喜張文來許秋龍劉賢倫王喜珍

1）中國(guó)烏魯木齊830011新疆維吾爾自治區(qū)地震局

2）中國(guó)北京100081中國(guó)地震局地球物理研究所

3）中國(guó)北京100190中國(guó)科學(xué)院空間天氣學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

磁通門磁力儀探頭定向角度與準(zhǔn)確度標(biāo)定分析

張 敏1）楊福喜1）張文來1）許秋龍1）劉賢倫1）王喜珍2），3）

1）中國(guó)烏魯木齊830011新疆維吾爾自治區(qū)地震局

2）中國(guó)北京100081中國(guó)地震局地球物理研究所

3）中國(guó)北京100190中國(guó)科學(xué)院空間天氣學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

烏魯木齊地震臺(tái)遷往呼圖壁，采用傳統(tǒng)方法對(duì)地磁儀進(jìn)行安裝調(diào)試，對(duì)探頭不同定向角度下日變化進(jìn)行準(zhǔn)確度標(biāo)定，每個(gè)角度觀測(cè)一天，持續(xù)9小時(shí)。因?qū)x器系統(tǒng)零場(chǎng)漂移值估計(jì)不足，探頭定向角度范圍偏小，建議取值范圍±500 nT（約±1°），受絕對(duì)觀測(cè)精度及磁通門磁力儀影響因素的制約，取100 nT作為步長(zhǎng)較好。實(shí)驗(yàn)認(rèn)為，定向角度與日變化準(zhǔn)確度標(biāo)定精度無明顯統(tǒng)計(jì)關(guān)系，認(rèn)為影響磁通門磁力儀數(shù)據(jù)質(zhì)量的主要因素是人為影響和儀器自身零場(chǎng)漂移過大。

反饋地震計(jì)；寬頻帶；數(shù)字反饋；長(zhǎng)周期噪聲

0 引言

地球磁場(chǎng)觀測(cè)已經(jīng)走過上百年歷史，目前國(guó)際上普遍采用能連續(xù)提供數(shù)字化記錄的三分向磁通門磁力儀，實(shí)現(xiàn)地球磁場(chǎng)記錄和地磁資料處理的數(shù)字化，地磁臺(tái)站大多采用磁通門磁力儀觀測(cè)系統(tǒng)作為相對(duì)記錄儀。地磁觀測(cè)與研究不僅涉及地磁學(xué)科，同時(shí)涉及通信、空間物理、航天活動(dòng)、地球構(gòu)造研究和地震預(yù)報(bào)等領(lǐng)域。在眾多地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)方法中，地磁方法是可以探測(cè)到震源體深度變化的少數(shù)地震前兆方法之一。近年研究表明，震磁異常為幾nT最多十幾nT。監(jiān)測(cè)地震需要高質(zhì)量地磁觀測(cè)資料，提高觀測(cè)資料質(zhì)量顯得尤為重要（周錦屏等，1999）。

地磁場(chǎng)為在空間上有方向、有大小的矢量場(chǎng)，且在不斷變化中。地磁場(chǎng)有F、H、Z、X、Y、D、I七要素。地磁場(chǎng)可以用磁傾角I、磁偏角D和總強(qiáng)度F表示，可以用北向分量X、東向分量Y和垂直分量Z表示，也可以用水平強(qiáng)度H、磁偏角D和垂直強(qiáng)度Z表示。目前能直接測(cè)量的地磁要素有I、D、H、Z、F（徐文耀，1993；徐文耀，1997；徐文耀，2003；張敏，2012；張敏等，2014）。要準(zhǔn)確記錄地磁要素變化，必須對(duì)儀器傳感器進(jìn)行準(zhǔn)確定向（朱兆才，2000，2002）。中國(guó)部分地磁臺(tái)產(chǎn)出的數(shù)字化地磁記錄數(shù)據(jù)質(zhì)量還不理想，有改變磁通門磁變儀探頭支架前后觀測(cè)數(shù)據(jù)與光記錄磁變儀差值的平均符號(hào)相反的現(xiàn)象，與探頭定向差有關(guān)（韓德勝等，2000；朱兆才，2001 ，2002；朱兆才，2004，2005）。磁通門磁變儀分辨率已達(dá)到0.1 nT甚至更高，但定向誤差所代表的相關(guān)地磁分量干擾這另一類“噪聲”影響也很重要。磁通門磁變儀要想獲得高準(zhǔn)確度的記錄資料，必須嚴(yán)格定向。國(guó)外比較重視統(tǒng)計(jì)探頭定向差角，并對(duì)磁通門磁變儀原始記錄進(jìn)行改正計(jì)算（以SMALL磁通門儀為代表），但研究表明，校正系數(shù)的求得有一定難度，且定向差角大時(shí)校正計(jì)算誤差也大（朱兆才，1997，1998，2001，2003）。

烏魯木齊地震臺(tái)始建于1964年，地磁觀測(cè)為中國(guó)“老八臺(tái)”之一，烏魯木齊地磁臺(tái)擁有3套不同類型的磁通門磁力儀探頭系統(tǒng)（FGE懸掛式、GM3固定支架式、FGE固定支架式），基本涵蓋目前中國(guó)地磁臺(tái)所使用磁通門磁力儀的探頭類型。

由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展及烏魯木齊城市擴(kuò)建，烏魯木齊地磁臺(tái)的觀測(cè)工作受到諸多干擾，因此2012年于昌吉州呼圖壁縣另建新臺(tái)。烏魯木齊臺(tái)原有3套儀器分別安裝于2000年、2001年和2007年，運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，工作條件與安裝時(shí)發(fā)生較大變化。為了更好地完成儀器搬遷與安裝工作，借此機(jī)會(huì)，采用磁靜日絕對(duì)觀測(cè)方法，連續(xù)測(cè)定不同定向角度與水平角度下各磁力儀基線值變化曲線，確立測(cè)量準(zhǔn)確度和觀測(cè)精度、定向角度和水平角度之間的關(guān)系，從而找到烏魯木齊地磁臺(tái)各磁力儀最佳定向角度與水平角度。

1 日變化準(zhǔn)確度標(biāo)定

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(duì)記錄儀記錄的地磁日變化與真實(shí)日變化之間有一定誤差，且每個(gè)臺(tái)站、每套儀器的誤差均不相同。因此，地磁臺(tái)站需要定期進(jìn)行地磁相對(duì)記錄儀標(biāo)定，定量考察地磁記錄儀記錄的地磁日變化準(zhǔn)確程度，以利于確定臺(tái)站絕對(duì)觀測(cè)的合適時(shí)間段及數(shù)據(jù)的應(yīng)用研究（丁鴻佳等，2004；胡星星等，2010；王曉美等，2011）。

2 觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量與探頭定向關(guān)系

由于探頭在出廠前各分量磁通門探頭垂直度調(diào)節(jié)在±5′以內(nèi)，基本滿足目前臺(tái)站地磁觀測(cè)要求，可以保證各分量間影響量在0.1 nT的水平上。而儀器安裝時(shí)，由于安裝時(shí)間、地磁場(chǎng)變化及儀器自身電子裝置零場(chǎng)漂移的影響，帶來的北向分量（水平強(qiáng)度H）與磁北方向偏離成分是影響觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的顯著因素。

目前國(guó)際上基本采用磁力儀輸出數(shù)據(jù)直接定向磁通門磁力儀探頭的方法，即通過使磁通門磁力儀輸出數(shù)據(jù)小于±50 nT從而使探頭定向偏差小于±5′。由于儀器電子裝置存在零場(chǎng)漂移，則可能使儀器觀測(cè)數(shù)據(jù)存在一個(gè)常差，從而使定向結(jié)果出現(xiàn)偏差；同時(shí)，由于地磁場(chǎng)是時(shí)刻變化的，則可能因定向時(shí)地磁場(chǎng)變化較大而使定向結(jié)果出現(xiàn)偏差；再則，隨時(shí)間變化，地磁場(chǎng)的長(zhǎng)期變化也會(huì)使儀器輸出超出定向要求。

烏魯木齊臺(tái)3套磁力儀各要素2010年9月7日日變化準(zhǔn)確度標(biāo)定基線值曲線（橫坐標(biāo)為一天內(nèi)測(cè)量的9組基線值，每組基線值包含2個(gè)數(shù)值）。

從圖1可知，各分量基線明顯含有日變化成分，表明各測(cè)量分量受到其他分量影響，且影響各不相同；同時(shí)，3套儀器H分量日變化幅度均超過1 nT，雖然觀測(cè)精度仍在觀測(cè)規(guī)范要求范圍內(nèi)，但顯然不能忽略。因此，必須對(duì)3套磁通門磁力儀均進(jìn)行重新定向，以消除或減小儀器由于定向誤差導(dǎo)致的各分量間相互干擾，從而改善觀測(cè)資料質(zhì)量。

圖1 2010年9月7日日變化準(zhǔn)確度標(biāo)定基線值曲線Fig.1 The baseline calculated from calibration of daily variation accuracy on Sep.7，2010

3 探頭定向試驗(yàn)

2012年12月16日和18日，分別將烏魯木齊地磁臺(tái)水磨溝舊臺(tái)址的GM3磁通門磁力儀和FHDZ-M15搬遷至100km以外的昌吉回族自治州呼圖壁縣新臺(tái)址，采用傳統(tǒng)方法，對(duì)儀器安裝調(diào)試，經(jīng)過幾天的穩(wěn)定期，在磁靜日對(duì)儀器進(jìn)行不同定向角度下的準(zhǔn)確度測(cè)試。

將磁通門磁力儀探頭定位在-200 nT、-100 nT、0 nT、100 nT、200 nT附近，折合成呼圖壁臺(tái)當(dāng)?shù)亟嵌确謩e約-30′、-15′、0′、15′、30′，按照地磁臺(tái)站觀測(cè)規(guī)范要求，用臺(tái)站第一觀測(cè)組合MINGEO DIM100磁通門經(jīng)緯儀和Overhauser磁力儀進(jìn)行日變化準(zhǔn)確度標(biāo)定，每個(gè)角度觀測(cè)一天，持續(xù)9小時(shí)。表1給出M15和GM3儀在不同定向角度下標(biāo)定精度與定向角度的關(guān)系。

表1 M15和GM3標(biāo)定精度與定向角度關(guān)系Table 1 Statistical table of daily variation accuracy and orientation angle

考察不同定向角度各觀測(cè)日M15儀器日變化準(zhǔn)確度標(biāo)定精度形態(tài)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)探頭定向在200 nT即角度30′附近時(shí)，標(biāo)定精度較好。因此，對(duì)于FHDZ-M15，200 nT或者30′是比較適合的定向角度。

考察GM3不同定向角度各觀測(cè)日日變化準(zhǔn)確度標(biāo)定精度形態(tài)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)探頭定向在-100 nT即角度-15′附近時(shí)，標(biāo)定精度較好。因此，對(duì)于GM3，-100 nT或者-15′是比較適合的定向角度。

用試驗(yàn)得到的探頭定向角度對(duì)探頭進(jìn)行定向，儀器運(yùn)行穩(wěn)定后，采用日變化準(zhǔn)確標(biāo)定方法進(jìn)行驗(yàn)證。定向后2012年日變化準(zhǔn)確度標(biāo)定計(jì)算的D、H、Z基線見圖2。

圖2 M15、GM3儀標(biāo)定D、H、Z基線（a）M15；（b）GM3Fig.2 The baseline of D、H、Z of M15 and GM3

由圖2可見，與2010年未定向前的D、H、Z基線值相比，定向后各分量基線幾乎不含日變化成分，表明各分量受其他分量影響較小。

4 地磁臺(tái)網(wǎng)儀器定向及標(biāo)定精度統(tǒng)計(jì)

統(tǒng)計(jì)地磁臺(tái)網(wǎng)基準(zhǔn)地磁臺(tái)2011—2013年各相對(duì)記錄儀器日變化準(zhǔn)確度各分量標(biāo)定精度及其定向角度，見表2（標(biāo)定精度為9小時(shí)內(nèi)每小時(shí)2組觀測(cè)基線值均方差的平均值）。本文討論定向角度與標(biāo)定精度的關(guān)系，受篇幅限制，只給出定向角度超過5′的臺(tái)站記錄。由表2得出以下結(jié)論。

表2 地磁臺(tái)網(wǎng)2011—2013年日變化標(biāo)定精度及定向角度統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistical table of daily variation accuracy and orientation angle in geomagnetism network from the year 2011 to 2013

（1）在標(biāo)定時(shí)段，大部分臺(tái)站磁通門磁力儀D、H、Z三分量基線值測(cè)量誤差較小，滿足《數(shù)字地磁臺(tái)網(wǎng)觀測(cè)資料質(zhì)量評(píng)比辦法》中δD ＜ 0.1′、δH ≤1.0 nT、δZ ≤ 1.0 nT的要求，說明臺(tái)站工作人員的觀測(cè)技術(shù)及磁通門磁力儀的工作狀態(tài)比較穩(wěn)定。

（2）由于儀器安裝時(shí)間較長(zhǎng)或安裝定向出現(xiàn)偏差，部分儀器定向角度出現(xiàn)較大偏差。日變化準(zhǔn)確度標(biāo)定基本選在磁靜日進(jìn)行，如果本臺(tái)相對(duì)儀器工作狀態(tài)較穩(wěn)定，且基線值在標(biāo)定前后無較大跳動(dòng)，而連續(xù)多年定向角度出現(xiàn)較大偏差，應(yīng)由經(jīng)驗(yàn)豐富的觀測(cè)人員在磁靜日合適時(shí)段重新進(jìn)行標(biāo)定，計(jì)算標(biāo)定誤差和定向角度，如偏差仍較大，則需盡快重新定向。出現(xiàn)定向角度偏差較大的臺(tái)站需認(rèn)真進(jìn)行相關(guān)檢查，如相對(duì)觀測(cè)儀工作狀態(tài)，考慮是否需要重新定向。參與統(tǒng)計(jì)的儀器中，定向角度小于5′的僅有32%，5′—15′的占51%，15′—30′的占11%，大于30′的占6%。

（3）定向角度與標(biāo)定精度之間無明顯統(tǒng)計(jì)關(guān)系，說明磁通門磁力儀數(shù)據(jù)質(zhì)量主要受其他因素影響?？赡芤蛩刂饕校孩偃藶橛绊懘?，絕對(duì)觀測(cè)質(zhì)量影響日變化準(zhǔn)確度標(biāo)定精度；②磁通門磁力儀系統(tǒng)自身零場(chǎng)漂移過大，使得探頭定向角度統(tǒng)計(jì)在很大程度上失去意義。

（4）由于其他因素的存在，如儀器零場(chǎng)漂移不同，不能采用統(tǒng)一方法解決地磁臺(tái)網(wǎng)磁通門磁力儀探頭定向問題，如針對(duì)每一臺(tái)儀器，可以采用以上研究方法進(jìn)行準(zhǔn)確定向。

5 討論

對(duì)于烏魯木齊臺(tái)FHDZ-M15儀，200 nT（30′）是比較適合的定向角度，可以推斷，該儀器電子裝置的零場(chǎng)漂移值約-200 nT。對(duì)于GM3儀，-100 nT或-15′是比較適合的定向角度，可以推定，該儀器電子裝置的零場(chǎng)漂移值約100 nT。本文進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，存在對(duì)儀器系統(tǒng)零場(chǎng)漂移估計(jì)不足的缺點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)的角度范圍可能偏小。在臺(tái)站確定儀器定向角度時(shí)，建議實(shí)驗(yàn)取值范圍為±500 nT（約±1°）。對(duì)于每一臺(tái)儀器，可以采用論文提及的實(shí)驗(yàn)方法確定定向角度，受絕對(duì)觀測(cè)精度及磁通門磁力儀影響因素的制約，考慮到工作量，選擇以100 nT為步長(zhǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)較好。

定向角度與日變化準(zhǔn)確度標(biāo)定精度無明顯統(tǒng)計(jì)關(guān)系，認(rèn)為影響磁通門磁力儀數(shù)據(jù)質(zhì)量的主要因素是人為影響和儀器自身零場(chǎng)漂移過大。

目前，國(guó)家地磁臺(tái)網(wǎng)很多儀器探頭的定向角度超出±50 nT（約±5′）的范圍，且一部分儀器標(biāo)定精度超出地磁臺(tái)站觀測(cè)規(guī)范要求，是否因定向不恰當(dāng)導(dǎo)致，需要進(jìn)行諸多排查，才能確定是否需要重新定向。本文使用的探頭定向角度確定方法，可以作為解決探頭定向誤差導(dǎo)致定向角度偏差問題的一個(gè)手段進(jìn)行嘗試。

感謝新疆維吾爾自治區(qū)前兆臺(tái)網(wǎng)中心同仁的幫助，感謝中國(guó)地震局地球物理研究所王喜珍副研究員提出寶貴意見，并感謝相關(guān)審稿專家。

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The preliminary analysis of directional angle and measurement accuracy on fluxgate magnetometer probe

Zhang Min1），Yang Fuxi1），Zhang Wenlai1），Xu Qiulong1），Liu Xianlun1）and Wang Xizhen2），3）
1） Earthquake Administration of Xinjiang Uygur Autonomous Region，Urumqi 830011，China
2） Institute of Geophysics，China Earthquake Administration，Beijing 100081，China
3） State Key Laboratory of Space Weather，Chinese Academy of Sciences Beijing 100190，China

Using the opportunity of Urumqi geomagnetic instrument moved to Hutubi Seismic Station，all geomagnetic instruments are tested using the traditional method as installation.After the instruments are stable，daily variation accuracy is calibrated using different directional angle.The observation for each angle lasts about nine hours in one day.There is something weaknesses in the experiments，we do not consider the zero drift value too much，and the step value of our experiment may be small，so we suggest stations need to apply such experiments to get the orientation angle，the appropriate values range is ±500 nT （about ±1°）.Restricted by the absolute accuracy and other factors of magnetometer，using 50nT or much smaller step in directional experiment cannot improve the experimental results significantly.Taking 100 nT as step value for experiment is a better choice.There is no significant statistic relationship between the accuracy of Calibration precision experiment and directional angle.It is found that the main infuence factors of fux-gate magnetometer data quality are human disturbance and the too large zone drift of instrument.

calibration of daily variation accuracy，probe orientation，directional angle

10.3969/j.issn.1003-3246.2015.05.017

張敏（1986—），女，湖北孝感人，2012年7月畢業(yè)于中國(guó)地震局地球物理研究所，碩士研究生，主要從事地磁數(shù)據(jù)處理工作。E-mail：woaini1024.ok@163.com

由新疆地震科學(xué)基金“地磁臺(tái)站磁通門磁力儀探頭定向角度與測(cè)量準(zhǔn)確度關(guān)系的試驗(yàn)與研究”（201204）、國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目（Y32612A24S1）、新疆地磁場(chǎng)磁暴分布特征及日變化異常與地震的關(guān)系（201413）聯(lián)合資助

本文收到日期：2015-01-20