胡秀娟 李西京 王 靜 李細順 暢國平王秀敏 宋 昭 羅 娜 解 真

1) 中國河北邢臺054000河北省地震局紅山地磁臺2) 中國陜西咸陽712000陜西省地震局乾陵地磁臺

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儀器定向誤差對地磁日變化記錄準確度的影響研究

1) 中國河北邢臺054000河北省地震局紅山地磁臺2) 中國陜西咸陽712000陜西省地震局乾陵地磁臺

基于紅山地磁臺磁通門磁力儀GM4-2記錄的日變化數(shù)據(jù)， 提出了一種減小儀器定向誤差的方法， 即D要素磁軸零場漂移S0校正法． 首先基于零場漂移S0測量原理， 試制測量工具無磁旋轉平臺， 并對磁力儀GM4-2零場漂移S0值進行測量， 得出該值約為1024.7 nT； 然后在重新定向時對該數(shù)值進行誤差校正； 最后將較正后的零場漂移S0值應用到理論日變化數(shù)據(jù)和定向后的實際日變化數(shù)據(jù)中． 結果表明，D要素磁軸零場漂移S0是產生定向誤差的主要因素， 經過零場漂移S0校正后的日變化數(shù)據(jù)與理論日變化數(shù)據(jù)一致， 消除了由定向誤差所造成的日變化畸變， 從而能更真實地反映地磁場變化．

磁通門磁力儀GM4-2 定向 零場漂移S0無磁旋轉平臺

引言

地磁場日變化是指由相對記錄儀器記錄的以一個太陽日為周期、 依賴于地方太陽時的磁場變化． 該日變化由電離層中電流及其在地球內部的感應電流所產生， 是地球變化磁場的重要組成部分， 包含空間和地球內部各種電磁過程豐富的信息(陳化然等， 2009)．

目前， 數(shù)字地磁臺站記錄日變化主流儀器為GM4型磁通門磁力儀， 主要測量地磁場水平分量H、 垂直分量Z和磁偏角D的相對變化(王曉美等， 2008)． 受儀器線性度和磁軸定向準確度、 正交度等因素的影響， 儀器記錄到的地磁場日變化與地磁場的真實變化存在一定誤差， 并且每個臺站和每套儀器的誤差均不相同(張素琴， 楊冬梅， 2011)．

本文將以紅山地磁臺磁通門磁力儀GM4-2記錄的D要素日變化出現(xiàn)畸變?yōu)槔?分析定向誤差對日變化記錄的影響． 在D要素磁軸零場漂移S0值未知的情況下， 根據(jù)零場漂移S0測量原理， 試制測量裝置， 并在紅山地磁臺相對記錄室進行多次零場漂移S0測量實驗． 測出S0值后， 在重新定向時進行零場漂移S0校正， 以對比分析定向前、 后的D要素日變化觀測數(shù)據(jù)．

1 臺站及儀器概況

紅山地磁臺位于河北省隆堯縣山口鎮(zhèn)北部， 始建于1966年邢臺MS6.8地震之后， 屬于國家基準地磁臺． 該臺站遠離城鎮(zhèn)和村莊， 周圍地勢平坦， 無明顯干擾源， 是絕佳的地磁觀測場所． 地磁相對記錄室于2006年建成并投入使用， 記錄室為地下雙層石拱頂石灰石磁房， 室內共4個儀器墩， 墩號自東向西依次排列， 室內磁場水平梯度ΔFh≤1.0 nT/m， 年溫差≤8℃(胡秀娟等， 2014a)． 磁通門磁力儀GM4-1安裝在2號墩， 于2006年9月開始觀測； GM4-2安裝在1號墩， 于2013年7月開始觀測. 地磁絕對觀測室于2000年建成并投入使用， 2009年5月安裝了絕對觀測儀器MINGEO-DIM磁通門經緯儀， 用于觀測磁偏角D和磁傾角I的絕對值， 與GM4磁通門磁力儀組成一套完整的地磁場數(shù)字化觀測系統(tǒng)．

2 資料分析

圖1為2014年3—9月紅山臺磁力儀GM4-1和GM4-2記錄的D要素基線值，包括實測值和采用值，絕對觀測儀為同一臺MINGEO-DIM磁通門經緯儀．基線值能夠同時反映出相對記錄儀器和絕對觀測儀器的工作狀態(tài)，相對記錄儀器工作不正常及絕對觀測誤差等問題均可以表現(xiàn)在基線值上(程安龍， 1993)．由圖1a可以看出， 磁力儀GM4-1基線值曲線平滑， 同日觀測的兩個基線值或相鄰觀測日DB之差均未出現(xiàn)超過0.10′的情況． 由圖1b可以看出， 磁力儀GM4-2基線值曲線多次出現(xiàn)不明原因的跳動， 3月10—14日相鄰觀測日DB之差為0.30′， 之后還多次出現(xiàn)相鄰觀測日DB之差超過0.15′的情況， 核實相應日期的日變化記錄數(shù)據(jù)時并未發(fā)現(xiàn)干擾， 由此判斷可能是磁力儀GM4-2的記錄出現(xiàn)錯誤．

圖1 2014年3—9月紅山臺磁力儀GM4-1(a)和GM4-2(b)D要素基線值曲線

同臺多儀器平行觀測的優(yōu)勢之一是可以通過兩套儀器數(shù)據(jù)一致性的對比發(fā)現(xiàn)觀測中的問題． 由圖1a可以看出， 磁力儀GM4-1基線值相對穩(wěn)定， 可以將其觀測數(shù)據(jù)作為標準來考察磁力儀GM4-2觀測數(shù)據(jù)的質量． 選取磁靜日(2014年9月10日)兩套磁通門磁力儀記錄的日變化數(shù)據(jù)， 分析D要素差值變化(圖2a). 可以看出，D要素日變化差值曲線的變化幅度約為2.5 nT． 與當日磁力儀GM4-1的H分量日變化曲線(圖2b)對比可以看出，D要素差值曲線的變化形態(tài)與H分量日變化形態(tài)一致， 只是幅度不同. 由此可知， 磁力儀GM4-2的D要素記錄中實際上含有H分量．

前期在研究地磁場長期變化對探頭定向產生的影響時觀察到， 儀器在絕對測量狀態(tài)下對D要素進行定向時，D要素的輸出值為-50—50 nT， 其中包含D要素磁軸零場漂移S0的數(shù)值， 勢必會造成定向誤差， 影響定向準確度(胡秀娟等， 2014b)． 圖1和圖2所反映出的問題是否由定向誤差所造成呢？ 針對該問題， 下面我們主要從定向準確度角度對日變化記錄的影響進行分析.

圖2 磁力儀GM4-1和GM4-2記錄的2014年9月10日D要素日變化差值曲線(a)和磁力儀GM4-2記錄的H分量日變化曲線(b)

Fig.2 The daily variation differential curves ofDelement recorded by two fluxgate magnetometers GM4-1 and GM4-2 (a) and the daily variation curve ofHcomponent recorded by GM4-2 (b) on September 10, 2014

3 儀器定向過程中存在的問題與分析

磁通門磁力儀GM4定向是指探頭傳感器方向與被測磁場方向一致(朱兆才， 2004)． 目前， 對磁通門磁力儀GM4定向的步驟為： ① 選擇磁靜日， 調平儀器底座， 確定垂直分量Z的定向； ② 將儀器狀態(tài)由相對記錄切換到絕對測量狀態(tài)， 水平旋轉儀器， 將磁偏角D的輸出值控制在-50—50 nT范圍內， 確定D要素的定向； ③ 水平分量H的定向由D要素確定．

由于儀器在絕對測量狀態(tài)下對D要素進行定向時，D要素的輸出值為-50—50 nT， 其中包含了D磁軸零場漂移S0的數(shù)值(胡秀娟等， 2014b)， 所以需測出S0值. 基于零場漂移S0測量原理， 本文試制了S0值測量工具.

3.1 零場漂移S0測量原理與測量工具

假設D磁軸零場漂移值為S0， 磁場H在D磁軸上的投影值為S， 如圖3a所示. 圖中，A為磁東方向，B為磁北方向，C為零場漂移S0存在時D要素輸出值為零時磁軸的位置， 此時D要素的輸出值為S0-S； 將D磁軸水平轉動180°(圖3b)， 此時D要素的輸出值為S0+S. 通過計算可得出零場漂移S0值． 實際測量中， 應盡量選擇磁場平靜時段， 可保證D磁軸在轉動180°時磁場H不變； 另外， 零場漂移S0受溫度影響， 應盡量選擇溫度穩(wěn)定的時段， 可保證零場漂移S0值不變．

由于磁通門磁力儀GM4探頭本身沒有刻度， 給實際測量帶來困難． 最先使用的測量工具為紙質度盤， 但很難保證D磁軸準確轉動180°， 測量誤差較大． 而后制作了無磁旋轉平臺， 該平臺主要由FHD儀器底盤和正方形不銹鋼鋼板兩部分構成， 其中正方形不銹鋼鋼板固定在FHD儀器底座上． 測量時將探頭放置在鋼板上， 通過調整FHD儀器底盤內的刻度對D磁軸進行旋轉， 從而提高測量精度．

圖3D磁軸定向位置(a)及其旋轉180°位置(b)處零場漂移S0計算示意圖

Fig.3 The calculating schematic diagram of zero driftS0ofDmagnetic axis at the orientation position (a) and that after rotating 180° (b)

3.2 零場漂移S0測量結果

在紅山臺相對記錄室對磁力儀GM4-2共進行3次零場漂移S0的測量實驗， 時間分別為2014年9月11日、 9月25日和9月28日． 第一次實驗使用無磁旋轉平臺， 測量數(shù)據(jù)為18組， 計算出零場漂移S0值為972.2 nT． 對于測量的較大數(shù)值， 應考慮是否由于平臺操作方法不當?shù)仍蛩拢?9月25日使用紙質度盤進行第二次實驗， 測量數(shù)據(jù)為9組， 計算出零場漂移S0值為1009.9 nT．

對比兩種測量工具測得的數(shù)據(jù)可以看出， 紙質度盤較無磁旋轉度盤精度稍差， 但其均顯示零場漂移S0數(shù)值較大， 為定向時最佳輸出值的幾十倍． 為此與儀器廠家進行溝通， 建議儀器在“相對狀態(tài)”下， 且同時不給H分量和Z分量加補償值時進行測量． 基于上述改變， 9月28日使用無磁旋轉平臺進行第三次零場漂移S0測量， 測量數(shù)據(jù)為7組， 測量結果如表1所示．

表1 2014年9月28日紅山臺磁力儀GM4-2零場漂移S0測量結果

注：D1和D2分別為圖3a, b的D要素輸出值.

3.3 定向誤差對磁力儀GM4-2日變化記錄的影響

由表1可計算出磁力儀GM4-2的零場漂移S0=1024.7 nT， 將其換算成角度， 即

(1)

式中，H取H分量年均值. 已知紅山地磁臺H值為2萬9800 nT， 可計算出α值約為2°．

以定向誤差角度為2°進行理論分析， 所得D要素日變化畸變如圖4所示. 可以看出， 由于定向誤差的存在，D要素日變化出現(xiàn)畸變， 其實測值并非真實值， 理論上D要素值應為H分量和D要素實測值在真實的D要素方向上投影之和， 即

圖4 2°定向誤差角度所造成的D要素日變化畸變示意圖. H和D為理論日變化數(shù)據(jù)， H′和D′為實測日變化數(shù)據(jù)Fig.4 Schematic diagram of abnormal daily variation of D element caused by the orientation error angle 2°. H and D are the theoretical daily variation, H′ and D′ are the measured ones

(2)

根據(jù)式(2)計算得出2014年9月10日磁力儀GM4-2的D要素理論日變化數(shù)據(jù)， 同時選取2014年9月10日和10月6日磁力儀GM4-2的D要素實測日變化數(shù)據(jù)， 分別與磁力儀GM4-1的D要素相對應日期的日變化數(shù)據(jù)進行差值比較， 差值曲線如圖5所示， 其中9月10日為未經過定向誤差校正的數(shù)據(jù)， 10月6日為經過定向誤差校正的數(shù)據(jù)． 可以看出， 9月10日實測日變化的差值(黑色曲線)變化幅度較大， 約為2.5 nT； 通過理論計算后， 日變化的差值(紅色曲線)變化幅度較小， 約為1.0 nT; 10月6日實測日變化差值曲線(綠色曲線)與理論差值曲線變化趨勢和變化幅度一致． 結果表明， 磁力儀GM4-2定向時經過零場漂移S0校正后的觀測數(shù)據(jù)能夠消除定向誤差所造成的日變化畸變．

地磁日變化記錄準確度標定是為了定量考察地磁儀器記錄到的地磁日變化的準確程度．

圖5 D要素實測(黑色和綠色)及理論日變化差值曲線(紅色)

圖6 磁力儀GM4-2定向前(a)、 后(b)日變化標定曲線Fig.6 The calibration curves of daily variation for fluxgate magnetometer GM4-2 before (a) and after orientation (b)

具體作法為： 在選定的一天地方時09：00—15：00， 每隔1小時進行一次絕對觀測， 每次觀測取得兩組有效數(shù)據(jù)， 然后比較基線值的變化(張素琴， 楊冬梅， 2011)． 8月29日對磁力儀GM4-2進行了一次日變化標定， 通過實驗確定定向誤差后對該儀器進行重新定向； 9月29日對磁力儀GM4-2又進行了一次日變化標定， 并對比了兩次的標定結果， 如圖6所示．

衡量基線值的精度和穩(wěn)定性， 主要通過計算基線值的標準偏差和變化幅度． 標準偏差既能反映觀測誤差的大小， 也能反映記錄儀器工作狀態(tài)的好壞(高玉芬等， 1991)． 從圖6a可以看出， 定向前DB的標準偏差為0.06′， 在整個觀測時段內DB變化幅度超過0.10′， 最大可達0.18′； 從圖6b可以看出， 定向后DB的標準偏差為0.03′， 在整個觀測時段內DB變化幅度不超過0.10′， 最大為0.08′． 這說明， 磁力儀GM4-2定向時經過零場漂移S0校正后的觀測數(shù)據(jù)更能真實地反映地磁場的日變化．

4 討論與結論

儀器正確定向是保證地磁場日變化記錄準確的一個重要環(huán)節(jié)， 磁通門磁力儀在絕對狀態(tài)下，D要素磁軸零場漂移S0是影響其定向精度的主要因素， 但是儀器參數(shù)尚未給出該數(shù)值． 本文結合零場漂移S0測量原理， 制作了無磁旋轉平臺， 對紅山臺磁力儀GM4-2進行了多次零場漂移S0值測量． 在測量過程中， 定向應在軟件界面標識為“相對狀態(tài)”， 并在將H分量和Z分量補償值設置為0的狀態(tài)下進行．

由紅山臺磁力儀GM4-2多次零場漂移S0值測量結果可知， 該S0值為1024.7 nT， 是定向輸出值(-50—50 nT)的20倍， 所以需對零場漂移S0值進行校正， 使D要素的輸出值為(1024.7±50) nT． 對比定向前后D要素觀測數(shù)據(jù)可知， 經過零場漂移S0校正后的日變化數(shù)據(jù)與理論日變化數(shù)據(jù)一致， 能夠消除由定向誤差所造成的D要素日變化畸變. 在此基礎上通過定向前后日變化標定結果對該結論給予了驗證．

地磁臺站的首要任務是取得連續(xù)、 完整、 可靠的觀測數(shù)據(jù)， 本文研究為地磁臺站磁通門磁力儀GM4的正確定向提供了參考依據(jù)． 地磁場日變化記錄準確度除受定向誤差影響外， 還受其它因素影響． 解決定向問題后， 后續(xù)將繼續(xù)考察儀器正交度對日變化記錄的影響及其校正方法．

楊冬梅研究員提出零場漂移S0測量原理及具體實驗步驟， 乾陵臺李西京高級工程師提供自制測量裝置， 作者在此一并表示衷心感謝！

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Influences of instrument orientation error on the accuracy of daily variation of geomagnetic record

1)HongshanGeomagneticObservatory,EarthquakeAdministrationofHebeiProvince，HebeiXingtai054000，China2)QianlingGeomagneticObservatory，EarthquakeAdministrationofShaanxiProvince，ShaanxiXianyang712000，China

Based on the daily variation of geomagnetic data recorded by fluxgate magnetometer GM4-2 at Hongshan geomagnetic observatory, this paper proposes a method for eliminating instrument orientation error, namely the correction method for magnetic axis zero driftS0ofDelement. First, based on the mea-surement theory of magnetic axis zero driftS0, a rotation platform without magnetism has been trial-produced to measure theS0， which is about 1024.7 nT for the GM4-2. Then, we correct the error ofS0value in reorientation. Finally, theS0value is applied to both theoretical daily variation and daily variation recorded by the instrument after orientation. The results show that the magne-tic axis zero driftS0ofDelement is the main factor for the orientation error．The daily variation recorded by the instrument after orientation are consistent with the theoretical daily variation, thus eliminating the daily variation distortion caused by the orientation error, and reflecting the geomagnetic filed variation more realistically.

fluxgate magnetometer GM4-2; orientation; the magnetic axis zero driftS0; rotation platform without magnetism

河北省地震局三結合課題(DZ20150424093)和中國地震局行業(yè)標準(054219)共同資助.

2015-03-13收到初稿， 2015-05-17決定采用修改稿.

e-mail: 47982934@qq.com

10.11939/jass.2016.01.013

P318.6, TH762.3

A

胡秀娟, 李西京, 王靜, 李細順, 暢國平, 王秀敏, 宋昭, 羅娜, 解真. 2016. 儀器定向誤差對地磁日變化記錄準確度的影響研究. 地震學報, 38(1): 130--137. doi:10.11939/jass.2016.01.013.

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