王 倩，王賀生，韓小賓，王艷榮

(1.河北省地震局秦皇島中心地震臺(tái)，河北 秦皇島 066100；2.河北省地礦局秦皇島礦產(chǎn)水文工程地質(zhì)大隊(duì)，河北 秦皇島 066100)

0 引言

地震的孕育和發(fā)生是一個(gè)多物理過程，大量觀測(cè)與研究表明該過程中伴隨有電磁場(chǎng)的變化，從觀測(cè)資料中有效地提取出地震電磁信號(hào)有助于加深對(duì)地震電磁現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)和理解，準(zhǔn)確可靠、連續(xù)完整的觀測(cè)資料是基礎(chǔ)。國家“十五”數(shù)字網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目對(duì)全國地磁臺(tái)站進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)了地磁臺(tái)站相對(duì)記錄數(shù)字化數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)和準(zhǔn)實(shí)時(shí)傳輸[1]。在同一地磁臺(tái)站，多套觀測(cè)系統(tǒng)的資料應(yīng)具備一致性、可比性。為此，對(duì)昌黎地震臺(tái)兩套磁通門磁力儀FGM01和GM4的觀測(cè)資料進(jìn)行系統(tǒng)的對(duì)比分析。

1 臺(tái)站觀測(cè)環(huán)境及儀器概況

昌黎地磁臺(tái)(以下簡(jiǎn)稱昌黎臺(tái))位于河北省昌黎縣城西10 km，臺(tái)址基巖被第四紀(jì)砂質(zhì)黏土覆蓋，花崗巖埋藏于地下70 m左右，地下水位約20 m，位于昌寧斷裂北6 km(非活斷層)，臺(tái)基主要是第四紀(jì)沉積物。昌黎臺(tái)已有30多年的觀測(cè)歷史，有一套完整的絕對(duì)觀測(cè)與相對(duì)觀測(cè)系統(tǒng)，自上世紀(jì)60年代末期建臺(tái)至今，地面磁場(chǎng)分布較均勻，周圍干擾源較少，是理想的地磁觀測(cè)場(chǎng)所。磁場(chǎng)水平梯度小于1.0 nT/m,室內(nèi)日溫差≤0.3 ℃，年溫差≤10.0 ℃，相對(duì)濕度≤85%，均滿足地磁觀測(cè)規(guī)范要求[2]。

昌黎臺(tái)分別于2010年10月、2013年12月安裝GM4、FGM01磁通門磁力儀，儀器均由磁通門探頭、模擬裝置和主機(jī)3個(gè)單元構(gòu)成，用于地磁場(chǎng)相對(duì)記錄，測(cè)量地磁場(chǎng)水平分量H、垂直分量Z和地磁偏角D的變化，同時(shí)監(jiān)測(cè)探頭溫度T。探頭部分的數(shù)據(jù)基本采樣率為每秒10次，通過數(shù)字濾波抽樣產(chǎn)出每秒采樣的數(shù)據(jù)，簡(jiǎn)稱秒數(shù)據(jù)。磁通門磁力儀以其靈敏度高、頻帶寬、易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于地磁觀測(cè)臺(tái)站[3]。Mag-01地磁經(jīng)緯儀于2015年1月安裝，用于測(cè)量地磁場(chǎng)偏角D和傾角I。每周一、四使用近零法進(jìn)行絕對(duì)觀測(cè)，同時(shí)配合G-856質(zhì)子核旋儀測(cè)量地磁場(chǎng)總強(qiáng)度F，通過換算得到各分量的基線值。儀器基本參數(shù)如表1所示。

表1 儀器性能指標(biāo)參數(shù)Table 1 Parameters of instrument performance index

2 觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

2.1 參考背景噪聲

地磁臺(tái)網(wǎng)的評(píng)比標(biāo)準(zhǔn)中包含儀器參考背景噪聲指標(biāo)，可通過它來衡量儀器性能的優(yōu)良[4]。2014年，昌黎臺(tái)兩套儀器的Z分量背景噪聲均高于臺(tái)網(wǎng)的參考背景噪聲，超出幅度與季節(jié)的變化無明顯關(guān)系，這可能是臺(tái)站地下介質(zhì)的電性結(jié)構(gòu)所致(見第33頁表2)。GM4儀器的D分量在6—8月中均高于臺(tái)網(wǎng)的背景噪聲，F(xiàn)GM01的D分量在8月高出臺(tái)網(wǎng)背景噪聲，可見兩套儀器D分量的背景噪聲可能與季節(jié)有關(guān)——夏時(shí)段噪聲值較大，冬時(shí)段較小。H分量的噪聲值均小于臺(tái)網(wǎng)的參考噪聲值，未出現(xiàn)超限情況。

兩套儀器觀測(cè)分量值相比，F(xiàn)GM01的D分量背景噪聲值有8次小于GM4的，分別在2—3月、6—7月、9—12月，5月的大于GM4。其他分量相差不明顯(見表2)。排除觀測(cè)環(huán)境和場(chǎng)地等影響，認(rèn)為FGM01儀器的性能較優(yōu)于GM4。

表2 FGM01、GM4背景噪聲和臺(tái)網(wǎng)參考背景噪聲對(duì)比Table 2 Background noise of FGM01 and GM4 and referencebackground noise of the network

2.2 預(yù)處理分鐘值數(shù)據(jù)

為分析FGM01與GM4記錄數(shù)據(jù)的一致性及內(nèi)在質(zhì)量，分別選取磁靜日2015年4月4日全天K指數(shù)總和為9和磁擾日2015年3月17日全天K指數(shù)總和為44的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析(見圖1)。

從D、H、Z三分量分鐘值日變化曲線看出，兩套儀器在磁靜日和磁擾日的日變化形態(tài)一致，重合性較好，能很好地反映地磁日變形態(tài)。

2.3 日均值數(shù)據(jù)

為明確兩套儀器觀測(cè)數(shù)據(jù)的內(nèi)在質(zhì)量，選取2015年的日均值數(shù)據(jù)，繪制D、H、Z三分量的日均值和日均值差值曲線(見第34頁圖2)。

由圖2可知，兩套儀器三分量的日均值變化曲線形態(tài)一致性較好，年變化趨勢(shì)一致。日均值差值主要檢驗(yàn)相對(duì)記錄方面的問題，能顯示基線值所不能消除的各種影響因素。兩套儀器各分量的日均值差值為D差值≤±0.5 nT，H差值≤±2.0 nT，Z差值≤±1 nT。另外，D分量差值大于0.3 nT的6天、H分量差值大于1.5 nT和小于-1 nT的2天、Z分量差值小于-0.8 nT的1天均為磁擾日。由此可知，在磁擾日，兩套儀器的日均值差值會(huì)較大。理論上，兩套儀器的日均值差值應(yīng)為0，但由于各種因素影響，只能是趨近于0。

圖1 GM4與FGM01的磁靜日、磁擾日分鐘值曲線Fig.1 Minute value of Magnetic static day and magnetic disturbing day of FGM01 and GM4

2.4 基線值數(shù)據(jù)

基線值是地磁臺(tái)站的重要資料質(zhì)量控制數(shù)據(jù)，是溝通絕對(duì)觀測(cè)和相對(duì)記錄的橋梁[5]。通過基線值可以監(jiān)控包括絕對(duì)和相對(duì)記錄儀器在內(nèi)的整個(gè)地磁觀測(cè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)和檢驗(yàn)資料的內(nèi)在質(zhì)量。相對(duì)記錄的基線值由絕對(duì)觀測(cè)控制，絕對(duì)觀測(cè)是對(duì)地磁場(chǎng)3個(gè)獨(dú)立分量絕對(duì)值進(jìn)行測(cè)量，所測(cè)量數(shù)值代表某一測(cè)點(diǎn)、某一觀測(cè)時(shí)刻的地磁場(chǎng)矢量大小和方向，從而確定地磁臺(tái)站相對(duì)記錄的基線值[6]。根據(jù)地磁臺(tái)站觀測(cè)的規(guī)范要求，每周應(yīng)進(jìn)行2次絕對(duì)觀測(cè)，D和I的觀測(cè)精度應(yīng)達(dá)到0.1分，F(xiàn)的觀測(cè)精度應(yīng)達(dá)到1 nT。

基線值理論上應(yīng)為恒定值，但由于觀測(cè)誤差，儀器本身存在的溫度系數(shù)和零點(diǎn)漂移等原因，基線值會(huì)有一定的變化。昌黎臺(tái)2015年使用Mag-01經(jīng)緯儀進(jìn)行102次近零法觀測(cè)，每次觀測(cè)數(shù)據(jù)為3組，通過所得數(shù)據(jù)計(jì)算FGM01和GM4兩套儀器的基線值。按規(guī)范要求，計(jì)算出月標(biāo)準(zhǔn)偏差，D分量<0.1分，H分量<1 nT，Z分量<1 nT，是衡量儀器狀況的標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 FGM01和GM4日均值、日均差值曲線Fig.2 The daily mean value and the daily mean value difference of FGM01 and GM4

由表3可知，兩套儀器觀測(cè)基線值的月標(biāo)準(zhǔn)偏差均滿足“地磁基本臺(tái)站觀測(cè)資料質(zhì)量評(píng)比”要求，說明兩套儀器工作狀態(tài)穩(wěn)定。FGM01的D分量月標(biāo)準(zhǔn)偏差值全年有10次大于GM4的，H分量6次大于GM4，Z分量7次大于GM4，說明GM4數(shù)據(jù)質(zhì)量優(yōu)于FGM01。

表3 2015年FGM01和GM4觀測(cè)基線月標(biāo)準(zhǔn)偏差Table 3 Observational baseline monthly standarddeviation of FGM01 and GM4 in 2015

3 結(jié)論

通過對(duì)兩套儀器觀測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，得出以下結(jié)論。

(1) 參考背景噪聲數(shù)據(jù)分析表明，F(xiàn)GM01儀優(yōu)于GM4儀。兩套儀器的D分量背景噪聲均與季節(jié)有關(guān)，夏時(shí)段噪聲值較大，冬時(shí)段較小。FGM01儀的D分量全年大部分都小于GM4儀，H、Z分量相差不明顯。

(2) 分鐘值預(yù)處理數(shù)據(jù)分析表明，兩套儀器在磁靜日和磁擾日均有較好的重合性，能反映出地磁日變形態(tài)。

(3) 兩套儀器日均值變化曲線形態(tài)一致性較好，年變化趨勢(shì)一致，日均值差值較小，均符合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。三分量日均值差值較大的時(shí)段均為磁擾日。

(4) 兩套儀器觀測(cè)基線值的月標(biāo)準(zhǔn)偏差值均滿足“地磁基本臺(tái)站觀測(cè)資料質(zhì)量評(píng)比”要求，兩套儀器工作狀態(tài)穩(wěn)定。GM4儀的各分量值全年大部分小于FGM01儀。

綜上所述，昌黎臺(tái)FGM01和GM4兩套儀器均具有較高的穩(wěn)定性，觀測(cè)數(shù)據(jù)連續(xù)可靠。由結(jié)論(1)和(4)來看，排除觀測(cè)環(huán)境和場(chǎng)地等因素的影響，F(xiàn)GM01儀的靈敏度可能稍差于GM4儀。綜合分析，GM4儀的數(shù)據(jù)內(nèi)在質(zhì)量優(yōu)于FGM01儀，但在降低背景噪聲方面仍需進(jìn)一步的研究。

[1] 吳 瓊，滕云田，王喜珍.“十五”地磁相對(duì)記錄儀器干擾分析與安裝方案改進(jìn)[J].地震地磁觀測(cè)與研究，2008，29(4)：53-56.

[2] 中國地震局.地震及前兆數(shù)字觀測(cè)技術(shù)規(guī)范[M].北京：地震出版社，2001.

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[4] 賈 華，高登平，王利兵，等.紅山地震臺(tái)地磁GM4儀與FHD-2B儀觀測(cè)資料對(duì)比分析[J].地震地磁觀測(cè)與研究，2015，36(3)：98-104.

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[6] 中國地震局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)司.地震電磁數(shù)字觀測(cè)技術(shù)[M].北京：地震出版社，2002：81-86.