王秀敏，龔永儉，暢國平，王志敏，李細(xì)順，王利兵

(1.紅山基準(zhǔn)地震臺(tái)，河北 邢臺(tái)　055350； 2.天津市地震局，天津　300201；

3.赤城地震臺(tái)，河北 赤城　075000)

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紅山臺(tái)地磁日變化記錄準(zhǔn)確度標(biāo)定分析

王秀敏1，龔永儉2，暢國平1，王志敏3，李細(xì)順1，王利兵1

(1.紅山基準(zhǔn)地震臺(tái)，河北 邢臺(tái)055350； 2.天津市地震局，天津300201；

3.赤城地震臺(tái)，河北 赤城075000)

摘要：為了正確評(píng)價(jià)相對(duì)記錄儀器記錄到的地磁日變化的準(zhǔn)確度，分析了紅山臺(tái)2套GM4磁通門磁力儀2009—2012年4年來的地磁日變化記錄準(zhǔn)確度標(biāo)定基線值的精度和穩(wěn)定性，同時(shí)對(duì)地磁日變化記錄準(zhǔn)確度標(biāo)定基線值與地磁日變化的相關(guān)性進(jìn)行了研究，得出以下結(jié)論：在標(biāo)定時(shí)段2套GM4磁通門磁力儀D、H、Z 3個(gè)分量基線值的變化幅度和測量誤差都很??；1號(hào)GM4磁通門磁力儀比2號(hào)運(yùn)行更加穩(wěn)定，且日變化記錄準(zhǔn)確度標(biāo)定基線值和地磁日變化之間相關(guān)性并不顯著，這與2套儀器的自身老化和所處的觀測環(huán)境等因素有關(guān)；紅山臺(tái)在上午10：30—12：30和下午15：30之后的時(shí)間段地磁日變化記錄準(zhǔn)確度標(biāo)定基線值穩(wěn)定，適宜進(jìn)行地磁絕對(duì)觀測。

關(guān)鍵詞：地磁相對(duì)記錄；日變化；準(zhǔn)確度標(biāo)定；基線值

0引言

由于受觀測儀器探頭軸向正交度、格值線性度、溫度系數(shù)、安裝定向準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性以及觀測環(huán)境溫度變化等因素影響，地磁的日變化與地磁場的真實(shí)變化存在一定誤差，并且每個(gè)臺(tái)站和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(tái)站絕對(duì)觀測的合適時(shí)間段及數(shù)據(jù)的研究應(yīng)用[1]。

地磁日變化記錄準(zhǔn)確度標(biāo)定是在選定日進(jìn)行加密絕對(duì)觀測，通過計(jì)算基線值來定量估計(jì)地磁日變化記錄的準(zhǔn)確度。地磁絕對(duì)觀測是手工觀測，頻繁加密絕對(duì)觀測是不可行的，因此這種標(biāo)定方法實(shí)際上是抽樣標(biāo)定，在不同的磁場擾動(dòng)情況下可能會(huì)有不同的標(biāo)定結(jié)果。按照地磁學(xué)科管理組的建議，紅山臺(tái)將地磁日變化記錄準(zhǔn)確度標(biāo)定選擇在每年的5—8月地磁日變化幅度顯著的某日進(jìn)行。在選定日，地方時(shí)08:30—16:30間，每隔1小時(shí)進(jìn)行1次絕對(duì)觀測(共9次)，每次觀測取得2組有效觀測數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上計(jì)算地磁相對(duì)記錄D、H和Z的基線值Dв、Hв、Zв。

為了正確評(píng)價(jià)紅山臺(tái)2套GM4磁通門磁力儀記錄到的地磁日變化的準(zhǔn)確程度，以及找到適合紅山臺(tái)地磁絕對(duì)觀測的時(shí)間段，對(duì)紅山臺(tái)地磁日變化記錄準(zhǔn)確度標(biāo)定基線值的精度和穩(wěn)定性進(jìn)行了分析；同時(shí)，結(jié)合兩套GM4磁通門磁力儀地磁相對(duì)記錄數(shù)據(jù)，對(duì)紅山臺(tái)地磁日變化記錄標(biāo)定基線值與地磁日變化的相關(guān)性進(jìn)行了研究。

1紅山臺(tái)概況

紅山基準(zhǔn)地震臺(tái)隸屬于河北省地震局。該臺(tái)始建于1966年邢臺(tái)地震后，由著名地質(zhì)學(xué)家李四光選址,中國科學(xué)院建立，屬國家基準(zhǔn)臺(tái)，是全國最早建立的地震臺(tái)站之一。臺(tái)站地理位置東經(jīng)114.7°，北緯37.4°，海拔高度為37.0 m,地處太行山山前斷裂帶，臺(tái)站石基為紅色石英砂巖。臺(tái)站主要任務(wù)是監(jiān)視邢臺(tái)震區(qū)的地震活動(dòng)情況，研究震情發(fā)展趨勢，探索地震預(yù)報(bào)方法和途徑。地磁監(jiān)測始于建臺(tái)初期，截止目前，已經(jīng)積累了大量的觀測資料。觀測資料連續(xù)、可靠、內(nèi)在質(zhì)量較高，多次在全國和省局資料評(píng)比中名列前茅，具有很高的研究價(jià)值，并且國內(nèi)外地震專家曾多次來紅山臺(tái)訪問、學(xué)習(xí)和交流。目前，紅山臺(tái)地磁絕對(duì)觀測儀器有Mingeo-DIM和CTM-DI磁通門經(jīng)緯儀、G856質(zhì)子旋進(jìn)式磁力儀，地磁相對(duì)記錄儀器有GM4磁通門磁力儀、質(zhì)子矢量磁力儀FHD-2B，大地電磁測深儀ELF和MT儀器。

2資料選取及評(píng)價(jià)指標(biāo)

2.1資料選取

在研究中，選取了紅山臺(tái)2009—2012年地磁日變化記錄準(zhǔn)確度標(biāo)定基線值和對(duì)應(yīng)時(shí)段內(nèi)地磁日變化時(shí)均值數(shù)據(jù)。其中，絕對(duì)觀測數(shù)據(jù)產(chǎn)出的儀器是匈牙利生產(chǎn)的Mingeo-DIM磁通門經(jīng)緯儀和國產(chǎn)的G856-1型質(zhì)子旋進(jìn)式磁力儀，相對(duì)記錄儀器則是國產(chǎn)的2套GM4磁通門磁力儀。

表1　紅山臺(tái)地磁絕對(duì)觀測與相對(duì)記錄儀器

2.2評(píng)價(jià)指標(biāo)

地磁絕對(duì)觀測的觀測對(duì)象是地磁場總強(qiáng)度F、磁偏角D、磁傾角I、水平強(qiáng)度H和垂直強(qiáng)度Z，地磁相對(duì)記錄是記錄地磁場H、Z和D相對(duì)基線值的變化量[2]?；€值是溝通相對(duì)記錄與絕對(duì)觀測的橋梁，是相對(duì)記錄儀器和絕對(duì)觀測儀器工作狀態(tài)的綜合反映，若相對(duì)記錄儀器工作狀態(tài)不穩(wěn)定，絕對(duì)觀測誤差等問題都會(huì)在基線值上反映出來[3]。從理論上講，用同一臺(tái)絕對(duì)觀測儀去監(jiān)控相對(duì)記錄儀，其基線值應(yīng)在任何時(shí)間段內(nèi)都接近于一常數(shù)[4]。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)偏差是一種量度數(shù)據(jù)分布的分散程度之標(biāo)準(zhǔn)，用以衡量數(shù)據(jù)值偏離算術(shù)平均值的程度。標(biāo)準(zhǔn)偏差越小，這些值偏離平均值就越小，反之亦然。標(biāo)準(zhǔn)偏差的大小可通過標(biāo)準(zhǔn)偏差與平均值倍率關(guān)系來衡量。標(biāo)準(zhǔn)偏差是個(gè)綜合參數(shù)，既反映儀器工作狀態(tài)好壞，也反映觀測誤差大小[5]。

基線值變化幅度指的是一天當(dāng)中觀測基線值最大和最小之差，從基線值變化幅度上能夠更直觀地看出相對(duì)記錄儀器和絕對(duì)觀測儀器存在的問題和儀器穩(wěn)定情況。

3資料處理和分析

3.1資料處理

資料處理步驟如下：

1)對(duì)2009—2012年4個(gè)年度紅山臺(tái)地磁日變化記錄準(zhǔn)確度標(biāo)定所取得的每小時(shí)2組D、H和Z的基線值Dв、Hв、Zв進(jìn)行平均，求得該時(shí)段的基線值平均值并加以繪圖；

2)對(duì)標(biāo)定時(shí)段基線值的標(biāo)準(zhǔn)偏差和變化幅度進(jìn)行列表統(tǒng)計(jì)；

3)對(duì)2009—2012年4個(gè)年度的地磁日變化記錄準(zhǔn)確度標(biāo)定基線值數(shù)據(jù)及相應(yīng)時(shí)段平均值數(shù)據(jù)繪圖。

3.2資料分析

首先，給出2009—2012年各年度標(biāo)定日期及標(biāo)定時(shí)段K指數(shù)(表2)，對(duì)標(biāo)定日的磁場擾動(dòng)狀況予以定量描述。從表2可以看出：在2009—2012年間，各年度地磁日變化記錄準(zhǔn)確度標(biāo)定日的地磁場擾動(dòng)均較弱，適宜進(jìn)行地磁日變化記錄準(zhǔn)確度標(biāo)定[6]。

表2　各年度標(biāo)定日期及標(biāo)定時(shí)段K指數(shù)

對(duì)2009—2012年紅山臺(tái)地磁日變化記錄標(biāo)定基線值Dв、Hв、Zв三分量繪圖(圖1～3，圖中的“-1”代表紅山臺(tái)編號(hào)為1號(hào)的GM4磁通門磁力儀，“-2”代表紅山臺(tái)編號(hào)為2號(hào)的GM4磁通門磁力儀)。

從圖1可以看出：紅山臺(tái)2套GM4磁通門磁力儀Dв基線值在北京時(shí)14：30左右偏離均值較大，其它時(shí)間段的基線值則相對(duì)穩(wěn)定。

圖1　磁偏角基線值對(duì)比曲線

圖2　水平分量基線值對(duì)比曲線

圖3　垂直分量基線值對(duì)比曲線

從圖2、圖3可以看出：紅山臺(tái)2套GM4磁通門磁力儀在2009年度、2010年度、2012年度的Hв、Zв基線值沒有較大起伏，全天標(biāo)定時(shí)間段基線值較穩(wěn)定；2011年度基線值在12:30—14:30間有小幅波動(dòng)，經(jīng)查，是在絕對(duì)觀測過程中供電蓄電池電量不足，更換了新的蓄電池，導(dǎo)致絕對(duì)觀測結(jié)果前后有偏差。這也說明，絕對(duì)觀測的誤差對(duì)地磁日變化記錄基線值的結(jié)果是有影響的。

從總體來看，紅山臺(tái)3個(gè)分量基線值Dв、Hв、Zв均比較穩(wěn)定，個(gè)別點(diǎn)有小的起伏，可能與該時(shí)段地磁場的擾動(dòng)有關(guān)。

對(duì)紅山臺(tái)2009—2012年地磁日變化記錄準(zhǔn)確度標(biāo)定時(shí)段基線值的標(biāo)準(zhǔn)偏差和變化幅度(D的單位是分“′”，H和Z的單位是納特“nT”)做了列表統(tǒng)計(jì)分析(表3)。

表3　標(biāo)定時(shí)段基線值的標(biāo)準(zhǔn)偏差和變化幅度

從表3可知：各年度D、H、Z3個(gè)分量的基線值Dв、Hв、Zв的觀測誤差均比較小，分別為δD≤0.04′，δH≤0.7 nT,δZ≤0.5 nT, 表明各分量的基線值相當(dāng)穩(wěn)定；Dв變化幅度≤0.12′，Hв變化幅度≤1.8 nT，Zв變化幅度≤1.2 nT，基線值沒有突跳的現(xiàn)象。這說明紅山臺(tái)2套GM4磁通門磁力儀的工作狀態(tài)正常穩(wěn)定，能夠真實(shí)記錄到地磁場的日變化，絕對(duì)觀測儀器本身和操作也不存在問題，同時(shí)也反映出臺(tái)站工作人員的觀測技術(shù)穩(wěn)定，觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量較高。

從表3中還可以看出，紅山臺(tái)2號(hào)GM4磁通門磁力儀基線值標(biāo)準(zhǔn)偏差、變化幅度都比1號(hào)GM4磁通門磁力儀略高些，表明1號(hào)GM4磁通門磁力儀相對(duì)更穩(wěn)定，更能記錄到地磁場真實(shí)的日變化。這種差異性的產(chǎn)出可能與2號(hào)磁通門磁力儀自身老化和所處的觀測環(huán)境、觀測墩等因素的不同有關(guān)[7]。

地磁日變化記錄準(zhǔn)確度標(biāo)定的另一個(gè)目的是確定絕對(duì)觀測的合適時(shí)段，以提高絕對(duì)觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量。以1號(hào)GM4磁通門磁力儀為例，對(duì)2009—2012年地磁日變化記錄準(zhǔn)確度標(biāo)定基線值及相應(yīng)時(shí)段時(shí)均值數(shù)據(jù)繪圖(圖4)，做對(duì)比分析。

圖4　GM4-1日變化標(biāo)定基線值曲線與標(biāo)定時(shí)段時(shí)均值變化曲線

從圖4可以看出：在2009—2012年4個(gè)年度，紅山臺(tái)1號(hào)GM4磁通門磁力儀日變化記錄準(zhǔn)確度標(biāo)定基線值與地磁日變化在2009年Hв值、2011年Zв值和2012年Zв值變化趨勢上稍有同步性；在其他年份和分量上，日變化記錄準(zhǔn)確度標(biāo)定基線值和日變形態(tài)無明顯同步性和規(guī)律變化，總體來看相關(guān)性并不顯著。另外，從這4年的地磁日變化記錄準(zhǔn)確度標(biāo)定基線值數(shù)據(jù)曲線與標(biāo)定時(shí)段GM4時(shí)均值變化曲線可以看出：在上午10:30—12:30間和下午3:30之后的地磁場相對(duì)變化平穩(wěn)，觀測的日變化記錄準(zhǔn)確度標(biāo)定基線值在這2個(gè)時(shí)間段內(nèi)比較穩(wěn)定平緩，誤差較小。為了基線值不跳動(dòng)，提高絕對(duì)觀測精度，地磁絕對(duì)觀測要在地磁場平靜時(shí)段進(jìn)行，因此，該時(shí)段比較適宜進(jìn)行地磁絕對(duì)觀測。

4結(jié)論

1)紅山臺(tái)2套GM4磁通門磁力儀的D、H、Z三分量地磁日變化基線值穩(wěn)定，波動(dòng)不顯著，誤差均較小。從而得出2套GM4磁通門磁力儀工作狀態(tài)均較穩(wěn)定，絕對(duì)觀測人員觀測技術(shù)穩(wěn)定、熟練。

2)相比較而言，紅山臺(tái)2號(hào)GM4磁通門磁力儀的日變化記錄準(zhǔn)確度標(biāo)定基線值標(biāo)準(zhǔn)偏差和變化幅度都比1號(hào)GM4磁通門磁力儀的大些，表明1號(hào)GM4磁通門磁力儀比2號(hào)GM4磁通門磁力儀的運(yùn)行更加穩(wěn)定。這種差異性的產(chǎn)生可能與2號(hào)GM4磁通門磁力儀自身老化和所處的觀測環(huán)境、觀測墩等因素的不同有關(guān)。

3)紅山臺(tái)1號(hào)GM4磁通門磁力儀日變化記錄準(zhǔn)確度標(biāo)定基線值和地磁日變化之間相關(guān)性并不顯著，基線值觀測質(zhì)量較高。

4)紅山臺(tái)在上午10:30—12:30間和下午15:30之后的時(shí)間段地磁日變化記錄準(zhǔn)確度標(biāo)定基線值穩(wěn)定，適宜進(jìn)行地磁絕對(duì)觀測。

5)在絕對(duì)觀測和地磁日變化記錄準(zhǔn)確度標(biāo)定過程中，不能隨意更換供電蓄電池，否則會(huì)因絕對(duì)觀測數(shù)據(jù)的誤差問題而導(dǎo)致基線值不穩(wěn)定。

6)地磁日變化記錄準(zhǔn)確度標(biāo)定易受到觀測技術(shù)和磁場變化的影響，建議絕對(duì)觀測選擇地磁場較為平靜時(shí)段進(jìn)行。參考文獻(xiàn)：

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Analysis of the Magnetic Daily Variation CalibrationAccuracy in Hongshan Seismic Station

WANG Xiu-min1, GONG Yong-jian2, CHANG Guo-ping1, WANG Zhi-min3,

LI Xi-shun1, WANG Li-bing1

(1.Hongshan Standard Seismic Station, Xingtai 055350, China;2. Earthquake Administration of Tianjin Municipality, Tianjin 300201, China;3. Chicheng Seismic Station, Zhangjiakou 075000, China)

Abstract:In order to evaluate the accuracy of daily variation records of geomagnetic field by relative record instruments correctly,we analyze the baseline value accuracy and stability of 2 sets GM4 type fluxgate magnetometer in Hongshan standard seismic station using geomagnetic records from 2009 to 2012, meanwhile study the correlation between the baseline value changes and geomagnetic daily records.Then we get the following conclusions: during the calibration, the D, H, Z three component of two sets GM4 type fluxgate magnetometer baseline value change and measurement error are both very small; the No.1 GM4 type fluxgate magnetometerruns more stable than the No.2 GM4 type fluxgate magnetometer, and its diurnal variation record accuracy calibration baseline relationship is not significant relationship between the value and the daily variation of geomagnetic field, which maybe related to the aging of the two sets instruments and the observation environment factors; during 10:30 to 12:30 and after 15:30, the daily variation of geomagnetic field recording accuracy calibration baseline value is morestability, so it is suitable for the geomagnetic absolute observation in this time period.

Key words:geomagnetic relative record; daily variation; calibration; baseline value

doi:10.3969/j.issn.1003-1375.2016.01.013

中圖分類號(hào):P318.6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1003-1375(2016)01-0076-05

作者簡介：王秀敏(1973—)，女(漢族)，河北陽原人，工程師，主要從事地磁觀測與研究.E-mail: 303536107@qq.com

收稿日期:2015-04-13

王秀敏，龔永儉，暢國平，等．紅山臺(tái)地磁日變化記錄準(zhǔn)確度標(biāo)定分析[J]．華北地震科學(xué)，2016，34(1):76-80.