王喜珍，陸鏡輝，鄧娜，張素琴，馬玉立

1. 中國地震局地球物理研究所，北京 100081

2. 廣東省地震局肇慶地磁臺，廣東肇慶 526114

3. 湖北省地震局，武漢 430071

4. 中國科學院國家空間科學中心，北京 100190

引 言

眾所周知，地球處在磁場環(huán)境中，地磁場將地球包圍起來，形成磁層空間。地磁場由地球內(nèi)部的磁性巖石以及分布在地球內(nèi)部和外部的電流體系產(chǎn)生的各種磁場成分疊加而成，主要劃分為主磁場、地殼磁場、變化磁場和感應(yīng)磁場。主磁場來自地球深處的地核，它穿過地幔和地殼達到地表并擴展到太空，把地球內(nèi)部介質(zhì)的物性組成和運動狀況等信息攜帶出來，為人類認識無法到達的地球深部提供了為數(shù)不多的研究途徑。地殼磁場來自地殼巖石圈，它帶來的是巖石復合體特性信息，這樣使得地磁測量成為強有力的資源勘探手段。變化磁場和感應(yīng)磁場與地球、太陽和月球活動及太陽粒子輻射相關(guān)，反映了空間電流體系的活動與變遷，為地球空間環(huán)境探測和空間天氣預報提供了鑰匙。地磁場是地球的基本物理場，處在地球近地空間內(nèi)任意一點都具有磁場強度，且其強度和方向會隨著不同的經(jīng)度、緯度和高度而變化，并且含有豐富的參數(shù)信息，如地磁總場、地磁三分量、磁傾角、磁偏角和地磁場梯度等，為航空、航天、航海提供了天然的坐標系。因此，地磁觀測數(shù)據(jù)是國家不可或缺的戰(zhàn)略數(shù)據(jù)，地磁場觀測與研究是古老而又充滿活力的重要科學[1-4]。

我國是最早開展地磁觀測的國家，早在公元前3 世紀就出現(xiàn)了司南，1915 年繪制了第一張中國地磁圖，1870 年在北京鷲峰建立了第一個地磁臺，50 年代建成我國基準臺網(wǎng)，1966 年邢臺地震后地磁觀測與研究迅速發(fā)展起來[5]。隨著中國地震數(shù)字化改造、“十五”中國數(shù)字地震觀測網(wǎng)絡(luò)項目、中國地震背景場探測以及中國科學院、教育部等組織實施的基建、科研項目的實施，我國初步形成了觀測規(guī)模大、臺站數(shù)量多、觀測種類齊全的地磁觀測網(wǎng)，僅中國地震局就建成了由46 了基準臺、97個基本臺以及1385 個流動地磁測點組成的國家地磁觀測網(wǎng)。

肇慶地磁臺的前身為廣州地磁臺，是我國最早建設(shè)的8 個地磁臺站之一，稱為“老八臺”，于1953 年開始選址，1954 年開始建設(shè)，1956 年7 月建成并投入使用，1957 年7 月開始地磁觀測。1958年開始出版《地磁觀測報告》，至1995 年共出版《地震觀測報告》21 卷。這些報告是我國彌足珍貴的地磁觀測歷史資料。1995 年因廣州建設(shè)地鐵地磁觀測環(huán)境受到影響，數(shù)據(jù)干擾嚴重，開始重新選址建設(shè)。肇慶地磁臺現(xiàn)址位于肇慶高要市蓮塘鎮(zhèn)，占地面積65 畝，距離廣州約100 km。1996 年開始建設(shè)，2001 年11 月底建成投入使用。2001 年12 月18 日，數(shù)字化的地磁觀測正式開始記錄。2003年6 月9 日被國際地磁觀測臺網(wǎng)（INTERMAGNET）接納為正式成員，成為全球92 個標準數(shù)字化地磁觀測臺站之一。該臺站場址所處大地構(gòu)造部位為NE—SW 向吳川-四會斷裂帶的南東側(cè)，次級構(gòu)造為近東西向的白土—馬鞍凹陷的南緣。在場址的南側(cè)分布著上第三系砂礫巖和大面積的奧陶系石英砂巖。臺基巖性為石炭系石灰?guī)r，其上不整合覆蓋有下侏羅—上三疊統(tǒng)褐紅色、褐黃色砂礫巖，風化層較厚。臺站觀測場地地磁場分布均勻，水平梯度最大值為0.5 nT/m，電磁背景噪聲水平為0.03 nT，為國家I 類地磁基準臺。臺站有一個絕對觀測室、兩個矢量磁力儀室、兩個電器室、一個實驗室、一個比測亭、一座辦公樓、一個配電房等地面建筑物和一個地下室結(jié)構(gòu)的相對記錄室，總建筑面積為981 m2。相對記錄室內(nèi)有6 個記錄墩，按7#～12#的順序排列，輔助墩2 個，主體材料完全為大理石。相對記錄室內(nèi)的年溫差＜4.0℃，日溫差＜0.2℃，相對濕度小于80%。

1 數(shù)據(jù)采集和處理方法

1.1 數(shù)據(jù)采集

本數(shù)據(jù)集采用的觀測儀器為中國地震局地球物理研究所研制的GM4 型磁通門磁力儀[6]。該設(shè)備由磁探頭、模擬盒和數(shù)據(jù)采集器組成。GM4 磁通門磁力儀（圖1）是我國“十五”科技攻關(guān)成果，在成功實現(xiàn)地磁場H、Z、D 三分量變化測量的一體化和數(shù)字化的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)傳感器的小型化、拓寬觀測頻帶、擴展數(shù)據(jù)存儲容量、降低設(shè)備功耗、自然地磁場的自動補償，并實現(xiàn)基于TCP/IP 通信協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)通信。該設(shè)備數(shù)據(jù)采集的基本采樣率為每秒10 次，通過數(shù)字濾波抽樣產(chǎn)出每秒采樣的數(shù)據(jù)。觀測數(shù)據(jù)存儲于1GB 的CF 存儲卡內(nèi)。設(shè)備數(shù)據(jù)通信實現(xiàn)基于TCP/IP 協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)功能，包括遠程監(jiān)控和數(shù)據(jù)匯集、遠程WEB 網(wǎng)頁方式等服務(wù)。

圖1 肇慶地磁臺GM4 型磁通門磁力儀

1.2 數(shù)據(jù)處理

本數(shù)據(jù)集為地磁原始觀測數(shù)據(jù)，為相對記錄值，未對可能存在的環(huán)境干擾，如地鐵、鐵路、高壓直流輸電、車輛等進行預處理，僅對觀測數(shù)據(jù)本身進行校驗處理。

地震局節(jié)點站數(shù)據(jù)處理軟件對不符合子午工程數(shù)據(jù)格式規(guī)范的數(shù)據(jù)進行更正。主要對數(shù)據(jù)時間、缺記等進行自動校驗，缺記數(shù)據(jù)用缺省值自動填補，確保觀測數(shù)據(jù)符合子午工程數(shù)據(jù)格式規(guī)范要求。

1.2.1 異常數(shù)據(jù)處理

隨著我國大規(guī)模的經(jīng)濟建設(shè)，特別是城市地鐵、高壓直流輸電等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，一些地磁觀測臺站受到一定程度的干擾，導致觀測信號上疊加非天然地磁場信號[7]，干擾數(shù)據(jù)波形如圖2。數(shù)據(jù)處理就是將這些疊加信號予以去除，即對原始數(shù)據(jù)（或轉(zhuǎn)換分數(shù)據(jù)）中尖峰信號、標定信號、人為干擾信號和錯誤數(shù)據(jù)的處理。

圖2 已識別的常規(guī)干擾形態(tài)

中國地震局根據(jù)不同干擾源產(chǎn)生的干擾特征開發(fā)了干擾形態(tài)識別和處理技術(shù)，這些技術(shù)已集成在中國地震前兆臺網(wǎng)管理軟件中，目前主要包括軌道交通、高壓直流輸電、地電阻率、建筑工地等。

1.2.2 基線值校正

本數(shù)據(jù)集的原始觀測數(shù)據(jù)為磁場水平強度H、磁偏角D、磁場垂直強度Z 的相對變化，并不反應(yīng)地磁場的實際值。為了將相對記錄系統(tǒng)觀測的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成真實的地磁場數(shù)據(jù)，需通過基線值校正。

基線值的獲取一般是通過臺站安裝的磁通門經(jīng)緯儀（也稱DI 儀）獲取。地磁場絕對值每周觀測兩次，觀測D、I、F，根據(jù)測量值計算出H 和Z，再結(jié)合相對記錄數(shù)據(jù)算出觀測基線值，并利用“平滑曲線法”確定各分量的采用基線值[8]。當出現(xiàn)基線值跳動的情況時，采用分段平滑。由于溫度對相對記錄數(shù)據(jù)的影響已包含在基線值內(nèi)，故在處理最終數(shù)據(jù)時對記錄數(shù)據(jù)和基線值均不做溫度改正。

1.3 數(shù)據(jù)傳輸

臺站觀測數(shù)據(jù)通過子午工程臺站管理軟件匯集到臺站數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)（圖3），并在本地存儲。臺站工作人員對數(shù)據(jù)進行預處理后通過臺站管理軟件數(shù)據(jù)上傳模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至地震局節(jié)點站。地震局節(jié)點站進行數(shù)據(jù)分析與質(zhì)量評估后，通過子午工程數(shù)據(jù)中心統(tǒng)一配置的HJclient 客戶端數(shù)傳軟件將數(shù)據(jù)上傳至子午工程數(shù)據(jù)中心。

圖3 數(shù)據(jù)傳輸軟件界面

1.4 數(shù)據(jù)發(fā)布

地磁原始觀測數(shù)據(jù)分別在肇慶地磁臺、廣東省地震局、國家地磁臺網(wǎng)中心（www.geomag.org.cn）、中國地震局地球物理研究所地震局節(jié)點站以及子午工程數(shù)據(jù)中心存儲，根據(jù)各自職責開展數(shù)據(jù)共享與發(fā)布。肇慶地磁臺、廣東省地震局、國家地磁臺網(wǎng)中心根據(jù)中國地震局的有關(guān)規(guī)定進行數(shù)據(jù)發(fā)布。地震局節(jié)點站以及子午工程數(shù)據(jù)中心（data.meridianproject.ac.cn）按照子午工程有關(guān)協(xié)議規(guī)定發(fā)布數(shù)據(jù)。子午工程數(shù)據(jù)中心為對外發(fā)布的主要渠道，包括原始數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)波形以及其他中間產(chǎn)品，用戶可通過子午工程數(shù)據(jù)中心認證后下載本數(shù)據(jù)集。

2 數(shù)據(jù)樣本描述

2.1 文件名

本數(shù)據(jù)集地磁原始數(shù)據(jù)文件命名根據(jù)子午工程數(shù)據(jù)文件交換接口的命名規(guī)則確定，格式為“ZQT_FGM01_DMD_L01_01D__yyyymmddhhmmss.dat”。其中ZQT 為肇慶地磁臺在子午工程中的臺站代碼，而在國際地磁數(shù)據(jù)交換中的代碼為“GZH”。FGM 為儀器磁通門磁力儀代碼，01D 表示原始數(shù)據(jù)，每天一個文件。yyyymmddhhmmss 為文件起始記錄時間。

2.2 數(shù)據(jù)格式

本數(shù)據(jù)集地磁原始數(shù)據(jù)格式（表1）采用中國地震局行業(yè)標準磁通門磁力儀地磁數(shù)據(jù)格式，其格式說明如下：

數(shù)據(jù)文件由文件頭和數(shù)據(jù)項組成，文件頭包括觀測時間、臺站代碼、設(shè)備號、采樣率和通道數(shù)組成，每一項均采用“ ”（一位空格）為分隔符。數(shù)據(jù)項由磁場水平強度H、磁偏角D、磁場垂直強度Z 的變化和溫度T 組成，數(shù)據(jù)項均采用“ ”（一位空格）為分隔符，數(shù)據(jù)按H、D、Z 和T 連續(xù)排列，共有86400 組數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)項數(shù)據(jù)采樣的時間精度為1 秒。一個完整記錄項的格式碼為I4,I2,I2,X,I5,X,A12,X,I2,X,I2,X,86400(X ,I4，X ,I4，X ,I4，X ,I4)，其中數(shù)字為數(shù)據(jù)占有位數(shù)。

表1 地磁原始觀測數(shù)據(jù)格式

序號 數(shù)據(jù)項中文名稱 數(shù)據(jù)項英文名稱 記錄格式 物理單位（中英文） 無效缺省值 數(shù)值范圍17 D 分量測項代碼D-ComponentCode I4 納特（nT） 9999 -65000～65000 18 空格 Space I1 19 T 測量值 T value I7 攝氏度（℃） 9999 -100～100... ... . ... ... ...

本數(shù)據(jù)集地磁原始數(shù)據(jù)格式樣例如圖4 所示，地磁觀測原始數(shù)據(jù)集數(shù)據(jù)波形如圖5。

圖4 地磁觀測原始數(shù)據(jù)集數(shù)據(jù)格式樣例

圖5 地磁觀測原始數(shù)據(jù)集數(shù)據(jù)波形圖

2.3 國際數(shù)據(jù)交換格式

肇慶地磁臺開展國際地磁數(shù)據(jù)資料交換的數(shù)據(jù)格式為IAGA2002 格式，該數(shù)據(jù)格式是國際通用的地磁數(shù)據(jù)交換格式。臺站按照IAGA 有關(guān)規(guī)定向國際地磁臺網(wǎng)中心（intermagnet）提交交換數(shù)據(jù)。本數(shù)據(jù)集數(shù)據(jù)格式與IAGA2002 格式間可通過子午工程地震局節(jié)點站的格式轉(zhuǎn)換軟件進行轉(zhuǎn)換。

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和評估

3.1 日常觀測質(zhì)量控制

為了規(guī)范地磁臺站日常運行與維護管理，中國地震局編制了《地震前兆臺網(wǎng)運行管理辦法（試行）》、《電磁臺網(wǎng)運行管理細則》，以提高臺站儀器運行效率和觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量。

在日常運行中，臺站運行與維護人員按照上述規(guī)范性文件進行觀測、日志編制、數(shù)據(jù)處理以及其他校驗校正工作。在波形異常時，要開展原因排查工作，確定干擾源，采取有效防范措施，以保障觀測數(shù)據(jù)的客觀性。同時在運行維護中，加強巡查，及時發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，提高觀測數(shù)據(jù)的連續(xù)性。

除日常觀測質(zhì)量控制外，地磁相對觀測數(shù)據(jù)的長期穩(wěn)定性、一致性也非常重要。造成長期穩(wěn)定性、一致性較差的原因主要有溫漂、墩差等。溫漂一方面是由于儀器原因，一方面由于觀測室環(huán)境溫度。相對觀測室環(huán)境溫度年溫差應(yīng)控制在標準范圍之內(nèi)。因觀測室保溫效果欠佳或年久失修，使觀測室年溫差高于地磁觀測規(guī)范標準。當這種情況發(fā)生時需要及時修繕觀測室。當儀器的實際溫漂大于儀器溫漂指標時，需要及時對儀器進行維修。墩差主要因觀測墩地基形變從而使觀測值發(fā)生變化。為了保持數(shù)據(jù)的一致性，儀器觀測墩需要定期或不定期進行墩差測量，并根據(jù)墩差測量值對觀測數(shù)據(jù)進行改正。

3.2 觀測質(zhì)量評估

中國地震局系統(tǒng)內(nèi)地磁觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量評價由國家地磁臺網(wǎng)中心按照《數(shù)字地磁臺網(wǎng)觀測資料質(zhì)量評比辦法（2015 修訂版》有關(guān)規(guī)定進行。評比分為月評比和年評比兩個層次。月評比和年評比均采用百分制。所有在線運行的儀器均需參加月評比。實際運行天數(shù)少于9 個月者不參加年評比。在評比過程中對各儀器存在的問題均有明確的反饋和處理建議。

肇慶地磁臺儀器場址條件好，設(shè)備運行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)連續(xù)性高，數(shù)據(jù)質(zhì)量好，多次在中國地震局地磁數(shù)據(jù)質(zhì)量評比中評為“優(yōu)秀”或“一等獎”。

4 數(shù)據(jù)使用方法和建議

本數(shù)據(jù)集為地磁原始觀測數(shù)據(jù)，為相對記錄值，可以用來開展地磁場、地震預測預報、磁暴、空間環(huán)境和地球各圈層耦合等方面的研究。

本數(shù)據(jù)集未做預處理，可能存在環(huán)境干擾，如地鐵、鐵路、高壓直流輸電、車輛等，在使用時應(yīng)對可能的干擾形態(tài)特征有所了解。本數(shù)據(jù)集也未作基線值校正，用戶若需基線值校正的數(shù)據(jù)可與作者聯(lián)系后約束使用。

致 謝

感謝國家地磁臺網(wǎng)中心對數(shù)據(jù)質(zhì)量控制的指導，感謝子午工程運維團隊在數(shù)據(jù)采集、處理中所做的工作，感謝子午工程辦公室對本系統(tǒng)運維的協(xié)調(diào)與支持。本數(shù)據(jù)論文的完成得到了國家科技基礎(chǔ)條件平臺-國家空間科學數(shù)據(jù)中心（http://www.nssdc.ac.cn）的大力支持和幫助。

數(shù)據(jù)作者分工職責

王喜珍（1972—），男，山西嵐縣人，博士，副研，研究方向為地球物理數(shù)據(jù)處理。主要承擔工作：總體負責，主要包括數(shù)據(jù)采集、質(zhì)量控制、數(shù)據(jù)管理、傳輸與共享等。

陸鏡輝（1970—），男，廣東省廣州人，中專，工程師，研究方向為地球物理觀測和數(shù)據(jù)分析與整理。主要承擔工作：儀器維護、地磁數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)傳輸及數(shù)據(jù)處理。

鄧娜（1973—），女，湖北武漢人，學士，高工，研究方向為地磁觀測與研究。主要承擔工作：地磁數(shù)據(jù)處理。

張素琴（1978—），女，河北省張家口市人，碩士，高工，研究方向為震磁關(guān)系與地磁日變化。主要承擔工作：地磁數(shù)據(jù)質(zhì)量控制與評價。

馬玉立（1978—），女，北京人，碩士，高工，研究方向為工程管理。主要承擔工作：數(shù)據(jù)管理與數(shù)據(jù)發(fā)布。