磁通门在普通山洞观测数据分析

陈传华 刘作华 朱 飞 贾立国邢伟伟 林秀娜 王少波

1）中国山东 271000 泰安基准地震台

2）中国山东 272400 嘉祥地震监测中心台

0 引言

随着社会经济的快速发展，地磁观测环境受到的威胁日益严重（吴乔木，2007；李军辉等，2008；蒋璀等，2011；罗俊秋，2011），中国已经有不少地磁台迁址。地磁房相对记录室对保温和无磁建筑要求较高（吴海军等，2009；吴玉田等，2009；江蕾等，2012），磁房建设费用高、难度大、周期长。利用现有地震台的山洞进行地磁短期观测，简单方便且运行环境容易得到保障，可以作为地磁观测的一种有力补充，为地震监测预报、短临跟踪和基础研究等积累基础数据。

泰安地震台（以下简称泰安台）具有优良的地震观测专用山洞，洞内温度和周围环境稳定，笔者利用普通山洞对地磁相对观测开展可行性研究，对比试验过程及数据分析。

1 对比试验

1.1 仪器性能测试

试验仪器采用中国地震局地球物理研究所生产的GM4磁通门磁力仪，相关技术性能为：采样率1次/s；分辨力0.1 nT；噪声水平小于0.1 nT RMS；温度系数小于1 nT/℃。

在山洞观测试验前，在磁房检验测试仪器性能。2011年11月1日—12月31日将编号为GM4(3)的试验用磁通门磁力仪安放在泰安台地磁相对记录室内，进行为期2个月的对比观测。从仪器背景噪声、日变形态、干扰时段等方面进行对比，各分量均优于现磁房内编号为GM4(2)的观测仪器。尤其是Z分量背景噪声，GM4(3)仪测值小于GM4(2)仪0.01—0.03 nT，说明其在噪声控制方面较好（图1）。

图1 背景噪声差值对比曲线[GM4(3)－GM(2)]Fig.1 The background noise difference curve comparison [GM4(3)－GM(2)]

1.2 计算方法

采用世界时16时开始计算背景噪声数据，计算分为10段，每段时间长度为1 000 s，1—10 s的最大、最小值差作为第1个差值数S1，第2 s至11 s最大、最小数的差值做第2个差值数S2，依次类推，即S1，S2，…，Sn-1，Sn，做出990个差值数，将差值数值的均方差S作为背景噪声。背景噪声可表示为

式中，n为时间长度，每段时间长度-10，n=990，计算时要求该时段内不能有缺数。

1.3 试验准备

在山洞的空洞室，使用G856测总场F，选择磁场梯度在5 nT以内相对稳定的位置，确定原模拟摆房，并进行相关改造，使墩面高度1 m范围内梯度约2 nT/m。具体改造为：①2011年7月，对选定洞室进行清理，拆掉可见磁性物（包括电源线）；②2011年9月26日安装大理石观测墩（墩面30 cm×30 cm，高80 cm），用水泥固定；③2011年12月31日安装测试GM4磁通门，GPS天线安装在山洞口（图2）；④对GM4仪自带GPS天线另加无源天线放大器，长度为70 m时授时信号正常。

图2 试验仪器摆放Fig.2 Test instrument location maps

1.4 试验观测数据问题排查

山洞内试验观测从2012年1月1日开始，将GM4(3)和Gm4(2)接入试验服务器管理系统，每天定时采集数据进行预处理。在查看GM4(3)秒数据时发现，H、Z分量存在整点脉冲（图3），H分量较明显。当日脉冲均出现在整时1 s，具有规律性，为此对山洞内可能干扰因素进行分析、排查。因磁通门对时间要求精度高，GPS校时每小时1次。在1月19日—24日，对GPS放大器进行断开试验，断开后整点脉冲消失，经反复试验，确定为无源GPS放大器引入干扰信号。采用GPS信号转发器，将GPS信号引入山洞，解决了GPS信号线过长无法接收信号的问题。

图3 GM4(3)仪H分量秒数据整点脉冲Fig.3 GM4 (3) H components data the whole point of pulse

2 试验数据分析

在2012年5月18日重新调整磁通门水平，为保证试验数据的真实可靠，舍弃1—5月数据，选取2012年6月—12月的观测数据，在预处理数据时只去除整点脉冲，保留数据的原始性。

2.1 相关系数

表1 相关系数Table 1 correlation coeff i cient

采用国家地磁台网中心的《地磁台阵虚拟数据管理中心》系统进行分析，选取2012年6—11月的预处理秒数据，按照国际磁静扰日，对数据按静日和扰日分别进行相关系数计算（表1）。从表1可见，各分量相关性较高，系数均达99.9%以上，说明数据变化形态一致。

2.2 日变幅分析

地磁日变幅是指1天内地磁要素变化极大值与极小值的差，能直接反映地磁场活动的强弱，对于了解地磁场变化特征、解释“地磁低点位移”现象等，均具有一定的物理意义（李军辉等，2012）。采用分钟值数据计算日变幅，差值由GM4(2)－GM4(3)得到（图4）。

图4 2012年6—11月GM4(2)－GM4(3)三分量日变幅差值曲线(a)D分量；(b)H分量；(c)Z分量；(d)K指数和Fig.4 GM4 (2) -GM4 (3) three diurnal amplitude difference curve from June to November，2012

从图4可见，磁房内GM4(2)各分量日变幅值比山洞内仪器大，D分量大0.2 nT左右；H分量幅度在磁暴期间变化较大，主相时山洞仪器大5.3 nT；Z分量大1 nT左右。同时计算K指数总和与3个分量的相关系数（D为0.357、H为0.595、Z为0.02）。由图4(d)可见，D分量和H分量受影响明显，Z分量几乎不受影响。磁场扰动对两仪器的影响存在一定差异。

表2为3个分量静扰日、通日的日变幅变化统计数据[GM4(2)－GM4(3)]。两仪器日变幅差D分量约0.2 nT，Z分量约0.5 nT；H分量在静日和通日约0.8 nT，但扰日变化明显，最大5.3 nT，最小0.5 nT，说明在磁场变化剧烈时，山洞内仪器屏蔽影响明显。

表2 三分量日变幅统计Table 2 Three daily variation amplitude statistics

应用地磁方法进行地震分析预报，经常用到地磁垂直分量日变幅逐日比与地震关系的分析（冯志生等，2001；张翼等，2007；张建国等，2008；赵卫红等，2012）。图5为磁房和山洞内两仪器的逐日比值，两者基本相等。可见，山洞记录数据可以用于地震分析预报。

图5 逐日比值Fig.5 Daily ratio

2.3 日均值分析

对Gm4(2)和Gm4(3)仪器的日均值进行一致性分析，发现3个D、H分量变化形态一致，但Z分量有明显向上的趋势变化，见图6。为了直观显示该趋势变化，对两仪器Z分量日均值作差值[Gm4(2)－Gm4(3)]，并与温度差一起绘图，见图6(d)。由于山洞内6—11月温度变化只有0.1℃，温度变化曲线实际是磁房温度变化曲线，Z分量变化与磁房内温度变化趋势负相关，说明仪器受温度影响较大。山洞年温差0.5℃，对仪器温度影响较小，而地面磁房内年温差达到17℃，可见山洞具有明显优势。

图6 2012年6—11月Gm4(2)－Gm4(3)日均值差值曲线（a）D 分量；（b）H 分量；（c）Z 分量；（d）Z 分量和 Tc温度Fig.6 Gm4 (2)－Gm4 (3) daily mean value of difference curve from June to November，2012

2.4 子夜均值

地磁子夜均值时间段按IAGA推荐使用台站地方时00时—03时地磁数据，由于地球背日面电离层电流体系微弱，可以忽略不计，因此通常利用台站子夜时段的数据作为主磁场和地壳磁场研究的基础数据（李西京等，2012）。选取子夜时段3个时均值数进行平均，然后做逐日差（图7）。通过图7可看出，两仪器子夜均值的逐日差基本一致。

在高压直流供电正常工作时，电流基本不会产生干扰，但出现故障或调试时，会出现较大的不平衡电流，对线路两侧台站的地磁观测造成干扰，对垂直分量Z影响最大（方炜等，2012）。对比山洞内外两仪器对高压直流输电的干扰程度（图8）可见，磁房与山洞内仪器Z分量变化趋势一致，磁房内GM4（2）仪器数值大，两仪器相对幅度变化差约1 nT，说明高压直流的干扰同步性较好。

图7 三分量子夜时均值逐日差(a)D分量；(b)H分量；(c)Z分量Fig.7 The mean daily difference of three component midnight

图8 高压直流输电对Z分量干扰曲线（2012年6月12日10∶43—23∶35）(a)GM4(2)；(b) GM4(3)；(c) GM4(2)－ GM4(3)平均值Fig.8 High voltage direct current transmission on Z component interference graph(2012-06-12T10∶43-23∶35)

3 结论

在泰安台普通山洞内进行为期1年的Gm4仪对比试验，分析得到以下结论：①山洞与磁房的仪器日变形态相关性高，3个分量的相关系数均达99.9%以上，说明观测方式可行；②山洞年温差0.5℃，对仪器的温度效应影响较小；③山洞仪器记录各分量日变幅小于地面磁房记录，在平静日，D分量约0.2 nT，Z分约0.5 nT，H分量约1 nT，且地磁场总强度F小于地面测点，与詹志佳等（1990）观测结果一致，说明山洞存在一定屏蔽和衰减效应；④在普通山洞内的观测方式，因造价低、部署周期短、性能稳定，可以推广应用到短临跟踪及地磁台阵架设等课题。

本项目研究过程中得到地磁台网中心李琪研究员的大力支持，并对本文撰写给予帮助，在此深表谢意。

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