红山台地磁日变化记录准确度标定分析

王秀敏，龚永俭，畅国平，王志敏，李细顺，王利兵

(1.红山基准地震台，河北 邢台　055350； 2.天津市地震局，天津　300201；

3.赤城地震台，河北 赤城　075000)



红山台地磁日变化记录准确度标定分析

王秀敏1，龚永俭2，畅国平1，王志敏3，李细顺1，王利兵1

(1.红山基准地震台，河北 邢台055350； 2.天津市地震局，天津300201；

3.赤城地震台，河北 赤城075000)

摘要：为了正确评价相对记录仪器记录到的地磁日变化的准确度，分析了红山台2套GM4磁通门磁力仪2009—2012年4年来的地磁日变化记录准确度标定基线值的精度和稳定性，同时对地磁日变化记录准确度标定基线值与地磁日变化的相关性进行了研究，得出以下结论：在标定时段2套GM4磁通门磁力仪D、H、Z 3个分量基线值的变化幅度和测量误差都很小；1号GM4磁通门磁力仪比2号运行更加稳定，且日变化记录准确度标定基线值和地磁日变化之间相关性并不显著，这与2套仪器的自身老化和所处的观测环境等因素有关；红山台在上午10：30—12：30和下午15：30之后的时间段地磁日变化记录准确度标定基线值稳定，适宜进行地磁绝对观测。

关键词：地磁相对记录；日变化；准确度标定；基线值

0引言

由于受观测仪器探头轴向正交度、格值线性度、温度系数、安装定向准确度和稳定性以及观测环境温度变化等因素影响，地磁的日变化与地磁场的真实变化存在一定误差，并且每个台站和每套仪器的误差均不相同。因此，地磁台站需要定期进行地磁相对记录仪器的标定，定量考察地磁记录仪器记录的地磁日变化的准确程度，以利于确定台站绝对观测的合适时间段及数据的研究应用[1]。

地磁日变化记录准确度标定是在选定日进行加密绝对观测，通过计算基线值来定量估计地磁日变化记录的准确度。地磁绝对观测是手工观测，频繁加密绝对观测是不可行的，因此这种标定方法实际上是抽样标定，在不同的磁场扰动情况下可能会有不同的标定结果。按照地磁学科管理组的建议，红山台将地磁日变化记录准确度标定选择在每年的5—8月地磁日变化幅度显著的某日进行。在选定日，地方时08:30—16:30间，每隔1小时进行1次绝对观测(共9次)，每次观测取得2组有效观测数据，在此基础上计算地磁相对记录D、H和Z的基线值Dв、Hв、Zв。

为了正确评价红山台2套GM4磁通门磁力仪记录到的地磁日变化的准确程度，以及找到适合红山台地磁绝对观测的时间段，对红山台地磁日变化记录准确度标定基线值的精度和稳定性进行了分析；同时，结合两套GM4磁通门磁力仪地磁相对记录数据，对红山台地磁日变化记录标定基线值与地磁日变化的相关性进行了研究。

1红山台概况

红山基准地震台隶属于河北省地震局。该台始建于1966年邢台地震后，由著名地质学家李四光选址,中国科学院建立，属国家基准台，是全国最早建立的地震台站之一。台站地理位置东经114.7°，北纬37.4°，海拔高度为37.0 m,地处太行山山前断裂带，台站石基为红色石英砂岩。台站主要任务是监视邢台震区的地震活动情况，研究震情发展趋势，探索地震预报方法和途径。地磁监测始于建台初期，截止目前，已经积累了大量的观测资料。观测资料连续、可靠、内在质量较高，多次在全国和省局资料评比中名列前茅，具有很高的研究价值，并且国内外地震专家曾多次来红山台访问、学习和交流。目前，红山台地磁绝对观测仪器有Mingeo-DIM和CTM-DI磁通门经纬仪、G856质子旋进式磁力仪，地磁相对记录仪器有GM4磁通门磁力仪、质子矢量磁力仪FHD-2B，大地电磁测深仪ELF和MT仪器。

2资料选取及评价指标

2.1资料选取

在研究中，选取了红山台2009—2012年地磁日变化记录准确度标定基线值和对应时段内地磁日变化时均值数据。其中，绝对观测数据产出的仪器是匈牙利生产的Mingeo-DIM磁通门经纬仪和国产的G856-1型质子旋进式磁力仪，相对记录仪器则是国产的2套GM4磁通门磁力仪。

表1　红山台地磁绝对观测与相对记录仪器

2.2评价指标

地磁绝对观测的观测对象是地磁场总强度F、磁偏角D、磁倾角I、水平强度H和垂直强度Z，地磁相对记录是记录地磁场H、Z和D相对基线值的变化量[2]。基线值是沟通相对记录与绝对观测的桥梁，是相对记录仪器和绝对观测仪器工作状态的综合反映，若相对记录仪器工作状态不稳定，绝对观测误差等问题都会在基线值上反映出来[3]。从理论上讲，用同一台绝对观测仪去监控相对记录仪，其基线值应在任何时间段内都接近于一常数[4]。通常情况下，用标准偏差和变化幅度来衡量基线值的精度和稳定性。

标准偏差是一种量度数据分布的分散程度之标准，用以衡量数据值偏离算术平均值的程度。标准偏差越小，这些值偏离平均值就越小，反之亦然。标准偏差的大小可通过标准偏差与平均值倍率关系来衡量。标准偏差是个综合参数，既反映仪器工作状态好坏，也反映观测误差大小[5]。

基线值变化幅度指的是一天当中观测基线值最大和最小之差，从基线值变化幅度上能够更直观地看出相对记录仪器和绝对观测仪器存在的问题和仪器稳定情况。

3资料处理和分析

3.1资料处理

资料处理步骤如下：

1)对2009—2012年4个年度红山台地磁日变化记录准确度标定所取得的每小时2组D、H和Z的基线值Dв、Hв、Zв进行平均，求得该时段的基线值平均值并加以绘图；

2)对标定时段基线值的标准偏差和变化幅度进行列表统计；

3)对2009—2012年4个年度的地磁日变化记录准确度标定基线值数据及相应时段平均值数据绘图。

3.2资料分析

首先，给出2009—2012年各年度标定日期及标定时段K指数(表2)，对标定日的磁场扰动状况予以定量描述。从表2可以看出：在2009—2012年间，各年度地磁日变化记录准确度标定日的地磁场扰动均较弱，适宜进行地磁日变化记录准确度标定[6]。

表2　各年度标定日期及标定时段K指数

对2009—2012年红山台地磁日变化记录标定基线值Dв、Hв、Zв三分量绘图(图1～3，图中的“-1”代表红山台编号为1号的GM4磁通门磁力仪，“-2”代表红山台编号为2号的GM4磁通门磁力仪)。

从图1可以看出：红山台2套GM4磁通门磁力仪Dв基线值在北京时14：30左右偏离均值较大，其它时间段的基线值则相对稳定。

图1　磁偏角基线值对比曲线

图2　水平分量基线值对比曲线

图3　垂直分量基线值对比曲线

从图2、图3可以看出：红山台2套GM4磁通门磁力仪在2009年度、2010年度、2012年度的Hв、Zв基线值没有较大起伏，全天标定时间段基线值较稳定；2011年度基线值在12:30—14:30间有小幅波动，经查，是在绝对观测过程中供电蓄电池电量不足，更换了新的蓄电池，导致绝对观测结果前后有偏差。这也说明，绝对观测的误差对地磁日变化记录基线值的结果是有影响的。

从总体来看，红山台3个分量基线值Dв、Hв、Zв均比较稳定，个别点有小的起伏，可能与该时段地磁场的扰动有关。

对红山台2009—2012年地磁日变化记录准确度标定时段基线值的标准偏差和变化幅度(D的单位是分“′”，H和Z的单位是纳特“nT”)做了列表统计分析(表3)。

表3　标定时段基线值的标准偏差和变化幅度

从表3可知：各年度D、H、Z3个分量的基线值Dв、Hв、Zв的观测误差均比较小，分别为δD≤0.04′，δH≤0.7 nT,δZ≤0.5 nT, 表明各分量的基线值相当稳定；Dв变化幅度≤0.12′，Hв变化幅度≤1.8 nT，Zв变化幅度≤1.2 nT，基线值没有突跳的现象。这说明红山台2套GM4磁通门磁力仪的工作状态正常稳定，能够真实记录到地磁场的日变化，绝对观测仪器本身和操作也不存在问题，同时也反映出台站工作人员的观测技术稳定，观测数据质量较高。

从表3中还可以看出，红山台2号GM4磁通门磁力仪基线值标准偏差、变化幅度都比1号GM4磁通门磁力仪略高些，表明1号GM4磁通门磁力仪相对更稳定，更能记录到地磁场真实的日变化。这种差异性的产出可能与2号磁通门磁力仪自身老化和所处的观测环境、观测墩等因素的不同有关[7]。

地磁日变化记录准确度标定的另一个目的是确定绝对观测的合适时段，以提高绝对观测数据的质量。以1号GM4磁通门磁力仪为例，对2009—2012年地磁日变化记录准确度标定基线值及相应时段时均值数据绘图(图4)，做对比分析。

图4　GM4-1日变化标定基线值曲线与标定时段时均值变化曲线

从图4可以看出：在2009—2012年4个年度，红山台1号GM4磁通门磁力仪日变化记录准确度标定基线值与地磁日变化在2009年Hв值、2011年Zв值和2012年Zв值变化趋势上稍有同步性；在其他年份和分量上，日变化记录准确度标定基线值和日变形态无明显同步性和规律变化，总体来看相关性并不显著。另外，从这4年的地磁日变化记录准确度标定基线值数据曲线与标定时段GM4时均值变化曲线可以看出：在上午10:30—12:30间和下午3:30之后的地磁场相对变化平稳，观测的日变化记录准确度标定基线值在这2个时间段内比较稳定平缓，误差较小。为了基线值不跳动，提高绝对观测精度，地磁绝对观测要在地磁场平静时段进行，因此，该时段比较适宜进行地磁绝对观测。

4结论

1)红山台2套GM4磁通门磁力仪的D、H、Z三分量地磁日变化基线值稳定，波动不显著，误差均较小。从而得出2套GM4磁通门磁力仪工作状态均较稳定，绝对观测人员观测技术稳定、熟练。

2)相比较而言，红山台2号GM4磁通门磁力仪的日变化记录准确度标定基线值标准偏差和变化幅度都比1号GM4磁通门磁力仪的大些，表明1号GM4磁通门磁力仪比2号GM4磁通门磁力仪的运行更加稳定。这种差异性的产生可能与2号GM4磁通门磁力仪自身老化和所处的观测环境、观测墩等因素的不同有关。

3)红山台1号GM4磁通门磁力仪日变化记录准确度标定基线值和地磁日变化之间相关性并不显著，基线值观测质量较高。

4)红山台在上午10:30—12:30间和下午15:30之后的时间段地磁日变化记录准确度标定基线值稳定，适宜进行地磁绝对观测。

5)在绝对观测和地磁日变化记录准确度标定过程中，不能随意更换供电蓄电池，否则会因绝对观测数据的误差问题而导致基线值不稳定。

6)地磁日变化记录准确度标定易受到观测技术和磁场变化的影响，建议绝对观测选择地磁场较为平静时段进行。参考文献：

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[5]高玉芬, 程安龙, 赵永芬, 等. 地磁台基线值分析[J]. 地震地磁观测与研究, 1991, 12(2): 3-10.

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[13]胡秀娟, 李细顺, 王利兵, 等. 红山台磁通门磁力仪观测数据对比分析[J]. 华北地震科学, 2014, 32(2): 68-72.

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

中图分类号:P318.6

文献标志码:A

文章编号:1003-1375(2016)01-0076-05

作者简介：王秀敏(1973—)，女(汉族)，河北阳原人，工程师，主要从事地磁观测与研究.E-mail: 303536107@qq.com

收稿日期:2015-04-13

王秀敏，龚永俭，畅国平，等．红山台地磁日变化记录准确度标定分析[J]．华北地震科学，2016，34(1):76-80.