河北昌黎地震台磁通门磁力仪FGM01与GM4观测资料对比分析

王 倩，王贺生，韩小宾，王艳荣

(1.河北省地震局秦皇岛中心地震台，河北 秦皇岛 066100；2.河北省地矿局秦皇岛矿产水文工程地质大队，河北 秦皇岛 066100)

0 引言

地震的孕育和发生是一个多物理过程，大量观测与研究表明该过程中伴随有电磁场的变化，从观测资料中有效地提取出地震电磁信号有助于加深对地震电磁现象的认识和理解，准确可靠、连续完整的观测资料是基础。国家“十五”数字网络项目对全国地磁台站进行改造，实现了地磁台站相对记录数字化数据的实时存储和准实时传输[1]。在同一地磁台站，多套观测系统的资料应具备一致性、可比性。为此，对昌黎地震台两套磁通门磁力仪FGM01和GM4的观测资料进行系统的对比分析。

1 台站观测环境及仪器概况

昌黎地磁台(以下简称昌黎台)位于河北省昌黎县城西10 km，台址基岩被第四纪砂质黏土覆盖，花岗岩埋藏于地下70 m左右，地下水位约20 m，位于昌宁断裂北6 km(非活断层)，台基主要是第四纪沉积物。昌黎台已有30多年的观测历史，有一套完整的绝对观测与相对观测系统，自上世纪60年代末期建台至今，地面磁场分布较均匀，周围干扰源较少，是理想的地磁观测场所。磁场水平梯度小于1.0 nT/m,室内日温差≤0.3 ℃，年温差≤10.0 ℃，相对湿度≤85%，均满足地磁观测规范要求[2]。

昌黎台分别于2010年10月、2013年12月安装GM4、FGM01磁通门磁力仪，仪器均由磁通门探头、模拟装置和主机3个单元构成，用于地磁场相对记录，测量地磁场水平分量H、垂直分量Z和地磁偏角D的变化，同时监测探头温度T。探头部分的数据基本采样率为每秒10次，通过数字滤波抽样产出每秒采样的数据，简称秒数据。磁通门磁力仪以其灵敏度高、频带宽、易于实现数字化等优点，广泛应用于地磁观测台站[3]。Mag-01地磁经纬仪于2015年1月安装，用于测量地磁场偏角D和倾角I。每周一、四使用近零法进行绝对观测，同时配合G-856质子核旋仪测量地磁场总强度F，通过换算得到各分量的基线值。仪器基本参数如表1所示。

表1 仪器性能指标参数Table 1 Parameters of instrument performance index

2 观测数据对比分析

2.1 参考背景噪声

地磁台网的评比标准中包含仪器参考背景噪声指标，可通过它来衡量仪器性能的优良[4]。2014年，昌黎台两套仪器的Z分量背景噪声均高于台网的参考背景噪声，超出幅度与季节的变化无明显关系，这可能是台站地下介质的电性结构所致(见第33页表2)。GM4仪器的D分量在6—8月中均高于台网的背景噪声，FGM01的D分量在8月高出台网背景噪声，可见两套仪器D分量的背景噪声可能与季节有关——夏时段噪声值较大，冬时段较小。H分量的噪声值均小于台网的参考噪声值，未出现超限情况。

两套仪器观测分量值相比，FGM01的D分量背景噪声值有8次小于GM4的，分别在2—3月、6—7月、9—12月，5月的大于GM4。其他分量相差不明显(见表2)。排除观测环境和场地等影响，认为FGM01仪器的性能较优于GM4。

表2 FGM01、GM4背景噪声和台网参考背景噪声对比Table 2 Background noise of FGM01 and GM4 and referencebackground noise of the network

2.2 预处理分钟值数据

为分析FGM01与GM4记录数据的一致性及内在质量，分别选取磁静日2015年4月4日全天K指数总和为9和磁扰日2015年3月17日全天K指数总和为44的数据进行分析(见图1)。

从D、H、Z三分量分钟值日变化曲线看出，两套仪器在磁静日和磁扰日的日变化形态一致，重合性较好，能很好地反映地磁日变形态。

2.3 日均值数据

为明确两套仪器观测数据的内在质量，选取2015年的日均值数据，绘制D、H、Z三分量的日均值和日均值差值曲线(见第34页图2)。

由图2可知，两套仪器三分量的日均值变化曲线形态一致性较好，年变化趋势一致。日均值差值主要检验相对记录方面的问题，能显示基线值所不能消除的各种影响因素。两套仪器各分量的日均值差值为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天均为磁扰日。由此可知，在磁扰日，两套仪器的日均值差值会较大。理论上，两套仪器的日均值差值应为0，但由于各种因素影响，只能是趋近于0。

图1 GM4与FGM01的磁静日、磁扰日分钟值曲线Fig.1 Minute value of Magnetic static day and magnetic disturbing day of FGM01 and GM4

2.4 基线值数据

基线值是地磁台站的重要资料质量控制数据，是沟通绝对观测和相对记录的桥梁[5]。通过基线值可以监控包括绝对和相对记录仪器在内的整个地磁观测系统的工作状态和检验资料的内在质量。相对记录的基线值由绝对观测控制，绝对观测是对地磁场3个独立分量绝对值进行测量，所测量数值代表某一测点、某一观测时刻的地磁场矢量大小和方向，从而确定地磁台站相对记录的基线值[6]。根据地磁台站观测的规范要求，每周应进行2次绝对观测，D和I的观测精度应达到0.1分，F的观测精度应达到1 nT。

基线值理论上应为恒定值，但由于观测误差，仪器本身存在的温度系数和零点漂移等原因，基线值会有一定的变化。昌黎台2015年使用Mag-01经纬仪进行102次近零法观测，每次观测数据为3组，通过所得数据计算FGM01和GM4两套仪器的基线值。按规范要求，计算出月标准偏差，D分量<0.1分，H分量<1 nT，Z分量<1 nT，是衡量仪器状况的标准。

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

由表3可知，两套仪器观测基线值的月标准偏差均满足“地磁基本台站观测资料质量评比”要求，说明两套仪器工作状态稳定。FGM01的D分量月标准偏差值全年有10次大于GM4的，H分量6次大于GM4，Z分量7次大于GM4，说明GM4数据质量优于FGM01。

表3 2015年FGM01和GM4观测基线月标准偏差Table 3 Observational baseline monthly standarddeviation of FGM01 and GM4 in 2015

3 结论

通过对两套仪器观测数据的对比分析，得出以下结论。

(1) 参考背景噪声数据分析表明，FGM01仪优于GM4仪。两套仪器的D分量背景噪声均与季节有关，夏时段噪声值较大，冬时段较小。FGM01仪的D分量全年大部分都小于GM4仪，H、Z分量相差不明显。

(2) 分钟值预处理数据分析表明，两套仪器在磁静日和磁扰日均有较好的重合性，能反映出地磁日变形态。

(3) 两套仪器日均值变化曲线形态一致性较好，年变化趋势一致，日均值差值较小，均符合规范标准。三分量日均值差值较大的时段均为磁扰日。

(4) 两套仪器观测基线值的月标准偏差值均满足“地磁基本台站观测资料质量评比”要求，两套仪器工作状态稳定。GM4仪的各分量值全年大部分小于FGM01仪。

综上所述，昌黎台FGM01和GM4两套仪器均具有较高的稳定性，观测数据连续可靠。由结论(1)和(4)来看，排除观测环境和场地等因素的影响，FGM01仪的灵敏度可能稍差于GM4仪。综合分析，GM4仪的数据内在质量优于FGM01仪，但在降低背景噪声方面仍需进一步的研究。

[1] 吴 琼，滕云田，王喜珍.“十五”地磁相对记录仪器干扰分析与安装方案改进[J].地震地磁观测与研究，2008，29(4)：53-56.

[2] 中国地震局.地震及前兆数字观测技术规范[M].北京：地震出版社，2001.

[3] 王晓美，腾云田，王喜珍，等.GM4型磁通门磁力仪性能检测方法[J].地震地磁观测与研究，2008，29(6)：88-94.

[4] 贾 华，高登平，王利兵，等.红山地震台地磁GM4仪与FHD-2B仪观测资料对比分析[J].地震地磁观测与研究，2015，36(3)：98-104.

[5] 程安龙.地磁台站和地磁台网现代技术专辑[J].国际地震动态,1995,(6):4.

[6] 中国地震局监测预报司.地震电磁数字观测技术[M].北京：地震出版社，2002：81-86.