仙女山地震台磁通门磁力仪同场观测数据分析

易 江，肖家强，孙国栋

（重庆市地震局，重庆 401147）

提供准确可靠、连续完整的地磁资料是地磁台的基本任务。随着观测技术、电子工业技术、数字化记录仪器的发展，观测数据能达到高精度和高准确度。对于同一地点的多套地磁仪器来说，观测资料理论上应高度一致[1-2]。仙女山地震台目前有两套GM4-XL型磁通门磁力仪，两套仪器均安装在同一观测室内。本文通过对比两套仪器的各项参数，从原始分数据、日均值、噪声和日变幅等方面进行分析，从保障优质数据资料，提高观测质量角度，研究仪器的稳定性、可靠性和一致性。

1 背景介绍

1.1 地理位置及周边环境

仙女山地震台位于重庆市武隆区仙女山国家森林公园景区内，地理位置为北纬29°31′、东经107°45′，高程为1 810 m。台址背景噪声较好，周围安静，5 km 以内人员活动干扰较少。台站气候温和，雨量充沛，四季分明，年均气温为11.2 ℃左右，年降水量高于1 214.3 mm。2007年7月测得观测场地地磁梯度小于1.0 nT/m。台站于2008年10月建成并投入使用，属中国数字地震观测网络项目和三峡库区重庆段地震监测系统新建台站。

1.2 台站仪器

台站前兆观测仪器初期有GM-4 型磁通门磁力仪、ZD9A-Ⅱ型大地电场仪、TWG-28 型低频电磁扰动仪。2014年4月，中国地震背景场项目增加两套GM4-XL 型磁通门磁力仪、一套GSM-90F1 型Overhauser 磁力仪、一套G856 型核旋仪和一套Mag-01H 型磁通门经纬仪。

2 测点GM-4 型磁通门磁力仪由中国地震局地球物理研究所观测技术研究室开发，具有便携式、低功耗的特点，既适用于固定台站观测，也适用于野外流动观测，如流磁测量、电磁测深、电磁环境监测、地震前兆加密流动监测以及无人值守台站观测等，设备运行可靠，数据质量高。因2018年5月遭受雷击损坏，无法修复，其现已停测。4 测点、5 测点GM4-XL 型磁通门磁力仪由北京市京核鑫隆科技中心研发，具有一体化、小型化、优良的温度性能和噪声水平、磁场动态补偿、高分辨力、高采样率数据采集、宽频带、低功耗、便携式等优点。GM-4 型磁通门磁力仪为地埋式布设[3]，GM4-XL 型磁通门磁力仪为地下室观测墩布设[4-5]，此次主要分析4 测点、5 测点两套仪器。GM4-XL 型磁通门磁力仪的工作模式分为绝对（总量）测量与相对测量，测量分量有D、H、Z地磁场三分量和温度T，测量范围为0 ～±62 500 nT，动态范围为0 ～±2 500 nT，分辨力为0.1 nT，噪声水平小于0.1 nT （RMS，均方根），工作温度介于0 ～+40 ℃，温度系数小于1 nT/℃。

以台站办公楼为中心点，GM4-XL 型磁通门磁力仪位于办公楼北端，布设在同一观测室的不同观测墩。

1.3 数据时间段

从上述背景信息可以看出，场地适合开展地磁数据观测。2014年4月以前，GM4-XL 型磁通门磁力仪未投入观测，无法对比；2014年8-10月、2015年5-9月，背景场项目整改施工，大量机械工人在观测区域内活动，干扰非常严重，数据质量低下。为保证数据连续、稳定、可靠且具有对比性，本研究特选取2016年1月1日至2018年12月31日时间段的数据进行对比分析。

2 数据对比分析

2.1 原始分数据

之所以选择原始数据而非预处理数据，主要原因在于预处理过后的数据已经去除了台阶、突跳、尖峰等异常信息，不能直接反映仪器记录的所有特征，不能看出各仪器对同一干扰源的表现结果。

从两套仪器各分量原始分数据对比可以得出，各分量能准确记录干扰导致的突跳、尖峰、高直等异常情况，整体形态基本一致；2017年四季度和2018年一季度Z 分量有细微差异，只有一套仪器记录到了异常。对于同一观测区域的同类仪器，理论上，数据曲线形态应表现一致，但仪器性能、灵敏度差异、噪声和室内温湿度等原因可能导致两套仪器观测数据出现细微差异。下面从不同方面进行详细 分析。

2.2 日均值

日均值反映了仪器记录的磁场走势，通过均值可以看出磁场年度变化。

从两套仪器各分量日均值数据对比可以得出，两套仪器曲线重合性好，年度变化趋势一致。由于日均值是通过预处理分数据计算得出的，在基线值充分正确的情况下，其曲线走势和原始分数据曲线走势一致，可认为两套仪器均能准确可靠地记录台站周边地磁变化。排除错误数据后，将两测点（4 测点、5 测点）日均值做差值，得出：-0.21 ≤D≤0.3，平均值为-0.016；-6.3 ≤H≤5.5，平均值为-0.25； -1.9 ≤Z≤6.7，平均值为0.19。理论上，同一观测区域的同类仪器日均值差值应该为0[4]，但各种不可控因素导致实际差值在0 上下波动。

2.3 月噪声

背景噪声包括仪器自身工作过程中产生的噪声和观测场地外部干扰源制造的噪声（如气压、温度、风、海浪、地脉动等）[5]。噪声能反映出仪器受内外部观测环境的影响程度。

通过地磁台网中心查询到的噪声数据对比发现，所选时间段两套仪器各分量噪声不太一致，重合度较低。另外，统计发现，D分量4 测点噪声值全部低于台网平均值，5 测点有1 个月高于台网平均值；H分量两测点各有7 个月高于台网平均值；Z分量4 测点有24 个月高于台网平均值，5 测点有19 个月高于台网平均值；两测点噪声值高于台网平均值的月份基本相同。同一观测区域内，外部背景噪声应该是一致的，对同类仪器的影响也应该是一致的，但由于仪器自身有不同程度的工作噪声，加上出厂时仪器间的灵敏度不完全一致，多方面噪声叠加，造成各仪器对噪声的反馈不一致。另外，台站气温平均值较低，地下室内潮湿，内外温差大，也可能造成两套仪器噪声值不一致。

2.4 日变幅

地磁日变幅是指一天中的最大值与最小值的差值，反映当天的磁场变化幅度。从各分量日变幅数据对比可以得出，各分量曲线大致重合，日变形态一致，通过计算各分量日变幅平均值之差得出，Z分量为0.14，H分量为0.27，D分量为-0.001。这说明D

分量一致性非常好，H分量偏差稍大。经过观测场地巡查，发现观测室内温度较为恒定，但湿度较大，地面、墙面甚至有少量积水，怀疑安装过程中玻璃罩、线管密封性不够，导致仪器线路受潮，影响仪器工作状态，进而表现出不一致性。

3 结论

从原始分数据对比直观来看，两套仪器均能记录各种干扰信息，表现程度大致相同。考虑到仪器性能、灵敏度差异等原因，仪器间的细微差异属于正常现象。全国电磁学科预报技术管理组认为，对同一台站而言，观测资料差值D≤±0.1′，H≤±2 nT，Z≤±2 nT[6]。两套仪器三分量日均值差值平均值均符合要求，年度变化一致性非常好。通过和地磁台网中心的噪声数据对比得出，D分量噪声最小，Z分量噪声最大，排除台站外部和仪器自身因素外，两套仪器在一致性上的表现基本相同。通过计算各分量日变幅平均值之差可知，D分量一致性非常好，H分量、Z分量一致性较差。受观测室内温湿度影响，两套仪器表现出不完全一致性。

自上线运行以来，仙女山地震台两套磁通门磁力仪保持连续稳定，运维次数非常少。其磁通门数据曲线形态与重庆市地震局其他台站相似，可认为仪器稳定可靠，排除仪器性能、灵敏度差异、噪声和室内温湿度等方面原因。从原始分数据、日均值、噪声和日变幅等方面的数据图形对比分析可以得出，两套仪器各项表现一致性较好，数据资料满足全国电磁学科预报技术管理组规范要求，观测质量较好。