蒙城國家野外觀測研究站F值一致性的初步分析

應(yīng)允翔　汪繼林　王飛　劉紅飛 張明明

摘要：蒙城國家野外觀測站現(xiàn)有GM-4磁通門磁力儀、G-856質(zhì)子旋進磁力儀，GSM-19T質(zhì)子旋進磁力儀三套地磁儀器，對儀器測量的總強度F觀測數(shù)據(jù)，進行趨勢變化、均值、差值以及基線值的對比分析，認(rèn)為臺站儀器F的觀測數(shù)據(jù)具有較高的觀測精度和一致的變化趨勢，僅存在較小的差別，達(dá)到了國內(nèi)高精度地磁觀測的水平。

關(guān)鍵詞：F值；差值；數(shù)據(jù)對比；野外觀測研究站；一致性；高精度地磁觀測 文獻標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TP391 文章編號：1009-2374（2016）28-0061-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.28.031

由于地磁場具有全球性的特點，使得可以利用多臺數(shù)據(jù)對比，正確分析地磁數(shù)據(jù)。與此同時，隨著絕對觀測技術(shù)的發(fā)展及各臺站數(shù)字化儀器的配備，使得地磁臺站能夠?qū)崿F(xiàn)高精度和高準(zhǔn)確度的數(shù)據(jù)觀測。對于同一臺站配備多套儀器的情況，根據(jù)多套不同儀器獲取的相同分量的數(shù)據(jù)進行對比分析，可以及時有效地分析本臺站數(shù)據(jù)的可靠性。理論上，對于同地、同時間的地磁場總強度F應(yīng)該完全相同，但受各種誤差的影響，從不同儀器獲取的地磁場總強值并不可能完全相同。通過對蒙城臺GM-4磁通門磁力儀、G-856質(zhì)子旋進磁力儀、GSM-19T質(zhì)子旋進磁力儀的記錄數(shù)據(jù)進行對比分析，通過對比三套儀器的總強F觀測數(shù)據(jù)，研究三套儀器的相關(guān)性，驗證各套儀器的觀測精度。

1 場地和儀器

蒙城地震臺位于皖西北蒙城縣境內(nèi)的黃柏山上，臺站地處郯廬斷裂帶的西側(cè)，北西向的渦河斷裂從臺站南東側(cè)通過。臺基主要是震旦系砂巖及第四紀(jì)覆蓋層，周圍地區(qū)覆蓋在100～300m。巖石出露為尖山、黃伯山、施連山、狼山等南北走向的低山。該地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，有隱伏NW向的板橋集斷層通過。觀測室附近磁場分布均勻，磁場平均梯度小于1nT/m。臺站現(xiàn)有G-856質(zhì)子旋進磁力儀、GSM-19T質(zhì)子旋進磁力儀以及GM-4磁通門磁力儀，觀測資料連續(xù)、穩(wěn)定、可靠。本文通過對G-856和GSM-19T的世界時13點（北京時21點）值進行初步對比分析，結(jié)合GM-4數(shù)據(jù)檢驗蒙城地震臺各套地磁觀測儀器的工作狀態(tài)及絕對觀測對相對記錄的控制水平。

GM-4磁通門磁力儀于2007年投入使用，為秒采樣儀器，記錄垂直分量Z、水平分量H、磁偏角D三個分量數(shù)據(jù)，連續(xù)記錄磁場變化，分辨率為0.1nT。自投入使用以來，儀器運行正常，極少出現(xiàn)數(shù)據(jù)斷記現(xiàn)象，已產(chǎn)出多年連續(xù)穩(wěn)定可靠數(shù)據(jù)。

G-856質(zhì)子旋進磁力儀于2007年投入使用，用于測量地磁場總強度，儀器使用過程中不能進行連續(xù)測數(shù)，一次測數(shù)完成后需要幾秒鐘才能進行第二次測數(shù)，每日世界時13點（北京時21點）手工測量總強，同時配合CTM-DI儀進行絕對觀測，近年來產(chǎn)出數(shù)據(jù)可靠穩(wěn)定。

GSM-19T質(zhì)子旋進磁力儀于2013年投入使用，由加拿大GEM公司生產(chǎn)，用于測量地磁場總強度，與G-856一樣需要每日世界時13點（北京時21點）進行手工測數(shù)。儀器性能穩(wěn)定、數(shù)據(jù)可靠，已產(chǎn)出2年數(shù)據(jù)。2014年10月至2015年9月，一年時間內(nèi)，三套儀器運行穩(wěn)定，未出現(xiàn)斷記或儀器故障的情況。由于臺站位置偏遠(yuǎn)，遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)、道路、工廠企業(yè)等干擾因素，觀測環(huán)境優(yōu)良。G-856與GSM-19T主要性能參數(shù)如表1中所示：在靈敏度、分辨率、絕對精度、動態(tài)范圍、梯度容差、工作溫度及存儲容量等性能方面，GSM-19T均優(yōu)于G-856質(zhì)子磁力儀。通過對臺站兩套儀器進行比測，測試結(jié)果中，G-856磁力儀儀器差的均方差為0.90nT，點位差的均方差為0.54nT；GSM-19T磁力儀儀器差的均方差為0.13nT，點位差的均方差為0.30nT。

G-856和GSM-19T磁力儀均通過RS232接口下載觀測數(shù)據(jù)，而觀測數(shù)據(jù)的文件格式有所不同，G-856磁力儀數(shù)據(jù)輸出文件為stn格式，運用MagMap2000導(dǎo)入后輸出dat格式文件數(shù)據(jù)。GSM-19T磁力儀數(shù)據(jù)輸出文件為txt格式，在后期的數(shù)據(jù)通化處理中，需注意格式的統(tǒng)一。

臺站絕對觀測儀器使用國產(chǎn)的CTM-DI磁通門經(jīng)緯儀。儀器分辨力為0.1nT，零場偏移為±1nT，系統(tǒng)噪聲小于0.2nT，環(huán)境溫度為-10℃～40℃。全年累計一共進行超過100次絕對觀測，每次觀測三組數(shù)據(jù)，從中選取兩組數(shù)據(jù)，分別為相對記錄GM-4的H分量和Z分量做基線。相對記錄GM-4全年無數(shù)據(jù)丟失和儀器中斷現(xiàn)象，資料連續(xù)率及完整率均達(dá)到100%。G-856、GSM-19T全年工作記錄狀態(tài)良好，連續(xù)率為100%，未出現(xiàn)遲記、漏記現(xiàn)象。

2 資料選取以及對比分析

本文選取臺站2014年10月1日至2015年9月30日，G-856和GSM-19T兩套儀器的世界時13點F值，進行對比分析。為檢驗三套儀器觀測資料的精度、穩(wěn)定性及一致性等，對所選取時間段內(nèi)世界時13點的整點值分別進行F值一致性檢驗和差值分析，最后對基線觀測值進行精度和穩(wěn)定性分析。GM4磁通門磁力儀測定地磁場總強度F，是根據(jù)儀器直接測量的水平分量H和垂直分量Z按照F=（H2+Z2）1/2，

其中H和Z分量需要經(jīng)過基線值改正后才能使用。圖1給出了2014年10月至2015年9月G-856和GSM-19T世界時13點觀測的數(shù)據(jù)，兩套儀器的數(shù)據(jù)圖形具有很好的一致性。

通過對這兩組數(shù)據(jù)進行相關(guān)系數(shù)分析，得到相關(guān)系數(shù)為0.99775，說明兩套儀器測得F相關(guān)性很高。對兩套儀器世界時13點的數(shù)據(jù)做差，得到兩組數(shù)據(jù)的差值，利用軟件將這這組數(shù)據(jù)作圖，得到如圖2所示結(jié)果，由圖2可以清晰地看到，兩組數(shù)據(jù)的差值基本控制在4～5.5nT的區(qū)間內(nèi)，偶爾有超出部分，可能與磁場擾動強度有關(guān)。

臺站選用的2014年10月至2015年9月GM-4儀Z分量的基線值離散性較好。只是在2014年10月、2015年6月，基線值的選取離散性較大，與表3中的均方差變化有較好的對應(yīng)關(guān)系。

3 分析與討論

（1）G-856、GSM-19T與GM-4計算出的F值的相關(guān)系數(shù)在0.95以上，說明3套儀器的觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量都很高，尤其是G-856與GSM-19T相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.99以上，說明儀器具有較高的精度和一致性；（2）絕對觀測質(zhì)量的好壞直接影響到相對記錄儀器的基線值，進而對觀測報告中的絕對值也會產(chǎn)生較大影響。通過差值分析，可及時發(fā)現(xiàn)觀測中的問題。G-856與GSM-19T均可以配合DI進行絕對觀測，而且數(shù)據(jù)可以用于對比參考分析；（3）GSM-19T質(zhì)子磁力儀無明顯系統(tǒng)誤差。相對于G-856儀器，其在儀器靈敏度、分辨率、精度、一致性、測量便利程度等方面具有明顯優(yōu)勢；（4）G-856和GSM-19T相關(guān)性很好，差值在一定范圍內(nèi)變化，而這種變化的主要原因是由于儀器墩差造成的，差值超出區(qū)間范圍的大部分情況為磁場擾動比較大的時間段。

4 結(jié)語

通過對上述資料的分析與對比，可以看出，數(shù)字化儀器G-856和GSM-19T對地磁場F值的記錄結(jié)果一致性較高，具有很高的觀測精度和溫度性。其觀測數(shù)據(jù)連續(xù)可靠，已達(dá)到國內(nèi)高精度地磁觀測水平。兩套儀器相互配合，可以通過對比數(shù)據(jù)變化發(fā)現(xiàn)兩個儀器的穩(wěn)定性，當(dāng)其中一臺儀器出現(xiàn)故障時，另一臺可以替代使用，保證臺站總強F觀測的連續(xù)穩(wěn)定，對資料的準(zhǔn)確性起到了很好的對比監(jiān)督作用。

參考文獻

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（責(zé)任編輯：蔣建華）