仙女山地震臺磁通門磁力儀同場觀測數據分析

易 江，肖家強，孫國棟

（重慶市地震局，重慶 401147）

提供準確可靠、連續完整的地磁資料是地磁臺的基本任務。隨著觀測技術、電子工業技術、數字化記錄儀器的發展，觀測數據能達到高精度和高準確度。對于同一地點的多套地磁儀器來說，觀測資料理論上應高度一致[1-2]。仙女山地震臺目前有兩套GM4-XL型磁通門磁力儀，兩套儀器均安裝在同一觀測室內。本文通過對比兩套儀器的各項參數，從原始分數據、日均值、噪聲和日變幅等方面進行分析，從保障優質數據資料，提高觀測質量角度，研究儀器的穩定性、可靠性和一致性。

1 背景介紹

1.1 地理位置及周邊環境

仙女山地震臺位于重慶市武隆區仙女山國家森林公園景區內，地理位置為北緯29°31′、東經107°45′，高程為1 810 m。臺址背景噪聲較好，周圍安靜，5 km 以內人員活動干擾較少。臺站氣候溫和，雨量充沛，四季分明，年均氣溫為11.2 ℃左右，年降水量高于1 214.3 mm。2007年7月測得觀測場地地磁梯度小于1.0 nT/m。臺站于2008年10月建成并投入使用，屬中國數字地震觀測網絡項目和三峽庫區重慶段地震監測系統新建臺站。

1.2 臺站儀器

臺站前兆觀測儀器初期有GM-4 型磁通門磁力儀、ZD9A-Ⅱ型大地電場儀、TWG-28 型低頻電磁擾動儀。2014年4月，中國地震背景場項目增加兩套GM4-XL 型磁通門磁力儀、一套GSM-90F1 型Overhauser 磁力儀、一套G856 型核旋儀和一套Mag-01H 型磁通門經緯儀。

2 測點GM-4 型磁通門磁力儀由中國地震局地球物理研究所觀測技術研究室開發，具有便攜式、低功耗的特點，既適用于固定臺站觀測，也適用于野外流動觀測，如流磁測量、電磁測深、電磁環境監測、地震前兆加密流動監測以及無人值守臺站觀測等，設備運行可靠，數據質量高。因2018年5月遭受雷擊損壞，無法修復，其現已停測。4 測點、5 測點GM4-XL 型磁通門磁力儀由北京市京核鑫隆科技中心研發，具有一體化、小型化、優良的溫度性能和噪聲水平、磁場動態補償、高分辨力、高采樣率數據采集、寬頻帶、低功耗、便攜式等優點。GM-4 型磁通門磁力儀為地埋式布設[3]，GM4-XL 型磁通門磁力儀為地下室觀測墩布設[4-5]，此次主要分析4 測點、5 測點兩套儀器。GM4-XL 型磁通門磁力儀的工作模式分為絕對（總量）測量與相對測量，測量分量有D、H、Z地磁場三分量和溫度T，測量范圍為0 ～±62 500 nT，動態范圍為0 ～±2 500 nT，分辨力為0.1 nT，噪聲水平小于0.1 nT （RMS，均方根），工作溫度介于0 ～+40 ℃，溫度系數小于1 nT/℃。

以臺站辦公樓為中心點，GM4-XL 型磁通門磁力儀位于辦公樓北端，布設在同一觀測室的不同觀測墩。

1.3 數據時間段

從上述背景信息可以看出，場地適合開展地磁數據觀測。2014年4月以前，GM4-XL 型磁通門磁力儀未投入觀測，無法對比；2014年8-10月、2015年5-9月，背景場項目整改施工，大量機械工人在觀測區域內活動，干擾非常嚴重，數據質量低下。為保證數據連續、穩定、可靠且具有對比性，本研究特選取2016年1月1日至2018年12月31日時間段的數據進行對比分析。

2 數據對比分析

2.1 原始分數據

之所以選擇原始數據而非預處理數據，主要原因在于預處理過后的數據已經去除了臺階、突跳、尖峰等異常信息，不能直接反映儀器記錄的所有特征，不能看出各儀器對同一干擾源的表現結果。

從兩套儀器各分量原始分數據對比可以得出，各分量能準確記錄干擾導致的突跳、尖峰、高直等異常情況，整體形態基本一致；2017年四季度和2018年一季度Z 分量有細微差異，只有一套儀器記錄到了異常。對于同一觀測區域的同類儀器，理論上，數據曲線形態應表現一致，但儀器性能、靈敏度差異、噪聲和室內溫濕度等原因可能導致兩套儀器觀測數據出現細微差異。下面從不同方面進行詳細 分析。

2.2 日均值

日均值反映了儀器記錄的磁場走勢，通過均值可以看出磁場年度變化。

從兩套儀器各分量日均值數據對比可以得出，兩套儀器曲線重合性好，年度變化趨勢一致。由于日均值是通過預處理分數據計算得出的，在基線值充分正確的情況下，其曲線走勢和原始分數據曲線走勢一致，可認為兩套儀器均能準確可靠地記錄臺站周邊地磁變化。排除錯誤數據后，將兩測點（4 測點、5 測點）日均值做差值，得出：-0.21 ≤D≤0.3，平均值為-0.016；-6.3 ≤H≤5.5，平均值為-0.25； -1.9 ≤Z≤6.7，平均值為0.19。理論上，同一觀測區域的同類儀器日均值差值應該為0[4]，但各種不可控因素導致實際差值在0 上下波動。

2.3 月噪聲

背景噪聲包括儀器自身工作過程中產生的噪聲和觀測場地外部干擾源制造的噪聲（如氣壓、溫度、風、海浪、地脈動等）[5]。噪聲能反映出儀器受內外部觀測環境的影響程度。

通過地磁臺網中心查詢到的噪聲數據對比發現，所選時間段兩套儀器各分量噪聲不太一致，重合度較低。另外，統計發現，D分量4 測點噪聲值全部低于臺網平均值，5 測點有1 個月高于臺網平均值；H分量兩測點各有7 個月高于臺網平均值；Z分量4 測點有24 個月高于臺網平均值，5 測點有19 個月高于臺網平均值；兩測點噪聲值高于臺網平均值的月份基本相同。同一觀測區域內，外部背景噪聲應該是一致的，對同類儀器的影響也應該是一致的，但由于儀器自身有不同程度的工作噪聲，加上出廠時儀器間的靈敏度不完全一致，多方面噪聲疊加，造成各儀器對噪聲的反饋不一致。另外，臺站氣溫平均值較低，地下室內潮濕，內外溫差大，也可能造成兩套儀器噪聲值不一致。

2.4 日變幅

地磁日變幅是指一天中的最大值與最小值的差值，反映當天的磁場變化幅度。從各分量日變幅數據對比可以得出，各分量曲線大致重合，日變形態一致，通過計算各分量日變幅平均值之差得出，Z分量為0.14，H分量為0.27，D分量為-0.001。這說明D

分量一致性非常好，H分量偏差稍大。經過觀測場地巡查，發現觀測室內溫度較為恒定，但濕度較大，地面、墻面甚至有少量積水，懷疑安裝過程中玻璃罩、線管密封性不夠，導致儀器線路受潮，影響儀器工作狀態，進而表現出不一致性。

3 結論

從原始分數據對比直觀來看，兩套儀器均能記錄各種干擾信息，表現程度大致相同。考慮到儀器性能、靈敏度差異等原因，儀器間的細微差異屬于正常現象。全國電磁學科預報技術管理組認為，對同一臺站而言，觀測資料差值D≤±0.1′，H≤±2 nT，Z≤±2 nT[6]。兩套儀器三分量日均值差值平均值均符合要求，年度變化一致性非常好。通過和地磁臺網中心的噪聲數據對比得出，D分量噪聲最小，Z分量噪聲最大，排除臺站外部和儀器自身因素外，兩套儀器在一致性上的表現基本相同。通過計算各分量日變幅平均值之差可知，D分量一致性非常好，H分量、Z分量一致性較差。受觀測室內溫濕度影響，兩套儀器表現出不完全一致性。

自上線運行以來，仙女山地震臺兩套磁通門磁力儀保持連續穩定，運維次數非常少。其磁通門數據曲線形態與重慶市地震局其他臺站相似，可認為儀器穩定可靠，排除儀器性能、靈敏度差異、噪聲和室內溫濕度等方面原因。從原始分數據、日均值、噪聲和日變幅等方面的數據圖形對比分析可以得出，兩套儀器各項表現一致性較好，數據資料滿足全國電磁學科預報技術管理組規范要求，觀測質量較好。