地磁基準(zhǔn)臺相對記錄室溫度變化特征分析

[摘要] 地磁相對記錄室溫度的變化會對相對記錄數(shù)據(jù)產(chǎn)生偏差，從而對地磁基線值造成影響。本文利用中國40個(gè)地磁基準(zhǔn)臺2021—2023年相對記錄室年溫差和日溫差的觀測數(shù)據(jù)，結(jié)合數(shù)據(jù)結(jié)果分析了各個(gè)臺站相對記錄室的建筑方式與溫度變化之間的關(guān)系。研究結(jié)果表明：相對記錄室年溫差小于10℃的臺站約占統(tǒng)計(jì)總數(shù)的70%，日溫差小于0.3℃的臺站約占統(tǒng)計(jì)總數(shù)的85%；地磁相對記錄室的保溫效果越好，對溫度的影響就越小。全地下室型記錄室的保溫效果最好，半地下室型記錄室的保溫效果次之，全地上結(jié)構(gòu)保溫效果較差，但保溫層較厚的也能滿足規(guī)范要求。在相對記錄室建設(shè)和改造中，對于年氣溫變化較大的地磁臺站，應(yīng)優(yōu)先選擇全地下室型結(jié)構(gòu)，半地下室型記錄室和全地上結(jié)構(gòu)建筑應(yīng)增加保溫層厚度。

[關(guān)鍵詞] 地磁基準(zhǔn)臺; 相對記錄室; 溫度變化

[DOI] 10.19987/j.dzkxjz.2024-070

基金項(xiàng)目： 河北省地震科技星火計(jì)劃項(xiàng)目（DZ2023120900001），中國地震局地震監(jiān)測、預(yù)報(bào)、科研三結(jié)合課題（3JH-202402070）和中國地震局地震科技星火計(jì)劃項(xiàng)目（XH23006A）聯(lián)合資助。

0 引言

地磁臺站的基本任務(wù)是取得連續(xù)可靠的地磁觀測數(shù)據(jù)，服務(wù)于地震監(jiān)測預(yù)報(bào)、地球科學(xué)研究以及空間電磁環(huán)境監(jiān)測等諸多領(lǐng)域。中國地磁基準(zhǔn)臺站觀測系統(tǒng)通常分為地磁絕對觀測和相對記錄兩大部分，地磁絕對觀測采用D、I、F組合，由質(zhì)子磁力儀測量總強(qiáng)度F，磁通門經(jīng)緯儀測量D和I，相對記錄一般使用三分量磁通門磁力儀來測量D、H、Z三要素[1]。

三分量磁通門傳感器內(nèi)的鐵磁性材料、電子元件和線圈的性能都會受到溫度的影響。如果儀器所在環(huán)境的溫度變化較大，可能會導(dǎo)致測量值偏離真實(shí)值。例如，地磁各分量基線值與記錄室溫度變化呈顯著相關(guān)關(guān)系，其中溫度變化對Z分量基線值影響最大，D、H分量次之[2-4]。由于每次絕對觀測時(shí)間較短，溫度對絕對觀測儀器的影響較小，因此大部分臺站絕對觀測室沒有采取保溫措施。相對記錄儀器為連續(xù)記錄，溫度的變化對其數(shù)據(jù)質(zhì)量影響較大，為保證數(shù)據(jù)質(zhì)量的準(zhǔn)確可靠，Intermagnet 臺站要求相對記錄室的日溫差小于0.3℃，年溫差小于20℃[5]，中國地磁臺站建設(shè)規(guī)范要求相對記錄室的日溫差宜不大于0.3℃，年溫差宜不大于10℃[6]。為保證日溫差和年溫差符合規(guī)范要求，我們在地磁基準(zhǔn)臺相對記錄室的建設(shè)中一般采用全地下室、半地下室或地面建筑堆土覆蓋等結(jié)構(gòu)，通道處采取多道門的設(shè)計(jì)，對門和墻壁進(jìn)行加厚處理，在房頂鋪設(shè)泡沫等保溫材料，對儀器安裝有機(jī)玻璃罩等，以此多項(xiàng)措施對儀器進(jìn)行保溫，并架設(shè)多套儀器并行觀測[2，7]。

自2008年中國數(shù)字化地磁觀測臺網(wǎng)建成以來，積累了大批量高精度數(shù)據(jù)[8-9]。本文通過對中國地磁基準(zhǔn)臺2021—2023年數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，有40個(gè)臺站的觀測數(shù)據(jù)較為完整，計(jì)算其相對記錄室的年溫差和日溫差，結(jié)合數(shù)據(jù)結(jié)果分析了各個(gè)臺站相對記錄室的建筑類型與溫度變化之間的關(guān)系，為地磁臺相對記錄室的新建和改造提供參考。

1 地磁基準(zhǔn)臺觀測概況

我國最早開始建成觀測的地磁臺站有8個(gè)，即佘山（1874年）、長春（1953年）、北京（1954年）、拉薩（1956年）、廣州（1957年）、武漢（1957年）、蘭州（1958年）和烏魯木齊（1964年）地磁臺，俗稱“老八臺”。這些臺站為中國地磁臺網(wǎng)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。1966年3月8日，河北省邢臺地區(qū)發(fā)生6.8級強(qiáng)烈地震，為了研究地震與地磁場之間的關(guān)系，大批科技工作者奔赴地震災(zāi)區(qū)，在震中附近區(qū)域開展單分量地磁測量和日變化記錄，進(jìn)而建立了地磁臺，開始了震磁關(guān)系與地震預(yù)報(bào)的研究與探索[10]。截至目前，國家地磁臺網(wǎng)總計(jì)約170個(gè)地磁臺站，其中地磁基準(zhǔn)臺有45個(gè)，還有近百個(gè)地磁基本臺和少部分地磁臺陣。

地磁觀測采取絕對觀測與相對記錄互相補(bǔ)充的觀測方式[3]。中國地磁基準(zhǔn)臺配備的絕對觀測儀器主要為MINGEO-DIM、MAG-01H、CTM-DI型磁通門經(jīng)緯儀以及G856、GSM-19T、Overhauser等地磁總強(qiáng)度觀測儀；相對記錄儀器主要為GM4、FGM01型磁通門磁力儀以及FHDZ-M15地磁總場與分量組合觀測系統(tǒng)，產(chǎn)出地磁七要素X、Y、Z、F、H、D、I數(shù)據(jù)，監(jiān)測中國地磁場的時(shí)空變化規(guī)律。其中絕對觀測需要每周一和周四進(jìn)行人工觀測，相對記錄為全天24小時(shí)秒采樣不間斷記錄。

相對記錄室通常分為電器室、樓梯通道以及記錄室三大部分。電器室放置儀器主機(jī)以及電源、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等，記錄室放置儀器探頭和模擬裝置等。相對記錄室的建設(shè)有全地下室型（圖1）和半地下室型（圖2）等結(jié)構(gòu)。由圖1可見，全地下室型記錄室除電器室外，其余建筑均在地面以下，而半地下室型記錄室電器室和一部分通道在地面以上（圖2）。另外，有些地磁臺站因地下水位較淺，相對記錄室建設(shè)多為地上結(jié)構(gòu)并堆土覆蓋。

2 數(shù)據(jù)的選取和分析

2.1 數(shù)據(jù)的選取

本文利用地磁數(shù)據(jù)處理軟件_V2023.2版從國家地磁臺網(wǎng)中心數(shù)據(jù)庫下載各地磁基準(zhǔn)臺2021—2023年的數(shù)據(jù)，由于個(gè)別臺站受外界干擾嚴(yán)重或停測導(dǎo)致數(shù)據(jù)不完整，因此從中選取了40個(gè)臺站數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2.2 記錄室溫度變化統(tǒng)計(jì)與分析

圖3為40個(gè)地磁基準(zhǔn)臺相對記錄室2021—2023年的年溫差和日溫差以及建設(shè)類別，其中日溫差為全年最大日溫差。由圖3可見，同一臺站3年之間的年溫差和日溫差變化不大，年溫差最小的臺站為乾陵臺（1.91℃），最大為崇明臺（23.29℃）。全地下室型結(jié)構(gòu)相對記錄室年溫差和日溫差均能滿足規(guī)范要求，半地下室型結(jié)構(gòu)約一半能滿足規(guī)范要求，這些臺站在地下室和通道上方覆蓋了較厚的土層，保溫效果較好，全地上結(jié)構(gòu)大都不能滿足規(guī)范要求。乾陵、肇慶、涉縣、靜海和大連臺相對記錄室為全地下室型結(jié)構(gòu)，且覆土較厚，三年的年溫差均小于5℃。紅山臺為半地下室型結(jié)構(gòu)，通海臺為地面結(jié)構(gòu)覆蓋土層，昌黎臺為全地下室型結(jié)構(gòu)，但三者年溫差較為接近；紅山臺和長春臺雖都為半地下室型結(jié)構(gòu)，但長春臺較紅山臺年溫差大3℃左右，由此可見，對于寒冷地區(qū)應(yīng)加大覆蓋土層厚度。崇明、泰安等臺站為地上結(jié)構(gòu)，保溫效果較差。

圖4為涉縣臺和泰安臺相對記錄室的實(shí)物圖，為直觀體現(xiàn)兩種保溫方式，涉縣臺給出了剖面圖，泰安臺給出了俯視圖。圖中涉縣臺的地表石材建筑為電器室，樓梯在室內(nèi)垂直向下，地下通道有多道門，探頭室上方覆蓋約3 m土層。泰安臺無地下室，內(nèi)部有一空心夾層，里面放置儀器。

對40個(gè)地磁基準(zhǔn)臺2021—2023年每年的年溫差和日溫差的范圍分層次進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（表1），結(jié)果顯示，年溫差小于10℃的臺站約占統(tǒng)計(jì)總數(shù)的70%，日溫差小于0.3℃的臺站約占統(tǒng)計(jì)總數(shù)的85%。

2.3 記錄室溫度變化對基線值的影響

對乾陵臺、紅山臺、長春臺、崇明臺4個(gè)有代表性的臺站2021年全年日溫差變化情況以及各臺站基線值與溫度之間的相關(guān)性進(jìn)行對比分析（圖5）。由圖5可見，乾陵臺全年日溫差變化幅度非常小，最大為0.07℃，且季節(jié)性不明顯；紅山臺和長春臺日溫差有明顯的季節(jié)性，且變化形態(tài)較為一致，冬季和夏季日溫差變化較大；崇明臺全年的日溫差變化均較大，季節(jié)性不明顯。

對紅山臺2021—2023年3年的基線值與溫度變化趨勢進(jìn)行對比（圖6），由圖6可見，每年的變化趨勢是一致的。表2為2021年乾陵臺、紅山臺、長春臺、崇明臺D、H、Z分量基線值與溫度的相關(guān)系數(shù)，結(jié)合圖7—10可見，全年溫度變化越小，基線值的波動(dòng)范圍就越小。各分量基線值與溫度都有相關(guān)性，乾陵臺、紅山臺和長春臺D、H分量基線值與溫度呈明顯的正相關(guān)，而崇明臺D分量雖呈正相關(guān)但不明顯且H分量呈明顯的負(fù)相關(guān)；乾陵臺和紅山臺Z分量基線值與溫度呈明顯的負(fù)相關(guān)，而崇明臺Z分量呈明顯的正相關(guān)，長春臺Z分量相關(guān)性不明顯；各分量相關(guān)系數(shù)的大小與記錄室年溫差的大小沒有相關(guān)性。

3 結(jié)論與討論

結(jié)合各地磁基準(zhǔn)臺相對記錄室的建設(shè)類別和相對記錄室溫度變化與基線值關(guān)系的分析，得出以下結(jié)論：

（1）40個(gè)地磁基準(zhǔn)臺相對記錄室年溫差小于10℃的臺站約占統(tǒng)計(jì)總數(shù)的70%，日溫差小于0.3℃的臺站約占統(tǒng)計(jì)總數(shù)的85%。

（2）全地下室型記錄室的年溫差和日溫差均能滿足規(guī)范要求，半地下室型記錄室的年溫差有個(gè)別臺站超出了規(guī)范要求；全地上結(jié)構(gòu)大都不能滿足規(guī)范要求，但保溫層較厚的臺站也能滿足規(guī)范要求。

（3）相對記錄室日溫差在夏季和冬季變化相對較大；東北等寒冷地區(qū)年氣溫變化較大的臺站，相對記錄室年溫差也相對較大。

（4）相對記錄室溫度的變化會對地磁基線值產(chǎn)生一定的影響。

綜上所述，地磁相對記錄室的保溫效果越好，對溫度的影響就越小。全地下室型記錄室的保溫效果最好，半地下室型記錄室的保溫效果次之，全地上結(jié)構(gòu)保溫效果較差。在相對記錄室建設(shè)和改造中，對于年氣溫變化較大的地磁臺站，應(yīng)優(yōu)先選擇全地下室型結(jié)構(gòu)，半地下室型記錄室和全地上結(jié)構(gòu)建筑應(yīng)增加覆蓋土層或保溫層的厚度。

后續(xù)研究中將擴(kuò)大研究范圍，以提高研究結(jié)果的普遍適用性，并開展溫度變化對地磁觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量影響的具體機(jī)制分析。

致謝

文中使用的地磁數(shù)據(jù)來自于中國地震局地球物理研究所國家地磁臺網(wǎng)中心，在此表示感謝。

參考文獻(xiàn)

[1]中國地震局監(jiān)測預(yù)報(bào)司. 地震電磁學(xué)理論基礎(chǔ)與觀測技術(shù)[M]. 北京：地震出版社，2010"Department of Earthquake Monitoring and Prediction，China Earthquake Administration. Earthquake electromagnetics theory basis and observation technology[M]. Beijing：Seismological Press，2010

[2]師婭芳，李鵬，張福，等. 談地磁觀測中的溫度效應(yīng)[J]. 防災(zāi)科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，14（1）：44-47"Shi Y F，Li P，Zhang F，et al. Analysis of temperature effects in geomagnetic observation[J]. Journal of Institute of Disaster Prevention，2012，14（1）：44-47

[3]王曉美，滕云田，王喜珍，等. GM4型磁通門磁力儀性能檢驗(yàn)方法[J]. 地震地磁觀測與研究，2008，29（6）：88-94"Wang X M，Teng Y T，Wang X Z，et al. The test method for the performance of fluxgate magnetometer[J]. Seismological and Geomagnetic Observation and Research，2008，29（6）：88-94

[4]羅玉芬，王建格，陸鏡輝. 肇慶地磁臺基線值觀測精度分析[J]. 華南地震，2021，41（3）：148-154"Luo Y F，Wang J G，Lu J H. Accuracy analysis of baseline value observation at Zhaoqing geomagnetic station[J]. South China Journal of Seismology，2021，41（3）：148-154

[5]辛長江，李秋紅. Intermagnet地磁臺站簡介[J]. 地震地磁觀測與研究，2001，22（3）：48-52"Xin C J，Li Q H. Brief introduction of geomagnetic observatory of Intermagnet[J]. Seismological and Geomagnetic Observation and Research，2001，22（3）：48-52

[6]中國地震局. 地震臺站建設(shè)規(guī)范 地磁臺站：DB/T 9— 2004[S]. 北京：地震出版社，2004"China Earthquake Administration. Specification for the construction of seismic station Geomagnetie station：DB/T 9— 2004[S]. Beijing：Seismological Press，2004

[7]Zhang S Q，F(xiàn)u C H，Zhao X D，et al. Strategies in the quality assurance of geomagnetic observation data in China[J]. Data Science Journal，2024，23：9

[8]姚休義. 地磁臺站觀測異常識別與數(shù)據(jù)重構(gòu)技術(shù)研究[D]. 北京：中國地震局地球物理研究所，2015"Yao X Y. Method of artificial electromagnetic disturbances identification and data reconstruction[D]. Beijing：Institute of Geophysics，China Earthquake Administration，2015

[9]胡秀娟，和少鵬，郭鵬昆，等. 紅山臺地磁觀測車輛干擾特征研究[J]. 地震，2024，44（2）：147-158"Hu X J，He S P，Guo P K，et al. Research on vehicle interference characteristics of geomagnetic observations at Hongshan station[J]. Earthquake，2024，44（2）：147-158

楊冬梅. 中國地磁臺網(wǎng)建設(shè)與發(fā)展[J]. 地震地磁觀測與研究，2015，36（6）：2"Yang D M. Construction and development of geomagnetic network in China[J]. Seismological and Geomagnetic Observation and Research，2015，36（6）：2