都蘭地震臺不同地磁觀測儀產出資料分析

盧嘉沁，羅賓生，趙玉紅

(青海省地震局,青海 西寧 810001)

0 引 言

隨著地震科技水平的日益提高，地震觀測逐步走向數字化、網絡化、智能化，其高精度、大動態(tài)的觀測數據在地震科研和預報中得到了廣泛應用[1]。“九五”項目期間江蘇省地震局研制出智能化分量質子磁力儀，即FHD質子磁力儀，具有數字化程度高和觀測精度高的特點[2]?！笆晃濉北尘皥鲰椖科陂g，配置GM4-XL型磁通門磁力儀，與其他類型的測磁儀器相比,磁通門磁力儀具有分辨力高、弱磁場測量范圍寬、可靠、能夠直接測量磁場的分量等特點[3],目前已被廣泛應用于地磁相對觀測 。

都蘭地震臺(以下簡稱“都蘭臺”)現有相對觀測儀器三套，其中FHD質子矢量磁力儀一套、GM4-XL型磁通門磁力儀兩套，其工作方式不同于模擬時代的相對記錄儀，架設和運行維護也有各自的特點，兩者所觀測的物理量相同但觀測原理不同，針對此種情況，本文選取2019年1月～2020年12月的觀測數據進行對比分析。

1 都蘭臺觀測環(huán)境及地磁儀器概況

1.1 臺站觀測環(huán)境

都蘭臺位于青海省海西蒙古族藏族自治州都蘭縣，屬國家Ⅱ類臺，海拔3 198 m。臺站所在位置屬昆侖褶皺系所屬二級構造單元—東昆侖褶皺帶之北緣，其北緣以深斷裂帶與祁連褶皺系相隔，而西接柴達木地塊，故地勢西高東低，山間常發(fā)育小型盆地。觀測環(huán)境周邊無鐵路、金屬管線等。無產生工業(yè)游散電流的干擾源。

1.2 地磁觀測概況

都蘭臺觀測場地于2007年建成，質子磁力儀(FHD-2)數據觀測質量良好。但2013年起受高速公路影響，觀測場地整體于2014年11月10日搬遷至磚廠(都蘭縣上莊村二隊)，搬遷后距離臺站4 km。質子磁力儀與地電場儀也隨之搬遷，同時架設三套地磁秒數據儀器(GM4-XL[6]、GM4-XL[7]、GSM-90F)，地磁觀測場地200 m范圍內磁場梯度小于1.0 nT/m，電磁環(huán)境干擾背景≤ 0.1 nT,靜態(tài)磁場干擾≤0.5 nT，符合地震臺站觀測環(huán)境技術要求，地磁觀測房均由石英砂建成，無磁性，從而減少了干擾。FHD-2的探頭、線圈與數采安裝在不同的地磁觀測室，信號線通過地埋方式連接到數采，兩者相距85 m，FHD-2測量范圍20 000～70 000 nT，精度總場F為0.3 nT，分量H(或Z)為0.6 nT，磁偏角D為0.1′。兩套GM4-XL型磁通門磁力儀由磁通門探頭、模擬裝置和主機三個單元構成，探頭采用地埋式方法埋設至相對記錄觀測室東側，測量范圍0～±62 500 nT，分辨力為0.1 nT，溫度系數小于1 nT/℃，工作溫度為0～+40 ℃。

2 觀測資料對比分析

為檢測三套儀器的觀測質量，對觀測資料的日均值、磁靜日分鐘值、磁擾日分鐘值分別進行差值對比分析，由于都蘭臺無基準觀測，通過對比西北地區(qū)的蘭州、天水、湟源、都蘭四個地震臺FHD-2自2019年至2020年的日均值曲線，發(fā)現四個臺站日均值曲線一致性高(圖1)，故選取都蘭臺FHD-2作為參考觀測儀器，都蘭臺地磁數據差值由FHD-2觀測數據分別與兩套GM4-XL型磁通門磁力儀觀測數據差值計算得出。差值的評判標準為ΔD≤0.2′、ΔH≤2 nT、ΔZ≤2 nT。

圖1 西北地區(qū)4個臺站質子磁力儀H分量日均值曲線

2.1 日均值對比

由日均值曲線及日均值差值數據可以看出：三套觀測儀器的曲線形態(tài)不一致，GM4-XL[6] 的D分量向上漂移，8月起向上漂移趨勢更為明顯；H分量4月起向上漂移，10月起轉為向下漂移；Z分量4月起向下漂移，10月轉為向上漂移。GM4-XL[7]的D、Z分量向下漂移，H分量向上漂移。對FHD-2與GM4-XL[6] 、FHD-2與GM4-XL[7]的各分量差值進行統(tǒng)計，范圍見下表，兩套磁通門磁力儀與質子矢量磁力儀各分量差值范圍均超過ΔD≤0.2′、ΔH≤2 nT、ΔZ≤2 nT的差值評判標準，且GM4-XL[6]與FHD-2各分量的差值與GM4-XL[7]與FHD-2各分量的差值相比較大。

圖2 都蘭臺同場地三套地磁儀器日均值曲線

表1 都蘭臺三套地磁儀器日均值差值統(tǒng)計表

2.2 預處理分數據比較

為分析三套儀器產出數據的一致性，特選取磁靜日2020年2月14日(K指數之和為3)和磁擾日2020年8月3日(K指數之和為27)兩天的預處理數據進行對比分析。

由磁靜日曲線可看出：三套儀器產出數據的曲線形態(tài)基本一致，由表2可看出磁靜日時兩套磁通門磁力儀與質子磁力儀的差值相差不大， H分量的差值均在差值評判標準范圍內，但D、Z分量差值超出ΔD≤0.2′、ΔH≤2 nT、ΔZ≤2 nT的差值評判標準。

圖3 磁靜日預處理分鐘值曲線

由磁擾日曲線及差值曲線可看出：三套儀器產出數據的曲線形態(tài)基本一致，由表2可看出磁擾日時兩套磁通門磁力儀與質子磁力儀的差值相差不大，但各分量差值均超出ΔD≤0.2′、ΔH≤2 nT、ΔZ≤2 nT的差值評判標準。

表2 都蘭臺三套地磁儀器預處理分鐘值差值統(tǒng)計

綜上，對全年日均值數據及預處理分數據分析可得出如下認識：①都蘭臺同場地地磁觀測儀器記錄數據長期變化曲線形態(tài)及差值差異較大，2套磁通門磁力儀均存在漂移現象，但漂移程度不同， GM4-XL[6]漂移現象更為明顯；②都蘭臺同場地地磁觀測儀器均可記錄到清晰的日變化形態(tài)，且日變化曲線形態(tài)一致性高，磁擾日時2套磁通門磁力儀與質子磁力儀的差值均較磁靜日時差值大，磁靜日時D、Z分量、磁擾日時各分量差值均超出ΔD≤0.2′、ΔH≤2 nT、ΔZ≤2 nT的差值評判標準。

圖4 磁擾日預處理分鐘值曲線

2.3 背景噪聲

當儀器正常觀測時，決定儀器性能好壞的核心指標不是儀器的靈敏度或分辨率，而是儀器的背景噪聲。地磁臺網的評比標準中包含儀器參考背景噪聲指標，可通過它來衡量儀器性能的優(yōu)良[4]。2020年都蘭臺2套磁通門磁力儀及質子磁力儀每月儀器背景噪聲、臺網公布的參考背景噪聲情況見表3和表4。

表3 磁通門磁力儀背景噪聲及臺網參考背景噪聲統(tǒng)計

表4 質子磁力儀背景噪聲及臺網參考背景噪聲統(tǒng)計

由磁通門磁力儀背景噪聲及臺網參考背景噪聲統(tǒng)計表及質子磁力儀背景噪聲及臺網參考背景噪聲統(tǒng)計表可知，2套磁通門磁力儀的背景噪聲顯然低于質子磁力儀的背景噪聲值。對于磁通門磁力儀而言，GM4-XL[6]的D、Z分量噪聲值低于GM4-XL[7]的D、Z分量，且低于臺網參考背景噪聲值；GM4-XL[7]的D、Z分量噪聲值大于臺網參考噪聲值，Z分量尤為明顯；GM4-XL[6]與GM4-XL[7]的H分量噪聲值相差不大，但均超過臺網參考背景噪聲值。對于質子磁力儀而言，2020年D分量噪聲值高于臺網參考背景噪聲值的月份較多。綜上可看出同場地質子磁力儀的背景噪聲高于磁通門磁力儀背景噪聲，相同地磁儀器的背景噪聲也存在差異，GM4-XL[6]的噪聲值小于GM4-XL[7]的噪聲值，故GM4-XL[6]的精度相對而言更高。

3 影響觀測資料的因素分析

對觀測資料進行分析梳理，發(fā)現引起磁通門磁力儀數據的因素主要有觀測系統(tǒng)故障、預處理錯誤以及放置探頭環(huán)境溫度等可控因素及儀器自身原因引起的一系列不可控因素等。

有無模擬患者對一年級學生掌握胰島素注射技術和咨詢技能的影響[13]。對照組采用傳統(tǒng)的教學方法。在干預之前，所有學生都接受了知識測試，以評估他們對胰島素注射技術和咨詢技能的基本理解。干預組加入模擬患者，學生們用示教的方式向患者提供咨詢，直到他們感覺患者接受了足夠的正確使用胰島素的培訓。在干預后一個月，所有學生完成知識保留測試。知識保留測試是使用與干預前測試相同的25個多項選擇題測試，但是答案和問題順序被重置。通過兩樣本t檢驗進行分析，在藥學課程中加入模擬患者教學，可以提高學生的咨詢能力和臨床技能的知識保留。

3.1 觀測系統(tǒng)故障對資料的影響

對都蘭臺磁通門磁力儀而言，觀測系統(tǒng)對觀測資料的影響因素主要包括數采故障、供電故障兩方面。外界環(huán)境并無干擾，但記錄數據仍然出現亂數(尤其只有D分量出現亂數時)一般為數采故障所致，供電系統(tǒng)故障一般為智能電源死機所致，其表現形式為D、H、Z三個分量出現大幅度臺階，上述故障均會引起數據同步性降低，使得磁通門磁力儀與參考觀測儀產出的資料差值增大。

對質子磁力儀而言，觀測系統(tǒng)對觀測資料的影響因素主要包括儀器工作參數偏離的影響、交流電磁的影響、信號線長度的影響。各分量大幅度突跳致使數據曲線無正常形態(tài)，此現象一般為儀器參數偏離或交流電磁影響所致。在FHD-2B觀測系統(tǒng)中，連接探頭和儀器間的信號線還存在少量分布電容和線阻，若信號線較短，可忽略線阻和分布電容對選頻的影響；若信號線較長，信號線中存在的分布電容和電阻就較大，會對FHD質子磁力儀選頻特性產生一定的影響，造成選頻中心頻率偏移，并降低信噪比；信號線較長，信號線電阻較大時，會衰減儀器的信號強度，造成測量數據噪聲增大。此外，信號線較長易受到交流電磁耦合干擾，造成數據噪聲增大[5]。為解決信號線長度造成的噪聲干擾，FHD-2B提供信號線分布電容修正功能，根據信號線長短不同，進行分布電容修正，從而選頻更加精確；廠家發(fā)現信號線較長，也會適當提高探頭的激化電壓，調整儀器信號放大倍數，從而提高信噪比。若改變信號線長度，信號放大倍數與分布電容修正值作相應調整，否則選頻特性將發(fā)生改變，偏離較大時會使磁場測量精度降低。要保證測量精度，最好將信號線控制在50 m以內[6]。而都蘭臺FHD-2B質子磁力儀觀測系統(tǒng)中，儀器探頭與儀器數采位于兩間觀測室內，信號線通過地埋方式連接，長約85米，信號線過長，導致觀測曲線較粗，背景噪聲較大。

同時地磁數據變化還與時間服務密切相關，觀測要求小于等于0.1 s，當時鐘偏差時，數據同步性降低，如圖5所示，都蘭臺FHD-2的時間較GM4-XL[6]、GM4-XL[7]滯后1分鐘，曲線形態(tài)表現為FHD-2的每一點均滯后于GM4-XL[6]與GM4-XL[7]，此類現象必然會引起儀器數據差值的增大。

圖5 時間不同步曲線

3.2 探頭所在環(huán)境溫度的影響

由于都蘭臺磁通門磁力儀探頭所在環(huán)境溫度在9月～10月時在0 ℃左右，且數據漂移現象明顯，故選取2020年9月、10月FHD-2分別與GM4-XL[6]、GM4-XL[7]的差值數據以及溫度觀測數據，分析差值與溫度的關系，同時選取6月～7月觀測環(huán)境溫度較高的時段與9月～10月超差率做對比，對不同觀測溫度下各分量的超差率進行統(tǒng)計，此處超差率計算如下：

(1)

結果如表5、6所示。

表5 GM4-XL[6]超差情況統(tǒng)計表

由表5可看出對于GM4-XL[6]：2020年9月～10月探頭所在的環(huán)境溫度在-0.6 ℃～0.3 ℃之間，溫度高于0.1 ℃、低于-0.3 ℃時超差率均為100%，在-0.1～0 ℃時三分量超差率有所下降；6月～7月探頭所在環(huán)境溫度在11.1～12 ℃之間，各分量仍存在超差現象，但超差率低于9～10月超差率。

表6 GM4-XL[7]超差情況統(tǒng)計表

綜合表5、表6可看出GM4-XL[6]與GM4-XL[7]兩套磁通門磁力儀的超差率與溫度有一定的關系， 6～7月溫度較高時各分量的超差率明顯下降，但兩套儀器各分量在相同溫度下超差率差別較大。

3.3 儀器溫度特性的影響

磁通門磁力儀溫度特性的檢驗方法采用都蘭臺兩套磁通門磁力儀分別與質子磁力儀日均值數據做差值，而后采用二元回歸分析法，研究數據與溫度的相關性及溫度系數，經過分析，可得出GM4-XL[6]的D、H、Z三分量數據與溫度的相關性分別為0.96、0.53、0.55，GM4-XL[7]的D、H、Z三分量數據與溫度的相關性分別為0.96、0.42、0.49，由此可看出兩套磁通門磁力儀的D分量均與溫度有明顯的相關性，但H、Z分量與溫度的相關性不明顯。GM4-XL[6]的D、H、Z三分量的溫度系數分別為0.18 nT/℃、15.1 nT/℃、8.97 nT/℃，GM4-XL[6]的D、H、Z三分量的溫度系數分別為0.54 nT/℃、9.93 nT/℃、5.58 nT/℃，故兩套磁通門磁力儀H、Z分量的溫度系數遠遠超過磁通門磁力儀技術性能中說明的小于1 nT/℃，由此可看出儀器各分量的溫度系數對觀測數據有一定的影響。

3.4 其他因素

儀器日變曲線不一致以及差值超差的原因還可能與磁通門磁力儀的探頭磁軸正交性、儀器定向、儀器格值等因素有關，由于都蘭臺目前不具備分析以上因素的條件，不再贅述。

4 結 論

通過對都蘭臺同場地不同地磁觀測儀器的觀測資料進行對比分析，得出如下結論：

(1)質子磁力儀(FHD-2)較磁通門磁力儀(GM4-XL[6]、GM4-XL[7])長期趨勢更加穩(wěn)定，能夠較好地反映出地磁場活動狀態(tài)，由于都蘭臺無基準觀測儀器，通過對比分析可將質子磁力儀作為參考觀測儀器。

(2)對日均值的分析表明都蘭臺同場地不同地磁觀測儀器記錄數據長期變化曲線形態(tài)及差值差異較大，磁通門磁力儀存在長期漂移現象；對預處理分鐘值的分析表明都蘭臺同場地地磁觀測儀器均可記錄到清晰的日變形態(tài)，且日變化曲線形態(tài)一致，但差值除磁靜日H分量未超差外，其余分量均超出差值評判標準，磁擾日差值大于磁靜日差值。

(3)背景噪聲對比分析表明磁通門磁力儀精度較質子磁力儀高，同種地磁儀器在同場地噪聲值也存在差異。

(4)造成都蘭臺同場地不同地磁觀測儀器記錄數據超差，數據形態(tài)不一致的主要原因為觀測系統(tǒng)故障、儀器時間不一致、磁通門磁力儀探頭所在環(huán)境溫度的變化及儀器溫度特性不同等。