磁通門在普通山洞觀測數據分析

陳傳華 劉作華 朱 飛 賈立國邢偉偉 林秀娜 王少波

1）中國山東 271000 泰安基準地震臺

2）中國山東 272400 嘉祥地震監測中心臺

0 引言

隨著社會經濟的快速發展，地磁觀測環境受到的威脅日益嚴重（吳喬木，2007；李軍輝等，2008；蔣璀等，2011；羅俊秋，2011），中國已經有不少地磁臺遷址。地磁房相對記錄室對保溫和無磁建筑要求較高（吳海軍等，2009；吳玉田等，2009；江蕾等，2012），磁房建設費用高、難度大、周期長。利用現有地震臺的山洞進行地磁短期觀測，簡單方便且運行環境容易得到保障，可以作為地磁觀測的一種有力補充，為地震監測預報、短臨跟蹤和基礎研究等積累基礎數據。

泰安地震臺（以下簡稱泰安臺）具有優良的地震觀測專用山洞，洞內溫度和周圍環境穩定，筆者利用普通山洞對地磁相對觀測開展可行性研究，對比試驗過程及數據分析。

1 對比試驗

1.1 儀器性能測試

試驗儀器采用中國地震局地球物理研究所生產的GM4磁通門磁力儀，相關技術性能為：采樣率1次/s；分辨力0.1 nT；噪聲水平小于0.1 nT RMS；溫度系數小于1 nT/℃。

在山洞觀測試驗前，在磁房檢驗測試儀器性能。2011年11月1日—12月31日將編號為GM4(3)的試驗用磁通門磁力儀安放在泰安臺地磁相對記錄室內，進行為期2個月的對比觀測。從儀器背景噪聲、日變形態、干擾時段等方面進行對比，各分量均優于現磁房內編號為GM4(2)的觀測儀器。尤其是Z分量背景噪聲，GM4(3)儀測值小于GM4(2)儀0.01—0.03 nT，說明其在噪聲控制方面較好（圖1）。

圖1 背景噪聲差值對比曲線[GM4(3)－GM(2)]Fig.1 The background noise difference curve comparison [GM4(3)－GM(2)]

1.2 計算方法

采用世界時16時開始計算背景噪聲數據，計算分為10段，每段時間長度為1 000 s，1—10 s的最大、最小值差作為第1個差值數S1，第2 s至11 s最大、最小數的差值做第2個差值數S2，依次類推，即S1，S2，…，Sn-1，Sn，做出990個差值數，將差值數值的均方差S作為背景噪聲。背景噪聲可表示為

式中，n為時間長度，每段時間長度-10，n=990，計算時要求該時段內不能有缺數。

1.3 試驗準備

在山洞的空洞室，使用G856測總場F，選擇磁場梯度在5 nT以內相對穩定的位置，確定原模擬擺房，并進行相關改造，使墩面高度1 m范圍內梯度約2 nT/m。具體改造為：①2011年7月，對選定洞室進行清理，拆掉可見磁性物（包括電源線）；②2011年9月26日安裝大理石觀測墩（墩面30 cm×30 cm，高80 cm），用水泥固定；③2011年12月31日安裝測試GM4磁通門，GPS天線安裝在山洞口（圖2）；④對GM4儀自帶GPS天線另加無源天線放大器，長度為70 m時授時信號正常。

圖2 試驗儀器擺放Fig.2 Test instrument location maps

1.4 試驗觀測數據問題排查

山洞內試驗觀測從2012年1月1日開始，將GM4(3)和Gm4(2)接入試驗服務器管理系統，每天定時采集數據進行預處理。在查看GM4(3)秒數據時發現，H、Z分量存在整點脈沖（圖3），H分量較明顯。當日脈沖均出現在整時1 s，具有規律性，為此對山洞內可能干擾因素進行分析、排查。因磁通門對時間要求精度高，GPS校時每小時1次。在1月19日—24日，對GPS放大器進行斷開試驗，斷開后整點脈沖消失，經反復試驗，確定為無源GPS放大器引入干擾信號。采用GPS信號轉發器，將GPS信號引入山洞，解決了GPS信號線過長無法接收信號的問題。

圖3 GM4(3)儀H分量秒數據整點脈沖Fig.3 GM4 (3) H components data the whole point of pulse

2 試驗數據分析

在2012年5月18日重新調整磁通門水平，為保證試驗數據的真實可靠，舍棄1—5月數據，選取2012年6月—12月的觀測數據，在預處理數據時只去除整點脈沖，保留數據的原始性。

2.1 相關系數

表1 相關系數Table 1 correlation coeff i cient

采用國家地磁臺網中心的《地磁臺陣虛擬數據管理中心》系統進行分析，選取2012年6—11月的預處理秒數據，按照國際磁靜擾日，對數據按靜日和擾日分別進行相關系數計算（表1）。從表1可見，各分量相關性較高，系數均達99.9%以上，說明數據變化形態一致。

2.2 日變幅分析

地磁日變幅是指1天內地磁要素變化極大值與極小值的差，能直接反映地磁場活動的強弱，對于了解地磁場變化特征、解釋“地磁低點位移”現象等，均具有一定的物理意義（李軍輝等，2012）。采用分鐘值數據計算日變幅，差值由GM4(2)－GM4(3)得到（圖4）。

圖4 2012年6—11月GM4(2)－GM4(3)三分量日變幅差值曲線(a)D分量；(b)H分量；(c)Z分量；(d)K指數和Fig.4 GM4 (2) -GM4 (3) three diurnal amplitude difference curve from June to November，2012

從圖4可見，磁房內GM4(2)各分量日變幅值比山洞內儀器大，D分量大0.2 nT左右；H分量幅度在磁暴期間變化較大，主相時山洞儀器大5.3 nT；Z分量大1 nT左右。同時計算K指數總和與3個分量的相關系數（D為0.357、H為0.595、Z為0.02）。由圖4(d)可見，D分量和H分量受影響明顯，Z分量幾乎不受影響。磁場擾動對兩儀器的影響存在一定差異。

表2為3個分量靜擾日、通日的日變幅變化統計數據[GM4(2)－GM4(3)]。兩儀器日變幅差D分量約0.2 nT，Z分量約0.5 nT；H分量在靜日和通日約0.8 nT，但擾日變化明顯，最大5.3 nT，最小0.5 nT，說明在磁場變化劇烈時，山洞內儀器屏蔽影響明顯。

表2 三分量日變幅統計Table 2 Three daily variation amplitude statistics

應用地磁方法進行地震分析預報，經常用到地磁垂直分量日變幅逐日比與地震關系的分析（馮志生等，2001；張翼等，2007；張建國等，2008；趙衛紅等，2012）。圖5為磁房和山洞內兩儀器的逐日比值，兩者基本相等。可見，山洞記錄數據可以用于地震分析預報。

圖5 逐日比值Fig.5 Daily ratio

2.3 日均值分析

對Gm4(2)和Gm4(3)儀器的日均值進行一致性分析，發現3個D、H分量變化形態一致，但Z分量有明顯向上的趨勢變化，見圖6。為了直觀顯示該趨勢變化，對兩儀器Z分量日均值作差值[Gm4(2)－Gm4(3)]，并與溫度差一起繪圖，見圖6(d)。由于山洞內6—11月溫度變化只有0.1℃，溫度變化曲線實際是磁房溫度變化曲線，Z分量變化與磁房內溫度變化趨勢負相關，說明儀器受溫度影響較大。山洞年溫差0.5℃，對儀器溫度影響較小，而地面磁房內年溫差達到17℃，可見山洞具有明顯優勢。

圖6 2012年6—11月Gm4(2)－Gm4(3)日均值差值曲線（a）D 分量；（b）H 分量；（c）Z 分量；（d）Z 分量和 Tc溫度Fig.6 Gm4 (2)－Gm4 (3) daily mean value of difference curve from June to November，2012

2.4 子夜均值

地磁子夜均值時間段按IAGA推薦使用臺站地方時00時—03時地磁數據，由于地球背日面電離層電流體系微弱，可以忽略不計，因此通常利用臺站子夜時段的數據作為主磁場和地殼磁場研究的基礎數據（李西京等，2012）。選取子夜時段3個時均值數進行平均，然后做逐日差（圖7）。通過圖7可看出，兩儀器子夜均值的逐日差基本一致。

在高壓直流供電正常工作時，電流基本不會產生干擾，但出現故障或調試時，會出現較大的不平衡電流，對線路兩側臺站的地磁觀測造成干擾，對垂直分量Z影響最大（方煒等，2012）。對比山洞內外兩儀器對高壓直流輸電的干擾程度（圖8）可見，磁房與山洞內儀器Z分量變化趨勢一致，磁房內GM4（2）儀器數值大，兩儀器相對幅度變化差約1 nT，說明高壓直流的干擾同步性較好。

圖7 三分量子夜時均值逐日差(a)D分量；(b)H分量；(c)Z分量Fig.7 The mean daily difference of three component midnight

圖8 高壓直流輸電對Z分量干擾曲線（2012年6月12日10∶43—23∶35）(a)GM4(2)；(b) GM4(3)；(c) GM4(2)－ GM4(3)平均值Fig.8 High voltage direct current transmission on Z component interference graph(2012-06-12T10∶43-23∶35)

3 結論

在泰安臺普通山洞內進行為期1年的Gm4儀對比試驗，分析得到以下結論：①山洞與磁房的儀器日變形態相關性高，3個分量的相關系數均達99.9%以上，說明觀測方式可行；②山洞年溫差0.5℃，對儀器的溫度效應影響較小；③山洞儀器記錄各分量日變幅小于地面磁房記錄，在平靜日，D分量約0.2 nT，Z分約0.5 nT，H分量約1 nT，且地磁場總強度F小于地面測點，與詹志佳等（1990）觀測結果一致，說明山洞存在一定屏蔽和衰減效應；④在普通山洞內的觀測方式，因造價低、部署周期短、性能穩定，可以推廣應用到短臨跟蹤及地磁臺陣架設等課題。

本項目研究過程中得到地磁臺網中心李琪研究員的大力支持，并對本文撰寫給予幫助，在此深表謝意。

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