蒙城國家野外觀測研究站F值一致性的初步分析

應允翔　汪繼林　王飛　劉紅飛 張明明

摘要：蒙城國家野外觀測站現有GM-4磁通門磁力儀、G-856質子旋進磁力儀，GSM-19T質子旋進磁力儀三套地磁儀器，對儀器測量的總強度F觀測數據，進行趨勢變化、均值、差值以及基線值的對比分析，認為臺站儀器F的觀測數據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，達到了國內高精度地磁觀測的水平。

關鍵詞：F值；差值；數據對比；野外觀測研究站；一致性；高精度地磁觀測 文獻標識碼：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據對比，正確分析地磁數據。與此同時，隨著絕對觀測技術的發展及各臺站數字化儀器的配備，使得地磁臺站能夠實現高精度和高準確度的數據觀測。對于同一臺站配備多套儀器的情況，根據多套不同儀器獲取的相同分量的數據進行對比分析，可以及時有效地分析本臺站數據的可靠性。理論上，對于同地、同時間的地磁場總強度F應該完全相同，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質子旋進磁力儀、GSM-19T質子旋進磁力儀的記錄數據進行對比分析，通過對比三套儀器的總強F觀測數據，研究三套儀器的相關性，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的黃柏山上，臺站地處郯廬斷裂帶的西側，北西向的渦河斷裂從臺站南東側通過。臺基主要是震旦系砂巖及第四紀覆蓋層，周圍地區覆蓋在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。該地區地質構造復雜，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。臺站現有G-856質子旋進磁力儀、GSM-19T質子旋進磁力儀以及GM-4磁通門磁力儀，觀測資料連續、穩定、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，結合GM-4數據檢驗蒙城地震臺各套地磁觀測儀器的工作狀態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三個分量數據，連續記錄磁場變化，分辨率為0.1nT。自投入使用以來，儀器運行正常，極少出現數據斷記現象，已產出多年連續穩定可靠數據。

G-856質子旋進磁力儀于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測數，一次測數完成后需要幾秒鐘才能進行第二次測數，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，近年來產出數據可靠穩定。

GSM-19T質子旋進磁力儀于2013年投入使用，由加拿大GEM公司生產，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。儀器性能穩定、數據可靠，已產出2年數據。2014年10月至2015年9月，一年時間內，三套儀器運行穩定，未出現斷記或儀器故障的情況。由于臺站位置偏遠，遠離城鎮、道路、工廠企業等干擾因素，觀測環境優良。G-856與GSM-19T主要性能參數如表1中所示：在靈敏度、分辨率、絕對精度、動態范圍、梯度容差、工作溫度及存儲容量等性能方面，GSM-19T均優于G-856質子磁力儀。通過對臺站兩套儀器進行比測，測試結果中，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接口下載觀測數據，而觀測數據的文件格式有所不同，G-856磁力儀數據輸出文件為stn格式，運用MagMap2000導入后輸出dat格式文件數據。GSM-19T磁力儀數據輸出文件為txt格式，在后期的數據通化處理中，需注意格式的統一。

臺站絕對觀測儀器使用國產的CTM-DI磁通門經緯儀。儀器分辨力為0.1nT，零場偏移為±1nT，系統噪聲小于0.2nT，環境溫度為-10℃～40℃。全年累計一共進行超過100次絕對觀測，每次觀測三組數據，從中選取兩組數據，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全年無數據丟失和儀器中斷現象，資料連續率及完整率均達到100%。G-856、GSM-19T全年工作記錄狀態良好，連續率為100%，未出現遲記、漏記現象。

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、穩定性及一致性等，對所選取時間段內世界時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定性分析。GM4磁通門磁力儀測定地磁場總強度F，是根據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點觀測的數據，兩套儀器的數據圖形具有很好的一致性。

通過對這兩組數據進行相關系數分析，得到相關系數為0.99775，說明兩套儀器測得F相關性很高。對兩套儀器世界時13點的數據做差，得到兩組數據的差值，利用軟件將這這組數據作圖，得到如圖2所示結果，由圖2可以清晰地看到，兩組數據的差值基本控制在4～5.5nT的區間內，偶爾有超出部分，可能與磁場擾動強度有關。

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關系。

3 分析與討論

（1）G-856、GSM-19T與GM-4計算出的F值的相關系數在0.95以上，說明3套儀器的觀測數據質量都很高，尤其是G-856與GSM-19T相關系數達到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生較大影響。通過差值分析，可及時發現觀測中的問題。G-856與GSM-19T均可以配合DI進行絕對觀測，而且數據可以用于對比參考分析；（3）GSM-19T質子磁力儀無明顯系統誤差。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勢；（4）G-856和GSM-19T相關性很好，差值在一定范圍內變化，而這種變化的主要原因是由于儀器墩差造成的，差值超出區間范圍的大部分情況為磁場擾動比較大的時間段。

4 結語

通過對上述資料的分析與對比，可以看出，數字化儀器G-856和GSM-19T對地磁場F值的記錄結果一致性較高，具有很高的觀測精度和溫度性。其觀測數據連續可靠，已達到國內高精度地磁觀測水平。兩套儀器相互配合，可以通過對比數據變化發現兩個儀器的穩定性，當其中一臺儀器出現故障時，另一臺可以替代使用，保證臺站總強F觀測的連續穩定，對資料的準確性起到了很好的對比監督作用。

參考文獻

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（責任編輯：蔣建華）