山西地磁臺(tái)陣觀測(cè)數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)

張亮娥，陳常俊，劉素珍，賈海英，田文清，曹文強(qiáng)

(1.山西省地震局太原基準(zhǔn)臺(tái)，山西 太原 030025；2.山西省地震局，山西 太原 030021；3.山西省地震局代縣中心地震臺(tái)，山西 代縣 034200；4.太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，山西 太原 030025)

山西地磁臺(tái)陣觀測(cè)數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)

張亮娥1，4，陳常俊1，4，劉素珍2，4，賈海英3，4，田文清3，4，曹文強(qiáng)1，4

(1.山西省地震局太原基準(zhǔn)臺(tái)，山西 太原 030025；2.山西省地震局，山西 太原 030021；3.山西省地震局代縣中心地震臺(tái)，山西 代縣 034200；4.太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，山西 太原 030025)

山西省地震局于2014年9月至10月在山西北部恒山斷裂帶兩側(cè)布設(shè)5套GM4磁通門磁力儀，形成小口徑地磁臺(tái)陣，獲取地磁三分量的觀測(cè)資料。文章針對(duì)儀器運(yùn)行以來(lái)的觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，并對(duì)儀器運(yùn)行管理提出相關(guān)建議。

地磁臺(tái)陣；觀測(cè)數(shù)據(jù)；質(zhì)量評(píng)價(jià)

0 引言

地磁場(chǎng)是地球最基本的物理場(chǎng)之一，研究學(xué)者在一百多年前就已經(jīng)關(guān)注地震前存在的地磁異常變化，并在這方面做了大量的研究工作。1966年以來(lái)，我國(guó)逐步建立地磁觀測(cè)臺(tái)站與地磁觀測(cè)點(diǎn)，地磁觀測(cè)系統(tǒng)逐漸完善。

中國(guó)地震局“十五”地磁臺(tái)站數(shù)字化建設(shè)以來(lái)，數(shù)字化臺(tái)站已達(dá)50多個(gè)，分別在天祝、西昌、重慶建立了臺(tái)陣，運(yùn)轉(zhuǎn)磁通門磁力儀約200套。2014年，在山西北部恒山斷裂兩側(cè)布設(shè)5套GM4磁通門磁力儀，形成小口徑地磁臺(tái)陣。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源

2008年汶川8.0級(jí)地震發(fā)生后，山西北部至?xí)x冀蒙交界地區(qū)被列為重點(diǎn)監(jiān)視區(qū)域。為此，山西省地震局于2014年9月至10月在山西北部恒山斷裂帶兩側(cè)布設(shè)5套GM4磁通門磁力儀，采樣間隔為1 s，觀測(cè)周期從2 s到數(shù)十分，儀器的峰-峰值噪聲小于0.1 nT，以獲取地磁三分量的觀測(cè)資料。各測(cè)點(diǎn)具體位置如圖1所示。

2 數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)

2.1 數(shù)據(jù)分析

表征完整性與有效性的指標(biāo)有兩個(gè)，一個(gè)為數(shù)據(jù)連續(xù)率，指實(shí)際產(chǎn)出數(shù)據(jù)與應(yīng)產(chǎn)出數(shù)據(jù)的比值；另一個(gè)為數(shù)據(jù)完整率，指有效數(shù)據(jù)與應(yīng)產(chǎn)出數(shù)據(jù)的比值。前者反映儀器觀測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，后者是整個(gè)觀測(cè)系統(tǒng)與觀測(cè)環(huán)境的綜合體現(xiàn)。選取2015年10月至2016年6月山西北部恒山斷裂帶兩側(cè)各測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析(見(jiàn)第23頁(yè)表1、表2)。

圖1 山西地磁臺(tái)陣子臺(tái)分布圖Fig.1 The distribution of sub-station in Shanxi geomagnetic array

從統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，臺(tái)陣觀測(cè)系統(tǒng)工作穩(wěn)定，觀測(cè)環(huán)境良好，主要存在如下問(wèn)題。

(1) 儀器死機(jī)。所有測(cè)點(diǎn)均存在偶然的儀器死機(jī)復(fù)位現(xiàn)象，復(fù)位時(shí)間為1～2分鐘，一般測(cè)點(diǎn)儀器復(fù)位后數(shù)據(jù)都能及時(shí)恢復(fù)，但部分測(cè)點(diǎn)(山陰)存在復(fù)位后，數(shù)據(jù)漂移且不能及時(shí)恢復(fù)，產(chǎn)出錯(cuò)誤數(shù)據(jù)；(2) 停電缺數(shù)。臺(tái)陣測(cè)點(diǎn)儀器采用地埋式安裝，測(cè)點(diǎn)位于山區(qū)，雖配有UPS，但長(zhǎng)時(shí)間停電會(huì)造成缺數(shù)；(3) 代縣測(cè)點(diǎn)儀器GPS不對(duì)時(shí)現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)，儀器復(fù)位雖可解決，但會(huì)造成缺數(shù)；(4) 臺(tái)陣位于山西北部，屬雷電頻發(fā)區(qū)域，數(shù)采、傳感器雖在數(shù)次雷電中未損壞，但UPS及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備受雷擊影響導(dǎo)致缺數(shù)及數(shù)據(jù)不能被及時(shí)收取。

表1 山西地磁臺(tái)陣秒數(shù)據(jù)連續(xù)率統(tǒng)計(jì)表

表2 山西地磁臺(tái)陣秒數(shù)據(jù)完整率統(tǒng)計(jì)表

2.2 背景噪聲

背景噪聲是觀測(cè)環(huán)境與儀器本身噪聲的綜合體現(xiàn)，若把儀器噪聲作為一個(gè)恒定值，若背景噪聲越小，則環(huán)境越好。地磁臺(tái)址堪選要求背景噪聲≤0.1 nT[1]。

第24頁(yè)表3為地磁臺(tái)陣各測(cè)點(diǎn)2015年10月至2016年6月記錄數(shù)據(jù)背景噪聲的計(jì)算結(jié)果，第24頁(yè)表4為臺(tái)陣測(cè)點(diǎn)選址時(shí)的背景噪聲計(jì)算結(jié)果，臺(tái)陣各測(cè)點(diǎn)平均噪聲均符合規(guī)范要求。由表3可知，代縣測(cè)點(diǎn)背景噪聲最小，繁峙測(cè)點(diǎn)的H、Z分量背景噪聲略大于臺(tái)網(wǎng)平均噪聲，但其在選址測(cè)試時(shí)背景噪聲為最小，所以，噪聲的差異可能與儀器自身有關(guān)。

2.3 觀測(cè)溫度

傳感器采用地埋式安裝，2015年7月1日至2016年6月30日，各測(cè)點(diǎn)傳感器溫度的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如第24頁(yè)表5所示。同時(shí)段環(huán)境溫度，以代縣臺(tái)為例，最高溫度為27.1 ℃，最低溫度為-18.3 ℃，年溫差為45.4 ℃。各測(cè)點(diǎn)傳感器溫度小于環(huán)境溫度的一半。地磁觀測(cè)規(guī)范中未對(duì)野外地埋式觀測(cè)方式的日溫差和年溫差作單獨(dú)要求，但對(duì)定點(diǎn)臺(tái)站觀測(cè)的相對(duì)記錄室溫度要求為日溫差≤0.3 ℃，年溫差≤10 ℃。

表3 山西地磁臺(tái)陣秒數(shù)據(jù)背景噪聲統(tǒng)計(jì)表

表4 山西地磁臺(tái)陣觀測(cè)環(huán)境測(cè)試結(jié)果

表5 山西地磁臺(tái)陣各測(cè)點(diǎn)傳感器溫度

2.4 日變化

在小范圍內(nèi)(<200 km)，認(rèn)為地磁場(chǎng)日變化一致。通過(guò)原始曲線對(duì)比、日變化相關(guān)等方法分析日變化的一致性。以垂直分量為例，第25頁(yè)圖2為各子臺(tái)分鐘值日變化曲線圖，直觀上看，無(wú)論是靜日還是擾日，各子臺(tái)日變化幅度與相位均一致。以大同臺(tái)為參考，做相關(guān)分析(見(jiàn)第25頁(yè)圖3)。2015年10月至2016年6月，日變化平均相關(guān)系數(shù)在0.98以上，因冬季日變化較小，造成相關(guān)系數(shù)較低，3至6月的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.99。

3 結(jié)論及建議

山西地磁臺(tái)陣安裝運(yùn)行以來(lái)，觀測(cè)儀器運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定，觀測(cè)環(huán)境良好，數(shù)據(jù)平均完整率達(dá)99.5%以上。2015年7月至2016年6月，5個(gè)子臺(tái)60個(gè)月數(shù)據(jù)完整率達(dá)100%的占36個(gè)月，數(shù)據(jù)觀測(cè)質(zhì)量達(dá)到規(guī)范要求。

圖2 山西地磁臺(tái)陣子臺(tái)垂直分量日變化曲線圖Fig.2 The daily variation of sub-station in Shanxi geomagnetic array

圖3 山西地磁臺(tái)陣子臺(tái)與大同臺(tái)垂直分量相關(guān)系數(shù)曲線圖Fig.3 The correlation coefficient curve of sub-station in Shanxi geomagnetic array and vertical component of Datong station

針對(duì)各測(cè)點(diǎn)存在的常見(jiàn)問(wèn)題，提出以下改進(jìn)建議：(1) 對(duì)安裝于山西北部雷電較多地區(qū)的儀器，做好進(jìn)一步的防雷措施；(2) 代縣測(cè)點(diǎn)GPS不對(duì)時(shí)情況頻繁出現(xiàn)，在具體原因未查清之前要加強(qiáng)日常檢查，避免出現(xiàn)由時(shí)間錯(cuò)誤導(dǎo)致的數(shù)據(jù)缺失；(3) 有條件時(shí)，增加蓄電池?cái)?shù)量，避免因停電、蓄電池供電不足造成缺數(shù)；(4)

對(duì)年溫差較大的測(cè)點(diǎn)加大黃土覆蓋厚度，做好環(huán)境保護(hù)。

[1] 中國(guó)地震局.地震及前兆數(shù)字觀測(cè)技術(shù)規(guī)范(電磁觀測(cè))[M].北京：地震出版社，2001：11.

Evaluation on Shanxi Geomagnetic Array Observation Data

ZHANG Liang-e1,4, CHEN Chang-jun1,4, LIU Su-zhen2,4, JIA Hai-ying3,4, TIAN Wen-qing3,4, CAO Wen-qiang1,4

(1.Taiyuan Reference Seismological Station of Earthquake Administration of Shanxi Province, Taiyuan, Shanxi 030025, China;2.Earthquake Administration of Shanxi Province, Taiyuan, Shanxi 030021, China;3.Daixian Central Seismic Station of Earthquake Administration of Shanxi Province, Daixian, Shanxi 034200, China;4.State Key Observatory of Shanxi Rift System, Taiyuan, Shanxi 030025, China)

For the three component geomagnetic observation data, in northern Shanxi, five sets of GM4 fluxgate magnetometer were set up on both sides of the Hengshan fault zone by Administration of Shanxi province from Sep. to Oct. 2014, forming the small caliber geomagnetic array. In this paper, the quality of observation data is analyzed and evaluated, and some related suggestions are put forward for the instrument operation and management.

Geomagnetic array; Observation data; Quality evaluation

1000-6265(2017)01-0022-04

2016-08-07

中國(guó)地震局監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)、科研三結(jié)合課題(16040X)。

張亮娥(1971— )，女，山西省清徐人。2008年畢業(yè)于南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，高級(jí)工程師。

P318.6+2

A