GM4磁通門磁力儀觀測資料質量分析

賀巍

摘 要：通過觀測數據日均值一致性分析、逐步回歸法基線值分析以及背景噪聲分析，對榆林地磁臺兩套GM4磁通門磁力儀2011年～2013年的觀測資料的質量進行了分析，本文就此次分析進行了詳細的說明。

關鍵詞：地磁觀測資料；地磁日變化；榆林地震臺；

0 引言

地磁觀測的基本任務是取得連續完整、準確可靠的地磁場變化資料，為地震預報及其他科學研究服務，分為地磁絕對觀測與地磁相對觀測[1]。地磁相對觀測能夠記錄到地磁場的日變化信息，但由于受觀測儀器探頭軸向正交度、格值線性度、溫度系數、安裝定向準確度和穩定性和觀測環境溫度變化等因素影響，記錄到的地磁日變化與地磁場的真實變化會存在一定的誤差，并且每個臺站和每套儀器的誤差均不相同[2]。但同一個地磁臺站的多套儀器的觀測資料的變化應該高度一致[3-4]。榆林地磁臺（以下簡稱“榆林臺”）配備有兩套GM4磁通門磁力儀，自2010年1月起正式運行，現已取得4年的連續、可靠的地磁相對觀測資料。而正確評價地磁相對觀測資料的質量，是資料使用前應進行的一項工作。為此，筆者通過對榆林臺兩套GM4磁通門磁力儀2011年至2013年日均值數據一致性分析，利用回歸分析方程方法對基線值分析，對背景噪聲進行分析等方法，對榆林臺GM4磁通門磁力儀的資料質量進行了定量評價。

1 臺站概況及觀測儀器

1.1 臺站概況

榆林臺為國家基準地磁臺，位于陜西省榆林市西北方向約14km的小紀汗鄉昌漢界村，臺基是前震旦系地槽型以砂巖為主的碎屑巖構造，底部以灰綠或粉紅色厚層長石沙巖和沙質頁巖及夾可采煤層或油母頁巖為主，上部風化較強，巖體破碎，風化殼深約40m。觀測室附近地磁場分布均勻，磁場梯度小于1nT/m 。

1.2 觀測儀器

榆林臺配備有地磁絕對觀測儀器CTM-DI磁通門無磁經緯儀、G856質子旋進式磁力儀和地磁相對觀測儀器GM4磁通門磁力儀。其中，按照地震行業標準的要求，GM4磁通門磁力儀D、H、Z各分量的最小示值不大于0.1nt，環境溫度T的最小示值不大于0.1℃，噪聲應不大于0.1nt（RMS），最大允許誤差應不大于±（5%+0.5nt），補償磁場值的范圍為-60000～60000 nt，測量范圍為-2000nt～2000nt，溫度系數不大于1 nt/℃，頻帶范圍DC～30Hz，三分量傳感器的正交度誤差應不大于20′。

2 觀測數據一致性分析

2011—2013年榆林臺兩套GM4磁通門磁力儀運轉正常，觀測數據連續率和完整率均在99%以上。對兩套GM4磁通門磁力儀基線值改正后的日均值進行繪圖。

3 基線值分析

理論上，在磁照圖上的基線是一條不變的直線，當變化曲線與基線相重合時，用絕對觀測儀器測得的磁場值即為基線值。如果絕對觀測是在任意時間進行的，則有：

DB=D觀測-△D；（1）

同樣有： HB=H觀測-△H；（2）

ZB=Z觀測-△Z；（3）

其中DB表示D分量基線值，D觀測表示由絕對觀測儀器進行定期（周一、周四）觀測得到的地磁絕對觀測D分量數據，△D為磁通門磁力儀記錄的地磁相對數據，通過公式，就可計算得到基線值DB。

3.1 基線值的多元逐步回歸分析

對基線值的質量評定一般采用多元逐步回歸的方法，基本思路是：設隨機因變量y隨著m個自變量x1，x2，...，xm變化，并有以下線性關系

y=a0+a1x1+a2x2+...amxm+ε （4）

則（4）式稱為回歸方程，a0，a1，a2...am為回歸系數，ε為剩余誤差，是y中無法用x1，x2，...，xm表示的各種復雜因素構成的誤差。現使用逐步回歸方法，分析基線值變化中的各種影響因素，可得 HB（i）=a0+a1T（i）+a2t（i）+εi

（i=1，2，...N） （5）

其中，HB（i）為某一次某要素的基線觀測值，T代表溫度，t代表時間，ε為剩余誤差，N為觀測次數。根據臺站N組觀測值，相應觀測日期記錄室溫度T（i），距離2013年1月1日的時間t（i）。利用逐步回歸算法可計算出a0，a1，a2的估計值，通過統計檢驗（F檢驗，選取F1=F2=2）確定回歸方程中溫度T和時間t的取舍。

本文選取了2013年榆林臺的絕對觀測數據計算儀器的溫度系數與滑動系數（表1，表2）。

表1

根據計算，得到三分量的回歸方程為：

D（i）=21355.42-0.02682T（i）-0.00105t（i） （6）

H（i）=29307.5-0.16154T（i）+0.000782t（i）（7）

Z（i）=45472.02-0.9017T（i）-0.01241t（i）（8）

其中，（6）式為磁偏角的回歸方程，（7）式為水平分量的回歸方程，（8）式為垂直分量的回歸方程。利用回歸方程，可以得出基線值三分量的預測值與實際觀測值曲線。

通過計算，得出了榆林臺磁通門磁力儀的溫度系數和滑動系數，根據影響基線值的主要因素是溫度和滑動，則其他影響因素為剩余標準差。榆林臺GM4磁通門磁力儀Z分量的溫度系數較高，可以通過增加保溫措施，降低溫差的變化。另外，通過以上計算方法得出溫度系數，消除這種影響，同樣也可以保證觀測資料的質量。

4 結論

（1）榆林臺兩套GM4磁通門磁力儀運轉正常，取得的觀測資料連續、可靠，觀測到的地磁各分量日均值變化一致性較好，相關系數較高；

（2）榆林臺兩套GM4磁通門磁力儀各分量的基線值主要影響因素為溫度系數和滑動系數，Z分量表現最為突出，可以通過逐步回歸算法的計算結果消除溫度系數的影響，為日后臺站選用基線值的準確性提供依據，以保證觀測質量；

（3）榆林臺兩套GM4磁通門磁力儀各分量的背景噪聲高于全國臺網的平均水平，應采取行之有效的降噪措施，以提高觀測資料的質量。