肇庆地磁台磁通门磁力仪对比分析

肇庆地磁台磁通门磁力仪对比分析 杨马陵王建格黎晓之陆镜辉邱洪伟 , , , , 广州广东 广东省地震局 510070) ( , 摘 要 对 年肇庆地磁 台 和 磁 通 门 磁 力 仪 的 分 量 观 测 数 据 : 2003 GM3 Flare- plus H、D、Z 。 认为两台磁力仪的观测数据具有进行了趋势变化均值方差一致性检验以及基线值分析 、、, 同等观测精度和一致的变化趋势仅均值存在较小的差别已达到了国内高精度地磁观测的 , , 水平与英国产的 磁力仪相比国产 磁力仪的观测精度和稳定性部分性能。Flare- plus , GM3 传感器探头受温度影已达到世界上高精度数字地磁观测仪器的水平但仪器的总体稳定性 , , 响的程度仪器零漂等指标还需进一步提高、。 关键词磁通门磁力仪观测精度型型数据对比分析稳定性肇庆: ; ; GM3 ; Flare- plus ; ; ; 地磁台 +中图分类号文献标识码文章编号: P318.61 : A : 1001- 8668 ( 2005) 03- 0035- 09 场地仪器和观测资料简介1 、 肇庆地磁台位于广东省肇庆市所辖的高要市莲塘镇东经 北纬 , 112?27′00.0″、22?58′ 向的吴川四会断裂带南东侧次级构造为近 海拔高程 台站位于 12.0″, 14 m。NE/SW - , EW向的白土马鞍凹陷南缘观测场地基岩岩性为下侏罗上三迭统褐红色褐黄色砂砾岩—。—、, ?有较厚的风化层场地南侧分布有第三系砂砾岩和大面积的奥陶系石英砂岩。, 。 建台前 场地地磁场总强度的水平梯度均小于 建台后复测结果表明场区磁,1 nT/m, , 场水平梯度大多在 范围内变化仪器区磁场水平梯度基本保持在零点几至 3,3.5 nT/10 m , 1 ?范围内符合地磁台站观测的要求相对观测室工作环境为nT/10 m , 《》 ( 1990) 。: 年温差, 日温差, 相对湿度。<4?<0.1?<80% 年 月和 年 月分别安装中国地震局地球物理研究所研制的 型 200112 2002 4 GM3 H、Z、 三分向磁通门磁力仪和英国产 型 为简便起见下文统称 三DFlare- plus ( , Flare) H、Z、D 分向磁通门磁力仪 仪器基本参数见表 ,1。 绝对观测仪器使用英国 仪器公司的 型磁通门经纬仪该Bartington MAG- 01H ( 010B) , 仪器是目前国内同类仪器中观测精度最高的仪器基本参数见表 , 2。 收稿日期: 2005- 08- 08 主要从事地震预报工作杨马陵 研究员作者简介1953- ) , 男. . ( :, 广东省地震局肇庆地震台建设项目组广东省地震局肇庆地震台建设验收报告? . , 2003. 表 型和 型磁通门磁力仪参数1 GM3 Flar e- plus Table 1 Par ameter s of GM3 and Flar e- plus fluxgate magnetometer s 仪器型号测量范围动态范围分辨力温度系数采样间隔工作温度 GM- 3 ; 1/min 0~?65000 nT 0,?2500 nT 0.1 nT 1.0 nT/? 1/s- 10,+40? 年温差<10? 0~?64000 nT 0~?4000 nT 0.25 nT/? FLARE Plus 0.1 nT 5/s; 1/min 表 型磁通门经纬仪参数2 MAG- 01H (010B) Table 2 Par ameter s of MAG- 01H (010B) single axis fluxgate magnetometer 测量范围分辨力零场偏移温度系数 环境湿度 环境温度 观测精密度零场温度漂移 δD?1″ ,?1~?5 nT 0.01 nT/? <10 ppm/? <90 - 20~50? 0.1~0.2 mT 0.1 nT δI?1″ [1] 年年内进行了 次基线观测每次观测 组数据再取平均值相对观测中 2003 109 , 2 , 。, 仪除 月份 分量有些跳动外全年工作记录状况良好没有数据丢失和中断现象 Flare 8 H , , ,资料连续率达 仪除 月 日对记录仪器主机的核心程序进行升级时中断记录100%; GM3 2 18 小时外资料连续率达 仪记录室年温度变化分别为 2 , 99.9%。22.7,26.3? ( GM3 ) 、23.3, ( 仪) 。全年有 天受到局部的直流干扰。27.3? Flare 40 年 月接纳成为继肇庆地磁台被国际实时地磁观测台网2003 6 , ( INTERMAGNET) , 中国科学院十三陵地磁台中国地震局兰州地磁台之后第三个加入该国际地磁组织的中 、, 国地磁台。 观测资料对比分析2 为了检验两台仪器观测资料的精度稳定性等对观测资料的分钟值小时 时均 、, 、( )值日均值分别进行差值分析变化趋势一致性等均值和等方差假设检验最后对基线 、、、。观测值进行了精度和稳定性分析。 对相对观测数据中的直流干扰人为干扰产生的尖峰信号等采取文献 [2] 的方法进 、, 行剔除和改正等预处理日均值小时值采用仪器相对观测值加观测墩差基线改正后的。、、 标准观测值分钟值直接采用仪器相对观测值差值分析采用 仪观测数据减 仪, , GM3 Flare 观测数据差值的正常评判标准为 , ΔH?2 nT、ΔD?0.2′、ΔZ?2 nT。 分钟值数据2.1 对两套仪器每天的分钟值相对观测数据逐日进行相关分析结果显示各分量的相关性。, 都很好除 分量在 月 日和 月 日两天的相关系数为 和 外其余各。D 10 9 10 22 0.9495 0.9816 , 分量每天的相关系数均在 之间特别是 分量的相关系数全部在 之间0.99~1 , H、Z 0.997~1 。 图 是 和 两套仪器在磁静日 月 日指数日总和和磁扰日1 GM3 Flare ( 10 11 , K =4) ( 10 月 日指数日总和分量分量分量相对观测分钟值曲线可见在时的 29 , K =52) H 、D 、Z , 日变化最小和最大的情况下两者变化形态完全一致, 。 以 日为时段抽取不同地磁场变化时段的分钟值数据进行均值和方差的一致性检验1 , 。 结果显示 在显著水平 的情况下以分钟值作为测量单位时方差检验中抽样时 ,α= 0.05 , , 表 而均值检验中段的检验值都小于临界值 通过了检验只有个别时段的检验值小( 2) ; , , 于临界值通过了检验 其它大多数都未通过检验表 说明两台仪器的均值存在差异, ,( 1) , 。 差值分析发现 总体上 仪的数据小于 仪的数据,GM3 Flare 。 图 仪和 仪在磁静日和磁扰日的分钟值曲线1 GM3 Flare Minutely value curves o fGM3 andF lare- plus magnetometersin the magnetic quietda ys Fig.1 and the magnetic disturbing days 表 仪和 仪的分钟值均值和方差检验3 GM3 Flar e Table 3 Mean and var iance inspection for minutely value of GM3 and Flar e- plus magnetometer s ?? 均值检验值方差检验值 月日指数- K 分量分量分量分量分量分量H D Z H D Z 10- 11 4 88.768 55.804 45.558 1.038 1.058 1.011 03- 25 11 80.759 186.492 59.775 1.039 1.050 1.018 01- 07 16 85.819 76.720 41.465 1.037 1.055 1.027 06- 05 20 32.754 51.577 19.738 1.052 1.050 1.025 05- 07 25 50.033 46.489 33.757 1.046 1.048 1.001 09- 09 30 15.638 8.793 1.346 1.044 1.051 1.019 08- 21 36 6.722 57.085 12.436 1.060 1.057 1.020 11- 20 44 30.958 6.07 27.888 1.039 1.037 1.031 10- 29 52 1.559 0.319 0.488 1.036 1.048 1.019 均值检验值 检验临界值注? ( t , α=0.05, =1.962) : 方差检验值 检验临界值? ( F , α=0.05, =1.091) 小时值数据2.2 由 年两套地磁仪器各分量的小时值曲线 图 可见2003 ( 2) , 相应的分量有相当一致的变化趋势和形态相关分析得到分量相关系数 分量相关系数 。, H r = 0.9997; D r = 0.9998, 分量相关系数 Z r = 0.9980。 对 个分量的时均值进行均值方差一致性检验结果见表 在显著水平 3 、, 5。α= 0.05 个分量都没通过均值检验但方差检验均得到通过3 , 。 时 , 图 仪和 仪 分量的小时值观测曲线2 GM3 Flare H、D、Z Fig.2 Hourly mean value curves of GM3 and Flare- plus magnetometers in 2003 表 仪和 仪的小时日均值的均值方差统计检验 未通过通过4 GM3 Flar e 、、( pass: ; no: ) Table 4 Mean and var iance inspection for hour ly and daily mean values of GM3 and Flar e- plus magnetometer s 均值检验 检验检验方差检验 ( t , α= 0.05) ( F , α= 0.05) 日均值小时值日均值小时值 分量 检验值临界值结果检验值临界值结果检验值临界值结果检验值临界值结果 H 0.707 pass 2.488 no 1.018 pass 1.027 pass 1.967 1.960 1.188 1.037 D 0.902 pass 4.125 no 1.021 pass 1.033 pass Z 5.195 no 20.250 no 1.002 pass 1.009 pass 分量时均值差 的变化范围在之间的占 从差, 。nT H ΔH- 2.2,9.9 ΔH??2 nT 99.13% H H 的 占 的即 值 的 分 布 看 的 为 的 占 , , , ,ΔH>0 43.38% 5.2% ΔH=0 8.04% ΔH<0 48.58% HHH 仪的观测值偏小分析发现在 个 的时段中的占 个显。, ,GM3 76 ΔH>?2 nT ΔH>2 nT 75 HH 示了在超限部分主要是 仪的数据大于 仪数据扣除其中仪器故障的 个时段GM3 Flare 。17 , 剩余的时段绝大部分出现在大磁暴时段内 其相应的 指数都在 以上最高时 进,K 6 , K=9, 一步分析 和 的数据也发现磁暴越大越大, , 。ΔH>3 nT ΔH>5 nT ΔH HHH 分量时均值差 在之间分布, 其中 的达 。在 的分 D ΔD- 1.1,0.5′ΔD??0.2′98.18%ΔDH HH 布中完全相同 的为 的为 的占 显示出, ( ) , , ,ΔD=057.81%ΔD<0 23.47%ΔD>0 18.72% HHH 有 的 仪的观测值偏小对 的时段进行具体分析发现 次 。, 4.7%GM3 ΔD??0.3′81 ΔD?- HH中有 次是出现在 仪器 分量的故障期间而 的 个时段中有 个 0.3′80 GM3 D 。ΔD?0.3′78 34 H 时段发生在 的磁暴日内次发生在仪器故障后的维修期间K?48 , 20 。 分量时均值差 在范围内变化全部满足 的标准其中, ,Z ΔZ- 1.1~1.9 nT ΔZ?2 nT H H 的达 的分布看的占 的占 从 。, 、、ΔZ<1 nT 99.580% ΔZΔZ= 0 18.54ΔZ< 0 51.13% HH H H 的占 与 的之差达到 分量的数据明显表明 , , ΔZ> 0 30.33%ΔZ< 0 ΔZ> 0 20.8%GM3 Z H H H 的系统偏小具体分析的 个时段发现月 日的 小时全部为负值。?1 nT 37 , 2 3,4 23 , ΔZ H 其余的 个时段有 个出现在 月 日和 月 日的大磁暴日内14 13 10 29,30 11 20 。 日均值数据2.3 做两套仪器观测资料全年日均值的相关分析得到 分量相关系数 分量, H r = 0.9998; D 相关系数 分量相关系数 r = 0.9977; Z r = 0.9998。 对两套仪器 个分量的日均值分别进行显著水平为 下的均值和方差检验3 0.05 , 结果见表 除 分量未通过均值检验外其他检验都得以通过说明 与 仪器的5。Z , , GM3 Flare—plus 和 分量的日均值相等三个分量的观测精度也分别相同而 分量未通过均H D , H、D、Z 。Z 值检验的原因是 ,二者的均值不同与 相比的观测数据存在系统偏小均值差。Flare , GM3 , 值为不满足零均值的正态分布- 0.05 nT, 。 表 年地磁仪器基线值变化统计5 2003 Table 5 Baseline var iety of the magnetometer s in 2003 仪器GM3 Flare- plus 分量H/nT/nT/nT/nTZHZ/′ /′ DDB B B B B B 均值 38104.53 21495.14 24526.94 37820.24 21497.04 24762.11 变化范围 9.70 0.47 1.86 7.60 0.67 4.81 标准差 2.82 0.08 0.32 1.27 0.16 1.09 年漂移8.69 0.04 0.29 2.12 0.47 2.42 图 年 仪和 仪 分量的日均值差值曲线3 2003 GM3 Flare H、D、Z Fig.3 Daily mean value curves of GM3 and Flare- plus magnetometers in 2003 分量日均值差 在之间变化的达 具体分析, 。H ΔH- 1.4~2.9 nT |ΔH|??2 nT 99.17% d d 大于 的 天数据发现这 天中有 天是大磁暴日天是 仪的 分量出 ΔH2 nT 3 , 3 2 , 1 FLare H d 现故障日均值差值的分布基本满足正态分布其中 的占 的占。, ΔH= 0 11.23% , ΔH< 0 d d 的占 正负分布的差异在 , , 。 47.95%ΔH> 0 40.82%7.13%d 分量差值 在之间变化的达 的占 其中 D ΔD?0.3′, ΔD??0.2′98.36%, ΔD= 0 73.42。 d dd 从差值的分布发现的占 的占 二者的差为 具体分, ΔD< 0 16.99% , ΔD> 0 9.6% , 7.39。 d d 的 天中有 天发生大磁暴 月 日析 ( ) 。,ΔD?0.3′4 3 10 28,30 d 分量日均值差 在范围内变化其中 的占 在, , ZΔZ- 1.0,0.6 nT ΔZ= 0 28.49%ΔZ- 0.4, d d d 范围内的占 的占 但存在明显的负偏差多于正偏差的现象。, ,0.4 nT 95.07%ΔZ< 0 45.49% d 的占 的 天中有 天是大磁暴日而对 两者之差达 ΔZ> 0 26.03%, 19.46。ΔZ? 0.5 nT 4 2 。d d 个 的时段的分析没有找到规律 14 ΔZ? - 0.5 nT 。d 基线值分析2.4 地磁仪器的基线值可以监测包括绝对和相对仪器在内的整个地磁观测系统的工作状态、 [3] 检验资料内在质量年两套仪器各分量的基线值曲线和传感器温度观测曲线见图 。2003 4。 求出平均日漂移和年漂移量由图 可见对各分量的基线值进行线性拟合 除个别。4 , , 点外仪器的 分量基线值变化相当稳定表 显示 分量平均日漂移 , GM3 D、Z 。4 D 0.0001′, 折合年漂移 分量平均日漂移 折合年漂移 均达到了仪器的设0.04′; Z 0.0008 nT, 0.29 nT, 计要求但 分量基线值存在较大的趋势变化平均日漂移量约 折合年漂移量nT, 。H , 0.0238 达 已超过了仪器稳定性的设计要求8.69 nT, 。 图 年 型和 型磁力仪各分量基线拟合曲线和传感器温度曲线4 2003 GM3 FLare- plus 、 Fig.4 Curves of baseline, fitting and temperature of GM3 and Flare- plus magnetometers in 2003 仪器的 分量基线值有缓慢上升的趋势变化平均日漂移量 折合Flare- plus D , 0.0013′, 年漂移 分量基线值除 月中旬至 中旬出现较大变化外其它时间保持缓慢下0.47′; Z 10 11 , 降的趋势变化平均日漂移分量除 月出现突跳变折合年漂移 , - 0.0066 nT, 2.4 nT; H 8,9 化外总体变化平稳平均日漂移 折合年漂移 , , 0.0058 nT, 2.1 nT。 由两套仪器的基线月标准偏差 表 仪器的 分量在 月大于 可见除 ( 7) , Flare- plus H 8 2 外其余均满足 地磁基本台站观测资料质量评比标准nT , “”σ< 1.5 nT、σ< 0.2′、σ< H D Z 的要求说明仪器的工作状态是稳定的1.5 nT 。。 地磁仪器基线月标准偏差表 6 Table 6 Monthly Baseline standar d deviation of the magnetometer s σ/nT σ/′ σ/nT H D Z 时间Flare- plus GM3 GM3 Flare- plus GM3 Flare- plus 月0.736 0.192 0.044 0.065 0.237 0.260 1 月2 0.870 0.258 0.029 0.041 0.232 0.344 月3 0.580 0.385 0.085 0.085 0.324 0.247 月4 0.666 0.29 0.063 0.062 0.422 0.267 月5 0.614 0.144 0.044 0.043 0.204 0.244 月6 0.632 0.265 0.034 0.042 0.342 0.291 月7 月8 0.599 0.16 0.054 0.125 0.202 0.212 月9 0.792 2.379 0.074 0.029 0.167 0.172 月10 0.416 0.845 0.056 0.054 0.366 0.308 月11 0.690 0.535 0.127 0.060 0.268 1.014 月 12 0.406 0.229 0.038 0.063 0.240 0.400 平均 0.517 0.342 0.070 0.056 0.189 0.306 0.502 0.626 0.060 0.060 0.266 0.339 由于地磁仪器的稳定性受温度变化的影响较大为此分析了基线值与传感器探头的温 , 度关系 表 可见 仪器 分量基线值的变化形态与传感器的温度变化形态由图 ( 8) 。4 GM3 H 基本一致 相关分析得到其相关系数高达 呈现完全的正相关 表明传感器受温度的,0.966, , 影响很大和 分量基线值与温度的相关系数很小基本不受温度变化的影响仪; D Z , 。Flare 的 和 分量与温度的相关性也较大相关系数分别为 和分量与温度 但 D Z , 0.755 - 0.787; H 相关系数很小基本不与温度相关, 。 表 磁力仪基线值和传感器温度相关系数7 Table 7 Cor r elation coefficient of the temper atur e 分析与讨论3 and sensor of the magnetometer s对于日均值数据, 分两台仪器的 H、D 仪 器分量分量分量H D Z 量在变化趋势均值和方差都通过了一致性、GM3 0.966 - 0.100 - 0.084 检验表明两台仪器 分量的统计特性 , H、D Flare- plus 0.119 0.755 - 0.787 完全一致具有相同的变化趋势均值和同 , 、 等观测精度分量通过了变化趋势和方差; Z 的检验未通过均值检验说明两台仪器的 分量有相同的变化趋势和同等的观测精度, , Z , 但均值存在差异。 对于小时值数据三个分量都没有通过均值检验但都通过了方差和趋势变化一致性 , , 检验说明两套仪器各分量的小时值数据具有同等观测精度和变化趋势但均值有差异, , 。 差值分析发现总体上表现为 仪的小时值数据较 仪的小时值数据小但在发生大 , GM3 flare 。磁暴的局部时段内的变化幅度又明显大于 仪器这种在磁暴期间观测差值偏离, GM3 Flare 。 而平时又偏小的原因可能是 仪器对地磁场变化的仪器响应 灵敏度程度不程度大 GM3 ( ) , 同于 仪器所造成Flare 。 分钟值数据的分析和检验同样表明两套仪器的变化趋势和观测精度是同等的但均 , , 值存在差异同样表现为 的观测数据总体偏小但大磁暴时段偏大的现象, GM3 , 。 基线值的时间序列分析表明不管是线性漂移还是年变幅度仪 分量基线: , GM3 D、Z 值的变化都小于 仪其年漂移量仅为 仪器相应分量的 左右显示出仪器Flare , Flare 10~13%, 的工作状态很稳定但 分量基线值的年漂移量远大于 仪 分量基线值的变化漂。H Flare H , 移量已达到 仪器 分量的 倍之多从两台仪器的月基线值变化看除 仪器 Flare H 4 。, Flare H 分量基线值的月标准偏差在 月大于 外其余均满足地磁基本台站观测资料质量评8 2 nT , “ 比标准的要求同样表明仪器工作总体上是稳定的”、、, 。σ< 1.5 nTσ< 0.2′σ< 1.5 nT H D Z [4]仪 分量基线值与传感器温度呈正相关变化且变化幅度较大可能的原因是GM3 H , , , 尽管仪器传感器和补偿电路的设计中已考虑了温度的影响 但由于线圈的常数随温度变化, 而发生改变所以补偿磁场将随温度变化从而导致仪器的输出特别是 分量和 分量, , , Z H 的输出受温度的影响为通过温度补偿抵消受温度变化的影响仪器设计了输出电流具有 。, 和线圈常数相反的温度系数以实现温度补偿但从实际情况看这台仪器对于 分量的, 。, H 温度补偿可能存在一些问题由于不了解具体的仪器设计 仪 分量与传感器温度呈。,Flare D 正相关变化分量呈负相关变化的原因在此无法讨论、Z , 。 结论4 根据上述分析结果我们认为对于肇庆台的 和 磁力仪, GM3 FLare- plus : 三个分量具有同等观测精度且变化趋势一致( 1) H、D、Z , 。 和 分量的日均值无显著差异但 分量的日均值以及 分量的分钟 ( 2) H D 。Z H、D、Z 值和时均值都存在差异总体上表现为 仪的均值小于 仪, GM3 Flare 。 除个别观测值外绝对观测的基线变化总体平稳满足地磁基本台站观测资料 ( 3) , , “ 质量评比标准的要求表明仪器工作是稳定的其中 仪 分量的稳定性已超过 ”, 。GM3 D、Z 仪但 分量的稳定性不好年变幅大于 仪Flare , H , Flare 。 仪 分量和 仪 分量的传感器受温度影响很小但 仪 分 ( 4) GM3 D、Z Flare H , GM3 H 量和 仪 分量的传感器探头受温度影响较大Flare D、Z 。 在大磁暴期间 磁力仪的观测值大于 仪但总体上 磁力仪的观( 5) ,GM3 Flare ; ,GM3 测值又小于 仪估计这种现象与两套仪器对地磁场变化的仪器响应 灵敏度或格值Flare 。( ) 不完全一致有关定量的关系尚待今后的资料积累和深入分析, 。 综上所述肇庆地磁台 和 磁通门磁力仪都具有很高的观测精度和稳 , GM3 FLARE- plus 定性其观测数据连续可靠已达到了国内高精度地磁观测的水平对于国产的 磁力 , , 。GM3 仪而言部分分量的观测精度和稳定性已达到世界上高精度数字地磁观测仪器的水平但 , , 在提高仪器总体稳定性减少传感器探头受温度影响的程度降低仪器零漂方面还需进一 、、 步努力。 参考文献 : 肇庆地磁台天文方位角测量及精度估计 华南地震黎晓之邱洪伟陆镜辉等[ 1] . [J] . , 2003, 23 ( 3) : 64- 69. , , , 波兰芬兰周锦屏高玉芬等译地磁测量与地磁台站工作指南Jerzy Jankowski (), Christian Sucksdorff (), (, , ) . [ 2] 北京地震出版社[M] . : , 1999. 中国地震局监测预报司北京地震出版社地震电磁观测技术 , [M] . : , 1995. [ 3] 中国地震局监测预报司北京地震出版社地震电磁数字观测技术 , [M] . : , 2002, 81- 86. [ 4] Data compar ative analysis for the fluxgate magnetometer s in Zhaoqing Geomagnetic Obser vator y YANG Ma- ling, WANG Jian- ge, LI Xiao- zhi, LU Jing- hui, QIU Hong- wei (Earthquake Administration of Guangdong Province, Guangzhou 510070, China) Abstr act : In this paper, we comparatively analyzed the H、D and Z component data obtained by GM3 and Flare- plus fluxgate magnetometers in Zhaoqing Geomagnetic Observatory. According to the results of variation tendency, the inspection of mean value and variance and the analysis of baseline value, we think that two instruments are equal in precision and variation tendency but exist a little bit of difference in mean value. In comparison with Flare- plus magnetometer made in U.K., the observation precision and stability of GM3 magnetometer made in China have partially reached the advanced level possessed by the high precision geo- magnetometers in the world. But it should be improved to reduce the influence of the temperature on the sensor and zero drift. ; ; ; ; Keywor ds: Fluxgate magnetometer Geomagnetic Obser vator yGM3Flare- plusData comparative analysis; Stability; Zhaoqing