永安、邵武地磁台dIdD运行质量分析

永安、邵武地磁台dIdD运行质量分析

王绍然1 全建军1 赖福霖1 刘愫昀1

1) 福建省地震局龙岩地震监测中心站，福建 龙岩 364000

摘要：永安、邵武地磁台FHD-2B质子矢量磁力仪由于运行时间较长，故障较多，噪声偏大。2022年永安、邵武地磁台FHD-2B质子矢量磁力仪更新改造为dIdD磁力仪。本文对永安、邵武地磁台dIdD磁力仪从工作原理、连续率、噪声大小、曲线形态、磁暴响应等多个方面进行分析，并与泉州台dIdD磁力仪的观测曲线进行对比。分析表明：永安、邵武地磁台dIdD磁力仪运行稳定，有较高的观测效率和采样率，噪声相对较小，对地磁暴有明显响应，可以为福建区域地磁观测分析预报提供可靠的地磁数据。

关键词：磁力仪；噪声；对比；分析；

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引言

福建省地震局现有地磁观测中心站四个，分别为泉州地震监测中心站、漳州地震监测中心站、龙岩地震监测中心站、南平地震监测中心站。其中龙岩地震监测中心站辖区地磁观测台站有两个，分别是龙岩地震台和永安地磁台，南平地震监测中心站辖区地磁观测台站为邵武地磁台。这三个台站之前都安装运行了一套FHD-2B质子矢量磁力仪，这三套FHD-2B仪器由于运行时间较长，仪器电子元件逐渐老化，仪器工作稳定性下降，故障率较高，产出的数据在国家地磁台网质量评比中得分不高。

为进一步提高观测数据质量，根据2022年福建省“十三五”项目《福建及海峡地震观测网工程-地球物理台网改造工程》安排，2022年2月将龙岩、永安、邵武三个台站的FHD-2B质子矢量磁力仪更新为dIdD磁力仪。此次仪器更新改造只更新仪器，未对供电、防雷、网络通讯等进行改造，观测场地仍使用原FHD-2B观测场地。龙岩地震台dIdD磁力仪安装完后因地磁观测区进行优化改造施工而多次中断，本次dIdD观测数据分析不采用龙岩地震台dIdD的观测数据。

1地磁台站观测环境简介

永安地磁台位于永安市洪田镇黄龙村李厝甲，台站处于中生代红色断陷山间盆地，是北

东向政和-海丰断裂带与北西向永安-晋江断裂带交汇处，台站地形为山坡地，表面为黄土、碎石覆盖，下面的基岩岩性为沉积石灰岩，未发现磁性岩体，200m范围内磁场梯度小于1．0nT／m，符合地磁台选址规范的要求[1]。

邵武地磁台位于邵武市城郊镇芹田村，台站位于邵武—河源断裂带的北端。台站观测环境、场地条件较好，周围无明显干扰源，观测环境也未曾遭到破坏，观测数据总体稳定，与省内其他4个地磁台数据有较好的一致性。观测室周围场地磁场梯度较好，大多数区域磁场梯度在1—5 nT/m左右[2]。

2 dIdD观测仪器介绍

dIdD磁力仪顾名思义，其主要是测量磁倾角（I）和磁偏角（D）随时间和环境变化量dI和dD的仪器。dIdD磁力仪在Overhauser探头上安装两个互相垂直的线圈，线圈悬挂在由铍青铜做成的弹簧悬丝上。其中一个线圈平面垂直地磁总强矢量F，另一个线圈平面平行地磁总强矢量F。首先向垂直F的线圈，即磁场倾角（I）线圈内，依次输入大小相等，方向相反的偏置电流，这两个偏置电流所产生的偏转磁场由Overhauser探头接收，并记录下来，称之为Ip和Im，同时也记录下来未加偏置电流时的全磁场F。同样，在向平行F的线圈，即磁偏角（D）线圈内，依次输入大小相等，方向相反的偏置电流，这两个偏置电流所产生的偏转磁场由Overhauser探头接收，并记录下来，称为Dp和Dm，同时也记录下来未加偏置电流时的全磁场F。应用简单算法就可以确定地磁总强F的倾角（I）和偏角（D）的瞬时变化dI和dD。通过把dI和dD与本地磁场倾角（I）和偏角（D）大数相加，便得到测量时刻地区的地磁场倾角（I）和地磁场偏角（D）的值，与测得的未加偏置电流的地磁总强F，即可通过三角函数算出测量时刻地磁场北向分量X、东向分量Y、垂直分量Z、及水平分量H的大小。

dIdD磁力仪观测效率高，可以高速采样，最大采样间隔0.2s。dIdD磁力仪分辨率0.01nT；绝对精度±0.1nT；相对灵敏度0.02nT，仪器参数详见表1。

表1dIdD仪器参数

据不完全统计全国地球物理站网在运行dIdD磁力仪的并不多，本省泉州地磁台曾于2008年1月安装dIdD磁力仪，国内四川江油地震台、云南楚雄地震台、云南永胜地震台、广东肇庆地磁台也安装有该型号仪器。

3 仪器运行及数据对比分析

从仪器连续率、噪声大小﹑曲线形态等方面对dIdD磁力仪数据进行分析。

3.1数据连续率对比

永安dIdD磁力仪从2022年3月1日开始运行，本文选取永安dIdD磁力仪2022年3月1日-2023年6月30日的数据进行分析。永安dIdD磁力仪2022年3月1日至2023年6月30日数据连续整率为97.33%。分析影响永安dIdD数据连续率的主要原因是：永安dIdD磁力仪采用市电供电，2022年5月24日-5月31日地磁台周边村庄电力改造导致市电断电，仪器断记缺数2187分钟。2022年7月8日-9日市电停电引起的缺数1175分钟，其余时段运行总体正常，没有仪器自身原因造成的缺记情况。

邵武dIdD磁力从2022年3月5开始运行，本文选取邵武dIdD磁力仪2022年3月5日-2023年6月30日的数据进行分析。邵武dIdD磁力仪2022年3月5日至2023年6月30日数据连续率为97.58%。影响数据连续率的原因2022年4月24日—25日仪器出现断电情况，累计造成1680分钟的缺记，排查断电原因是仪器房供电故障，非仪器原因。2022年4月31日—5月1日dIdD磁力仪主机死机，重启后主机软件配置参数磁倾角和磁偏角的初始值出现归零现象，累计造成1117分钟的缺记。

分析影响dIdD磁力仪数据连续率的原因，主要是仪器供电故障造成原始缺记，较少出现因仪器自身原因造成的缺记，说明dIdD磁力仪运行稳定。永安dIdD磁力仪供电由市电改成UPS供电后，供电造成的缺记已基本解决，邵武dIdD磁力仪主机死机情况只出现过一次。

3.2仪器噪声对比

目前国家地磁台网中心参考台站背景噪声指标进行数据质量评价。地磁观测参考背景噪声是指固定台站某套仪器对磁场变化响应的灵敏程度［3］。国家地磁台网中心每月发布的台网参考背景噪声统计月报是判断地磁数据观测质量的一个重要依据。地磁变化幅度在几nT到几百nT之间，如果观测仪器本身噪声过大，记录到的磁场变化将淹没在噪声中而无法识别。

随机选取永安dIdD、邵武dIdD磁力仪2023年4月1日-10日分数据绘制波形曲线，并与泉州dIdD磁力仪2023年4月1日-10日分数据波形曲线进行对比，对比曲线见图1、图2。从图1、图2中可以看出永安、邵武dIdD观测曲线毛刺较少，没有出现环境干扰造成的尖峰、台阶等现象。永安、邵武dIdD与泉州dIdD曲线变化同步，变化形态符合地球磁场变化规律。通过查询该时段国家地磁台网中心观测质量评比结果，永安dIdD各分量的平均噪声在0.1nT-0.2nT之间，其中F分量最大噪声为0.16nT；邵武dIdD各分量的平均噪声在0.1nT-0.2nT之间，其中F分量最大噪声为0.18nT。

图1 永安dIdD和泉州dIdD分钟值曲线

图2 邵武dIdD和泉州dIdD分钟值曲线

通过上述资料对比分析看出：永安、邵武dIdD磁力仪观测数据曲线毛刺较少，极少出现因环境干扰造成的尖峰、台阶等现象。永安、邵武dIdD各分量的平均噪声小于0.20nT，噪声水平达到相关要求，曲线形态符合地球磁场变化规律，与泉州dIdD的观测数据变化幅度相近，相关性较高。

通过了解dIdD磁力仪工作原理得知，dIdD通过射频（RF）磁场的极化下产生Overhauser效应。由于产生射频（RF）磁场所需的能量很小，并且其频段处于进动信号频率之外，从而消除了测量噪声。dIdD探头的所有材质都是非磁性物，探头内含有反向串联的双拾取线圈，压制环境噪声干扰，最大程度的提高信噪比。dIdD磁力仪在福建所处的南方高温高湿的天气中，不容易受环境及温度影响，运行稳定，噪声较小。

3.3 磁暴响应对比

磁暴发生时，各地磁分量发生剧烈变化，地磁H分量变化幅度最大，所以一般从H分量变化中提取地磁脉动，H分量数据好坏直接影响地磁脉动的提取工作。

针对2022年3月13日-14日磁暴事件对永安、邵武dIdD地磁数据进行纯扰动变化分析，并与泉州dIdD数据进行对比，见图3、图4。从图3、图4中可以看出各套仪器对磁暴均有明显响应，且3个台站变化形态基本一致，各时段扰动幅度基本相近，各台站磁暴扰动参数计算结果见表2。

图3 磁暴时段永安dIdD与泉州dIdD分钟值曲线

图4 磁暴时段邵武dIdD与泉州dIdD分钟值曲线

表2 2022年3月13日各台站磁暴扰动参数

通过上述资料对比分析看出：永安、邵武dIdD磁力仪对地磁暴有明显响应，记录到的磁暴曲线与泉州dIdD磁力仪变化同步，磁暴期间H分量的扰动幅度与泉州dIdD相近，观测数据质量较高。

4 结语

综上所述，永安、邵武dIdD磁力仪观测效率高，可以高速采样，仪器运行稳定，观测数据曲线毛刺较少，曲线形态符合地球磁场变化规律。永安、邵武dIdD磁力仪的地磁观测数据与标准地磁台站（泉州dIdD）数据变化同步，相关性高，对地磁暴有明显响应，磁暴期间H分量的扰动幅度与标准台站（泉州dIdD）相近。dIdD磁力仪观测数据质量较高，噪声较小，各分量平均噪声小于0.20nT，符合相关技术要求，永安、邵武dIdD磁力仪可以为福建区域地磁观测分析预报提供可靠的地磁数据。

参考文献

[1]全建军，夏忠，张凯，等，永安地磁台FHD-2B质子磁力仪观测数据干扰分析[J].地震地磁观测究，2015，36(1):120-126(Quan Jianjun，Xia Zhong，Zhang Kai，et al.，Analysis of Interference in Observation Data of FHD-2B Proton Magnetometer at Yong'an Geomagnetic Observatory [J]. Seismological and Geomagnetic Observation and Research，2015，36 (1): 120-126)

[2] 林苗禄，方传极，张凯，等.邵武台FHD-2B磁力仪性能综合分析经验点滴[J].地震科学进展，2022，52(12):574-580(Lin Miaolu， Fang Chuanji， Zhang Kai， et al. Experience in Comprehensive Performance Analysis of FHD-2B Magnetometer at Shaowu Station [J]. Progress in Seismic Science，2022，52 (12): 574-580)

[3]胡秀娟，张素琴，何宇飞，等.地磁观测参考背景噪声分析[J].地震地磁观测与研究，2012，33(1):124-129(Hu Xiujuan， Zhang Suqin， He Yufei， et al. Analysis of Reference Background Noise in Geomagnetic Observations [J]. Seismological and Geomagnetic Observations and Research，2012，33 (1): 124-129)

第一作者简介：王绍然，工程师，主要从事台站地磁、形变观测研究。

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