0 引言

陕西乾陵地磁台 (属陕西省乾陵综合地震台，二者地址相同，以下简称旧台) 属国家基准台，建台以来提供连续稳定的高质量地磁观测资料。近年来，受到环境干扰，旧台观测环境背景噪声增大，导致观测数据质量下降，故在距原址距其4 km处的乾县城关镇邀驾宫村西南向选址新建地磁台。地磁观测资料的准确可靠性主要受仪器、测量方法、测量环境、资料处理方法等因素制约 (詹志佳等，1999)，新的乾陵地磁台 (以下简称新台) 是中国地震背景场探测项目之一，同时是陕西省防震减灾重点项目。新台2013年初建成，2014年5月正式产出地磁观测数据。该台位于渭北黄土塬与浅山交界处，地貌上属丘陵沟壑区，构造上属于鄂尔多斯地块与渭河断陷盆地的交界部位，在关山-口镇断裂以南、乾县-富平断裂北侧。新台地壳厚度约44 km，基岩为寒武-奥陶系石灰岩，第四纪黄土覆盖较厚，地磁观测环境较好，周围未发现干扰源。现有GM4-XL型磁通门磁力仪2套，MAG01/H-DI仪1套，G856A质子磁力仪1套，GSM-90F型Overhauser磁力仪1套。按照《地震及前兆数字观测技术规范·电磁观测 (试行)》要求，“由旧台迁至新台时，在新台建成验收后，新旧两台应进行并行观测记录，在取得至少1年的连续、完整、可靠的记录后，方可以新台取代旧台”(中国地震局，2001)，对新旧台各项观测数据进行为期1年的对比观测，得出旧台环境干扰量 (调研发现，国内尚无可借鉴的方法，此为本文需要重点解决的一个问题)，并对新旧台数据进行对比分析，确定新台数据衔接是否可靠。

1 旧台环境干扰量计算

乾陵旧地磁台附近磁场干扰源情况复杂，在台站周边50-200 m范围内有固定建筑、流动车辆、景区停车场等，干扰场相互叠加，且随外磁场变化而变化，难以用已有公式及方法计算磁性物体的影响，也就是环境干扰量。从本质上讲，环境干扰量 (以下简称干扰量) 是实际测得的磁场各分量值与其当时不受干扰测值之差。设地球外磁场未受人为干扰时总强度矢量为F₀，用地磁三要素表示为D₀、H₀、Z₀，受到干扰后实际总强度矢量为F，同理表示为D、H、Z，为实际观测值，则干扰量为

${\rm{d}}D = D - {D_0}$

(1)

${\rm{d}}H = H - {H_0}$

(2)

${\rm{d}}Z = Z - {Z_0}$

(3)

一般，两地距离越小、地上环境及地下介质越相近，则其磁场变化越相似，经过调研确定，天水地磁台与兰州地磁台的地磁数据变化与乾陵旧台基本一致，尤其旧台受到主要干扰前后一段时间，即乾陵旧台除去干扰量后的数据与两台数据差均为恒定常数。依据上述理论，设变量t为以天为单位的时间数，t∈(1, P)，P、G为自然数且P≥3，1 < G < P，P表示所选数据长度，即总天数，第G天之前 (包括第G天) 乾陵旧台未受到干扰。设Q(t) 是以t为自变量的函数，函数值是乾陵旧台当日某一分量数据均值，设天水台数据函数T(t)，兰州台数据函数为L(t)。以天水地磁台数据为主要参考，根据理论，设函数F(t)，令

$F\left( t \right) = Q\left( t \right) - T\left( t \right)$

(4)

则有

$t \in \left[ {1,G} \right]\quad F\left( t \right) = {C_1}$

(5)

$t \in \left[ {G + 1,P} \right]\quad F\left( t \right) = {C_1} + d$

(6)

其中C₁为常数，d为干扰量。用L(t) 替换式 (4) 中T(t)，可得常数C₂和干扰量d′，理论上d′= d。

取乾陵旧台和天水地磁台1998-2015年地磁日均值数据做差，则D、H、Z分量差值见图 1。由图 1可见，2003年9月前后3个分量明显有台阶出现 (Z分量差值线明显长期存在较固定的非零斜率，并非干扰影响，是地理位置及地下介质差异导致)，该时间段与乾陵旧台开始受到主要干扰的时间相符，干扰前数据即为式 (5)，干扰后为式 (6)(Z分量除外)，而图中其他时段出现的跳动，例如：2007年1月、2014年8月前后，经逐一调查分析，均为个别临时干扰或仪器故障导致，可以在长期干扰量校正基础上再次校正。

在干扰时间段前后各取紧邻一个点的数据 (Z分量加入斜率因素计算，不详述)，由公式 (6) 与 (5) 相减，得出D、H、Z三分量的干扰量d，在原值上校正，根据公式

$\begin{array}{l} X = H\cos D\quad \quad \quad \quad Y = H\sin D\\ I = \arctan \left( {Z/H} \right)\quad \quad Y = {H_2} + {Z_2} \end{array}$

得出X、Y、I、F的真实值，继而得出其干扰量。需注意，用该方法计算所得干扰量为近似月均值，见表 1。

对兰州地磁台数据采用同样方法进行验证，得到D、H、Z的干扰量d′，其与d的相对误差 (d与d′取稳定时的近似值) 为

$\begin{array}{l} \delta \left( D \right) = \frac{{\left| {{d^\prime }\left( D \right) - d\left( D \right)} \right|}}{{\left| {d\left( D \right)} \right|}} \times 100\% \approx 7.7\% \\ \delta \left( H \right) = \frac{{\left| {{d^\prime }\left( H \right) - d\left( H \right)} \right|}}{{\left| {d\left( H \right)} \right|}} \times 100\% \approx 2.1\% \\ \delta \left( Z \right) = \frac{{\left| {{d^\prime }\left( Z \right) - d\left( Z \right)} \right|}}{{\left| {d\left( Z \right)} \right|}} \times 100\% \approx 88.5\% \end{array}$

δ(D)、δ(H) 的值符合预期要求，而δ(Z) 偏大，应由地理位置及地下介质差异导致，经过进一步分析 (误差与年变量比值分析及Z分量趋势对比估计)，认为可以采用d值，其相反数即为校正值。

2 新旧台数据对比分析 2.1 相关性分析

乾陵新台2套仪器为GM-4_[1]、GM-4_[2]，旧台2套仪器为GM-4_[7]、FHDZ-M15，对各分量数据互相做相关性分析，相关系数见表 2。

新旧台数据的相关系数 (表中后4列数据) 普遍在0.998以上 (GM-4_[1]参与对比的相关系数略低，是因为其D分量经常出现台阶，属于仪器原因，去除台阶后还存在影响)，说明2个台的测量数据变化几乎一致。但是，同台2套仪器间的相关系数 (表中前2列数据) 比前者大，相关性好，说明虽然2个台相距仅4 km，但是因位置不同造成的磁场微小差异仍存在，导致新旧台数据相关系数略微下降。当然，统计2个变量相关性时，自变量对因变量施加影响时有许多因素同时施加影响，其中包含偶然误差影响 (万永革，2012)，本文在此不作分析。

2.2 静、扰日数据分析

通过新旧台在静日和扰日的观测数据对比，如：相关系数、日变幅及日最大值和最小值出现时间，确定各要素间的一致性，从扰动角度分析新台代替旧台的可行性 (王建国等，2012)。选取两台在2014年10月21日 (扰日) 和12月11日 (静日) 的分数据，分别做相关性、日变幅及最值点时间对比，结果见表 3-表 5。

表 3显示，新旧台数据相关性达0.999以上，证明在磁场变化平静与剧烈时2个台的数据变化几乎一致。扰日相关性比静日略小，在磁通门仪器中较普遍，主要由磁通门3轴达不到完全正交导致。表 4中旧台D、H、Z日变幅在静日比新台分别平均高2.1%、5.9%、4.4%，在扰日比新台分别平均高2.5%、5.6%、4.0%，说明了旧台存在干扰源的影响。表 5中新旧台数据最大值、最小值时间基本一致，表明两台磁场变化时间同步。

2.3 日变幅对比

取乾陵新旧台2014年7月至2015年12月日变幅年均值进行对比，结果见表 6，由表中数据可知，旧台D、H、Z日变幅比新台分别平均高2.1%、6.4%、5.0%，同样说明了旧台存在干扰源的影响。

2.4 基线值对比

在地磁台站系统中，基线值是沟通相对记录和绝对观测的桥梁，也是表征地磁台站工作状态的重要参数 (程安龙，1999)。绝对观测的准确和可靠程度，决定了地磁台站最终观测数据的准确和可靠程度，是地磁观测系统中至关重要的环节，对地磁台站最终的观测数据质量起着决定性作用 (孙海军等，2008)。乾陵新旧台4套仪器基线值对比见图 2。

由图 2可见，旧台的D、H、Z分量与温度变化存在同步效应，表现为正相关或者负相关；新台D分量与温度表现为同步效应，其变化幅度大于旧台仪器，应与新台仪器的温度系数有关；新台H、Z分量表现出与温度同步的同时，明显呈持续下降趋势，根据经验，应与仪器墩还未完全稳定有直接关系。

3 结论

综上所述，可以得出以下结论：采用与天水地磁台作差的方法得出旧台干扰量，经兰州地磁台观测数据验证，认为计算结果可靠，可以作为旧台数据校准的参考，为相关分析研究的人员提供真实可靠的数据。理论上，若在干扰开始前建设新台，并完成新旧台数据的校正衔接，效果最理想，但各种原因不能提前建台，此方法不失为一种补救方法；通过乾陵新旧地磁台观测数据相关性分析、静扰日相关性及同步性分析，证明两台磁场变化一致且同步，数据可衔接性高，即数据只存在固定点位差，而通过静、扰日的日变幅及年均日变幅分析，证实新台仪器记录的日变幅整体略小于旧台，说明旧台干扰源的铁磁性物质感磁效应对旧台环境产生影响。