0 引言

随着科学技术水平的不断提升，地震观测逐步向着数字化、高精密、动态化的方向发展（卢嘉沁等，2020）。2007年中国地震局开展“十五”数字化观测项目，黑龙江省地震局在哈尔滨、通河、望奎和德都地震台布设FHD系列质子磁力仪。该仪器因具有数字化水平高、观测精度高、可网络化控制以及操作便捷等优点被广泛应用（卢嘉沁等，2020）。提升地磁观测精度，消除观测环境影响导致的数据偏差，是提高观测数据质量的重要途径。相关研究有：全建军等（2015）分析了永安地震台周边基建中磁性物质对FHD仪器的干扰；邹广等（2016）分析了新疆质子磁力仪观测数据的子夜均值和地磁静日变化；张聪聪等（2017）分析了临汾地震台观测室渗水、潮湿等问题对FHD仪器的影响；陈贤等（2020）分析了信阳地震台周边高压直流输电对FHD仪器的干扰；卢嘉沁等（2020）分析发现，都兰地震台FHD质子磁力仪存在观测系统自身干扰和人为干扰。上述研究具有典型的地域特色，表明观测仪器所处环境不同，影响观测数据质量的因素也存在差异。

黑龙江省地质构造环境复杂，不利于地磁观测场地选址，地磁观测台网整体布局偏弱，测点稀少，且测项分布不均，对省内电磁观测网的整体观测效能造成一定影响（吴海军，2008）。2007年底，哈尔滨、望奎和通河地磁台完成FHD-2质子矢量磁力仪（下文简称FHD-2仪）架设并试运行，2009年12月正式投入观测。本文将采用数据连续率和完整率、背景噪声评价、垂直分量日变化空间相关分析及温度变化指标，整体评估黑龙江地区FHD-2仪运行质量。

1 地磁观测场地背景

黑龙江省共布设4个地磁观测台站，其中德都地磁台配备FHDZ-M15观测设备，哈尔滨、望奎、通河地磁台配备FHD-2仪（图 1）。文中仅就配备FHD-2仪的3个台站进行分析。

哈尔滨地磁台（下文简称哈尔滨台）位于松嫩断陷盆地东部，宾县—王府凹陷中部，西北部为长春岭背斜，东南部为青山隆起带。其地处依兰—依通断裂西北部，为典型的松辽盆地沉积地貌。望奎地震台（下文简称望奎台）位于胡兰河北岸断裂带，该断裂倾向SE、北盘上升，沿呼兰河形成陡崖及陡坡，地质构造复杂。通河地震台（下文简称通河台）位于松花江冲积平原，地势较平坦，地形地貌较简单，构造上相对稳定。其地处依兰—伊通断裂与岔林河断裂带交会部位。该区曾于1 700多年前发生7级地震，现今小震活动较为频繁（郭树柏等，2006；陈艺竹，2020）。

2 运行质量分析 2.1 连续率和完整率分析

连续率和完整率是仪器运行质量的基本考核指标。连续率是实际产出数据和应产出数据的比值，可反映仪器观测系统的稳定性；完整率是有效数据和应产出数据的比值，可综合反映观测系统和观测环境的情况。2010—2022年，黑龙江省FHD-2仪地磁观测数据连续率和完整率统计结果，见图 2（2018年，望奎台因仪器故障停测）。

（1）哈尔滨台：2010—2021年，地磁观测数据完整率和连续率均较低。查阅工作日志可知：仪器使用年限过长、故障频发以及周边环境开发是导致该台连续率与完整率偏低的主要原因。2013年，地磁台站房屋基建改造，地磁观测数据运行率偏低，数值约59.20%；2015年，因仪器故障，地磁观测数据连续率偏低，数值约75.77%；2021年底更换新仪器，2022年数据完整率和连续率有所提高。

（2）望奎台：2010—2013年，地磁观测数据连续率和完整率基本保持在99%左右，数据质量较好；自2014年起，因台站观测环境变差、仪器故障频发，导致2个指标波动幅度较大，呈断崖式趋势下降，并于2018年因仪器故障停测。

（3）通河台：除2015—2016年地磁观测数据连续率和完整率略低，其他年度均保持在99%左右，2个指标数值在3个台站中最高。

2.2 背景噪声分析

观测仪器精度会受到自然环境的影响和限制（王斌等，2014），基于地磁台网评比标准中的噪声计算方法，通过噪声水平判定地磁观测数据质量（张聪聪等，2017）。

2.2.1 计算方法

（1）在地磁台网中挑选对应东、南、西、北、中方位的4个地磁台站，截取并计算各台站地磁场水平分量H、垂直分量Z、磁偏角D以及总强度F每月连续3小时时段的一阶差分均方差，选择其中差值最小的5个时段，作为该月噪声计算时段。

（2）对每个时段各要素进行一阶差分，统计各一阶差分绝对值频度。

（3）若某个值的频度大于80%，则2倍该值即为该时段该要素的背景噪声；若缺失频度大于80%的数据，则将频度按照降序排列，依次累加，直至总和大于80%，设频度分别为C₁、C₂、C₃、…、C_n，对应的一阶差分绝对值分别为S₁、S₂、S₃、…、S_n，则该要素的噪声为$2 \times \sum_{i=0}^n\left(S_i \times C_i\right) / \sum_{i=0}^n C_i(i=1, 2, 3, \cdots, n)$

（4）剔除各要素5个噪声值中的最大值后求均值，即得到各要素噪声S_F、S_Z、S_H和S_D。

通过上述步骤，计算得到哈尔滨、望奎、通河地磁台和国家地磁台网2009—2022年D、H、Z、F月噪声值和年平均噪声，其中年平均噪声结果对比见图 3。

2.2.2 噪声分析过程

由图 3可见：①D分量噪声最大，各台站噪声值均超过国家地磁台网平均噪声。其中：望奎台噪声最大，于2021年达到2.96′；哈尔滨台次之，于2019年达2.67′；通河台噪声最小，于2020年达1.36′。②H分量噪声水平略低于D分量，但仍高于国家地磁台网。哈尔滨和望奎台在2012—2022年噪声水平较高，且均于2019年达最大值，数值分别为2.33 nT、3.31 nT；通河台与国家地磁台网基本一致，仅在2017年略高于国家地磁台网，幅值约0.42 nT。③Z分量噪声最小。哈尔滨、望奎台在2012—2022年噪声较高，于2019年达最大值，数值分别为1.74 nT和2.93 nT；通河台与国家地磁台网基本一致，仅2020年略高于国家地磁台网，幅值约0.12 nT。④地磁场总强度F是各分量的叠加，总体反映了2019—2020年噪声显著，其中：哈尔滨台于2019年达最大值，数值约1.48 nT；望奎、通河台均于2020年达最大值，数值分别约为2.11 nT、0.45 nT。

台站噪声水平排序显示：望奎台＞哈尔滨台＞通河台。逐年上升的背景噪声与周边环境的开发和建设活动存在显著关联。尽管哈尔滨台在2022年更换新仪器，其运行效率和数据连续性均得到提升，然而来自周边环境的干扰问题仍旧不容忽视。

2.3 相关性分析

德都地磁台使用FHDZ-M15质子磁力仪进行观测，其运行状况良好，背景噪声低，除2017年，其他各年数据连续率和完整率保持在99%以上（图 4）。地球物理跟踪分析结果显示，其为黑龙江省地磁观测质量最佳台站。将哈尔滨、望奎、通河台分别与德都台垂直分量进行日变化空间相关分析，利用相关系数验证FHD-2仪观测数据质量，结果见图 5。

由图 5可知：通河台数据连续性较好，相关系数在0.95左右；哈尔滨台相关系数波动大，有多个时段低于0.24；望奎台因数据错误和断记时间较长，相关系数无法计算，且多时段相关系数低于0.29。因此：通河台与德都台的数据相关性较高，表明该台地磁观测数据质量较好；哈尔滨、望奎台与德都台的数据相关性均较低，表明两台地磁观测数据质量较差。

3 温差分析

磁力仪观测设备往往因温漂大而受到限制（刘成，2018）。FHD系列质子磁力仪内部含有大量氢质子的煤油（熊仲华等，1997），而煤油混合物凝固点约为-30 ℃。黑龙江地区冬季低温持续时间长，受温度变化影响，煤油混合液易出现凝固或状态改变，影响磁力仪的正常运行，从而造成地磁监测数据出现偏差，有必要分析温度变化对地磁观测数据质量的影响。

3.1 数据处理

地磁场具有时空变化规律相关性与一致性特性（夏忠等, 2002, 2005），当外界条件一致时，同类观测仪器数据记录应具有协同性。以温度变化作为变量，通过比较实验组与参照组的观测数据变化，评估温度波动，特别是低温条件对观测数据质量的影响。

德都台地磁观测设备置于地表以下，观测室常年温度恒定，全年日温差在2 ℃以内，所受温度变化影响可忽略。哈尔滨、望奎台磁力仪观测室未配备供热系统和空调，室内、外温度变化一致，通河台冬季配备保温设施，季节性温差比前2个台站小。以德都台（运行质量优良，周边环境影响小）作为参照组，哈尔滨、望奎和通河台作为实验组，分析温度变化与地磁观测数据的相关性。选取各台站2022年地磁观测数据，剔除错误数据，绘制德都台与哈尔滨、望奎和通河台的日均值差值及日平均温度变化趋势对比图，结果见图 6。

3.2 讨论

由图 6可知：①磁偏角D和垂直分量Z的曲线走势相似。其中：通河台日均值差值曲线波动较小，受温度影响小；哈尔滨台和望奎台冬季日均值差值曲线与温度变化呈负相关，受温度影响明显；望奎台因故障率高，数据不连续，曲线形态不连贯。②水平分量H曲线变化：日均值差值曲线在冬季到春季呈下降趋势，秋季到冬季呈上升趋势。其中：哈尔滨台和通河台曲线走势较一致且变化明显，望奎台数据连续性较差。③地磁场总强度F曲线：3个台站日均值差值曲线形态相似且波动较小，其中望奎台受温度变化影响更明显。

经综合分析，认为：FHD-2仪的运行会受到季节性温度变化的影响，特别是在冬季，低温对设备的影响程度与仪器所在环境的保温状况密切相关。具体体现在：①按台站：温度变化对通河台（仪器运行状况较好且具有保暖设备）影响较小，对哈尔滨台和望奎台（两台对受外界温度和环境影响较大）影响较大，且冬季影响明显。②按测项：磁偏角D、垂直分量Z以及水平分量H在冬季受温度变化影响较明显，地磁场总强度F因各项叠加效果而减弱了温度变化的影响。相较于其他2个台站，望奎台因受环境影响较大，冬季低温对数据质量影响较突出。

4 结论

通过对哈尔滨、通河和望奎台地磁观测数据连续率与完整率、背景噪声评价、垂直分量相关性以及温度变化的分析，得出以下认识：

（1）仪器运行和数据质量：通河台运行状况和数据质量最佳；哈尔滨台因长期使用老旧设备，导致运行状况不佳，在2022年完成新设备的更换后，其运行状况有了显著改善；望奎台运行状况和数据质量最差。结合工作日志可知，各台站数据质量受到雷击等自然因素和人为操作失误的影响，而且由于仪器使用时间过长，导致故障率显著增加。

（2）环境噪声：哈尔滨台、望奎台和通河台建台时间均在10年以上，随着周边环境干扰的不断增加，已无法满足精准观测的需求。因此，为了根本上改善运行状况并提升数据质量，必须进行设备更新和台站迁移。

（3）相关性分析：通河台与德都台相关系数最高，数据质量最佳；哈尔滨台和望奎台与德都台的相关系数均较低，且错误数据和断记时间较长，数据质量均较差。

（4）针对FHD-2质子磁力仪工作环境问题进行全年温度变化分析：与通河台相比，哈尔滨台和望奎台的地磁观测数据受到温度变化的影响更为显著，尤其是在冬季低温条件下，影响程度更大。为了提升观测数据质量，对仪器的使用环境和温度控制提出特定要求，应尽量避免设备长时间存放在极端低温环境中。