EREV-C質(zhì)子旋進磁力儀在紅山基準地震臺的比測檢驗

王秀敏 暢國平 王志敏， 王利兵

1）中國河北055350紅山基準地震臺

2）中國河北055350河北紅山巨厚沉積結(jié)構(gòu)與地震災(zāi)害國家野外科學(xué)觀測研究站

3）中國河北075001張家口地震監(jiān)測中心站

0 引言

通過地磁觀測可以準確記錄地磁場隨時間的變化和其空間分布規(guī)律。磁力儀是測量地磁場總強度F的儀器，從刃口式、懸教式發(fā)展至旋進式磁力儀，其外觀、性能、精度有了較大進步，體積、重量也有了較大改變。基于原子磁共振原理的質(zhì)子旋進式磁力儀的感應(yīng)信號頻率與地磁場總強度成正比，且?guī)缀醪皇芴筋^方向、溫度等因素的影響，測量精度高，并具有良好的長期穩(wěn)定性，為震磁效應(yīng)研究提供了有力的觀測手段，可作為地磁強度測量的標準儀器（楊婕等，2008）。

在固定地震臺測量及野外數(shù)據(jù)收集過程中，觀測儀器作為地磁研究的重要物性基礎(chǔ)，可準確記錄地磁場分布及時空變化，為地磁場研究及地震地磁研究提供豐富資料（談昕等，2015）。為了保證儀器產(chǎn)出的觀測數(shù)據(jù)準確、可靠、穩(wěn)定，在儀器正式觀測運行之前，有必要進行比測檢驗。目前，一般采用計算測量儀器與標準儀器測量的地磁總強度F的儀器差和均方差的方法，來檢驗測量儀器的可靠性和穩(wěn)定性（顧左文等，2004；暢國平等，2020）。如：楊婕等（2008）對G856質(zhì)子旋進磁力儀性能進行測試；談昕等（2015）對GSM-19T質(zhì)子磁力儀性能進行測試；暢國平等（2020）對GSM-19T質(zhì)子旋進磁力儀比測實驗。隨著中國地震監(jiān)測預(yù)報研究工作的深入開展以及觀測技術(shù)的不斷發(fā)展，對地震地磁監(jiān)測能力的要求不斷提升，中國地震局為此引進128臺EREV-C質(zhì)子旋進磁力儀，用于野外流動地磁測量和固定地震臺站地磁觀測。該磁力儀分辨率達0.01 nT，絕對精度小于0.2 nT，采樣率1—60 s（可選）。在投入運行之前，2021年11月，中國地震局災(zāi)害防御中心、中國地震局第一監(jiān)測中心和河北省地震局，在紅山基準地震臺比測站（下文簡稱紅山比測站）進行磁力儀性能測試工作。限于篇幅，本文選取其中16臺磁力儀測試數(shù)據(jù)，根據(jù)《EREV-C質(zhì)子旋進磁力儀測試大綱及方法和方案》①EREV-C測試組.EREV-C質(zhì)子旋進磁力儀測試大綱及方法和方案.2021.11，進行比測檢驗。

1 紅山比測站概況

紅山比測站位于河北省邢臺市隆堯縣，是全國重要比測站之一，多次完成儀器性能及入網(wǎng)測試工作，得到各單位認可和好評（暢國平等，2020）。

該臺站地磁觀測長達60年，2005年7月建成地磁相對記錄室，配備GM4、FGM01磁通門磁力儀、FHD-2B質(zhì)子矢量磁力儀、Mingeo-DIM磁通門經(jīng)緯儀和TDJ2E-NM磁通門經(jīng)緯儀進行觀測，并于2018年11月安裝GSM-90F Overhauser磁力儀。地磁相對記錄室年溫差≤8.0 ℃，相對濕度≤85%，磁場水平分量梯度ΔFh≤1 nT/m，電磁觀測環(huán)境干擾背景噪聲≤0.1 nT，靜態(tài)磁場干擾≤0.5 nT。臺站周邊是廣闊的平原，遠離城鎮(zhèn)和村莊，為儀器比測、性能測試提供了良好的觀測場地（王秀敏等，2016）。

紅山臺及周邊地質(zhì)構(gòu)造分布見圖1。

圖1 紅山臺及周邊斷層分布Fig.1 Distribution of Hongshan Seismic Station and its surrounding faults

2 測試方法

根據(jù)《EREV-C質(zhì)子旋進磁力儀測試大綱及方法和方案》①，2021年11月12日—12月1日，在紅山比測站分11批次對128臺EREV-C質(zhì)子旋進磁力儀進行性能測試，選取第6批次16臺磁力儀觀測數(shù)據(jù)進行性能分析，各磁力儀編號見表1。

表1 EREV-C質(zhì)子旋進磁力儀檢測儀器編號Table 1 Instrument numbers of EREV-C proton-precession magnetometers

采用基站模式，將16臺EREV-C質(zhì)子旋進磁力儀與紅山比測站標準儀器GSM-90F Overhauser磁力儀進行同步觀測，采樣時間設(shè)定為2021年11月23日11:35:00—16:35:00（北京時間），采樣間隔5 s，計算2套磁力儀地磁場總強度F值均方差和誤差，分析磁力儀的一致性和穩(wěn)定性等，以便整體把握所檢測磁力儀的性能，使其在地震監(jiān)測預(yù)報中發(fā)揮作用。

3 比測檢驗分析

地磁儀器比測是保障地磁測量準確可靠的有效手段（顧左文等，2004），一致性、穩(wěn)定性是檢測儀器精度的重要指標（范雪芳等，2015；暢國平等，2020）。

3.1 儀器一致性測試

為了檢驗EREV-C質(zhì)子旋進磁力儀的一致性，在相同觀測區(qū)、相同環(huán)境下，將16臺EREV-C質(zhì)子旋進磁力儀與標準磁力儀進行同步觀測，將所測地磁場總強度F值原始數(shù)據(jù)進行對比，并將二者F值差值數(shù)據(jù)進行對比分析，結(jié)果見圖2。

圖2 2021年11月23日16臺測量儀器與標準儀器原始觀測曲線（a）及差值曲線（b）Fig.2 Original observation curve (a) and difference curve (b) of 16 measuring instruments and standard instruments on November 23,2021

由圖2可見：①原始數(shù)據(jù)曲線對比：在測量時段11:35:00—16:35:00，16臺參與比測磁力儀與標注磁力儀地磁場總強度F值原始數(shù)據(jù)曲線整體變化趨勢一致，無明顯差異；②F值差值對比：16號磁力儀與標準磁力儀F值差值最大，為0.50 nT，滿足測試儀器與標準儀器的差值數(shù)據(jù)≤±0.50 nT的測試要求①EREV-C測試組.EREV-C質(zhì)子旋進磁力儀測試大綱及方法和方案.2021.11。因此，在相同觀測場地、相同觀測時段，參與測試磁力儀與標準磁力儀觀測數(shù)據(jù)變化趨勢一致，表明2套磁力儀具有較好的一致性。

3.2 儀器穩(wěn)定性測試

衡量儀器穩(wěn)定性的一個重要指標是地磁場總強度F值的均方差S（楊婕等，2008；談昕等，2015），計算公式如下

式中，S為均方差，Xi為標準儀器與測試儀器觀測數(shù)據(jù)差值為標準儀器與測試儀器差值的平均值，n為觀測組數(shù)。

計算16臺磁力儀與標準磁力儀F值差值均方差，以檢驗參與比測磁力儀的穩(wěn)定性。統(tǒng)計測試儀器地磁場總強度F值均方差，結(jié)果見表2。

表2 EREV-C質(zhì)子旋進磁力儀與標準儀器F值差值均方差Table 2 Mean square deviation of F value difference between EREV-C proton precession magnetometers and standard instrument

由表2可見，15號磁力儀F值均方差最大，為0.099 nT；6號磁力儀F值均方差最小，為0.064 nT。因此，2套磁力儀F值差值均方差≤0.10 nT，滿足測試要求①EREV-C測試組.EREV-C質(zhì)子旋進磁力儀測試大綱及方法和方案.2021.11。通過儀器觀測數(shù)據(jù)均方差的計算可知，測試儀器具有良好的穩(wěn)定性。

3.3 統(tǒng)計分析

采用儀器差測試方法，對EREV-C質(zhì)子旋進磁力儀統(tǒng)計分析，也就是運用數(shù)學(xué)方式，對測試儀器進行數(shù)理統(tǒng)計和分析，形成定量結(jié)論。

儀器差測試方法。在與紅山比測站標準儀器GSM-90F Overhauser磁力儀進行比測時，128臺EREV-C質(zhì)子旋進磁力儀中有4臺與其F值差值為0.0 nT，以此4臺磁力儀作為新的比測標準儀器，依據(jù)《流動地磁測量基本技術(shù)要求》，將其余124臺磁力儀分別與這4臺標準儀器進行儀器差比測，計算出所有磁力儀與新的標準儀器的F值差值，即得到每臺EREV-C質(zhì)子旋進磁力儀地磁場總強度F值儀器差ΔF。受篇幅所限，文中給出16臺磁力儀的儀器差測試結(jié)果，見圖3。

圖3 16臺EREV-C質(zhì)子旋進磁力儀儀器差Fig.3 Instrument difference of 16 EREV-C proton precession magnetometers

由圖3可見，16臺EREV-C質(zhì)子旋進磁力儀地磁場總強度F儀器差變化幅度為-0.5—0.50 nT，其中3號、13號、14號磁力儀的儀器差最小，均為0.10 nT；11號磁力儀儀器差最大，為0.50 nT；儀器差ΔF≤±0.50 nT，儀器差變化較小，表明參與測試磁力儀一致性良好，儀器精度較高，可為觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量和精度提供保障。

4 結(jié)論

通過EREV-C質(zhì)子旋進磁力儀與標準儀器GSM-90F Overhauser磁力儀（0108611）的對比測試，得出以下結(jié)論：

（1）在相同觀測區(qū)、相同觀測環(huán)境下，EREV-C質(zhì)子旋進磁力儀與GSM-90F Overhauser磁力儀F值觀測曲線變化趨勢一致，且F值差值較小，2套磁力儀表現(xiàn)出良好的一致性。

（2）對F值均方差的計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)值均方差＜0.10 nT，表明EREV-C質(zhì)子旋進磁力儀穩(wěn)定性較好，能夠記錄到連續(xù)可靠的觀測數(shù)據(jù)。而且，由EREV-C質(zhì)子旋進磁力儀儀器差統(tǒng)計結(jié)果可知，ΔF≤±0.50 nT，儀器差變化較小，表明參與測試磁力儀一致性良好。

通過儀器測試，認為128臺EREV-C質(zhì)子旋進磁力儀質(zhì)量可靠，各項技術(shù)指標符合測試要求①EREV-C測試組.EREV-C質(zhì)子旋進磁力儀測試大綱及方法和方案.2021.11。EREV-C質(zhì)子旋進磁力儀輕便、堅固，且其精度高、采樣率高，可滿足流動地磁觀測、臺站觀測和探礦、磁測等工作需要。

文中使用的地磁數(shù)據(jù)來源于國家地磁臺網(wǎng)中心，在此表示感謝。