EREV-C質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構與地震災害國家野外科學觀測研究站

3）中國河北075001張家口地震監測中心站

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子旋進式磁力儀的感應信號頻率與地磁場總強度成正比，且幾乎不受探頭方向、溫度等因素的影響，測量精度高，并具有良好的長期穩定性，為震磁效應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據收集過程中，觀測儀器作為地磁研究的重要物性基礎，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）。為了保證儀器產出的觀測數據準確、可靠、穩定，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定性（顧左文等，2004；暢國平等，2020）。如：楊婕等（2008）對G856質子旋進磁力儀性能進行測試；談昕等（2015）對GSM-19T質子磁力儀性能進行測試；暢國平等（2020）對GSM-19T質子旋進磁力儀比測實驗。隨著中國地震監測預報研究工作的深入開展以及觀測技術的不斷發展，對地震地磁監測能力的要求不斷提升，中國地震局為此引進128臺EREV-C質子旋進磁力儀，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，中國地震局災害防御中心、中國地震局第一監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臺磁力儀測試數據，根據《EREV-C質子旋進磁力儀測試大綱及方法和方案》①EREV-C測試組.EREV-C質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質子矢量磁力儀、Mingeo-DIM磁通門經緯儀和TDJ2E-NM磁通門經緯儀進行觀測，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，電磁觀測環境干擾背景噪聲≤0.1 nT，靜態磁場干擾≤0.5 nT。臺站周邊是廣闊的平原，遠離城鎮和村莊，為儀器比測、性能測試提供了良好的觀測場地（王秀敏等，2016）。

紅山臺及周邊地質構造分布見圖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《EREV-C質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臺磁力儀觀測數據進行性能分析，各磁力儀編號見表1。

表1 EREV-C質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定性等，以便整體把握所檢測磁力儀的性能，使其在地震監測預報中發揮作用。

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質子旋進磁力儀的一致性，在相同觀測區、相同環境下，將16臺EREV-C質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值原始數據進行對比，并將二者F值差值數據進行對比分析，結果見圖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原始數據曲線對比：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值原始數據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據≤±0.50 nT的測試要求①EREV-C測試組.EREV-C質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據變化趨勢一致，表明2套磁力儀具有較好的一致性。

3.2 儀器穩定性測試

衡量儀器穩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據差值為標準儀器與測試儀器差值的平均值，n為觀測組數。

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定性。統計測試儀器地磁場總強度F值均方差，結果見表2。

表2 EREV-C質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。通過儀器觀測數據均方差的計算可知，測試儀器具有良好的穩定性。

3.3 統計分析

采用儀器差測試方法，對EREV-C質子旋進磁力儀統計分析，也就是運用數學方式，對測試儀器進行數理統計和分析，形成定量結論。

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《流動地磁測量基本技術要求》，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果，見圖3。

圖3 16臺EREV-C質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，可為觀測數據的質量和精度提供保障。

4 結論

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

（1）在相同觀測區、相同觀測環境下，EREV-C質子旋進磁力儀與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套磁力儀表現出良好的一致性。

（2）對F值均方差的計算結果發現，F值均方差＜0.10 nT，表明EREV-C質子旋進磁力儀穩定性較好，能夠記錄到連續可靠的觀測數據。而且，由EREV-C質子旋進磁力儀儀器差統計結果可知，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質子旋進磁力儀質量可靠，各項技術指標符合測試要求①EREV-C測試組.EREV-C質子旋進磁力儀測試大綱及方法和方案.2021.11。EREV-C質子旋進磁力儀輕便、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。

文中使用的地磁數據來源于國家地磁臺網中心，在此表示感謝。