EREV-C型質(zhì)子旋進磁力儀性能測試分析

劉金龍 燕 華 常文文 暢國平 胡秀娟

1）中國北京 102200 北京桔燈地球物理勘探股份有限公司

2）中國河北 054000 河北省地震局紅山基準臺

0 引言

質(zhì)子旋進磁力儀的測量是基于探頭液體中質(zhì)子自由旋進的角頻率與所處磁場強度間具有線性關(guān)系，因此可以通過測量質(zhì)子旋進頻率來獲得對應(yīng)磁場值。我國使用的質(zhì)子旋進磁力儀曾主要是GSM-19T 型、PMG-2 型、ENVI-PRO 型等國外產(chǎn)品，國產(chǎn)質(zhì)子旋進磁力儀在綜合性能方面與國外產(chǎn)品間存在差距。近年來，國產(chǎn)質(zhì)子旋進磁力儀的性能也有了較大提升，談昕等（2015）、暢國平等（2020）對GSM-19T 型質(zhì)子旋進磁力儀性能進行了測試，而EREV-C 型質(zhì)子旋進磁力儀作為當前國產(chǎn)磁力儀的代表之一，對其性能進行測試也是必要的。為了在臺站測試工作在河北省地震局紅山地震臺進行，主要對質(zhì)子旋進磁力儀的一致性、穩(wěn)定性等性能進行測試，最終得到磁場總場曲線、日變化量差值、標準偏差、相關(guān)系數(shù)等結(jié)果。

1 測試依據(jù)

河北省地震局紅山基準臺根據(jù)中國地震局第一監(jiān)測中心提供的測試方案，對北京桔燈地球物理勘探股份有限公司生產(chǎn)的 128 臺EREV-C 型質(zhì)子旋進磁力儀（包含合同內(nèi)110 臺及18 臺備用樣機）進行臺站部分的測試。測試中參考DZ/T 0071—93《地面高精度磁測技術(shù)規(guī)程》（中華人民共和國地質(zhì)礦產(chǎn)部，1993）、《地震監(jiān)測專業(yè)設(shè)備定型測試大綱》（質(zhì)子磁力儀）（文檔編號：CSDC201903），并結(jié)合實際工作情況和相關(guān)專業(yè)人員的建議，編寫了《質(zhì)子旋進磁力儀野外測試大綱》。

2 測試

2.1 測試地點

測試地點為河北省紅山基準地震臺（圖1）（李磊，2013）。紅山基準地震臺位于河北省邢臺市隆堯縣城西北9 km 處，是1966 年7 月由中國科學(xué)院地球物理研究所建成的“臥龍山地震臺”改名而來。1972 年被確定為全國基準臺，目前是河北省唯一基準地震臺。2002 年進行優(yōu)化改造，觀測環(huán)境及辦公條件得到改善（紅山基準地震臺，2017），紅山基準地震臺多次組織參與地磁臺站相關(guān)設(shè)備比測工作，較適合對地磁相關(guān)設(shè)備進行性能比測工作。

圖1 紅山基準地震臺位置示意圖Fig.1 The diagram of the position for Hongshan Benchmark Seismic Station

2.2 測試條件

測試地點為紅山基準地震臺絕對地磁觀測室東側(cè)、南側(cè)空地，測試區(qū)域磁場梯度值小于1nT/m，測試儀器布設(shè)間距不小于8 m，測試對比使用的標準儀器為紅山基準地震臺在網(wǎng)運行的GSM-90F 型Overhauser 磁力儀（編號為0，儀器號為0109611），該標準儀器被安裝在位于地下的地磁相對記錄室。

2.3 測試內(nèi)容

將EREV-C 型質(zhì)子旋進磁力儀置于測試地點，與標準儀器通過GPS 時間同步，采樣時間均設(shè)置為5 s，開啟自動調(diào)諧模式。后期數(shù)據(jù)處理時為保證數(shù)據(jù)采集時間點嚴格一致，標準儀器需通過反復(fù)開啟關(guān)閉采集的形式達到采樣時間為5 s 的整倍數(shù)位置；EREV-C 型質(zhì)子旋進磁力儀開啟單點采樣同步功能（北京桔燈地球物理勘探股份有限公司，2021），即可保證采集時間為5 s 的整倍數(shù)位置。待觀測數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定后（開始采集時因調(diào)諧等原因，數(shù)據(jù)會出現(xiàn)跳動），布設(shè)人員離開觀測儀器。將當批次所有EREV-C 型質(zhì)子旋進磁力儀設(shè)置完成后，布設(shè)人員離開測試場地，記錄時間，最終需獲取不少于4 h 的連續(xù)數(shù)據(jù)用于后期的數(shù)據(jù)處理分析。因測試現(xiàn)場環(huán)境、儀器到達測試現(xiàn)場時間的不同等情況，2021 年11 月12 日至12 月1 日，對全部128 套設(shè)備通過共計11 個批次完成了室外測量，測量信息見表1（繪圖圖例均以信息表中編號為準，其中，未標出的標準儀器為上文所述，編號為0）。

表1 測量信息Table 1 Measurement information sheet

2.4 數(shù)據(jù)處理及結(jié)果

2.4.1 繪制地磁測量總場值對比圖?？倛鲋凳堑卮艤y量的原始數(shù)據(jù)，對EREV-C 型質(zhì)子旋進磁力儀和標準儀器的總場值進行對比成圖可以直觀地反映儀器的一致性及穩(wěn)定性。經(jīng)檢查，所有EREV-C 型質(zhì)子旋進磁力儀所采集的數(shù)據(jù)無丟失，數(shù)據(jù)完整度均為100%。對地磁測量原始總場值進行繪圖，因不同批次數(shù)據(jù)的采集時間不同，每個批次的地磁日變化趨勢不一致，因而無法同時繪制所有儀器的總場值對比曲線，故采用不同批次的總場值，將其分別與同時間段標準儀器的總場值進行對比（圖2）。

圖2 地磁測量總場值對比（a）2021-11-12；（b）2021-11-15；（c）2021-11-18；（d）2021-11-20；（e）2021-11-22；（f）2021-11-23；（g）2021-11-25；（h）2021-11-25 晚；（i）2021-11-26；（j）2021-11-26 晚；（k）2021-12-01Fig.2 The total field comparison diagram

2.4.2 標準偏差。標準偏差采用下式（中華人民共和國地質(zhì)礦產(chǎn)部，1993 年）計算EREV-C 型質(zhì)子旋進磁力儀、標準儀器所測總場值差值的標準偏差，計算結(jié)果見表2

表2 地磁測量總場標準偏差及相關(guān)系數(shù)Table 2 The statistical table of standard deviations and correlation coefficients

其中，α為標準偏差；xi為第i個同時刻EREV-C 型質(zhì)子旋進磁力儀、標準儀器測量總場值之差為參與計算的所有時刻EREV-C 型質(zhì)子旋進磁力儀、標準儀器測量總場值之差的平均值；n為總的時刻數(shù)量（即數(shù)據(jù)點總數(shù)）。

2.4.3 相關(guān)系數(shù)。采用下式計算EREV-C 與標準儀器觀測總場值的相關(guān)系數(shù)，計算結(jié)果見表2

其中，correl(X,Y)為EREV-C 型質(zhì)子旋進磁力儀、標準儀器的2 組總場值間相關(guān)系數(shù)；xi、yi分別為第i個時刻EREV-C 型質(zhì)子旋進磁力儀、標準儀器的總場值分別為EREV-C 型質(zhì)子旋進磁力儀、標準儀器的2 組總場值的平均值。

2.4.4 日變化量對比。計算EREV-C 型質(zhì)子旋進磁力儀、標準儀器所測總場值日變化量（所有測量值減去第1 個測量值）差值的平均值（圖3）。

圖3 地磁測量總場日變差值Fig.3 The statistical chart of diurnal variation difference

3 討論

測試結(jié)果顯示，所有EREV-C 型質(zhì)子旋進磁力儀所測地磁總場值與標準儀器測值的變化趨勢基本一致，標準偏差最小值0.05 nT，最大值0.10 nT，相關(guān)系數(shù)均大于0.995，日變化量差值的平均值為-0.268—+0.137 nT。綜上所述，EREV-C 型質(zhì)子旋進磁力儀與標準儀器間的一致性較高，EREV-C 型質(zhì)子旋進磁力儀穩(wěn)定性較好；此外，EREV-C 型質(zhì)子旋進磁力儀所具有的內(nèi)置GPS 時間同步、單點采樣同步等功能，可以更好地服務(wù)于磁法測量的野外施工及數(shù)據(jù)處理等工作。

測試工作得到了河北省紅山基準地震臺的大力支持，特別是胡秀娟高級工程師、暢國平高級工程師、和少鵬工程師、郭鵬昆工程師的辛勤付出促成了測試的圓滿完成，在此表示衷心感謝。