王秀敏 暢國(guó)平 王志敏, 王利兵
1)中國(guó)河北055350紅山基準(zhǔn)地震臺(tái)
2)中國(guó)河北055350河北紅山巨厚沉積結(jié)構(gòu)與地震災(zāi)害國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站
3)中國(guó)河北075001張家口地震監(jiān)測(cè)中心站
通過地磁觀測(cè)可以準(zhǔn)確記錄地磁場(chǎng)隨時(shí)間的變化和其空間分布規(guī)律。磁力儀是測(cè)量地磁場(chǎng)總強(qiáng)度F的儀器,從刃口式、懸教式發(fā)展至旋進(jìn)式磁力儀,其外觀、性能、精度有了較大進(jìn)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(jìn)式磁力儀的感應(yīng)信號(hào)頻率與地磁場(chǎng)總強(qiáng)度成正比,且?guī)缀醪皇芴筋^方向、溫度等因素的影響,測(cè)量精度高,并具有良好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性,為震磁效應(yīng)研究提供了有力的觀測(cè)手段,可作為地磁強(qiáng)度測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)儀器(楊婕等,2008)。
在固定地震臺(tái)測(cè)量及野外數(shù)據(jù)收集過程中,觀測(cè)儀器作為地磁研究的重要物性基礎(chǔ),可準(zhǔn)確記錄地磁場(chǎng)分布及時(shí)空變化,為地磁場(chǎng)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(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠、穩(wěn)定,在儀器正式觀測(cè)運(yùn)行之前,有必要進(jìn)行比測(cè)檢驗(yàn)。目前,一般采用計(jì)算測(cè)量?jī)x器與標(biāo)準(zhǔn)儀器測(cè)量的地磁總強(qiáng)度F的儀器差和均方差的方法,來檢驗(yàn)測(cè)量?jī)x器的可靠性和穩(wěn)定性(顧左文等,2004;暢國(guó)平等,2020)。如:楊婕等(2008)對(duì)G856質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀性能進(jìn)行測(cè)試;談昕等(2015)對(duì)GSM-19T質(zhì)子磁力儀性能進(jìn)行測(cè)試;暢國(guó)平等(2020)對(duì)GSM-19T質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀比測(cè)實(shí)驗(yàn)。隨著中國(guó)地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)研究工作的深入開展以及觀測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展,對(duì)地震地磁監(jiān)測(cè)能力的要求不斷提升,中國(guó)地震局為此引進(jìn)128臺(tái)EREV-C質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀,用于野外流動(dòng)地磁測(cè)量和固定地震臺(tái)站地磁觀測(cè)。該磁力儀分辨率達(dá)0.01 nT,絕對(duì)精度小于0.2 nT,采樣率1—60 s(可選)。在投入運(yùn)行之前,2021年11月,中國(guó)地震局災(zāi)害防御中心、中國(guó)地震局第一監(jiān)測(cè)中心和河北省地震局,在紅山基準(zhǔn)地震臺(tái)比測(cè)站(下文簡(jiǎn)稱紅山比測(cè)站)進(jìn)行磁力儀性能測(cè)試工作。限于篇幅,本文選取其中16臺(tái)磁力儀測(cè)試數(shù)據(jù),根據(jù)《EREV-C質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀測(cè)試大綱及方法和方案》①EREV-C測(cè)試組.EREV-C質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀測(cè)試大綱及方法和方案.2021.11,進(jìn)行比測(cè)檢驗(yàn)。
紅山比測(cè)站位于河北省邢臺(tái)市隆堯縣,是全國(guó)重要比測(cè)站之一,多次完成儀器性能及入網(wǎng)測(cè)試工作,得到各單位認(rèn)可和好評(píng)(暢國(guó)平等,2020)。
該臺(tái)站地磁觀測(cè)長(zhǎng)達(dá)60年,2005年7月建成地磁相對(duì)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(jìn)行觀測(cè),并于2018年11月安裝GSM-90F Overhauser磁力儀。地磁相對(duì)記錄室年溫差≤8.0 ℃,相對(duì)濕度≤85%,磁場(chǎng)水平分量梯度ΔFh≤1 nT/m,電磁觀測(cè)環(huán)境干擾背景噪聲≤0.1 nT,靜態(tài)磁場(chǎng)干擾≤0.5 nT。臺(tái)站周邊是廣闊的平原,遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)和村莊,為儀器比測(cè)、性能測(cè)試提供了良好的觀測(cè)場(chǎng)地(王秀敏等,2016)。
紅山臺(tái)及周邊地質(zhì)構(gòu)造分布見圖1。
圖1 紅山臺(tái)及周邊斷層分布Fig.1 Distribution of Hongshan Seismic Station and its surrounding faults
根據(jù)《EREV-C質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀測(cè)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(cè)站分11批次對(duì)128臺(tái)EREV-C質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀進(jìn)行性能測(cè)試,選取第6批次16臺(tái)磁力儀觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行性能分析,各磁力儀編號(hào)見表1。
表1 EREV-C質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀檢測(cè)儀器編號(hào)Table 1 Instrument numbers of EREV-C proton-precession magnetometers
采用基站模式,將16臺(tái)EREV-C質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀與紅山比測(cè)站標(biāo)準(zhǔn)儀器GSM-90F Overhauser磁力儀進(jìn)行同步觀測(cè),采樣時(shí)間設(shè)定為2021年11月23日11:35:00—16:35:00(北京時(shí)間),采樣間隔5 s,計(jì)算2套磁力儀地磁場(chǎng)總強(qiáng)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(cè)磁力儀的性能,使其在地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中發(fā)揮作用。
地磁儀器比測(cè)是保障地磁測(cè)量準(zhǔn)確可靠的有效手段(顧左文等,2004),一致性、穩(wěn)定性是檢測(cè)儀器精度的重要指標(biāo)(范雪芳等,2015;暢國(guó)平等,2020)。
為了檢驗(yàn)EREV-C質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀的一致性,在相同觀測(cè)區(qū)、相同環(huán)境下,將16臺(tái)EREV-C質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀與標(biāo)準(zhǔn)磁力儀進(jìn)行同步觀測(cè),將所測(cè)地磁場(chǎng)總強(qiáng)度F值原始數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,并將二者F值差值數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果見圖2。
圖2 2021年11月23日16臺(tái)測(cè)量?jī)x器與標(biāo)準(zhǔn)儀器原始觀測(cè)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(duì)比:在測(cè)量時(shí)段11:35:00—16:35:00,16臺(tái)參與比測(cè)磁力儀與標(biāo)注磁力儀地磁場(chǎng)總強(qiáng)度F值原始數(shù)據(jù)曲線整體變化趨勢(shì)一致,無明顯差異;②F值差值對(duì)比:16號(hào)磁力儀與標(biāo)準(zhǔn)磁力儀F值差值最大,為0.50 nT,滿足測(cè)試儀器與標(biāo)準(zhǔn)儀器的差值數(shù)據(jù)≤±0.50 nT的測(cè)試要求①EREV-C測(cè)試組.EREV-C質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀測(cè)試大綱及方法和方案.2021.11。因此,在相同觀測(cè)場(chǎng)地、相同觀測(cè)時(shí)段,參與測(cè)試磁力儀與標(biāo)準(zhǔn)磁力儀觀測(cè)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)一致,表明2套磁力儀具有較好的一致性。
衡量?jī)x器穩(wěn)定性的一個(gè)重要指標(biāo)是地磁場(chǎng)總強(qiáng)度F值的均方差S(楊婕等,2008;談昕等,2015),計(jì)算公式如下
式中,S為均方差,Xi為標(biāo)準(zhǔn)儀器與測(cè)試儀器觀測(cè)數(shù)據(jù)差值為標(biāo)準(zhǔn)儀器與測(cè)試儀器差值的平均值,n為觀測(cè)組數(shù)。
計(jì)算16臺(tái)磁力儀與標(biāo)準(zhǔn)磁力儀F值差值均方差,以檢驗(yàn)參與比測(cè)磁力儀的穩(wěn)定性。統(tǒng)計(jì)測(cè)試儀器地磁場(chǎng)總強(qiáng)度F值均方差,結(jié)果見表2。
表2 EREV-C質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀與標(biāo)準(zhǔn)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(hào)磁力儀F值均方差最大,為0.099 nT;6號(hào)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(cè)試要求①EREV-C測(cè)試組.EREV-C質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀測(cè)試大綱及方法和方案.2021.11。通過儀器觀測(cè)數(shù)據(jù)均方差的計(jì)算可知,測(cè)試儀器具有良好的穩(wěn)定性。
采用儀器差測(cè)試方法,對(duì)EREV-C質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀統(tǒng)計(jì)分析,也就是運(yùn)用數(shù)學(xué)方式,對(duì)測(cè)試儀器進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)和分析,形成定量結(jié)論。
儀器差測(cè)試方法。在與紅山比測(cè)站標(biāo)準(zhǔn)儀器GSM-90F Overhauser磁力儀進(jìn)行比測(cè)時(shí),128臺(tái)EREV-C質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀中有4臺(tái)與其F值差值為0.0 nT,以此4臺(tái)磁力儀作為新的比測(cè)標(biāo)準(zhǔn)儀器,依據(jù)《流動(dòng)地磁測(cè)量基本技術(shù)要求》,將其余124臺(tái)磁力儀分別與這4臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)儀器進(jìn)行儀器差比測(cè),計(jì)算出所有磁力儀與新的標(biāo)準(zhǔn)儀器的F值差值,即得到每臺(tái)EREV-C質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀地磁場(chǎng)總強(qiáng)度F值儀器差ΔF。受篇幅所限,文中給出16臺(tái)磁力儀的儀器差測(cè)試結(jié)果,見圖3。
圖3 16臺(tái)EREV-C質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀儀器差Fig.3 Instrument difference of 16 EREV-C proton precession magnetometers
由圖3可見,16臺(tái)EREV-C質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀地磁場(chǎng)總強(qiáng)度F儀器差變化幅度為-0.5—0.50 nT,其中3號(hào)、13號(hào)、14號(hào)磁力儀的儀器差最小,均為0.10 nT;11號(hào)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(cè)試磁力儀一致性良好,儀器精度較高,可為觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量和精度提供保障。
通過EREV-C質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀與標(biāo)準(zhǔn)儀器GSM-90F Overhauser磁力儀(0108611)的對(duì)比測(cè)試,得出以下結(jié)論:
(1)在相同觀測(cè)區(qū)、相同觀測(cè)環(huán)境下,EREV-C質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀與GSM-90F Overhauser磁力儀F值觀測(cè)曲線變化趨勢(shì)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(duì)F值均方差的計(jì)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(jìn)磁力儀穩(wěn)定性較好,能夠記錄到連續(xù)可靠的觀測(cè)數(shù)據(jù)。而且,由EREV-C質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀儀器差統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知,ΔF≤±0.50 nT,儀器差變化較小,表明參與測(cè)試磁力儀一致性良好。
通過儀器測(cè)試,認(rèn)為128臺(tái)EREV-C質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀質(zhì)量可靠,各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)符合測(cè)試要求①EREV-C測(cè)試組.EREV-C質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀測(cè)試大綱及方法和方案.2021.11。EREV-C質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀輕便、堅(jiān)固,且其精度高、采樣率高,可滿足流動(dòng)地磁觀測(cè)、臺(tái)站觀測(cè)和探礦、磁測(cè)等工作需要。
文中使用的地磁數(shù)據(jù)來源于國(guó)家地磁臺(tái)網(wǎng)中心,在此表示感謝。