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

0 引言

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)。

1 紅山比測(cè)站概況

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

2 測(cè)試方法

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。

3 比測(cè)檢驗(yàn)分析

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）。

3.1 儀器一致性測(cè)試

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。

3.2 儀器穩(wěn)定性測(cè)試

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。

3.3 統(tǒng)計(jì)分析

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。

4 結(jié)論

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。