EREV-C质子旋进磁力仪在红山基准地震台的比测检验

2023-10-19王秀敏畅国平王志敏王利兵

地震地磁观测与研究 2023年3期

关键词：磁力仪比测红山

王秀敏畅国平王志敏，王利兵

1）中国河北055350红山基准地震台

2）中国河北055350河北红山巨厚沉积结构与地震灾害国家野外科学观测研究站

3）中国河北075001张家口地震监测中心站

0 引言

通过地磁观测可以准确记录地磁场随时间的变化和其空间分布规律。磁力仪是测量地磁场总强度F的仪器，从刃口式、悬教式发展至旋进式磁力仪，其外观、性能、精度有了较大进步，体积、重量也有了较大改变。基于原子磁共振原理的质子旋进式磁力仪的感应信号频率与地磁场总强度成正比，且几乎不受探头方向、温度等因素的影响，测量精度高，并具有良好的长期稳定性，为震磁效应研究提供了有力的观测手段，可作为地磁强度测量的标准仪器（杨婕等，2008）。

在固定地震台测量及野外数据收集过程中，观测仪器作为地磁研究的重要物性基础，可准确记录地磁场分布及时空变化，为地磁场研究及地震地磁研究提供丰富资料（谈昕等，2015）。为了保证仪器产出的观测数据准确、可靠、稳定，在仪器正式观测运行之前，有必要进行比测检验。目前，一般采用计算测量仪器与标准仪器测量的地磁总强度F的仪器差和均方差的方法，来检验测量仪器的可靠性和稳定性（顾左文等，2004；畅国平等，2020）。如：杨婕等（2008）对G856质子旋进磁力仪性能进行测试；谈昕等（2015）对GSM-19T质子磁力仪性能进行测试；畅国平等（2020）对GSM-19T质子旋进磁力仪比测实验。随着中国地震监测预报研究工作的深入开展以及观测技术的不断发展，对地震地磁监测能力的要求不断提升，中国地震局为此引进128台EREV-C质子旋进磁力仪，用于野外流动地磁测量和固定地震台站地磁观测。该磁力仪分辨率达0.01 nT，绝对精度小于0.2 nT，采样率1—60 s（可选）。在投入运行之前，2021年11月，中国地震局灾害防御中心、中国地震局第一监测中心和河北省地震局，在红山基准地震台比测站（下文简称红山比测站）进行磁力仪性能测试工作。限于篇幅，本文选取其中16台磁力仪测试数据，根据《EREV-C质子旋进磁力仪测试大纲及方法和方案》①EREV-C测试组.EREV-C质子旋进磁力仪测试大纲及方法和方案.2021.11，进行比测检验。

1 红山比测站概况

红山比测站位于河北省邢台市隆尧县，是全国重要比测站之一，多次完成仪器性能及入网测试工作，得到各单位认可和好评（畅国平等，2020）。

该台站地磁观测长达60年，2005年7月建成地磁相对记录室，配备GM4、FGM01磁通门磁力仪、FHD-2B质子矢量磁力仪、Mingeo-DIM磁通门经纬仪和TDJ2E-NM磁通门经纬仪进行观测，并于2018年11月安装GSM-90F Overhauser磁力仪。地磁相对记录室年温差≤8.0 ℃，相对湿度≤85%，磁场水平分量梯度ΔFh≤1 nT/m，电磁观测环境干扰背景噪声≤0.1 nT，静态磁场干扰≤0.5 nT。台站周边是广阔的平原，远离城镇和村庄，为仪器比测、性能测试提供了良好的观测场地（王秀敏等，2016）。

红山台及周边地质构造分布见图1。

图1 红山台及周边断层分布Fig.1 Distribution of Hongshan Seismic Station and its surrounding faults

2 测试方法

根据《EREV-C质子旋进磁力仪测试大纲及方法和方案》①，2021年11月12日—12月1日，在红山比测站分11批次对128台EREV-C质子旋进磁力仪进行性能测试，选取第6批次16台磁力仪观测数据进行性能分析，各磁力仪编号见表1。

表1 EREV-C质子旋进磁力仪检测仪器编号Table 1 Instrument numbers of EREV-C proton-precession magnetometers

采用基站模式，将16台EREV-C质子旋进磁力仪与红山比测站标准仪器GSM-90F Overhauser磁力仪进行同步观测，采样时间设定为2021年11月23日11:35:00—16:35:00（北京时间），采样间隔5 s，计算2套磁力仪地磁场总强度F值均方差和误差，分析磁力仪的一致性和稳定性等，以便整体把握所检测磁力仪的性能，使其在地震监测预报中发挥作用。

3 比测检验分析

地磁仪器比测是保障地磁测量准确可靠的有效手段（顾左文等，2004），一致性、稳定性是检测仪器精度的重要指标（范雪芳等，2015；畅国平等，2020）。

3.1 仪器一致性测试

为了检验EREV-C质子旋进磁力仪的一致性，在相同观测区、相同环境下，将16台EREV-C质子旋进磁力仪与标准磁力仪进行同步观测，将所测地磁场总强度F值原始数据进行对比，并将二者F值差值数据进行对比分析，结果见图2。

图2 2021年11月23日16台测量仪器与标准仪器原始观测曲线（a）及差值曲线（b）Fig.2 Original observation curve (a) and difference curve (b) of 16 measuring instruments and standard instruments on November 23,2021

由图2可见：①原始数据曲线对比：在测量时段11:35:00—16:35:00，16台参与比测磁力仪与标注磁力仪地磁场总强度F值原始数据曲线整体变化趋势一致，无明显差异；②F值差值对比：16号磁力仪与标准磁力仪F值差值最大，为0.50 nT，满足测试仪器与标准仪器的差值数据≤±0.50 nT的测试要求①EREV-C测试组.EREV-C质子旋进磁力仪测试大纲及方法和方案.2021.11。因此，在相同观测场地、相同观测时段，参与测试磁力仪与标准磁力仪观测数据变化趋势一致，表明2套磁力仪具有较好的一致性。

3.2 仪器稳定性测试

衡量仪器稳定性的一个重要指标是地磁场总强度F值的均方差S（杨婕等，2008；谈昕等，2015），计算公式如下

式中，S为均方差，Xi为标准仪器与测试仪器观测数据差值为标准仪器与测试仪器差值的平均值，n为观测组数。

计算16台磁力仪与标准磁力仪F值差值均方差，以检验参与比测磁力仪的稳定性。统计测试仪器地磁场总强度F值均方差，结果见表2。

表2 EREV-C质子旋进磁力仪与标准仪器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可见，15号磁力仪F值均方差最大，为0.099 nT；6号磁力仪F值均方差最小，为0.064 nT。因此，2套磁力仪F值差值均方差≤0.10 nT，满足测试要求①EREV-C测试组.EREV-C质子旋进磁力仪测试大纲及方法和方案.2021.11。通过仪器观测数据均方差的计算可知，测试仪器具有良好的稳定性。

3.3 统计分析

采用仪器差测试方法，对EREV-C质子旋进磁力仪统计分析，也就是运用数学方式，对测试仪器进行数理统计和分析，形成定量结论。

仪器差测试方法。在与红山比测站标准仪器GSM-90F Overhauser磁力仪进行比测时，128台EREV-C质子旋进磁力仪中有4台与其F值差值为0.0 nT，以此4台磁力仪作为新的比测标准仪器，依据《流动地磁测量基本技术要求》，将其余124台磁力仪分别与这4台标准仪器进行仪器差比测，计算出所有磁力仪与新的标准仪器的F值差值，即得到每台EREV-C质子旋进磁力仪地磁场总强度F值仪器差ΔF。受篇幅所限，文中给出16台磁力仪的仪器差测试结果，见图3。

图3 16台EREV-C质子旋进磁力仪仪器差Fig.3 Instrument difference of 16 EREV-C proton precession magnetometers

由图3可见，16台EREV-C质子旋进磁力仪地磁场总强度F仪器差变化幅度为-0.5—0.50 nT，其中3号、13号、14号磁力仪的仪器差最小，均为0.10 nT；11号磁力仪仪器差最大，为0.50 nT；仪器差ΔF≤±0.50 nT，仪器差变化较小，表明参与测试磁力仪一致性良好，仪器精度较高，可为观测数据的质量和精度提供保障。