EREV-C型质子旋进磁力仪性能测试分析

刘金龙 燕 华 常文文 畅国平 胡秀娟

1）中国北京 102200 北京桔灯地球物理勘探股份有限公司

2）中国河北 054000 河北省地震局红山基准台

0 引言

质子旋进磁力仪的测量是基于探头液体中质子自由旋进的角频率与所处磁场强度间具有线性关系，因此可以通过测量质子旋进频率来获得对应磁场值。我国使用的质子旋进磁力仪曾主要是GSM-19T 型、PMG-2 型、ENVI-PRO 型等国外产品，国产质子旋进磁力仪在综合性能方面与国外产品间存在差距。近年来，国产质子旋进磁力仪的性能也有了较大提升，谈昕等（2015）、畅国平等（2020）对GSM-19T 型质子旋进磁力仪性能进行了测试，而EREV-C 型质子旋进磁力仪作为当前国产磁力仪的代表之一，对其性能进行测试也是必要的。为了在台站测试工作在河北省地震局红山地震台进行，主要对质子旋进磁力仪的一致性、稳定性等性能进行测试，最终得到磁场总场曲线、日变化量差值、标准偏差、相关系数等结果。

1 测试依据

河北省地震局红山基准台根据中国地震局第一监测中心提供的测试方案，对北京桔灯地球物理勘探股份有限公司生产的 128 台EREV-C 型质子旋进磁力仪（包含合同内110 台及18 台备用样机）进行台站部分的测试。测试中参考DZ/T 0071—93《地面高精度磁测技术规程》（中华人民共和国地质矿产部，1993）、《地震监测专业设备定型测试大纲》（质子磁力仪）（文档编号：CSDC201903），并结合实际工作情况和相关专业人员的建议，编写了《质子旋进磁力仪野外测试大纲》。

2 测试

2.1 测试地点

测试地点为河北省红山基准地震台（图1）（李磊，2013）。红山基准地震台位于河北省邢台市隆尧县城西北9 km 处，是1966 年7 月由中国科学院地球物理研究所建成的“卧龙山地震台”改名而来。1972 年被确定为全国基准台，目前是河北省唯一基准地震台。2002 年进行优化改造，观测环境及办公条件得到改善（红山基准地震台，2017），红山基准地震台多次组织参与地磁台站相关设备比测工作，较适合对地磁相关设备进行性能比测工作。

图1 红山基准地震台位置示意图Fig.1 The diagram of the position for Hongshan Benchmark Seismic Station

2.2 测试条件

测试地点为红山基准地震台绝对地磁观测室东侧、南侧空地，测试区域磁场梯度值小于1nT/m，测试仪器布设间距不小于8 m，测试对比使用的标准仪器为红山基准地震台在网运行的GSM-90F 型Overhauser 磁力仪（编号为0，仪器号为0109611），该标准仪器被安装在位于地下的地磁相对记录室。

2.3 测试内容

将EREV-C 型质子旋进磁力仪置于测试地点，与标准仪器通过GPS 时间同步，采样时间均设置为5 s，开启自动调谐模式。后期数据处理时为保证数据采集时间点严格一致，标准仪器需通过反复开启关闭采集的形式达到采样时间为5 s 的整倍数位置；EREV-C 型质子旋进磁力仪开启单点采样同步功能（北京桔灯地球物理勘探股份有限公司，2021），即可保证采集时间为5 s 的整倍数位置。待观测数据趋于稳定后（开始采集时因调谐等原因，数据会出现跳动），布设人员离开观测仪器。将当批次所有EREV-C 型质子旋进磁力仪设置完成后，布设人员离开测试场地，记录时间，最终需获取不少于4 h 的连续数据用于后期的数据处理分析。因测试现场环境、仪器到达测试现场时间的不同等情况，2021 年11 月12 日至12 月1 日，对全部128 套设备通过共计11 个批次完成了室外测量，测量信息见表1（绘图图例均以信息表中编号为准，其中，未标出的标准仪器为上文所述，编号为0）。

表1 测量信息Table 1 Measurement information sheet

2.4 数据处理及结果

2.4.1 绘制地磁测量总场值对比图。总场值是地磁测量的原始数据，对EREV-C 型质子旋进磁力仪和标准仪器的总场值进行对比成图可以直观地反映仪器的一致性及稳定性。经检查，所有EREV-C 型质子旋进磁力仪所采集的数据无丢失，数据完整度均为100%。对地磁测量原始总场值进行绘图，因不同批次数据的采集时间不同，每个批次的地磁日变化趋势不一致，因而无法同时绘制所有仪器的总场值对比曲线，故采用不同批次的总场值，将其分别与同时间段标准仪器的总场值进行对比（图2）。

图2 地磁测量总场值对比（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 标准偏差。标准偏差采用下式（中华人民共和国地质矿产部，1993 年）计算EREV-C 型质子旋进磁力仪、标准仪器所测总场值差值的标准偏差，计算结果见表2

表2 地磁测量总场标准偏差及相关系数Table 2 The statistical table of standard deviations and correlation coefficients

其中，α为标准偏差；xi为第i个同时刻EREV-C 型质子旋进磁力仪、标准仪器测量总场值之差为参与计算的所有时刻EREV-C 型质子旋进磁力仪、标准仪器测量总场值之差的平均值；n为总的时刻数量（即数据点总数）。

2.4.3 相关系数。采用下式计算EREV-C 与标准仪器观测总场值的相关系数，计算结果见表2

其中，correl(X,Y)为EREV-C 型质子旋进磁力仪、标准仪器的2 组总场值间相关系数；xi、yi分别为第i个时刻EREV-C 型质子旋进磁力仪、标准仪器的总场值分别为EREV-C 型质子旋进磁力仪、标准仪器的2 组总场值的平均值。

2.4.4 日变化量对比。计算EREV-C 型质子旋进磁力仪、标准仪器所测总场值日变化量（所有测量值减去第1 个测量值）差值的平均值（图3）。

图3 地磁测量总场日变差值Fig.3 The statistical chart of diurnal variation difference

3 讨论

测试结果显示，所有EREV-C 型质子旋进磁力仪所测地磁总场值与标准仪器测值的变化趋势基本一致，标准偏差最小值0.05 nT，最大值0.10 nT，相关系数均大于0.995，日变化量差值的平均值为-0.268—+0.137 nT。综上所述，EREV-C 型质子旋进磁力仪与标准仪器间的一致性较高，EREV-C 型质子旋进磁力仪稳定性较好；此外，EREV-C 型质子旋进磁力仪所具有的内置GPS 时间同步、单点采样同步等功能，可以更好地服务于磁法测量的野外施工及数据处理等工作。

测试工作得到了河北省红山基准地震台的大力支持，特别是胡秀娟高级工程师、畅国平高级工程师、和少鹏工程师、郭鹏昆工程师的辛勤付出促成了测试的圆满完成，在此表示衷心感谢。