磁场梯度变化分析法在永安地磁台建设中的应用

1、永安地磁台的勘选与建设全建军 1） 夏忠 2刘水莲 1） 刘礼诚 1）方传极 1） 黄鹤林 1） 1）中国福州 360000 福建省地震局2）中国江苏 221400 新沂地震台摘要 介绍地磁台建设中场地勘选、建设方案以及材料的选择与检测、磁场梯度监控的一些方法。实践证 明，永安地磁台的台址堪选与建设满足地磁台站建设规范的技术要求，说明方法切实有效，可以为其他地 磁台站的新建、改造提供参考。关键词 场地堪选；建设方案；材料的选择与检测；磁场梯度监控0 引言永安市位于北东向政和海丰断裂带和北西向永安晋江断裂带交汇处， 是福建内陆发 生地震最多的地区之一， 也是历史上发生较多地震的区域。 永安地震台

2、地磁测项始于 1979 年 10 月 1 日，使用 CR2-69 型刃口式磁力仪对地球磁场垂直分量进行连续观测（相对观 测） , 1982年1月1日使用 CHD-6 型质子旋进式磁力仪对地球磁场垂直分量进行连续观测 （绝对观测） , 2005年底，因永安市 “西下路 ”拓宽改造工程开工建设，永安地震台的地磁观 测环境遭到破坏，永安地震台原有的观测条件已经难以满足新仪器对环境的要求。伴随着 “十五中国数字地震观测网络”项目的推进，地磁观测和记录仪器都实现数字化和网络 化，根据地震台网设计技术要求 -地磁观测网（ DB/T 37 2010）要求和地震台站建设规范 - 地磁台站（ DB/T9-200

3、4 ）要求，新建永安地磁台。根据地磁观测网设计技术要求 （DB/T 37 2010）要求，新建地磁台的观测环境应符合 由人工电磁源所产生的磁场骚扰强度和人工电磁源所产生的突发性的磁场骚扰强度不大于 1nT;观测场地应避开分布范围小于 1000km2的磁异常区，观测场地 50m 50m 范围内磁场总 强度 F 分布均匀，且水平梯度 F5nT/m （中国地震局， 2010）。1 地磁台勘选1 1 地磁台地磁背景经过专家实地测量， 决定将永安地磁台建于永安市洪田镇黄龙村李厝甲， 占地约 9.2 亩， 距离村民土木房 100m，北面为农田和民居，南面为山坡，东面为农田和民居，西面为高山。 外部环境没有

4、干扰因素存在， 内部区域磁场不存在磁异常区。 周围无电磁干扰， 区域构造简 单，表面为黄土、碎石覆盖，下面的基岩岩性为沉积石灰岩，未发现磁体岩体，200m 范围内磁场梯度小于 1.0nT/m ,完全符合地磁台选址规范的（中国地震局，2004）要求 , 观测环境还是比较理想的。1 2 场地的堪选121 场地初测。 对永安地磁台地磁观测区内地进行梯度测量，了解观测区内磁场分布的 均匀程度，以确定场地勘选时测量的地磁场梯度和 FHD 观测室建设过程中的地磁场梯度的 差别，为下一步的 FHD 观测室建设和后期数据产出提出全面的背景资料。利用这些资料， 建设一个符合地震前兆数字观测规范的 FHD 观测室

5、。通过测量原始场地磁场梯度和整平后 的场地磁场梯度， 并测量新建观测室内不同高度磁场梯度， 可以分析周围环境和观测室内潜 在的干扰源， 为下一步干扰排除工作提供数据基础， 从而为永安地磁台地磁观测提供符合技 术规范要求的观测场地。1.2.2 场地清理。 为了保证磁场梯度测量结果的精度， 测量前， 应先对地磁观测区场地进行 必要的清理： 主要是对场地内的铁制工具和小铁丝等带有铁磁性物质的清理。 同时， 对观测 区外干扰源分析、认定。1.2.3 建立日变站和测试区的网格化。 梯度测量的日变站建立在场地的西北角， 用 G856 质 子旋进磁力仪设定每隔 12s自动记录一次日变值。 在观测区内，沿东西

6、方向布设了 9 条测线， 在测线上自南向北设置了 8 个测点。在东西长约 40 米，南北长约 35 米的区域内按 5m 5m 的网格间距，共布设 72 测点，覆盖了整个观测区，用 G856 质子旋进磁力仪在方格网上测 量空间磁场总强度的变化，探头高度为1.8m，各测点采样 3 次取均值，记作 Fi，同时记取时间。1.2.4 磁场梯度测量。 2009年 7月 16日，校准了时钟后，使用两套 G856质子旋进磁力仪 （分辨率为 0.1nT, 测量精度为 0.5nT ）每隔 12s自动记录一次日变值 （探头高度统一为 1.8m）， 在方格网上测量空间磁场总强度的变化， 各测点均采样 3 次，取均值记

7、作 Fi，同时记取观测 时间。1.2.5 数据处理。 用观测值 Fi 减去日变站相近时刻的观测值 Ft,即可得到每个测点消除时间 变化后的观测值 Fi（高玉芬等， 1999 ）,用公式表示为 Fi =Fi-Ft绘制等值线图的目的是， 全面直接的了解观测区内磁场梯度分布情况， 进行场地磁场梯 度变化和新建观测室内梯度变化研究分析， 为选择地磁观测环境提供可靠的科学依据。 将网 格点号与相应的 Fi 值填写在按比例绘制的网格点位图上，并将相同数值的测点用平滑曲 线连接起来，便可以得到该测区的等值线图。本次数据处理，利用“ Winsurf ”软件绘制等 值线图。1.3 等值线图变化分析1.3.1 建

8、设前场地磁场梯度变化图分析。 从永安地磁台 FHD 观测室建设场地地磁梯度等值 线图可以发现， 该测区梯度变化不大， 仅在观测区东边几处测点存在明显的梯度异常 （图 1）。 经过反复分析， 发现梯度异常处都有较大的土堆形成的小土坡， 还有北边的围墙， 有可能形 成干扰源，致使梯度观测值出现较大波动。其他各点磁场都比较均匀，且 F 的自然分布情 况基本呈现“单向”平缓变化，每米符合小于 1nT 的变化。1.3.2 平整场地后的磁场梯度变化图分析。 整平场地，对小土坡进行填平，重新测试场地 梯度，见图 2。由图 2 可以明显看出，等值线分布比较均匀，虽然东北边由围墙形成的干扰 源造成一小处磁异常，

9、 但这小处距离 FHD 观测室较远， 基本不会影响到的地磁的绝对观测。这就印证了干扰源小土坡排除工作的正确性。 因此， 场地的平整程度和围墙到观测室的距离 在以后的新建磁房过程中要引起广大地磁台站工作者的注意。距离 5m距离 5m图 1 原始场地磁场梯度(单位 nT )等值线Fig.1 Contour map of the original site of mahnetic field gradient (unit in nT)图 2 整平后场地磁场梯度(单位 nT )等值线Fig.2 Leveling venue magnetic field gradientcontour map (uni

10、t in nT)2 地磁台的建设2.1 地磁台的建设方案2.1.1 FHD绝对观测室的建设。 绝对观测室是地磁台的基本基础设施之一。 按照规范要求 （中 国地震局， 2004），绝对观测室内磁场梯度要小于 1.0nT/m, 观测室内墩距 3m，墩子与墙体相 距 1m, 墩子布局满足相互间不干扰的要求。2.1.2 通讯集成的建设。 为了确保新台的通讯稳定、可靠和高速，进行信息节点的安装， 布设局域网，配备路由器、交换机、服务器、前端处理器等节点设备。架设一条2M SDH光纤专线同福建省地震局构成地震系统内部网络。 前兆各项测项数据通过信息公布网络平台将 数据传输到福建省地震局前兆台网中心。 让地

11、震观测数据直接与福建地震局分析预报中心共 享，便于科学研究。2.1.3 避雷设施的建设。 所谓雷击防护就是通过合理、有效的手段将雷电流的能量尽可能 的引入大地。 一个完整的防雷系统包括两个方面： 直接雷击的防护和感应雷的防护。 缺少任 何一面都是不完整的、有缺陷的和有潜在危险的（姜华等，2009）。接地是避雷技术最重要的环节， 不管是直击雷、感应雷、 或其他形式的雷，最终都是要 把雷电流送入大地。 因此，没有合理而良好的接地装置是不能可靠的避雷的。 接地电阻越小， 散流就越快， 被雷击物体高电位保持时间就越短， 危险性就越小。 对于场地的接地电阻要求 4所以计划在地磁台办公楼的东西两侧最高点设

12、铜避雷针和楼体钢筋接地体结合， 观测室电源、避雷针共用楼体接地，测试接地电阻为0.3 。另在地磁台院内新建一个接地体，接地电阻 2.4 ，主要用于观测室的仪器设备和信息节点设备的避雷接地。 避雷接地的材料为 6020mm的镀锌扁钢， 接地体规格为 6 1.5 1.0m 的网状结构，采用长效降阻技术，埋藏深1.5m 。地磁房外建设避雷接地网，地网采用 3cm宽， 0.5cm 厚的紫铜带制作，接地网地埋深度 大于 1.5m, 在接地网上浇灌降阻剂，其上覆盖黄土，接地电阻 1.9 。在地网两端各引出一 条接地线，作为地磁仪器室的电源接地和仪器接地。2.2 地磁台的建设材料的选择与检测2.2.1 材料

13、的选择。 按地震及前兆数字观测技术规范的要求（中国地震局，2004），地磁台所用建筑材料， 必须选择无磁性或弱磁性材料。 对所用建筑材料及器件的磁性必须认-6 真测定，要求观测墩所用材料的磁化率小于1 10-6CGSM，房间建筑材料磁化率小于1-510-5 CGS（M中国地震局， 2004）。为此，所有建筑材料（包括沙、石、水泥、铜材、铝、塑料 以及电气配件等）均须进行严格测试。2.2.2 材料的检测。 材料磁性的检测方法很多，过去常用的办法是用磁化率仪在地磁台基 建现场进行测量 , 但用磁化率仪检测地磁建筑材料测量精度比较低，无法满足高标准的数字 化地磁台的要求。国际地磁学与高空科学协会（I

14、AGA）在地磁测量与地磁台站工作指南中介绍， 可用磁通门磁力仪来检测材料的磁性。 具体做法是： 如果被检测材料放在距离磁力 仪探头 0.5m 处，引起的磁场变化小于 1nT，则所测材料就符合地磁台建台用材条件（高玉 芬等， 1999）。根据建筑材料的性质、形状以及检测环境等，决定采用G856 进行检测。采用经检测无铁磁性杂质的木板、铜钉等制作成（ 503035）cm3 的检测箱，装上石子、沙等散粒建筑 材料，将箱子靠近 G856 核旋仪的探头，发表测量箱体长边两侧，若样品靠近和离开 G856 核旋仪探头所引起的磁场变化 F 不大于 1nT,该材料磁性符合要求（赖加成等， 2008）。上述检测方

15、法主要用于石子、沙土等建筑材料。为了提高精度，且便于操作，增设高约40cm 的检测平台，用于水泥、钢筋的磁性检测。水泥有固定的规格尺寸，在检测平台上逐 包检测，方法相同。而铜筋为长条形，基于测量材料外部磁场强度 F 的基本原理，采取 分段检测方法，每隔 30cm 测一个点，探头空置值和测点测值比较、测点与测点比较，以相 邻测点间差值 F0.5nT 为判断依据。2.3 新台建设过程中磁场梯度的监控2.3.1 混凝土浇注的磁场梯度监控。 为不影响工程质量，混凝土浇注过程中不可能为磁测 工作留出足够的时间。 因此， 现浇混凝土的磁性检测实现边施工边检测的方法。 我们还是以 30cm 的网距将探头贴近

16、混凝土逐点读数，合格的标准是前一个测点与后一个测点的差值小 于 2nT 。通过对检测的数据的分析，建筑物满足仪器工作的的磁性环境要求（陈维超等， 2007）。对个别超标的点位，进行手工剔凿，剔凿一点，清理一点，检测一遍，直到合格为 准。由于事前原材料（石子、沙、水泥、铜筋）均已检测，所以这种检测方法虽然引用了梯 度测量的概念，其实是地毯式搜寻施工过程中遗留的铁磁性物质。2.3.2 墙体筑砌后的磁场梯度监控。 鉴于我们的仪器房墙体是用石灰石浆砌成的，对于仪 器房墙体筑砌过程的磁场梯度监控，我们原则上每筑砌 30cm 的高度检测 1 次。但在实际检测过程中我们发现： 问题几乎不可能出在石灰石上，

17、应重点跟踪检测的是水泥砂浆， 所以我 们在检测墙体时，主要是将探头沿着填塞了水泥砂浆的石头缝搜寻，让铁磁异物无处遁形。2.3.3 观测室建成后的磁场梯度监控。 在观测室建筑物全面竣工后， 再对观测室内的磁场梯 度进行梯度测量。按规范建立水平间距为0.5m 0.5m，垂直间距为 0.6m 的测网进行磁场梯度测量，。测量仍采用 2 台 G856 质子旋进式磁力仪同步进行， 一台磁力仪在固定的参考点上 记录日变， 另一台按顺序进行逐点测量。 全部磁测数据均进行日变改正后， 使用“ Winsurf ” 软件绘制出磁场分布等值线图。从室内磁场梯度等值线图（探头高度分别为60cm 、120cm、180cm

18、）（图 4图 6）可以看出：室内磁场梯度变化不大，各点的磁场都比较均匀，且F的自然分布情况基本呈现“单向”平缓变化，变化幅度小于1nT/m ，满足规范要求，观测条m5.0离距件合格。nTt时距离 0.5m距离 0.5m距离 0.5m图3 磁场梯度等值线（ 60cm）图 4 磁场梯度等值线（ 120cm ）图5 磁场梯度等值线（ 180cm）Fig.3 Magnetic field gradientFig.4 Magnetic field gradientFig.5 Magnetic field gradientcontour map(60cm)contour map(120cm)contour

19、 map(180cm)图 6 永安地磁台数据曲线Fig.6 The data curve of Yongan Seismic Station目前，为台站配备的 FHD-2B 质子磁力仪已经于 2010 年 11 月投入试运行工作，评价 FHD-2B 观测数据质量无非是要考察观测数据的精度与连续率,数据噪声是观测数据相对精度的反映， 噪声小的数据，相对观测精度就高，反之就低。然而台站的堪选及建设会直接影 响到观测数据噪声 ,所以说检验一个地磁台站的堪选及建设效果可以看它的观测数据中数据 噪声。通过观察永安地磁台数据曲线(图6)，可以发现该曲线毛刺较少、线条较细、噪声较低，所以说永安地磁台的堪选及

20、建设效果还是比较好的。3 结论( 1)根据 FHD 观测室建设场地的原始磁场梯度和室内梯度结果对比，发现磁场梯度没有明显变化， 该地块磁场梯度每米小于 1nT,满足不大于 0.1nT 的要求，符合地震台网设计 技术要求 -地磁观测网 (中国地震局， 2010)要求，可以建设 FHD 观测室。( 2)地磁台站建设中， 场地磁场测量、 材料磁性检测乃至施工过程中的磁性跟踪监测， 归根结底都是通过测量磁性体外部点的磁场强度F 来操作实现的。(3)通过工程实践，积累了很多建设材料磁性检测的数据和经验，明确了建筑材料磁 性检测的程序和方法，懂得了建设地磁台也是不十分难的，只要细心、耐心、恒心，具有敬 业

21、精神和吃苦耐劳的工作态度，就能建造出合格的地磁台。参考文献陈维超，郑柯献，郑在壮琼中地震台地磁记录室改造J.地震地磁观测与研究， 2007， 28(2)： 87 88高玉芬,周锦屏 ,等译.地磁测量与地磁台站工作指南 M. 北京:地震出版社 ,1999.姜华，王治业，王维远等 .大连地磁台址的选择思路及建设方案 J.地震地磁观测与研究， 2009： 83 赖加成，罗开奇，游永平 .地磁台站建设中的材料磁性检测 J.地震研究， 2008：156-157 中国地震局 .地震地磁学理论基础与观测技术 M. 北京 :地震出版社 ,2010.中国地震局 .地震及前兆数字观测技术规范 M. 北京 :地震出

22、版社 ,2004.The Survey selected and the construction of the Yongan geomagnetic station1)2)1)1)QUAN Jian-jun 1 , XIA Zhong 2 , LIU Shui-lian 1 , LIU Li-cheng 1 ,1)1)FANG Chuang-ji1 and HUANG He-ling 11) Earthquake Administration of Fujian province,fuzhou 35000,china2) Xinyi Seismic Station , Jiangsu Province 221400 , chinaAbstractBased on the constructi