0 引言

中国是地震多发国家，地震灾害损失较为严重，为保障社会经济持续、快速、稳定发展，保障人民生命财产安全，务必采取相应措施防震减灾。地震台站是获取多种学科观测数据的基地，确保数据的稳定性和连续性，确保数据质量，是减轻地震灾害损失的基础工作。

根据《地震台站观测环境技术要求第2部分：电磁观测》及《地震台站建设规范地磁台站》要求(中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局等，2004；中国地震局，2004)，地磁台观测场地应避开分布范围小于1 000 km²的磁异常区，100 m×100 m范围内磁场总强度F的水平梯度ΔF_h≤1 nT/m，观测场地需进行跨密度测量，磁场梯度约在1 nT/m以下，且该区域范围不小于100 m×100 m，初测合格则可作为地磁台站观测场地，并对此区域细测。观测室建筑材料磁化率χ绝对值应不大于4π×10⁵(SI单位制)，建设完成后观测室内磁场水平梯度ΔF_h和垂直梯度ΔF_v应不大于1.5 nT/m。

中国某些地磁台站在新建或迁址过程中积累了一些经验(刘春节等，1997；王治业等，2009；全建军等，2013)，因地理条件及环境因素不同，所用建设方法也不尽相同。涉县地磁台项目隶属中国地震背景场探测河北省地磁台网项目，目标是建成地磁基准台，包括主要设备5套，建筑面积200.80 m²。涉县地磁台(以下简称涉县台)地磁观测室于2014年5月验收并投入运行，本文从场地堪选与清理、建筑材料检测与异常情况处理、投入运行后资料质量检测等方面展开论述，以便为其他地磁观测室建设、搬迁提供参考。

1 场地勘选

涉县台地磁观测室场地勘选吸收其他地磁台建设经验，在相关规定基础上，选择具有弱磁背景的场地，尽量远离电磁干扰的场地。勘选工作由中国地球物理研究所、河北省地震局前兆台网中心、红山基准地震台及邯郸中心地震台相关人员联合完成，分别于2009年8月12日—22日、9月11日—13日，在涉县台进行观测环境地磁场总强度跨度及密跨度测量、台址场地背景噪声测量。

1.1 周围环境调查

工业电磁干扰是地磁观测主要干扰源(于华等，2016)，在选择地磁观测场地时，避开此类干扰是选址要素。根据《地震台站观测环境技术要求电磁观测》，普通铁路轨道与地磁观测点观测仪器的距离应不小于0.8 km，高压线路不小于0.3 km，三级以下公路不小于0.3 km，三级及以上公路不小于0.8 km。对涉县台周围环境作详细调查，见表 1。根据规范，表 1中可能干扰源不会对涉县台产生干扰，距离满足涉县地磁观测室建设要求。

1.2 总强度跨度测量

根据《地震台站建设规范地磁台站》要求，对初选区进行地磁场总强度F跨度测量。地磁场总强度跨度测量应以观测场地为中心，按照EW和NS向布设2条长度30km的十字型测线，测量点间距平均3 km。由于地形因素，涉县台很多测点位于山区山沟或高山山头，线路不能完全按照地磁正南正北极布设，在测量满足观测条件前提下，将NS测线以逆时针旋转约15°，EW测线逆时针转动约10°。场地中心附近设立记录总场强的日变站。因地形地貌及交通情况，并未严格按照测线长30 km和点距3km进行测量，EW测线点间距约2.5 km，NS测线点间距约2 km。测试仪采用G856磁力仪(2套)、GM4流动磁通门磁力仪(2套)。观测数据经差分处理，以观测线长度为横坐标，差值ΔF为纵坐标，做ΔF分布曲线。涉县地磁台测量数据结果表明，NS向与EW向测线异常点均偏离拟合直线小于50 nT。《地震台站建设规范地磁台站》附录B.5.3规定：ΔF分布曲线应是水平或稍有倾斜的直线，若异常点偏离直线不大于50 nT，则观测场地合格。

1.3 密跨度地磁梯度测量

在场地西南角附近10 m范围内选择1个水平梯度不大于1 nT/m的点，架设1台G856磁力仪作为日变站，并在密跨度地磁梯度测量前30 min投入观测，观测采样间隔为1 s。该日变站记录的观测值记为F_t。在200 m×100 m范围内，以10 m为间隔，设置11行21列方格网络，共计231个测点，在每个测点埋设木桩，以行列编号作标记，由第11行第21列的测点从北向南、从西向东逐行逐列进行测量，采用世界时整分读取观测数值，记作F_i。场地西边有一个废弃的养猪场，房子为钢铁结构，观测数据受到影响。利用差值ΔF_ij绘制等值线。因该区域存在多处电线杆，影响周边区域内地磁梯度等值线形态，测量结果见图 1(a)。场地完成初选，对磁场梯度相对小的区域进行5 m×5 m网格的精细测量，测量区域范围为70 m×110 m，测量过程、方法与初选相同，测量结果见图 1(b)。

1.4 背景噪声测量

背景场噪声测试通过GM4磁通门磁力仪记录至少2小时数据来完成。GM4工作时间为2009年9月11日—13日(UT)共26个小时，记录Z、D和H通道数据。利用2009年9月12日16:00—18:00(UT)的数据，计算测点位处Z、D、H分量噪声水平。由于野外工作时间较长，考虑到野外记录需防水、防晒和防盗，采用探头和主机埋地方式，GM4磁力仪启动后撤掉GPS天线。具体实施方案为：探头底部放置无磁性大理石方墩(规格为：40 cm×40 cm×10 cm)，墩子底部用白水泥坐实，上部放置塑料桶防水；将电瓶、GM4主机放置在整理箱内，埋地。

依据地磁场变化，对选取的数据段计算测试点背景噪声。从所选2小时数据中随机选取10段连续10 s数据，计算峰峰值和均方根(RMS)及10次峰峰值和RMS平均值，即为此时测试点的峰峰值和RMS背景噪声。Z、D、H分量噪声水平计算结果见表 2。

对该地区密跨度、跨度、背景噪声测量和对比观测结果表明，密跨度、跨度、背景噪声符合《地震台站观测环境技术要求·第2部分：电磁观测》(GB/T19531.2—2004) 和观测场址技术要求需遵循的地震行业标准《地震台站建设规范地磁台站》(DB/T 9—2004) 中要求的相关规定。

从观测场地测试结果、建设条件勘察结果分析，涉县台无论从中国地磁观测网的需要还是建设要求均符合要求，可以建设地磁基准台。

2 地磁观测室建设

地磁观测室建设必须保证场地周围环境无铁磁性物质，需对可能存在的磁性物质进行清理，且对建设材料磁性有特殊要求(赖加成等，2008；吴玉田等，2008；徐清风等，2014)，按照《地震及前兆数字观测技术规范》(中国地震局，2004)，地磁台建设必须选择无磁性或弱磁性材料。

2.1 场地清理

《地震台站建设规范地磁台站》要求，磁房区域的水平梯度ΔF_h≤1 nT/m，需要对观测场地进行清理。地磁基准台站建设中，场地清理是一项重要且繁杂的工作。涉县台地磁观测室场地清理于2012年11月开始，历时近半年，涉及新征地场地清理、磁房基础开挖和回填等工程，共清理果树300余棵、墓坑(包括明坟、暗坟)200余个，总动土方量26 000多立方米。绝对观测室场地清理前后磁场梯度见图 2，可见观测场地清理后磁场梯度满足规范要求。

2.2 材料检测

涉县台地磁观测室为条石碳筋混凝土结构四坡顶瓦房，室内为架空实木复合地板(架空高度1.8 m)，6个汉白玉观测墩，墩基均从0.4 m厚筏板基础生根。磁房建筑材料均为精选的弱磁性灰岩条石、石子、白水泥、石英砂、碳纤维筋、橡木门、塑料窗等。每块条石尺寸均提前经过精确计算，生产厂家严格按比例切割。

涉县属于山区，出产石材。在观测室建设前期，经充分调研及测试，选择具有弱磁性的涉县艾叶蛟产石灰石作为墙体，涉县玉林井产石子作为混凝土原料，以节省运费，并缩短工期。

(1) 观测室建设材料必须经过严格检测，观测墩所用材料的磁化率κ < 1×10-6CGSM，房屋建筑材料磁化率κ < 1×10^-5CGSM，水平梯度ΔF_h≤1 nT/m(杜文勇等，2010)。采用2套加拿大GEM公司生产的GSM-19T标准质子磁力仪对拟选建材进行检测。该仪器技术指标如下：灵敏度为0.05 nT；分辨率为0.01 nT；绝对精度为±0.2 nT；动态范围为20 000—120 000 nT；梯度容差 > 7 000 nT/m；采样率为3—60 s；工作温度为-40℃—+55℃；温飘0.002 5 nT/℃(环境温度为0—-40℃)、0.001 8 nT/℃(环境温度为0—+55℃)；主机：尺寸223 mm×69 mm×240 mm，质量2.1 kg；传感器：尺寸170 mm(长)×75 mm(直径)，质量2.2 kg。

(2) 若被检测材料距磁通门磁力仪探头0.5 m处引起的磁场变化小于1 nT，则符合地磁台建台用材条件(Jankowski J et al等，1999)。基于此依据，在检测前制做弱磁性方桌，把石子、石英砂等颗粒材料装袋，测试前空测2组数据确定磁场处于稳定时段；将材料袋放置在方桌上，一个方向紧挨探头，人工旋转依次测定4个方向数据；取下材料袋空测2组数据；对比得到8组数据，若任意2组数据差小于0.5 nT，则此袋材料合格，若其中2组数据大于0.5 nT，排除日变干扰后仍大于0.5 nT，则弃之不用。对于长形材料，则采取分段测量，取0.5 m为1段，若2段数据差小于0.5 nT则可用，大于0.5 nT弃之不用。该工程共检测水泥200 m³、石子500 m³、石英砂260 m³。为达到地磁观测室磁性要求，建设施工所用材料均需实时、跟踪检测。表 3列出石英砂跟踪检测结果。

2.3 异常处理

涉县台地磁观测室建设严格按照《地震台站建设规范地磁台站》要求，建设材料严格检测，建筑物跟踪控制，地磁观测室建设每日测量。测量前场地内清场，移出带有磁性的工具。测量方式是：根据观测室面积布设6 m×13 m网格，每格1 m，配备2套GSM-19T标准质子磁力仪，1台用于固定参考点日变记录，1台按顺序进行逐点测量。按照规范要求，ΔF_h≤1 nT/m时，必须找出干扰源并重新测量。

观测室主体完工后，2013年12月28日进行测量，检测结果不符合规范要求，多次重测结果仍不符合规范，室内未找出干扰源。因之前测量结果均符合规范要求，怀疑观测室主体外围填土产生影响，对观测室周围填土下挖1.5 m，外挖10 m清移，重新测量后符合规范要求。地磁观测室外围清土前后磁场梯度检测结果见图 3。

3 地磁数据质量分析

地磁观测室建设完成后，地磁观测数据质量是否达标，评价指标有：内在质量、观测数据连续率、观测数据相关性(于华等，2016)。学科评比规范规定，当同一个台站有2套以上(含2套)观测仪器参加同一系列评比时，该台站该系列采用得分最高仪器的年度评比成绩。涉县台配备2套GM4磁通门磁力仪，其中测点为g的磁力仪经常死机，缺数较多，不能真实反映台站地磁观测数据质量，在此取测点为f的磁力仪进行资料质量分析。

(1) 观测数据内在质量较高。内在质量主要从基线值质量、背景噪声等方面进行统计，噪声越小观测精度越高。根据中国地磁台网公布的评比结果，涉县台2015年度秒采样观测系列f测点噪声统计得分为满分(15分)，基准台观测系列测点f三分量噪声得分均为满分(5分)。基线值因人为比测缺少2次，导致扣1.2分，其他因素未扣分。以上评比结果说明，涉县台地磁观测数据内在质量较高。

(2) 数据完整率、连续率较高。根据中国地磁台网公布的2015年度评比结果，涉县台基准观测系列测点f分钟值完整统计的Z、H、D扣分依次为0.04、0.07、0.04，秒采样数据连续率三分量均为满分，说明该台地磁观测数据完整率、连续率较高。

(3) 数据相关性较好。选取2015年3—6月涉县台F日均值，使用地震前兆信息系统软件，与红山地磁台、昌黎地磁台同时段地磁观测数据，进行一元线性回归计算，得到相关系数为1，说明涉县台地磁观测数据相关性较好。

通过对涉县台地磁资料内在质量、连续率、相关性的分析，说明涉县台地磁观测室满足地磁观测条件，建设施工达标。

4 结论

综上所述，可以得出以下结论：① 地磁观测室勘选应远离电磁干扰源，对于台站地质环境条件不能完全按照《地震台站建设规范·地磁台站》勘测时，应当在符合规范的测点距离内，适当加密勘测；② 根据台站条件合理选取建材，在满足检测条件的前提下节约成本。涉县产石灰石及石子是较好的地磁建设材料，可推广到其他台站建设中应用；③ 观测室建设前期，需对观测场地进行必要清理，且需对建设材料进行实时、跟踪检测，涉县台所用检测仪器及建设材料检测方法可为新建地磁台参考；④ 密切监测施工动态，对于不能满足规范要求的，及时查明原因；⑤ 涉县台地磁观测室建成后，观测资料质量较高，说明观测室建设较为成功，建设经验可为其他新建地磁台站提供参考。