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  地震地磁观测与研究  2017, Vol. 38 Issue (3): 100-106  DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2017.03.017
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引用本文  

张英杰, 张小涛, 赵长红, 等. 涉县地磁台地磁观测室建设[J]. 地震地磁观测与研究, 2017, 38(3): 100-106. DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2017.03.017.
Zhang Yingjie, Zhang Xiaotao, Zhao Changhong, et al. Construction of observation room at Shexian Geomagnetic Station[J]. Seismological and Geomagnetic Observation and Research, 2017, 38(3): 100-106. DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2017.03.017.

基金项目

2016年河北省地震科技星火计划项目(项目编号:DZ20160408052);2016年河北省地震局三结合项目

作者简介

张英杰(1986-), 男, 本科, 助理工程师, 主要从事地震监测工作。E-mail:zhangyj03@163.com

文章历史

本文收到日期:2016-10-12
涉县地磁台地磁观测室建设
张英杰, 张小涛, 赵长红, 江永建, 李晓鹏     
中国河北 056400 涉县地震台
摘要:涉县地磁台观测室建设严格照规范进行,于2014年中投入试运行。本文就涉县地磁台观测室建设在勘选、材料磁性检测、异常情况处理所用方法进行阐述,运行后资料质量分析表明,涉县地磁观测室建设较为成功,其建设经验可为其他地磁台站新建、改造提供参考。
关键词地磁台站    场地勘选    观测室建设    材料检测    资料质量    
Construction of observation room at Shexian Geomagnetic Station
Zhang Yingjie, Zhang Xiaotao, Zhao Changhong, Jiang Yongjian, Li Xiaopeng     
Shexian Seismic Station, Hebei Province 056400, China
Abstract: Shexian Geomagnetic Station project belongs to the background field exploration project of China Earthquake Administration. The observation room is put into trial operation in the middle of 2014. In this paper, the site exploration, magnetism test of building material and the treatment of abnormal situation, that carried out in strictly according the standard in the construction process of the observation room in the Shexian Geomagnetic Station are expounded. The analysis on the quality of observation data shows that the construction of Shexian observatory is of more successful, and the construction experience can provide reference for the construction and improvement of other geomagnetic stations.
Key Words: geomagnetic station    site survey and selection    construction of observation room    material detection    data quality    
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ΔFh≤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ΔFh和垂直梯度ΔFv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。

表 1 涉县台周围环境调查 Tab.1 Environment questionnaire surrounding Shexian Seismic Station
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Ft。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Fi。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ΔFij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)

图 1 密跨度地磁梯度测量等值线 (a)测试区内100 m×200 m磁场梯度等值线;(b)70 m×110 m范围内磁场梯度精细测量 Fig.1 Isoline of geomagnetic gradient measurement in dense span
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ZDH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ZDH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。ZDH分量噪声水平计算结果见表 2

表 2 三分量噪声水平 Tab.2 Three component noise level

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ΔFh≤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。

图 2 绝对观测室场地清理前后磁场梯度 (a)清理前;(b)清理后 Fig.2 Magnetic field gradient change of absolute observation station before and after cleaning
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ΔFh≤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。

表 3 石英砂跟踪检测 Tab.3 Tracing and testing list of silica sand magnetism
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,ΔFh≤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

图 3 地磁观测室外围清土前后磁场梯度对比 (a) 2013年12月28日17时54分— 18时04分清土前;(b) 2014年1月15日17时02分— 10分清土后 Fig.3 Gradient diagram of front and rear magnetic field
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ZHD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。

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