0 引言

地磁场观测是地球物理观测的重要组成部分之一。随着地磁场变化特征的深入研究以及地磁场模型的精细化应用需求，抑制或减小观测干扰，提高观测信噪比获得更加精准的观测数据成为地磁场观测研究的重要课题。为了尽可能排除地面噪声干扰影响，提高观测信噪比，近年来国外地震观测台站开始从地面向地下（井下）发展，建立大量井下观测台站，并组成井下观测台网。井下长期观测可以有效排除各种地面噪声干扰，提高对微小地震和微弱地球物理信息的观测精度（胡星星等，2011）。井下实际观测结果表明，与地面观测相比，井下观测精度能提高1—2个数量级（徐纪人等，2009）。

为获得更加准确的地磁场观测信息，探索地磁场井下观测的可行性，验证井下观测抑制地表干扰的效果，2013年起在河北唐山滦县开展地磁场井下科学观测实验，重点解决2个问题：①定量评估井下地磁观测系统数据质量，并与在运行地磁场地面观测系统进行一致性检验，确保该观测系统的可用性；②检验地磁场井下观测可抑制或不可抑制的地表干扰类型，通过理论计算分析抗干扰可靠性，定量给出不能抑制的干扰类型最小避让距离或通过差值法解决干扰问题。分析结果显示，井下地磁场观测数据质量优良，可作为常规监测手段，可解决近距离铁磁性物质干扰，如：车辆干扰、农田耕作干扰、小型基建工程干扰等，但直流供电干扰仍无法解决，如：高压直流输电干扰、同场地电阻率与地磁场观测干扰，均需通过避让一定距离抑制干扰。

1 地质背景概述

滦县地震台位于滦县新城西南，拐子山东侧，地处燕山南麓冀东平原东部，地貌单元为侵蚀、剥蚀、单面山及残丘地貌类型。该区域及附近主要活动断裂构造有滦县—乐亭断裂、滦县—卢龙断裂、大八里庄断裂、宁河—昌黎断裂和唐山断裂。其中滦县地磁场井下观测系统位于唐山断裂以西约22.4 km，唐山断裂位于唐山隆起东南一侧，为一条走向NNE、倾向NW高角度逆走滑断层，长约40 km，为本区主要活动断裂，该断裂在唐山地震前处于缓慢的蠕动状态，为一条发震断裂，曾孕育1976年7月28日唐山7.8级地震，因此在该地区开展地球物理观测意义重大。

滦县磁通门观测井所处地形为小型残山，山体走向NW—SE，山顶浑圆，山坡平缓，地面标高约62.0 m。观测井地处中朝准地台、燕山台褶带、马兰峪复式背斜的东南部边缘，新构造运动活动强烈，且距唐山断裂较近，是一处获取断裂变化信息、获得断裂蠕动变化信号的良好观测点，其所处位置及地形构造见图 1。

2 系统布设

滦县地磁场观测井深300 m，170—195 m为岩石破碎带，静水位埋深23.7 m，采用无磁不锈钢套管封井。三分量地磁传感器位于井内280 m位置处，观测井套管底部与传感器保持60 m，确保地磁场观测信号（地磁场相对记录，观测水平方向的东西X分量、南北Y分量及垂直方向的Z分量）的真实可靠。

应用英国Bartington的MAG-03MC型地磁传感器，并使用高性能进口无磁不锈钢材料对传感器进行封装（林钢等，2005），采用48 V直流供电电源与24-bits低噪声数据采集器，实现与井下传感器的连接，组成井下地磁观测系统。观测系统布设及井结构见图 2。

3 观测数据质量评估

通过仪器运行稳定性检测、动态曲线一致性、观测数据精度3个技术指标，检验滦县地磁场井下观测系统，检验结果优良。

3.1 运行稳定性

滦县地震台自2015年1月1日—12月31日试运行期间，地磁场井下观测系统运行率96.77%，高于地震前兆台网技术要求的95%，符合观测规范（地壳形变、电磁、地下流体台网运行管理办法）要求。

3.2 形态一致性

抽取昌黎后土桥地震台（距离滦县测点32.5 km）、大连基准台和滦县台2个静日和2个扰日的X、Y、Z分量，进行观测数据形态一致性检验，对比分析结果见表 1。图 3为以上3个站点地磁场静日（2014年1月5日）观测数据形态一致性对比曲线。

由图 3可见，滦县地震台三分量磁变仪记录X、Y、Z分量的数据动态曲线，与地磁基准观测站大连、昌黎2个站点的数据曲线动态变化一致，特别是X、Y分量；因Z分量区域磁场变化特征不一致，3个站点的Z分量在一些时刻变化幅度不一致，但曲线变化特征一致。由图 3(c)可知，滦县台垂直分量曲线变化动态幅度大于其他2个站点，主要原因为：①磁信号响应灵敏度较高；②井下观测仪标度值偏大。

3.3 数据精确度（背景噪声）

数据精度是衡量设备工作的主要指标之一，通过设备安装初期与运行稳定后两种噪声测定方式衡量滦县测点观测数据精度，客观评价井下观测技术数据质量的优略。

3.3.1 设备安装数据精度测试

选取2013年设备安装初期12月5日与6日连续工作100 s的秒数据（00时开始的100 s数据），计算连续10 s数据的均方根值（RMS），求出10个RMS值的平均值，计算结果见表 2。表 2结果显示，X、Y、Z分量的数据精度均优于地震行业观测标注（根据地震行业标准磁通门磁力仪测试标准，小于0.1 nT合格），符合观测要求，测试合格。

3.3.2 稳定运行数据精度评估

抽取2016年地磁静日滦县台Z分量子夜3小时（00—02时）分钟值记录数据，做一阶差分均方差平均值，与国家地磁台网中心公布的当月Z分量背景噪声进行对比，对比结果见表 3。

从表 3可见，滦县地震台3分量磁变仪12个月的背景噪声均优于全国背景噪声水平，观测数据可作为基础数据应用。

4 干扰分析

地磁场地表观测干扰类型主要有高压直流输电干扰、铁磁性物质干扰、同台地电阻率供电干扰（未统计频次）。其中，铁磁性物质干扰源主要包括农用车作业、基建施工、社会车辆驶入观测区干扰等。2008—2016年河北地磁台网数据跟踪分析环境干扰统计结果显示，高压直流输电干扰占78.9%，铁磁性物质干扰占21.1%。本文通过理论计算与实际记录数据分析结果，对地磁场井下观测技术的抗干扰能力进行分析，结果显示，滦县地磁场井下观测系统可有效避除常规铁磁性物质干扰，无法避除高压直流输电及同台地电阻率供电干扰。

4.1 近距离铁磁性物质干扰（耕种农田、施工、车辆等）

铁磁性物质是地磁场地面观测的主要干扰源之一，其干扰类型主要包括：农用车作业、基建施工、车辆驶入观测区等。铁磁性物质自身属性对地磁场观测产生干扰，主要影响地磁相对观测的总场和垂直分量，其表现形态为台阶变化，如干扰物在测区内停止不动，观测数据曲线在地磁场基础上叠加固定值，变化形态虽与正常磁场一致，但观测值失真，铁磁性物质移除后，曲线恢复干扰前态势，同时出现一个阶跃变化。根据铁磁性物质产生扰动磁场与距离的关系（地震台站观测环境技术要求第2部分·电磁观测），可推算最小避让距离s，即

$ s = \sqrt[3]{{\frac{{M\kappa {B_0}}}{{{\rm{ \mathsf{ π} }}d\left({1 + \kappa N} \right)\Delta B}}}} $

(1)

式中，s为铁磁性物体几何中心与地磁观测点间的距离，ΔB为铁磁性物体产生的骚扰磁场强度，M为铁磁性物体质量，κ为铁磁性物体磁化率，B₀为外磁场强度，d为铁磁性物体的密度，N为铁磁性物体退磁因子。

滦县地震台磁通门磁力仪位于井下280 m处，以Z分量为例，根据表 3提供背景噪声（平均0.24 nT），由式（1）计算可得，在铁磁性物质质量低于2 398 kg的情况下，产生的磁场值均在其背景噪声内（以0.24 nT计算），不会对该观测井产生干扰。实验：将标注为2 500 kg（近似铁磁性物质约1 000 kg）的车辆近距离靠近井下观测站点（到井下280 m处产生0.1 nT），查看地磁场记录数据，发现观测曲线无变化。

综上，在280 m的保护范围内，铁磁性物质低于2 398 kg均不会对观测产生干扰。

4.2 直流供电干扰

直流供电干扰主要包含高压直流输电干扰与地磁场观测同点位地电阻率观测2种类型，约占干扰类型的78.9%。

4.2.1 高压直流输电干扰

高压直流输电是地磁场观测环境主要干扰源之一，产生的电磁场信号原理符合电磁场理论，可根据比奥萨法尔定理推导公式，计算产生的感应磁场B，即

$ B = \frac{{{\mu _0}I}}{{4{\rm{ \mathsf{ π} }}{r_0}}}\int_{{\theta _1}}^{{\theta _2}} {\sin \theta {\rm{d}}\theta {\rm{ = }}} \frac{{{\mu _0}I}}{{4{\rm{ \mathsf{ π} }}{r_0}}}\left({\cos {\theta _1} - \cos {\theta _2}} \right) $

(2)

式中，B为感应磁场，I为供电电流，r₀为电荷到直流长导线的距离，μ₀为磁导率。假设输电线长度足够长（导线近似无限长），θ₁→θ₂，θ₂→π，将磁导率μ₀ = 4π×10^-7 H/m代入式（2），得

$ B = \frac{{{\mu _0}I}}{{{\rm{2 \mathsf{ π} }}{r_0}}} $

(3)

呼—辽高压直流输电线距昌黎台约347 km，距滦县台376 km，距离相差不大，产生的电磁干扰相当，在此以呼—辽线高压直流输电对昌黎地震台的干扰为例，通过其计算结果检验滦县地磁场井下观测避除干扰的实际效果。选取昌黎台受呼—辽线高压直流输电干扰的地磁场观测实测值，推算该高压直流输电干扰的不平衡电流（卸流），为计算此高压直流输电对滦县地磁场井下观测的影响幅值提供理论基础。根据蒋延林等（2014）的研究结果，直接引用高压直流输电台站视距离比与变化附加场比值为一定值，以昌黎后土桥台2016年7月4日Z分量受呼—辽高压直流输电线干扰产生2.7 nT的附加场为例子，计算滦县观测点Z分量应受干扰幅度2.48 nT，而实际测量显示，滦县井下地磁场观测垂直分量在该时段变化幅度为0.9 nT，小于该理论计算值。高压直流干扰变化曲线见图 4。综合分析认为，井下观测覆盖的土层介质可削弱感应磁场，从而降低高压直流输电信号干扰。

4.2.2 地电阻率同台观测干扰

地电阻率与地磁场同台观测是地震站点建设早期的一种电磁综合观测模式。由于电阻率观测供电为直流方式，供电期间产生一个固定磁场值叠加到同站点地磁场观测上，在其正反向供电切换瞬间，地磁场观测在同台地磁场观测垂直分量产生一个台阶变化，在观测曲线上表现为一个向上或向下态势（取决于供电方向）的台阶量，造成地磁场观测数据失真。为计算供电线路上产生的磁场叠加到同台地磁观测垂直分量的影响幅度，根据比奥萨法尔定理，结合台站测点位置及地电阻率观测方式，设计同台地电阻率观测与井下地磁场干扰模型，见图 5。

在供电直导线上取电流源Idl，各电流源在地磁观测各点产生的感应磁场dB同向，则

$ {\rm{d}}B = \frac{{{\mu _0}I{\rm{d}}l\sin \theta }}{{{\rm{4 \mathsf{ π} }}{r^2}}} $

(4)

由式（4）推导可得式（3）。将供电线直穿井下观测点，确保r₀最小（滦县实验r₀ = 260 m），变换电阻率供电电流，检验同台地电阻率观测对滦县地磁场井下观测Z分量的影响，将参数分别代入式（3），计算影响幅度。在供电电流分别为1 A、2 A、3A时，计算Z分量所受影响，具体数值见表 4。

在滦县地磁场井下观测系统观测区内布设地面电阻率观测系统开展实验，依次采用电流0.5 A、1 A、2 A、3 A对地供电4次，0.5 A、1 A供电数据出现台阶状变化，由于滦县地区为电阻率高阻区，2 A、3 A供电失败。根据理论计算结果，如1 A供电电流产生0.66 nT磁场变化，而井下仪器记录约为0.97 nT，变化曲线见图 6（1月15日23时至16日9时）。

计算结果显示，地磁场井下观测系统以上岩层与水系的合成体无法屏蔽磁场信号，且由于其存在造成的电磁信号转换，变相增大该地区感应磁场，因此地磁场井下观测对同点位地电阻率观测无抑制作用，其影响幅度同样受地质构造体岩性影响，地磁场井下观测无法屏蔽同台电阻率观测，可参考地面观测系统布设方式计算其影响幅度。

5 结论

依据数据质量评估结果，地磁场井下观测系统运行稳定，其产出的数据动态曲线与国家地磁台网一致，数据精确度符合地磁台网观测标准，可作为一种常规地磁相对记录观测系统，用于地球物理地磁场信息的长期连续记录。

在抗干扰方面，地磁场井下观测系统（仅限于滦县300 m井）可有效避除近距离铁磁性物质干扰，避除由于农田耕种、车辆靠近、人为干扰的影响，但无法抑制直流供电干扰影响。