磁场梯度变化分析法在永安地磁台建设中的应用

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/T9-2004）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 △F≤5nT/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

1．2．1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。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，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。

图1 原始场地磁场梯度（单位 nT）等值线 图2整平后场地磁场梯度（单位 nT）等值线

Fig.1 Contour map of the original site of Fig.2 Leveling venue magnetic field gradient

mahnetic field gradient (unit in nT) contour map (unit 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≤4Ω

所以计划在地磁台办公楼的东西两侧最高点设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0.3Ω。

另在地磁台院内新建一个接地体，接地电阻2.4Ω，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60×20mm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1.9Ω。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1×10-5CGSM（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（IAGA）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（50×30×35）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△F<0.5nT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，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）（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，观测条件合格。

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 gradient Fig.4 Magnetic field gradient Fig.5 Magnetic field gradient

contour map(60cm) contour map(120cm) contour 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:地震出版社,2004.

The Survey selected and the construction of the Yongan geomagnetic station

QUAN Jian-jun1）, XIA Zhong2）, LIU Shui-lian1）, LIU Li-cheng1）,

FANG Chuang-ji1） and HUANG He-ling1）

1) Earthquake Administration of Fujian province,fuzhou 35000,china

2) Xinyi Seismic Station , Jiangsu Province 221400 , china

Abstract

Based on the construction of the Yongan geomagnetic station, introduce some methods of the field selection、the building programs、the choice of materials and testing, magnetic field gradient monitoring during the congstruction of the Yongan geomagnetic station .The practice shows that The Survey selected and the construction of the Yongan geomagnetic station can satisfy the technical requirement of construction specification of geomagnetic station,which proves these methods are valid, and can be used for reference of geonagnetic station construction later.

Ked words : the field selection；the building programs；the choice of materials and testing；magnetic field gradient monitoring

作者简介：全建军（1984—）男，福建省永安市人，大学本科，助理工程师，主要从事台站地磁观测和研究工作

身份证号码：350428************

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/9d45bf3bb94ae45c3b3567ec102de2bd9605def7.html