康 健，孫嘉良，張明東，胡培元，龔永儉，陳志剛

（天津市地震局, 天津 300201）

0 引言

根據(jù)場源的不同，地磁場可以分為內(nèi)源場和外源場。內(nèi)源場起源于地表以下的磁性物質(zhì)和電流，可進一步分為地核場（又稱為主磁場）、地殼場（由地殼、上地幔產(chǎn)生）和感應場；外源場起源于地表以上的空間電流體系，主要分布在電離層和磁層中，又叫做變化的磁場[1]。將地磁觀測資料應用于地震預測，不論是理論研究，還是震例研究，均取得了豐碩的成果，相關(guān)成果揭示了震前地磁變化的規(guī)律以及地磁觀測資料應用于地震預測的美好前景[2-7]。在震磁效應的研究中，通常將無地震時的地磁場稱為震磁背景場，其變化稱為正常變化；將有地震信息疊加時的地磁場稱為前兆異常場，其變化稱為異常變化[8]。震磁背景場理論上僅指地磁場本身的變化，不包括各種干擾的疊加，而地磁觀測作為一種實踐活動，難免會受到各類干擾，特別是一些鐵磁性物質(zhì)干擾以及游散電流的干擾。這些干擾往往與地磁場的內(nèi)源場疊加在一起，而地磁的震磁效應也主要源于地下介質(zhì)受應力變化產(chǎn)生的地磁內(nèi)源場的變化，干擾的出現(xiàn)勢必影響到地磁震前異常變化的識別。

近年來，隨著經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展，各種基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)以及工廠數(shù)量增多，地磁觀測面臨的干擾形勢越發(fā)嚴峻。高壓直流輸電、地鐵輕軌運營、工廠設(shè)備漏電以及鐵磁性物質(zhì)堆放和運移等干擾已經(jīng)十分常見。研究人員已經(jīng)開展了各類干擾源對地磁觀測影響的研究，例如：高壓直流輸電干擾、地鐵輕軌運營干擾，工廠設(shè)備漏電干擾等，在干擾方式、幅度與方位等相關(guān)研究成果豐富[9-13]。但鐵磁性物質(zhì)對地磁觀測的影響，特別是干擾的定量化問題，目前的研究還遠遠不夠。而且鐵磁性物質(zhì)對地磁觀測的影響在實踐中往往非常復雜，鐵磁性物質(zhì)結(jié)構(gòu)迥異，規(guī)模不同，其感應場的分布范圍也不同，對地磁觀測造成較大動態(tài)和靜態(tài)干擾，亟需深入研究和探索[14-15]。干擾磁場成份疊加，須將其及時準確識別出來，進行相應的預處理，才能將地磁場觀測資料準確應用于科學研究。

準確識別各類鐵磁性物質(zhì)的干擾，需要對其影響進行實踐研究。天津區(qū)域臺網(wǎng)有靜海臺等6個地磁觀測臺站，均不同程度受到過鐵磁性物質(zhì)的干擾。對于上述干擾，以前的分析主要是定性的，對定量化研究嚴重不足。為此，筆者設(shè)計了2套野外測試方案，使用G856T質(zhì)子旋進磁力儀對不同質(zhì)量鐵磁性物質(zhì)選定點位逐一測量，使用GM4磁通門磁力儀對相同質(zhì)量鐵磁性物質(zhì)在野外不同方向各點位測量其對地磁場D、H和Z的干擾方式，并結(jié)合天津區(qū)域地磁臺站近年來受鐵磁性物質(zhì)干擾的典型實例，開展了鐵磁性物質(zhì)對地磁觀測影響的定量化分析研究。

1 天津區(qū)域地磁臺站受鐵磁性物質(zhì)影響的現(xiàn)狀

天津地區(qū)共有6個地磁觀測臺站，其中靜海臺為國家基準臺，寶坻臺、徐莊子臺、寧河臺、青光臺、塘沽臺為區(qū)域臺。近年來在地磁觀測中，臺站經(jīng)常有受鐵磁性物質(zhì)干擾的狀況（圖1）。比如，靜海臺每年多次受到院外車輛停放、經(jīng)過或施工影響；寶坻臺因為施工造成數(shù)據(jù)錯誤，無法正常使用；寧河臺時常受東南方向廢品收購站廢鐵堆積和車輛停放的干擾；徐莊子臺每年農(nóng)忙時農(nóng)機機械收種莊稼造成數(shù)據(jù)出現(xiàn)干擾；青光臺因為信號鐵塔建到靠近磁房圍墻外，造成核旋數(shù)據(jù)無法正常觀測，最終通過協(xié)商才得以解決；塘沽臺也偶爾受到車輛停放影響；因青光臺和塘沽臺都是地磁核旋觀測，原始數(shù)據(jù)已處理，未展示受干擾圖件。

圖1 天津地磁臺站受鐵磁性物質(zhì)影響的日變曲線

因為鐵磁性物質(zhì)的干擾有靜態(tài)和動態(tài)之分，造成數(shù)據(jù)出現(xiàn)臺階、緩變及錯誤數(shù)據(jù)等，且干擾形態(tài)和高壓直流干擾、漏電干擾有相似之處，有時難以及時準確區(qū)分和判別，對數(shù)據(jù)的預處理造成錯誤。

2 3種不同質(zhì)量的鐵磁性物質(zhì)對地磁觀測影響的野外測試

鐵磁性物質(zhì)具有2種磁性：剩余磁化強度MR和感應磁性M1。剩余磁化強度是物質(zhì)從居里點以上的溫度逐漸冷卻下來的過程中形成的，其所產(chǎn)生的影響是固定的；而感應磁化強度是與當?shù)氐拇艌鲇嘘P(guān)，其大小與地磁場強度成正比，方向與地磁場矢量方向相同。不過目前還無法將這2種影響分開，所以只能將它們作為一個整體來分析[16]。

根據(jù)IAGA（國際地磁和高空物理協(xié)會）推薦的《地磁測量與地磁臺站工作指南》中給出的理論公式[16]：

式中：ΔB為鐵磁性物體產(chǎn)生的干擾磁場強度，單位為納特（nT）；M為鐵磁性物體的質(zhì)量，單位為千克（kg）；k為鐵磁性物體的磁化率，無量綱；B0為外磁場強度，即當?shù)氐卮趴倧姸菷，單位為納特（nT）；d為鐵磁性物體的密度，單位為千克每立方米（kg/m3）；s為鐵磁性物體幾何中心與地磁觀測點間的距離，單位為米（m）；N為鐵磁性物體的退磁因子，無量綱。

式（1）做了3項簡化假設(shè)：

1）假設(shè)鐵磁性材料產(chǎn)生的磁場是一偶極子場；

2）假設(shè)天然磁場、鐵磁性材料的感應磁場和剩余磁場全部在同一個方向上，地磁測量點在偶極子騷擾場的軸向方向上；

3）假設(shè)鐵磁性材料的總磁化強度是感應磁化強度的2倍。

其中：第一項假設(shè)只有在鐵磁性材料的尺度比鐵磁性材料和觀測者之間的距離小許多時，這一假設(shè)才成立。根據(jù)一般情況，對鐵磁性材料的磁化率k暫取1 000（磁化率為剩余磁化強度對感應磁化強度的比值，對特殊制造的合金，剩余磁化強度可能比感應磁化強度高3個量級），退磁因子N取值0，鋼材的密度d取鐵的密度即7.8×103kg/m3，外磁場強度B0取54 100 nT，π取3.14，即可推導出不同質(zhì)量、不同距離鐵磁性物質(zhì)的干擾幅度。

野外試驗分別選取了100 kg、200 kg、300 kg的鐵磁性物質(zhì)，放置鐵磁性物質(zhì)距離觀測點位的距離分別為10 m、20 m、30 m，使用質(zhì)子旋進磁力儀G856T進行逐一測量。然后對總強度F做日變修正處理，經(jīng)過對理論計算和實際測量后的干擾幅值對比，發(fā)現(xiàn)野外測試的結(jié)果與理論計算基本接近（表1）。

表1 鐵磁性物質(zhì)對地磁數(shù)據(jù)觀測的理論值與實測值對比

通過計算和實際測量，鐵磁性物質(zhì)對地磁數(shù)據(jù)的干擾幅度和理論計算值基本接近。理論計算值相比實測值略大，這可能與試驗場地和鐵磁性物質(zhì)的材料、形狀、體積等有一定的關(guān)系。

3 鐵磁性物質(zhì)對地磁觀測影響的大距離野外試驗

3.1 網(wǎng)格線方式放置鐵磁性物質(zhì)對干擾幅度影響的野外試驗

本次試驗在野外選取了一塊約14萬平方米的空曠區(qū)域，在該區(qū)域中心采用網(wǎng)格狀多點位測量方式布局。其中，東西向和南北向長度各選100 m，測量點在網(wǎng)格線的交點上，相鄰點位距離5 m，鐵磁性物質(zhì)放置于所選區(qū)域的中心，然后進行現(xiàn)場實地測量。試驗前，采用G856T質(zhì)子旋進磁力儀在已選各點位測量未受鐵磁性物質(zhì)干擾的磁場值，測量時將觀測值總強度（F）和測量時間同時記錄，然后通過和靜海臺M15地磁場組合觀測系統(tǒng)中的總強度（F）做差值，對各點位觀測數(shù)據(jù)做日變修正處理并繪制等值線圖。

干擾幅度測量階段，在中心點逐一放置3 t、5 t、7 t的鐵磁性砝碼，然后進行測量。將放置鐵磁性砝碼和未放置鐵磁性物質(zhì)的修正數(shù)據(jù)對應相同點位做差值，即可得出不同質(zhì)量的鐵磁性物質(zhì)對各點位觀測數(shù)據(jù)產(chǎn)生的干擾幅值。對干擾幅值進行統(tǒng)計分析和研究，繪制等值線圖（圖2）。

圖2 干擾幅度試驗測量圖

對以上觀測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，空場地的磁場梯度分布均勻，等值線密度基本相同。放入3 t重鐵磁性物質(zhì)后，靠近鐵磁性物質(zhì)的磁場梯度變大，等值線變密；遠離鐵磁性物質(zhì)，磁場梯度逐漸變小，等值線逐漸恢復均勻。放入5 t、7 t鐵磁性物質(zhì)后，磁場梯度和等值線密度與放入3 t鐵磁性物質(zhì)基本相同，所不同的是鐵磁性物質(zhì)越重，靠近鐵磁性物質(zhì)的磁場梯度越大，等值線越密；恢復均勻后，距離鐵磁性物質(zhì)的距離越遠（圖3）。

圖3 空場地及3 t、5 t、7 t鐵磁性物質(zhì)對地磁數(shù)據(jù)干擾幅度等值線圖

通過對以上試驗數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，鐵磁性物質(zhì)的干擾幅度和理論計算值有出入，理論值大于實測值，這和試驗場地和鐵磁性物質(zhì)的材料、形狀、體積有一定的關(guān)系。鐵磁性物質(zhì)對地磁數(shù)據(jù)觀測的理論值在本文第2部分運用公式（1）已計算過（表1）。因計算方法相同，本次試驗未再列出理論計算結(jié)果。

3.2 十字正交線放置鐵磁性物質(zhì)的野外試驗方法研究方位判別

本次試驗在地磁臺站院內(nèi)選取正交的十字線，其中一條線指向地理北。各點位以中心點O為原點，按照10 m、20 m、30 m間隔進行選取，在中心點架設(shè)磁通門磁力儀GM4（圖4）。

圖4 干擾方位判別測量點位布設(shè)示意圖

干擾方位測量階段，先架設(shè)磁通門磁力儀GM4進行正常背景值觀測，在已選各點位逐一放入0.7 t重鐵磁性物質(zhì)，每次放置鐵磁性物質(zhì)時間大約6 min；然后將鐵磁性物質(zhì)轉(zhuǎn)移至無干擾距離，使儀器正常觀測6 min；最后再將鐵磁性物質(zhì)放入下一點位6 min。按照此步驟交替進行，測得對東西水平分量D、南北水平分量H、垂直分量Z的干擾幅度及形態(tài)，做鐵磁性物質(zhì)方位判別（圖5）。

圖5 干擾源方位判別試驗測量圖

三軸磁通門磁力儀觀測分量分別為地磁場D、H、Z，其中：D指向磁東，H指向磁北，Z指向地心。本次試驗通過將鐵磁性物質(zhì)放置在不同的地理方位上來測試對觀測儀器的影響（圖6），具體影響結(jié)果有4個方面。

圖6 干擾源方位判別試驗數(shù)據(jù)圖

1）在探頭正南方向放置鐵磁性物質(zhì)時，鐵磁性物質(zhì)對磁偏角D干擾幅度很小，10 m以外幾乎無影響；對水平分量H干擾幅度較大，對垂直分量Z干擾幅度次之，超過30 m對Z分量幾乎無影響；對H分量和Z分量干擾方向相反。

2）在探頭正北方向放置鐵磁性物質(zhì)時，鐵磁性物質(zhì)對磁偏角D干擾幅度明顯，30 m以內(nèi)能看出明顯的臺階；對水平分量H和垂直分量Z干擾幅度相當且在該方向相比于其他方向干擾幅度最大，30 m以內(nèi)能看出明顯的臺階；對D分量和Z分量干擾方向相同，與H分量干擾方向相反。

3）在探頭正東方向放置鐵磁性物質(zhì)時，鐵磁性物質(zhì)對磁偏角D、水平分量H、垂直分量Z干擾幅度相當，30 m以內(nèi)能看出明顯的臺階；對D分量和H分量干擾方向相同，與Z分量干擾方向相反。

4）在探頭正西方向放置鐵磁性物質(zhì)時，鐵磁性物質(zhì)對磁偏角D干擾幅度明顯，30 m以內(nèi)能看出明顯的臺階；對水平分量H干擾幅度較小，10 m以外幾乎無影響；對垂直分量Z干擾幅度適中，30 m以外幾乎無影響；對H分量和Z分量干擾方向相同，與D分量干擾方向相反。

通過對數(shù)據(jù)分析，能夠確定受鐵磁性物質(zhì)干擾的觀測數(shù)據(jù)其干擾幅度、干擾形態(tài)與探頭和鐵磁性物質(zhì)放置的方位有關(guān)。而地磁臺站使用的磁通門磁力儀測量原理幾乎相同，所以本次試驗結(jié)果能夠適用于地磁臺站作為鐵磁性物質(zhì)方位判別的重要依據(jù)。

3.3 天津區(qū)域地磁觀測受鐵磁性物質(zhì)干擾的實例與野外試驗結(jié)果的對比分析

統(tǒng)計天津區(qū)域典型受鐵磁性物質(zhì)干擾的觀測數(shù)據(jù)，通過分析發(fā)現(xiàn)，大部分數(shù)據(jù)干擾形態(tài)和試驗數(shù)據(jù)基本吻合，和試驗數(shù)據(jù)不是特別吻合的可能和鐵磁性物質(zhì)的方位、材料、體積、形狀等有一定的關(guān)系（圖7～8）。

圖7 靜海臺典型受鐵磁性物質(zhì)干擾圖

圖8 寧河臺典型受鐵磁性物質(zhì)干擾圖

該干擾是靜海臺西圍墻外面挖掘機挖土施工作業(yè)，造成數(shù)據(jù)出現(xiàn)臺階。施工地點正好在觀測室正西方向，距離臺站地磁觀測室大約120 m，挖掘機重大約10 t。施工對地磁場D、H和Z的干擾幅度分別為4.9 nT、1.8 nT和0.13′；干擾方向H和Z相同，都是臺階向下，與D的干擾方向相反；數(shù)據(jù)干擾幅度、形態(tài)與試驗測得相吻合。

該干擾是寧河臺東南方向停放運送暖氣片拉貨車輛影響，造成地磁水平分量H數(shù)據(jù)出現(xiàn)臺階。車輛停放地點距離觀測室大約200 m，車和暖氣片總重預估大約20 t。其對地磁場H干擾幅度為2.8 nT，干擾方向向上；對地磁場D、Z幾乎無影響；數(shù)據(jù)干擾形態(tài)和試驗基本吻合。

4 結(jié)論及建議

通過對實驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分，得出以下結(jié)論。

1）野外試驗中，鐵磁性物質(zhì)對地磁數(shù)據(jù)的干擾幅度與理論計算值基本接近，實驗的結(jié)果略小于理論計算值。主要原因是受到試驗場地地下介質(zhì)鐵磁性的影響，因此不同場地也會有不同的偏差程度和規(guī)律。另外，鐵磁性物質(zhì)的材料、形狀和體積，也可能與上述偏差有一定的關(guān)聯(lián)。

2）鐵磁性物質(zhì)輕重程度不同，對地磁觀測影響的地域范圍有差別。鐵磁性物質(zhì)越重，對地磁數(shù)據(jù)的影響地域范圍越廣?？拷F磁性物質(zhì)的磁場梯度變大，等值線變密，遠離鐵磁性物質(zhì)后，磁場梯度逐漸變小，等值線變疏。鐵磁性物質(zhì)與對地磁觀測的干擾量成正相關(guān)的關(guān)系。

3）鐵磁性物質(zhì)對磁偏角D、水平分量H、垂直分量Z的干擾幅度及形態(tài)，在同一場地、不同方向有一定的規(guī)律，這種規(guī)律可作為判定鐵磁性物質(zhì)方位的依據(jù)。

在今后的工作中還可以開展對不同質(zhì)量、不同材料、不同體積及不同形狀的鐵磁性物質(zhì)在不同方位進行試驗測量，更加全面地掌握和了解不同鐵磁性物質(zhì)對地磁觀測數(shù)據(jù)的影響規(guī)律，為尋找鐵磁性干擾源以及為地磁觀測數(shù)據(jù)預處理、地磁臺站改造與建設(shè)提供依據(jù)。