银川地磁台观测场地环境测试与分析.pdf

SEISMOLOGICAL AND GEOMAGNETICOBSERVATION AND RESEARCH第 44 卷 第 2 期2023 年 4 月Vol.44 No.2Apr.2023地 震 地 磁 观 测 与 研 究doi:10.3969/j.issn.1003-3246.2023.02.015第一作者简介：张慧（1990），男，工程师，陕西省定边县人，本科毕业于中国海洋大学，主要从事地震监测与研究工作。E-mail：基金项目：宁夏地震科研专项基金课题（项目编号：NX202020）；地震科技星火计划（项目编号：XH20064）本文收到日期：2022-01-30银川地磁台观测场地环境测试与分析张 慧 马 楠 张文鑫（中国银川 750001 宁夏回族自治区地震局）摘要 基于地质环境、场地条件、地磁场观测环境和背景噪声等，对银川地磁台迁建场地进行调查与测试，结果表明，该场地四周无大型建筑物，周边1 km范围内地势相对平坦，无发射塔、铁路、公路主干线、高压线路及变电站等干扰源。分析认为，该台迁建场地地理位置优越，电磁观测环境较好，满足地磁台建设规范的技术要求。关键词 环境测试；数据分析；地磁观测0 引言电磁观测资料质量在较大程度上依赖于台站环境的好坏（张英杰等，2017），良好的地磁观测环境是建设地磁台站的先决条件。根据 地震台站观测环境技术要求（中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局等，2004）及 地震台站建设规范：地磁台站（中国地震局，2004）的要求，地磁台观测场地应避开分布范围小于 1 000 km2的磁异常区，观测场地 100 m100 m 范围内地磁场总强度 F 的水平梯度 1 nT/m。银川地磁台地处银川断陷盆地（盆地内贺兰山东麓断裂、平罗 银川断裂、黄河断裂自西向东分布，对该区域地震活动具有显著控制作用），作为国家地磁基准站网之一，肩负着银川盆地及鄂尔多斯西北缘地震多发区的地震监测工作。随着城市化建设的快速推进，银川地磁台观测环境遭到严重破坏，观测数据质量逐年下降，使得地震预测预报效能受到影响，难以满足防震减灾工作需求，台站的选址重建工作迫在眉睫。为了选择理想的观测场地，2019 年 6 月至 2020 年 7 月，宁夏回族自治区地震局银川基准台对银川市及周边地区进行多次勘选调查及测试，在充分考虑地形、地貌、航磁异常、地质、水文、交通、通讯等因素的基础上，确定银川市贺兰县洪广镇插旗口为迁建场地。本文将从地质环境、场地条件、观测环境、场地背景噪声等，对该场地的地磁观测适宜性展开讨论。1 迁建场地观测环境调研银川地磁台迁建场地位于银川贺兰山自然保护区内，海拔 1 190 m，南距 110 国道约10 km，北距贺兰山 2 km。该场地四周无大型建筑物，周边 1 km 范围内地势相对平坦，发射塔、铁路、公路主干线、高压线路及变电站等主要干扰源距台址区较远，初步认为该场地满足地震台站电磁观测的环境技术要求。地震地磁观测与研究44 卷 120迁建场地地处贺兰山山前洪积扇（第四纪全新世以来活动断层陡坎发育），地表出露风化砾石层。构造上位于贺兰山断隆山地东侧，贺兰山东麓断裂带（其为银川断陷盆地西界）在此发育（图 1）。新址所在区域是我国新构造运动的强烈地带之一，据历史记载，除 1739年平罗 8 级大震外，该区曾发生 7 次中强地震。贺兰山地区垂直气候带特征较为明显，气候干燥，具有夏季炎热、冬季严寒、雨雪稀少、蒸发强烈的特点。贺兰山暴雨通常在 7 8 月出现，易在局部地区或沟道引发洪水，其东麓坡面侵蚀即主要由暴雨冲刷所致。图 1 贺兰山地质构造分布Fig.1 Distribution of tectonics of Helan Mountain107 E39 N38106105全新统更新统新近系古近系前新生界第四系等厚线全新世活动断层晚更新世活动断层（虎线为推测）中更新世活动断层（虎线为推测）第四世断层F1 巴音乌拉山东麓断裂F2 磴口本井隐伏断裂F3 桌子山断裂带F4 正谊关断层 F3F4F5F1F9F6银川地磁台迁建场地阿拉善左旗F7F10F9F8F9F2NNEEE0QhQhQhAnKzAnKzAnKz黄河AnKzNEEEQhQpQhQpQpNEAnKz1002550 kmF5 巴彦浩特断裂F6 贺兰山东麓断裂带F7 芦花台隐伏断裂F8 银川隐伏断裂F9 黄河断裂F10 三关口牛首山固原断裂带地震地表破裂带新构造分区边界华北断块区青藏断块区银川地磁台迁建场地2 地磁场观测环境测试与分析李宁生等（2016）在 宁夏区域重磁资料开发利用研究 中指出，宁夏相对周边省区处于地磁场变化低缓的背景场区，也就是在弱背景场上。贺兰山区老变质岩（贺兰山群）大部分121第 2 期不具有磁性，且出露区的沉积岩几乎都不具磁性。银川地磁台迁建场地基本处在地磁场变化平稳区域，周边 1 000 km2区域内未见较强航磁异常，符合地磁台站建设规范技术要求。下文主要就跨度30 km区域的地磁场环境、100 m100 m范围的地磁场总强度密跨度、电磁环境干扰及背景噪声，对银川地磁台迁建场地进行测试分析。2.1 区域地磁环境测试分析为了解银川地磁台迁建场地周边磁场分布情况，按照地磁台站建设规范 DB/T 9 2004 技术要求，对观测场地周边约 30 km 范围的地磁场环境进行监测。因观测场地地处贺兰山区，受地形条件限制，选择以“L”型布设测线，即以迁建场地为起点，分别向南、东布设测线，NS、EW 向测线均长 30 km，以点间距 3 km 布设测点，共得到 22 个测点，分别记为 S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10及 E1、E2、E3、E4、E5、E6、E7、E8、E9、E10。测线布设示意见图 2。使用 G856 和 GSM-19T 质子磁力仪进行数据采集。将 GSM-19T 质子磁力仪（置于 2 条测线交会点）用作日变站，对地磁场总强度进行自动化观测，每10 s采样1次；G856质子磁力仪分别沿正南、正东 2 个方向同步测量地磁场总强度，每个测点记时测量 6 次，经日变站及仪器差校正后得到通化值 F。以日变站为起点，以测线长度为横轴，F 值为纵轴，绘制 F 沿测线的分布曲线，结果见图 3，可见沿 NS、EW 向测线，异常测点的 F 值变化量均在 50 nT以内，满足规范技术要求。图 3 银川地磁台迁建场地 NS、EW 向测线 F 分布曲线Fig.3 F-distribution curve of NS and EW survey lines for the relocation site of Yinchuan Geomagnetic Station 50-50-100-150-2000272421181512963300E9E8E7E6E5E4E3E2E1E10F/nTS9S8S7S6S5S4S3S2S1S10NS向拟合直线NS向跨度EW向跨度跨度/km图 2 银川地磁台迁建场地测线布设Fig.2 Survey line layout for the relocation site of Yinchuan Geomagnetic StationS1E1E2E3E7E9E5E4E6E8E10S2S3S4S5S6S7S8S9S10（1）沿 EW 向测线，F 值变化特征如下：F 值在-50 0 nT 之间变化；在测线跨度27 km 处，即测点 E9处变化量最大，约 43 nT；测线跨度 18 km 以上，F 值呈增大趋势，可能与测点靠近大型湖泊有关。张 慧等：银川地磁台观测场地环境测试与分析地震地磁观测与研究44 卷 122（2）沿 NS 向测线，F 值变化特征如下：F 值在-200 10 nT 范围内变化，且自北向南呈下降趋势，符合地磁场强度随纬度变化的规律；在测线跨度 18 km、21 km 和 30 km 处，即测点 S6、S7、S10处，F 值显著偏离拟合直线，偏离量最大约 24 nT，可能是因为，3 个测点靠近居民区，受到一定程度干扰所致。2.2 观测场地地磁环境测试分析在银川台迁建场地内选取 100 m100 m 的范围进行地磁场总强度密跨度测量，以查明地磁场分布，探明迁建场地内是否存在局部磁异常体，为后期地磁观测室建设提供位置基础。在所选取范围内，沿 EW 方向，以 5 m 为间隔布设 21 条测线，记为 L1、L2、.、L21，测线呈 NS 向，沿每条测线，以 5 m 为间隔布设测点，记为 P1、P2、.、P21，共得到2121 个测点。在场地中心点附近架设 G856 磁力仪作为日变站，以 GSM-19T 磁力仪为流动站，按照逐测线逐点的方式进行观测，与 G856 磁力仪进行同步观测，每个测点读 3次数。流动站观测值经日变和仪器差校正后，在相应点位上标注通化值 F，绘制地磁场分布等值线，见图 4。由图 4 可知，除测线 L9上测点 P4和测线 L20上测点 P10存在地磁场分布不均匀现象外，整个场地地磁场分布均匀，磁场梯度变化小于 1 nT/m，符合规范要求。以上 2 个点位异常仅为单点异常，对整个场地的磁场分布影响不大，后期将对点位予以清理。图 4 银川地磁台迁建场地 100 m100 m 范围内 F 等值线Fig.4 F contour map within 100 m100 m of Yinchuan Geomagnetic Station relocation site0959085807570656055504540353025201510510009590858075706560555045403530252015105100L1L20L19L18L17L16L15L14L13L12L11L10L9L8L7L6L5L4L3L21L2P1P20P19P18P17P16P15P14P13P12P11P10P9P8P7P6P5P4P3P21P2-20-2-2-2-2-2-2-2-2-2-2-2-4000000000000000EW向距离/mNS向距离/mN2.3 场地电磁环境干扰及背景噪声测试环境调查发现，银川台迁建场地周边无高压电线及建筑物，无 3 级以上公路，存在人为电磁骚扰的可能性不大。基于 地震台站建设规范：地磁台站（中国地震局，2004）的要求，使用 FGM-01、GM4-EN 型高精度三分量磁通门磁力仪（中国地震局地球物理研究123第 2 期所研制），对银川台拟建场地进行电磁环境背景噪声及干扰测试。设备相关参数如下：直流供电，采样率为 1 次/s，连续观测 48 小时以上。仪器架设位置见图 5。探头、模拟盒均采用地埋方式；探坑底部夯实，探头置于无磁大理石砖块上，罩以泡沫箱（保温、防水），覆上木板，用黄土封盖；模拟盒放入泡沫保温箱密封、地埋；主机置于仪器箱内以雨布遮盖。为保证观测数据准确、可靠，对仪器架设所在地周边进行水平梯度测试，F 值分布见图 5，可见水平梯度小于 1 nT/m，表明观测场地背景噪声水平满足台站建设规范。以 2020 年 7 月 22 日地磁观测场地背景噪声数据为例，对比分析测试仪器FGM-01、GM4-EN 数据记录的差异，结果见图 6、图 7。对比发现，FGM-01 磁力仪 H 分量变化较大，与 GM4-EN 磁力仪的观测数据存在显著差异。为了查找差异产生原因，进行多次测试，如交、直流供电对比观测，更换场地对比观测，2 台测试仪器探头坑互换位置，发现 FGM-01 磁力仪受场地温度影响较大，不适用于野外观测，而 GM4-EN 磁力仪测试数据平稳，抗干扰能力较强，从而排除了场地存在干扰的可能性。图 5 背景噪声测试仪器布设位置及 F 值分布Fig.5 Location of background noise test instrument and distribution of F value around it605448762.5762.5760.5762.5762.5762.5764.5764.5762.5762.5762.5762.5762.5762.5762.5423630N24距离/m距离/m18126065448423630241812600FGM-01探头GM4-EN探头数采0022201816141210080604022400222018161412100806040224002220181614121008060402240022201816141210080604022431.530.53029.5316020-4540-30-40-35-40-25-35-30-45H/nT0022201816141210080604022400222018161412100806040224002220181614121008060402240022201816141210080604022431.530.53029.5316020-45-30-40-35-40-25-35-30-45时刻时刻时刻时刻Z/nT00222018161412100806040224002220181614121008060402240022201816141210080604022431.530.53029.531602040-30-40-35-40-25-35-30-45时刻时刻时刻时刻D/nT0022201816141210080604022400222018161412100806040224002220181614121008060402240022201816141210080604022431.530.53029.531时刻时刻时刻时刻T/图 6 GM4-EN 磁力仪场地背景噪声记录（2020 年 7 月 22 日）Fig.6 Site background noise record of GM4-EN magnetometer(July 22,2020)张 慧等：银川地磁台观测场地环境测试与分析地震地磁观测与研究44 卷 124图 8 背景噪声测试记录与固定台站观测记录对比（2020 年 7 月 22 日）Fig.8 Comparison of background noise test record and fixed station observation record(July 22,2020)00222018161412100806040224时刻00222018161412100806040224时刻00222018161412100806040224时刻-10010-20-100-30-10100-20Z/nTH/nTD/nTFGM-01GM4-EN北塔GM4FGM-01GM4-EN北塔GM4GM4-EN北塔GM4-1000200001000H/nT00222018161412100806040224时刻-45-40-40-35-1000200001000-55Z/nT0022201816141210080604022400222018161412100806040224时刻时刻时刻时刻020-4540-40-40-35-1000200001000-55T/D/nT00222018161412100806040224时刻00222018161412100806040224413940T/时刻图 7 FGM-01 磁力仪场地背景噪声记录（2020 年 7 月 22 日）Fig.7 Site background noise record of FGM-01 magnetometer(July 22,2020)将野外流动观测数据与银川北塔地磁台同日背景噪声记录进行对比，结果见图 8，可见野外与固定台站观测数据变化形态一致，且在测试时段内观测场地未出现事件型磁扰和125第 2 期短周期磁扰现象，因此认为场地周边不存在人为电磁干扰。采用 GM4-EN 磁力仪观测数据进行背景噪声计算。在地磁场变化较为平静的时段，选取 10 段连续 10 s 的 Z、H、D 分量数据，计算其峰峰值、均方根（RMS）及平均值，即为此时测试点背景噪声峰峰值和 RMS 值，结果见表 1，可知 Z、H、D 三分量噪声水平RMS 值均小于 0.1 nT，符合地磁台建设规范的技术要求。表 1 银川地磁台迁建场地电磁环境背景噪声计算Table 1 Calculation of electromagnetic background noise in the relocation site of Yinchuan Geomagnetic StationZ 分量时间峰峰值均方根1 s2 s3 s4 s5 s6 s7 s8 s9 s10 sZ1/nT-29.22-29.35-29.35-29.25-29.35-29.27-29.21-29.27-29.29-29.23 0.14 0.054 7 Z2/nT-27.42-27.42-27.45-27.44-27.40-27.40-27.39-27.45-27.45-27.42 0.06 0.022 7 Z3/nT-29.04-29.09-29.10-29.10-29.06-29.14-29.06-29.10-29.12-29.14 0.10 0.033 7 Z4/nT-28.90-28.86-28.88-28.90-28.84-28.94-28.85-28.88-28.88-28.85 0.10 0.030 1 Z5/nT-28.12-28.10-28.09-28.10-28.03-28.00-28.04-28.01-28.00-28.01 0.12 0.047 4 Z6/nT-27.59-27.54-27.55-27.57-27.52-27.55-27.61-27.59-27.54-27.68 0.16 0.046 5 Z7/nT-27.68-27.63-27.56-27.48-27.62-27.61-27.63-27.54-27.54-27.51 0.20 0.063 2 Z8/nT-26.22-26.28-26.22-26.23-26.26-26.23-26.19-26.09-26.26-26.29 0.20 0.057 0 Z9/nT-27.73-27.73-27.70-27.75-27.73-27.70-27.72-27.72-27.68-27.71 0.07 0.020 0 Z10/nT-26.11-26.17-26.20-26.29-26.20-26.18-26.20-26.21-26.20-26.23 0.18 0.045 3 平均值0.13 0.042 1 H 分量时间峰峰值均方根1 s2 s3 s4 s5 s6 s7 s8 s9 s10 sH1/nT-32.11-32.08-32.13-32.13-32.08-32.08-32.11-32.13-32.13-32.13 0.05 0.022 8 H2/nT-32.00-32.04-32.02-32.02-32.02-32.04-32.02-32.09-32.15-32.11 0.15 0.048 9 H3/nT-30.40-30.43-30.47-30.47-30.47-30.50-30.46-30.44-30.45-30.44 0.10 0.027 5 H4/nT-28.04-28.04-28.01-28.02-28.04-28.00-27.94-27.97-28.01-28.04 0.10 0.033 8 H5/nT-28.79-28.79-28.77-28.76-28.70-28.75-28.72-28.73-28.79-28.89 0.19 0.052 8 H6/nT-27.22-27.23-27.26-27.25-27.21-27.23-27.19-27.20-27.18-27.21 0.08 0.025 3 H7/nT-24.64-24.68-24.67-24.67-24.69-24.69-24.70-24.71-24.65-24.70 0.07 0.022 6 H8/nT-29.12-29.12-29.15-29.10-29.14-29.04-29.06-29.04-29.05-29.04 0.11 0.044 5 H9/nT-27.28-27.23-27.29-27.35-27.31-27.30-27.35-27.38-27.37-27.38 0.15 0.049 9 H10/nT-30.03-30.05-30.04-30.03-30.03-30.04-29.98-30.04-30.04-30.00 0.07 0.021 5 平均值0.11 0.035 0 D 分量时间峰峰值均方根1 s2 s3 s4 s5 s6 s7 s8 s9 s10 sD1/nT32.11 32.06 32.09 32.08 32.08 32.06 32.02 32.09 32.02 32.06 0.09 0.029 5 D2/nT35.75 35.74 35.74 35.70 35.72 35.74 35.72 35.77 35.74 35.75 0.07 0.019 5 D3/nT38.97 39.00 39.04 38.95 39.00 39.04 39.04 39.04 39.04 39.00 0.09 0.033 3 D4/nT38.38 38.43 38.47 38.45 38.43 38.38 38.40 38.36 38.38 38.40 0.11 0.035 5 D 分量时间峰峰值均方根1 s2 s3 s4 s5 s6 s7 s8 s9 s10 sD5/nT39.15 39.16 39.15 39.15 39.15 39.15 39.15 39.11 39.11 39.13 0.05 0.017 9 D6/nT39.70 39.68 39.68 39.68 39.68 39.63 39.65 39.66 39.70 39.70 0.07 0.023 2 D7/nT40.90 40.93 40.84 40.91 40.88 40.84 40.86 40.86 40.91 40.88 0.09 0.031 1 D8/nT43.86 43.86 43.84 43.84 43.81 43.84 43.84 43.84 43.81 43.86 0.05 0.018 3 D9/nT48.36 48.38 48.40 48.36 48.34 48.40 48.36 48.38 48.36 48.38 0.06 0.019 3 D10/nT47.04 47.09 47.06 47.04 47.08 47.06 47.06 47.04 47.02 47.04 0.07 0.021 1 平均值0.07 0.024 9 张 慧等：银川地磁台观测场地环境测试与分析地震地磁观测与研究44 卷 1263 结论对观测场地进行科学细致的调查勘选是建设地磁观测站点的基础工作，也是重要环节。按照规范 DB/T 9 2004 对银川新建地磁台观测场地进行勘选，最终选取贺兰山国家级自然保护区插旗口为新台站站址。新台址勘选结果如下：（1）通过对观测场地周围地理、地质、水文等进行调查分析，认为银川地磁台新建场地适合建设地磁观测台站。（2）银川地磁台新建场地 30 km“L”型剖面跨度勘测最大异常点偏离量为 43 nT，小于规范要求的异常点 50 nT 的指标，且 100 m100 m 密跨度测量小于规范要求的 1 nT/m的技术指标。（3）电磁环境干扰测试发现，FGM-01 磁力仪观测受温度影响较大，采用该仪器进行野外观测环境背景噪声测试，数据可能不准确。GM4-EN磁力仪抗干扰能力强，适宜进行野外观测，通过对该磁力仪记录数据进行分析，认为银川地磁台新建场地背景噪声小于 0.1 nT，符合地磁台建设规范的技术要求。银川新建地磁台观测场地地处自然保护区，周边人为干扰因素少，满足地磁观测环境要求，可达到永久观测的目的。参考文献李宁生，冯志民，朱秦，等.宁夏区域重磁资料开发利用研究 M.北京：地质出版社，2016：13-15.张英杰，张小涛，王莉森，等.涉县地磁台电磁环境测试与分析 J.地震地磁观测与研究，2017，38(4)：93-97中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.DB/T 9 2004 地震台站观测环境技术要求 第 2 部分：电磁观测 S.北京：中国标准出版社，2004：204-207.中国地震局.DB/T 9 2004 地震台站建设规范地磁台站 S.北京：地震出版社，2004：624-632.Environmental test and analysis of Yinchuan Geomagnetic StationZHANG Hui，MA Nan and ZHANG Wenxin(Earthquake Agency of Ningxia HuiAutonomous Region,Yinchuan 750001,China)AbstractBased on the geological environment,site conditions,geomagnetic field observation environment,and background noise,an investigation and testing were conducted on the relocation site of Yinchuan Geomagnetic Observatory.The results showed that there were no large buildings around the site,and the terrain within 1 km of the site was relatively flat,with no interference sources such as transmission towers,railways,highway main lines,high-voltage lines,and substations.Analysis shows that the relocation site of the station has a superior geographical location and a good electromagnetic observation environment,meeting the technical requirements of the geomagnetic station construction specifications.Keywords:environmental testing，data analysis，geomagnetic observation