地磁台消防优化改造项目对地磁观测环境的影响

王晓睿，孙国涛，高银鸿，原 超

（大连地震台，辽宁 大连 116021）

0 引言

针对大连地震台瓦房店地磁台三面临山，每年春季周边易发生山体火灾，考虑到地磁记录室采用的建筑材料大多是易燃的木质材料，结合消防部门意见和大连台几年来总结的防火经验，提出了消防优化改造计划，整个改造项目包括：消防通道工程、地下蓄水池工程和消防补水系统。其中蓄水池的分布情况如图1所示。

由于地磁仪器对观测环境的特殊要求，需要保证观测数据的准确性。整个改造项目，除了要求符合一系列建筑施工的安全、质量、技术标准外，对地磁台站的地磁场观测数据的影响也是要考虑的因素。为了避免造成长期的影响，对于材料选择、建筑物距离等问题都需要有细致的检测和计算。

图1 大连地震台消防池布局平面图示意图Fig.1 The plane layout of the fire pool of Dalian Seismic Station

1 干扰分析以及应对方案

1.1 干扰分析

整体施工过程中，车辆等不可避免会对地磁测量产生干扰，除了这部分暂时的影响外，更重要的是必须排除施工完整后整个新增建筑设备对地磁观测环境产生的永久性干扰。

1.2 应对方案

针对以上提出的干扰问题，做出如下对应方案。

1.2.1 尽量减少施工过程干扰

在整个项目建设期间，我台对进场车辆进行严格管理，要求机械设备停放位置最大限度远离地磁观测仪器室，即便是路面施工期间，也要严格要求施工单位做好施工组织安排，务必在最短时间内完成仪器室周边的施工内容，最大程度保证地磁观测的正常进行。

在工程监理、施工单位和大连台实施小组成员的共同努力下，我台优化改造工程严格按照图纸施工，各项工程的质量均达到设计要求。

1.2.2 规避长期不可恢复性干扰

使用对场地主磁场无干扰的无磁性建筑主材磁，必须使用的含有磁性的主材钢筋则需要进一步的磁性检测。同时，根据消防需求的蓄水池容量确定好钢筋用量后，通过《地震台站观测环境技术要求》标准，根据《地震台站观测环境技术要求》（GB／T 19531.2-2004）第2部分：电磁观测，计算建筑物与仪器的最小安全距离。具体计算详见正文第二部分：主材检测与建筑距离确认。

2 主材检测与建筑距离（规模）确认

2.1 水泥、沙子、石子三种建筑主材的磁性检测

2.1.1 检测方法

对已选定并入场的建筑主材水泥、沙子、石子进行取样检测磁性。分别随机取样各5kg，采用G856-297核旋磁力仪，对主材样品的磁性进行检测。首先将探头位置固定，将样品材料远离探头，此时测量地磁场总强度（以下简称地磁场），然后将样品材料无限靠近探头，测量地磁场，反复两次，记录测量值。

2.1.2 检测结果

数据如表1所示：

表1 各种主材磁性检测数据

2.1.3 数据分析

取样样品接近仪器探头时仪器读数（磁场强度F）变化均小于1nT，读数变化并非材料影响，属于磁场正常变化，因此取样样品不含磁性物质。消防通道建设后，水泥、沙子及石子材料本身不会对地磁观测数据造成影响，用量亦不受限制。

2.2 钢筋材料的用量和建筑距离确定

排除水泥、沙子及石子的干扰后，需进一步对含有铁磁性物质的钢筋进行进一步计算确定。

2.2.1 计算标准

根据《地震台站观测环境技术要求》（GB／T 19531.2-2004）地磁场观测环境的技术指标：“静态磁骚扰强度应不大于0.5nT。”对含铁磁性材料的建筑物或构筑物其几何中心与地磁观测点观测仪器的最小距离计算。含铁磁性材料的建筑物或构筑物其几何中心与地磁观测点观测仪器的最小距离s,应满足下面公式:

式中△B—铁磁性物体产生的骚扰磁场强度，单位为纳特（nT）；

M—铁磁性物体的质量，单位为千克（kg）；

κ—铁磁性物体的磁化率，无量纲；

B0—外磁场强度，即当地地磁总强度F，单位为纳特（nT）；

d—铁磁性物体的密度，单位为千克每立方米（kg/m3）；

s—铁磁性物体几何中心与地磁观测点间的距离，单位为米（m）；

N—铁磁性物体的退磁因子，无量纲。

2.2.2 确定安全距离

在工程设计上，我台采取以下措施减少钢材用量，以达到既不影响地磁观测环境，又能确保工程质量的目的，具体措施如下：

(1)加大蓄水池底板混凝土厚度，减少底板钢筋量；

(2)在蓄水池内部增加承重墙，使蓄水池既不影响蓄水量又通过增加支撑力减少顶层盖板钢筋量。

通过以上两项措施，工程设计建筑50m3蓄水池三个，每个蓄水池钢筋量约为0.68t，现采用的钢筋中铁磁性物体密度为17.3832t/m3，本地稳定地磁强度平均值为53345.0nT，退磁因子为0，根据数据：M=680kg、κ=1000、B0=53445nT、π=3.1415、d=17383.2kg/m3、N=0、△B=0.5nT;按照公式（1）计算：蓄水池距地磁观测仪器最小距离为110m。

我台在三个蓄水池摆放位置中（水池编号及距观测仪器位置情况详见图1），其中1号水池距地磁观测仪器215m，2号水池距地磁观测仪器105m，3号水池距地磁观测仪器120m。由于2号池未能满足计算结果的要求，更改设计将50m3的蓄水量容量变更为40m3，通过减少该蓄水池10m3容量的方式减少钢筋量到0.54t，计算得出安全距离为102m，进而保证不影响地磁观测。

3 防火建筑物对地磁观测环境的静态和动态影响

消防优化改造竣工后，通过静态（消防系统水泵未运行状态下）和动态（消防系统水泵全运行状态）的验证，进一步确认新增建筑物对地磁观测环境无影响。

3.1 静态验证

表2 场地地磁场梯度对比数据仪器室至1号蓄水池

3.1.1 测量方法

在防火系统不运行（水泵完全不运行）的情况下，使用G856-297核旋磁力仪，从仪器室出发到蓄水池结束，每5m测量一组地磁强度F值（共3个值），求平均值并与相同时间仪器室记录仪器FHDZ-M15记录值作为标准值进行通化，并将计算结果同未施工前台站的原始数据进行对比分析；其中测量探头距地面1.8m，记录室仪器探头距离地面-7m。

3.1.2 测量计算结果

测量结果汇总如表2所示，其中距离指测量仪器G856-297核旋磁力仪的探头距仪器室的距离。

（1）1号消防池与仪器室间场地地磁场梯度对比结果见表2、图2。

（2）2号消防池与仪器室间场地地磁场梯度对比结果见表3、图3。

3号消防池与仪器室间场地地磁场梯度对比结果见表4、图4。

3.1.3 数据分析

在防火系统不运行（水泵完全不运行）的情况下，排除磁场正常自然变化，距离仪器室≤100m时1号消防池对其不产生影响，距仪器室≤40m时2号消防池对其不产生影响，距仪器室≤50m时3号消防池对其不产生影响；防火消防池周围10m范围内对地磁场的影响非常明显；故本次消防改造项目，新增建筑物对地磁观测场地的环境没有影响。

图2 仪器室至1号蓄水池场地梯度对比Fig.2 Magnetic gradient comparison from instrument room to No. 1 impounding reservoir

图3 仪器室至2号蓄水池场地梯度对比Fig.3 Magnetic gradient comparison from instrument room to No. 2 impounding reservior

表3 场地地磁场梯度对比数据仪器室至2号蓄水池

表4 场地地磁场梯度对比数据仪器室至3号蓄水池

图4 仪器室至3号蓄水池场地梯度对比Fig.4 Magnetic gradient comparison from instrument room to No. 3 impounding reservior

3.2 动态验证

3.2.1 测试方法

在磁场静日变化情况下，进行了防火系统供水系统动态（水泵完全运行状态）对地磁观测影响的测试。测试内容如下：水泵完全运行十分钟，然后停止运行十分钟，反复三次，并监测同时间段下，仪器室记录仪器FHDZ-M15记录下的垂直分量（Z）相对值，对连续数据进行分析。

3.2.2 测量结果

试验阶段仪器室仪器记录的垂直分量（Z）相对值如图5-10所示。

3.2.3 数据分析

通过对防火系统完全运行状态与正常非运行状态的连续反复测试，从地磁仪器记录的数据图像来看，数据连续性好，曲线趋势稳定，未有台阶、漂移等干扰迹象。

图5 第一次运行前十分钟数据（Z）Fig.5 Ten minutes' data before the first run

图6 第一次运行时十分钟数据（Z）Fig.6 Ten minutes' data for the first run

图7 第二次运行前十分钟数据(Z)Fig.7 Ten minutes'data before the second run

图8 第二次运行时十分钟数据(Z)Fig.8 Ten minutes' data for the second run

图9 第三次运行前十分钟数据(Z)Fig.9 Ten minutes' data before the third run

图10 第三次运行时十分钟数据(Z)Fig.10 Ten minutes' data for the third run

4 结论

经以上计算分析，得出以下结论：

（1）通对已选水泥、沙子、石子的磁性检测，发现这些主材对地磁场观测场地环境无明显影响；

（2）已选钢筋用量为0.54t的建筑物距离地磁仪器的安全距离为102m，钢筋用量为0.68t的建筑物距离地磁仪器的安全距离为110m；

（3）消防优化改造新增建筑物对地磁观测环境无影响；

（4）消防设施完全运行状态下，对地磁观测数据无影响。