铁磁性物质对地磁观测影响的野外测试

2022-07-22孙嘉良张明东胡培元龚永俭陈志刚

华北地震科学 2022年3期

康健，孙嘉良，张明东，胡培元，龚永俭，陈志刚

（天津市地震局, 天津 300201）

0 引言

根据场源的不同，地磁场可以分为内源场和外源场。内源场起源于地表以下的磁性物质和电流，可进一步分为地核场（又称为主磁场）、地壳场（由地壳、上地幔产生）和感应场；外源场起源于地表以上的空间电流体系，主要分布在电离层和磁层中，又叫做变化的磁场[1]。将地磁观测资料应用于地震预测，不论是理论研究，还是震例研究，均取得了丰硕的成果，相关成果揭示了震前地磁变化的规律以及地磁观测资料应用于地震预测的美好前景[2-7]。在震磁效应的研究中，通常将无地震时的地磁场称为震磁背景场，其变化称为正常变化；将有地震信息叠加时的地磁场称为前兆异常场，其变化称为异常变化[8]。震磁背景场理论上仅指地磁场本身的变化，不包括各种干扰的叠加，而地磁观测作为一种实践活动，难免会受到各类干扰，特别是一些铁磁性物质干扰以及游散电流的干扰。这些干扰往往与地磁场的内源场叠加在一起，而地磁的震磁效应也主要源于地下介质受应力变化产生的地磁内源场的变化，干扰的出现势必影响到地磁震前异常变化的识别。

近年来，随着经济建设的发展，各种基础设施建设以及工厂数量增多，地磁观测面临的干扰形势越发严峻。高压直流输电、地铁轻轨运营、工厂设备漏电以及铁磁性物质堆放和运移等干扰已经十分常见。研究人员已经开展了各类干扰源对地磁观测影响的研究，例如：高压直流输电干扰、地铁轻轨运营干扰，工厂设备漏电干扰等，在干扰方式、幅度与方位等相关研究成果丰富[9-13]。但铁磁性物质对地磁观测的影响，特别是干扰的定量化问题，目前的研究还远远不够。而且铁磁性物质对地磁观测的影响在实践中往往非常复杂，铁磁性物质结构迥异，规模不同，其感应场的分布范围也不同，对地磁观测造成较大动态和静态干扰，亟需深入研究和探索[14-15]。干扰磁场成份叠加，须将其及时准确识别出来，进行相应的预处理，才能将地磁场观测资料准确应用于科学研究。

准确识别各类铁磁性物质的干扰，需要对其影响进行实践研究。天津区域台网有静海台等6个地磁观测台站，均不同程度受到过铁磁性物质的干扰。对于上述干扰，以前的分析主要是定性的，对定量化研究严重不足。为此，笔者设计了2套野外测试方案，使用G856T质子旋进磁力仪对不同质量铁磁性物质选定点位逐一测量，使用GM4磁通门磁力仪对相同质量铁磁性物质在野外不同方向各点位测量其对地磁场D、H和Z的干扰方式，并结合天津区域地磁台站近年来受铁磁性物质干扰的典型实例，开展了铁磁性物质对地磁观测影响的定量化分析研究。

1 天津区域地磁台站受铁磁性物质影响的现状

天津地区共有6个地磁观测台站，其中静海台为国家基准台，宝坻台、徐庄子台、宁河台、青光台、塘沽台为区域台。近年来在地磁观测中，台站经常有受铁磁性物质干扰的状况（图1）。比如，静海台每年多次受到院外车辆停放、经过或施工影响；宝坻台因为施工造成数据错误，无法正常使用；宁河台时常受东南方向废品收购站废铁堆积和车辆停放的干扰；徐庄子台每年农忙时农机机械收种庄稼造成数据出现干扰；青光台因为信号铁塔建到靠近磁房围墙外，造成核旋数据无法正常观测，最终通过协商才得以解决；塘沽台也偶尔受到车辆停放影响；因青光台和塘沽台都是地磁核旋观测，原始数据已处理，未展示受干扰图件。

图1 天津地磁台站受铁磁性物质影响的日变曲线

因为铁磁性物质的干扰有静态和动态之分，造成数据出现台阶、缓变及错误数据等，且干扰形态和高压直流干扰、漏电干扰有相似之处，有时难以及时准确区分和判别，对数据的预处理造成错误。

2 3种不同质量的铁磁性物质对地磁观测影响的野外测试

铁磁性物质具有2种磁性：剩余磁化强度MR和感应磁性M1。剩余磁化强度是物质从居里点以上的温度逐渐冷却下来的过程中形成的，其所产生的影响是固定的；而感应磁化强度是与当地的磁场有关，其大小与地磁场强度成正比，方向与地磁场矢量方向相同。不过目前还无法将这2种影响分开，所以只能将它们作为一个整体来分析[16]。

根据IAGA（国际地磁和高空物理协会）推荐的《地磁测量与地磁台站工作指南》中给出的理论公式[16]：

式中：ΔB为铁磁性物体产生的干扰磁场强度，单位为纳特（nT）；M为铁磁性物体的质量，单位为千克（kg）；k为铁磁性物体的磁化率，无量纲；B0为外磁场强度，即当地地磁总强度F，单位为纳特（nT）；d为铁磁性物体的密度，单位为千克每立方米（kg/m3）；s为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为铁磁性物体的退磁因子，无量纲。

式（1）做了3项简化假设：

1）假设铁磁性材料产生的磁场是一偶极子场；

2）假设天然磁场、铁磁性材料的感应磁场和剩余磁场全部在同一个方向上，地磁测量点在偶极子骚扰场的轴向方向上；

3）假设铁磁性材料的总磁化强度是感应磁化强度的2倍。

其中：第一项假设只有在铁磁性材料的尺度比铁磁性材料和观测者之间的距离小许多时，这一假设才成立。根据一般情况，对铁磁性材料的磁化率k暂取1 000（磁化率为剩余磁化强度对感应磁化强度的比值，对特殊制造的合金，剩余磁化强度可能比感应磁化强度高3个量级），退磁因子N取值0，钢材的密度d取铁的密度即7.8×103kg/m3，外磁场强度B0取54 100 nT，π取3.14，即可推导出不同质量、不同距离铁磁性物质的干扰幅度。

野外试验分别选取了100 kg、200 kg、300 kg的铁磁性物质，放置铁磁性物质距离观测点位的距离分别为10 m、20 m、30 m，使用质子旋进磁力仪G856T进行逐一测量。然后对总强度F做日变修正处理，经过对理论计算和实际测量后的干扰幅值对比，发现野外测试的结果与理论计算基本接近（表1）。

表1 铁磁性物质对地磁数据观测的理论值与实测值对比

通过计算和实际测量，铁磁性物质对地磁数据的干扰幅度和理论计算值基本接近。理论计算值相比实测值略大，这可能与试验场地和铁磁性物质的材料、形状、体积等有一定的关系。

3 铁磁性物质对地磁观测影响的大距离野外试验

3.1 网格线方式放置铁磁性物质对干扰幅度影响的野外试验

本次试验在野外选取了一块约14万平方米的空旷区域，在该区域中心采用网格状多点位测量方式布局。其中，东西向和南北向长度各选100 m，测量点在网格线的交点上，相邻点位距离5 m，铁磁性物质放置于所选区域的中心，然后进行现场实地测量。试验前，采用G856T质子旋进磁力仪在已选各点位测量未受铁磁性物质干扰的磁场值，测量时将观测值总强度（F）和测量时间同时记录，然后通过和静海台M15地磁场组合观测系统中的总强度（F）做差值，对各点位观测数据做日变修正处理并绘制等值线图。

干扰幅度测量阶段，在中心点逐一放置3 t、5 t、7 t的铁磁性砝码，然后进行测量。将放置铁磁性砝码和未放置铁磁性物质的修正数据对应相同点位做差值，即可得出不同质量的铁磁性物质对各点位观测数据产生的干扰幅值。对干扰幅值进行统计分析和研究，绘制等值线图（图2）。

图2 干扰幅度试验测量图

对以上观测数据进行统计分析，空场地的磁场梯度分布均匀，等值线密度基本相同。放入3 t重铁磁性物质后，靠近铁磁性物质的磁场梯度变大，等值线变密；远离铁磁性物质，磁场梯度逐渐变小，等值线逐渐恢复均匀。放入5 t、7 t铁磁性物质后，磁场梯度和等值线密度与放入3 t铁磁性物质基本相同，所不同的是铁磁性物质越重，靠近铁磁性物质的磁场梯度越大，等值线越密；恢复均匀后，距离铁磁性物质的距离越远（图3）。

图3 空场地及3 t、5 t、7 t铁磁性物质对地磁数据干扰幅度等值线图

通过对以上试验数据分析发现，铁磁性物质的干扰幅度和理论计算值有出入，理论值大于实测值，这和试验场地和铁磁性物质的材料、形状、体积有一定的关系。铁磁性物质对地磁数据观测的理论值在本文第2部分运用公式（1）已计算过（表1）。因计算方法相同，本次试验未再列出理论计算结果。

3.2 十字正交线放置铁磁性物质的野外试验方法研究方位判别

本次试验在地磁台站院内选取正交的十字线，其中一条线指向地理北。各点位以中心点O为原点，按照10 m、20 m、30 m间隔进行选取，在中心点架设磁通门磁力仪GM4（图4）。

图4 干扰方位判别测量点位布设示意图

干扰方位测量阶段，先架设磁通门磁力仪GM4进行正常背景值观测，在已选各点位逐一放入0.7 t重铁磁性物质，每次放置铁磁性物质时间大约6 min；然后将铁磁性物质转移至无干扰距离，使仪器正常观测6 min；最后再将铁磁性物质放入下一点位6 min。按照此步骤交替进行，测得对东西水平分量D、南北水平分量H、垂直分量Z的干扰幅度及形态，做铁磁性物质方位判别（图5）。

图5 干扰源方位判别试验测量图

三轴磁通门磁力仪观测分量分别为地磁场D、H、Z，其中：D指向磁东，H指向磁北，Z指向地心。本次试验通过将铁磁性物质放置在不同的地理方位上来测试对观测仪器的影响（图6），具体影响结果有4个方面。

图6 干扰源方位判别试验数据图

1）在探头正南方向放置铁磁性物质时，铁磁性物质对磁偏角D干扰幅度很小，10 m以外几乎无影响；对水平分量H干扰幅度较大，对垂直分量Z干扰幅度次之，超过30 m对Z分量几乎无影响；对H分量和Z分量干扰方向相反。

2）在探头正北方向放置铁磁性物质时，铁磁性物质对磁偏角D干扰幅度明显，30 m以内能看出明显的台阶；对水平分量H和垂直分量Z干扰幅度相当且在该方向相比于其他方向干扰幅度最大，30 m以内能看出明显的台阶；对D分量和Z分量干扰方向相同，与H分量干扰方向相反。

3）在探头正东方向放置铁磁性物质时，铁磁性物质对磁偏角D、水平分量H、垂直分量Z干扰幅度相当，30 m以内能看出明显的台阶；对D分量和H分量干扰方向相同，与Z分量干扰方向相反。

4）在探头正西方向放置铁磁性物质时，铁磁性物质对磁偏角D干扰幅度明显，30 m以内能看出明显的台阶；对水平分量H干扰幅度较小，10 m以外几乎无影响；对垂直分量Z干扰幅度适中，30 m以外几乎无影响；对H分量和Z分量干扰方向相同，与D分量干扰方向相反。

通过对数据分析，能够确定受铁磁性物质干扰的观测数据其干扰幅度、干扰形态与探头和铁磁性物质放置的方位有关。而地磁台站使用的磁通门磁力仪测量原理几乎相同，所以本次试验结果能够适用于地磁台站作为铁磁性物质方位判别的重要依据。

3.3 天津区域地磁观测受铁磁性物质干扰的实例与野外试验结果的对比分析

统计天津区域典型受铁磁性物质干扰的观测数据，通过分析发现，大部分数据干扰形态和试验数据基本吻合，和试验数据不是特别吻合的可能和铁磁性物质的方位、材料、体积、形状等有一定的关系（图7～8）。

图7 静海台典型受铁磁性物质干扰图

图8 宁河台典型受铁磁性物质干扰图

该干扰是静海台西围墙外面挖掘机挖土施工作业，造成数据出现台阶。施工地点正好在观测室正西方向，距离台站地磁观测室大约120 m，挖掘机重大约10 t。施工对地磁场D、H和Z的干扰幅度分别为4.9 nT、1.8 nT和0.13′；干扰方向H和Z相同，都是台阶向下，与D的干扰方向相反；数据干扰幅度、形态与试验测得相吻合。

该干扰是宁河台东南方向停放运送暖气片拉货车辆影响，造成地磁水平分量H数据出现台阶。车辆停放地点距离观测室大约200 m，车和暖气片总重预估大约20 t。其对地磁场H干扰幅度为2.8 nT，干扰方向向上；对地磁场D、Z几乎无影响；数据干扰形态和试验基本吻合。