地磁房濕度對地磁觀測的影響及解決方案

郅紅魁 郭慧 耿淑芬 陰宏業(yè) 程楠 宋建鎖

1)河南省地震局洛陽地震臺，河南省洛陽市南郊龍門鎮(zhèn) 471023

2)河南省地震局盧氏地震臺，河南三門峽 472200

3)河南省地震局?？h地震臺，河南鶴壁 456250

0 引言

目前全國地磁房相對記錄室大都建在山洞、半掩體、半地下、地下，目的是為了保證地磁房溫度相對穩(wěn)定，不易受到外界天氣影響。但是地磁房內(nèi)濕度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過工作要求，只能用簡易玻璃罩來防潮，或定期更換吸潮劑。這種方法并不能精確控制室內(nèi)濕度，甚至可能造成數(shù)據(jù)異常變化。室內(nèi)濕度高達(dá)95%以上的臺站，濕度的影響往往比溫度的影響復(fù)雜得多，也嚴(yán)重得多(葉富華等，2006)。而濕度是長期影響儀器正常工作的重要因素，故精確控制地磁房室內(nèi)濕度顯得尤為重要(葉富華等，2006)。全國地磁臺站大都安裝了相對記錄儀器——磁通門磁力儀GM3、GM4、FGM01以及地磁總場與分量組合觀測系統(tǒng) HDZ-M15。溫度、濕度的變化會造成地磁儀器磁系的細(xì)微變化，從而引起儀器記錄的細(xì)小偏差，導(dǎo)致記錄曲線漂移、失真(師婭芳等，2012)。每年雨季地磁房的濕度出現(xiàn)快速上升，很容易達(dá)到95%以上，按地磁觀測規(guī)范的要求地磁房相對記錄室內(nèi)相對濕度≤85%(中國地震局，2001)，超過此限則可能對磁通門磁力儀器探頭工作的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，造成觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量下降，嚴(yán)重時數(shù)據(jù)不能使用。探頭長時間在環(huán)境濕度較大的情況下工作會影響其使用壽命，如何除濕、降濕、控濕，各臺站都采取了多種辦法，如在磁房定期放幾盆氯化鈣吸濕劑，或?qū)μ筋^加裝防潮玻璃罩、泡沫罩等，并在罩內(nèi)放置硅膠吸濕，保證探頭觀測環(huán)境濕度符合規(guī)定要求。這些方法雖然能降低濕度，但除濕材料成本高，對濕度不能實時控制。干燥劑的更換往往靠經(jīng)驗，帶有一定隨意性，不能精確除濕控濕。但是干燥劑更換不及時造成的濕度變化大且可能引起觀測數(shù)據(jù)異常變化，進(jìn)而給地磁數(shù)據(jù)的獲取及地震的分析預(yù)測帶來一定難度。

1 濕度對Z、H分量數(shù)據(jù)影響

洛陽地震臺于2007年開始使用GM4磁通門磁力儀進(jìn)行觀測，每年5月份，Z和H分量有時會出現(xiàn)向上或向下30～50nT的漂移。這種異常漂移嚴(yán)重影響觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量和地震預(yù)測分析。以洛陽臺2010～2013年5月為例，2011年和2012年觀測曲線走勢基本一致，符合正常年變化規(guī)律即圖1中的(b)和(c)，Z分量正常變化為呈線性緩慢上升20～30nT左右，H分量曲線的正常變化比較平穩(wěn)，4、5月累計降雨量分別為62.6、75.4mm。通過降雨量對比圖2可以看出這兩年降雨量遠(yuǎn)低于2010年和2013年。從圖1(a)Z分量A直線段可以看出數(shù)據(jù)緩升較正常，而B、C直線段數(shù)據(jù)緩慢下降，H分量B直線段出現(xiàn)上升，這不符合正常變化特征，4、5月累計降雨量達(dá)141.1mm，遠(yuǎn)大于2011年同期水平。圖1(d)中A和C直線段數(shù)據(jù)緩升基本正常，而B線段數(shù)據(jù)出現(xiàn)快速下降，說明不符合正常變化特征，4、5月累計降雨量達(dá)164.6mm，遠(yuǎn)大于2011年同期水平。根據(jù)洛陽地震臺降雨量統(tǒng)計和地磁2010～2013年4～6月數(shù)據(jù)的對比，可以發(fā)現(xiàn)降雨量與地磁Z、H分量數(shù)據(jù)變化密切相關(guān)，降雨量越小，觀測數(shù)據(jù)越穩(wěn)定，反之越不穩(wěn)定。

圖1 洛陽臺地磁通門磁力儀Z、H分量對比圖

2 地磁房濕度與降雨量的關(guān)系

洛陽臺地磁房建在半山坡上，與山體連接，屬于半地下半山洞結(jié)構(gòu)，磁房上面有1.5～2.0m厚的土層，上面種滿了樹(圖3)。冬季降雨量偏少，地磁房上面土壤層含水量很低，磁房濕度也較低，到了4、5月份，雨水增多，土壤層含水量不斷增加，并且不斷向地磁房夾層滲入濕氣，夾層內(nèi)的濕氣又不斷向地磁房內(nèi)滲入，從而引起地磁房內(nèi)濕度發(fā)生變化(圖2)。磁房濕度快速增加引起探頭觀測環(huán)境發(fā)生變化，從而引起H、Z分量數(shù)據(jù)出現(xiàn)上下漂移。只要控制好探頭觀測環(huán)境的濕度，即可保證觀測數(shù)據(jù)穩(wěn)定、真實可靠。

圖2 4、5、6月份降雨量對比

圖3 洛陽臺地磁房結(jié)構(gòu)與濕度快速變化關(guān)系

3 系統(tǒng)工作原理及應(yīng)用效果

地磁房濕度、探頭智能實時分析監(jiān)控系統(tǒng)，能遠(yuǎn)程實時監(jiān)控地磁房的濕度和磁通門磁力儀探頭周圍的濕度，當(dāng)濕度超過事先設(shè)定好的范圍時，能自動報警(圖5)。該監(jiān)控系統(tǒng)包括主機(jī)、探頭、變色硅膠和有機(jī)玻璃罩(防潮罩)(圖5)，把濕度傳感器和一瓶變色硅膠放在有探頭的有機(jī)玻璃罩內(nèi)，玻璃罩與儀器墩面采用30mm厚的珍珠棉板，可起到緩沖放作用，將所有縫隙用凡士林密封起來，防止磁房的濕度滲入罩內(nèi)。為了讓探頭周圍的濕度穩(wěn)定，以防在更換硅膠時外界濕氣會進(jìn)入罩內(nèi)，防潮罩頂端開了一個直徑130mm的圓孔，設(shè)計了一個放干燥劑的圓柱形盒子，兩側(cè)有10cm×150cm的方孔，盒子上面有一個直徑180cm的圓形蓋，當(dāng)裝有干燥劑的盒子垂直放入有機(jī)玻璃罩內(nèi)時如(圖4)，盒子上面圓蓋靠自身壓力與有機(jī)玻璃罩頂面無縫接觸，起到密封、防潮作用。把存放硅膠的瓶子四周鉆了15～20個直徑3mm的圓孔，這樣能緩慢除濕，避免因濕度變化大引起數(shù)據(jù)異常，而且除濕有效時間也變長了，夏季達(dá)2～3個月，冬季4～5個月，濕度始終保持在規(guī)定范圍內(nèi)。傳感器把磁房和防潮罩內(nèi)濕度信息通過數(shù)據(jù)線實時傳到濕度監(jiān)控儀主機(jī)上，主機(jī)把采集到的數(shù)據(jù)顯示在儀器的前面板上，并且對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷，超過濕度設(shè)置值時，內(nèi)置蜂鳴器會自動報警，提示值班人員更換干燥劑。

該系統(tǒng)與傳統(tǒng)除濕對比具有以下優(yōu)點:①遠(yuǎn)程實時顯示磁房和探頭的濕度變化，監(jiān)控距離達(dá)60m以上，可放在儀器室。以前查看濕度計，需要進(jìn)入磁房讀取濕度，還要更換無磁性衣服。②精度高，分辨率高達(dá)0.1%。以前濕度計刻度小、精度低，要經(jīng)常加水。③智能報警，當(dāng)濕度超過設(shè)定值時可自動報警，無需查看。④濕度更加容易控制，只要控制住有機(jī)玻璃罩內(nèi)濕度，即實現(xiàn)精確控制。以前是控制地磁房濕度，磁房空間較大控制難度相對較大。⑤科學(xué)除濕，根據(jù)該系統(tǒng)報警來確定是否更換干燥劑。以前通過定期或經(jīng)驗來更換干燥劑，如果不能及時更換干燥劑，一旦失效，濕度快速上升，會造成數(shù)據(jù)異常變化等(圖1)。⑥成本低、環(huán)保，新系統(tǒng)只需2瓶500g變色硅膠，失效后烘干可反復(fù)輪換使用即可，無色無味。以前磁房每年除濕需要兩袋50kg氯化鈣，每次更換好幾盆，有一定腐蝕性要戴手套，用完后滓子只能倒掉，污染環(huán)境。⑦操作簡單，快捷方便。將事先備好的一瓶變色硅膠更換罩內(nèi)失效的硅膠，只需幾秒鐘。以前需要將磁房內(nèi)的幾盆氯化氯殘渣和水倒掉，再換上新氯化鈣，需要1小時左右，進(jìn)進(jìn)出出對探頭觀測環(huán)境也會產(chǎn)生一定影響。

圖4 使用地磁房、探頭濕度智能分析監(jiān)控系統(tǒng)效果

使用效果分析:往年磁房濕度變化隨降雨量增大快速上升，通過放氯化鈣除濕，造成磁房濕度快速下降，當(dāng)氯化鈣逐漸失效后濕度又快速上升，濕度變化范圍達(dá)20%(圖7(a))。對探頭工作穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，從而造成數(shù)據(jù)不穩(wěn)定(圖1(a)B和圖1(d)B線段)。洛陽臺于2014年3月7日07:00h開始使用地磁房濕度探頭智能分析監(jiān)控系統(tǒng)，由于經(jīng)驗不足，將變色硅膠直接放入有機(jī)玻璃罩內(nèi)與空氣接觸，造成濕度從80%快速下降到60%，造成探頭觀測濕度快速變化，引起地磁數(shù)據(jù)Z分量快速上升，H分量快速下降，造成7天的數(shù)據(jù)出現(xiàn)漂移(如圖4B處線段)，之后濕度一直穩(wěn)定在62% ±2%(圖7(b))，磁房濕度在95%以上(圖7(b))，數(shù)據(jù)一直穩(wěn)定，再無任何異常變化(圖4(C)線段)。

4 結(jié)論

地磁房濕度探頭智能實時分析監(jiān)控系統(tǒng)投入觀測使用后，能夠?qū)崟r了解磁房和探頭的濕度變化，提高工作效率、減少人為頻繁進(jìn)入磁房帶來的干擾，可以快速確定是否因濕度變化引起觀測數(shù)據(jù)異常變化。該系統(tǒng)適用于對濕度有較高要求，不宜近距離觀測的地方。

圖5 濕度智能監(jiān)控儀工作原理示意圖

圖6 地磁房、探頭濕度智能監(jiān)控儀

圖7 2013年和2014年地磁房濕度變化圖