地埋式地磁觀測裝置的設(shè)計與實現(xiàn)

張秀霞 劉高川 蔣延林 郭宇鑫 趙衛(wèi)紅張騫 潘穎 高熹微 李玉

1)江蘇省地震局，南京 210014 2)中國地震臺網(wǎng)中心，北京 100045 3)中國地震局地球物理研究所，北京 1000814)江蘇省高郵地震臺，江蘇高郵 225600

0 引言

地磁場是地球最重要、最基本的物理場之一(徐文耀，2009)，地磁場觀測為地球科學(xué)研究、地震預(yù)測研究(中國地震局監(jiān)測預(yù)報司，2020； 倪曉寅等，2019； 馮志生等，2020； 丁鑒海等，1994)、社會應(yīng)用研究提供重要服務(wù)。20世紀(jì)70年代末，美國地質(zhì)調(diào)查局開始地磁陣列儀器研發(fā)和地磁臺陣觀測工作，采用地埋儀器這種簡易的架設(shè)方式進(jìn)行地磁場觀測，以便更詳細(xì)地調(diào)查地?zé)崃鲃釉鰪?qiáng)區(qū)域與地磁感應(yīng)異常相關(guān)性及其來源(Towle et al，1979)； 日本在Izu、Chiba半島均勻布設(shè)間距為140km磁力儀臺站的基礎(chǔ)上，并分別布設(shè)3個子臺，子臺的間距為4～7km的小口徑臺陣，服務(wù)于地震監(jiān)測預(yù)報的地磁臺網(wǎng)應(yīng)盡可能靠近地震危險區(qū)，且臺站分布密集(Hayakawa et al，2011)。中國地磁臺網(wǎng)在“九五”、“十五”期間大力推進(jìn)并完成了地磁固定臺站的數(shù)字化建設(shè)。2006年，中國地震局首次采用地埋磁通門磁力儀方式構(gòu)建地磁臺陣，用于地震短臨跟蹤的中短期地磁場觀測(許建華等，2006)，之后陸續(xù)在四川西昌、甘肅天祝、重慶三峽、云南洱源、新疆喀什、晉冀蒙地震危險區(qū)及山東地區(qū)建設(shè)了多個地磁臺陣。中國地震背景場探測項目借鑒“十五”期間地磁臺陣的架設(shè)經(jīng)驗，推廣地埋式地磁觀測方式，使其應(yīng)用于地磁背景場項目地磁臺站建設(shè)。

目前，用于地磁場短周期變化觀測的典型儀器為磁通門磁力儀，但該類型儀器對外界溫度變化較為敏感，即存在溫度漂移現(xiàn)象，表現(xiàn)形式為儀器格值、補(bǔ)償線圈的線圈常數(shù)等隨溫度變化而發(fā)生變化，且不同儀器溫度漂移特性差異較大，難以采用溫度補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)手段解決這些問題，所以國際上的地磁相對記錄室均采用建設(shè)具有保溫功能的磁房來進(jìn)行觀測。按照《DB/T 9—2004地磁臺站建設(shè)規(guī)范 地磁臺站》和《DB/T 37—2010 地震臺網(wǎng)設(shè)計技術(shù)要求》要求，相對記錄室的日溫差不大于0.3℃，年溫差不大于10℃(中國地震局，2004、2010)，并且對磁房建設(shè)的弱磁性材料有特殊要求，使相對記錄室造價昂貴，動輒上百萬元，嚴(yán)重制約地磁觀測的發(fā)展。因此，中國地震局在“十五”期間開展磁通門磁力儀臺陣架設(shè)，并在中國地震背景場探測項目中大力實施地埋式地磁相對記錄儀器簡易性架設(shè)方案。這種方式有助于節(jié)約臺陣架設(shè)成本，同時可以使觀測點位更加易于布設(shè)，有利于日常維護(hù)和推廣應(yīng)用。

經(jīng)過十多年的觀測經(jīng)驗積累，地埋式地磁觀測不僅要考慮觀測裝置的保溫性能，還需要考慮觀測裝置在地下的穩(wěn)定性對地磁觀測產(chǎn)生的重要影響(王曉美等，2008； 胡秀娟等，2018)。同時，由于缺乏指導(dǎo)性的建設(shè)方案，在國內(nèi)開展的地埋式地磁測點在建設(shè)設(shè)計、施工及長期觀測中，出現(xiàn)以下問題：一是施工前無法針對地下潛在因素來設(shè)計固定結(jié)構(gòu)，裝置可能出現(xiàn)傾斜、沉陷和斷裂等問題； 二是某些測點出現(xiàn)裝置進(jìn)水、儀器潮濕的現(xiàn)象； 三是當(dāng)保溫結(jié)構(gòu)使用的材料傳熱性能較強(qiáng)、材料厚度較小且埋深較淺時，會出現(xiàn)日、年溫差達(dá)不到《DB/T 9—2004地磁臺站建設(shè)規(guī)范 地磁臺站》(中國地震局，2004)的要求。因此，在設(shè)計和施工時，針對地下潛在的影響因素設(shè)計固定結(jié)構(gòu)以提高穩(wěn)定性，加強(qiáng)密閉性以提高裝置防水性和防潮性(杜斌等，2008)，加大裝置埋深并利用高熱阻材料組成足夠厚的保溫結(jié)構(gòu)，提升裝置的保溫性，使用無(弱)磁性材料并調(diào)節(jié)裝置尺寸來減少鐵磁性物質(zhì)和周邊介質(zhì)的影響，有利于地埋式地磁儀器的觀測穩(wěn)定，產(chǎn)出高質(zhì)量的地磁觀測數(shù)據(jù)。

本文針對現(xiàn)有地埋式地磁觀測裝置存在的上述問題，提出了一種新的地埋式設(shè)計方案，采用圓柱形有底無蓋高密度聚乙烯HDPE管作為儀器倉主體，底部鋪設(shè)碎石墊層以提高地埋裝置的地基穩(wěn)定性，選擇高熱阻的保溫材料并增加其厚度來控制倉內(nèi)日溫差。通過臺站的實際應(yīng)用驗證，該地埋式地磁觀測裝置在穩(wěn)定性、保溫、防水等方面具有優(yōu)異的性能，同時兼?zhèn)涫┕ず唵?、可根?jù)不同地區(qū)的觀測環(huán)境進(jìn)行差異施工和架設(shè)的特點，有利于全國推廣應(yīng)用。

1 裝置結(jié)構(gòu)與原理

本地埋式地磁觀測裝置由儀器倉和主機(jī)倉2個主要部分組成(圖1)。儀器倉用于為磁通門磁力儀探頭(及其模擬裝置)提供穩(wěn)定可靠的觀測環(huán)境，其由主體結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定結(jié)構(gòu)和保溫結(jié)構(gòu)3部分組成。主機(jī)倉用于放置磁通門磁力儀主機(jī)、電源系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)。儀器倉和主機(jī)倉均埋入地下，二者之間由長度大于10m的信號線連接。

圖1 地埋式地磁觀測裝置結(jié)構(gòu)圖

1.1 儀器倉主體結(jié)構(gòu)

本裝置儀器倉主體結(jié)構(gòu)為長4m的圓柱形(有底無蓋)高密度聚乙烯(HDPE)管，外徑1000mm、壁厚38.2mm，見圖1中的標(biāo)識1。管體位于2m×2m×4.8m的地坑內(nèi)，坑體尺寸的選擇以施工前進(jìn)行的坑體磁性實驗(表1)為依據(jù)，該實驗實測了在不同坑體尺寸及不同坑體介質(zhì)條件下，地磁儀器探頭所受到的干擾情況。實驗表明，儀器探頭距離坑體材料≥0.5m時，可使土壤帶來的影響降低至0.5nT以內(nèi)。

表1 坑體磁性實驗結(jié)果

HDPE管具有高強(qiáng)度特性。根據(jù)出廠檢驗結(jié)果，40mm厚的管壁可承受600kN/m2的壓強(qiáng)，可有效抵抗周圍介質(zhì)對儀器倉產(chǎn)生的側(cè)向壓力。根據(jù)地下工程有關(guān)規(guī)范(中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會，2015)，地下結(jié)構(gòu)會受到側(cè)向的主動土壓力，側(cè)向主動土壓力F為

(1)

圖2 裝置設(shè)計原理示意圖

高密度HDPE管管口高出地表200mm，防止外部水倒灌； 管口通過不銹鋼蓋密閉，防止外部水體進(jìn)入； 儀器倉內(nèi)部的儀器線路通過S型PVC管進(jìn)出，見圖1中的標(biāo)識15，開口向下，防止水體進(jìn)入。

1.2 儀器倉穩(wěn)定結(jié)構(gòu)

本裝置儀器倉的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)由以下部分組成(見圖1中的標(biāo)識2～7)：HDPE管外部最底層標(biāo)識2為500mm厚度夯實板土，上層標(biāo)識3為500mm厚弱磁性碎石層，標(biāo)識4為管底外周邊1500mm厚弱磁性混凝土，最上層標(biāo)識5為3000mm厚弱磁性介質(zhì)回填土，管內(nèi)部標(biāo)識6為500mm厚弱磁性混凝土，標(biāo)識7為400mm×400m×200mm尺寸大理石墩(含隔震槽)。

穩(wěn)定結(jié)構(gòu)中，500mm厚度夯實板土和500mm厚弱磁性碎石層可提高地基的承載力，保證基底穩(wěn)定，最大限度減少儀器倉的沉降或不均勻沉降，在地基工程的有關(guān)規(guī)范(顧曉魯?shù)龋?003； 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，2012)中稱為換碎石墊層法，該方法應(yīng)符合

pcz+pz≤faz

(2)

式中，pz為墊層底面處的附加壓力；pcz為墊層底面處土的自重壓力；faz為墊層底面軟土的修正承載力特征值。在工程中認(rèn)為達(dá)到式(2)的要求可有效發(fā)揮墊層的支撐作用，如圖2(b)所示。 根據(jù)觀測裝置所使用的墊層厚度計算得到pcz+pz=103kN/m2，faz=212kN/m2， 表明0.5m厚碎石層的設(shè)計可有效提高本裝置的地基穩(wěn)定性。

穩(wěn)定結(jié)構(gòu)中，儀器倉內(nèi)外的混凝土可增加裝置整體配重，克服地下水產(chǎn)生的浮力。阿基米德原理可用于簡單情況下對水浮力的計算，實際上由于地下黏土的滲透系數(shù)具有復(fù)雜性，地下水浮力可能小于靜水環(huán)境(中華人民共和國建設(shè)部，2004(a))，地下水浮力為

P=ψfγwH

(3)

式中，P為基礎(chǔ)底面受到的浮力；ψf為折減系數(shù)；γw為水的重度；H為水位高度。

在設(shè)計本裝置時，為保證長期穩(wěn)定性，考慮到儀器倉埋入地下后可能受到的最大浮力(地下水位達(dá)到地表處)，根據(jù)地下排水有關(guān)規(guī)范(中華人民共和國建設(shè)部，2004(b))，由式(3)計算地下水浮力P，計算時ψf取值1，γw取值10kN/m3，當(dāng)水位高度H取值為1m時，計算得P=10 kN/m2。本裝置通過儀器倉倉體自重、回填土配重和混凝土配重來克服地下水的浮力，根據(jù)裝置設(shè)計，PE管倉體外部和內(nèi)部均有混凝土結(jié)構(gòu)，計算得到碎石墊層之上產(chǎn)生的全部壓力G=97.0kN/m2，大于地下水浮力P=10kN/m2(圖2(c))。

穩(wěn)定結(jié)構(gòu)中，儀器倉外部位于碎石層之上及回填土之下的混凝土共同組成圓柱狀包裹結(jié)構(gòu)(總厚度1500mm)，為儀器倉下半部提供支撐，抵抗周圍土壤的壓力，根據(jù)國家混凝土制作標(biāo)準(zhǔn)(中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，2011)，150mm厚的C15強(qiáng)度混凝土立方體即可承受15000kN/m2的壓強(qiáng)，遠(yuǎn)大于式(1)中側(cè)向土壓力26.5kN/m2。

1.3 儀器倉保溫結(jié)構(gòu)

本裝置的儀器倉保溫結(jié)構(gòu)由銅制固定支架、第一層100mm厚珍珠棉隔溫板、第一層3000mm厚保溫棉、第二層100mm厚珍珠棉隔板、第二層保溫棉、不銹鋼蓋板及500mm厚弱磁性覆土組成(圖1中標(biāo)識9～14)。在設(shè)計中，通過2個途徑來提高裝置保溫性：一是通過儀器倉埋入地下，減少倉外環(huán)境溫度變化； 二是通過使用高熱阻材料，減少倉內(nèi)外的熱量交換(圖2(d))。將本裝置的儀器倉視為一種圓柱形地下裝置，根據(jù)地下防空建設(shè)規(guī)范(中華人民共和國建設(shè)部等，2006)及傳熱學(xué)的定義，地下結(jié)構(gòu)的傳熱量Q由頂板傳熱量Q1、壁面?zhèn)鳠崃縌2和波動性外墻傳熱Q3組成，由于本裝置無地上墻體，故Q3可視為0。則傳熱量為

Q=Q1+Q2

(4)

Q1=ΔtαS

(5)

Q2=Δtkl

(6)

式(5)、(6)中，Δt為裝置內(nèi)外溫差；α和k分別為頂板和壁面的傳熱系數(shù)；S和l分別為頂板和壁面的傳熱面積。由此可以看出，地下裝置的傳熱量主要受內(nèi)外溫差及保溫材料的熱阻影響，根據(jù)本裝置使用的材料及尺寸可得，頂板區(qū)域每度溫差的傳熱效率為0.013W，壁面區(qū)域每度溫差的傳熱效率為18W。該結(jié)果表明，較高的壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)會使儀器倉內(nèi)部的溫度快速接近周圍土壤溫度，增加儀器倉埋深可減少土壤的最大溫差變化，有利于控制儀器倉內(nèi)部的最大溫差； 非常小的頂板傳熱系數(shù)α可減少儀器倉和空氣的熱量交換，有利于控制儀器倉內(nèi)部的日溫差變化。

2 裝置測試及性能

該裝置在設(shè)計前期開展實際測試工作，二者同步進(jìn)行，通過實際測試來完善裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計。測試地點為雨水多、氣溫高且地下水面較高的江蘇高郵地震臺地磁觀測場地，測試時間為2020年11月1日至2021年7月31日，本測試點儀器倉主體長度為3m，儀器選用FGM- 01型號磁通門磁力儀，探頭位于主體倉內(nèi)距地面2.5m處，儀器模擬盒及觀測溫度探頭位于主體倉內(nèi)距地面1.4m處。對本裝置進(jìn)行磁性、穩(wěn)定性測試，并對產(chǎn)出數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2.1 裝置磁性測試

利用Overhauser質(zhì)子磁力儀對裝置各部分進(jìn)行總強(qiáng)度ΔF磁性測試，磁力儀探頭距離各部件均小于20cm，結(jié)果如下：HDPE管和保溫材料總強(qiáng)度ΔF均為0； 大理石、不銹鋼掛鉤等介質(zhì)材料總強(qiáng)度ΔF均小于0.5nT； 儀器安裝前測得的儀器墩面(即周圍介質(zhì))總強(qiáng)度ΔF小于0.5nT。

2.2 裝置自身穩(wěn)定性測試

裝置進(jìn)入觀測后，對其進(jìn)行了防水防潮檢查和地下穩(wěn)定性檢查。裝置自身穩(wěn)定性測試采用建筑變形測量規(guī)范(中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，2016)中的測量方法，在本裝置HDPE管口設(shè)立4個監(jiān)測點，施工完成1個月后分別進(jìn)行沉降觀測、傾斜觀測和收斂變形觀測。觀測結(jié)果顯示：采用水準(zhǔn)測量得到最大測站高差中誤差為0.05mm，采用4個監(jiān)測點差異沉降計算得到傾斜度為2.94×10-5，在管口采用固定測線法計算得到測線長度中誤差為0.29mm，上述結(jié)果符合特種建筑物的變形等級。此外，以7日為單位，檢查裝置密閉性及防水性能，測試期間無漏水、潮濕現(xiàn)象。

圖3 高郵臺地埋式磁通門儀和FHD質(zhì)子矢量磁力儀分量差值對比(a)磁偏角D；(b)水平分量H；(c)垂直分量Z

2.3 裝置數(shù)據(jù)產(chǎn)出穩(wěn)定性分析

根據(jù)基本磁場和變化磁場在一個不大的空間范圍內(nèi)是均勻的，其變化基本同步(丁鑒海等，1994)，即其在空間上是相關(guān)的特征，對該裝置產(chǎn)出的地埋式磁通門數(shù)據(jù)與近距離相對穩(wěn)定的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，其結(jié)果可以檢驗裝置穩(wěn)定性。

選取同場地的高郵臺地埋式磁通門儀器和FHD質(zhì)子矢量磁力儀2套儀器，其中FHD質(zhì)子矢量磁力儀放置于可靠的儀器房內(nèi)，可產(chǎn)出相對良好的數(shù)據(jù)，二者分別與相對可靠穩(wěn)定的河北省涉縣臺(參考臺)的絕對觀測子夜數(shù)據(jù)作日均值差值分析(圖3)。從圖3可以看出，同場地2套儀器的磁偏角D和垂直分量Z變化具有同步性，兩者相關(guān)系數(shù)分別為0.91和0.92。水平分量H則不同步，反映在地埋式磁通門儀器的水平分量差值曲線含有趨勢性變化成分。

為進(jìn)一步分析原因，將地埋式地磁水平分量H與其觀測溫度作對比(圖4(a))，兩者有明顯相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.98。根據(jù)磁通門工作原理，其儀器性能與溫度存在較大關(guān)系，計算得到該儀器水平分量溫度系數(shù)為2.9nT/℃，經(jīng)線性溫度校正后，同場地2臺儀器的H分量具有一致性變化(圖4(b))。由此可見，在排除溫度的影響后，地埋式觀測儀器數(shù)據(jù)相對穩(wěn)定，反映了地埋式裝置的長期穩(wěn)定性。

圖4 地埋式水平分量觀測數(shù)據(jù)(a)與溫度曲線的對比； (b)校正后與FHD觀測數(shù)據(jù)的對比

3 溫度變化對比分析

采用分別位于我國西北(青海德令哈、都蘭)、西南(四川道孚、重慶石柱)、北部(山西代縣)及中部(江蘇高郵測試點)四個典型地區(qū)共6個地埋式觀測裝置內(nèi)磁通門磁力儀數(shù)據(jù)進(jìn)行觀測溫度對比，地埋式裝置參數(shù)情況見表2。時間范圍為1年(2020年8月1日至2021年7月31日)，具體見圖5。

表2 各地埋式地磁觀測裝置參數(shù)

圖5 地埋式地磁觀測裝置溫度對比

表3 地埋式地磁觀測裝置溫度對比

圖5所示的6個地埋式裝置觀測到的溫度具有明顯的周期性變化，表現(xiàn)為與環(huán)境溫度具有相同的周期(約1年)，但幅度和相位不同(表3)。6個地埋式裝置觀測的最大日溫差和年溫差明顯優(yōu)于高郵地面房裝置，即地埋式裝置的周期性變化具有更小的幅度，反映了土壤作為天然的隔溫層，可有效地控制地埋式觀測裝置受環(huán)境溫度的影響。

從表3 可以看出：都蘭臺儀器觀測溫度明顯滯后于環(huán)境溫度，且該臺年溫差和日溫差均最小且符合規(guī)范要求(中國地震局，2004)，代縣臺、高郵臺次之，德令哈、道孚和石柱臺年溫差和日溫差均超過規(guī)范要求。多套儀器溫度對比分析結(jié)果表明：地埋式裝置的保溫結(jié)構(gòu)直接受隔熱材料和地溫變化幅度變化2個因素控制。不同于表3 中由氣象三要素儀器記錄的環(huán)境溫度，地溫變化幅度在臺站前期勘選中無法直接獲得，同時又是設(shè)計階段值得注意的環(huán)境因素。地溫測量的難度在于其受到地表溫度的周期性影響，導(dǎo)致其隨著時間而發(fā)生變化，此時的地溫測量失去了可信度和可比性(金旭等，2004)。故可利用傅里葉級數(shù)計算得到淺層地溫幅度特征(特科特等，1986)，作為裝置設(shè)計的重要依據(jù)(表4)。在忽略大地?zé)崃鞯那闆r下，不同周期變化的地表溫度θ0將影響地溫的變化，即

θ(Z，t)=θ0+Δθ

(7)

表4 地埋式觀測裝置的實驗結(jié)果驗證

式中，θ(Z，t)為以T/n時間為周期變化的地表溫度引起的地下Z深度處的溫度變化規(guī)律，同時得到不同深度地溫的變化幅度，即

(8)

從表4 可以看出：石柱、代縣臺觀測裝置中探頭埋設(shè)最淺，其地溫變化幅度理論值較大，從而導(dǎo)致儀器年溫差最大； 德令哈臺裝置具有最少的隔熱材料，其實際儀器溫差和理論地溫變化幅度的差別最大； 高郵臺裝置設(shè)計最多的隔熱材料，其實際儀器溫差最接近地溫變化理論幅度。在6個觀測裝置中，年溫差最小的都蘭臺，采用了最大的埋設(shè)深度以及數(shù)量僅次于高郵臺的隔溫材料； 其他5個觀測裝置的地溫變化幅度理論值雖然較小(均<10℃/a)，但實際儀器年溫差均大于理論地溫幅度，原因有2個：一是地埋式觀測裝置的空心倉體結(jié)構(gòu)跨越了不同地溫的土壤，往往受到接近地表的高溫土壤影響，這是前期地埋深度設(shè)計的難點之一； 二是隔熱材料的設(shè)計和使用不足，這在施工階段是可以避免的?？傊卮庞^測裝置的設(shè)計階段，需要充分考慮探頭下放深度，以及裝置保溫措施(隔熱材料和蓋土情況)，二者缺一不可。根據(jù)以上分析結(jié)果，在本文提出的裝置設(shè)計方案中，將實際觀測使用的3m長儀器倉升級為4m長，其年溫差預(yù)測將小于8℃。

4 結(jié)論

(1)HDPE材料具有無磁性、高強(qiáng)度和密閉性好的特點，適用于制作地埋式地磁觀測裝置的主體結(jié)構(gòu)。

(2)鋪設(shè)碎石墊層可提高地埋裝置地基的穩(wěn)定，外部設(shè)置混凝土結(jié)構(gòu)可提高地埋裝置的抗壓能力，內(nèi)部增加配重可提高地埋裝置的抗浮能力。

(3)選擇高熱阻的保溫材料，增加保溫材料厚度，減少與外界的接觸面積，可有效減少與空氣的熱量交換，控制裝置內(nèi)部日溫差變化量。本裝置在測試期間最大日溫差小于0.2℃，最大年溫差為10.2℃，反映了實驗區(qū)域地溫幅度的變化情況，在建設(shè)相似的地埋式觀測裝置時，由于對地下溫度的勘測具有一定難度，考慮將裝置埋深(裝置底部深度)設(shè)置為≥4m，將實現(xiàn)年溫差小于8℃。地下土壤最大溫差隨著深度增加而快速減小，通過增加裝置埋深可控制裝置內(nèi)部最大溫差變化量。

(4)配套地埋式觀測裝置的觀測儀器應(yīng)采用溫度系數(shù)遠(yuǎn)小于1nT/℃的儀器，以避免儀器溫度系數(shù)帶來的影響，獲得地埋式裝置產(chǎn)出數(shù)據(jù)的最佳效果。