地下井体建设对地磁观测场地的干扰.pdf
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1、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.1003-3246.2023.02.014第一作者简介:王晓睿(1987),女,工程师,主要从事地震监测工作。E-mail:基金项目:辽宁省青年基金(项目编号:LZ201903)本文收到日期:2021-06-21地下井体建设对地磁观测场地的干扰王晓睿1)王淑辉1)刘 允2)张 帅3)代青沁2)1)中国沈阳 110034 辽宁地震台2)中国
2、辽宁 116021 大连地震监测中心站3)中国辽宁 110000 沈阳地震监测中心站摘要 以大连地震监测中心地震前兆观测新建地下井体为例,基于场地梯度测量方法,定量分析井体建设对地磁观测场地的干扰。基于观测井设计数据,计算其理论干扰距离,发现最大干扰距离 s=456.6 m 270 m(二者的实际间距),推测此地下井体会对地磁观测产生干扰。以井体与地磁观测仪器室之间 50 m160 m 的范围为测量区域,以 10 m10 m 的网格进行测线及测点的布设,计算并对比分析井体建设前后各测线地磁总场强度 F 的梯度值,结果发现,除个别临近办公区的测点梯度值不稳定,其他测点梯度值基本处于重合状态,排除
3、测量区域葡萄架和接线井的干扰后,磁场梯度整体符合规范,即 Fb 1 nT/m。分析认为,地下井体对地磁场的最大干扰距离为 160 m,表明该中心地下井体建设不会对地磁观测场地造成干扰。关键词 地磁观测场;场地梯度;井体干扰;干扰距离0 引言地磁观测对观测环境有一定要求,根据 GB/T 19531.2 2004 地震台站观测环境技术要求,地磁观测台站观测场地的地磁场总强度 F 通化计算的水平梯度应该满足 Fb 1 nT/m,其中给出了含铁磁性物体与地磁观测点观测仪器的最小距离计算公式以及几种质量的铁磁性物体(=1 000,N=0)在地磁观测点产生 0.5 nT 干扰量的距离。参考 地磁台消防优化
4、改造项目对地磁观测环境的影响(王晓睿等,2018)一文中对含铁磁性物质安全距离的计算方法,可计算得到铁磁性物质对于地磁观测场地的理论干扰数值。基于 地磁测量与地磁台站工作指南(Jankowski et al,1999)一书的明确指导,可以使用场地梯度测量方法测量干扰源的实际干扰。为提高大连地区地震前兆综合观测能力,大连地震监测中心开展流体、形变等前兆观测手段的建设工作,于 2019 年在地磁台观测场地周边新建了流体和形变观测地下井体。为判断该井体建设对地磁观测的影响,基于场地梯度测量方法,定量分析井体对地磁场地造成的干扰,通过地磁场地梯度的测量,证实井体配套设备(主要指钢管)对现有地磁观测场地
5、未产生干扰,并确定其对地磁场的干扰范围小于 160 m,通过对井体施工前的理论干扰计算和施工前后现场测量数据的实际计算结果进行对比,进一步分析磁性物体产生地磁干扰的特点。113第 2 期1 井体干扰的理论计算1.1 理论干扰计算数据以在大连地震监测中心地磁观测场地周边布设的 2 口流体井和 3 口钻孔形变井为研究对象,定量分析井体建设对地磁观测的影响。井体位于该中心办公区南侧,其中办公区距地磁观测场地 160 m,地下井体距地磁观测场地最近 270 m,相对位置见图 1,图中WS-1、WS-2 为流体井,WY-1、WY-2d、WQ-1 为钻孔形变井。井体建设铁磁性材料总质量约 23.207 t
6、,5 口井的统计信息见表 1。表 1 各井深度及钢管信息Table 1 Well depth and steel pipe information井体编号井深/m钢管长度/m钢管质量/t244(8 mm)146(6 mm)WS-1200.600201.604.176WS-2450.56110.50340.0012.187WY-1188.820184.203.816WY-276.70072.001.491WQ-173.00074.201.5371.2 计算依据根据 GB/T 19531.2 2004 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)中地磁场观测环境的
7、技术指标,计算含铁磁性材料的建筑物与地磁观测点观测仪器的最小距离。设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为 s,其应满足以下公式 30)1(BNdBMs+=(1)式中:B 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);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。表 2 几种质量的铁磁性物体(=1 000,N=0)在地
8、磁观测点产生 0.5 nT 干扰量的距离 sTable 2 The distance of 0.5 nT disturbance produced by several mass ferromagnetic objects(=1 000,N=0)at geomagnetic observation pointsM/ts1/kmM/ts1/kmM/ts1/kmM/ts1/kmM/ts1/km10.163100.3401000.73510001.633100003.4001.3 干扰距离推算式(1)可用下式表达 MBNdBs+=)1(03(2)假设大背景磁场 B0一致,且使用钢材的铁磁性性质同标准
9、一致,那么、B、d、N王晓睿等:地下井体建设对地磁观测场地的干扰地震地磁观测与研究44 卷 114参数固定不变,设 ABNdB=+)1(0,则 A 为已知常数,式(2)可进一步简化为 s3=AM(3)将表 2 所示数据代入公式(3),计算得到常数 A,结果见表 3。基于表 3 数据,得到常数 A 的平均值,即/kgm6.4 1023=A,则式(3)可简化为 s3=4 102.6M(4)表 3 几种质量的铁磁性物体在地磁观测点产生 0.5 nT 干扰量的距离 s 下反推系数 ATable 3 The coefficient A deduced from the distance s that p
10、roduces the disturbance of 0.5 nTM/kgs1/mA/(m/kg)M/kgs1/mA/(m/kg)M/kgs1/mA/(m/kg)1 0001634 331100 0007353 97110 000 0003 4003 93010 0003403 9301000 0001 6334 351在估算地下井体的安全距离时,考虑到评估的可靠性,将钢管总质量 23.207 t 归算到地表距观测室最近的点,即观测室以南 270 m 处,将可能影响最大化。将钢管质量代入式(4),得 s3=4 102.623 207,由此估算井体相对地磁观测场地的安全距离,可得 s=456.6
11、 m 270 m(二者的实际间距),可见地下井体位于地磁观测场地内,会对地磁观测产生干扰。2 井体干扰的实际测量通过以上理论计算,认为大连地震监测中心地下井体建设会对地磁观测产生干扰。然而,对于地磁观测台站,井体干扰的前期理论性计算评估仅能做为参考,需对井体施工前后实际地磁干扰进行实地测量,根据测量结果进行地磁场地梯度的计算和对比分析,才能做出客观评价。2.1 地磁场地测量范围本次实地测量区域为井体与地磁观测仪器室之间 50 m160 m 范围的场地,记为 S,见图 1。S 区为最有可能受到建筑干扰的地磁环境区域,作为本次地磁场梯度测量区。需要说明的是:在建台之初,大连地震监测中心办公区原 1
12、#和 2#办公楼,下文称为原办公区,此情况下 S 区的地磁场地梯度满足观测要求,在井体建成后计划新建 3#实验楼(图 1),在本次实地测量前3#楼尚未建设,故不在研究范围内;新增 5 口观测井区位于办公区南侧(图 1),且距离较近,受办公楼建筑干扰,临近井区的地磁场地梯度无法测量。基于此,将办公区和井区作为整体,以办公区北缘为出发点、观测室为终点的范围作为测量区域。因此,钻井前 S 区地磁场地梯度仅受原办公区影响,竣工后则受到原办公区和 5 口观测井共同影响。图 1 地磁观测场地平面图及测量布点Fig.1 Geomagnetic observation site and survey layo
13、ut planN接线井地磁观测区葡萄架办公区地磁场梯度测量区S井区5432161615141312111098765423171140 m120 m100 m80 m60 m40 m20 m160 m0 m0 m 20 m 40 m160 m60 m2#3#1#50 mWY-1WY-2WQ-1WS-1WS-2115第 2 期2.2 地磁场梯度测量方案依据 GB/T 19531.2 2004 地震台站观测环境技术要求 第 2 部分:电磁观测(中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局等,2004),设计井体干扰测量方案。地磁场梯度测量场地见图 1 中 S 区,对 S 区进行密跨度测量,采用 10 m
14、10 m 的网格进行测点布设,具体操作如下:沿 NS 方向以 10 m 为线距布设测线,得到 6 条测线,在测线上自北向南以 10 m 点距布设测点,即为 S 区内网格交叉点,共得到 102 个测点(17个点 6 条测线),打桩设标,依次编号,如第 2 条测线上第 7 个测点,记为测点 2-7,测量并记录 102 个测点的地磁场总强度 F。将本台固定测点上相对记录仪FHZD-M15组合中的Overhouser磁力仪(自动记录F值)设为日变站,以对场地测量结果进行通化计算,若地磁场总强度 F 的水平梯度通化计算结果 Fb 1 nT/m,则满足地磁观测要求。(1)测量所需设备:G856-297 核
15、旋磁力仪 1 台(人工测量)、Overhouser 磁力仪 1 台(相对记录地下室中自动记录)、量尺 1 个(50 m/100 m 长度,精确度 0.01 m)、计时器 1 个、木桩标记若干。(2)测量具体要求:工作人员 4 人(测量 1 人、记录 1 人、复核 1 人、辅助 1 人,均不能佩戴配饰等磁性物体);确定测量前后测量仪器和计时设备统一为 GPS 自动授时(北京时间),准确到秒;选择地磁静扰日,受到人为干扰的数据需重新测量;G856 探头架设高度为 1.8 m,采样间隔 10 s,每测点读取 3 个数,记数取位到 0.1 nT。2.3 地磁场梯度测量结果(1)地磁场总强度分布特征。通
16、过以上方案,测量地下井体竣工前后 S 区磁场大小,将 6 条测线上 102 个测点的 F 值均值与标题 2.2 中设立的日变站同时段记录值进行通化计算,得到每个测点的地磁总场 F 的通化值,并绘制等值线分布图,其中等值线间距为 1 nT,密集部位主线间距为 10 nT,结果见图 2。图 2 地下井体竣工前后 S 区地磁场通化值等值线Fig.2 Contour map of geomagnetic field normalized values in S area before and after completion of the underground well body王晓睿等:地下井体建
17、设对地磁观测场地的干扰116151413121110987654321716543204020距离/m测线测线距离/m测点测点距离/m040201401201008060160(a)(b)040201401201008060160120F/nTF/nT600-60100500-50-1002020101010106060505050504040505050504040303040400 0接线井接线井接线井接线井葡萄架干扰区葡萄架干扰区葡萄架干扰区葡萄架干扰区办公区干扰区办公区干扰区11615141312111098765432171161514131211109876543217165432
18、1654320402004020距离/m测线测线距离/m测点测点距离/m距离/m040201401201008060160(a)(b)040201401201008060160120F/nTF/nT600-60100500-50-1002020101010106060505050504040505050504040303040400 0接线井接线井接线井接线井葡萄架干扰区葡萄架干扰区葡萄架干扰区葡萄架干扰区办公区干扰区办公区干扰区办公区+地下井干扰区办公区+地下井干扰区NN1161514131211109876543217116151413121110987654321716543216543
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