馮 武，彭 澎，張榮杉

（宿遷地震臺(tái)，江蘇 宿遷 223809）

0 引言

2014年12月開(kāi)始，宿遷市政府把嶂山林場(chǎng)建設(shè)成國(guó)家級(jí)的森林公園——三臺(tái)山森林公園，而宿遷地震臺(tái)位于嶂山林場(chǎng)內(nèi)，所以觀測(cè)數(shù)據(jù)不可避免地受到干擾。對(duì)宿遷地震臺(tái)地震觀測(cè)造成較大干擾的主要是兩處規(guī)模較大的建筑，一處是三臺(tái)山森林公園辦公樓，另一處是三臺(tái)山森林公園次入口停車(chē)場(chǎng)及其配套的游客服務(wù)中心。大規(guī)模建設(shè)期間，不但有各種建筑材料，還有許許多多施工機(jī)械，使臺(tái)站的各種觀測(cè)手段都受到嚴(yán)重干擾，很多數(shù)據(jù)不可使用，尤以地磁受干擾最為嚴(yán)重。目前，地震臺(tái)附近的建設(shè)工程已結(jié)束，其它觀測(cè)手段受到的影響已很小，但地磁受到的干擾是永久的，公園建設(shè)前后的數(shù)據(jù)已發(fā)生很大變化，存在明顯的差值。

1 宿遷地震臺(tái)概況及地磁觀測(cè)情況

宿遷地震臺(tái)建于1972年，位于宿遷市的北部，國(guó)家級(jí)三臺(tái)山森林公園（原嶂山林場(chǎng)）內(nèi)，距離城區(qū)10公里。宿遷地震臺(tái)處在構(gòu)造地貌發(fā)育，斷層滑動(dòng)速率較大的郯廬斷裂帶中段［1］，此段在郯廬斷裂帶上活動(dòng)最強(qiáng)烈，是第四紀(jì)以來(lái)仍在活動(dòng)的斷裂帶。郯廬斷裂帶五條北北東走向大斷裂分別位于臺(tái)站的東西兩側(cè)：東邊有F1、F5大斷裂，西邊有F2、F3、F4大斷裂，其中F5離臺(tái)站最近，在江蘇境內(nèi)叫新沂—泗洪斷裂，離宿遷地震臺(tái)只有約700m的距離，附近有上白堊統(tǒng)王氏組紅色砂巖出露。臺(tái)站主要監(jiān)測(cè)郯廬斷裂帶特別是F5斷裂的活動(dòng)。

宿遷臺(tái)地磁觀測(cè)始于1981年4月，當(dāng)時(shí)使用CR2-69型刃口式垂直磁力儀進(jìn)行相對(duì)觀測(cè)，使用CZM-2型質(zhì)子旋進(jìn)式磁力儀進(jìn)行絕對(duì)觀測(cè)［2］。2002年6月，ZNC-2型智能質(zhì)子磁力儀替代CZM-2型質(zhì)子旋進(jìn)式磁力儀投入使用。因?yàn)樯鲜鰞x器只觀測(cè)總場(chǎng)F與垂直分量Z，對(duì)地磁場(chǎng)觀測(cè)是不完整的，而要進(jìn)行完整的地磁場(chǎng)觀測(cè)，就必須選擇地磁場(chǎng)7個(gè)要中3個(gè)彼此獨(dú)立的要素進(jìn)行觀測(cè)。為此，2012年對(duì)地磁觀測(cè)房進(jìn)行了改造，2013年底竣工，經(jīng)過(guò)驗(yàn)收，房子符合地磁場(chǎng)觀測(cè)要求，探頭附近磁場(chǎng)梯度小于1nT，2014年1月1日起使用FHD-2B型質(zhì)子磁力儀及配套線圈進(jìn)行觀測(cè)，觀測(cè)的地磁要素是總場(chǎng)F、水平分量H、磁偏角D，垂直分量Z由計(jì)算產(chǎn)生。

宿遷臺(tái)地磁，以前也受到過(guò)施工干擾，我們?cè)治鲞^(guò)［3-4］，但那時(shí)干擾幅度不大，所以數(shù)據(jù)一直比較穩(wěn)定，2014年底三臺(tái)山森林公園建設(shè)前，觀測(cè)到的數(shù)據(jù)都是真實(shí)可靠的。

2 三臺(tái)山森林公園建設(shè)情況及其對(duì)宿遷臺(tái)地磁的干擾因素

嶂山林場(chǎng)，原來(lái)是一片小丘陵，1958年原宿遷縣政府在此植樹(shù)造林，成立嶂山林場(chǎng)。

2014年，宿遷市政府開(kāi)始把嶂山林場(chǎng)打造成國(guó)家4A級(jí)的森林公園。公園占地12.7平方公里，分三個(gè)階段建設(shè)：2014年1月至2015年5月為第一階段，主要是進(jìn)行大規(guī)模的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)；第二階段從2015年6月至2016年5月，主要工作是種植樹(shù)木、花草等植物；第三階段從2016年6月至2017年8月，主要是一些招商引資項(xiàng)目。宿遷地震臺(tái)附近的建設(shè)屬于第一階段的工程，是多種建筑集中的地方，也是公園次入口所在地，多項(xiàng)工程同時(shí)開(kāi)工，有房屋建設(shè)、道路建設(shè)、廣場(chǎng)建設(shè)、橋梁建設(shè)等諸多項(xiàng)目，這個(gè)階段造成的干擾最大，臺(tái)站所有的觀測(cè)手段都受影響，地磁受到的干擾最嚴(yán)重，數(shù)據(jù)已失去了使用價(jià)值。第二、三階段的建設(shè)大多遠(yuǎn)離宿遷地震臺(tái)，雖然也有干擾，但明顯比第一階段小了很多。目前，各種建設(shè)都已完成，建筑設(shè)施中的干擾源都已固化，變成了固定干擾，不過(guò)，地磁觀測(cè)環(huán)境已大不如前，不能完全符合地磁觀測(cè)環(huán)境的技術(shù)要求［5］。

現(xiàn)在主要是建筑中鐵磁性物質(zhì)的干擾。這些包含在建筑物中的干擾源，主要有兩處，一處是森林公園次入口廣場(chǎng)和游客服務(wù)中心大廳里的鋼筋，一處是三臺(tái)山森林公園辦公樓里的鋼筋（圖1）。

圖1 地磁場(chǎng)觀測(cè)的主要干擾源Fig.1 Main interference sources of geomagnetic field observation

游客服務(wù)中心距離磁房只有20 m，雖然只是一層建筑，也只有200 m2左右，但由于使用的鋼筋較多，造成的干擾還是很大的。公園辦公樓是兩層建筑，使用鋼筋數(shù)量更多，其建筑幾何中心距離探頭約40 m。當(dāng)然還有各種小的設(shè)施也有干擾，它們分布在探頭的各個(gè)方向，和上述兩處干擾相比，起次要作用。經(jīng)咨詢建設(shè)指揮部工程負(fù)責(zé)人，臺(tái)站周?chē)鷮?duì)地磁觀測(cè)有影響的鋼筋數(shù)量在1000噸以上。

3 地磁場(chǎng)受干擾情況的分析與計(jì)算

3.1 公園建設(shè)前、后的地磁場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)

森林公園建設(shè)的前期工作從2014年初開(kāi)始，對(duì)宿遷地震臺(tái)地磁產(chǎn)生干擾則是在2014年12月，隨著工作向前推進(jìn)，臺(tái)站附近的建設(shè)越來(lái)越多，干擾也逐漸加大，到了2015年1月中旬，干擾達(dá)到了最大，一直持續(xù)到5月底，到6月初，干擾就很小了。到了2016年底，地震臺(tái)附近的建設(shè)基本結(jié)束，只有偶爾的干擾。到了2017年7月，地震臺(tái)附近的建設(shè)徹底結(jié)束。因此，最嚴(yán)重的干擾出現(xiàn)在2015年一月中旬到2015年五月底，主要的干擾來(lái)自磁房東北方向的公園辦公樓和西北方向的公園次入口廣場(chǎng)及游客中心大廳的建設(shè)。

圖2（a） 是2014年1月1日至2016年12月31日宿遷地震臺(tái)、新沂地震臺(tái)磁偏角D、水平分量H、垂直分量Z、地磁總場(chǎng)F的日均值變化曲線，圖2（b） 是同時(shí)期宿遷地震臺(tái)、新沂地震臺(tái)上述數(shù)據(jù)的差值曲線，從圖中可以清楚地反映宿遷臺(tái)地磁受到的干擾情況，即主要集中在2015年的1月至5月之間，這期間的數(shù)據(jù)不可使用，磁偏角D在2016年1月1日的變化是由于人為調(diào)整儀器參數(shù)造成的，與干擾無(wú)關(guān)。經(jīng)過(guò)對(duì)圖2分析，去除年變，對(duì)比2014年12月以前和2015年5月以后的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)公園改造后，磁偏角D比改造前小了約30′，水平分量H增加了約295 nT，垂直分量Z減小了約185 nT，地磁總場(chǎng)F增加了約40 nT。

圖2 宿遷臺(tái)、新沂臺(tái)地磁變化曲線及二者的差值曲線Fig.2 Magnetic field variation curves of Suqian and Xinyi Seismic Station and the difference curves between them

經(jīng)過(guò)一年多觀察，自大規(guī)模施工結(jié)束以來(lái)，磁場(chǎng)的變化還是符合其長(zhǎng)期變化規(guī)律的，資料可以使用，但質(zhì)量下降。

3.2 對(duì)干擾磁場(chǎng)的分析與計(jì)算

我們選取比較穩(wěn)定，無(wú)干擾時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)，來(lái)定量分析施工對(duì)宿遷臺(tái)地磁的干擾情況，計(jì)算出干擾磁場(chǎng)的數(shù)值。經(jīng)篩選，2015年6月30日的數(shù)據(jù)未受干擾，取這一天數(shù)據(jù)的日均值來(lái)分析。根據(jù)儀器記錄的數(shù)據(jù)計(jì)算，2015年6月30日磁偏角日均值為-33.15′（偏角的記錄是相對(duì)值，宿遷地區(qū)的實(shí)際磁偏角約偏西4°20′，比北京的偏角絕對(duì)值小一點(diǎn)［6］），水平分量日均值為32229 nT，垂直分量日均值為39852 nT，總場(chǎng)日均值為51254 nT［圖3（c）］。按照上述干擾前、后地磁場(chǎng)各要素的變化量，如果沒(méi)有建設(shè)公園的干擾，這些要素應(yīng)該是磁偏角-3.15′，水平分量31934 nT，垂直分量40037 nT，總場(chǎng)51214 nT ［圖 3（a）］。

為便于直觀地理解地磁場(chǎng)在公園建設(shè)前后的變化情況及計(jì)算需要，把公園建設(shè)前［圖3（a）］、 后［圖 3（c）］的地磁場(chǎng)放在同一坐標(biāo)系內(nèi)［圖3（b）］（由于地磁場(chǎng)受干擾前、后的數(shù)據(jù)的差值和數(shù)據(jù)本身相比是很小的，且磁偏角的絕對(duì)值也很小，按實(shí)際比例畫(huà)的圖形有些線條非常接近，幾乎重合，不便于分析，圖3是為了方便分析而畫(huà)的示意圖，與真實(shí)的磁場(chǎng)情況有誤差，但可清楚地說(shuō)明問(wèn)題）。圖3中的O點(diǎn)是磁場(chǎng)的觀測(cè)點(diǎn)，即FHD儀器線圈中探頭的位置，F(xiàn)是地磁總場(chǎng)，Z是垂直分量，H是水平分量，X、Y分別是H在水平面內(nèi)北向、東向的分量，D為磁偏角，I為磁傾角［7］。為了便于區(qū)分，干擾前的地磁要素在字母右下角加下標(biāo)“前”，干擾后的地磁要素在字母右下角加下標(biāo)“后”，每個(gè)長(zhǎng)方體的頂點(diǎn)用一個(gè)大寫(xiě)字母標(biāo)識(shí)。

磁場(chǎng)是矢量，受干擾后的地磁場(chǎng)F后（即現(xiàn)在觀測(cè)到的磁場(chǎng)） 是由干擾磁場(chǎng)（用F擾表示） 和受干擾前的磁場(chǎng)F前疊加而形成的。根據(jù)矢量相加的三角形定則，F(xiàn)前+F擾=F后，在圖3（b）中， F擾也就是矢量 E后E前。 圖 3（b）中，在平面B后B前E前E后內(nèi)從E后點(diǎn)向B前E前邊作垂線，垂足記為Q，則垂線E后Q也在平面M后E后N后G后內(nèi)，是干擾磁場(chǎng)F擾在水平面內(nèi)的分量，即它的水平磁場(chǎng)H擾，E前Q則是干擾磁場(chǎng)的垂直分量Z擾。

圖3 施工前后的地磁場(chǎng)Fig.3 Geomagnetic field before and after construction

在三角形OB后B前中，OB后=H后=32229nT，OB前=H前=31934 nT，∠B后OB前=D后-D前=30′，則根據(jù)余弦定理可算出矢量B后B前的大?。?/p>

而B(niǎo)后B前=E后Q=H擾，是干擾磁場(chǎng)的水平分量。

在直角三角形 E后QE前中，已知兩條直角邊E前Q（Z擾）、 E后Q（H擾）大小， 由勾股定理可計(jì)算出斜邊E后E前（F擾）的大小：

即三臺(tái)山森林公園建設(shè)，在宿遷地震臺(tái)附近所有的干擾物，產(chǎn)生了一個(gè)大小為447nT的干擾磁場(chǎng)，由圖中可知，它的方向是西北向上?？梢赃M(jìn)一步算出干擾磁場(chǎng)的其它要素。

干擾磁場(chǎng)的傾角I擾為：

宿遷地區(qū)地磁場(chǎng)的磁偏角約-4°20′（∠D前），公園建設(shè)后，臺(tái)站觀測(cè)到的磁偏角減小了約30′， 就是向西偏了 30′， 目前的偏角約-4°50′（∠D后），則干擾前、后地磁場(chǎng)的北向分量分別為：

所以干擾磁場(chǎng)的北向分量X擾為：

同樣可以算出它的東向分量Y擾：

干擾磁場(chǎng)的磁偏角D擾為：

這樣，干擾磁場(chǎng)的7個(gè)要素就全部得到了（表1）。

表1 干擾磁場(chǎng)的7個(gè)要素?cái)?shù)據(jù)

3.3 干擾磁場(chǎng)與鐵磁性材料的關(guān)系

建筑物和構(gòu)筑物中的材料大多是有磁性的，對(duì)地磁場(chǎng)的觀測(cè)都會(huì)有一定的影響，但主要的干擾還是磁化率較高的鋼筋等鐵磁性材料產(chǎn)生的靜磁騷擾。

根據(jù)IAGA（國(guó)際地磁和高空物理協(xié)會(huì)）推薦的《地磁測(cè)量和地磁臺(tái)站工作指南》中的理論公式［8］：

可以計(jì)算鐵磁性材料產(chǎn)生干擾的情況。

IAGA推薦的這個(gè)公式，使用時(shí)有三個(gè)假設(shè)前提條件：（1） 假設(shè)鐵磁性材料產(chǎn)生的騷擾磁場(chǎng)是一個(gè)偶極子場(chǎng)。這個(gè)假設(shè)一般在建筑物的尺寸和它與觀測(cè)點(diǎn)探頭的距離相比很小時(shí)才能成立。（2） 假設(shè)天然地磁場(chǎng)、鐵磁性材料的感應(yīng)磁場(chǎng)和剩余磁場(chǎng)全部在同一方向上，地磁觀測(cè)站點(diǎn)在偶極子騷擾場(chǎng)的軸向方向上。（3）假如鐵磁性材料的總磁化強(qiáng)度是感應(yīng)磁化強(qiáng)度的2倍。

第一個(gè)假設(shè)條件在我們討論三臺(tái)山森林公園建設(shè)對(duì)我臺(tái)地磁干擾時(shí)不能完全成立，但我們可以把所有這些建筑假設(shè)成是一個(gè)規(guī)則建筑，且所有的鐵磁性材料質(zhì)量集中在這個(gè)規(guī)則建筑的幾何中心點(diǎn)。

第二個(gè)條件也有偏差：通過(guò)上節(jié)的分析，我們知道干擾磁場(chǎng)和原地磁場(chǎng)不在一個(gè)方向上，它們之間有夾角。不過(guò)，為了滿足第二個(gè)假設(shè)條件，我們可以取干擾磁場(chǎng)在干擾前地磁場(chǎng)方向的分量作為騷擾量計(jì)算。

現(xiàn)在觀測(cè)到的磁場(chǎng)F后是由干擾前的地磁場(chǎng)F前與干擾磁場(chǎng)F擾合成的（圖4）。把矢量F擾平移到F前的下端，與F前的夾角為θ，則F擾與cos（180°-θ）的乘積就是 F擾在F前方向上的分量，就是干擾磁場(chǎng)在干擾前地磁場(chǎng)方向產(chǎn)生的靜磁騷擾量。在圖4中，根據(jù)余弦定理有F2后=F2前+F2擾-2F前F擾cos θ， 則：

即鐵磁性材料在原地磁場(chǎng)總場(chǎng)方面產(chǎn)生的磁騷擾量38nT。

圖4 施工前后的地磁總場(chǎng)與干擾磁場(chǎng)Fig.4 The geomagnetic field and interference magnetic field before and after construction

第三個(gè)假設(shè)條件可以滿足。

現(xiàn)在可以使用IAGA推薦的公式了。此次工程建設(shè)鐵磁性材料的質(zhì)量M以1000噸計(jì)算，即取值1000×103kg，磁化率取值1000，外磁場(chǎng)強(qiáng)度B0，也就是當(dāng)?shù)氐卮趴倛?chǎng)強(qiáng)度F，取值51200 nT，π取3.14，鋼筋的密度d取鐵的密度7.8×103kg/m3，退磁因子N取值0，騷擾磁場(chǎng)ΔB取值38 nT，則：

說(shuō)明這次三臺(tái)山森林公園建設(shè)對(duì)宿遷地震臺(tái)地磁場(chǎng)觀測(cè)產(chǎn)生的靜磁騷擾量，相當(dāng)于把這些建筑中的所有鐵磁性材料都集中在一個(gè)規(guī)則建筑的幾何中心點(diǎn)上產(chǎn)生的干擾，而這個(gè)中心點(diǎn)在原地磁場(chǎng)的總場(chǎng)方向上，距離探頭的距離約382 m。

由于公式要求的假設(shè)條件，不是都能滿足，這樣的計(jì)算結(jié)果不是十分準(zhǔn)確，存在誤差，但還是有參考價(jià)值的。

4 結(jié)語(yǔ)

三臺(tái)山森林公園建設(shè)，對(duì)宿遷臺(tái)地磁觀測(cè)產(chǎn)生巨大影響。大規(guī)模建設(shè)期間，宿遷臺(tái)的地磁數(shù)據(jù)已失去使用價(jià)值。臺(tái)站附近的工程結(jié)束后，所有新建建筑產(chǎn)生的干擾，相當(dāng)于把建筑中1000噸鐵磁性材料放置在原地磁總場(chǎng)方向距離探頭382 m處產(chǎn)生的干擾。這個(gè)干擾磁場(chǎng)總場(chǎng)為447 nT，偏角為-48.1°，傾角為-24.4°。干擾磁場(chǎng)和原地磁場(chǎng)疊加后，導(dǎo)致宿遷臺(tái)FHD儀器觀測(cè)到的數(shù)據(jù)中磁偏角減小了約30′，水平分量增加了約295 nT，垂直分量減小了約185 nT，地磁總場(chǎng)增加了約40 nT。

地震觀測(cè)環(huán)境受到干擾甚至破壞，是普遍存在的問(wèn)題，在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的東部地區(qū)尤其突出，而干擾觀測(cè)環(huán)境的往往是政府的行為，宿遷臺(tái)的情況是這種現(xiàn)象的一個(gè)縮影。在發(fā)展經(jīng)濟(jì)和保護(hù)地震觀測(cè)環(huán)境之間如何協(xié)調(diào)好是政府和地震部門(mén)亟待要解決的問(wèn)題。