康 健，孫嘉良，張明東，胡培元，龔永儉，陳志剛

（天津市地震局, 天津 300201）

0 引言

根據(jù)場(chǎng)源的不同，地磁場(chǎng)可以分為內(nèi)源場(chǎng)和外源場(chǎng)。內(nèi)源場(chǎng)起源于地表以下的磁性物質(zhì)和電流，可進(jìn)一步分為地核場(chǎng)（又稱為主磁場(chǎng)）、地殼場(chǎng)（由地殼、上地幔產(chǎn)生）和感應(yīng)場(chǎng)；外源場(chǎng)起源于地表以上的空間電流體系，主要分布在電離層和磁層中，又叫做變化的磁場(chǎng)[1]。將地磁觀測(cè)資料應(yīng)用于地震預(yù)測(cè)，不論是理論研究，還是震例研究，均取得了豐碩的成果，相關(guān)成果揭示了震前地磁變化的規(guī)律以及地磁觀測(cè)資料應(yīng)用于地震預(yù)測(cè)的美好前景[2-7]。在震磁效應(yīng)的研究中，通常將無(wú)地震時(shí)的地磁場(chǎng)稱為震磁背景場(chǎng)，其變化稱為正常變化；將有地震信息疊加時(shí)的地磁場(chǎng)稱為前兆異常場(chǎng)，其變化稱為異常變化[8]。震磁背景場(chǎng)理論上僅指地磁場(chǎng)本身的變化，不包括各種干擾的疊加，而地磁觀測(cè)作為一種實(shí)踐活動(dòng)，難免會(huì)受到各類干擾，特別是一些鐵磁性物質(zhì)干擾以及游散電流的干擾。這些干擾往往與地磁場(chǎng)的內(nèi)源場(chǎng)疊加在一起，而地磁的震磁效應(yīng)也主要源于地下介質(zhì)受應(yīng)力變化產(chǎn)生的地磁內(nèi)源場(chǎng)的變化，干擾的出現(xiàn)勢(shì)必影響到地磁震前異常變化的識(shí)別。

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，各種基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)以及工廠數(shù)量增多，地磁觀測(cè)面臨的干擾形勢(shì)越發(fā)嚴(yán)峻。高壓直流輸電、地鐵輕軌運(yùn)營(yíng)、工廠設(shè)備漏電以及鐵磁性物質(zhì)堆放和運(yùn)移等干擾已經(jīng)十分常見(jiàn)。研究人員已經(jīng)開(kāi)展了各類干擾源對(duì)地磁觀測(cè)影響的研究，例如：高壓直流輸電干擾、地鐵輕軌運(yùn)營(yíng)干擾，工廠設(shè)備漏電干擾等，在干擾方式、幅度與方位等相關(guān)研究成果豐富[9-13]。但鐵磁性物質(zhì)對(duì)地磁觀測(cè)的影響，特別是干擾的定量化問(wèn)題，目前的研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。而且鐵磁性物質(zhì)對(duì)地磁觀測(cè)的影響在實(shí)踐中往往非常復(fù)雜，鐵磁性物質(zhì)結(jié)構(gòu)迥異，規(guī)模不同，其感應(yīng)場(chǎng)的分布范圍也不同，對(duì)地磁觀測(cè)造成較大動(dòng)態(tài)和靜態(tài)干擾，亟需深入研究和探索[14-15]。干擾磁場(chǎng)成份疊加，須將其及時(shí)準(zhǔn)確識(shí)別出來(lái)，進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)處理，才能將地磁場(chǎng)觀測(cè)資料準(zhǔn)確應(yīng)用于科學(xué)研究。

準(zhǔn)確識(shí)別各類鐵磁性物質(zhì)的干擾，需要對(duì)其影響進(jìn)行實(shí)踐研究。天津區(qū)域臺(tái)網(wǎng)有靜海臺(tái)等6個(gè)地磁觀測(cè)臺(tái)站，均不同程度受到過(guò)鐵磁性物質(zhì)的干擾。對(duì)于上述干擾，以前的分析主要是定性的，對(duì)定量化研究嚴(yán)重不足。為此，筆者設(shè)計(jì)了2套野外測(cè)試方案，使用G856T質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀對(duì)不同質(zhì)量鐵磁性物質(zhì)選定點(diǎn)位逐一測(cè)量，使用GM4磁通門(mén)磁力儀對(duì)相同質(zhì)量鐵磁性物質(zhì)在野外不同方向各點(diǎn)位測(cè)量其對(duì)地磁場(chǎng)D、H和Z的干擾方式，并結(jié)合天津區(qū)域地磁臺(tái)站近年來(lái)受鐵磁性物質(zhì)干擾的典型實(shí)例，開(kāi)展了鐵磁性物質(zhì)對(duì)地磁觀測(cè)影響的定量化分析研究。

1 天津區(qū)域地磁臺(tái)站受鐵磁性物質(zhì)影響的現(xiàn)狀

天津地區(qū)共有6個(gè)地磁觀測(cè)臺(tái)站，其中靜海臺(tái)為國(guó)家基準(zhǔn)臺(tái)，寶坻臺(tái)、徐莊子臺(tái)、寧河臺(tái)、青光臺(tái)、塘沽臺(tái)為區(qū)域臺(tái)。近年來(lái)在地磁觀測(cè)中，臺(tái)站經(jīng)常有受鐵磁性物質(zhì)干擾的狀況（圖1）。比如，靜海臺(tái)每年多次受到院外車(chē)輛停放、經(jīng)過(guò)或施工影響；寶坻臺(tái)因?yàn)槭┕ぴ斐蓴?shù)據(jù)錯(cuò)誤，無(wú)法正常使用；寧河臺(tái)時(shí)常受東南方向廢品收購(gòu)站廢鐵堆積和車(chē)輛停放的干擾；徐莊子臺(tái)每年農(nóng)忙時(shí)農(nóng)機(jī)機(jī)械收種莊稼造成數(shù)據(jù)出現(xiàn)干擾；青光臺(tái)因?yàn)樾盘?hào)鐵塔建到靠近磁房圍墻外，造成核旋數(shù)據(jù)無(wú)法正常觀測(cè)，最終通過(guò)協(xié)商才得以解決；塘沽臺(tái)也偶爾受到車(chē)輛停放影響；因青光臺(tái)和塘沽臺(tái)都是地磁核旋觀測(cè)，原始數(shù)據(jù)已處理，未展示受干擾圖件。

圖1 天津地磁臺(tái)站受鐵磁性物質(zhì)影響的日變曲線

因?yàn)殍F磁性物質(zhì)的干擾有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)之分，造成數(shù)據(jù)出現(xiàn)臺(tái)階、緩變及錯(cuò)誤數(shù)據(jù)等，且干擾形態(tài)和高壓直流干擾、漏電干擾有相似之處，有時(shí)難以及時(shí)準(zhǔn)確區(qū)分和判別，對(duì)數(shù)據(jù)的預(yù)處理造成錯(cuò)誤。

2 3種不同質(zhì)量的鐵磁性物質(zhì)對(duì)地磁觀測(cè)影響的野外測(cè)試

鐵磁性物質(zhì)具有2種磁性：剩余磁化強(qiáng)度MR和感應(yīng)磁性M1。剩余磁化強(qiáng)度是物質(zhì)從居里點(diǎn)以上的溫度逐漸冷卻下來(lái)的過(guò)程中形成的，其所產(chǎn)生的影響是固定的；而感應(yīng)磁化強(qiáng)度是與當(dāng)?shù)氐拇艌?chǎng)有關(guān)，其大小與地磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比，方向與地磁場(chǎng)矢量方向相同。不過(guò)目前還無(wú)法將這2種影響分開(kāi)，所以只能將它們作為一個(gè)整體來(lái)分析[16]。

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)量與地磁臺(tái)站工作指南》中給出的理論公式[16]：

式中：ΔB為鐵磁性物體產(chǎn)生的干擾磁場(chǎng)強(qiáng)度，單位為納特（nT）；M為鐵磁性物體的質(zhì)量，單位為千克（kg）；k為鐵磁性物體的磁化率，無(wú)量綱；B0為外磁場(chǎng)強(qiáng)度，即當(dāng)?shù)氐卮趴倧?qiáng)度F，單位為納特（nT）；d為鐵磁性物體的密度，單位為千克每立方米（kg/m3）；s為鐵磁性物體幾何中心與地磁觀測(cè)點(diǎn)間的距離，單位為米（m）；N為鐵磁性物體的退磁因子，無(wú)量綱。

式（1）做了3項(xiàng)簡(jiǎn)化假設(shè)：

1）假設(shè)鐵磁性材料產(chǎn)生的磁場(chǎng)是一偶極子場(chǎng)；

2）假設(shè)天然磁場(chǎng)、鐵磁性材料的感應(yīng)磁場(chǎng)和剩余磁場(chǎng)全部在同一個(gè)方向上，地磁測(cè)量點(diǎn)在偶極子騷擾場(chǎng)的軸向方向上；

3）假設(shè)鐵磁性材料的總磁化強(qiáng)度是感應(yīng)磁化強(qiáng)度的2倍。

其中：第一項(xiàng)假設(shè)只有在鐵磁性材料的尺度比鐵磁性材料和觀測(cè)者之間的距離小許多時(shí)，這一假設(shè)才成立。根據(jù)一般情況，對(duì)鐵磁性材料的磁化率k暫取1 000（磁化率為剩余磁化強(qiáng)度對(duì)感應(yīng)磁化強(qiáng)度的比值，對(duì)特殊制造的合金，剩余磁化強(qiáng)度可能比感應(yīng)磁化強(qiáng)度高3個(gè)量級(jí)），退磁因子N取值0，鋼材的密度d取鐵的密度即7.8×103kg/m3，外磁場(chǎng)強(qiáng)度B0取54 100 nT，π取3.14，即可推導(dǎo)出不同質(zhì)量、不同距離鐵磁性物質(zhì)的干擾幅度。

野外試驗(yàn)分別選取了100 kg、200 kg、300 kg的鐵磁性物質(zhì)，放置鐵磁性物質(zhì)距離觀測(cè)點(diǎn)位的距離分別為10 m、20 m、30 m，使用質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀G856T進(jìn)行逐一測(cè)量。然后對(duì)總強(qiáng)度F做日變修正處理，經(jīng)過(guò)對(duì)理論計(jì)算和實(shí)際測(cè)量后的干擾幅值對(duì)比，發(fā)現(xiàn)野外測(cè)試的結(jié)果與理論計(jì)算基本接近（表1）。

表1 鐵磁性物質(zhì)對(duì)地磁數(shù)據(jù)觀測(cè)的理論值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

通過(guò)計(jì)算和實(shí)際測(cè)量，鐵磁性物質(zhì)對(duì)地磁數(shù)據(jù)的干擾幅度和理論計(jì)算值基本接近。理論計(jì)算值相比實(shí)測(cè)值略大，這可能與試驗(yàn)場(chǎng)地和鐵磁性物質(zhì)的材料、形狀、體積等有一定的關(guān)系。

3 鐵磁性物質(zhì)對(duì)地磁觀測(cè)影響的大距離野外試驗(yàn)

3.1 網(wǎng)格線方式放置鐵磁性物質(zhì)對(duì)干擾幅度影響的野外試驗(yàn)

本次試驗(yàn)在野外選取了一塊約14萬(wàn)平方米的空曠區(qū)域，在該區(qū)域中心采用網(wǎng)格狀多點(diǎn)位測(cè)量方式布局。其中，東西向和南北向長(zhǎng)度各選100 m，測(cè)量點(diǎn)在網(wǎng)格線的交點(diǎn)上，相鄰點(diǎn)位距離5 m，鐵磁性物質(zhì)放置于所選區(qū)域的中心，然后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地測(cè)量。試驗(yàn)前，采用G856T質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀在已選各點(diǎn)位測(cè)量未受鐵磁性物質(zhì)干擾的磁場(chǎng)值，測(cè)量時(shí)將觀測(cè)值總強(qiáng)度（F）和測(cè)量時(shí)間同時(shí)記錄，然后通過(guò)和靜海臺(tái)M15地磁場(chǎng)組合觀測(cè)系統(tǒng)中的總強(qiáng)度（F）做差值，對(duì)各點(diǎn)位觀測(cè)數(shù)據(jù)做日變修正處理并繪制等值線圖。

干擾幅度測(cè)量階段，在中心點(diǎn)逐一放置3 t、5 t、7 t的鐵磁性砝碼，然后進(jìn)行測(cè)量。將放置鐵磁性砝碼和未放置鐵磁性物質(zhì)的修正數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)相同點(diǎn)位做差值，即可得出不同質(zhì)量的鐵磁性物質(zhì)對(duì)各點(diǎn)位觀測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)生的干擾幅值。對(duì)干擾幅值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和研究，繪制等值線圖（圖2）。

圖2 干擾幅度試驗(yàn)測(cè)量圖

對(duì)以上觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，空?qǐng)龅氐拇艌?chǎng)梯度分布均勻，等值線密度基本相同。放入3 t重鐵磁性物質(zhì)后，靠近鐵磁性物質(zhì)的磁場(chǎng)梯度變大，等值線變密；遠(yuǎn)離鐵磁性物質(zhì)，磁場(chǎng)梯度逐漸變小，等值線逐漸恢復(fù)均勻。放入5 t、7 t鐵磁性物質(zhì)后，磁場(chǎng)梯度和等值線密度與放入3 t鐵磁性物質(zhì)基本相同，所不同的是鐵磁性物質(zhì)越重，靠近鐵磁性物質(zhì)的磁場(chǎng)梯度越大，等值線越密；恢復(fù)均勻后，距離鐵磁性物質(zhì)的距離越遠(yuǎn)（圖3）。

圖3 空?qǐng)龅丶? t、5 t、7 t鐵磁性物質(zhì)對(duì)地磁數(shù)據(jù)干擾幅度等值線圖

通過(guò)對(duì)以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，鐵磁性物質(zhì)的干擾幅度和理論計(jì)算值有出入，理論值大于實(shí)測(cè)值，這和試驗(yàn)場(chǎng)地和鐵磁性物質(zhì)的材料、形狀、體積有一定的關(guān)系。鐵磁性物質(zhì)對(duì)地磁數(shù)據(jù)觀測(cè)的理論值在本文第2部分運(yùn)用公式（1）已計(jì)算過(guò)（表1）。因計(jì)算方法相同，本次試驗(yàn)未再列出理論計(jì)算結(jié)果。

3.2 十字正交線放置鐵磁性物質(zhì)的野外試驗(yàn)方法研究方位判別

本次試驗(yàn)在地磁臺(tái)站院內(nèi)選取正交的十字線，其中一條線指向地理北。各點(diǎn)位以中心點(diǎn)O為原點(diǎn)，按照10 m、20 m、30 m間隔進(jìn)行選取，在中心點(diǎn)架設(shè)磁通門(mén)磁力儀GM4（圖4）。

圖4 干擾方位判別測(cè)量點(diǎn)位布設(shè)示意圖

干擾方位測(cè)量階段，先架設(shè)磁通門(mén)磁力儀GM4進(jìn)行正常背景值觀測(cè)，在已選各點(diǎn)位逐一放入0.7 t重鐵磁性物質(zhì)，每次放置鐵磁性物質(zhì)時(shí)間大約6 min；然后將鐵磁性物質(zhì)轉(zhuǎn)移至無(wú)干擾距離，使儀器正常觀測(cè)6 min；最后再將鐵磁性物質(zhì)放入下一點(diǎn)位6 min。按照此步驟交替進(jìn)行，測(cè)得對(duì)東西水平分量D、南北水平分量H、垂直分量Z的干擾幅度及形態(tài)，做鐵磁性物質(zhì)方位判別（圖5）。

圖5 干擾源方位判別試驗(yàn)測(cè)量圖

三軸磁通門(mén)磁力儀觀測(cè)分量分別為地磁場(chǎng)D、H、Z，其中：D指向磁東，H指向磁北，Z指向地心。本次試驗(yàn)通過(guò)將鐵磁性物質(zhì)放置在不同的地理方位上來(lái)測(cè)試對(duì)觀測(cè)儀器的影響（圖6），具體影響結(jié)果有4個(gè)方面。

圖6 干擾源方位判別試驗(yàn)數(shù)據(jù)圖

1）在探頭正南方向放置鐵磁性物質(zhì)時(shí)，鐵磁性物質(zhì)對(duì)磁偏角D干擾幅度很小，10 m以外幾乎無(wú)影響；對(duì)水平分量H干擾幅度較大，對(duì)垂直分量Z干擾幅度次之，超過(guò)30 m對(duì)Z分量幾乎無(wú)影響；對(duì)H分量和Z分量干擾方向相反。

2）在探頭正北方向放置鐵磁性物質(zhì)時(shí)，鐵磁性物質(zhì)對(duì)磁偏角D干擾幅度明顯，30 m以內(nèi)能看出明顯的臺(tái)階；對(duì)水平分量H和垂直分量Z干擾幅度相當(dāng)且在該方向相比于其他方向干擾幅度最大，30 m以內(nèi)能看出明顯的臺(tái)階；對(duì)D分量和Z分量干擾方向相同，與H分量干擾方向相反。

3）在探頭正東方向放置鐵磁性物質(zhì)時(shí)，鐵磁性物質(zhì)對(duì)磁偏角D、水平分量H、垂直分量Z干擾幅度相當(dāng)，30 m以內(nèi)能看出明顯的臺(tái)階；對(duì)D分量和H分量干擾方向相同，與Z分量干擾方向相反。

4）在探頭正西方向放置鐵磁性物質(zhì)時(shí)，鐵磁性物質(zhì)對(duì)磁偏角D干擾幅度明顯，30 m以內(nèi)能看出明顯的臺(tái)階；對(duì)水平分量H干擾幅度較小，10 m以外幾乎無(wú)影響；對(duì)垂直分量Z干擾幅度適中，30 m以外幾乎無(wú)影響；對(duì)H分量和Z分量干擾方向相同，與D分量干擾方向相反。

通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)分析，能夠確定受鐵磁性物質(zhì)干擾的觀測(cè)數(shù)據(jù)其干擾幅度、干擾形態(tài)與探頭和鐵磁性物質(zhì)放置的方位有關(guān)。而地磁臺(tái)站使用的磁通門(mén)磁力儀測(cè)量原理幾乎相同，所以本次試驗(yàn)結(jié)果能夠適用于地磁臺(tái)站作為鐵磁性物質(zhì)方位判別的重要依據(jù)。

3.3 天津區(qū)域地磁觀測(cè)受鐵磁性物質(zhì)干擾的實(shí)例與野外試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析

統(tǒng)計(jì)天津區(qū)域典型受鐵磁性物質(zhì)干擾的觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，大部分?jǐn)?shù)據(jù)干擾形態(tài)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合，和試驗(yàn)數(shù)據(jù)不是特別吻合的可能和鐵磁性物質(zhì)的方位、材料、體積、形狀等有一定的關(guān)系（圖7～8）。

圖7 靜海臺(tái)典型受鐵磁性物質(zhì)干擾圖

圖8 寧河臺(tái)典型受鐵磁性物質(zhì)干擾圖

該干擾是靜海臺(tái)西圍墻外面挖掘機(jī)挖土施工作業(yè)，造成數(shù)據(jù)出現(xiàn)臺(tái)階。施工地點(diǎn)正好在觀測(cè)室正西方向，距離臺(tái)站地磁觀測(cè)室大約120 m，挖掘機(jī)重大約10 t。施工對(duì)地磁場(chǎng)D、H和Z的干擾幅度分別為4.9 nT、1.8 nT和0.13′；干擾方向H和Z相同，都是臺(tái)階向下，與D的干擾方向相反；數(shù)據(jù)干擾幅度、形態(tài)與試驗(yàn)測(cè)得相吻合。

該干擾是寧河臺(tái)東南方向停放運(yùn)送暖氣片拉貨車(chē)輛影響，造成地磁水平分量H數(shù)據(jù)出現(xiàn)臺(tái)階。車(chē)輛停放地點(diǎn)距離觀測(cè)室大約200 m，車(chē)和暖氣片總重預(yù)估大約20 t。其對(duì)地磁場(chǎng)H干擾幅度為2.8 nT，干擾方向向上；對(duì)地磁場(chǎng)D、Z幾乎無(wú)影響；數(shù)據(jù)干擾形態(tài)和試驗(yàn)基本吻合。

4 結(jié)論及建議

通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分，得出以下結(jié)論。

1）野外試驗(yàn)中，鐵磁性物質(zhì)對(duì)地磁數(shù)據(jù)的干擾幅度與理論計(jì)算值基本接近，實(shí)驗(yàn)的結(jié)果略小于理論計(jì)算值。主要原因是受到試驗(yàn)場(chǎng)地地下介質(zhì)鐵磁性的影響，因此不同場(chǎng)地也會(huì)有不同的偏差程度和規(guī)律。另外，鐵磁性物質(zhì)的材料、形狀和體積，也可能與上述偏差有一定的關(guān)聯(lián)。

2）鐵磁性物質(zhì)輕重程度不同，對(duì)地磁觀測(cè)影響的地域范圍有差別。鐵磁性物質(zhì)越重，對(duì)地磁數(shù)據(jù)的影響地域范圍越廣?？拷F磁性物質(zhì)的磁場(chǎng)梯度變大，等值線變密，遠(yuǎn)離鐵磁性物質(zhì)后，磁場(chǎng)梯度逐漸變小，等值線變疏。鐵磁性物質(zhì)與對(duì)地磁觀測(cè)的干擾量成正相關(guān)的關(guān)系。

3）鐵磁性物質(zhì)對(duì)磁偏角D、水平分量H、垂直分量Z的干擾幅度及形態(tài)，在同一場(chǎng)地、不同方向有一定的規(guī)律，這種規(guī)律可作為判定鐵磁性物質(zhì)方位的依據(jù)。

在今后的工作中還可以開(kāi)展對(duì)不同質(zhì)量、不同材料、不同體積及不同形狀的鐵磁性物質(zhì)在不同方位進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量，更加全面地掌握和了解不同鐵磁性物質(zhì)對(duì)地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)的影響規(guī)律，為尋找鐵磁性干擾源以及為地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)處理、地磁臺(tái)站改造與建設(shè)提供依據(jù)。