三台山森林公园建设对宿迁台地磁干扰分析

冯 武，彭 澎，张荣杉

（宿迁地震台，江苏 宿迁 223809）

0 引言

2014年12月开始，宿迁市政府把嶂山林场建设成国家级的森林公园——三台山森林公园，而宿迁地震台位于嶂山林场内，所以观测数据不可避免地受到干扰。对宿迁地震台地震观测造成较大干扰的主要是两处规模较大的建筑，一处是三台山森林公园办公楼，另一处是三台山森林公园次入口停车场及其配套的游客服务中心。大规模建设期间，不但有各种建筑材料，还有许许多多施工机械，使台站的各种观测手段都受到严重干扰，很多数据不可使用，尤以地磁受干扰最为严重。目前，地震台附近的建设工程已结束，其它观测手段受到的影响已很小，但地磁受到的干扰是永久的，公园建设前后的数据已发生很大变化，存在明显的差值。

1 宿迁地震台概况及地磁观测情况

宿迁地震台建于1972年，位于宿迁市的北部，国家级三台山森林公园（原嶂山林场）内，距离城区10公里。宿迁地震台处在构造地貌发育，断层滑动速率较大的郯庐断裂带中段［1］，此段在郯庐断裂带上活动最强烈，是第四纪以来仍在活动的断裂带。郯庐断裂带五条北北东走向大断裂分别位于台站的东西两侧：东边有F1、F5大断裂，西边有F2、F3、F4大断裂，其中F5离台站最近，在江苏境内叫新沂—泗洪断裂，离宿迁地震台只有约700m的距离，附近有上白垩统王氏组红色砂岩出露。台站主要监测郯庐断裂带特别是F5断裂的活动。

宿迁台地磁观测始于1981年4月，当时使用CR2-69型刃口式垂直磁力仪进行相对观测，使用CZM-2型质子旋进式磁力仪进行绝对观测［2］。2002年6月，ZNC-2型智能质子磁力仪替代CZM-2型质子旋进式磁力仪投入使用。因为上述仪器只观测总场F与垂直分量Z，对地磁场观测是不完整的，而要进行完整的地磁场观测，就必须选择地磁场7个要中3个彼此独立的要素进行观测。为此，2012年对地磁观测房进行了改造，2013年底竣工，经过验收，房子符合地磁场观测要求，探头附近磁场梯度小于1nT，2014年1月1日起使用FHD-2B型质子磁力仪及配套线圈进行观测，观测的地磁要素是总场F、水平分量H、磁偏角D，垂直分量Z由计算产生。

宿迁台地磁，以前也受到过施工干扰，我们曾分析过［3-4］，但那时干扰幅度不大，所以数据一直比较稳定，2014年底三台山森林公园建设前，观测到的数据都是真实可靠的。

2 三台山森林公园建设情况及其对宿迁台地磁的干扰因素

嶂山林场，原来是一片小丘陵，1958年原宿迁县政府在此植树造林，成立嶂山林场。

2014年，宿迁市政府开始把嶂山林场打造成国家4A级的森林公园。公园占地12.7平方公里，分三个阶段建设：2014年1月至2015年5月为第一阶段，主要是进行大规模的基础设施建设；第二阶段从2015年6月至2016年5月，主要工作是种植树木、花草等植物；第三阶段从2016年6月至2017年8月，主要是一些招商引资项目。宿迁地震台附近的建设属于第一阶段的工程，是多种建筑集中的地方，也是公园次入口所在地，多项工程同时开工，有房屋建设、道路建设、广场建设、桥梁建设等诸多项目，这个阶段造成的干扰最大，台站所有的观测手段都受影响，地磁受到的干扰最严重，数据已失去了使用价值。第二、三阶段的建设大多远离宿迁地震台，虽然也有干扰，但明显比第一阶段小了很多。目前，各种建设都已完成，建筑设施中的干扰源都已固化，变成了固定干扰，不过，地磁观测环境已大不如前，不能完全符合地磁观测环境的技术要求［5］。

现在主要是建筑中铁磁性物质的干扰。这些包含在建筑物中的干扰源，主要有两处，一处是森林公园次入口广场和游客服务中心大厅里的钢筋，一处是三台山森林公园办公楼里的钢筋（图1）。

图1 地磁场观测的主要干扰源Fig.1 Main interference sources of geomagnetic field observation

游客服务中心距离磁房只有20 m，虽然只是一层建筑，也只有200 m2左右，但由于使用的钢筋较多，造成的干扰还是很大的。公园办公楼是两层建筑，使用钢筋数量更多，其建筑几何中心距离探头约40 m。当然还有各种小的设施也有干扰，它们分布在探头的各个方向，和上述两处干扰相比，起次要作用。经咨询建设指挥部工程负责人，台站周围对地磁观测有影响的钢筋数量在1000吨以上。

3 地磁场受干扰情况的分析与计算

3.1 公园建设前、后的地磁场观测数据

森林公园建设的前期工作从2014年初开始，对宿迁地震台地磁产生干扰则是在2014年12月，随着工作向前推进，台站附近的建设越来越多，干扰也逐渐加大，到了2015年1月中旬，干扰达到了最大，一直持续到5月底，到6月初，干扰就很小了。到了2016年底，地震台附近的建设基本结束，只有偶尔的干扰。到了2017年7月，地震台附近的建设彻底结束。因此，最严重的干扰出现在2015年一月中旬到2015年五月底，主要的干扰来自磁房东北方向的公园办公楼和西北方向的公园次入口广场及游客中心大厅的建设。

图2（a） 是2014年1月1日至2016年12月31日宿迁地震台、新沂地震台磁偏角D、水平分量H、垂直分量Z、地磁总场F的日均值变化曲线，图2（b） 是同时期宿迁地震台、新沂地震台上述数据的差值曲线，从图中可以清楚地反映宿迁台地磁受到的干扰情况，即主要集中在2015年的1月至5月之间，这期间的数据不可使用，磁偏角D在2016年1月1日的变化是由于人为调整仪器参数造成的，与干扰无关。经过对图2分析，去除年变，对比2014年12月以前和2015年5月以后的数据，发现公园改造后，磁偏角D比改造前小了约30′，水平分量H增加了约295 nT，垂直分量Z减小了约185 nT，地磁总场F增加了约40 nT。

图2 宿迁台、新沂台地磁变化曲线及二者的差值曲线Fig.2 Magnetic field variation curves of Suqian and Xinyi Seismic Station and the difference curves between them

经过一年多观察，自大规模施工结束以来，磁场的变化还是符合其长期变化规律的，资料可以使用，但质量下降。

3.2 对干扰磁场的分析与计算

我们选取比较稳定，无干扰时间点的数据，来定量分析施工对宿迁台地磁的干扰情况，计算出干扰磁场的数值。经筛选，2015年6月30日的数据未受干扰，取这一天数据的日均值来分析。根据仪器记录的数据计算，2015年6月30日磁偏角日均值为-33.15′（偏角的记录是相对值，宿迁地区的实际磁偏角约偏西4°20′，比北京的偏角绝对值小一点［6］），水平分量日均值为32229 nT，垂直分量日均值为39852 nT，总场日均值为51254 nT［图3（c）］。按照上述干扰前、后地磁场各要素的变化量，如果没有建设公园的干扰，这些要素应该是磁偏角-3.15′，水平分量31934 nT，垂直分量40037 nT，总场51214 nT ［图 3（a）］。

为便于直观地理解地磁场在公园建设前后的变化情况及计算需要，把公园建设前［图3（a）］、 后［图 3（c）］的地磁场放在同一坐标系内［图3（b）］（由于地磁场受干扰前、后的数据的差值和数据本身相比是很小的，且磁偏角的绝对值也很小，按实际比例画的图形有些线条非常接近，几乎重合，不便于分析，图3是为了方便分析而画的示意图，与真实的磁场情况有误差，但可清楚地说明问题）。图3中的O点是磁场的观测点，即FHD仪器线圈中探头的位置，F是地磁总场，Z是垂直分量，H是水平分量，X、Y分别是H在水平面内北向、东向的分量，D为磁偏角，I为磁倾角［7］。为了便于区分，干扰前的地磁要素在字母右下角加下标“前”，干扰后的地磁要素在字母右下角加下标“后”，每个长方体的顶点用一个大写字母标识。

磁场是矢量，受干扰后的地磁场F后（即现在观测到的磁场） 是由干扰磁场（用F扰表示） 和受干扰前的磁场F前叠加而形成的。根据矢量相加的三角形定则，F前+F扰=F后，在图3（b）中， F扰也就是矢量 E后E前。 图 3（b）中，在平面B后B前E前E后内从E后点向B前E前边作垂线，垂足记为Q，则垂线E后Q也在平面M后E后N后G后内，是干扰磁场F扰在水平面内的分量，即它的水平磁场H扰，E前Q则是干扰磁场的垂直分量Z扰。

图3 施工前后的地磁场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′，则根据余弦定理可算出矢量B后B前的大小：

而B后B前=E后Q=H扰，是干扰磁场的水平分量。

在直角三角形 E后QE前中，已知两条直角边E前Q（Z扰）、 E后Q（H扰）大小， 由勾股定理可计算出斜边E后E前（F扰）的大小：

即三台山森林公园建设，在宿迁地震台附近所有的干扰物，产生了一个大小为447nT的干扰磁场，由图中可知，它的方向是西北向上。可以进一步算出干扰磁场的其它要素。

干扰磁场的倾角I扰为：

宿迁地区地磁场的磁偏角约-4°20′（∠D前），公园建设后，台站观测到的磁偏角减小了约30′， 就是向西偏了 30′， 目前的偏角约-4°50′（∠D后），则干扰前、后地磁场的北向分量分别为：

所以干扰磁场的北向分量X扰为：

同样可以算出它的东向分量Y扰：

干扰磁场的磁偏角D扰为：

这样，干扰磁场的7个要素就全部得到了（表1）。

表1 干扰磁场的7个要素数据

3.3 干扰磁场与铁磁性材料的关系

建筑物和构筑物中的材料大多是有磁性的，对地磁场的观测都会有一定的影响，但主要的干扰还是磁化率较高的钢筋等铁磁性材料产生的静磁骚扰。

根据IAGA（国际地磁和高空物理协会）推荐的《地磁测量和地磁台站工作指南》中的理论公式［8］：

可以计算铁磁性材料产生干扰的情况。

IAGA推荐的这个公式，使用时有三个假设前提条件：（1） 假设铁磁性材料产生的骚扰磁场是一个偶极子场。这个假设一般在建筑物的尺寸和它与观测点探头的距离相比很小时才能成立。（2） 假设天然地磁场、铁磁性材料的感应磁场和剩余磁场全部在同一方向上，地磁观测站点在偶极子骚扰场的轴向方向上。（3）假如铁磁性材料的总磁化强度是感应磁化强度的2倍。

第一个假设条件在我们讨论三台山森林公园建设对我台地磁干扰时不能完全成立，但我们可以把所有这些建筑假设成是一个规则建筑，且所有的铁磁性材料质量集中在这个规则建筑的几何中心点。

第二个条件也有偏差：通过上节的分析，我们知道干扰磁场和原地磁场不在一个方向上，它们之间有夹角。不过，为了满足第二个假设条件，我们可以取干扰磁场在干扰前地磁场方向的分量作为骚扰量计算。

现在观测到的磁场F后是由干扰前的地磁场F前与干扰磁场F扰合成的（图4）。把矢量F扰平移到F前的下端，与F前的夹角为θ，则F扰与cos（180°-θ）的乘积就是 F扰在F前方向上的分量，就是干扰磁场在干扰前地磁场方向产生的静磁骚扰量。在图4中，根据余弦定理有F2后=F2前+F2扰-2F前F扰cos θ， 则：

即铁磁性材料在原地磁场总场方面产生的磁骚扰量38nT。

图4 施工前后的地磁总场与干扰磁场Fig.4 The geomagnetic field and interference magnetic field before and after construction

第三个假设条件可以满足。

现在可以使用IAGA推荐的公式了。此次工程建设铁磁性材料的质量M以1000吨计算，即取值1000×103kg，磁化率取值1000，外磁场强度B0，也就是当地地磁总场强度F，取值51200 nT，π取3.14，钢筋的密度d取铁的密度7.8×103kg/m3，退磁因子N取值0，骚扰磁场ΔB取值38 nT，则：

说明这次三台山森林公园建设对宿迁地震台地磁场观测产生的静磁骚扰量，相当于把这些建筑中的所有铁磁性材料都集中在一个规则建筑的几何中心点上产生的干扰，而这个中心点在原地磁场的总场方向上，距离探头的距离约382 m。

由于公式要求的假设条件，不是都能满足，这样的计算结果不是十分准确，存在误差，但还是有参考价值的。

4 结语

三台山森林公园建设，对宿迁台地磁观测产生巨大影响。大规模建设期间，宿迁台的地磁数据已失去使用价值。台站附近的工程结束后，所有新建建筑产生的干扰，相当于把建筑中1000吨铁磁性材料放置在原地磁总场方向距离探头382 m处产生的干扰。这个干扰磁场总场为447 nT，偏角为-48.1°，倾角为-24.4°。干扰磁场和原地磁场叠加后，导致宿迁台FHD仪器观测到的数据中磁偏角减小了约30′，水平分量增加了约295 nT，垂直分量减小了约185 nT，地磁总场增加了约40 nT。

地震观测环境受到干扰甚至破坏，是普遍存在的问题，在经济发达的东部地区尤其突出，而干扰观测环境的往往是政府的行为，宿迁台的情况是这种现象的一个缩影。在发展经济和保护地震观测环境之间如何协调好是政府和地震部门亟待要解决的问题。