溫度對應城站地磁觀測影響分析及對策研究

陳星星,張建濤,王明貴,周超

(1.湖北省地震局,湖北 武漢 430071;2.地震預警湖北省重點實驗室,湖北 武漢 430071)

溫度是影響地磁觀測數據的一項重要因素,不合適的溫度會造成數據噪聲增大和數據漂移,控制觀測室的溫度變化是保障數據質量的有效方法[1-2]。為此,相關學者進行了許多有益嘗試,比如對儀器加裝泡沫箱等,但對于不同建筑結構地磁觀測室的保溫水平的研究幾乎未見報道。應城地震監測站是綜合性的電磁觀測臺站,擁有質子磁力儀觀測室、絕對觀測室、相對記錄室和地埋式觀測裝置[3]。核旋室和絕對觀測室建筑形式相同,相對室和地埋式觀測裝置分別采用了不同的建筑方法。本文分析了溫度對應城站地磁數據的影響,并對各類觀測室的溫度變化和影響因素進行研究,期望為減小地磁觀測室溫差以及選擇合適的建設方案提供一定參考。

1 溫度的影響

1.1 質子磁力儀觀測

應城站使用WYY-1三要素氣象儀對氣溫、氣壓和降水量進行記錄。近三年應城站月均溫度和FHD-2B質子磁力儀觀測D分量噪聲變化曲線如圖1。

圖1 2020～2022年FHD-2B觀測D分量噪聲和溫度變化曲線

圖2 FHD-2B D分量噪聲和溫度相關性分析

從圖1、2可以看出,FHD-2B質子磁力儀D分量噪聲存在明顯的季節變化,與應城站氣溫成正相關性,相關系數為0.83,噪聲水平隨氣溫的升高而同步增大。所以,觀測室的高溫是影響應城站FHD-2B數據噪聲的關鍵因素之一,因此,迫切需要增強質子磁力儀觀測室防曬和散熱能力。

1.2 地磁絕對觀測

溫度變化除了影響地磁數據噪聲水平,也會影響絕對觀測基線值的穩定性,決定地磁臺站最終觀測數據的可靠程度[4-5]。應城站Mingo磁通門經緯儀分別與FGM01和GM4磁通門磁力儀組成兩套絕對觀測組合,從它們2021年水平分量基線的變化曲線可以發現,基線穩定性受相對室溫度變化影響非常明顯。在20～23 ℃時,基線基本上是一條直線,當溫度上升或下降時,兩套磁通門磁力儀基線均發生變化,而且變化趨勢完全相反(圖3)。

圖3 Mingo對兩套相對記錄儀測得的地磁水平分量基線和溫度變化

圖4 Mingo對兩套相對記錄儀測得的地磁水平分量基線和溫度變化相關性分析

由圖3、4可知,磁通門傳感器會受到溫度的影響,但不同儀器受影響的程度和作用規律存在差異。FGM01 HB基線值與溫度成負相關,相關系數為-0.99,GM4HB基線值與溫度成正相關,相關系數為0.99。若要提高應城站地磁絕對觀測基線穩定性,必須減緩相對室溫度變化和降低年溫差。

2 溫度對比

2.1 質子磁力儀觀測室

應城站FHD-2B質子磁力儀觀測室墻體采用毛石和白水泥砂漿砌筑,室內地坪以下做墻身防潮層,屋頂采用木屋架結構,屋頂蓋藍色樹脂瓦,室內采用石膏吊頂。窗戶采用雙層中空玻璃平開窗,外門采用保溫門外包無磁不銹鋼。其室溫與應城站環境溫度基本相同,在室外溫度大幅下降時有一定保溫能力,最高溫度與室外環境接近,6月以后最高溫度已經超過室外(圖5)。

圖5 FHD-2B觀測室和室外溫度變化對比

2.2 地磁相對記錄室

應城站地磁相對觀測室采用銅筋混凝土拱形結構,外墻為銅筋混凝土墻體,門廳采用毛石砌體結構,拱頂以上覆蓋2 m無磁性黃土,底部設置0.8 m高的架空層。為了減小觀測室溫度變化,在通道內部設置了6扇塑鋼門。2021～2022年應城站相對室和室外溫度變化如圖6。

圖6 地磁相對觀測室和室外溫度變化對比

可以看出,相對室的年溫差遠小于室外溫差變化,且升溫和降溫均滯后于室外。2021至2022年應城站年溫差分別為36.3 ℃、33.7 ℃,相對室年溫差為10.2 ℃、12 ℃。2021年應城站最大日溫差為11.5 ℃,而相對室最大日溫差為0.6 ℃(圖7)。進一步對比相對室日溫差、臺站日降雨量和溫差變化曲線,發現相對室日溫差變化受降雨影響更明顯。

圖7 相對觀測室和室外環境日溫差對比

2.3 地埋式觀測裝置

江蘇省地震局張秀霞等設計了地埋式地磁觀測裝置,具有占地面積小、保溫防潮能力強等諸多優點[6]。2023年應城站完成地埋式磁力儀觀測裝置的建設和儀器安裝,筒體高度5 m,施工周期約20天。在完成儀器安裝之后,在觀測裝置倉體內部填充泡沫隔溫板和保溫棉,頂部用聚乙烯塑料膜和無磁不銹鋼定做封蓋,上面覆蓋厚度約1 m土層,它和相對觀測室溫度對比如圖8。

圖8 地埋式觀測室與相對室溫度和日溫差對比

2023年3月24日～8月4日,應城站相對室、地埋式地磁觀測裝置溫度變化幅度分別為 10.5 ℃和6 ℃。相對室有11天溫差不小于0.2 ℃,最大溫差達到0.4 ℃,而地埋式地磁觀測裝置僅有一天日溫差達到0.2 ℃。由圖8可知,每年3至8月時相對觀測室溫度變化最劇烈的時期,由此可證明應城站地埋式地磁觀測裝置溫度控制能力遠優于相對觀測室。

3 結 語

本文分析了溫度變化對應城站FHD-2B質子磁力儀觀測數據和絕對觀測基線的影響,并對比了各觀測室與室外環境溫度變化情況,得到以下結論:

(1)應城站FHD-2B質子磁力儀觀測D分量噪聲與溫度成正相關,相關系數為0.83。相對觀測室中,FGM01磁通門磁力儀HB基線與溫度成負相關,相關系數為-0.99,GM4磁通門磁力儀HB基線與溫度成正相關,相關系數為0.99,表明應城站內質子矢量觀測和相對觀測均受溫度影響嚴重。

(2)相對記錄室年溫差和日溫差小于質子磁力儀觀測室,但距離地磁臺站建設規范的要求仍有差距,對基線穩定性的影響較為明顯,仍需進一步改善。在應城站三類不同結構的地磁觀測室中,地埋式地磁觀測裝置的保溫能力最好、施工簡單、造價低、溫差小,是一種值得推廣的地磁觀測室建筑方案。

(3)綜上,因為FHD-2B探頭體積過大,無法使用地埋式觀測室,所以FHD-2B質子矢量觀測室一方面可以在現有的基礎上進行防高溫改造,另一方面可以參考相對觀測室建造成半地下式建筑。相對觀測室則可以參照地埋式觀測室進行改造并加以應用。