温度对应城站地磁观测影响分析及对策研究

陈星星,张建涛,王明贵,周超

(1.湖北省地震局,湖北 武汉 430071;2.地震预警湖北省重点实验室,湖北 武汉 430071)

温度是影响地磁观测数据的一项重要因素,不合适的温度会造成数据噪声增大和数据漂移,控制观测室的温度变化是保障数据质量的有效方法[1-2]。为此,相关学者进行了许多有益尝试,比如对仪器加装泡沫箱等,但对于不同建筑结构地磁观测室的保温水平的研究几乎未见报道。应城地震监测站是综合性的电磁观测台站,拥有质子磁力仪观测室、绝对观测室、相对记录室和地埋式观测装置[3]。核旋室和绝对观测室建筑形式相同,相对室和地埋式观测装置分别采用了不同的建筑方法。本文分析了温度对应城站地磁数据的影响,并对各类观测室的温度变化和影响因素进行研究,期望为减小地磁观测室温差以及选择合适的建设方案提供一定参考。

1 温度的影响

1.1 质子磁力仪观测

应城站使用WYY-1三要素气象仪对气温、气压和降水量进行记录。近三年应城站月均温度和FHD-2B质子磁力仪观测D分量噪声变化曲线如图1。

图1 2020～2022年FHD-2B观测D分量噪声和温度变化曲线

图2 FHD-2B D分量噪声和温度相关性分析

从图1、2可以看出,FHD-2B质子磁力仪D分量噪声存在明显的季节变化,与应城站气温成正相关性,相关系数为0.83,噪声水平随气温的升高而同步增大。所以,观测室的高温是影响应城站FHD-2B数据噪声的关键因素之一,因此,迫切需要增强质子磁力仪观测室防晒和散热能力。

1.2 地磁绝对观测

温度变化除了影响地磁数据噪声水平,也会影响绝对观测基线值的稳定性,决定地磁台站最终观测数据的可靠程度[4-5]。应城站Mingo磁通门经纬仪分别与FGM01和GM4磁通门磁力仪组成两套绝对观测组合,从它们2021年水平分量基线的变化曲线可以发现,基线稳定性受相对室温度变化影响非常明显。在20～23 ℃时,基线基本上是一条直线,当温度上升或下降时,两套磁通门磁力仪基线均发生变化,而且变化趋势完全相反(图3)。

图3 Mingo对两套相对记录仪测得的地磁水平分量基线和温度变化

图4 Mingo对两套相对记录仪测得的地磁水平分量基线和温度变化相关性分析

由图3、4可知,磁通门传感器会受到温度的影响,但不同仪器受影响的程度和作用规律存在差异。FGM01 HB基线值与温度成负相关,相关系数为-0.99,GM4HB基线值与温度成正相关,相关系数为0.99。若要提高应城站地磁绝对观测基线稳定性,必须减缓相对室温度变化和降低年温差。

2 温度对比

2.1 质子磁力仪观测室

应城站FHD-2B质子磁力仪观测室墙体采用毛石和白水泥砂浆砌筑,室内地坪以下做墙身防潮层,屋顶采用木屋架结构,屋顶盖蓝色树脂瓦,室内采用石膏吊顶。窗户采用双层中空玻璃平开窗,外门采用保温门外包无磁不锈钢。其室温与应城站环境温度基本相同,在室外温度大幅下降时有一定保温能力,最高温度与室外环境接近,6月以后最高温度已经超过室外(图5)。

图5 FHD-2B观测室和室外温度变化对比

2.2 地磁相对记录室

应城站地磁相对观测室采用铜筋混凝土拱形结构,外墙为铜筋混凝土墙体,门厅采用毛石砌体结构,拱顶以上覆盖2 m无磁性黄土,底部设置0.8 m高的架空层。为了减小观测室温度变化,在通道内部设置了6扇塑钢门。2021～2022年应城站相对室和室外温度变化如图6。

图6 地磁相对观测室和室外温度变化对比

可以看出,相对室的年温差远小于室外温差变化,且升温和降温均滞后于室外。2021至2022年应城站年温差分别为36.3 ℃、33.7 ℃,相对室年温差为10.2 ℃、12 ℃。2021年应城站最大日温差为11.5 ℃,而相对室最大日温差为0.6 ℃(图7)。进一步对比相对室日温差、台站日降雨量和温差变化曲线,发现相对室日温差变化受降雨影响更明显。

图7 相对观测室和室外环境日温差对比

2.3 地埋式观测装置

江苏省地震局张秀霞等设计了地埋式地磁观测装置,具有占地面积小、保温防潮能力强等诸多优点[6]。2023年应城站完成地埋式磁力仪观测装置的建设和仪器安装,筒体高度5 m,施工周期约20天。在完成仪器安装之后,在观测装置仓体内部填充泡沫隔温板和保温棉,顶部用聚乙烯塑料膜和无磁不锈钢定做封盖,上面覆盖厚度约1 m土层,它和相对观测室温度对比如图8。

图8 地埋式观测室与相对室温度和日温差对比

2023年3月24日～8月4日,应城站相对室、地埋式地磁观测装置温度变化幅度分别为 10.5 ℃和6 ℃。相对室有11天温差不小于0.2 ℃,最大温差达到0.4 ℃,而地埋式地磁观测装置仅有一天日温差达到0.2 ℃。由图8可知,每年3至8月时相对观测室温度变化最剧烈的时期,由此可证明应城站地埋式地磁观测装置温度控制能力远优于相对观测室。

3 结 语

本文分析了温度变化对应城站FHD-2B质子磁力仪观测数据和绝对观测基线的影响,并对比了各观测室与室外环境温度变化情况,得到以下结论:

(1)应城站FHD-2B质子磁力仪观测D分量噪声与温度成正相关,相关系数为0.83。相对观测室中,FGM01磁通门磁力仪HB基线与温度成负相关,相关系数为-0.99,GM4磁通门磁力仪HB基线与温度成正相关,相关系数为0.99,表明应城站内质子矢量观测和相对观测均受温度影响严重。

(2)相对记录室年温差和日温差小于质子磁力仪观测室,但距离地磁台站建设规范的要求仍有差距,对基线稳定性的影响较为明显,仍需进一步改善。在应城站三类不同结构的地磁观测室中,地埋式地磁观测装置的保温能力最好、施工简单、造价低、温差小,是一种值得推广的地磁观测室建筑方案。

(3)综上,因为FHD-2B探头体积过大,无法使用地埋式观测室,所以FHD-2B质子矢量观测室一方面可以在现有的基础上进行防高温改造,另一方面可以参考相对观测室建造成半地下式建筑。相对观测室则可以参照地埋式观测室进行改造并加以应用。