淮南深地地磁總場(chǎng)連續(xù)觀測(cè)與時(shí)變特征

郭良輝,王博,宋曉林,王赟*,金承奕,姚碩1,,史鈺峰

1 陸內(nèi)火山與地震教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國地質(zhì)大學(xué),北京),北京 100083 2 中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球物理與信息技術(shù)學(xué)院,北京 100083 3 地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國地質(zhì)大學(xué)),北京 100083 4 山東航天電子技術(shù)研究所,山東煙臺(tái) 264000

0 引言

地磁場(chǎng)的時(shí)空分布蘊(yùn)含了地球主磁場(chǎng)、外部變化磁場(chǎng)和巖石圈磁場(chǎng)的豐富信息,是研究地磁場(chǎng)起源、板塊運(yùn)動(dòng)、區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、地震孕育發(fā)生機(jī)理以及進(jìn)行資源能源勘查、導(dǎo)航應(yīng)用等的基本物理場(chǎng).其中,地磁場(chǎng)的時(shí)間變化(以下簡(jiǎn)稱時(shí)變)主要來源于地球外部,由平靜變化和擾動(dòng)變化組成:前者包含太陽靜日變化和太陰日變化,幅度為數(shù)nT到數(shù)十nT;后者包含磁暴和地磁脈沖等,幅度為數(shù)十nT到上千nT.與空間變化相比而言,地磁場(chǎng)的時(shí)變通常相對(duì)弱,需要在低本底的電磁擾動(dòng)環(huán)境中進(jìn)行高精度、長(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè)得以揭示(Marfaing et al.,2009).

傳統(tǒng)地磁場(chǎng)長(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè)主要在地表固定地磁臺(tái)站或日變站進(jìn)行.但隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展,地表的地磁環(huán)境急劇惡化,地磁場(chǎng)時(shí)變觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量和可靠性下降,嚴(yán)重影響了相關(guān)地球科學(xué)研究和災(zāi)害監(jiān)測(cè).相對(duì)于地表,深部地下(以下簡(jiǎn)稱深地)環(huán)境具有電磁干擾小的“超凈”地磁場(chǎng)觀測(cè)優(yōu)勢(shì)(王赟等,2023).事實(shí)上,利用地下實(shí)驗(yàn)室開展多物理場(chǎng)的觀測(cè)與研究早在20世紀(jì)50年代就已開始,并于20世紀(jì)90年代在美國、法國、德國、日本等發(fā)達(dá)國家得到迅速發(fā)展.例如,美國SAFOD(San Andreas Fault Observatory at Depth)圣安德列斯斷層深井觀測(cè)站(Chavarria et al.,2003)、法國LSBB(Labortoire Souterrain a Bas Bruit)低噪聲洞穴實(shí)驗(yàn)室(Waysand et al.,2009)、德國KTB(Kontinentales Tiefborh programm der Bundesrepublik Deutschland)超深井觀測(cè)站(王祝文等,1999)、日本屏夙山深井地球物理綜合觀測(cè)站(Yamauchi et al.,2005)等利用鉆孔、礦井空腔或山體中隧道進(jìn)行了多物理場(chǎng)的觀測(cè)研究,包括地震和地磁等觀測(cè),證實(shí)了深部地下環(huán)境具有非常低的背景噪聲水平(Waysand et al.,2009;Rosat et al.,2018).尤其是法國LSBB實(shí)驗(yàn)室的SQUID超導(dǎo)磁力儀清晰觀測(cè)到舒曼諧振現(xiàn)象,并觀測(cè)到由地震波傳播引發(fā)的地下水流變化所產(chǎn)生的電磁信號(hào)(Gaffet et al.,2003; Henry et al.,2016).我國在深地地磁觀測(cè)領(lǐng)域發(fā)展較晚,2011年在江蘇東海科學(xué)深鉆建成國內(nèi)首個(gè)深井地球物理長(zhǎng)期觀測(cè)站,但以地震觀測(cè)為主,目前未見有地磁觀測(cè)成果報(bào)道(徐紀(jì)人和趙志新,2009).我國地震局系統(tǒng)自2010年以來陸續(xù)建設(shè)了廣東陽江臺(tái)、上海崇明臺(tái)和浦東臺(tái)等多個(gè)淺井地磁觀測(cè)臺(tái)站,觀測(cè)結(jié)果表明井下地磁觀測(cè)過濾了地表面的工業(yè)和人類活動(dòng)等電磁干擾,信噪比有所提升;但井下地磁觀測(cè)同時(shí)受到圍巖一定程度的感應(yīng)磁場(chǎng)影響(李偉等,2013;龔耀等,2016;陳幸蓮等,2017).限于鉆孔井眼空間狹小、溫壓和井中流體條件惡劣、配套高精度儀器缺乏等因素,我國深井高精度地磁連續(xù)觀測(cè)基本處于空白階段.即使對(duì)于可進(jìn)入性較好的深地空腔,由于深地環(huán)境的維護(hù)成本較高,亦零星表現(xiàn)為山洞和隧道、防空洞的小規(guī)模觀測(cè)試驗(yàn)(Li et al.,2018).因此,我國深地地磁觀測(cè)急需進(jìn)一步發(fā)展和建設(shè).

2020年1—4月我們?cè)谕．a(chǎn)的安徽省淮南市潘一東煤礦進(jìn)行了第1期深地地磁環(huán)境調(diào)查;分別選定礦區(qū)地下-848 m巷道中存在鋼筋混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)、鐵軌、金屬管件、輸電線等干擾的點(diǎn)位和鋼板密閉艙,采用GSM-19T質(zhì)子磁力儀進(jìn)行地磁總場(chǎng)連續(xù)觀測(cè);觀測(cè)結(jié)果(王赟等,2023)發(fā)現(xiàn):地下巷道點(diǎn)位附近的軌道、金屬管件、輸電線等對(duì)磁測(cè)形成明顯干擾,地下鋼板密閉艙對(duì)磁測(cè)起到一定的屏蔽作用.2021年4—12月我們?cè)诘V區(qū)地下-848 m巷道又?jǐn)嗬m(xù)進(jìn)行了第2期深地地磁環(huán)境調(diào)查;分別選定小拱形截面巷道且存在鋼筋混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)、輸電線干擾的點(diǎn)位,大拱形截面巷道且存在鋼筋混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)、金屬管件、軌道和輸電線干擾的點(diǎn)位,以及大拱形截面巷道且存在鋼筋混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)但沒有軌道和輸電線干擾的點(diǎn)位等多個(gè)不同地磁環(huán)境點(diǎn)位,采用GSM-19T質(zhì)子磁力儀和FGM-3D磁通門儀進(jìn)行地磁場(chǎng)連續(xù)觀測(cè);觀測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn):地下大拱形截面巷道且沒有金屬管件、軌道和輸電線干擾的點(diǎn)位的地磁環(huán)境較為優(yōu)越,適用于深地地磁場(chǎng)高精度、長(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè).

2022年2—7月我們?cè)诘?期篩選出的礦區(qū)地下巷道(以下簡(jiǎn)稱地下)地磁環(huán)境較優(yōu)越的點(diǎn)位進(jìn)行了第3期深地地磁場(chǎng)長(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè),同時(shí)在礦區(qū)地面選取一個(gè)點(diǎn)位做了同步觀測(cè).第3期觀測(cè)中,采用GSM-19T質(zhì)子磁力儀(以下簡(jiǎn)稱質(zhì)子磁力儀)和HT513-He-L激光氦光泵磁力儀(以下簡(jiǎn)稱光泵磁力儀)進(jìn)行了地磁總場(chǎng)連續(xù)觀測(cè),同時(shí)采用FGM-3D磁通門儀進(jìn)行了地磁三分量連續(xù)觀測(cè).本文選取其中的地磁總場(chǎng)連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與研究,主要通過功率譜、小波譜、地磁總場(chǎng)變化特征等的分析及與西北方向直線距離近80 km的蒙城地磁基準(zhǔn)臺(tái)(以下簡(jiǎn)稱蒙城地磁臺(tái))的比對(duì),介紹初步的深地地磁總場(chǎng)觀測(cè)研究結(jié)果,評(píng)價(jià)深地地磁環(huán)境中地磁總場(chǎng)時(shí)變特征,為進(jìn)一步的深地地磁觀測(cè)研究提供參考.其他地磁三分量連續(xù)觀測(cè)情況和相關(guān)分析研究結(jié)果將另文介紹.本文提及的日期和時(shí)間均為北京時(shí)間.

1 地下巷道與地面地磁總場(chǎng)連續(xù)觀測(cè)

1.1 淮南區(qū)域地質(zhì)背景

淮南市構(gòu)造上隸屬于華北克拉通的東南緣、秦嶺造山帶南亞帶的北緣和淮南—豫西臺(tái)陷內(nèi)(圖1).東臨郯廬深大斷裂,西部與潁上、阜陽一帶以復(fù)向斜相連至周口凹陷,南以舜耕山斷裂為界與合肥—霍丘凹陷毗鄰,北止于上窯—明龍山斷裂,且與蚌埠隆起相接(Deng et al.,2003).該地區(qū)自晚元古代開始相對(duì)下降接受蓋層沉積;印支運(yùn)動(dòng)使蓋層褶皺形成軸向北西西的復(fù)式向斜,之后整體進(jìn)入大陸邊緣活動(dòng)帶階段,形成火山盆地和斷陷盆地;中新世以來呈現(xiàn)間歇性的差異升降運(yùn)動(dòng)(宋衛(wèi)華等,2004).該區(qū)地層自晚元古代以來發(fā)育較齊全,巖漿巖侵入時(shí)期屬燕山期,但不甚發(fā)育;淺表被第三紀(jì)、第四紀(jì)覆蓋,下伏泥巖、砂巖為主的石炭紀(jì)、二疊紀(jì)、三疊紀(jì)的煤系地層.

圖1 淮南深地實(shí)驗(yàn)室(五角星)、蒙城地磁臺(tái)(三角形)及周邊大地構(gòu)造背景

1.2 地磁總場(chǎng)觀測(cè)儀器

第3期淮南深地地磁總場(chǎng)連續(xù)觀測(cè)采用了2 臺(tái)美國GEM公司生產(chǎn)的GSM-19T質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀(儀器編號(hào):901、934)和2 臺(tái)山東航天電子技術(shù)研究所研制的HT513-He-L激光氦光泵磁力儀(儀器編號(hào):20-02-03、21-01-03).兩種儀器均由主機(jī)和探頭構(gòu)成,主要性能指標(biāo)如表1所示.

表1 磁力儀主要性能指標(biāo)

1.3 地下巷道與地面地磁總場(chǎng)連續(xù)觀測(cè)布局

淮南深地實(shí)驗(yàn)室位于淮南市北部潘集區(qū)的潘一東煤礦,利用去產(chǎn)能的地下巷道建設(shè)而成.地下巷道主要分布于-848 m和-1042 m兩個(gè)深度,為大截面、鋼筋混凝土支護(hù)的地下空腔,存在鐵磁性鋼筋、鋼架以及錨噴網(wǎng)、抽水機(jī)、變壓器、輸變電線、升降機(jī)、鐵軌以及各種管線等干擾.不同于第1期和第2期選點(diǎn)主要位于明顯磁干擾環(huán)境,第3期地下選點(diǎn)盡量規(guī)避磁干擾,選在第2期篩選出的地下-848 m大拱形界面巷道且沒有軌道和輸電線干擾的點(diǎn)位E,地面點(diǎn)位則適當(dāng)考慮磁干擾因素以評(píng)價(jià)地下的地磁環(huán)境優(yōu)勢(shì),選在礦區(qū)地表面靠近宿舍樓的點(diǎn)位P.所有點(diǎn)位地磁總場(chǎng)連續(xù)觀測(cè)布設(shè)的磁力儀類型和日志見表2所示.其中,地下點(diǎn)位E的質(zhì)子磁力儀和光泵磁力儀相距20 m;地面點(diǎn)位P的質(zhì)子磁力儀和光泵磁力儀相距10 m;質(zhì)子磁力儀采樣率為5 s,光泵磁力儀采樣率為0.1 s.我們從中國地震局地球物理研究所收集到礦區(qū)西北向直線距離近80 km外的蒙城地磁基準(zhǔn)臺(tái)(圖1)在相同時(shí)段觀測(cè)的地磁總場(chǎng)數(shù)據(jù),用于后續(xù)的分析與比對(duì).為了方便與蒙城地磁臺(tái)數(shù)據(jù)統(tǒng)一對(duì)比,我們對(duì)第3期地磁總場(chǎng)觀測(cè)的所有數(shù)據(jù)做了分鐘均值處理并按照分鐘采樣.

表2 第3期淮南深地地磁總場(chǎng)連續(xù)觀測(cè)日志

2 地下巷道與地面地磁總場(chǎng)變化特征分析

2.1 功率譜分析

選取2022年4月1—17日觀測(cè)時(shí)段,對(duì)礦區(qū)地下點(diǎn)位E和地面點(diǎn)位P各臺(tái)磁力儀觀測(cè)的地磁總場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行功率譜分析,并與同時(shí)段的蒙城地磁臺(tái)觀測(cè)數(shù)據(jù)功率譜作對(duì)比,分析礦區(qū)各點(diǎn)位的地磁環(huán)境和噪聲水平,如圖2所示.在低頻段(<0.0003 Hz),地下點(diǎn)位E各磁力儀觀測(cè)數(shù)據(jù)的功率譜曲線與蒙城地磁臺(tái)幾乎一致,均低于地面點(diǎn)位P(圖2a),反映地下點(diǎn)位E的低頻段噪聲水平優(yōu)于地面點(diǎn)位P且與蒙城地磁臺(tái)基本相當(dāng).在中高頻段(≥0.0003 Hz),地下點(diǎn)位E各磁力儀觀測(cè)數(shù)據(jù)的功率譜曲線與蒙城地磁臺(tái)基本一致,均明顯低于地面點(diǎn)位P(圖2b),反映地下點(diǎn)位E的中高頻段噪聲水平明顯優(yōu)于地面點(diǎn)位P且與蒙城地磁臺(tái)基本相當(dāng).其中,地下點(diǎn)位E質(zhì)子磁力儀觀測(cè)數(shù)據(jù)的中高頻段功率譜曲線略低于蒙城地磁臺(tái),地下點(diǎn)位E光泵磁力儀觀測(cè)數(shù)據(jù)的中高頻段功率譜曲線略高于蒙城地磁臺(tái).上述多點(diǎn)位不同儀器與蒙城地磁臺(tái)的對(duì)比可以說明:(1)地下巷道內(nèi)無軌道和輸電線等干擾的點(diǎn)位E的地磁環(huán)境較為優(yōu)越,與蒙城地磁臺(tái)基本相當(dāng);(2)深地地磁觀測(cè)有效過濾了地表面由工業(yè)和人類活動(dòng)等引起的電磁干擾,信噪比明顯提升;(3)GSM-19T質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀的低頻段本底噪聲水平與HT513-He-L激光氦光泵磁力儀基本相當(dāng),但中高頻段本底噪聲水平略優(yōu)于后者.

圖2 2022年4月1—17日不同點(diǎn)位和不同儀器觀測(cè)的地磁總場(chǎng)功率譜(a)及其中高頻段的平滑功率譜(b)

2.2 小波譜分析

選取2022年4月1—17日觀測(cè)時(shí)段,對(duì)礦區(qū)地下點(diǎn)位E和地面點(diǎn)位P各臺(tái)磁力儀觀測(cè)的地磁總場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行小波譜分析,并與同時(shí)段的蒙城地磁臺(tái)觀測(cè)數(shù)據(jù)小波譜作對(duì)比,分析礦區(qū)各點(diǎn)位的地磁環(huán)境和地磁總場(chǎng)變化基本信息,如圖3所示.地下點(diǎn)位E各磁力儀觀測(cè)數(shù)據(jù)的小波譜特征與蒙城地磁臺(tái)基本一致,但與地面點(diǎn)位P存在明顯差異(圖3),反映地下點(diǎn)位E的地磁環(huán)境明顯優(yōu)于地面點(diǎn)位P,與蒙城地磁臺(tái)相媲美,這些結(jié)論與前述的功率譜分析結(jié)果一致.地下點(diǎn)位E各磁力儀的地磁總場(chǎng)小波譜在1440 min(一天)和720 min(半天)頻段(圖3黑色橫虛線)呈現(xiàn)出豐富的低頻變化信息,在2022年4月9—10日、2022年4月14—15日(圖3白色豎虛線)的磁暴時(shí)段(經(jīng)國際地磁臺(tái)網(wǎng)https:∥intermagnet.github.io的磁暴記錄查詢)普遍呈現(xiàn)較強(qiáng)的變化信息.因此,地下點(diǎn)位E地磁觀測(cè)蘊(yùn)含豐富的地磁場(chǎng)變化信息,可為地磁場(chǎng)演變、磁暴等科學(xué)研究提供數(shù)據(jù)支撐.

2.3 地磁總場(chǎng)變化特征

以2022年4月14日24 h觀測(cè)數(shù)據(jù)為例,地下點(diǎn)位E質(zhì)子磁力儀和光泵磁力儀的地磁總場(chǎng)基值分別為50923.69 nT和50356.55 nT,與蒙城地磁臺(tái)的基值(51215.5 nT)較接近,且與國際地磁參考場(chǎng)模型IGRF13計(jì)算得到該點(diǎn)位的地磁總場(chǎng)理論值50889.4 nT較接近.考慮到地下點(diǎn)位E質(zhì)子磁力儀和光泵磁力儀相距20 m,兩臺(tái)儀器的地磁總場(chǎng)基值差別主要緣由該點(diǎn)位圍巖和巷道鋼筋混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu).地面點(diǎn)位P光泵磁力儀的地磁總場(chǎng)基值為44619.99 nT,明顯低于地下點(diǎn)位E和蒙城地磁臺(tái)的基值,也明顯低于國際地磁參考場(chǎng)模型IGRF13計(jì)算得到該點(diǎn)位的地磁總場(chǎng)理論值50865.4 nT,這主要緣由該點(diǎn)位旁邊的宿舍樓產(chǎn)生電磁干擾.因此,地下點(diǎn)位周邊的圍巖和巷道鋼筋混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)地磁總場(chǎng)基值觀測(cè)產(chǎn)生一定的影響,這也是理論可預(yù)見的.

圖4顯示了剝離基值后的2022年4月14日不同點(diǎn)位不同儀器觀測(cè)的地磁總場(chǎng)變化曲線及與蒙城地磁臺(tái)觀測(cè)的對(duì)比.地面點(diǎn)位P的地磁總場(chǎng)變化曲線除了展現(xiàn)與蒙城地磁臺(tái)大致類似的趨勢(shì)之外,還展現(xiàn)出工業(yè)與人類活動(dòng)等電磁干擾引起的臺(tái)階跳躍和高頻噪聲,比如在12—14時(shí)刻呈現(xiàn)約10 nT的幅值跳躍現(xiàn)象(圖4),因此該點(diǎn)位不適用于地磁場(chǎng)的高精度、長(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè).相比而言,地下點(diǎn)位E的地磁總場(chǎng)變化曲線在趨勢(shì)和細(xì)節(jié)上與蒙城地磁臺(tái)幾乎一致,且沒有臺(tái)階跳躍和明顯噪聲,兩者差別主要分布在磁暴時(shí)段且最大不超過5 nT,反映深地地磁觀測(cè)有效過濾了地表面由工業(yè)和人類活動(dòng)等引起的電磁干擾.該點(diǎn)位的地磁總場(chǎng)變化信息豐富,夜間變化平靜且幅值小,白天變化劇烈且幅值大,尤其以磁暴(8—24時(shí)刻)、地磁脈沖等時(shí)段為突出.該點(diǎn)位質(zhì)子磁力儀和光泵磁力儀觀測(cè)的地磁總場(chǎng)變化曲線幾乎完全一致,兩者差別主要分布在磁暴時(shí)段且最大不超過2 nT.根據(jù)該點(diǎn)位兩臺(tái)磁力儀的地磁總場(chǎng)變化量殘差和距離差換算出該點(diǎn)位地磁總場(chǎng)變化量的水平梯度曲線見圖5所示,顯然,其數(shù)值主要分布在±0.05 nT·m-1范圍內(nèi).盡管地下點(diǎn)位E的地磁總場(chǎng)基值受到周邊的圍巖和巷道鋼筋混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)一定程度的影響,但其地磁總場(chǎng)變化受地表面的電磁干擾非常弱,呈現(xiàn)出低頻到高頻、豐富、有效的特征,可以與蒙城地磁臺(tái)相媲美,這些結(jié)論與前述的功率譜分析、小波譜分析結(jié)論一致.因此,地下點(diǎn)位E適用于地磁場(chǎng)變化的高精度、長(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè).

圖5 2022年4月14日地下點(diǎn)位E地磁總場(chǎng)變化量的水平梯度

3 討論

3.1 磁總場(chǎng)探測(cè)儀的深地觀測(cè)適應(yīng)性

本次淮南深地地磁總場(chǎng)連續(xù)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)選取了國外的GSM-19T質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀和國產(chǎn)的HT513-He-L激光氦光泵磁力儀,二者絕對(duì)精度均優(yōu)于0.3 nT.地下點(diǎn)位E觀測(cè)數(shù)據(jù)的功率譜、小波譜、地磁總場(chǎng)變化特征分析對(duì)比顯示:兩種儀器觀測(cè)穩(wěn)定、信噪比高,記錄了豐富且?guī)缀跬耆恢碌牡卮趴倛?chǎng)變化特征,說明兩者都適應(yīng)于深地地磁長(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè).

3.2 地下與地面地磁總場(chǎng)變化的耦合性

由于礦區(qū)地面點(diǎn)位P的地磁觀測(cè)受到宿舍樓、工業(yè)和人類活動(dòng)等電磁干擾,因此我們選取地磁環(huán)境優(yōu)越的蒙城地磁臺(tái)與礦區(qū)地下點(diǎn)位E來評(píng)價(jià)地面和地下地磁總場(chǎng)變化的耦合性,而且選取具有磁暴現(xiàn)象的2022年4月14—15日時(shí)段進(jìn)行分析.圖6a顯示了剝離基值后的地下點(diǎn)位E光泵磁力儀觀測(cè)的地磁總場(chǎng)變化曲線及與蒙城地磁臺(tái)觀測(cè)的對(duì)比,兩者在變化趨勢(shì)和細(xì)節(jié)上幾乎一致,差別主要體現(xiàn)在變化幅值上且最大不超過5 nT,反映地下和地面的地磁總場(chǎng)變化具有較好的耦合性.理論上地下介質(zhì)對(duì)外部磁場(chǎng)變化具有一定的衰減作用,地下的地磁總場(chǎng)變化幅值會(huì)小于地面,但實(shí)際上地下點(diǎn)位E的變化幅值整體上略大于蒙城地磁臺(tái),指示兩者變化差別主要為地球內(nèi)源引起的.圖6b顯示了地下點(diǎn)位E和蒙城地磁臺(tái)的地磁總場(chǎng)變化殘差曲線,它與原始地磁總場(chǎng)變化曲線(圖6a)具有較大的相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.8288,反映兩者變化差別與外部磁場(chǎng)變化密切相關(guān).因此,推測(cè)地下與地面的地磁總場(chǎng)變化微小差異的主要原因在于外部磁場(chǎng)變化激發(fā)點(diǎn)位附近的圍巖的感應(yīng)磁場(chǎng)變化并疊加到地磁總場(chǎng)變化上.前人的淺井地磁觀測(cè)(李偉等,2013;龔耀等,2016;陳幸蓮等,2017)和深海地磁觀測(cè)(徐行等,2017)同樣發(fā)現(xiàn)地下地磁觀測(cè)受到圍巖一定程度的感應(yīng)磁場(chǎng)影響.

圖6 2022年4月14—15日地下點(diǎn)位E和蒙城地磁臺(tái)觀測(cè)的地磁總場(chǎng)時(shí)變特征(a)及其殘差(b)

3.3 深地地磁總場(chǎng)時(shí)變特征的豐富性

選取具有磁暴和磁平靜的2022年4月12—17日時(shí)段,通過低通、帶通和高通濾波分析地下點(diǎn)位E和蒙城地磁臺(tái)的地磁總場(chǎng)時(shí)變特征,如圖7所示.在周期大于360 min的低頻段(圖7c),地下和蒙城地磁臺(tái)的地磁總場(chǎng)時(shí)變特征幾乎一致,變化均相對(duì)平緩且幅值較大(可達(dá)～60 nT),除了外部磁場(chǎng)平靜變化引起的近似周期性變化之外,4月14—15日的低頻磁暴引起明顯的地磁總場(chǎng)非周期性起伏變化;但是,兩者幅值存在不大于3.4 nT的殘差,如前所述這主要緣由點(diǎn)位附近的圍巖受外部磁場(chǎng)變化激發(fā)產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)變化.在周期為60～360 min的中等頻段(圖7b),地下和蒙城地磁臺(tái)的地磁總場(chǎng)時(shí)變特征幾乎完全一致,變化豐富且幅值可達(dá)40 nT,除了部分中頻磁擾引起的局部地磁總場(chǎng)變化之外,主要反映出4月13—15日的中頻磁暴引起明顯的地磁總場(chǎng)非周期性起伏變化.在周期小于60 min的高頻段(圖7a),地下與蒙城地磁臺(tái)的地磁總場(chǎng)時(shí)變特征幾乎完全一致,變化豐富且幅值約10 nT,除了偶然、高頻地磁脈沖引起的局部地磁總場(chǎng)脈沖變化之外,主要反映出4月13—15日的高頻磁暴引起明顯的地磁總場(chǎng)非周期性起伏變化.顯然,深地地磁總場(chǎng)觀測(cè)記錄了有效、低頻到高頻、豐富的時(shí)變特征,與蒙城地磁臺(tái)相媲美,可為相關(guān)基礎(chǔ)科學(xué)研究提供依據(jù)或參考.由于本次觀測(cè)實(shí)驗(yàn)所用的GSM-19T質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀和HT513-He-L激光氦光泵磁力儀頻帶有限,采樣率分別為5 s和0.1 s,所觀測(cè)的數(shù)據(jù)缺少大于0.1 Hz的高頻地磁總場(chǎng)時(shí)變信息.鑒于礦區(qū)地下具備較優(yōu)越的地磁環(huán)境,開展更高分辨率、更高精度、更高頻帶的SQUID超導(dǎo)磁力儀深地觀測(cè)是必要的(Nishijima et al.,2013).

圖7 2022年4月12—17日地下點(diǎn)位E(紅色)和蒙城地磁臺(tái)(藍(lán)色)的地磁總場(chǎng)時(shí)變特征

4 結(jié)論

通過本次淮南深地實(shí)驗(yàn)室地下和地表的地磁總場(chǎng)連續(xù)觀測(cè)、分析及與蒙城地磁臺(tái)的比對(duì),得到以下主要認(rèn)識(shí):(1)地下無(或弱)磁干擾點(diǎn)位的地磁環(huán)境較優(yōu)越,可與蒙城地磁臺(tái)相媲美,適用于地磁場(chǎng)變化的高精度、長(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè);(2)地下地磁觀測(cè)可以有效過濾地表面由工業(yè)和人類活動(dòng)等引起的電磁干擾,記錄的地磁總場(chǎng)變化特征與蒙城地磁臺(tái)具有較好的耦合性,兩者差別微小且主要體現(xiàn)在低頻段的幅值上,這緣由點(diǎn)位附近的圍巖受外部磁場(chǎng)變化激發(fā)產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)變化;(3)地下磁測(cè)可清晰記錄地磁場(chǎng)的平靜變化、不同周期磁暴、地磁脈沖等時(shí)變信息,可為研究地磁場(chǎng)演變、外部磁場(chǎng)環(huán)境變化、地下介質(zhì)物理狀態(tài)變化、地震孕育發(fā)生機(jī)理等提供地磁學(xué)依據(jù).本次淮南深地地磁觀測(cè)為后續(xù)深入開展深地地磁場(chǎng)多要素、高精度、寬頻帶、連續(xù)觀測(cè)與研究,以及建設(shè)深地地磁觀測(cè)站和比測(cè)站奠定了基礎(chǔ).

致謝感謝評(píng)審專家的寶貴意見和建議.感謝軍事科學(xué)院與淮河能源(集團(tuán))股份有限公司、安徽理工大學(xué)對(duì)觀測(cè)期間安全保障與設(shè)備維護(hù)提供的大力支持和便利條件.感謝中國地震局地球物理研究所提供蒙城地磁臺(tái)觀測(cè)數(shù)據(jù).北京桔燈地球物理勘探股份有限公司陸占國工程師參與了本次觀測(cè)實(shí)驗(yàn)交流,中國地質(zhì)大學(xué)(北京)郭志芳博士參與了地磁總場(chǎng)特征分析討論,在此一并致謝.