淮南深地地磁總場連續觀測與時變特征

郭良輝,王博,宋曉林,王赟*,金承奕,姚碩1,,史鈺峰

1 陸內火山與地震教育部重點實驗室(中國地質大學,北京),北京 100083 2 中國地質大學(北京)地球物理與信息技術學院,北京 100083 3 地質過程與礦產資源國家重點實驗室(中國地質大學),北京 100083 4 山東航天電子技術研究所,山東煙臺 264000

0 引言

地磁場的時空分布蘊含了地球主磁場、外部變化磁場和巖石圈磁場的豐富信息,是研究地磁場起源、板塊運動、區域地質構造、地震孕育發生機理以及進行資源能源勘查、導航應用等的基本物理場.其中,地磁場的時間變化(以下簡稱時變)主要來源于地球外部,由平靜變化和擾動變化組成:前者包含太陽靜日變化和太陰日變化,幅度為數nT到數十nT;后者包含磁暴和地磁脈沖等,幅度為數十nT到上千nT.與空間變化相比而言,地磁場的時變通常相對弱,需要在低本底的電磁擾動環境中進行高精度、長期連續觀測得以揭示(Marfaing et al.,2009).

傳統地磁場長期連續觀測主要在地表固定地磁臺站或日變站進行.但隨著經濟社會發展,地表的地磁環境急劇惡化,地磁場時變觀測數據質量和可靠性下降,嚴重影響了相關地球科學研究和災害監測.相對于地表,深部地下(以下簡稱深地)環境具有電磁干擾小的“超凈”地磁場觀測優勢(王赟等,2023).事實上,利用地下實驗室開展多物理場的觀測與研究早在20世紀50年代就已開始,并于20世紀90年代在美國、法國、德國、日本等發達國家得到迅速發展.例如,美國SAFOD(San Andreas Fault Observatory at Depth)圣安德列斯斷層深井觀測站(Chavarria et al.,2003)、法國LSBB(Labortoire Souterrain a Bas Bruit)低噪聲洞穴實驗室(Waysand et al.,2009)、德國KTB(Kontinentales Tiefborh programm der Bundesrepublik Deutschland)超深井觀測站(王祝文等,1999)、日本屏夙山深井地球物理綜合觀測站(Yamauchi et al.,2005)等利用鉆孔、礦井空腔或山體中隧道進行了多物理場的觀測研究,包括地震和地磁等觀測,證實了深部地下環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實驗室的SQUID超導磁力儀清晰觀測到舒曼諧振現象,并觀測到由地震波傳播引發的地下水流變化所產生的電磁信號(Gaffet et al.,2003; Henry et al.,2016).我國在深地地磁觀測領域發展較晚,2011年在江蘇東?？茖W深鉆建成國內首個深井地球物理長期觀測站,但以地震觀測為主,目前未見有地磁觀測成果報道(徐紀人和趙志新,2009).我國地震局系統自2010年以來陸續建設了廣東陽江臺、上海崇明臺和浦東臺等多個淺井地磁觀測臺站,觀測結果表明井下地磁觀測過濾了地表面的工業和人類活動等電磁干擾,信噪比有所提升;但井下地磁觀測同時受到圍巖一定程度的感應磁場影響(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觀測基本處于空白階段.即使對于可進入性較好的深地空腔,由于深地環境的維護成本較高,亦零星表現為山洞和隧道、防空洞的小規模觀測試驗(Li et al.,2018).因此,我國深地地磁觀測急需進一步發展和建設.

2020年1—4月我們在停產的安徽省淮南市潘一東煤礦進行了第1期深地地磁環境調查;分別選定礦區地下-848 m巷道中存在鋼筋混凝土支護結構、鐵軌、金屬管件、輸電線等干擾的點位和鋼板密閉艙,采用GSM-19T質子磁力儀進行地磁總場連續觀測;觀測結果(王赟等,2023)發現:地下巷道點位附近的軌道、金屬管件、輸電線等對磁測形成明顯干擾,地下鋼板密閉艙對磁測起到一定的屏蔽作用.2021年4—12月我們在礦區地下-848 m巷道又斷續進行了第2期深地地磁環境調查;分別選定小拱形截面巷道且存在鋼筋混凝土支護結構、輸電線干擾的點位,大拱形截面巷道且存在鋼筋混凝土支護結構、金屬管件、軌道和輸電線干擾的點位,以及大拱形截面巷道且存在鋼筋混凝土支護結構但沒有軌道和輸電線干擾的點位等多個不同地磁環境點位,采用GSM-19T質子磁力儀和FGM-3D磁通門儀進行地磁場連續觀測;觀測結果發現: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位的地磁環境較為優越,適用于深地地磁場高精度、長期連續觀測.

2022年2—7月我們在第2期篩選出的礦區地下巷道(以下簡稱地下)地磁環境較優越的點位進行了第3期深地地磁場長期連續觀測,同時在礦區地面選取一個點位做了同步觀測.第3期觀測中,采用GSM-19T質子磁力儀(以下簡稱質子磁力儀)和HT513-He-L激光氦光泵磁力儀(以下簡稱光泵磁力儀)進行了地磁總場連續觀測,同時采用FGM-3D磁通門儀進行了地磁三分量連續觀測.本文選取其中的地磁總場連續觀測數據進行分析與研究,主要通過功率譜、小波譜、地磁總場變化特征等的分析及與西北方向直線距離近80 km的蒙城地磁基準臺(以下簡稱蒙城地磁臺)的比對,介紹初步的深地地磁總場觀測研究結果,評價深地地磁環境中地磁總場時變特征,為進一步的深地地磁觀測研究提供參考.其他地磁三分量連續觀測情況和相關分析研究結果將另文介紹.本文提及的日期和時間均為北京時間.

1 地下巷道與地面地磁總場連續觀測

1.1 淮南區域地質背景

淮南市構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—豫西臺陷內(圖1).東臨郯廬深大斷裂,西部與潁上、阜陽一帶以復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).該地區自晚元古代開始相對下降接受蓋層沉積;印支運動使蓋層褶皺形成軸向北西西的復式向斜,之后整體進入大陸邊緣活動帶階段,形成火山盆地和斷陷盆地;中新世以來呈現間歇性的差異升降運動(宋衛華等,2004).該區地層自晚元古代以來發育較齊全,巖漿巖侵入時期屬燕山期,但不甚發育;淺表被第三紀、第四紀覆蓋,下伏泥巖、砂巖為主的石炭紀、二疊紀、三疊紀的煤系地層.

圖1 淮南深地實驗室(五角星)、蒙城地磁臺(三角形)及周邊大地構造背景

1.2 地磁總場觀測儀器

第3期淮南深地地磁總場連續觀測采用了2 臺美國GEM公司生產的GSM-19T質子旋進磁力儀(儀器編號:901、934)和2 臺山東航天電子技術研究所研制的HT513-He-L激光氦光泵磁力儀(儀器編號:20-02-03、21-01-03).兩種儀器均由主機和探頭構成,主要性能指標如表1所示.

表1 磁力儀主要性能指標

1.3 地下巷道與地面地磁總場連續觀測布局

淮南深地實驗室位于淮南市北部潘集區的潘一東煤礦,利用去產能的地下巷道建設而成.地下巷道主要分布于-848 m和-1042 m兩個深度,為大截面、鋼筋混凝土支護的地下空腔,存在鐵磁性鋼筋、鋼架以及錨噴網、抽水機、變壓器、輸變電線、升降機、鐵軌以及各種管線等干擾.不同于第1期和第2期選點主要位于明顯磁干擾環境,第3期地下選點盡量規避磁干擾,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位E,地面點位則適當考慮磁干擾因素以評價地下的地磁環境優勢,選在礦區地表面靠近宿舍樓的點位P.所有點位地磁總場連續觀測布設的磁力儀類型和日志見表2所示.其中,地下點位E的質子磁力儀和光泵磁力儀相距20 m;地面點位P的質子磁力儀和光泵磁力儀相距10 m;質子磁力儀采樣率為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西北向直線距離近80 km外的蒙城地磁基準臺(圖1)在相同時段觀測的地磁總場數據,用于后續的分析與比對.為了方便與蒙城地磁臺數據統一對比,我們對第3期地磁總場觀測的所有數據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連續觀測日志

2 地下巷道與地面地磁總場變化特征分析

2.1 功率譜分析

選取2022年4月1—17日觀測時段,對礦區地下點位E和地面點位P各臺磁力儀觀測的地磁總場數據進行功率譜分析,并與同時段的蒙城地磁臺觀測數據功率譜作對比,分析礦區各點位的地磁環境和噪聲水平,如圖2所示.在低頻段(<0.0003 Hz),地下點位E各磁力儀觀測數據的功率譜曲線與蒙城地磁臺幾乎一致,均低于地面點位P(圖2a),反映地下點位E的低頻段噪聲水平優于地面點位P且與蒙城地磁臺基本相當.在中高頻段(≥0.0003 Hz),地下點位E各磁力儀觀測數據的功率譜曲線與蒙城地磁臺基本一致,均明顯低于地面點位P(圖2b),反映地下點位E的中高頻段噪聲水平明顯優于地面點位P且與蒙城地磁臺基本相當.其中,地下點位E質子磁力儀觀測數據的中高頻段功率譜曲線略低于蒙城地磁臺,地下點位E光泵磁力儀觀測數據的中高頻段功率譜曲線略高于蒙城地磁臺.上述多點位不同儀器與蒙城地磁臺的對比可以說明:(1)地下巷道內無軌道和輸電線等干擾的點位E的地磁環境較為優越,與蒙城地磁臺基本相當;(2)深地地磁觀測有效過濾了地表面由工業和人類活動等引起的電磁干擾,信噪比明顯提升;(3)GSM-19T質子旋進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,但中高頻段本底噪聲水平略優于后者.

圖2 2022年4月1—17日不同點位和不同儀器觀測的地磁總場功率譜(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日觀測時段,對礦區地下點位E和地面點位P各臺磁力儀觀測的地磁總場數據進行小波譜分析,并與同時段的蒙城地磁臺觀測數據小波譜作對比,分析礦區各點位的地磁環境和地磁總場變化基本信息,如圖3所示.地下點位E各磁力儀觀測數據的小波譜特征與蒙城地磁臺基本一致,但與地面點位P存在明顯差異(圖3),反映地下點位E的地磁環境明顯優于地面點位P,與蒙城地磁臺相媲美,這些結論與前述的功率譜分析結果一致.地下點位E各磁力儀的地磁總場小波譜在1440 min(一天)和720 min(半天)頻段(圖3黑色橫虛線)呈現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)的磁暴時段(經國際地磁臺網https:∥intermagnet.github.io的磁暴記錄查詢)普遍呈現較強的變化信息.因此,地下點位E地磁觀測蘊含豐富的地磁場變化信息,可為地磁場演變、磁暴等科學研究提供數據支撐.

2.3 地磁總場變化特征

以2022年4月14日24 h觀測數據為例,地下點位E質子磁力儀和光泵磁力儀的地磁總場基值分別為50923.69 nT和50356.55 nT,與蒙城地磁臺的基值(51215.5 nT)較接近,且與國際地磁參考場模型IGRF13計算得到該點位的地磁總場理論值50889.4 nT較接近.考慮到地下點位E質子磁力儀和光泵磁力儀相距20 m,兩臺儀器的地磁總場基值差別主要緣由該點位圍巖和巷道鋼筋混凝土支護結構.地面點位P光泵磁力儀的地磁總場基值為44619.99 nT,明顯低于地下點位E和蒙城地磁臺的基值,也明顯低于國際地磁參考場模型IGRF13計算得到該點位的地磁總場理論值50865.4 nT,這主要緣由該點位旁邊的宿舍樓產生電磁干擾.因此,地下點位周邊的圍巖和巷道鋼筋混凝土支護結構對地磁總場基值觀測產生一定的影響,這也是理論可預見的.

圖4顯示了剝離基值后的2022年4月14日不同點位不同儀器觀測的地磁總場變化曲線及與蒙城地磁臺觀測的對比.地面點位P的地磁總場變化曲線除了展現與蒙城地磁臺大致類似的趨勢之外,還展現出工業與人類活動等電磁干擾引起的臺階跳躍和高頻噪聲,比如在12—14時刻呈現約10 nT的幅值跳躍現象(圖4),因此該點位不適用于地磁場的高精度、長期連續觀測.相比而言,地下點位E的地磁總場變化曲線在趨勢和細節上與蒙城地磁臺幾乎一致,且沒有臺階跳躍和明顯噪聲,兩者差別主要分布在磁暴時段且最大不超過5 nT,反映深地地磁觀測有效過濾了地表面由工業和人類活動等引起的電磁干擾.該點位的地磁總場變化信息豐富,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時刻)、地磁脈沖等時段為突出.該點位質子磁力儀和光泵磁力儀觀測的地磁總場變化曲線幾乎完全一致,兩者差別主要分布在磁暴時段且最大不超過2 nT.根據該點位兩臺磁力儀的地磁總場變化量殘差和距離差換算出該點位地磁總場變化量的水平梯度曲線見圖5所示,顯然,其數值主要分布在±0.05 nT·m-1范圍內.盡管地下點位E的地磁總場基值受到周邊的圍巖和巷道鋼筋混凝土支護結構一定程度的影響,但其地磁總場變化受地表面的電磁干擾非常弱,呈現出低頻到高頻、豐富、有效的特征,可以與蒙城地磁臺相媲美,這些結論與前述的功率譜分析、小波譜分析結論一致.因此,地下點位E適用于地磁場變化的高精度、長期連續觀測.

圖5 2022年4月14日地下點位E地磁總場變化量的水平梯度

3 討論

3.1 磁總場探測儀的深地觀測適應性

本次淮南深地地磁總場連續觀測實驗選取了國外的GSM-19T質子旋進磁力儀和國產的HT513-He-L激光氦光泵磁力儀,二者絕對精度均優于0.3 nT.地下點位E觀測數據的功率譜、小波譜、地磁總場變化特征分析對比顯示:兩種儀器觀測穩定、信噪比高,記錄了豐富且幾乎完全一致的地磁總場變化特征,說明兩者都適應于深地地磁長期連續觀測.

3.2 地下與地面地磁總場變化的耦合性

由于礦區地面點位P的地磁觀測受到宿舍樓、工業和人類活動等電磁干擾,因此我們選取地磁環境優越的蒙城地磁臺與礦區地下點位E來評價地面和地下地磁總場變化的耦合性,而且選取具有磁暴現象的2022年4月14—15日時段進行分析.圖6a顯示了剝離基值后的地下點位E光泵磁力儀觀測的地磁總場變化曲線及與蒙城地磁臺觀測的對比,兩者在變化趨勢和細節上幾乎一致,差別主要體現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變化具有較好的耦合性.理論上地下介質對外部磁場變化具有一定的衰減作用,地下的地磁總場變化幅值會小于地面,但實際上地下點位E的變化幅值整體上略大于蒙城地磁臺,指示兩者變化差別主要為地球內源引起的.圖6b顯示了地下點位E和蒙城地磁臺的地磁總場變化殘差曲線,它與原始地磁總場變化曲線(圖6a)具有較大的相關性,相關系數達到0.8288,反映兩者變化差別與外部磁場變化密切相關.因此,推測地下與地面的地磁總場變化微小差異的主要原因在于外部磁場變化激發點位附近的圍巖的感應磁場變化并疊加到地磁總場變化上.前人的淺井地磁觀測(李偉等,2013;龔耀等,2016;陳幸蓮等,2017)和深海地磁觀測(徐行等,2017)同樣發現地下地磁觀測受到圍巖一定程度的感應磁場影響.

圖6 2022年4月14—15日地下點位E和蒙城地磁臺觀測的地磁總場時變特征(a)及其殘差(b)

3.3 深地地磁總場時變特征的豐富性

選取具有磁暴和磁平靜的2022年4月12—17日時段,通過低通、帶通和高通濾波分析地下點位E和蒙城地磁臺的地磁總場時變特征,如圖7所示.在周期大于360 min的低頻段(圖7c),地下和蒙城地磁臺的地磁總場時變特征幾乎一致,變化均相對平緩且幅值較大(可達～60 nT),除了外部磁場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位附近的圍巖受外部磁場變化激發產生的感應磁場變化.在周期為60～360 min的中等頻段(圖7b),地下和蒙城地磁臺的地磁總場時變特征幾乎完全一致,變化豐富且幅值可達40 nT,除了部分中頻磁擾引起的局部地磁總場變化之外,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),地下與蒙城地磁臺的地磁總場時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非周期性起伏變化.顯然,深地地磁總場觀測記錄了有效、低頻到高頻、豐富的時變特征,與蒙城地磁臺相媲美,可為相關基礎科學研究提供依據或參考.由于本次觀測實驗所用的GSM-19T質子旋進磁力儀和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,所觀測的數據缺少大于0.1 Hz的高頻地磁總場時變信息.鑒于礦區地下具備較優越的地磁環境,開展更高分辨率、更高精度、更高頻帶的SQUID超導磁力儀深地觀測是必要的(Nishijima et al.,2013).

圖7 2022年4月12—17日地下點位E(紅色)和蒙城地磁臺(藍色)的地磁總場時變特征

4 結論

通過本次淮南深地實驗室地下和地表的地磁總場連續觀測、分析及與蒙城地磁臺的比對,得到以下主要認識:(1)地下無(或弱)磁干擾點位的地磁環境較優越,可與蒙城地磁臺相媲美,適用于地磁場變化的高精度、長期連續觀測;(2)地下地磁觀測可以有效過濾地表面由工業和人類活動等引起的電磁干擾,記錄的地磁總場變化特征與蒙城地磁臺具有較好的耦合性,兩者差別微小且主要體現在低頻段的幅值上,這緣由點位附近的圍巖受外部磁場變化激發產生的感應磁場變化;(3)地下磁測可清晰記錄地磁場的平靜變化、不同周期磁暴、地磁脈沖等時變信息,可為研究地磁場演變、外部磁場環境變化、地下介質物理狀態變化、地震孕育發生機理等提供地磁學依據.本次淮南深地地磁觀測為后續深入開展深地地磁場多要素、高精度、寬頻帶、連續觀測與研究,以及建設深地地磁觀測站和比測站奠定了基礎.

致謝感謝評審專家的寶貴意見和建議.感謝軍事科學院與淮河能源(集團)股份有限公司、安徽理工大學對觀測期間安全保障與設備維護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觀測數據.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實驗交流,中國地質大學(北京)郭志芳博士參與了地磁總場特征分析討論,在此一并致謝.