王鋒吉 侯海峰 魯成義 董春勇謬 杰 呂子強 金 鵬 呂春帥

1）山東省地震局，濟南250014

2）山東省郯城地震臺，郯城276100

3）山東省菏澤市地震局，菏澤274000

4）山東省莒縣地震臺，莒縣276500

（作者電子信箱，王鋒吉：sdwfj＠163.com）

引言

隨著山東省防震減災事業(yè)的發(fā)展，原有的辦公場所及辦公設施已經(jīng)不能滿足發(fā)展的需要，山東省地震局領(lǐng)導審時度勢，搶抓機遇，決定建設山東省地震監(jiān)測中心臺。臺址勘選工作投入了大量人力物力，測試記錄了大量觀測數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行了科學的計算分析，取得了較好的成果。最后該臺選址在濟南市歷城區(qū)旅游路與港西路交叉路口東北角的一處小丘上，綜合觀測環(huán)境比較理想。

1 概況

山東省地震監(jiān)測中心臺位于濟南市歷城區(qū)港 溝 鎮(zhèn)（36.65°N，117.222°E，高 程152m）。該臺是山東省防震減災科技園區(qū)的監(jiān)測區(qū)部分，臺址周圍環(huán)境較好，西臨港西路，南面及東面接武警山東總隊，北面是山東省地震應急救援訓練基地，再向北即為山東省地震臺網(wǎng)中心等單位。監(jiān)測區(qū)占地5.81hm2，是一個近似邊長為220m 的正方形場地。平均海拔155 m，區(qū)內(nèi)山體海拔高度167m。地貌為山丘，植被茂密。監(jiān)測區(qū)平面布局如圖1所示（比例尺為1∶3 000）。臺站于2011年9月開工建設，2012年年底竣工，目前各類觀測儀器即將投入正式運行。

圖1 監(jiān)測區(qū)平面布局圖

2 臺址的地質(zhì)構(gòu)造

濟南市位于華北斷塊東部，處于魯西隆起與華北沉陷的轉(zhuǎn)換帶上，西面有聊考斷裂帶，東面有郯廬大斷裂帶，轄區(qū)內(nèi)北東向斷裂和北西向斷裂交錯分布，在歷史上濟南曾發(fā)生過中強地震，也曾受周圍大地震的影響而造成大的破壞。濟南大部分區(qū)域?qū)儆诘卣稷隽叶葏^(qū)，部分區(qū)域?qū)儆诘卣稷髁叶葏^(qū)，存在發(fā)生中強地震的地質(zhì)構(gòu)造背景，濟南大地構(gòu)造分區(qū)圖見圖2。

圖2 濟南大地構(gòu)造分區(qū)圖

3 觀測山洞

觀測山洞是觀測儀器的主要觀察場地，面積581.6m2，覆蓋厚度達14m，長181m，呈“T”形分布，東西長50m，南北有兩條長基線巷道，長66m，子洞室14個（圖3）。每個子洞室內(nèi)設2 Mb／s通信光纖，UPS 220V凈化電源，形變及測震類觀測墩是在基巖上錨固?20螺紋鋼鋼筋的混凝土結(jié)構(gòu)，尺寸為1m×1m×1m，密封門25個，可常年基本保持恒溫恒濕狀態(tài)。山洞的溫度常年達到17～18℃，濕度為47%～48%，觀測環(huán)境在全國地震行業(yè)中可達先進水平。目前安裝了測震、強震、地形變等觀測儀器6臺套。

圖3 觀測山洞示意圖

4 地磁房選址

4.1 選址符合要求

為了使各種數(shù)字地磁觀測儀器記錄的地磁場長期和短期變化都能代表大范圍“正常”區(qū)域地磁場變化特征，避免由于局部不規(guī)則磁化地質(zhì)體引起磁異常而產(chǎn)生畸變，選址時搜集了所選臺址的地磁圖，航空磁測資料和有關(guān)地質(zhì)資料，弄清了臺址周圍地磁場背景、地質(zhì)條件等，選擇點為奧陶紀厚層石灰?guī)r地層地區(qū)。臺址設在地勢較高、地下水位較低的干燥區(qū)，避開了風口和各種電磁干擾［1］。臺址周圍300～500m 范圍內(nèi)，有供建立觀測磁偏角用的測量標志的地方。3個地磁房距離港西路的最近距離分別是190 m、210m、220m，周圍1 000 m 以內(nèi)無工廠企業(yè)，準絕對質(zhì)子矢量磁力儀室距離山洞的最近距離約為30m，絕對觀測室距離綜合辦公樓的最近距離為50m。

4.2 磁場梯度測量

在工程正式開工之前，2011年8月對地磁場地進行了線距10m、點距10m 的地磁場F 的梯度測量。考慮到各建筑物之間的距離必須符合“規(guī)范”要求，在相對記錄室建設施工的場址區(qū)30m×30m 的區(qū)域進行了1m 間隔的場址梯度測量。

4.3 場地情況

4.4 測量儀器及方法

采用G－856質(zhì)子旋進磁力儀逐點進行網(wǎng)格測量。測量時，采用兩臺G－856進行同步觀測，一臺在固定的參考點記錄日變，另一臺按順序進行逐點測量。每個測點均讀數(shù)3次，再取均值。

4.5 數(shù)據(jù)處理方法

將每條測線上各測點的測值與基準點上同時刻的F 值進行通化，即每個測點的觀測值減去基準點上同時刻的觀測值，就可得到每個測點減去時間變化后的觀測值，即：梯度＝測點讀數(shù)－日變讀數(shù)。

5 地磁房的設計

5.1 地磁房建設的條件和要求

地磁臺的相對記錄室、絕對觀測室和準絕對質(zhì)子矢量磁力儀室組成三角形，相互之間的距離大于30m。相對記錄室采用地下埋設玻璃鋼罐體結(jié)構(gòu)，室內(nèi)相對濕度＜85%。室內(nèi)日溫差＜0.3℃，年溫差＜10.0℃。絕對觀測室要求年工作溫度在0～35℃，室內(nèi)相對濕度＜85%。儀器墩建在基巖上，以保證長期使用不會傾斜或下沉。儀器墩離墻壁大于1.5m，墩與墩之間大于3m，周圍有隔離槽。儀器墩材料無磁性、墩面平整、水平與垂直梯度小于l nT／m。

在地磁房的建設中，材料的無磁性控制是保證記錄室質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。建設中使用的所有建材，如白水泥、石英沙、石灰?guī)r精制條石、玄武巖纖維筋、玻璃鋼罐體等材料，全部用質(zhì)子旋進磁力儀G－856 進行磁性檢測，對材料磁性進行量化控制；此外，各種金屬器件（釘子、把手、電線等）均為銅質(zhì)材料，臺站通過廠家直接定制，使用前同樣進行磁性檢測。另外，每完成一道工序或砌筑一層后均由臺站工作人員攜帶質(zhì)子旋進磁力儀G－856進行場地磁場梯度測量，實時控制建設質(zhì)量，直至工程結(jié)束。

5.2 相對記錄室建設

山東省地震監(jiān)測中心臺地磁房建設工程于2012年3月20日正式開工。相對記錄室嚴格按照規(guī)范要求設計建設，主要包括磁場梯度符合要求，儀器墩穩(wěn)固，保溫性能良好。

相對記錄室創(chuàng)新設計為全地下玻璃鋼罐體結(jié)構(gòu)，為國內(nèi)首創(chuàng)。玻璃鋼罐體是選用環(huán)氧呋喃樹脂、改性或聚酯樹脂、酚醛樹脂為粘結(jié)劑，由高樹脂含量的耐腐蝕內(nèi)襯層、防滲層、纖維纏繞加強層及外表保護層組成。玻璃鋼罐體厚度為4cm，具有優(yōu)良的物理性能，其最小環(huán)向抗拉強度為90MPa，最小軸向抗拉強度為60 MPa，熱傳導系數(shù)只有鋼的1／2，是一種很好的熱和電的絕緣體。該產(chǎn)品工作溫度在－50～200℃之間，具有無磁性、耐壓、耐腐蝕、抗老化、使用壽命長等優(yōu)點，且具有強度高、防滲、隔熱、絕緣、無毒和表面光滑等特點。

玻璃鋼罐體上噴涂約0.5m 厚的泡沫覆蓋，泡沫上再覆蓋一層保溫材料用于保溫，保溫材料上方用1m 深左右的黃土覆蓋，每道門都加封條。安裝玻璃鋼罐體前，開挖了深6m 呈“7”字型的地槽。相對記錄室建筑面積為70.74m2，室內(nèi)共設無磁性的大理石記錄墩4個，記錄墩下用玄武巖纖維筋混凝土一次性澆筑在玻璃罐體下部，墩間距3m，墩墻間距1.5m，用于安裝地磁相對記錄儀。分別用G－856質(zhì)子旋進磁力儀探頭緊貼基礎進行梯度測量，周圍無超標磁干擾。對出現(xiàn)的個別“異常點”均按要求進行了返工處理。

5.3 絕對觀測室建設

絕對觀測室建筑面積83.90m2。觀測室墻體采用山東省嘉祥縣生產(chǎn)的弱磁性石灰石，墻體灰漿為弱磁性硅酸鹽水泥和石英砂。用玄武巖纖維筋混凝土澆筑地梁、構(gòu)造柱、圈梁及房頂，房頂為一次性澆筑，設計為斜坡式，一端比另一端高出10cm。金屬制品全部是銅制件。內(nèi)有6個觀測墩，均用無磁性的大理石材料加工制成，觀測墩下用玄武巖纖維筋混凝土一次性澆筑在石灰石基巖上，使得觀測墩更加穩(wěn)固。

5.4 準絕對質(zhì)子矢量磁力儀室的建設

準絕對質(zhì)子矢量磁力儀室的設計類似于絕對觀測室，建筑面積24.56m2。

5.5 比測亭

地磁比測亭建筑面積為5.12m2，設計為一個景觀亭子。

6 等值線圖的繪制及結(jié)果分析

3個地磁房建成后，依據(jù)2012年7月26日對相對記錄室內(nèi)所測的數(shù)據(jù)及7月19日對絕對觀測室內(nèi)、準絕對質(zhì)子矢量磁力儀室內(nèi)所測的數(shù)據(jù)，通過surfer繪圖軟件繪制的等值線圖（圖5，圖6和圖7）表明，除已知干擾源外，場地的梯度值都比較平緩和均勻，測區(qū)內(nèi)等值線較密的地方說明磁場梯度的變化率較大，相反，等值線較稀疏，磁場變化就會平緩［5］。

7 綜合辦公室及其他

綜合辦公室建筑面積508m2，鉆孔應力觀測井房20m2，GNSS觀測室53m2，其中觀測墩整體高18m，打入基巖3m。

該臺按照國家基準臺的標準建設，現(xiàn)有測震、強震、形變、地磁場等觀測設施以及氣象三要素等輔助觀測手段，安裝有14 臺（套）觀測儀器，對53個測項進行觀測。承擔濟南及鄰近區(qū)域的地震監(jiān)測任務及部分新型儀器的實驗任務。各類儀器的接線圖如圖4所示。

圖4 儀器連接圖

圖5 相對記錄室內(nèi)磁場梯度等值線圖（1 m×1 m）

圖6 絕對觀測室內(nèi)磁場梯度等值線圖（1 m×1 m）

8 避雷

圖7 準絕對質(zhì)子矢量磁力儀室內(nèi)磁場梯度等值線圖（1 m×1 m）

各儀器房亦嚴格按照規(guī)范要求制作了避雷網(wǎng)，地磁房的避雷網(wǎng)是用紫銅帶制作的，在銅帶上澆降阻劑，其上覆蓋黃土，接地電阻均小于4Ω。

9 可行性分析

（1）在選新臺址時，首先考慮了離濟南市城市規(guī)劃發(fā)展的鬧市區(qū)遠一些，以防在短時間內(nèi)受到城市建設的干擾。

（2）在濟南周邊地區(qū)，勘測了大量地區(qū)，最后選定在濟南市歷城區(qū)旅游路與港西路交叉路口東北角的一座低矮的小丘上。所在位置有較好的交通和治安條件，工作生活較為方便。

（3）利用覆蓋層良好的山洞進行地震前兆研究觀測，具有恒溫效果好、臺址避開大的干擾源、受外界干擾小、維護方便等優(yōu)勢。

（4）這里背景噪聲低，沒有大功率發(fā)射體，符合數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?/p>

（5）臺基是堅硬致密奧陶紀厚層石灰?guī)r，不但完整，而且埋深很淺，無風化和破碎夾層，符合地震監(jiān)測規(guī)范要求。

（6）鉆孔應變的井孔鉆到了133m 深處的完整基巖中，且井斜小于4°。

（7）新的山東省地震監(jiān)測中心臺的觀測山洞、各類儀器房、避雷等設施，均采用了高標準建設。建臺過程中，除了專業(yè)的施工監(jiān)理外，還有3名地震監(jiān)測工作經(jīng)驗豐富的人員在現(xiàn)場檢測建材的磁性，堅決杜絕磁性材料。在建臺前的半年時間里，我們考察了大量建筑材料，確定了所需的無磁材料，準備工作比較充分。

（8）我們重點對這個場地進行了綜合分析，該處磁場梯度小，地下電導率均勻，遠離各種電磁干擾源。

（9）為有效避免和減少外界環(huán)境對觀測儀器的影響，在建臺過程中，采取了多項抗干擾技術(shù)。

10 地磁房結(jié)構(gòu)的狀況和發(fā)展

10.1 現(xiàn)狀分析

（1）木板房加銅釘。價格較貴，耐久性差，防火、防蛀等不易解決；

（2）拱型建筑，抗震性能較差；

（3）銅筋混凝土結(jié)構(gòu)。雖然技術(shù)成熟可靠，但是造價太高；

（4）現(xiàn)代無金屬結(jié)構(gòu)（纖維筋混凝土結(jié)構(gòu)、纖維砌塊結(jié)構(gòu)），其造價經(jīng)濟、施工方便，但有關(guān)的設計、施工、監(jiān)理和檢測規(guī)范等還有待進一步完善［6］。

10.2 發(fā)展趨勢

2000—2006年，天津靜海、河北昌黎、吉林長春、山東郯城的地磁房建設先后采用了碳纖維筋結(jié)構(gòu)；2007年，甘肅天水、嘉峪關(guān)、蘭州絕對觀測室和相對記錄室均使用了玄武巖纖維筋混凝土結(jié)構(gòu)，工程竣工投入使用，至今效果良好［6］。玄武巖纖維相對于碳纖維價格低廉，為此山東地震監(jiān)測中心臺絕對觀測室及準絕對質(zhì)子矢量磁力儀室建設，均采用了玄武巖纖維筋（其物理學性能見表1）混凝土結(jié)構(gòu)，既經(jīng)濟又有良好的抗震能力。玄武巖纖維筋作為結(jié)構(gòu)可以成為混凝土增強的新材料，不但價格低，而且還可以達到較為理想的效果，在地磁房建設中其可以替代鋼筋使用。相對記錄室采用的用樹脂材料做成的玻璃鋼罐體結(jié)構(gòu)，各項指標均符合規(guī)范要求，值得推廣使用。

表1 玄武巖纖維螺紋筋的物理力學性能

10.3 定位與發(fā)展

長期以來，儀器的自主研發(fā)忽視現(xiàn)場實驗、觀測條件、儀器的適用性研究及檢測標準等，儀器的穩(wěn)定性、抗干擾性，以及標定問題比較突出。山東省地震監(jiān)測中心臺目前定位為新技術(shù)觀測與研發(fā)的試驗性臺站，可以為儀器的自主研發(fā)提供一個良好的平臺。

結(jié)束語

2010年全國第4 次防震減災工作會議提出：防震減災工作要堅持依靠科技、教育、財政投入，強化物質(zhì)儲備、宣傳普及、合作交流，做到政策健全，保障有力。山東省地震監(jiān)測中心臺完全符合上述要求，是集監(jiān)測、科研、教學、科普于一體的大型地震綜合臺站。該臺是山東省觀測手段和測項最多的綜合性地震臺站之一。它的建成將為監(jiān)測、試驗、交流、教學、科普提供一個重要平臺，對增強濟南市乃至山東省的地震監(jiān)測能力將起到重要作用。

［1］周錦屏，高玉芬.地磁測量與地磁臺站工作指南.北京：地震出版社，1999

［2］國家地震局科技監(jiān)測司.地震電磁觀測技術(shù).北京：地震出版社，1995

［3］中國地震局監(jiān)測預報司.地震監(jiān)測：地震臺站建設規(guī)范——地磁臺站.北京：地震出版社，2002

［4］中國地震局.地震及前兆數(shù)字觀測技術(shù)規(guī)范.北京：地震出版社，2001

［5］張亮娥，閆計明，陳?？。?太原地震臺地磁相對記錄室建設中的質(zhì)量控制.地震地磁觀測與研究，2008，29（6）：71－75

［6］李大華，李凡，徐曉穎，等.現(xiàn)代無金屬地磁觀測室建造試驗研究.地震地磁觀測與研究，2003，24（6）：47－54