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地磁房建筑材料磁性检测方法探讨

我国一些地磁台站在新建或改造过程中积累了一些经验,但因地理环境因素不同,所用建设方法也不尽相同。格尔木台地磁观测项目是全国15个Ⅰ类地磁台之一,监测该区地磁场的变化。建成后的格尔木地磁台将提供高精度、高保真、稳定连续的地磁观测资料,格尔木地磁观测项目以其重要的地理位置在地球基本磁场和空间地球物理场测定及地震预报方面正发挥越来越大的作用,为监测青藏高原地震活动和孕震环境提供基础数据,为青藏高原地区防震减灾提供科学依据和台站优化布局的目标进行初步设计,落实观测场地具体位置。《地震台站建设规范地磁台站》(DB/T9—2004)和《地震台站观测环境技术要求》(GB/T19531—2004)要求:只有无磁或弱磁性的地磁观测环境,才是满足现代化数据地磁仪器的工作条件的唯一方法。所以,对于地磁房的建设,建筑材料的检测合格与否才是关键的首要条件,只有弱磁性的地磁房观测环境,才能产出稳定合格的数据。

1台站简介

格尔木地磁台始建于1973年(始建台址在诺木洪),1975年迁至青海省格尔木市河西小岛。台址位于柴达木盆地南部,东昆仑断裂带的北部。1981年,中国地震局拨专款对该台站进行了改扩建,形成了地磁Ⅰ类、测震和水氡Ⅱ类的国家级综合性地震基本台站。本项目建设于青海省格尔木市河西小岛格尔木地震台院内,本次建设地下相对观测室,新建建筑面积110m2;征地31.357亩,修建围墙540m。近年来,格尔木地区大量移民,许多农民在台站周围私自建房,开垦土地,对格尔木地磁台地磁观测环境造成一定破坏。原定2015年对格尔木地磁房进行改造,但因之前的建筑规范经多次检测不达标,因此于2019年为格尔木建设新地磁房,顺利落成的台站地磁房会弥补监视区的空缺并对地磁台网的布局进行了完善,提升我国地磁基本场和变化场等地震背景场探测能力。工程于2019年9月完工。在格尔木台建设中,包括场地清理、建筑材料检测、磁房建设,梯度检测以及仪器架设等环节,对建设过程进行分析,能够给其他台站地磁房的改造和建设提供一些借鉴。

2检测仪器

对于建筑材料的磁性检测,格尔木台使用的是1套G856磁力仪材料的磁性检测、2套GSM-19T标准质子磁力仪和日变量的观测。其中一台GSM-19T标准质子磁力仪作为备用仪器。GSM-19T标准质子磁力仪指标为:分辨率0.01nT、灵敏度<0.05nT、采样率3~60s、绝对精度±0.2nT、动态范围20000~120000nT、梯度容差>7000nT/m,适用于材料磁性检测。三套仪器均符合检测标准,GSM-19T标准质子磁力仪精度为0.01nT,产出数据比较慢,通常在3~4s左右;G856磁力仪精度为0.1nT,产出数据比较快,通常在1~2s左右,但其探头具有固定指向性,操作起来不具备灵活性。所以,经两套仪器对比,GSM-19T标准质子磁力仪有方便快捷、读数精准,操作简单等诸多优势,故在检测材料时多用GSM-19T标准质子磁力仪进行检测,而G856磁力仪多用于日变量的观测。同时,为了方便检测大理石墩,购置两套SM-30磁化率仪,该仪器使用较为方便,能够快速检测石墩磁性。

3建筑用材的磁性检测

3.1检测方法。检测依据:相较于相同物质的建筑材料磁性检测,△F和被检测物的体积成正比,与仪器测量探头到被测物体距离的平方成反比,即被测材料体积越大(但在实际检测中材料一般不超过0.5m3),距离越小就可以越准确地检测材料的磁性。利用GSM-19T和G856两套磁力仪可以测出所需场地任何位置的地磁场场强F值。因此在格尔木地震台地磁房建设过程中,一般会使用G856磁力仪作为日变量的观测仪器,用于观察当日是否有磁扰动或是磁暴现象。将仪器的探头指北的同时固定在一个特定区域内,测出10~20组日变量数据以确定当日的磁场是否稳定。用GSM-19T磁力仪检测材料磁性大小,GSM-19T磁力仪显示的F值为该区域地磁场强度,被测建材磁感应强度及剩磁强度的矢量和,矢量和与前期测试时的地磁场场强差ΔF,所得结果就是检测建筑材料是否符合规范要求的数值。3.2施工前准备。由于格尔木地磁房是在原址上新建,所以场地堪选只需粗略测即可,需清空原有场地内的所有材料,重新铺设地平。开工前选择一块空地,在空地浇筑一块10m×20m水泥地,用G856磁力仪和GSM-19T磁力仪对场地以1m×1m点距、探头高度1.5m的磁场梯度测量。利用G856磁力仪固定场外某一定点位置进行日变量的观测,用GSM-19T磁力仪逐点进行场地观测,将测点值与日变量测值相减,该数值即为观测点位的磁场变化量。利用surfer软件将变化量生成等值线图,测量结果显示场地磁场梯度差异不大,则此空地区域内可进行建筑材料的检测。3.3检测步骤。格尔木台地磁房建筑材料磁性检测步骤:(1)制作无磁性方木桌,在连接处不得使用铁钉,必须使用铜钉进行连接固定,在磁力仪探头一定区域内不引起磁场波动。(2)在空地选择一个无磁固定位置安放无磁性方桌,将磁力仪探头放于方桌桌面一侧的中间位置,探头略高于方桌。(3)将被测材料放于统一材料袋中(较长材料除外),每袋约0.3m3。(4)放置材料前用G856磁力仪在距离方桌10m处测10组日变量数据以确定磁场稳定。(5)用GSM-19T磁力仪测一组未放置材料的空值,然后将被测材料放于该桌面中心位置,每测得一组数据后将该材料进行旋转,依次测得4个方向的数据,最后移除该材料再测1组空值。(6)将观测出来的6组数据进行对比,当其中任意2组数据之间的差值小于0.5nT时,说明该组材料符合地磁房建筑材料用材标准,若超出此范围,则需重新检测,若结果仍大于0.5nT则弃用。在实际操作中,为了减小材料混合后磁性数值的增大,在正式检测当中要求所测材料均小于0.3nT,防止日后材料浇筑时出现数值变大的可能性。当检测如铜筋等较长的材料时,为了检测其磁性,可以用分段检测的办法进行检测。3.4样品检测。地磁房建设既要保证建筑质量,又要保证建筑材料磁性合格,因此对建筑材料的实地跟踪检测也必须同步进行。研究调查表明,格尔木台磁房施工中可能使用到的建筑材料有:铜筋(替代钢筋)、木材、石英砂(无磁性或弱磁性)、石灰石(墙体)、大理石仪器墩、白水泥(无磁性或弱磁性水泥)、铜制五金(铜钉、门把手等)等。在材料进场前应随机抽取5袋建筑材料,用GSM-19T质子磁强计和G856磁强计进行磁力检测。每袋材料测量6组数据,取最大差值作为试验结果,若最大差值在合理范围内则代表该样品为合格建筑材料。应到生产石英砂、水泥等厂家进行实地抽查以确保材料的弱磁性,但由于有些厂家距离格尔木比较遥远,只能先由厂家寄样品进行抽检,样品检测合格后方能确定是否使用该厂家的材料。

4磁房建设磁性检测

4.1跟踪检测。跟踪检测地磁房建筑材料也是重要环节。在地磁房浇筑地平以及墙体时,每铺高0.5m,以0.5m为间隔,作业人员身着无磁性衣服,手持GSM-19T磁力仪探头在距离被测物10cm处逐点进行测试,每个测点读数一次,相邻两点之差大于0.5nT时要重新测量。在排除日变干扰时,对超差较大的区域进行挖掘,排除有可能影响磁场的杂质以及铁磁性物质,重复测量直至合格为止。此次格尔木台地磁房的建设实时跟踪检测大理石墩、水泥、石灰石、石英砂等,都是为了达到磁性的要求。施工过程中部分石英砂跟踪检测结果如表1~3所示,均合格。4.2场地检测。由于格尔木台是在原址上进行重建工程,2015年改造已将原址开挖,所以动工之前先进行了一次场地测量,待全部清空磁房内所有材料后进行第二次场地测量。采用GSM-19T标准质子磁力仪,探头设置的探杆高度为1m,测点间距为1m,在地磁房场地前后清理测量磁场的梯度。前后两次测量梯度对比如图1所示,可见格尔木台地磁房建设达到国家地磁台站建设规范要求。4.3混凝土搅拌后的检测。制作一个无磁性的2m×3m木质检测方盘,在施工场地内选择一个远离工程机械干扰较大的区域放置检测盘。由于混凝土数量较大,需用工程机械车来回运输,所以工程机械车将搅拌好的混凝土放进检测盘后,需要撤离至离检测盘100m外的距离,以减小干扰。以30cm的距离作为检测点,将GSM-19T磁力仪探头尽量紧贴于搅拌好的混凝土表面,进行横竖9个测点的磁性检测,每测一次都要保证与前一测点的测量值之差小于3nT,如果大于3nT则要翻找混凝土,排除干扰性物质后仍然不合格,则方盘内的材料弃用。4.4地磁房梯度检测。2019年9月,格尔木台地磁房全面建成,进行磁场梯度检测,采用GSM-19T磁力仪对地磁观测室进行检测,G856磁力仪作为日变量进行观测,作业人员身着无磁性衣服进入磁房,手持GSM-19T磁力仪探头,探杆高度为1m,测点间距1m,东西观测室内磁场梯度如图2所示。从检测结果看,存在不理想的地方,但对日后仪器产出的数据影响不大。对大理石观测墩也进行检测,测量结果合格。结果表明建设地磁房的所有建筑材料对磁房的磁场没有造成影响,达到了国家的规范要求。4.5遇到的问题。(1)在检测碎石,石英砂等材料时,每袋的检测数据都合格,但所有材料混合后磁性较大,甚至达到5nT以上。(2)检测混凝土时出现不合格的次数明显增多,经排除检查,多为杂质掺和。采用以下方法:先对石英砂、碎石等这些磁性较大的材料进行筛选,再用高强度磁铁把铁磁性物质吸出。规定在0.5nT以内为合格,但在实际测量中尽量控制在0.3nT以内,以防混合后数值再有上升的可能性。

5结语

(1)在地磁房的建设过程中,建筑材料磁性检测的程序至关重要,检测的方法对地磁房最后的合格与否起到关键性作用。(2)在地磁房的建设过程中,在满足检测条件的前提下,可节约成本,并根据台站自身条件恰当选择材料,同时施工过程也十分重要,必须密切监测施工动态,例如在搅拌混凝土时必须小心谨慎,防止有铁磁性的物质掺入。(3)在地磁房建设完成时,测量梯度达标,搬进仪器后运行产出的数据正常可用,说明格尔木地磁房的建设达到了国家规范要求。此次的建设经验也可以为青海省或者全国其他台站日后建设或者改造地磁房提供参考。

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作者:徐恺晖 杨广华 周瀚琳 杨 芳 单位:青海省地震局

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