地電場觀測漏電干擾的排查一例

陳志剛，田 山，徐學恭，馬朝暉，陳 嵩

（天津市地震局，天津 300201）

0 引言

徐莊子地震臺始建于1969年，地質(zhì)構(gòu)造在黃驊坳陷中部，西鄰滄東斷裂，北為板橋凹陷，出露巖性為第四紀松散沉積層。新生代覆蓋層厚度＞1 500m。臺站位置為（38.2°N，117.7°E）。本區(qū)地震活動活躍，經(jīng)歷過1978年唐山7.8級、2006年文安5.1級等數(shù)次較大地震。該臺的地電場從2007年5月正式觀測以來，一直使用國家地震局地震預測研究所研制的ZD9A－II地電場儀。近年來，由于各地經(jīng)濟的調(diào)整和發(fā)展，使地電場信號容易受到觀測區(qū)域周圍工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生活用電設(shè)施等對地漏電產(chǎn)生的干擾，這種干擾信號疊加在正常的地電場變化中，很難利用數(shù)學方法進行抑制和消除，影響了觀測資料的質(zhì)量及其在地震監(jiān)測中的應(yīng)用效能。所以這種現(xiàn)象一經(jīng)出現(xiàn)就必須盡快查找到干擾源的出處，并加以排除。本文介紹了徐莊子臺地電場觀測出現(xiàn)漏電干擾事件后，通過用觀測資料中各方向的干擾幅度對干擾源進行定向分析，再到現(xiàn)場進行排查的方法。經(jīng)驗表明：該方法可大大減小排查干擾源的工作量，提高效率，縮短地電場觀測資料受影響的時間。

1 思路和方法

徐莊子臺地電場2009年10月30日起NS向、EW 向長短極距同步出現(xiàn)不規(guī)則方波狀干擾變化，其出現(xiàn)的時間有早有晚，上升或下降后的持續(xù)時間有長有短，但每次上升或下降的幅度基本一致（圖1），干擾結(jié)束后回到正常值。由每次干擾出現(xiàn)和結(jié)束的時間及形態(tài)特征可初步確定為外部干擾來源。干擾出現(xiàn)的時間是在每年冬季，春季天暖時即消失，所以可以確認干擾應(yīng)該是供暖設(shè)備漏電造成的，所以在確定的方向調(diào)查供暖設(shè)備的使用情況是本次干擾排查的重點。

由于近年來在臺站周圍陸續(xù)建設(shè)了各種小型加工廠，其生產(chǎn)加工設(shè)施或采暖設(shè)備在使用中漏電均可對該臺地電場的觀測資料造成影響。所以應(yīng)首先使用地電場矢量合成的方法確定干擾源的方位，才能盡快查出漏電設(shè)備。目前國內(nèi)布設(shè)的地電場為多極距觀測系統(tǒng).利用多極距地電場觀測來排除觀測站附近噪音的方法，1982年始于希臘雅典大學“VAN”小組［1］，其觀測資料為查找干擾源提供了便利條件。

徐莊子地電場布極方式為L 型，其中長極距（O1，B1）、（O1，A1）分別為400m，短極距（O2，B2）、（O2，A2）為200m，方式如圖2所示。

由此，將同時觀測兩個方向的地電場分量進行矢量合成［2－4］（圖3），即可確定干擾源的方位；而利用同一測向不同極距觀測值的大小，可進一步確定干擾源的方向。

圖1 徐莊子臺的干擾變化

圖2 徐莊子臺地電場外線系統(tǒng)布極示意圖

圖3 地電場矢量示意圖

一般情況下，選擇兩個正交的方向進行測量，例如，選擇東向分量（Ex）和北向分量（Ey）作為觀測對象（圖3），然后計算其幅值｜E｜和東偏北角度α。

地電場強度E的矢量合成公式：

2 干擾源方向的確定

2.1 方向的計算

對干擾源方向的定向計算，源于地電場觀測方法的原理，即電場矢量合成的方法。利用軟件（MAPSIS）提取同一干擾事件各個測向不同極距上的干擾幅度值，通過三角函數(shù)計算得到干擾源入射地電場布極中心點的角度，從而確定干擾源的方位角。

為了研究方便，我們選取了2010年11月16日的電場數(shù)據(jù)進行深入的研究。經(jīng)過GIS軟件處理，我們提取2010年11月16日17點19分NS測向L／S記錄到的干擾事件（圖4）。

圖4 NS測向L／S（2010年11月16日17時19分）干擾事件

采用上述方法，計算其他測向的干擾幅度，并隨機選取了11月中其他4天的干擾事件，一并進行統(tǒng)計，把NS和EW 測向的干擾數(shù)據(jù)代入公式（2）計算，分別得到由長極距記錄的干擾所確認的方位角αL，由短極距記錄的干擾所確認的方位角αs，并計算αL和αs的平均值αLs，最后計算這5 天αLs的平均值，得到α＝43°。計算統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。

表1 臺站儀器干擾幅度及方位角統(tǒng)計

2.2 方位的確定方法

來自近場信號源的信息到達測點時，由于電位V 與距離r存在著V∝（1／r）的關(guān)系，即各點的電位與該點距信號源的距離成反比，所以各點的電位相差就較明顯，故長電極距觀測到的電場強度與短電極距觀測到的電場強度會相差很大，在觀測曲線形態(tài)和強度上會表現(xiàn)出較大的差別［5］。當?shù)仉妶龅膱鲈淳嘤^測點足夠遠時，在各向同性的均勻連續(xù)介質(zhì)中，同一方向的長短極距觀測到的地電場的強度應(yīng)該十分接近［6］。由（表1）中NS和EW 長短極距統(tǒng)計的干擾幅度，可以判斷出干擾源來自近場。

根據(jù)公式（1），計算 出11月16日17時19分干擾量合成后的電場強度，分別為EL＝3.33（mV／km），ES＝4.21（mV／km）。根據(jù)電場的性質(zhì)，電場強度恒指向電勢衰落的方向，因為干擾電場強度EL＜ES，所以可以確認干擾源是在EL和ES連線的延長線上，并從ES指向EL，從而可以判斷出干擾源應(yīng)處于臺站北東方向上，并與地電場電極系統(tǒng)大約成43°的某個位置。如（圖5）所示：

圖5 徐莊子干擾源方位示意圖

圖中RS表示公共電極O 點到短極距測點處的距離，RL表示公共電極O 點到長極距測點處的距離。

為了確定圖5中干擾源到公共電極O 點處的距離R，把干擾源看作電極系外一定距離處，半無限空間，各向同性，電阻率為ρ的一個點電源，建立點電源計算模型進行求解。點電源電場強度的表達式［7］：

式中：I表示漏電電流，ρ表示研究區(qū)域的電阻率，x表示點電源到測點處的距離，由公式（3）可以看出，電場強度E是一個隨y（x）＝x－2變化的冪函數(shù)，其大小和距離的平方成反比。

求解距離R的算法，依據(jù)沃特森－瓦特測向原理［8］，采用同一干擾事件中合成的電場強度EL和ES，利用公式（3）建立一組二元二次方程組，進行距離求解。以11月16日7時19分干擾事件說明求解過程，建立方程組如下：

其中：

以上方程組中，S表示短極距的長度，L表示長極距的長度，a表示方位角。把EL＝3.33mV／km，ES＝4.21（mV／km），L＝0.4km，S＝0.2km，a＝41°代入公式（4）和（5）組成的方程組求解R，得到一組結(jié)果R＝（1.89，－0.40）km，在此負數(shù)沒有物理意義，所以計算結(jié)果取R＝1.89km。按照同樣方法，計算其他4天干擾事件，計算統(tǒng)計結(jié)果如表2所示：

表2 臺站干擾場強合成量及距離R 統(tǒng)計

3 干擾源排查

根據(jù)以上分析結(jié)果，作者沿N43°E方位角，以公共電極O點為起點，半徑2.1km，進行了排查。經(jīng)過對在此范圍內(nèi)的數(shù)個工廠、高速公路收費站（大港服務(wù)區(qū)）、兩個村莊（徐莊子，小蘇莊）一一仔細排查，發(fā)現(xiàn)在距臺站500m 的徐莊子南，徐莊子小學（已廢棄）有一個木材加工廠，是唯一用電力設(shè)備取暖的地方，其他排查的地方都是煤火供暖。干擾事件出現(xiàn)的時段內(nèi)，木材廠經(jīng)常開啟大型電力設(shè)備取暖（木材加工不能見明火，所以不能生煤炭爐子取暖）。經(jīng)過對比木材廠開關(guān)供暖設(shè)備的時間和臺站干擾事件出現(xiàn)時間，發(fā)現(xiàn)其具有很好的同步性，所以確定木材加工廠電器供暖設(shè)備漏電就是干擾源（圖6）。

圖6 地電場觀測系統(tǒng)與干擾源的位置

2011年臺站協(xié)助廠方對用電設(shè)備做了防漏電處理后，至目前此類地電場觀測干擾未再出現(xiàn)。排除漏電干擾后的地電場數(shù)據(jù)曲線如圖7所示（以L極距為例）：

圖7 干擾排除后的電場數(shù)據(jù)曲線

4 結(jié)論

（1）對比理論計算結(jié)果和實際干擾源的位置，可以發(fā)現(xiàn)兩者十分接近，距離R有偏差，原因為求解距離R時，利用的點電源模型，電場強度公式是建立在場地介質(zhì)均勻，各向同性，電阻率ρ是一個常量的基礎(chǔ)上的，而實際場地并非如此，實際的電阻率也非常量，是隨著場地濕度、溫度或其它參數(shù)而改變，并且小于ρ，所以理論計算的距離R比實際距離要大，在實際排查時候可把距離R作為排查的最大邊界。

（2）通過以上對徐莊子地電場漏電干擾的研究，利用地電場觀測的原理，確認干擾源的方向；依據(jù)沃特森－瓦特測向原理，利用點電源模型建立方程組求解干擾源的距離，在臺站實際工作中，可以大大減小排查此類干擾源的工作量，提高效率，縮短地電場觀測資料受影響的時間。

［1］ 田山，王建國，徐學恭，等.大地電場觀測地震前兆異常提取技術(shù)研究［J］.地震學報，2009，31（4）.424－431.

［2］ 錢家棟，林云芳.地震電磁觀測技術(shù)［M］.北京：地震出版社，1995.

［3］ 高玉芬，錢家棟.地震及前兆數(shù)字觀測技術(shù)規(guī)范（電磁觀測）［M］.北京：地震出版社，2001.

［4］ 席繼樓，趙家騮，王燕瓊，等.地電場觀測技術(shù)研究［J］.地震，2002.22（2）：67－73.

［5］ 張秀霞，殷翔，郭建芳，等.江蘇地區(qū)地電場變化特征與差異性分析［J］.華北地震科學，2011，（1）：24－29.

［6］ 郭建芳，周劍青，佟鑫，等.地電場觀測中的干擾分析［J］.華北地震科學，2011，29（4）：38－43.

［7］ IEC 60050 121出版物，電磁學［S］.

［8］ Ferr6，P.A.，Rudolph，D.L.，Kaehanoski，R.G..Spatial averaging ofwater content by time domain reflectometry：hnplications for twinrod probes with and without dielectric coatings.Water ResourRes.1996，32：271－279.