李偉 馬欽忠 王冠玥

1)上海市地震局，上海市蘭溪路87號 200062

2)上海第二工業(yè)大學，上海 201209

0 引言

對大地電場的觀測和研究已有100多年的歷史，早期主要是用于探礦和地球結構勘探，將其運用于地震前兆觀測和研究則是在最近的40年(陳友發(fā)等，1999;孫正江，1999;鄭兆苾等，2005)。20世紀80年代以前，地電場觀測采用的是單極距觀測方式，該方式是測量某一方向上近地表兩個電極之間的電位差。由于觀測裝置自身的原因致使觀測數(shù)據(jù)中容易記錄到大量干擾噪聲導致有用信息無法識別，相關研究進展緩慢。1981年希臘雅典大學的三位學者Varotsos、Alexopoulous和Nomicos提出了利用地震電信號及其選擇性特征來預測地震的方法，并進行了震前地電場多極距觀測研究(Varotsos et al，1984a、1984b)，其后自1988年起他們多次公開發(fā)布預報意見，并報準幾次5～6級地震。此后，地電場預報地震的問題在國際學術界引起了極大的反響(錢復業(yè)等，2005)。所謂多極距觀測其實質是在同一方向上同時布設不同極距的電極，這樣形成的偶極電極可以測量出不同極距之間的電位差，這種電位差異反映了測區(qū)內地電場的差異。通過該方法可以區(qū)分出電極極化及測區(qū)內外擾動等的干擾信號，使得對噪聲的識別水平大為提高，從而為確定地震電信號提供了判別依據(jù)(Varotsos et al，1984b、1991)。我國早在1968年河北香河群測點開展了“土地電”觀測，其所測信號的物理量與“VAN”的觀測量類似(錢復業(yè)等，2005)。目前全國已建成并正在運行的數(shù)字化地電場觀測臺站有100多個。另外采用多極距觀測的形式與以往單極距觀測也大不相同。多極距觀測在很大程度上提升了地電場觀測系統(tǒng)對噪聲的識別能力，但由于目前噪聲來源及其多樣性，給觀測數(shù)據(jù)的異常識別帶來了很多不便。本文就以上海及周邊地區(qū)的地電場觀測數(shù)據(jù)為例，對地電場多極距觀測裝置系統(tǒng)的觀測數(shù)據(jù)進行屬性分析，并對異常數(shù)據(jù)的識別進行分析。

1 觀測原理介紹

1984年希臘雅典大學的“VAN”小組發(fā)表文章指出地震前地電場會發(fā)生變化。他們利用多極距裝置對地電場開展觀測，其中多極距觀測系統(tǒng)主要是在NS向和EW向分別布設多組具有不同極距的電極，通過分析在同一方向上不同偶極距之間地電場分量的差異來分析測區(qū)附近干擾對地電場觀測的影響。電極布設及觀測原理如圖1所示，圖中在某一方向上布設了長極距A、B，并在同一方向上再布設短極距A'和B'，其中A、B和A'、B'分別為一對偶電極。這樣偶電極與地面形成了回路，就可在同一方向上觀測到A、B和A'、B'之間的電位差，而不同的電位差與相應觀測距離之間的比值正好描述了該方位上不同觀測距離之間的電場強度E(馬欽忠等，2004)。計算公式如下:

其中VA、VB、VA'和VB'分別表示各電極埋設點的電位，LAB和LA'B'分別表示偶極距之間的長。由信號源產生的電位V會隨到觀測點距離r的增大而減小，對于觀測臺站，不同距離的信號源對多極距觀測系統(tǒng)中各個電極的電位變化影響也不同。對于遠源場而言，其場源到觀測點的距離足夠長，以至于場源對觀測系統(tǒng)中不同電極所產生的電位差異可以忽略，而相對于近源場，因其對觀測系統(tǒng)產生的電位差異較大而不能忽略。這樣來自臺站測區(qū)及測區(qū)周圍的噪聲如電極極化、降雨干擾和雷電等干擾就可以通過該系統(tǒng)區(qū)分開來，而來自遠場的擾動則可以通過分析不同方向的觀測或不同臺站的資料進行區(qū)分。

圖1 長、短電極距比較示意圖(馬欽忠，2008)

2 觀測臺站布極

自從國家“十五”計劃以來，全國已建成了由100多個數(shù)字化臺站組成的地電場觀測網。目前上海地區(qū)共有4個地電場觀測臺，采用的觀測儀器為ZD9A-Ⅱ型大地電場儀，該儀器采用六通道觀測，測量分辨率優(yōu)于10μV，頻帶范圍為DC-0.005Hz，這一指標決定了該設備主要采集電場中的直流信號。本文主要是運用地電場多極距觀測裝置對地電場觀測的異常情況進行區(qū)分和對比分析，選取的觀測臺站則是在日常工作中運用較多和相對熟悉的青浦臺、崇明臺和崇明長江農場臺，而浦東張江臺由于受地鐵干擾嚴重，故不參與對比分析。所選臺站的布極方式及極距參數(shù)如圖2所示。青浦臺采用“十”字型布極，崇明臺和長江農場臺采用“L”形布極，其中崇明臺和長江農場臺的布極點“A”處，同時布設有兩個電極，為南北向和東西向長、短極距的共用電極。電極均采用不極化電極，按照觀測技術規(guī)范與實地情況埋深約1m(中國地震局，2001)。

圖2 臺站電極布設示意圖

3 異常資料分析

地電場是由固體地球內部和外部的各種非人工電流體系與地球介質相互作用在地球表面所產生的電場。地電場包括大地電場和自然電場(錢家棟等，2004)。大地電場是指全球性或區(qū)域性的地電場，其場源來自地球外部電離層中的各種電流體系。自然電場是局部性相對穩(wěn)定變化的電場，場源來自于地下介質的物理化學反應引起的正負電荷分離而產生的電效應(錢家棟，2010)。由于大地電場場源的空間尺度要比自然電場大，所以影響范圍也比自然電場大，而自然電場主要影響局部區(qū)域。地電場是地球介質中的矢量場，其在地球表面的投影可作為平面矢量。在地電場觀測中，一般在南北方向和東西方向上各布設一對電極來接收電場信號，用同一方向上電極的電位差與電極間距離的比作為電場在該方向上分量的度量(馬欽忠，2008)。在實際運用中，可通過不同方向上觀測到的電場分量合成電場極化方位用以判斷異常信號方向(李偉等，2013)。

在實際工作中，往往會把一些干擾當成是地震前兆異常信號，而在看到真實的地震異常信號時又不能確定。主要原因還是對地電場觀測信號的物理意義理解不夠，沒有從異常信號產生的原理分析觀測信號發(fā)生變化的根本原因。

3.1 電極極化干擾

電極極化引起的變化是地電場觀測中較為常見的異常，該異常主要是由于鉛電極的離子Pb2+進入到土壤中，由于鉛離子本身帶正電而產生極化電位，使得監(jiān)測點的電位發(fā)生變化而干擾觀測(席繼樓等，2008)。目前觀測用電極雖然是不極化電極(實際上是“微極化”)，但是在埋入地下使用一段時間后，也會發(fā)生電極極化，產生極化電位。由于Pb2+的濃度會隨著溫度、地下水位和土壤介質的差異而不同，所以電極極化的差異隨季節(jié)變化，對不同測項其變化形態(tài)也不同，這些差異常常給數(shù)據(jù)分析帶來困難。在地電場多極距裝置中可以通過分析各個電極之間的電位差異來判定是電極極化干擾還是前兆異常。圖3給出了青浦臺在2010年1月21日的地電場觀測曲線，在2007年安裝運行3年后，6個觀測電極都出現(xiàn)了不同程度的電極極化現(xiàn)象，此時各觀測曲線之間的相關性較差。

圖3 2010年1月21日青浦臺觀測曲線

從圖3中可以看出，在不同測向上有較為明顯的電極極化干擾現(xiàn)象。在0～2時，地電場數(shù)據(jù)在東西向的長極距與短極距測項上同時出現(xiàn)了異常擾動而其他測項上并無類似的異常擾動。東西向觀測在東向采用的是共用電極，由此可以判斷該異常擾動是由東向電極即圖2中青浦臺“A”處的電極出現(xiàn)極化造成的。對比6個測項上的觀測曲線，發(fā)現(xiàn)在0～2時東西向長、短極距觀測的突跳現(xiàn)象比較明顯，這與A處的電極極化有關。圖3中，南北向長極距和北東向長極距的觀測曲線在5～6時和10～11時同時出現(xiàn)了突跳，其余4個測項上并未出現(xiàn)異常，由此可以判斷在青浦臺的北向電極即圖2中“D”處出現(xiàn)了極化。這兩道觀測曲線在24h內，類似的突跳比較頻繁且振幅較小。

在地電場觀測中，電極極化常常使得地電場表現(xiàn)出不均勻性，而正常的地電場變化不具備這種局部的不均勻性，從觀測數(shù)據(jù)出發(fā)，對觀測裝置進行分析就可果斷排除電極極化對異常識別的干擾。

3.2 雷擊干擾異常

雷擊干擾在地電場觀測中是比較常見的異常現(xiàn)象，雷擊干擾能使地電場觀測出現(xiàn)異常突跳，給地電場觀測數(shù)據(jù)分析帶來誤判。雷擊干擾主要是因閃電電流直接注入地下，使得觀測點的電位升高，在一定觀測時間內造成觀測曲線突跳，而后恢復正常。

圖4中，在15～16時觀測曲線出現(xiàn)突跳，持續(xù)約9min。對突跳數(shù)據(jù)進行分析后可知，該雷擊干擾在東西測向上的差異不大，而在南北向的差異較大，長極距兩電極間電位差為51mv，而短極距兩電極間電位差為77mv。由此可以判斷雷擊位置離臺站相對較近，符合近源場擾動的觀測特性。區(qū)分雷擊干擾異常主要靠臺站觀測人員對臺站天氣變化的記錄，對于無人值守臺站由于雷擊干擾滿足一定的均勻性，且同步性較好，通過單臺多極距觀測裝置要對其進行區(qū)分有一定難度。雷擊干擾一般具備近源場特性，且影響距離有限，可通過多個臺站的資料對比將其與其它擾動區(qū)分開。

圖4 2010年11月30日青浦臺觀測曲線

3.3 高壓直流輸電干擾

高壓直流輸電在近年發(fā)展較快，目前已投運的高壓直流輸電系統(tǒng)中，接地極不僅起到鉗制中性點電位的作用，而且還為直流電流提供通路(張震，2012)。當直流輸電以大地為回路時，電流將由作為陽極運行的接地極流入土壤，經作為陰極運行的接地極流回線路。當在直流輸電系統(tǒng)調試或發(fā)生故障時，此時接地極以單極形式運轉，較大的直流電流流入大地(徐韜等，2012;祝志祥等，2012)。流入大地的電流對地電場臺站的觀測數(shù)據(jù)質量造成嚴重的影響，甚至可以產生類似前兆異常的擾動，給數(shù)據(jù)分析帶來困難。從目前的觀測數(shù)據(jù)來看，直流輸電入地電流的干擾可以影響到距接地極約500km遠的地電場觀測臺站。由于電流在傳輸過程中的衰減變化，使得不同臺站觀測到的曲線在形態(tài)上產生畸變，干擾異常判斷。

圖5中，崇明臺和長江農場臺在2012年4月10日15～17時同時記錄到了異常擾動波形，如果只分析兩個臺站的數(shù)據(jù)，從擾動的一致性、均勻性和區(qū)域性來看，很可能認為該異常是一次自然電場異常事件，可能會判定為地震前兆，但對青浦臺數(shù)據(jù)分析后可知，該異常擾動是高壓直流輸電調試產生的擾動。調查后認為該異常擾動為青浦臺東南偏南方向的青浦區(qū)白鶴變電站(距離約16km)放電干擾。分析同一時段的數(shù)據(jù)得到，青浦臺地電場擾動振幅在南北向長、短極距的電位差分別為477.13mv和1637.27mv;在東西向長短極距的電位差分別為774.55mv和1009.29mv。南北向和東西向長、短極距電位差存在明顯的差異，且短極距電位差值均大于長極距電位差值，這說明該擾動相對于青浦臺為近源場擾動。

圖5 2012年4月10日崇明臺(a)、長江農場臺(b)和青浦臺(c)地電場觀測曲線

3.4 電離層擾動干擾與自然電場異常

引起電離層擾動的因素很多，如太陽活動時產生的耀斑、黑子等，而地磁活動也能引起電離層擾動，其特點是具有全球性，并且持續(xù)時間較長。在大氣活動劇烈的情況下也會引起電離層擾動(劉依謀等，2006)。對于地電場觀測，這些因素的存在常常給觀測數(shù)據(jù)異常的判斷增加難度。對于單臺地電場多極距裝置觀測系統(tǒng)，當擾動場源在影響觀測范圍內滿足一定的均勻性和同步性時，要區(qū)分其為干擾或是地震前兆異常是比較困難的。在這種情況下只有通過多個臺站，甚至要利用空間距離較大的臺站的數(shù)據(jù)對比才能進行區(qū)分。在一般情況下由電離層擾動產生的干擾范圍較大，影響面較廣，目前全國大部分的地電場觀測臺站在同一時間都能觀測到由其引起的異常擾動。電離層擾動的這一特點使得區(qū)分地電場觀測中的電離層擾動干擾和自然電場異常成為可能。自然電場場源主要來自于地殼淺層，其影響的空間范圍要明顯小于電離層擾動干擾。大量的研究表明，自然電場異常對地震預測研究有重要意義(毛桐恩等，1999;趙玉林等，1981;錢復業(yè)等，1998;馬欽忠等，2004;Varotsos et al，1993、2005;Varotsos，2005)。

圖6為崇明臺、長江農場臺和青浦臺在2012年3月12日記錄到的一次電離層擾動事件，持續(xù)時間從17時至21時，約4小時。全國大部分的地電場臺都能觀測到此次擾動干擾。對于電離層擾動干擾，可以從以下3個方面進行區(qū)分:①對比分析全國其它相隔較遠的臺站是否在同一時段有類似擾動存在，由于各個臺站的地下電性結構存在差異，多極距裝置的布極方式不同，建議選取較多的臺站進行比對;②查看地磁臺站H分量的觀測數(shù)據(jù)，如果該分量在同一時段內存在擾動即可認定為電離層擾動干擾，此時需注意地磁觀測中世界時與地方時的區(qū)分;③查看擾動持續(xù)時間，如果擾動持續(xù)時間較長則為電離層擾動的可能性較大，但該項指標只能用于初步判斷。

自然電場異常是地電場觀測中研究地震前兆的重要內容之一。捕捉自然電場異常信號可以為地震預測提供重要依據(jù)。圖7是一組地電場自然電場異常變化曲線。異常信號產生時間是2012年4月27日0～3時，曲線形態(tài)為4組正向脈沖信號。依上述分析，可以排除該擾動為電極極化干擾、雷擊干擾和高壓直流輸電干擾的可能。通過對上海周邊地電場臺站如南京臺、海安臺、高郵臺的數(shù)據(jù)分析后得出，該擾動現(xiàn)象并未在上述臺站出現(xiàn)，所以該擾動不是電離層擾動干擾，且擾動的時段在深夜，此時發(fā)生電離層擾動干擾的可能性不大。通過對崇明臺同時段的地磁H分量數(shù)據(jù)分析，該項觀測并未出現(xiàn)類似擾動現(xiàn)象。在排除上述擾動可能性及地鐵干擾、工業(yè)游離電流干擾和降水干擾的情況下，引起該擾動唯一的可能即為自然電場異常。地電場信號在該觀測區(qū)域內的3個臺站各臺6個測項分量上整體表現(xiàn)出同步性和均勻性，但對于局地各觀測臺站的干擾幅度大小及擾動形態(tài)又表現(xiàn)出似同步性和非均勻性。崇明臺的擾動幅度最大，約為120mv/km;長江農場臺擾動幅度約為7mv/km;青浦臺擾動幅度最小，為3mv/km。3個臺站接收到的擾動能量并不均衡，這有可能說明該信號源的位置對于3個臺站的距離和方位各不相同。另外，由于各臺站地下電性介質的差異及其布極方式、極距長短各異，對于接收強度不高的信號容易在觀測曲線形態(tài)、擾動振幅和位相變化上產生差異。

圖6 2012年3月12日崇明臺(a)、長江農場臺(b)和青浦臺(c)地電場觀測曲線

4 認識

本文通過分析地電場異常變化的原因，區(qū)分不同擾動源對地電場多極距觀測系統(tǒng)的影響表現(xiàn)，并分析不同地電場擾動數(shù)據(jù)的特性，得到了以下初步認識:

(1)地電場多極距觀測裝置通過區(qū)分不同電極之間的電位變化，大致可以識別出大多數(shù)在觀測場地內或是臺站附近發(fā)生的異常擾動，如電極極化干擾、雷擊干擾、測區(qū)內外生產作業(yè)等對地電場觀測的干擾，并可以對擾動源的位置進行相對分析，以判斷擾動源距觀測臺站的遠、近程度，為識別擾動信號的屬性提供依據(jù)。

圖7 2012年4月27日崇明臺(a)、長江農場臺(b)和青浦臺(c)地電場觀測曲線

(2)高壓直流輸電對地電場觀測存在不同程度的干擾，離高壓直流輸電入地電極較遠的觀測臺站，由于放電信號在傳播過程中衰減，可能發(fā)生異變，這種信號的影響區(qū)域要遠小于電離層擾動，如果對場源認識不足很可能認為是自然電場異常信號。

(3)對不同區(qū)域多臺間的資料作對比分析可區(qū)分電離層擾動與自然電場異常信號。對于單個臺站觀測而言，自然電場異常在6個測項分量上具有同步性和均勻性，而利用多個臺站的觀測資料比對，由于場源位置及臺站地下電性結構的差異，臺站間觀測曲線在位相變化、曲線形態(tài)和擾動振幅上有較大差別。

地電場多極距觀測在設置上增加的測項分量，實質上是增加了對異常信號的判斷機會，從原來的單極距信息變?yōu)槎鄻O距信息，增加的不僅僅是測項分量和數(shù)據(jù)，而是更利于對地電場擾動變化機理的分析。本文主要對在工作中容易導致錯誤判斷的異常擾動進行了分析，不足之處敬請諒解。