漏電對南昌地震臺電場觀測影響

余思，許志山，汪利波，陳浩

(1.江西省地震局南昌中心地震臺，江西南昌　330000； 2.江西省地震局，江西南昌　330000)

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漏電對南昌地震臺電場觀測影響

余思1，許志山1，汪利波2，陳浩2

(1.江西省地震局南昌中心地震臺，江西南昌330000； 2.江西省地震局，江西南昌330000)

摘要：針對南昌地震臺2013年11月16日出現(xiàn)的漏電干擾事件，建立了均勻半無限介質(zhì)的地面點(diǎn)電源模型，分析電場數(shù)據(jù)在近源場和遠(yuǎn)源場的區(qū)別，遠(yuǎn)場可近似為均勻場，近場為不均勻場；對比2種電場觀測方式(地電場和自然電場)對漏電源的響應(yīng)，對于南昌地震臺此次漏電源，2種電場觀測方式數(shù)據(jù)均表現(xiàn)為干擾產(chǎn)生的電場強(qiáng)度大小不一，且方向相反。

關(guān)鍵詞：地電場；自然電場；漏電干擾

0引言

地電場主要包括大地電場和自然電場。大地電場的場源是高空電離層、磁層、對流層的電流體系的電磁感應(yīng)，其影響分布于整個(gè)地表廣大地區(qū)。自然電場場源主要來自地球內(nèi)部(特別是地殼的淺層)由于正負(fù)電荷分離而產(chǎn)生的電流體系。地電場既受源的控制，又受局部介質(zhì)電性結(jié)構(gòu)的影響，而顯示出區(qū)域性差異。許多研究表明，在地震預(yù)測研究中，自然電場的震前異?，F(xiàn)象是值得重視的研究內(nèi)容之一[1-8]。因此，分析和研究地電場中自然電場變化的特點(diǎn)，是將地電場觀測用于地震預(yù)測研究的重要分支之一。

1982年，希臘雅典大學(xué)“VAN”小組[9,10]利用多極距裝置開展地電場觀測，并實(shí)現(xiàn)排除觀測噪聲的目的，之后，“VAN”小組對此方法做了很多研究[11]。我國20世紀(jì)80年代末期開始采用ZD8數(shù)字地電儀，并獲得大量豐富的自然電場時(shí)均值資料。但是由于地電場觀測受到的干擾因素較多[12-14]，致使數(shù)據(jù)異常，給觀測數(shù)據(jù)、異常分析、科學(xué)研究和地震預(yù)報(bào)帶來較大困難。其中由于經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，地電場外線路較長，雜散電流對地電場影響問題尤其突出。王新勝等[15]利用接地電阻測試儀來快速檢測地電場地埋電纜漏電；陳志剛等[16]為排除漏電對臺站觀測的干擾，利用電場矢量合成的計(jì)算方法，確定了干擾源的方位，并對該方向用電設(shè)備進(jìn)行詳查，最終確定漏電源。

1理論模型

地電場分量觀測的基本方法是在指定方向、按照一定的電極極距布設(shè)如圖1所示的觀測裝置，測量該裝置下2個(gè)電極A和B之間的電位差V。該電位差V中包含的物理量為天然的大地電場和自然電場，也包括可能電極極化產(chǎn)生的電位和環(huán)境干擾電場，如式(1)：

V=Vt+Vsp+Vp+Vn

(1)

式中，Vt為大地電場，Vsp為自然電場，Vp為極化電位差，Vn為干擾電場。

圖1　地電場觀測原理示意圖

設(shè)地面為無限大平面，地下充滿均勻、各項(xiàng)同性的導(dǎo)電介質(zhì)，當(dāng)電流源O在地表向地下供入電流I時(shí)，地中電流線的分布便以O(shè)為中心向周圍呈輻射狀，如圖2所示。

圖2　點(diǎn)電源電場模型

求距離O點(diǎn)為R處A點(diǎn)的電位公式，選用球形坐標(biāo)，把原點(diǎn)置于O點(diǎn)，由于任一點(diǎn)的電位與方位角Φ與極角θ無關(guān)，故球坐標(biāo)系中的拉普拉斯方程簡化為：

(2)

將它積分2次，則得：

(3)

C，C1均為積分常數(shù)。當(dāng)R→∞，U=0，故C1應(yīng)等于零。在半無限介質(zhì)中，由于電流為I，故：

(4)

另一方面，

(5)

因此，

(6)

將C1，C值代入公式得，則有：

(7)

(8)

這就是均勻、各向同性半無限介質(zhì)中，點(diǎn)源電場的電位分布公式。

B電極到點(diǎn)電源O之間的距離為r，即AB之間的電位差為:

(9)

則AB的電場強(qiáng)度為：

(10)

由于電位U與距離R成反比，因此對于具有相同強(qiáng)度的信號源，距離觀測點(diǎn)遠(yuǎn)，在2個(gè)不同極距上產(chǎn)生的電場強(qiáng)度，大小會近似相等；而距離觀測點(diǎn)近，在2個(gè)不同極距上產(chǎn)生的電場強(qiáng)度，大小會差別較大；特別是，當(dāng)信號源位于測區(qū)內(nèi)部，2個(gè)極距上觀測到的地電場分量值甚至?xí)栂喾?。因此，采用多極距裝置系統(tǒng)觀測地電場，可以區(qū)分地電場觀測中相對近源的信號和相對遠(yuǎn)源信號。即，遠(yuǎn)源場是均勻的或者準(zhǔn)均勻的；近源場是非均勻的。

2電場觀測方式

2.1地電場

南昌地震臺地電場是江西省地震局“十五”網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目區(qū)域前兆臺網(wǎng)建設(shè)地電場分項(xiàng)的新建項(xiàng)目。地電場觀測采用“三方向，多極距”的觀測方法，南昌地震臺地電場的電極按“L”方式布設(shè)(圖3)，2個(gè)測道的方位分別約為北東45°、南東135°，斜道方位約為正南北，2個(gè)測道大致呈正交布設(shè)，東西測道長227m，南北測道長178m。

圖3　南昌地震臺地電場觀測方法示意圖

圖4是南昌地震臺地電場日變曲線圖，為儀器安裝初期，時(shí)間段為2008年12月1日至2008年12月5日。從圖4中可以看出，地電場的日變形態(tài)比較清晰，且三分向變化形態(tài)相似，一天24小時(shí)呈現(xiàn)雙峰雙谷變化，半日波較為明顯，呈現(xiàn)出比較典型的地電場日變化形態(tài)。不同測道之間數(shù)據(jù)相關(guān)性較好，變化幅度一致，南北測道與東西測道呈正相關(guān)性；與北西測道呈負(fù)相關(guān)性。由圖4可以看出，在不同方向上，即南北、東西、北西3個(gè)方向上曲線的變化形態(tài)是一致的；在相同方向上，不同極距之間，變化形態(tài)也是一致的，而且相位基本相等。

圖4　南昌地震臺地電場日變曲線

自2010年以后，由于南昌地震臺地電場觀測數(shù)據(jù)影響因素較多，特別是電極極化、電極埋設(shè)高差[17]導(dǎo)致現(xiàn)在觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量較差。南昌地震臺地電場各向長短極距相關(guān)系數(shù)月均值變化曲線，如圖5所示，南北長短極距相關(guān)系數(shù)均在0.3以下，東西長短極距相關(guān)性要好于南北，但是也在0.5以下，斜道(及北西)長短極距變化幅度較大?？傮w來看，南昌地震臺地電場觀測資料可靠性不高。

圖5　南昌地震臺地電場相關(guān)系數(shù)月均值變化曲線

2.2自然電場

地殼應(yīng)力研究所試驗(yàn)儀器地電場儀有26個(gè)測量通道，進(jìn)行多方位、多通道的地電場觀測，通過計(jì)算可得出大地電場和自然電場。以觀測區(qū)域中心點(diǎn)O為基準(zhǔn)點(diǎn)，按圖6所示的方法埋設(shè)電極P1～P8，每個(gè)測道35 m左右，測道夾角為45°，在基準(zhǔn)點(diǎn)(即O點(diǎn))和其他電極點(diǎn)埋設(shè)一組(3只)電極，以用于識別和監(jiān)測電極的極化電位的穩(wěn)定性。

圖6　南昌地震臺自然電場觀測方式示意圖

記錄到地電場正常的日變形態(tài)，曲線呈現(xiàn)雙峰雙谷，測值在幾到十幾毫伏之間。同一極坑中的3只電極記錄在電極正常情況下，形態(tài)一致如圖7a所示；如果電極有問題，則3條曲線形態(tài)不一致。相對極坑中的電極記錄形態(tài)相反是因?yàn)橹行碾姌O作為負(fù)極，所以相對極坑中的觀測曲線呈現(xiàn)相反形態(tài)(如圖7b所示)及同極坑電極之間為正相關(guān)，相對極坑電極之間為負(fù)相關(guān)，由此可以判斷數(shù)據(jù)質(zhì)量。

a.同一坑中觀測數(shù)據(jù)趨勢

b.相對坑中觀測數(shù)據(jù)趨勢圖7　南昌地震臺自然電場觀測數(shù)據(jù)

3干擾源影響

2013年11月16日起，2種觀測方式的各測道同步出現(xiàn)臺階干擾變化，臺階方向有正有負(fù)，臺階大小不一。最后在2014年3月26日查明是臺站內(nèi)部電線破損搭地，以自然電場中心點(diǎn)為參考點(diǎn)，漏電源在自然電場中心點(diǎn)北西方向約170 m處。臺站重新接線，排除了漏電源干擾，數(shù)據(jù)恢復(fù)正常，由于干擾源持續(xù)，所以觀測數(shù)據(jù)臺階一直持續(xù)(圖8～圖9)。

圖8　南昌地震臺地電場南北、東西短極距數(shù)據(jù)

圖9　自然電場第1、5道數(shù)據(jù)

由于南昌地震臺地電場數(shù)據(jù)可靠性較差，只能作為參考，從南北、東西短極距可以看出，南北短極距數(shù)據(jù)下降約350 mv/km，東西端極距上升達(dá)到800 mv/km，數(shù)據(jù)階變且臺階方向相反。自然電場數(shù)據(jù)測值突然增大，均產(chǎn)生階變，且第3、4、5道臺階方向?yàn)樨?fù)，其余5道為正，變化幅值不等；數(shù)據(jù)噪聲增大，突跳增多。圖10為通道第一電極和第二電極的相關(guān)系數(shù)曲線，相關(guān)系數(shù)主要用于識別同一極坑中3個(gè)電極是否正常工作，從圖10可以看出，在220 V交流漏電期間，電極觀測數(shù)據(jù)的相關(guān)性差。正常數(shù)據(jù)情況下，相關(guān)系數(shù)均值為0.9左右，而在漏電干擾期間，相關(guān)系數(shù)急劇下降，呈突跳狀。

圖10　自然電場相關(guān)系數(shù)

4討論

(1)從南昌地震臺地電場與自然電場數(shù)據(jù)分析，干擾數(shù)據(jù)較正常數(shù)據(jù)相比，突跳增多、數(shù)據(jù)形態(tài)加粗，且自然電場數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)下降，嚴(yán)重影響了數(shù)據(jù)的內(nèi)精度。地電場“多極距、多方向、同坑多電極”觀測方式可以監(jiān)測電極與觀測系統(tǒng)的穩(wěn)定性，識別數(shù)據(jù)正常與否。

(2)從理論建模分析，對于具有相同強(qiáng)度的信號源，距離觀測點(diǎn)遠(yuǎn)，在2個(gè)不同極距上產(chǎn)生的電場強(qiáng)度，大小會近似相等；而距離觀測點(diǎn)近，在2個(gè)不同極距上產(chǎn)生的電場強(qiáng)度，大小會差別較大；特別是，當(dāng)信號源位于測區(qū)內(nèi)部，2個(gè)極距上觀測到的地電場分量值甚至?xí)栂喾础τ诖舜温╇姼蓴_源，南昌地震臺地電場與自然電場數(shù)據(jù)電場分量符號有正有負(fù)，干擾幅值大小不等，說明干擾源位于測區(qū)內(nèi)部，查找得出的漏電源位置與理論相符。

(3)對于同一干擾源，從干擾數(shù)據(jù)分量符號、干擾幅值大小，可以簡單定性確定干擾源為近源場還是遠(yuǎn)源場。

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THE INFLUENCE OF THE ELECTRICITY-LEAKING INTERFERENCE IN ELECTRIC FIELD OBSERVATION AT NANCHANG SEISMIC STATION

YU Si1, XU Zhishan1,WANG Libo1,CHEN Hao1

(1.NanchangSeismicStation,EarthquakeAdministrationOfJiangxiProvince,Nanchang330000,China;2.EarthquakeAdministrationOfJiangxiProvince,Nanchang330000,China)

Abstract:Based on the interference of the electricity-leaking on Nov.16th,2013 at Nanchang seismic station, the ground point power source model in homogeneous semi-infinite medium is built in the paper,the differences between near-source and far-source are analyzed and compared the leakage interference responses of the two electric field observations(geoelectric field and spontaneous field).

Key words:Geoelectric field;Spontaneous field;Electricity-leaking interference

中圖分類號：P315.72+8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1005-586X(2016)01-0066-07

作者簡介：余思(1988—)，女，湖北孝感人，助理工程師，主要從事臺站監(jiān)測工作。E-mail:yusi24101988@126.com。

基金項(xiàng)目：2015年中國地震局三結(jié)合課題(課題編號：151402)資助。

收稿日期：2015-06-24