山西數(shù)字化地電場儀觀測系統(tǒng)干擾分析

李　穎，胡玉良，程冬焱

(1.山西省地震局，山西　太原　030021；2.太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，山西　太原　030025)

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山西數(shù)字化地電場儀觀測系統(tǒng)干擾分析

李穎1，2，胡玉良1，2，程冬焱1，2

(1.山西省地震局，山西太原030021；2.太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，山西太原030025)

對山西省5個地電臺站的大地電場觀測資料進行分析整理，對影響數(shù)字化地電場儀觀測的觀測系統(tǒng)干擾因素加以識別和分析，以期為地電場儀觀測中干擾因素的有效排除及觀測系統(tǒng)日常維護提供參考，有助于提高前兆資料的使用價值。

地電場；觀測系統(tǒng)；干擾分析

0　引言

大地電場觀測是地震前兆觀測的重要手段之一。山西省“十五”數(shù)字化地電場儀安裝運行以來，記錄到豐富的電磁場變化信息，但隨著觀測儀器采樣率和靈敏度的提高，系統(tǒng)自身對大地電場觀測的影響也隨之增多，嚴重影響正常的日變形態(tài)。地電場觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)非正常變化時，應先對觀測系統(tǒng)、裝置系統(tǒng)進行檢查。本文利用大同、代縣、太原、夏縣、臨汾5個地電臺站的地電場觀測數(shù)據(jù)，對臺站實際觀測中常見的觀測系統(tǒng)干擾因素進行深入分析，并對典型干擾的形態(tài)特征及干擾機制進行探討，提出合理的處置方法與措施，以期對今后大地電場日常觀測中的干擾識別和排除有所借鑒。

1　山西地電場觀測概況

山西省共有5個地電場觀測臺站，分別為大同中心地震臺、代縣中心地震臺、太原基準地震臺、臨汾中心地震臺和夏縣中心地震臺，依次分布于大同、忻定、太原、臨汾、運城5大斷陷盆地(見圖1)。目前，山西區(qū)域大部分地震前兆臺網(wǎng)所用的大地電場觀測儀器是中國地震局預測研究所生產(chǎn)的ZD9A-Ⅱ型數(shù)字地電場儀(“十五”數(shù)字地震觀測網(wǎng)絡項目)，其中臨汾臺因2014年12月華北片區(qū)儀器更新改造，原地電場儀ZD9A-Ⅱ更換為ZD9A-2B；測量電極是LGB-2型固體不極化電極，埋深均≥3米；觀測外線路均呈雙“L”型六測道布極；大同、代縣架設方式采用架空式，太原武家寨、夏縣、臨汾為地埋式。山西地電場儀安裝遵循中國地震局《地震及前兆數(shù)字觀測技術(shù)規(guī)范》(電磁觀測)和《中國地震前兆臺網(wǎng)技術(shù)規(guī)程》的技術(shù)要求。

圖1　山西區(qū)域地震前兆臺網(wǎng)地電場空間分布圖Fig.1　Spatial distribution of geoelectric field of earthquake precursor network in Shanxi

2　地電場觀測系統(tǒng)

地電場觀測系統(tǒng)主要由測量裝置系統(tǒng)(外線路、電極等)和測量系統(tǒng)(主機、電源)組成(見圖2)。其中裝置系統(tǒng)是測量系統(tǒng)的基礎和依托設施；測量系統(tǒng)作為核心部分，是產(chǎn)生信號的源和信號檢測以及產(chǎn)出最終結(jié)果的設備。觀測系統(tǒng)主要負責完成地電場信號的采集、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)傳輸處理等工作。

圖2　地電場觀測系統(tǒng)圖Fig.2　Observation system of geoelectric field

3　觀測系統(tǒng)干擾及影響分析

觀測系統(tǒng)各部分能否正常運行直接影響觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量。圍繞山西區(qū)域地電場觀測中出現(xiàn)的電極故障、外線路故障、供電系統(tǒng)故障、主機故障及數(shù)采故障等常見的幾種系統(tǒng)干擾展開分析。

3.1電極故障

測量電極是影響地電場觀測資料和數(shù)據(jù)非正常變化的主要因素。山西5個地電臺站目前使用的電極是蘭州大地物探研究所生產(chǎn)的LGB-2固體不極化電極，該電極的實現(xiàn)原理是：一對電極在類似的介質(zhì)條件下，產(chǎn)生的極化電位基本一致。這組電極埋設到土壤中(或其他導電介質(zhì)中)可以保證電極間的極化電位差Vsp盡可能小[1]。固體不極化電極的基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　地電場不極化電極結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3　Structure of non-polarizing electrode of geoelectric field

地電場測量電極故障可分為兩類，其一是電極與線路連接處故障，主要為線路銹蝕造成的接觸不良；另一類是電極老化。其中影響電極老化的原因可能是由于固體不極化電極的埋設時間增長，使電極固體電解液與土壤接觸不良甚至分離，導致接地電阻增大的同時電極固化，造成本身內(nèi)阻增大[2]，電極抗干擾性能降低，觀測數(shù)據(jù)曲線上出現(xiàn)階躍、趨勢上升或下降變化以及漂移等現(xiàn)象，長短極距各測項相關系數(shù)降低，嚴重影響觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量。

以臨汾臺為例，臨汾地電場儀各測道數(shù)據(jù)曲線在2015年5月以后不同程度出現(xiàn)漂移或階變現(xiàn)象，6月至10月此類現(xiàn)象更加頻繁，各測道相關系數(shù)逐漸降低，數(shù)據(jù)記錄不理想(見第16頁圖4)。在對室內(nèi)外線路、儀器進行全面檢查，巡視觀測場地和測區(qū)環(huán)境，對各電極引線接頭重新進行防水處理后，數(shù)據(jù)觀測質(zhì)量沒有得到提高。對各測道曲線同步變化及形態(tài)分析，認為是電極自身不穩(wěn)定造成。其原因可能是由于電極內(nèi)部電解質(zhì)收縮從而與大地分離[3]。通過表1對2015年11月15日臨汾臺地電場更換新電極前后，長短極距相關系數(shù)及差值變化情況統(tǒng)計看出，當電極老化嚴重時，同測向長短極距差值明顯增大，相關系數(shù)也較差，遠低于《規(guī)范》標準；更換新電極以后，同測向長短極距差值及相關系數(shù)逐步恢復到正常水平。

表1　臨汾臺地電場更換電極前后各測道相關系數(shù)、差值對比

3.2外線路故障

外線路故障是影響地電場觀測的主要干擾之一。當前，山西5個地電臺站的地電場觀測外線路均采用離石電纜廠定制的銅芯電纜，在日常觀測過程中常見的故障主要有：線路接觸不良(銹蝕、虛接、螺釘松等)、線路絕緣電阻太低(導線破皮)、閘刀未閉合、線路被盜、線路斷接、信號線連接錯誤等。當出現(xiàn)故障時，觀測數(shù)據(jù)會出現(xiàn)較大幅度的階躍、高頻變化及錯誤數(shù)據(jù)等。2014年7月10日8時17分至8時29分代縣地電場短極距NW向出現(xiàn)突跳，變化幅度56.01 mV/km，經(jīng)檢查觀測系統(tǒng)及外線路核實，是由降雨引起外線路接頭處接觸不良，從而對觀測數(shù)據(jù)造成干擾，影響日變幅形態(tài)，這可能與接觸不良形成電容有關(見圖5)。按照相關技術(shù)規(guī)定，對接頭處重新固定并用絕緣膠帶做絕緣防水處理后，NW向觀測數(shù)據(jù)恢復到正常狀態(tài)。2015年10月17日太原武家寨電磁臺因施工造成地電場儀第一裝置NS向長、短觀測線路損壞，數(shù)據(jù)變化超出儀器觀測范圍，觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)階躍、錯誤數(shù)據(jù)等變化(見圖6)。

圖5　外線路接觸不良對代縣地電場的影響Fig.5　Influence of bad contact of external line on geoelectric field in Daixian

圖6　外線路損壞對武家寨地電場的影響Fig.6　Influence of external line damage on geoelectric field in Wujiazhai

3.3供電系統(tǒng)故障

供電系統(tǒng)的日常維護是臺站工作的重要環(huán)節(jié)，穩(wěn)定可靠的供電系統(tǒng)是觀測數(shù)據(jù)運行率的保障。山西各地電臺站供電系統(tǒng)統(tǒng)一采用市電+UPS+發(fā)電機模式。正常情況下，當有市電或發(fā)電機發(fā)電時，市電或發(fā)電機通過UPS穩(wěn)壓輸出AC220V(±1%誤差)電壓；當市電停電或者發(fā)電機無法工作時，蓄電池通過UPS逆變輸出AC220V電壓；當市電、備用供電等供電系統(tǒng)或觀測儀器內(nèi)部電源等發(fā)生故障時，各測道觀測數(shù)據(jù)同步出現(xiàn)正負高頻尖端脈沖或缺數(shù)等現(xiàn)象。2015年7月8日11時53分至13時03分夏縣臺地電場因當?shù)赝ｋ?，發(fā)電機發(fā)電時220 V電壓不穩(wěn)定，導致各測道數(shù)據(jù)呈突跳變化，最大變化幅度為2.78 mV/km，圖7顯示長極距NS向電源電壓不穩(wěn)引起的觀測曲線變化。

圖7　電源電壓不穩(wěn)對夏縣地電場的影響Fig.7　Influence of instability of power voltage on geoelectric field in Xiaxian

3.4主機故障、數(shù)采故障

地電場測量系統(tǒng)干擾中，主機故障和數(shù)采故障頻率較高。主機故障一般表現(xiàn)為長短極距各測道觀測曲線同步或者分別出現(xiàn)臺階、階躍、數(shù)據(jù)錯誤等；數(shù)采故障表現(xiàn)為儀器連接不通、持續(xù)缺數(shù)和重啟缺數(shù)等。

山西地電場觀測中最常見的儀器死機問題一般表現(xiàn)為觀測數(shù)據(jù)不定時缺測2～3分鐘，這是由于工作程序暫時死機造成，一般可通過地電場儀內(nèi)部“看門狗”重新啟動恢復正常。若存在頻繁啟動現(xiàn)象，則與儀器中的網(wǎng)絡控制模塊PC104板(含CF卡、內(nèi)存條等)工作不穩(wěn)定，導致觀測數(shù)據(jù)無法正常保存和網(wǎng)絡傳輸有關?？赡艿脑蚴抢子昙绢l受雷電大電流沖擊影響，造成測量主板損壞、PC104板工作不穩(wěn)定或者采集板不工作。

如2014年6月、7月太原武家寨地電場儀頻繁啟動造成數(shù)據(jù)大面積丟失，在更換新的PC104板后故障現(xiàn)象出現(xiàn)好轉(zhuǎn)。

4　結(jié)論

在地電場觀測中，如觀測數(shù)據(jù)曲線出現(xiàn)長短極距同一測向相關性較低、數(shù)據(jù)無序變化、缺失或者錯誤等情況，基本上可以確定為觀測系統(tǒng)干擾。觀測系統(tǒng)干擾的影響程度不盡相同，一般情況下，裝置系統(tǒng)干擾會影響觀測數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，而測量系統(tǒng)干擾將會降低數(shù)據(jù)的連續(xù)率和完整率。觀測系統(tǒng)干擾不同于自然環(huán)境、場地環(huán)境等干擾的不可避免性，可通過采取相應的處置措施將干擾隱患排除。

(1) 不極化電極長期穩(wěn)定性是影響地電場觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的關鍵因素。電極故障的觀測曲線形態(tài)特征一般表現(xiàn)為在電極正常觀測背景下趨勢變化和脈沖式大幅變化，各測項相關系數(shù)降低、差值增大，日變形態(tài)異常。山西省目前使用LGB-2固體不極化電極的理論使用期限為2～3年，但在本區(qū)域?qū)嶋H使用過程中，超過1年左右電極便出現(xiàn)老化、運行不穩(wěn)定的情況。檢查電極是否超過使用時限時，需要在附近地表埋設檢測電極進行對比分析，一旦對故障現(xiàn)象進行了確認，需要對故障電極及時進行更換，并適當增加電極埋深，使其位于觀測臺址常年地表水位以下，確保電極的物理環(huán)境基本不變，從而獲得連續(xù)穩(wěn)定的觀測資料[4]。2015年下半年，山西省對代縣、太原、夏縣、臨汾4個地電臺站的地電場儀進行了測量電極更新改造，目前4個臺站的地電場觀測數(shù)據(jù)正在逐步恢復穩(wěn)定中。

(2) 當觀測數(shù)據(jù)發(fā)生連續(xù)性同向突跳或臺階、同一測道變化幅度差別不大時，可判定為外線路故障。可以按照如下步驟進行檢測：①檢查可能故障線路的對地絕緣電阻；②從電極與外線路連接點開始，逐個檢查所有連接點是否接觸良好；③利用斷開指定電極的方法，檢測外線路與室內(nèi)線路的標示和連接是否正確[5]。在外線路材料選取、敷設方法和線頭接線工藝技術(shù)等方面，嚴格按照相關技術(shù)規(guī)范標準中的規(guī)定操作，是消除此類技術(shù)隱患的關鍵。

(3) 主機故障、數(shù)采漏采及電源故障是影響山西區(qū)域前兆臺網(wǎng)數(shù)字化地電場儀儀器運行率、數(shù)據(jù)完整率的主要原因。專業(yè)觀測設備的穩(wěn)定性還有待繼續(xù)提高，同時需加強儀器及發(fā)電設備的實時監(jiān)控與及時維護。

[1]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.

[2]趙衛(wèi)星，杜江，李寧，等.地電場觀測中的系統(tǒng)干擾分析[J].地震地磁觀測與研究,2012,33(6):195-200.

[3]史紅軍.地電場觀測過程中的干擾因素分析[J].東北地震研究，2009，25(2)：51-57.

[4]馬君釗，張磊，關華平，等.大地電場觀測各類干擾源的調(diào)研與分析[J].地震地磁觀測與研究，2010，31(5)：65-72.

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

(英文摘要

Interference of Digitized Geoelectric Meter Observation System in Shanxi

LI Ying1,2, HU Yu-liang1,2, CHENG Dong-yan1,2

(1.Earthquake Administration of Shanxi Province, Taiyuan, Shanxi 030021, China;2.State Key Observatory of Shanxi Rift System, Taiyuan, Shanxi 030025, China)

Geoelectric field observation data of 5 stations in Shanxi Province are arranged and analyzed. Interference factors with the observation system of digitized geoelectric meter are identified and analyzed to provide reference for effective elimination of the interference factors in observation and daily maintenance of observation system.

Geoelectric field; Observation system; Interference analysis

1000-6265(2016)03-0014-04

2016-06-03

李穎(1986—)，女，山西省平遙人。2013年畢業(yè)于東北石油大學，碩士研究生，助理工程師。

P319.3+2

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