成都地震臺(tái)地電場(chǎng)觀測(cè)干擾因素分析

李雪浩，劉華姣，趙乃千，林 建，李貴元

(1.成都地震基準(zhǔn)臺(tái)，四川 成都 611730；2.康定地震中心站，四川 康定 626001)

地電場(chǎng)是重要的地球物理場(chǎng)之一，對(duì)于地電場(chǎng)進(jìn)行觀測(cè)是獲得地震前兆觀測(cè)數(shù)據(jù)，主要觀測(cè)地電場(chǎng)的地表分量及其時(shí)空變化。根據(jù)不同的場(chǎng)源，地表地電場(chǎng)可以劃分為大地電場(chǎng)和自然電場(chǎng)兩大部分。其中大地電場(chǎng)是由地球外部的各種場(chǎng)源在地球表面感應(yīng)產(chǎn)生的分布于整個(gè)地表或較大地域的電場(chǎng)，一般具有廣域性。自然電場(chǎng)是地下介質(zhì)由于各種物理、化學(xué)的作用在地表形成的較為穩(wěn)定的電場(chǎng)，一般具有局部性(中國(guó)地震局，2001；中國(guó)地震局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)司，2002)。由于地電場(chǎng)本身容易受區(qū)域電磁環(huán)境等因素的影響，這對(duì)地電場(chǎng)觀測(cè)環(huán)境條件提出了更高的要求。于是要求地電場(chǎng)數(shù)字化儀器要大幅提高了采樣率與靈敏度，但是干擾因素也進(jìn)入到觀測(cè)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)曲線形態(tài)變化復(fù)雜多樣，這給正確排除干擾、準(zhǔn)確識(shí)別與地震孕育過(guò)程有關(guān)的地電場(chǎng)異常變化帶來(lái)了很大的困難。成都地震臺(tái)2014年更換了電極和測(cè)量線，通過(guò)對(duì)2014年之后的地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)的整理分析，我們總結(jié)了觀測(cè)數(shù)據(jù)的日變形態(tài)特征，并對(duì)一些觀測(cè)中常見的干擾因素和干擾特征進(jìn)行了歸納，這有利于進(jìn)一步提高觀測(cè)資料質(zhì)量，更好為震情跟蹤和地震預(yù)報(bào)提供基礎(chǔ)信息。

1 地電場(chǎng)觀測(cè)簡(jiǎn)介

1.1 觀測(cè)場(chǎng)地

成都地震臺(tái)位于都江堰市與郫縣交界的走石山，這里地處龍門山地震斷裂帶的前山斷裂，從地質(zhì)角度來(lái)看這里的地層是屬白堊系礫巖經(jīng)風(fēng)化剝蝕后形成的，周圍均為第四系沖積物所覆蓋的農(nóng)田。地電觀測(cè)場(chǎng)地建設(shè)在第四系覆蓋層和下伏巖石上。整個(gè)儀器系統(tǒng)觀測(cè)區(qū)大部分為農(nóng)田耕作土地，觀測(cè)場(chǎng)地勢(shì)開闊平坦。但是，隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，臺(tái)站周圍已經(jīng)有工業(yè)設(shè)施分布，存在工業(yè)游散電流的影響，同時(shí)“成青快鐵”的運(yùn)行以及地鐵2號(hào)線西延線的運(yùn)行，在一定程度上影響了地電場(chǎng)觀測(cè)環(huán)境。

1.2 觀測(cè)系統(tǒng)

地電場(chǎng)布極中心點(diǎn)距成都地震臺(tái)中心大約300 m，儀器觀測(cè)系統(tǒng)采用“三方向，多極距”的布局，考慮到場(chǎng)地具體情況，采用的是倒“L”型布局。從中心點(diǎn)向西和向南分別布設(shè)測(cè)線，每個(gè)測(cè)向均有兩個(gè)測(cè)道，極距分長(zhǎng)、短2段，中心點(diǎn)O1和O2點(diǎn)為共用電極，其中NS向長(zhǎng)極距為296 m，短極距為196 m；EW向長(zhǎng)極距為300 m，短極距為202 m；N45°W向長(zhǎng)極距為420 m，短極距為282 m。室內(nèi)分線組合成12個(gè)輸入端進(jìn)入儀器，形成6個(gè)測(cè)道，電極布設(shè)方式參見圖1。觀測(cè)系統(tǒng)中的儀器采用中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所研發(fā)的ZD9A-Ⅱ型地電場(chǎng)儀，測(cè)量電極采用蘭州地震研究所生產(chǎn)的LGB-2型固體非極化專用電極，電極埋設(shè)于地表下約2 m的潮濕土壤中,各電極位置處于同一平面上，外線路使用了專門定制的銅芯絕緣電纜線，采取懸空架設(shè)，抗拉強(qiáng)度高，絕緣電阻均大于500 MΩ。觀測(cè)室內(nèi)配備有專用的避雷接線裝置，整個(gè)觀測(cè)系統(tǒng)采用UPS不間斷電源供電，以提高儀器系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。

圖1 地電場(chǎng)布極示意

圖2 成都地震臺(tái)地電場(chǎng)靜日變化(2014-1-23-25)

圖3 地電場(chǎng)記錄地電暴曲線(2015-3-17)

2 觀測(cè)數(shù)據(jù)正常變化及地電暴影響

2.1 地電場(chǎng)正常日變形態(tài)特征

大地電場(chǎng)靜日變化是由中低緯度上空電離層電流系產(chǎn)生的，變化具有確定的周期性。由于地電場(chǎng)觀測(cè)對(duì)象是一個(gè)水平矢量，大小和方向是隨時(shí)間變化的，且具有一定的日變規(guī)律(孫正江，1984)。從成都臺(tái)地電場(chǎng)2014年1月23～25日連續(xù)3天地磁平靜日的分析可以看出，地電場(chǎng)觀測(cè)儀器在沒(méi)有干擾的情況下可以清晰記錄到地電場(chǎng)的正常日變,3個(gè)測(cè)向的日變形態(tài)稍有區(qū)別，但是整體的變化趨勢(shì)是基本一致的，每天13時(shí)左右會(huì)出現(xiàn)低值狀態(tài)，兩側(cè)各有一個(gè)極大值，EW測(cè)向在相位上略滯后于NS和N45°W測(cè)向。各測(cè)向的日變化幅度不大，日變化幅度一般在7 mV/km(參見圖2)，且差異較小。

2.2 地電暴影響

磁暴作為一種劇烈的全球性擾動(dòng)變化，是太陽(yáng)活動(dòng)旺盛時(shí)期，特別是在太陽(yáng)黑子極大期時(shí)，太陽(yáng)表面輻射出的帶電粒子形成的電流沖擊地球磁場(chǎng)而產(chǎn)生的一種電磁效應(yīng)。地電暴則是指在磁暴期間記錄到的地電場(chǎng)的劇烈變化(張振文，2010)。圖3是2015年3月17日發(fā)生磁暴(最大地磁K指數(shù)等于7)時(shí)成都臺(tái)地電場(chǎng)記錄到地電暴發(fā)生的全過(guò)程變化曲線。由于地電暴與磁暴具有同源性，在時(shí)間域和頻率域上都具有較好的同步性和相關(guān)性。從圖3中可以看出，地電暴發(fā)生之前，電場(chǎng)日變化正常，地電暴發(fā)生之后，日變化被明顯打亂，且6個(gè)測(cè)道數(shù)據(jù)曲線畸變時(shí)間同步，變化形態(tài)也基本一致，均表現(xiàn)為高頻突跳脈沖，地電暴嚴(yán)重影響了正常日變形態(tài)，其變化幅度隨著磁擾強(qiáng)度的增強(qiáng)而增大，磁擾活動(dòng)結(jié)束后，地電場(chǎng)數(shù)據(jù)也隨之恢復(fù)正常。

3 地電場(chǎng)觀測(cè)干擾分析

3.1 地電阻率同場(chǎng)觀測(cè)時(shí)產(chǎn)生干擾

成都臺(tái)地電場(chǎng)觀測(cè)與地電阻率為同場(chǎng)地觀測(cè)項(xiàng)目。在地電儀進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，儀器需向大地供電，這會(huì)產(chǎn)生一個(gè)人工電場(chǎng)疊加在原來(lái)的大地電場(chǎng)上，從而影響對(duì)于地電場(chǎng)的觀測(cè)結(jié)果。圖4為地電場(chǎng)觀測(cè)受地電阻率觀測(cè)影響后的數(shù)據(jù)變化曲線形態(tài)，圖4中的高頻脈沖皆為地電阻率觀測(cè)時(shí)產(chǎn)生的干擾所致。對(duì)儀器進(jìn)行時(shí)間調(diào)校之后，地電場(chǎng)儀器的采樣時(shí)段，地電儀不供電，地電場(chǎng)記錄的數(shù)據(jù)沒(méi)有干擾，用此種方法可以排除地電阻率同場(chǎng)干擾情況的發(fā)生。

圖4 地電阻率供電測(cè)數(shù)對(duì)地電場(chǎng)觀測(cè)的影響

3.2 地鐵運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生干擾

2013年6月開始，成都地鐵2號(hào)線二期工程西延線(茶店子─犀浦)投入運(yùn)營(yíng)，其最近的犀浦站距成都臺(tái)地電觀測(cè)場(chǎng)地約26千米。在每日06時(shí)至23時(shí)40分地鐵運(yùn)營(yíng)時(shí)段，地電場(chǎng)各測(cè)道觀測(cè)數(shù)據(jù)同步出現(xiàn)明顯的高頻脈沖圖像，呈現(xiàn)“毛刺”狀，在地鐵停運(yùn)時(shí)段進(jìn)行觀測(cè)時(shí)則數(shù)據(jù)變化趨于正常(參見圖5)，這些情況的發(fā)生說(shuō)明可能是地鐵運(yùn)行過(guò)程中的對(duì)地漏電形成的一種典型干擾，干擾對(duì)地電場(chǎng)觀測(cè)造成了影響，也給觀測(cè)資料的應(yīng)用和地震異常信息的識(shí)別造成了困難。

圖5 地鐵運(yùn)行對(duì)地電場(chǎng)觀測(cè)的影響

3.3 雷電干擾

大地電場(chǎng)是一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定且具有一定變化規(guī)律的電場(chǎng)，當(dāng)發(fā)生外部電場(chǎng)變化干擾后會(huì)導(dǎo)致地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線發(fā)生畸變。對(duì)流層中的雷電現(xiàn)象便是引起電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線畸變的因素之一，因?yàn)槔纂姲l(fā)生會(huì)改變區(qū)域電場(chǎng)的分布。由于雷電通常距離觀測(cè)場(chǎng)地較近，電壓很高，在放電的瞬間會(huì)導(dǎo)致地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)變化幅度增大，而且持續(xù)時(shí)間也相對(duì)較長(zhǎng)(林向東，2007)。圖6為成都地震臺(tái)2014年7月10日地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線的變化形態(tài)，可以看出2014年7月10日3時(shí)52分，受雷電干擾時(shí)段的觀測(cè)值明顯偏離正常的變化，曲線形態(tài)發(fā)生急速畸變。雷電期間地電場(chǎng)變化特征是數(shù)據(jù)突變時(shí)間與雷電放電時(shí)間具有同步性，觀測(cè)數(shù)據(jù)離散度較大，特別是在放電期間，數(shù)據(jù)變化形態(tài)呈現(xiàn)出典型畸變，就是說(shuō)觀測(cè)數(shù)據(jù)大幅突跳，突跳幅度達(dá)到正常值的數(shù)十倍乃至數(shù)百倍，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)⒌仉妶?chǎng)儀直接擊壞，所以為了避免儀器系統(tǒng)的損壞，需要在雷電時(shí)段關(guān)閉儀器停測(cè)。

3.4 降雨、農(nóng)田灌溉干擾

成都臺(tái)整個(gè)地電觀測(cè)區(qū)大部分為農(nóng)田耕作區(qū)，地電場(chǎng)的觀測(cè)電極均埋設(shè)于農(nóng)田內(nèi)，降雨，農(nóng)田灌溉也會(huì)影響地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的正常變化形態(tài)，引起數(shù)據(jù)變化的原因可能是灌溉水或降雨下滲到電極處，導(dǎo)致電極極化電位不一致，從而將在測(cè)量回路中產(chǎn)生一個(gè)附加的電極極化電位差引起數(shù)據(jù)變化，影響地電場(chǎng)觀測(cè)(席繼樓，2002)。從圖7和圖8中可以看出地電場(chǎng)變化與降雨、農(nóng)田灌溉有著明顯的相關(guān)性，通常觀測(cè)數(shù)據(jù)會(huì)在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)大幅度的臺(tái)階或畸變，并且滲水量越多引起的臺(tái)階也越大。隨著水分逐漸蒸發(fā)，農(nóng)田逐漸干涸，觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線會(huì)逐步恢復(fù)到正常日變形態(tài)，這一過(guò)程一般需要持續(xù)數(shù)小時(shí)甚至數(shù)天。

圖7 農(nóng)田灌溉對(duì)地電場(chǎng)觀測(cè)的影響

3.5 高壓直流輸電干擾

高壓直流輸電線干擾是近幾年出現(xiàn)的一種新的干擾。在高壓直流供電線正常輸電時(shí)，電流是從兩條架空線路通過(guò)的，電流方向相反，大小基本相等。只有很少的一部分不平衡電流(小于30 A)入地。但一旦出現(xiàn)故障后，就會(huì)出現(xiàn)很大的不平衡電流，對(duì)線路兩側(cè)的地震臺(tái)站中地磁觀測(cè)和電場(chǎng)觀測(cè)造成干擾。成都地震臺(tái)主要受±500 kV的寶雞—德陽(yáng)輸電線(簡(jiǎn)稱“寶德線”)的干擾，圖9為2015年6月14日“寶德線”對(duì)地電場(chǎng)觀測(cè)造成的影響，可以看出，其主要的干擾形態(tài)為方波型階躍，干擾幅度取決于觀測(cè)場(chǎng)地距離輸電線路的遠(yuǎn)近，一般根據(jù)兩者間的距離有關(guān)，變化率可達(dá)幾十或上百mV/km。

圖8 降雨對(duì)地電場(chǎng)觀測(cè)的影響

圖9 高壓直流輸電干擾對(duì)地電場(chǎng)觀測(cè)的影響

4 討論

總結(jié)了成都地震臺(tái)地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的日變化形態(tài)和特征，并對(duì)一些引起數(shù)據(jù)變化的干擾因素作了歸納整理，主要如下面的結(jié)果。(1)成都臺(tái)地電場(chǎng)在沒(méi)有干擾的情況下可以清晰的記錄到地電場(chǎng)的正常日變，即每天中午13時(shí)左右會(huì)出現(xiàn)低值，兩側(cè)各有一個(gè)極大值，具有重現(xiàn)性，同時(shí)地電場(chǎng)也能真實(shí)的記錄到地電暴的發(fā)生，6個(gè)測(cè)道的觀測(cè)數(shù)據(jù)變化曲線畸變時(shí)間基本同步，且變化形態(tài)也基本一致。(2)地電場(chǎng)觀測(cè)比較容易受到外界因素的干擾，地電阻率變化干擾主要為供電、地鐵運(yùn)行、雷電、降雨、農(nóng)田灌溉和高壓直流輸電干擾等。干擾的種類相對(duì)較多，不同干擾源造成的地電場(chǎng)數(shù)據(jù)變化形態(tài)也不同，可分為臺(tái)階、方波型階躍，高頻脈沖、不規(guī)則大幅度突跳等。(3)結(jié)合地電場(chǎng)不同測(cè)道，不同形態(tài)的數(shù)據(jù)變化特征，可以識(shí)別一些典型的干擾并確認(rèn)干擾源，以便進(jìn)行有針對(duì)性的排除或采取一些抑制干擾的措施。同時(shí)，正確識(shí)別這些干擾變化也有助于地電場(chǎng)觀測(cè)資料的使用，對(duì)提取有用的地震前兆異常信息有很大幫助。

中國(guó)地震局.2001.地震及前兆數(shù)字觀測(cè)技術(shù)規(guī)范(電磁規(guī)范)[M].北京：地震出版社.

中國(guó)地震局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)司.地震電磁數(shù)字觀測(cè)技術(shù)[M].北京：地震出版社,2002.

孫正江,王華俊.1984.地電概論[M].北京：地震出版社.

張振文,趙衛(wèi)星,等.2010.地電場(chǎng)觀測(cè)中地電暴的識(shí)別[J].防災(zāi)減災(zāi)學(xué)報(bào),26(2):40-47.

林向東,徐平,等.2007.地電場(chǎng)觀測(cè)中幾種常見干擾[J].華北地震科學(xué),25(1):16-22.

席繼樓,趙家騮,王燕瓊,等.2002.地電場(chǎng)觀測(cè)技術(shù)研究[J].地震,22(2):67-73.