乾陵地震臺地電場日變化特征及干擾因素分析

王秋寧，李媛媛，古云鶴

(陜西省地震局，陜西 西安 710068)

0 引言

地電場屬于地球基本物理場之一，是大地電磁場的一部分[1]。按照地電場起源分類原則，可分為大地電場和自然電場。大地電場是指全球性或大區(qū)域性變化的地電場，具有廣域性，場源來自地球外部電離層中的各種電流體系；自然電場源于地下介質(zhì)的物理過程和化學反應，通常具有局部場地特征，過濾電場、接觸擴散電場、氧化還原電場等是自然電場的主要成分。近年的研究認為地電場變化還與日、月的潮汐引力關聯(lián)，表現(xiàn)為全日波、半日波等[2-5]。

地電場觀測區(qū)域覆蓋面積較大，容易受到觀測場地環(huán)境的影響，干擾因素較多，同時觀測裝置、測量儀器長期穩(wěn)定性等也是重要的影響因素[6]。如何排除干擾影響，準確識別地電場異常變化，特別是與孕震過程有關的地電場變化成為一個十分復雜的課題[7]。

1 臺站基本情況

乾陵地震臺位于陜西省乾縣乾陵鄉(xiāng)陵前村，海拔高度885 m。地處渭河斷陷盆地中段與陜北高原分界線附近，布極區(qū)地貌為渭河北旱原坡地，位于關山—口鎮(zhèn)斷裂以南、乾縣—富平斷裂北側，臺址巖性為奧陶系石灰?guī)r。乾陵地震臺地電場觀測布極區(qū)為農(nóng)田，測區(qū)內(nèi)無鐵路、金屬管線穿過，符合地電場觀測規(guī)范[8]要求(見圖1)。

乾陵臺地電場觀測從2007年5月22日起使用ZD9A型地電場儀，儀器測量頻段為0～0.005 Hz，觀測數(shù)據(jù)產(chǎn)出為1次/分鐘。測量電極采用LGB-3固體不極化電極，電極埋深約27 m。觀測裝置布設為雙L型布極方式，共設NS、EW、N45°W3個觀測方向，相關極距如圖1所示，就測量極距而言，目前乾陵臺屬于全國地電場臺網(wǎng)中極距最大的臺站之一。

圖1 乾陵臺地電場布極圖Fig.1 Distribution diagram of geoelectric field in Qianling station

2 正常日變化分析

(1) 日變化波形。

譚大誠等[9]將潮汐地電場分成近正弦TGF-A型(雙峰雙谷型)和近梯形TGF-B型(雙峰單谷型)，并對其形成機理進行研究：TGF-A型地電場與固體潮汐密切關聯(lián)，基本分布在大面積水域附近，與附近水域面積、距離、巖性結構、構造活動等因素有關；TGF-B型地電場與氣潮作用產(chǎn)生的空間Sq電流關系密切，并與巖石飽和度、滲透率等有關。按照此理論，乾陵臺地電場NS、EW向為TGF-B型(見第26頁圖2)。

圖2 乾陵臺地電場分鐘值曲線Fig.2 Minute value curve of geoelectric field in Qianling station

(2) 日變化頻譜。

傅里葉變換是目前運用到地電場提取頻域的一種常見方法。為此，利用基于MATLAB的快速傅里葉變換[10]對乾陵臺地電場2018年1月NS、EW向小時值進行頻譜分析(見圖3)。振幅譜3個高值分別對應地電場日變化24 h、12 h和8 h周期成份，這與一些學者的研究結果相同[2-5]。

圖3 乾陵臺地電場2018年1月頻譜分析曲線Fig.3 Spectrum analysis curve of geoelectric field of Qianling station in January 2018

3 乾陵臺地電場觀測干擾分析

3.1 氣象對地電場觀測的影響

3.1.1 影響實例

乾陵臺地電場受降雨(2018年5月19日15:00-20日12:00)、雷電(2016年6月11日19:45-12日06:00)與大風(2016年5月2日00:00-12:00)影響時的變化形態(tài)如圖4所示。在各影響時段，觀測數(shù)據(jù)發(fā)生明顯畸變，特別是在雷電影響時段，各測道數(shù)據(jù)明顯偏離正常變化，呈現(xiàn)尖銳的突跳和階躍，干擾幅度約為正常日變化幅度的十幾倍。

圖4 乾陵臺地電場EW向受各類因素影響的變化曲線Fig.4 Variation curve of EW direction of geoelectric field in Qianlingstation affected by various factors

3.1.2 影響機理

乾陵臺地電場易受降雨、雷電、大風等自然干擾。降雨對地電場的影響主要體現(xiàn)在兩方面，一是電極可能的極化；二是周圍電場的實際改變。在電極性能比較穩(wěn)定時，其影響機理主要是集中強降雨造成了布極區(qū)表層土壤含水量明顯增加，引起地下介質(zhì)中的電離子加速運動；此外，在強降雨時，容易在地表形成水的徑流，產(chǎn)生感應電場，引起地電場的變化。對于雷電影響，其產(chǎn)生的機理主要是：一般情況下地電場高頻變化的場源是對流層中的雷電，周期為(1/10 000)～1 s[11]，主要是雷電改變了區(qū)域的電場分布環(huán)境。在發(fā)生雷電時，大氣電場劇烈變化，在這種外部場電變化的干擾下，兩種或兩種以上的土壤導電率界面就會形成帶電離子和自由電子的積累，構成形式各異的尖端放電場強，引起電場的畸變現(xiàn)象[12]。對于地電場所受的風擾，其產(chǎn)生的機理主要在大風時段，地電場線路受到大風的作用出現(xiàn)不均勻擺動，造成水平或垂直方向上運動切割磁力線時所產(chǎn)生的感應電流疊加在觀測數(shù)據(jù)中，出現(xiàn)非正常的變化。需指出，只有架空的線路才可能受大風影響，地埋線路則不會受到干擾。

此外，乾陵臺還存在電阻率測量、外線路故障對地電場的影響。對于這兩類干擾在全國很多臺站都曾出現(xiàn)，也易于識別，這里不再一一贅述。同時從圖2也可以看出，06時到23時左右，觀測數(shù)據(jù)的高頻成分明顯增加，且每天都出現(xiàn)，結合相關學者的研究[13]，判斷為西安地鐵運行的影響(距離臺站80 km左右)，此干擾為工業(yè)游散電流影響。

3.2 高壓直流輸電對地電場觀測的影響

3.2.1 影響特征實例

寶雞-德陽±500 kV的HVDC輸電線路是國家跨區(qū)電網(wǎng)建設重點工程，受此條線路影響，2018年8月23-24日乾陵臺地電場3個測向出現(xiàn)同步階躍變化，但各測向之間的階躍方向、幅度大小存在差異(見圖5)。通過對比同時段寶雞臺和鳳翔臺地電場NS向曲線可看到三臺變化時間同步(見圖6)，亦只是階躍方向、幅度大小存在差異，說明3個臺站的地電場同時受到寶德線HVDC輸電干擾。

3.2.2 影響的理論基礎

高壓直流(HVDC)輸電技術是將交流電通過換流站變成直流電，然后通過直流輸電線路送往下一級換流站逆變成交流電的技術[14]。當HVDC輸電線路間產(chǎn)生不平衡電流時會對地電場觀測產(chǎn)生影響。趙畹君[13]通過理論研究認為，HVDC線路對地電場的影響主要來源于兩方面：HVDC線路及導線的合成場和換流站接地極的入地電流，HVDC輸電對地電場觀測的影響與入地電流成正比，與接地極到地電場測區(qū)距離的平方和傳播區(qū)域的電導率成反比。方煒等[15]對寶雞、乾陵和周至3個臺的理論計算結果和實際觀測資料比較接近，驗證了臺站到接地極的距離、電導率為影響地電場變化大小的因素。HVDC輸電線路對各臺的影響與2次入地電流的大小、線路與各臺測向之間的夾角有關。查閱資料，乾陵臺、寶雞臺、鳳翔臺距離寶德線千陽換流站的距離分別為90 km、25 km、20 km，說明HVDC輸電線路對地電場的影響還與距離干擾源遠近有關。根據(jù)圖6顯示，8月24日乾陵臺、寶雞臺、鳳翔臺地電場NS向的影響量分別為-10.5 mV/km、10.0 mV/km、198.5 mV/km左右，其中乾陵臺與寶雞臺影響量基本相同，只是大小反向，說明HVDC輸電線路位于兩臺之間。乾陵臺距HVDC輸電線路的距離遠大于寶雞臺，由于HVDC輸電對地電場觀測的影響與傳播區(qū)域的電導率成反比[16]，介質(zhì)電導率γ=1/ρ。查閱乾陵臺、寶雞臺、鳳翔臺電阻率資料，三臺NS向分別為149.8 Ω·m、14.0 Ω·m、31.6 Ω·m左右,這是造成乾陵臺與寶雞臺NS向影響量基本相同的一個重要原因；此外，鳳翔臺地電場NS向的影響量最為顯著，不僅與接地極到地電場測區(qū)的距離、傳播區(qū)域的電導率、入地電流的大小有關，也可能和入地點、HVDC輸電線路與地電場測區(qū)間距離太近有關，存在空間的電磁感應(亦或直流輸電導線的合成場)與入地電流影響的疊加效應。

圖5 乾陵臺地電場受直流輸電干擾曲線Fig.5 Disturbance curve of geoelectric field of Qianling station by HVDC transmission

圖6 直流輸電對乾陵臺、寶雞臺、鳳翔臺地電場NS向的影響對比Fig.6 Comparison of influence of HVDC transmission on NS direction of geoelectric field in Qianling, Baoji and Fengxiang stations

3.3 地電暴

地電日變化和地電暴經(jīng)常出現(xiàn)，是最易識別的兩個地電場變化成份。地電暴是在磁暴期間記錄到的地電場劇烈擾動變化，包括急始和緩始地電暴；擾日地電日變化是指日變化上疊加地電暴、地電灣擾、地電脈動等快變化(也稱為“地電高頻變化”)成分，特別是強磁暴期間的地電日變化往往被“淹沒”在地電暴中。電暴與磁暴是同源的[1]，具有信號變化幅度大、分布范圍廣等特點[16]。當磁暴指數(shù)K≥5時，一般在各臺站不同方向、不同極距都能記錄到同步的高頻擾動信息，且形態(tài)相似(見第28頁圖7)。

圖7 乾陵臺地電場地電暴事件Fig.7 Geotechnical storm event of geoelectric field of Qianling station

圖7為乾陵臺地電場各測向記錄到的2018年7月24日08:00-25日11:00較為清晰的地電暴(k=5)，最大變幅為27.15 mV/km。其表征為在磁暴期間，地電場各測道的數(shù)據(jù)曲線均出現(xiàn)較為明顯的高頻震蕩現(xiàn)象，各測道數(shù)據(jù)變化形態(tài)比較一致，同步變化顯著，變化幅度較大。為了對比在地電暴期間，觀測數(shù)據(jù)的頻譜特征、譜值與靜日的同異性，對圖7所述的地電暴進行最大熵譜分析(見圖8)，從圖中可以看出，發(fā)生地電暴時，其優(yōu)勢周期集中在0.005～0.02 Hz左右，亦即50 m～200 m的周期范圍，明顯異與靜日的8 h、12 h、24 h的優(yōu)勢周期，且譜值也高于靜日，其結果與葉青等[2-3]研究結果相似，說明乾陵臺地電場觀測是可信的，地電場變化符合大地電場變化的特征。

圖8 乾陵臺地電場地電暴最大熵譜分析Fig.8 Maximum entropy spectrum analysis of geotechnical storms in Qianling station

4 討論與認識

地電場觀測是地球物理場觀測和地震預測預報研究的重要方法，但因其特殊的裝置系統(tǒng)和高靈敏度的儀器性能決定了其易受各種干擾的特征。為此，快速準確地識別、剔除地電場觀測數(shù)據(jù)中的各類干擾變化，對數(shù)據(jù)分析應用具有重要意義。通過以上分析，可以看出：

(1) 乾陵臺可以清晰地記錄到真實大地電場的正常日變化、地電暴。乾陵臺地電場靜日變化具有較為典型的單峰雙谷形態(tài)，在發(fā)生地電暴時，高頻成分明顯增加，且日變幅較靜日發(fā)生較大幅度的增加。通過頻譜分析，驗證了靜日與暴日地電場日變化各類成份的不同。

(2) 場地環(huán)境和自然環(huán)境都能夠對乾陵臺地電場產(chǎn)生影響，通過對高壓直流輸電干擾的機理和實例進行對比分析，高壓直流輸電對乾陵臺影響較為明顯，其影響幅度的大小與入地電流的大小、距離遠近及地下介質(zhì)等因素有關。同時觀測資料還受到西安地鐵運行時工業(yè)游散電流的影響。對于自然環(huán)境的干擾，有風擾、降雨和雷電干擾，其本質(zhì)是局部、短時間內(nèi)電磁環(huán)境的變化而影響地電場的變化。此外，乾陵臺還存在電阻率測量、外線路故障對地電場的影響，這兩類干擾，在實際工作中易于識別。