影響通河地震臺(tái)地電場(chǎng)觀測(cè)干擾源的排查分析

岳 力

（通河地震臺(tái)，黑龍江 哈爾濱 150900）

0 引言

地電場(chǎng)觀測(cè)系統(tǒng)的觀測(cè)對(duì)象是地電場(chǎng)強(qiáng)度矢量，其目的是通過(guò)觀測(cè)地表的地電場(chǎng)強(qiáng)度，探索地震前地電場(chǎng)的變化，并通過(guò)和其他觀測(cè)手段相結(jié)合，獲得地下及巖石層的電性結(jié)構(gòu)及其變化規(guī)律[1]。

在地震預(yù)測(cè)研究中，地電場(chǎng)主要研究對(duì)象為DC～0.1Hz頻帶內(nèi)的地表電場(chǎng)強(qiáng)度及其隨時(shí)間和空間的變化規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上探索地電場(chǎng)變化可能與地震孕育過(guò)程的關(guān)聯(lián)性，以及將地電場(chǎng)觀測(cè)用于地震預(yù)測(cè)研究實(shí)踐的途徑和方法[2]。

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城鎮(zhèn)化建設(shè)，使得地電場(chǎng)觀測(cè)受到干擾現(xiàn)象增多，干擾明顯超出了地電場(chǎng)觀測(cè)對(duì)觀測(cè)環(huán)境的技術(shù)要求（不大于1250mV/km[3]）?！兜仉妶?chǎng)觀測(cè)中幾種常見干擾》、《特高壓直流輸電線路與接地極對(duì)地電場(chǎng)觀測(cè)的干擾》提到的幾種影響地電場(chǎng)觀測(cè)的干擾原因在通河地震臺(tái)地電場(chǎng)觀測(cè)過(guò)程中記錄到；本文通過(guò)對(duì)通河地震臺(tái)地電場(chǎng)觀測(cè)資料的整理判斷，對(duì)地電場(chǎng)觀測(cè)的干擾形態(tài)進(jìn)行識(shí)別，排查干擾源并核實(shí)，分析干擾源對(duì)地電場(chǎng)觀測(cè)的影響。

1 觀測(cè)原理

地電場(chǎng)是大地電磁場(chǎng)的重要組成部分，也是地球物理場(chǎng)研究的重要內(nèi)容之一，記錄到了區(qū)域性和廣域性地電場(chǎng)背景變化地電場(chǎng)強(qiáng)度矢量是重要的地球物理常量之一。公式為：VAB=VT+VSP+VP+Vr，VAB為變化地電場(chǎng)強(qiáng)度矢量值、VT為大地電場(chǎng)、VSP為自然電場(chǎng)、VP為極化電位差、Vr為環(huán)境干擾。

大地電場(chǎng)：由外空源產(chǎn)生，電離層電流變化，與地磁場(chǎng)有相同的場(chǎng)源，固體地球外部特別是電離層中的各種電流體系與地球介質(zhì)相互作用，產(chǎn)生的分布于地球表面的感應(yīng)電場(chǎng)，因此它們具有相同類型變化，具有廣域性和區(qū)域性特征。自然電場(chǎng)：由地下場(chǎng)源的礦體、地下水和各種水系的分布而產(chǎn)生的電場(chǎng)，自然電場(chǎng)是具有較強(qiáng)的地域性和局部性特點(diǎn)，物理化學(xué)反應(yīng)相對(duì)穩(wěn)定[1]。極化電位差是指兩測(cè)量電極之間的電極電位差。當(dāng)金屬電極與土壤中水溶液接觸時(shí)，很快自動(dòng)形成電極電位，兩電極的電極電位差習(xí)稱極化電位差。環(huán)境干擾存在不確定性，需要對(duì)干擾源進(jìn)行核實(shí)。

目前在進(jìn)行地電場(chǎng)觀測(cè)時(shí)，按照分量測(cè)量、矢量合成的方法，對(duì)地表地電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試。一般按照“多方向、多極距”觀測(cè)方法布設(shè)測(cè)量線路，即在2個(gè)以上的觀測(cè)方向進(jìn)行測(cè)量，每個(gè)測(cè)向布設(shè) 2個(gè)以上極距的測(cè)量線路。通過(guò)對(duì)同一測(cè)向不同測(cè)道觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域相關(guān)分析研究，可以驗(yàn)證觀測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性，檢驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果的內(nèi)在質(zhì)量[4]。

2 資料選用

通河地震臺(tái)地電場(chǎng)采用ZD9A-Ⅱ型數(shù)字地電場(chǎng)儀進(jìn)行觀測(cè)，使用蘭州地震研究所生產(chǎn)的固體不極化電極6個(gè)，采用地埋電纜的傳輸方式，埋設(shè)在地表凍土層以下潮濕土壤中，深度3.5m，場(chǎng)地中心與各電極到臺(tái)站觀測(cè)室的外線使用1.5mm2三芯銅芯鎧裝電纜。地電場(chǎng)獨(dú)立布設(shè)電極和線路，采用地電場(chǎng)常用L型觀測(cè)裝置布設(shè)（考慮到場(chǎng)地具體情況，采用倒L型）（圖1），布極區(qū)地勢(shì)開闊、平坦，同一測(cè)向的2個(gè)供電極之間的地形高差<5%，布極區(qū)沒(méi)有高壓輸電線路、河流、水庫(kù)、大型灌溉渠道通過(guò)。在同一測(cè)向上沒(méi)有溝壑、崖坎地形，通河地震臺(tái)地電觀測(cè)場(chǎng)地符合地電臺(tái)站建設(shè)規(guī)范技術(shù)要求。

圖1通河地震臺(tái)地電場(chǎng)觀測(cè)裝置布設(shè)圖Fig.1 Layout of geoelectric field observation device at Tonghe Seismic Station

3 干擾源與分析結(jié)果

通河地震臺(tái)地電場(chǎng)觀測(cè)站為“十五”項(xiàng)目，觀測(cè)系統(tǒng)外線路于2005年埋設(shè)。地電觀測(cè)于2006年11月開始運(yùn)行觀測(cè)，2010年與2016年更換過(guò)固體不極化電極，所用設(shè)備工作至今，觀測(cè)數(shù)據(jù)連續(xù)率為99.67%、完整率為99.45%,具有較高可靠性。

3.1雷電天氣干擾

通河地震臺(tái)地電場(chǎng)觀測(cè)2019年06月13日各測(cè)項(xiàng)數(shù)據(jù)均出現(xiàn)臺(tái)階和突跳變化。經(jīng)對(duì)觀測(cè)環(huán)境、外線路、室內(nèi)線路各接頭等進(jìn)行巡視和檢查，當(dāng)天雷電天氣。

雷電干擾，雷電屬于一種場(chǎng)電物理變化的現(xiàn)象。它的各種放電形式、量度取決于雷暴云電場(chǎng)，大氣電場(chǎng)與地電場(chǎng)有對(duì)立統(tǒng)一性，既相互獨(dú)立、又相互影響并形成一種場(chǎng)電變化體系。它們除了其它物理量的相互交換外，大氣電場(chǎng)與地電場(chǎng)有電的交換（相互作用）。雷電就是它們相互之間作用的產(chǎn)物。在無(wú)雷暴云天氣現(xiàn)象時(shí)，大氣電場(chǎng)與地電場(chǎng)在場(chǎng)電的疏密區(qū)呈相對(duì)平衡狀態(tài)，形成對(duì)立統(tǒng)一的自然場(chǎng)電動(dòng)態(tài)體系。雷電天氣導(dǎo)致大氣電場(chǎng)瞬間畸變，在外部場(chǎng)電干擾下，造成形式各異的尖端放電場(chǎng)，這種畸變對(duì)地電場(chǎng)有直接影響。雷雨天氣對(duì)地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響，一般會(huì)產(chǎn)生臺(tái)階和突跳，臺(tái)階和突跳與雷電時(shí)間成正比[5]。分析認(rèn)為通河地震臺(tái)地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)大幅度變化是由雷電天氣造成的（圖2）。

圖2通河地震臺(tái)地電場(chǎng)觀測(cè)與降雨對(duì)比數(shù)據(jù)曲線圖Fig.2 Curve chart of geoelectric field observation and rainfall comparison data at Tonghe Seismic Station

3.2人為抽水干擾

通河地震臺(tái)地電場(chǎng)觀測(cè)2018年7月18日13：56—15：41北南向長(zhǎng)、短測(cè)項(xiàng)和東西向長(zhǎng)、短測(cè)項(xiàng)數(shù)據(jù)有大幅度變化。經(jīng)排查距北南向與東西向共用電極點(diǎn)東側(cè)15m處地溝積水，水深1m，同時(shí)間段進(jìn)行抽積水工作，抽水結(jié)束后數(shù)據(jù)恢復(fù)正常。

本文認(rèn)為抽積水期間地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)在短時(shí)間內(nèi)呈現(xiàn)大幅度的變化，該現(xiàn)象的具體原因可能是抽積水引起電極的極化電位變化所導(dǎo)致的。在電極界面上會(huì)產(chǎn)生極化電位，極化電位不一致，將在測(cè)量中產(chǎn)生一個(gè)附加的電極極化電位差，從而影響到地電場(chǎng)觀測(cè)[6]。分析認(rèn)為本次通河地震臺(tái)地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)大幅度變化是由于人為抽水造成（圖3）。

圖3通河地震臺(tái)地電場(chǎng)觀測(cè)2018年07月17日—19日各測(cè)項(xiàng)數(shù)據(jù)曲線圖Fig.3 Data curves of geoelectric field observation at Tonghe Seismic Station from July 17 to 19，2018

3.3高壓直流輸電干擾

通河地震臺(tái)地電場(chǎng)觀測(cè)2018年12月25日15：46-19：17各測(cè)項(xiàng)均出現(xiàn)臺(tái)階變化，對(duì)比同時(shí)段周邊德都地震臺(tái)、林甸地震臺(tái)地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)上述三個(gè)地電場(chǎng)觀測(cè)臺(tái)站發(fā)生臺(tái)階時(shí)間基本一致，說(shuō)明各地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)受到共同干擾源影響。

高壓直流供電正常工作時(shí)，電流基本上都從兩條架空線路經(jīng)過(guò)，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)電場(chǎng)觀測(cè)造成臺(tái)階變化。扎魯特旗換流站距離通河地震臺(tái)573km、距離林甸地震臺(tái)392km、距離德都地震臺(tái)566km。

本文分析認(rèn)為受內(nèi)蒙古自治區(qū)扎魯特旗至山東省青州市±800千伏特高壓直流輸電故障影響造成通河臺(tái)地電場(chǎng)觀測(cè)各測(cè)項(xiàng)出現(xiàn)臺(tái)階現(xiàn)象（圖 4、圖 5）。

圖4地震臺(tái)與高壓直流輸電線相對(duì)位置圖Fig.4 Relative position map of seismic station and HVDC transmission line

圖5通河地震臺(tái)、德都地震臺(tái)、林甸地震臺(tái)地電場(chǎng)觀測(cè)2018年12月25日各測(cè)項(xiàng)數(shù)據(jù)對(duì)比曲線圖Fig.5 The geoelectric field of tonghe，Dedu and Lindian Seismic Station comparing curves of observed data on December 25，2018

3.4工廠運(yùn)行干擾

通河地震臺(tái)地電場(chǎng)觀測(cè)2019年2月10日—27日北南向長(zhǎng)、短測(cè)項(xiàng)數(shù)據(jù)曲線呈現(xiàn)不定時(shí)突跳及臺(tái)階變化現(xiàn)象，且幅度較大與其它觀測(cè)測(cè)項(xiàng)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，呈現(xiàn)明顯不一致現(xiàn)象。通河地震臺(tái)立即組織人員對(duì)地電觀測(cè)場(chǎng)地周邊環(huán)境干擾及人為干擾情況進(jìn)行排查，發(fā)現(xiàn)距通河地震臺(tái)地電場(chǎng)觀測(cè)O點(diǎn)東北向600m處，玉米烘干廠內(nèi)進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)。工廠生產(chǎn)設(shè)備漏電與地電場(chǎng)觀測(cè)突跳及臺(tái)階變化時(shí)間段相吻合，工廠進(jìn)行設(shè)備檢查與用電線路更換后，地電場(chǎng)觀測(cè)恢復(fù)正常。

區(qū)域地殼中形成的自然電場(chǎng)分布的狀態(tài)一般比較穩(wěn)定，如果組成、結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電性質(zhì)產(chǎn)生了變化，從而改變了電流密度的分布，導(dǎo)致由此形成的電場(chǎng)分布狀態(tài)與原先的電場(chǎng)分布狀態(tài)不同，即引起了地電場(chǎng)重新分布，造成地電場(chǎng)觀測(cè)發(fā)生變化。經(jīng)分析認(rèn)為工廠運(yùn)行設(shè)備漏電造成通河地震臺(tái)地電場(chǎng)觀測(cè)出現(xiàn)突跳及臺(tái)階變化現(xiàn)象（圖6）。

圖6通河地震臺(tái)地電場(chǎng)觀測(cè)2019年02月05日—03月04日各測(cè)項(xiàng)數(shù)據(jù)曲線圖Fig.6 Data curves of geoelectric field observation at Tonghe Seismic Station from February 5 to March 4，2019

3.5農(nóng)田灌溉干擾

通河地震臺(tái)地電場(chǎng)觀測(cè)2018年5月12日—13日北南向長(zhǎng)、短測(cè)項(xiàng)數(shù)據(jù)曲線呈現(xiàn)大幅度變化現(xiàn)象，且與其它觀測(cè)測(cè)項(xiàng)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，呈現(xiàn)明顯不一致現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)地電觀測(cè)場(chǎng)地周邊環(huán)境干擾及人為干擾情況進(jìn)行排查，發(fā)現(xiàn)觀測(cè)裝置布設(shè)所在水稻田進(jìn)行抽水灌溉工作，位于南北向長(zhǎng)極距電極所在位置的東側(cè)25m處有口農(nóng)田灌溉用水井，自5月12日起為周邊水稻田抽水灌溉，抽水時(shí)間與大幅度變化時(shí)間段相吻合。農(nóng)田灌溉結(jié)束后，地電場(chǎng)觀測(cè)恢復(fù)正常。

本文分析認(rèn)為抽水灌溉期間地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)在短時(shí)間內(nèi)呈現(xiàn)大幅度的變化，該現(xiàn)象的具體原因可能是水下滲到電極處，抽水引起電極的極化電位發(fā)生變化。經(jīng)分析認(rèn)為農(nóng)田灌溉造成通河地震臺(tái)地電場(chǎng)觀測(cè)出現(xiàn)臺(tái)階變化現(xiàn)象（圖 7）。

圖7通河地震臺(tái)地電場(chǎng)觀測(cè)2018年05月12日—13日各測(cè)項(xiàng)數(shù)據(jù)曲線圖Fig.7 Data curves of geoelectric field observation at Tonghe Seismic Station from 12 to 13 May，2018

3.6地電暴干擾

通河地震臺(tái)地電場(chǎng)觀測(cè)2017年8月31日—9月1日各測(cè)項(xiàng)均出現(xiàn)大幅變化，對(duì)比周邊德都地震臺(tái)、望奎地震臺(tái)地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)上述三個(gè)地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)均出現(xiàn)同時(shí)段大幅度變化，時(shí)間基本一致，說(shuō)明各地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)受到共同干擾源影響。

地電暴是指在磁暴期間記錄到的地電場(chǎng)的劇烈變化[7]。在磁暴發(fā)生期間，會(huì)在各地電場(chǎng)觀測(cè)臺(tái)站同時(shí)記錄到比較大的波動(dòng)異常，在各臺(tái)不同極距，不同方向都能記錄到同步的異常信息，而且異常形態(tài)非常相似，異常的持續(xù)時(shí)間、強(qiáng)度與磁暴的持續(xù)時(shí)間及強(qiáng)度呈很好的正相關(guān)[8]。經(jīng)分析認(rèn)地電暴干擾造成通河地震臺(tái)地電場(chǎng)觀測(cè)出現(xiàn)大幅度變化現(xiàn)象（圖8）。

圖8通河地震臺(tái)、德都地震臺(tái)、望奎地震臺(tái)地電場(chǎng)觀測(cè)2017年08月31日—09月01日各測(cè)項(xiàng)數(shù)據(jù)曲線圖Fig.8 Data curves of geoelectric field observations at Tonghe，Dedu and Wangkui Seismic Station from August 31 to September 1，2017

4 結(jié)論與討論

通過(guò)上文分析，可以看出在地電場(chǎng)觀測(cè)過(guò)程中主要存在的干擾源有觀測(cè)環(huán)境發(fā)生變化，包括：工廠運(yùn)行干擾、人為抽水干擾、高壓直流輸電干擾、農(nóng)田灌溉干擾。自然環(huán)境變化包括雷電干擾、地電暴干擾。

（1）地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)生變化，應(yīng)該分析是否受到干擾，如觀測(cè)環(huán)境干擾，場(chǎng)地因素以及觀測(cè)系統(tǒng)本身的變化等。對(duì)每一種變化因素，應(yīng)識(shí)別數(shù)據(jù)變化形態(tài)，判斷屬于何種干擾，然后逐步進(jìn)行落實(shí)，查明原因，以便解決和排除。數(shù)據(jù)干擾變化，最可能的是測(cè)區(qū)環(huán)境發(fā)生變化對(duì)數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響。

（2）對(duì)于地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)變化，分析各測(cè)項(xiàng)變化是否一致，如果一致，則核實(shí)觀測(cè)環(huán)境是否發(fā)生變化，例如是否發(fā)生雷電天氣。是否發(fā)生地球物理事件，例如地電暴現(xiàn)象。是否發(fā)生觀測(cè)場(chǎng)地發(fā)生變化，高壓直流輸電干擾。這需要如周邊地電場(chǎng)觀測(cè)臺(tái)站進(jìn)行對(duì)比分析。如果不一致，則應(yīng)核實(shí)地電觀測(cè)裝置布設(shè)區(qū)是否存在干擾源。

（3）有些干擾源是可控的，包括：人為抽水干擾、工廠運(yùn)行干擾、農(nóng)田灌溉干擾，其有干擾時(shí)間較長(zhǎng)，不易識(shí)別的，單個(gè)臺(tái)站多測(cè)項(xiàng)不同步特點(diǎn)。只要第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)，及時(shí)查找干擾源，是能夠排除干擾，恢復(fù)正常觀測(cè)。有些干擾源是不可控的，包括：雷電干擾、高壓直流輸電干擾、地電暴干擾，這類干擾是無(wú)法進(jìn)行排查，但其有干擾時(shí)間較短，易識(shí)別的特點(diǎn)，多個(gè)臺(tái)站多測(cè)項(xiàng)同步特點(diǎn)。分析這類干擾，要與多臺(tái)站，多測(cè)項(xiàng)同期對(duì)比分析，能夠識(shí)別。

以上通過(guò)對(duì)地電場(chǎng)觀測(cè)干擾源排查的分析，總結(jié)出影響地電場(chǎng)觀測(cè)的一些因素，有助于我們對(duì)地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的認(rèn)識(shí)和分析，以便提取與地震有關(guān)的地電場(chǎng)信息。