地電場環(huán)境干擾跟蹤分析關鍵問題研究

龔永儉，張長軒，程立康，王建國,劉學領，徐學恭，康健

(天津市地震局，天津 300201)

0 引 言

地電場是重要的地球物理場之一，根據場源可以分成大地電場和自然電場2個組成部分：大地電場由地球外部的各種場源作用在地球表面感應產生，一般具有廣域性；自然電場由地下場源產生，是地下介質的電性結構、地表、裂隙流體及地下金屬體的物理、化學變化引起的局部性電場變化，一般具有局部性(或稱為地域性)[1-2]。對地電場的研究的歷史較短，源于以往缺少定點、連續(xù)、高采樣率的觀測資料[3]。隨著高采樣率、連續(xù)觀測的地電場儀投入臺站觀測，積累了豐富的觀測資料，對地電場的研究也逐漸深入。綜觀學者對地電場的研究，主要有3大方面：①地電場變化特征及其建模的研究。例如：譚大誠等[4-5]對地電場日變化進行了研究，將潮汐地電場日變化分為全日波形(TGF-A 型)和午前午后波形(TGF-B型)，認為前者與固體潮汐密切關聯(lián)，基本分布在大面積水域附近，并與附近水域面積和距離、巖性結構、構造活動等因素有關，后者與空間Sq電流關系密切，并與巖石飽和度、滲透率等有關；葉青等[3，6]對地電場靜日變化、擾日、季節(jié)頻譜特征及地電場廣域性、局部性進行了研究，認為地電場靜日變化波形表現為2峰-2谷或2谷-2峰、2峰-1谷等多種波形，顯著周期成分集中在24 h、12 h和8 h周期，地電暴、地電場快速變化部分具有大區(qū)域同時發(fā)生的特點；王麗等[7]對地電場日變化建模進行了研究；②地電場與地震關系以及地震異常信息提取技術的研究，例如：安張輝等[8]利用希爾伯特—黃變換方法對2013年蘆山Ms7.0地震前平涼臺、成都臺和元謀臺地電場進行了研究，認為在地震前1～2個月地電場時頻圖出現能量增強現象，變化的周期范圍約為90～1 400 h，能量變化幅度有3～6個數量級；席繼樓等[9-10]利用“能量合成累加”和“MSA功率譜分析”等方法，對拉薩臺地電場在尼泊爾Ms7.0、Ms8.1地震前后異常變化主要特征和演化過程進行了研究，認為地震前后拉薩臺的地電場異常變化經歷了“趨勢變化—擾動變化—發(fā)震期—恢復期”等發(fā)展階段，以及“低頻變化—高頻變化—平穩(wěn)變化—高頻變化”等演化過程；范瑩瑩等[11-12]研究了2013年蘆山Ms7.0地震與岷縣漳縣Ms6.6地震前后地電場在時間域、頻率域內的變化，認為地震前均發(fā)生地電場功率譜密度(特別是低于4×10 Hz頻段的成分)增大的現象，距離震源區(qū)越近，地震發(fā)生前后功率譜密度異常變化越明顯；③地電場觀測干擾因素及其抑制技術的研究，例如：席繼樓等[13]針對影響地電場觀測的主要工頻干擾源、干擾方式、干擾機理等開展研究，對現階段地電場觀測領域抑制工頻干擾的方法和技術等進行綜合性研究和討論；李偉等[14]以上海地區(qū)的3個地電場觀測臺站為例，結合地電場多極距觀測原理對地電場信號異常進行識別分析，認為地電場多極距觀測裝置系統(tǒng)和分析方法可以有效識別并區(qū)分地電場觀測中的電極極化干擾、雷擊干擾、高壓直流輸電干擾、電離層擾動干擾和自然電場異常等信號；沈紅會等[15]對南京地鐵對江寧臺地電場的影響進行了試驗研究，提出深埋電極抑制表層影響的方案；方煒等[16]以寶雞、乾陵和周至地電場觀測受寶雞—德陽+500 kV直流輸電工程影響為例，結合高壓直流輸電的基本原理，分析了高壓直流輸電影響特征，并定量地計算了不同距離、影響區(qū)電導率和高壓直流輸電人地電流等對地電場觀測的可能影響。

地電場觀測數據在地震預測中的應用，首要的問題是正確識別異常。地球物理臺網觀測數據跟蹤分析旨在落實中國地震局《關于加強地震監(jiān)測預報工作的意見》，推進地震監(jiān)測與預測工作的緊密結合，對地球物理臺網的大數據變化進行持續(xù)監(jiān)控和跟蹤分析[17]，對各類非正常數據變化，通過技術手段，深入挖掘影響因素，對數據受干擾的特征及影響因素進行關聯(lián)分析。隨著數據跟蹤分析工作的推進，相關研究也相繼涌現。但綜觀學者們的研究，基本局限于記錄實例的總結或區(qū)域臺網數據跟蹤分析工作現狀的分析[18-25]，對于某一測項的專類影響問題缺乏基于機理的、更加深入的研究。為此，筆者以天津地區(qū)臺站為例，對地電場受自然環(huán)境和場地環(huán)境典型干擾因素的數據跟蹤分析關鍵問題進行了研究。

1 自然環(huán)境對地電場影響的跟蹤分析

數據跟蹤分析系統(tǒng)給出的地電場觀測自然環(huán)境影響因素包含：濕度、降雪、融雪、雷雨、氣壓、降雨、雷電、風擾和溫度。但觀測實踐表明，影響地電場觀測的自然環(huán)境因素主要是雷電和降雨，以及雷電與降雨這2種因素的結合—雷雨，其它因素的影響則不突出。

1.1 雷電對地電場影響的跟蹤分析

雷電是一種場電物理變化現象，其放電形式、量度取決于雷暴云電場。地電場是一個相對穩(wěn)定的、有一定自身變化規(guī)律的電場，與大氣中雷暴云電場相比，梯度要小的多，因為地球表面的電導率遠遠大于空氣的電導率。地球表面還是一個非均勻各向異性的無限大的導體表面，在這個導體表面上各種不同的土壤電導率決定著地電場及地物尖端放電的擊穿強弱程度。在外部場電場變化的干擾下，兩種或以上的土壤電導率界面就形成帶電離子和自由離子的積累，并構成形式各異的尖端放電場強[26]，從而引起地電場的畸變等現象。

地電場受雷電影響的特征表現為：①在強雷電的作用下，地電場觀測曲線往往會出現畸變[27]。在變幅上，不同極距、不同方向各測項的變幅可能相似，也可能有一定的差別，這往往與土壤的含水量、地表狀況以及地下介質的不同有關；②地電場受雷電影響產生畸變的時間與雷電放電時間往往具有準同步性；③雷電距離電極越近，往往對地電場的影響也就越大；④雷電強度大，往往對地電場影響也就越大，地電場的變化幅度與雷電強度緊密相關(圖1)。

地電場受雷電影響的數據跟蹤分析關鍵問題包括：①數據變化形態(tài)類型的界定和數據變化描述。大地受雷電影響電荷產生積累，地電場觀測數據曲線往往會出現上升、下降趨勢變化或反復的上升、下降，觀測數據變化形態(tài)的類型應選擇“上升”、“下降”、“震蕩”或“趨勢轉折”。數據變化描述中應詳細描述地電場數據變化的開始和結束時間、各測項觀測數據變化的最大幅度區(qū)間，并與雷電事件作對比分析，從而給出地電場對雷電的響應是否有時間滯后以及滯后的時間范圍；②對雷電事件的描述。雷電發(fā)生的時間區(qū)間以及強弱等相關信息，往往是數據跟蹤分析記錄使用者所需要的。雷電的描述，至少應包含雷電的開始和結束時間、雷電的強度的定性描述(強、中、弱)以及雷電的頻度的描述(可為定性分析，但最好為定量分析)；③繪圖數據類型及輔助觀測數據的選擇。在數據預處理時，若已將受雷電影響的地電場觀測數據刪除，應選擇預處理數據并附加原始數據繪圖；沒有對受雷電影響的地電場數據進行刪除預處理的，則可僅使用預處理數據繪圖。除非雷雨影響，無須繪制降雨直方圖；④過度分析問題。根據規(guī)范，對于觀測系統(tǒng)和觀測環(huán)境產生的數據變化，確知原因且持續(xù)時間小于4 h的，不作數據跟蹤分析，記明日志即可。廣義的 “觀測環(huán)境”包括自然環(huán)境和場地環(huán)境。對于24 h內累計雷電時間小于4 h的事件作數據跟蹤分析有過度之嫌。

圖1 靜海臺地電場受雷電影響數據跟蹤分析曲線

1.2 降雨對地電場影響的跟蹤分析

降雨對地電場變化的影響，主要源于電極周圍及場地電場的實際改變。降雨，特別是強降雨導致土壤中的含水量發(fā)生較大變化，土壤的導電性能增強，成組電極之間的電位差也會發(fā)生一定程度的改變。鉛電極容易受極化影響。土壤接觸比較好的情況下，測量電極極化電位受其所在的介質基本條件的影響，例如：溫度、濕度以及電極質濃度[28]。電極附近土壤中的含水量發(fā)生變化可以導致電極極化電位變化，進而影響到地電場觀測數值的變化，但這要求降雨量足夠、土壤入滲能力強和電極埋深較淺等多因素共存，目前全國臺網地電場觀測的電極埋深大多在3 m以下，降雨入滲很難達到電極周邊，一般不會產生電極的極化效應。

地電場受降雨影響的特征表現為：①通常會在短時間內出現大幅臺階或畸變，或呈現一定斜率的趨勢變化；②地電場數據產生變化和恢復穩(wěn)定的時間與降雨開始和停止均會有時間滯后，但大暴雨的影響在時間滯后上并不顯著；③降雨在測區(qū)內、外，對地電場的影響有明顯的區(qū)別，測區(qū)外的降雨基本無明顯影響；④地電場觀測數據受降雨影響的變幅與雨水入滲量密切相關，細雨或小雨對地電場基本無影響，中雨和大、暴雨才會影響到地電場的正常變化形態(tài)(圖2)。

地電場受降雨影響的數據跟蹤分析關鍵問題包括：①數據變化形態(tài)的界定和數據變化描述。持續(xù)時間較短的大、暴雨發(fā)生，地電場可突發(fā)下降或上升，短時呈現階變，并在此背景下相對穩(wěn)定地變化；持續(xù)中等以上強度的降雨，地電場觀測數據曲線則可能會出上升或下降的趨勢性變化。觀測數據變化形態(tài)的類型應選擇“階變”、“上升”、“下降”或“趨勢轉折”較為合理。在數據變化描述中應詳細描述數據變化的開始和結束時間、各測項觀測數據的變化最大幅度區(qū)間，并與降雨事件作比較；②對降雨事件的描述。應有降雨的開始和結束時間、降雨的強度(暴雨、大雨、中雨或小雨等定性描述)以及降雨量的累計值。降雨開始時間和結束時間，可以氣象三要素儀記錄為準，時間精確到分鐘。降雨強弱，參照氣象部門的標準，以計量單位時間內的降雨量確定。往往在降雨發(fā)生的時間段內，降雨的強度并非均勻，也需要交待清楚；③繪圖數據類型及輔助數據的選擇。應選擇預處理數據繪圖；若在預處理時刪除了對降雨影響的數據，則應當同時附加原始數據曲線。為準確、直觀地表征降雨對地電場觀測數據的影響，應同時繪制降雨量直方圖，使應用者能夠對某段時間內降雨量、降雨強度等信息一目了然。

2 場地環(huán)境對地電場影響的跟蹤分析

數據跟蹤分析系統(tǒng)給出的地電場觀測的場地環(huán)境影響因素包含：工程影響、工廠運行、爆破干擾、塌方干擾、抽水、蓄水、灌溉、金屬管網、設備漏電、高壓直流輸電及城市軌道交通。但觀測實踐表明，影響地電場觀測的場地環(huán)境因素主要有灌溉、設備漏電、高壓直流輸電和城市軌道交通，其余因素的影響有的不常見，有的影響不顯著(另：工廠運行對地電場的影響，實質上也是設備漏電，故不單獨分析)。

2.1 灌溉對地電場影響的跟蹤分析

灌溉對地電場的影響機理與降雨一致，主要也是土壤濕度改變對地電場的實際改變，不再贅述。

圖2 靜海臺地電場受降雨影響數據跟蹤分析曲線

地電場受灌溉影響的特征表現為：①通常會出現大幅臺階或畸變，或呈現一定斜率的趨勢變化，與降雨的影響非常類似；②產生變化和恢復穩(wěn)定的時間與灌溉開始和結束的時間有滯后，但在快速灌溉且土壤入滲較快時，時間滯后不明顯；③由于觀測場地面積往往較大，在耕種上分割成不同的地塊，歸屬于不同農戶，灌溉從空間分布上經常出現不均衡(即：有的地塊灌溉，有的地塊沒有灌溉，或者灌溉的水量有明顯差別)。這可能會導致地電場長、短極距觀測數據的相關系數降低，此特征與降雨影響略有差別；④地電場受灌溉影響的變幅與水入滲量密切相關，滲水量越多引起的臺階或趨勢變化也越顯著。限于篇幅，不對地電場受灌溉影響圖示，可參考圖2。

地電場受灌溉影響的數據跟蹤分析關鍵問題包括：①數據變化形態(tài)的界定和數據變化的描述。數據變化類型的選擇與降雨影響一致，應選擇“階變”、“上升”、“下降”或“趨勢轉折”。數據變化描述中應當詳細描述地電場數據變化的開始和結束時間、各測項觀測數據的變化最大幅度區(qū)間，并與灌溉事件作比較，從而給出地電場對灌溉的響應是否有時間滯后以及滯后的時間范圍。場地灌溉不均衡，導致部分方向地電場相關系數降低也應描述清楚；②對灌溉事件的描述。應有灌溉開始和結束時間、灌溉對觀測場地的覆蓋范圍、灌溉前土壤含水量情況以及灌溉后土地含水或積水情況等，能夠提供灌溉的總水量或單位時間的灌溉水量則更佳。灌溉開始和結束時間，盡可能精確。灌溉范圍，如果是覆蓋了全部電極，則簡要說明即可；如果僅覆蓋部分電極及其連接部分的土地，則應描述清楚。

2.2 設備漏電對地電場影響的跟蹤分析

場地設備漏電會產生新的電流體系，漏電電流產生的附加磁場和電場，疊加到地電場上，從而增大或減低地電場測值。由于地磁場、地電場的矢量性，各分量相對漏電點位置及方向的不同，造成各分量變幅不同。

地電場受設備漏電影響的特征表現為：①觀測數據曲線出現大幅度臺階或畸變，嚴重壓制變形態(tài)，甚至將觀測曲線壓制成近似直線，往往還伴有長、短極距地電場相關系數降低；②地電場受設備漏電影響的開始時間與設備漏電發(fā)生的時間同步性強，但恢復一般會有時間滯后；③漏電點與電極之間的距離越近，影響越明顯，反之亦然。在理想狀態(tài)下使用均勻土壤模型，距離的平方與影響的強度成反比[16]；④變幅與漏電電流成正比，漏電電流越強，影響越大(圖3)。

地電場受設備漏電影響的數據跟蹤分析關鍵問題包括：①數據變化形態(tài)的界定和數據變化的描述。設備漏電持續(xù)時間短、頻次高、漏電量不穩(wěn)定的，往往表現為數據突跳；設備漏電持續(xù)一段時間或者反復出現持續(xù)性漏電的，地電場觀測數據曲線往往會出現階變。數據變化形態(tài)類型，應根據情況選擇“突跳”或“階變”。在數據變化描述中，應當詳細描述數據變化的開始和結束時間，如果是突跳，要給出突跳的頻度和最大變幅；若是階變，應指明階變的方向(上升或下降)以及各測項觀測數據變化的最大幅度區(qū)間，并與設備漏電事件作比較，從而給出地電場對設備漏電的響應是否有時間滯后以及滯后的時間范圍；②對設備漏電事件的描述。應將干擾源描述清楚：首先要將確定是使用的直流電還是交流電的設備，即漏電的電源類型；漏電開始時間和結束時間；設備漏電的機理和強度，是分析記錄使用者需要的信息，不可或缺。對于有些設備，是老化引起的(不是從工作原理上就有漏電必然性的設備)，漏電強度往往不能準確把握。若設備在原理上就是漏電的，例如電焊機，則要將設備的輸出電壓和功率表述清楚。漏電設備的定位，可以使用手持GPS定位儀或智能手機定位App，在分析時給出漏電設備的地理坐標并與觀測系統(tǒng)坐標進行對比，或給出漏電設備與地電場地中心點或某一電極的方位和距離；③繪圖數據類型的選擇。在數據預處理時，受設備漏電影響的地電場觀測數據往往會被刪除，數據跟蹤分析時應選擇預處理數據，并附原始數據繪圖；④過度分析問題。對于24 h內累計時間小于4 h的設備漏電事件，不宜作數據跟蹤分析。

2.3 高壓直流輸電對地電場影響的跟蹤分析

高壓直流輸電對地電場的影響，本質上是直流電源持續(xù)對地漏電的影響。高壓直流輸電是可以利用大地作為回路輸送電力：當采用單極或同極線路方式時，其正常運行機制均是利用大地(或海水)作為回流電路；采用雙極線路方式時，正常情況下電流基本上都從2條架空線路經過，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(小于30 A)。一旦一條線路出現故障，或者進行線路測試檢修時，將只剩下一條架空線，即相當于單極運行，回路電流基本全部從地下通過，會出現很大的不平衡電流，一般高達數千安培，從而導致地電場觀測顯著的臺階式同步改變。目前我國高壓直流輸電線路基本采用雙極線路方式，正常運行時不會產生漏電電源，對地電場沒有影響。但遇有調試或工作不正常時，會有增強的不平穩(wěn)電流入地，從而導致地電場的變化。

圖3 徐莊子臺地電場受設備漏電影響數據跟蹤分析曲線

圖4 靜海臺地電場受高壓直流輸電影響數據跟蹤分析曲線

地電場受高壓直流輸電影響的特征表現為：①觀測數據曲線出現大幅度臺階或突跳(輸電故障持續(xù)時間短且入地電流不穩(wěn)定時)，嚴重的會壓制地電場日變形態(tài)，一般對長、短極距地電場觀測數據相關系數影響不大；②地電場觀測數據受高壓直流輸電影響開始時間與終止時間與高壓直流輸電故障時間有較強的同步性，偶有結束時間滯后現象；③高壓直流輸電對地電場影響與地電場觀測場地(或電極)與高壓直流輸電線路換流站接地極的距離的平方和影響區(qū)域的電導率成反比[16]；④地電場觀測數據受高壓直流輸電影響的變化幅度與入地電流成正比[16]。

地電場受高壓直流輸電影響的數據跟蹤分析關鍵問題包括：①數據變化形態(tài)的界定和數據變化的描述。觀測數據變化形態(tài)的類型，實踐中基本選用“階變”(變化形態(tài)為突跳的較少，且因持續(xù)時間短，一般不作數據跟蹤分析)。在文字描述時，要有數據變化開始和結束時間、分析時段內是多組干擾還是單組干擾、階變的方向描述和各測項的最大變幅區(qū)間等；②對高壓直流輸電事件的描述。近些年來，高壓直流輸電發(fā)展迅猛，已建成多條高壓直流輸電線路。同一臺站地電場觀測往往受到多條線路的影響，例如：天津區(qū)域普遍受到青島—寧東線、扎青線及呼遼線等高壓直流輸電的影響。對本次影響的高壓直流輸電線路及其信息，要在數據變化描述中予以交待，例如：線路名稱、線路起止地名、輸電電壓、換流站地名、換流站與影響臺站的直線距離以及不平衡電流的理論值等；③繪圖數據類型的選擇及圖件繪制。應選擇預處理數據曲線，若某段時間內反復出現高壓直流輸電影響，且每次影響獨立，要分別在受影響的曲線部分畫框標注。若不獨立，則可將整個時間段繪制一個方框，并標注清楚影響線路的簡稱；④過度分析及漏分析。高壓直流輸電影響持續(xù)時間不超過4 h的，只需記明日志。對于在24 h內反復出現，累計時長大于4 h的高壓直流輸電事件，應當作數據跟蹤分析。

2.4 城市軌道交通對地電場影響的跟蹤分析

城市軌道交通對地電場的影響，本質上也直流電源漏電影響，但這種漏電是頻繁間斷、漏電量相對穩(wěn)定的漏電，其頻繁間斷漏電的特性與高壓直流輸電的影響又有明顯的區(qū)別。

地電場受城市軌道交通影響的特征表現為：①觀測數據曲線出現高頻脈沖圖像，呈現“毛刺”狀，曲線明顯增粗，變化幅度可達幾mV/km，甚至達到上千mV/km[29]，但對長、短極距地電場觀測數據相關系數一般影響不大；②地電場觀測數據受城市軌道交通影響開始時間與終止時間與城市軌道交通運行時間有較強的同步性；③與高壓直流輸電相似，城市軌道交通對地電場影響與地電場觀測場地與城市地鐵、輕軌的距離的平方和影響區(qū)域的電導率成反比。布極方位與軌道方向一致的測道地電場數據受到影響較大，與軌道垂直的測道地電場數據受到的干擾則要小[30]；④地電場觀測數據受城市軌道交通影響的變幅與入地電流成正比(圖5)。

圖5 寶坻新臺地電場受城市軌道交通影響數據跟蹤分析曲線

地電場受城市軌道交通影響的數據跟蹤分析關鍵問題包括：①數據分析時間尺度的選定。以往地電場受城市軌道交通干擾事件大多是按月進行跟蹤分析，每月形成1條記錄。這種方法人為割裂了事件，是不可取的，既形成了分析記錄冗余，又浪費了人力。城市軌道交通事件數據跟蹤分析應以年為時間區(qū)間，每年2月份對1月份數據跟蹤分析，并將結束時間置為空；之后每月月初增加上個月的數據分析，更新圖形，保持結束時間為空，直到1年數據分析完成，整個年度形成1條完整的分析記錄；②數據類型選定及圖件繪制問題。城市軌道交通干擾事件，選用原始數據最為適宜。城市軌道交通干擾事件跟蹤分析，時間尺度最小為1個月(最長為1年)，以1個月或更長期間的分鐘值數據繪制曲線，無法看清軌道交通對地電場觀測數據的影響，而以2日原始數據繪圖，更能清晰地反映出城市軌道交通對地電場觀測的影響。因此應選擇2日原始數據繪圖，可以為當月最后2日(最后2日若有地電暴或干擾等，則可以選擇表現力更強的數據來分析，但應當為當月數據中的連續(xù)2日)。每月跟蹤分析時，可以在新的原始圖件形成后保存在本地，之后上傳覆蓋原圖；③數據變化形態(tài)的界定和數據變化的描述。城市軌道交通對地電場數據的影響表現為數據曲線上很多的“毛刺”，更符合噪聲大的特征。數據影響時間段描述，精確到分鐘最佳。受影響的幅度，建議選用僅有城市軌道交通影響(即沒有觀測系統(tǒng)故障，沒有其他環(huán)境因素影響、地球物理事件以及人為干擾)的多日數據。對影響時段變化與無影響時段的變化進行對比分析、估算，絕不能以系統(tǒng)自動統(tǒng)計的幅度為準；④對城市軌道交通事件的描述。應描述主要影響的線路編號，距離臺站最近的站點名稱和方位、距離以及線路客車供電直流電壓等信息。

3 結 論

通過對地電場受場地自然環(huán)境、場地環(huán)境6種典型干擾因素影響的特征及其數據跟蹤分析關鍵問題的研究，得到以下結論：

(1)不論是自然環(huán)境因素，還是場環(huán)境因素，對地電場的影響途徑均主要對電極周邊地電場的真實改變。其影響方式是疊加或削減場強，干擾信息對地震預測會有不利影響，應持續(xù)跟蹤分析。

(2)降雨、灌溉對地電場影響的機理和特征均類似；設備漏電、高壓直流輸電、城市軌道交通的影響歸根結底是漏電影響，也有相似的機理與特征；雷電對地電場的影響則是增強感應的方式。各類影響因素對地電場影響的機理和特征的共性決定了數據跟蹤分析的諸多環(huán)節(jié)的可比較性與可參照性。

(3)對環(huán)境因素的數據跟蹤分析，數據類型的選擇要依據地電場變化的特征及機理。數據變化描述要交待數據變化的形態(tài)及變幅，還要與影響的事件作關聯(lián)、比較，使分析記錄使用者能夠清晰把握干擾的現象與本質。繪圖使用的數據類型以及是否附上其它測項曲線，要根據事件類型來判斷，要能做到形象對比，增強直觀性。

致謝：審稿老師2次認真、細致地審閱我們的論文稿，提出了諸多寶貴建議，對我們糾正錯誤認識，修改、完善論文起到了重要作用，在此衷心地表示感謝。