夏縣中心地震臺(tái)地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)與特征分析

李曉銳，常 姣，劉國(guó)俊，姚林鵬，黃春玲，李 民

(1.山西省地震局夏縣中心地震臺(tái)，山西 夏縣 044400；2.太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，山西 太原 030025)

0 引言

地電場(chǎng)是指地球表面天然存在的電場(chǎng)，根據(jù)場(chǎng)源的不同，地電場(chǎng)可分為大地電場(chǎng)和自然電場(chǎng)。大地電場(chǎng)是由地球外部場(chǎng)源與地球介質(zhì)間相互作用產(chǎn)生的感應(yīng)電場(chǎng)，具有廣域性；自然電場(chǎng)是由地球內(nèi)部介質(zhì)的各種物理化學(xué)作用產(chǎn)生的局部電場(chǎng)，具有相對(duì)穩(wěn)定性[1]。地電場(chǎng)是地球物理觀測(cè)的重要手段之一，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究表明，地震在孕育和發(fā)生過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生電磁異常信號(hào)，地電場(chǎng)表現(xiàn)出的短臨異常對(duì)地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)具有重要意義。

夏縣中心地震臺(tái)(以下簡(jiǎn)稱夏縣臺(tái))原地電場(chǎng)建于2006年，正式觀測(cè)以來(lái)多次獲得全國(guó)質(zhì)量評(píng)比前三名的好成績(jī)。2016年由于政府扶貧，將扶持項(xiàng)目建在觀測(cè)場(chǎng)地內(nèi)，導(dǎo)致觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量下降，場(chǎng)地條件不符合地電場(chǎng)觀測(cè)規(guī)范要求，故臺(tái)站于2018年開(kāi)始堪選建設(shè)新場(chǎng)地。新場(chǎng)地于2018年7月建成，2019年開(kāi)始正式觀測(cè)。為有效使用觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)夏縣臺(tái)地電場(chǎng)正式觀測(cè)一年來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)與特征分析，以期為夏縣臺(tái)地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)在地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)工作中的應(yīng)用提供參考。

1 觀測(cè)場(chǎng)地及系統(tǒng)概況

夏縣臺(tái)地電場(chǎng)觀測(cè)場(chǎng)地位于山西省夏縣南大里鄉(xiāng)南晉村西南200 m處的農(nóng)田內(nèi)，海拔約490 m。地質(zhì)構(gòu)造上處于祁連山、呂梁山、賀蘭山“山”字形構(gòu)造的東翼，新華夏系運(yùn)城凹陷的北東邊緣中條山北麓斷裂NE段的北部，中條山山前洪積扇上。中條山北麓斷裂為第四紀(jì)活動(dòng)斷裂，位于鄂爾多斯地塊東南緣，是運(yùn)城盆地的主控?cái)嗔?，斷裂總長(zhǎng)約137 km，沿?cái)嗔褞в袦厝雎叮瑢儆跇?gòu)造活躍地區(qū)，場(chǎng)地適合地電場(chǎng)觀測(cè)[2]。

夏縣臺(tái)地電場(chǎng)觀測(cè)儀器為中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所研發(fā)的GEF-II型地電場(chǎng)儀，觀測(cè)電極為蘭州地震研究所研制的固體不極化電極。觀測(cè)室距離公共電極O極點(diǎn)20 m，電極布設(shè)呈第三象限雙“L”直角型，在場(chǎng)地公共電極O極點(diǎn)向南和向西布設(shè)測(cè)線，每個(gè)方向均有兩個(gè)測(cè)道，選取不同極距埋設(shè)電極，外線路采用地埋導(dǎo)線方式。各測(cè)向極距如表1所示，場(chǎng)地布設(shè)情況如第16頁(yè)圖1所示。

表1 地電場(chǎng)觀測(cè)裝置參數(shù)表Table 1 Parameters of geoelectric field observation device

2 觀測(cè)資料選取

夏縣臺(tái)地電場(chǎng)始建于2018年初，于2019年1月開(kāi)始正式觀測(cè)。根據(jù)觀測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行和觀測(cè)資料產(chǎn)出情況，選取2019年1月至12月的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量分析和評(píng)價(jià)。

3 觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)

3.1 數(shù)據(jù)連續(xù)率、完整率評(píng)價(jià)

圖1 地電場(chǎng)儀器布設(shè)圖Fig.1 Layout of geoelectric field instruments

地震觀測(cè)數(shù)據(jù)比較通用的評(píng)價(jià)指標(biāo)是觀測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)率和完整率。觀測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)率統(tǒng)計(jì)的是原始觀測(cè)數(shù)據(jù)，完整率統(tǒng)計(jì)的則是預(yù)處理數(shù)據(jù),這兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)直接反映了儀器的工作狀態(tài)及觀測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況。因在儀器故障而無(wú)法正常工作時(shí)，數(shù)據(jù)連續(xù)率必然降低；因觀測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行不正常時(shí)，常產(chǎn)生錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，在預(yù)處理過(guò)程中會(huì)予以刪除，影響數(shù)據(jù)的完整率。夏縣臺(tái)地電場(chǎng)數(shù)據(jù)連續(xù)率和完整率情況統(tǒng)計(jì)如表2所示，從表中看出，夏縣臺(tái)地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)每個(gè)月的連續(xù)率和完整率均在99%以上，表明儀器工作狀態(tài)良好，觀測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行基本正常。

表2 2019年觀測(cè)數(shù)據(jù)連續(xù)率和完整率統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistics of continuity and completeness of observation data in 2019

3.2 相關(guān)系數(shù)評(píng)價(jià)

由于地電場(chǎng)具有局部穩(wěn)定性的特點(diǎn)，理論上同一測(cè)向上長(zhǎng)短極距測(cè)道的數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)應(yīng)該基本一致。通過(guò)對(duì)各測(cè)向分別進(jìn)行時(shí)域相關(guān)分析，可以驗(yàn)證數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)的一致性，即求取同一測(cè)向上長(zhǎng)短極距測(cè)道觀測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)。如相關(guān)系數(shù)較高，表明觀測(cè)數(shù)據(jù)的可信度較高，否則需要考慮觀測(cè)裝置是否存在問(wèn)題或場(chǎng)地周圍是否存在干擾。夏縣臺(tái)地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)每個(gè)月的月相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計(jì)如表3所示。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，除4月份因場(chǎng)地內(nèi)雷電天氣和雷電過(guò)后的短極距O極電極故障等原因?qū)е碌南嚓P(guān)系數(shù)較低外，夏縣臺(tái)地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)基本保持在0.9以上，觀測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，場(chǎng)地周圍無(wú)明顯持續(xù)干擾源，觀測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠。

表3 2019年觀測(cè)數(shù)據(jù)月相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計(jì)表Table 3 Statistics of monthly correlation coefficient of observation data in 2019

3.3 歸零差值評(píng)價(jià)

由于地電場(chǎng)具有局部穩(wěn)定性的特點(diǎn)，理論上同一測(cè)向上長(zhǎng)短極距測(cè)道的數(shù)據(jù)變化幅度應(yīng)該基本一致。用歸零差值可以驗(yàn)證數(shù)據(jù)變化幅度是否一致，是否存在漂移現(xiàn)象。歸零差值的計(jì)算分三步：第一步，去除觀測(cè)數(shù)據(jù)的背景值，即將觀測(cè)數(shù)據(jù)與該測(cè)道00:00時(shí)刻數(shù)據(jù)(具體計(jì)算時(shí)使用前4 h的平均值)相減，得到本測(cè)道的歸零日變化數(shù)據(jù)；第二步，計(jì)算相同測(cè)向的長(zhǎng)短極距測(cè)道歸零數(shù)據(jù)的差值序列；第三步，求出上述差值序列的絕對(duì)平均值，即為歸零差值[3]。夏縣臺(tái)地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)每個(gè)月的月差值如第17頁(yè)表4所示。結(jié)果表明，4、7和8月NS、EW向存在歸零差值大于1 mV/km的情況，其余月份差值較好。其中，4月因場(chǎng)地內(nèi)出現(xiàn)雷電天氣，加之雷電過(guò)后短極距O極電極故障等因素影響，導(dǎo)致歸零差值較大；7月，主要因16日更換短極距O極電極導(dǎo)致歸零差值較大；8月份主要因場(chǎng)地內(nèi)農(nóng)田灌溉現(xiàn)象較多，導(dǎo)致歸零差值較大。

3.4 分量合成效果評(píng)價(jià)

由于地電場(chǎng)具有矢量特征，所以地電場(chǎng)觀測(cè)各測(cè)道數(shù)據(jù)應(yīng)滿足矢量合成的相關(guān)規(guī)則，即兩個(gè)正交方向的觀測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)矢量合成應(yīng)與斜道觀測(cè)數(shù)據(jù)相符。符合矢量合成特征則表明觀測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行正常。夏縣臺(tái)地電場(chǎng)布極方式為第三象限布極，根據(jù)矢量合成的規(guī)則，應(yīng)滿足：

表4 2019年觀測(cè)數(shù)據(jù)月差值統(tǒng)計(jì)表Table 4 Statistics of monthly difference of observation data in 2019

圖2 長(zhǎng)極距測(cè)道分量合成結(jié)果圖Fig.2 Composition results of long polar distance channel components

4 觀測(cè)數(shù)據(jù)特征分析

4.1 日變形態(tài)特征分析

由于臺(tái)站的地理位置、地下構(gòu)造、地形地貌、布極環(huán)境以及觀測(cè)裝置等諸多因素的差異較大，導(dǎo)致目前中國(guó)大陸地電場(chǎng)曲線的日變形態(tài)呈現(xiàn)多樣性、復(fù)雜性的特點(diǎn)，主要包括“峰-谷”型、近直線型、無(wú)序變化型和混合型4種類型[4]。選取夏縣臺(tái)地電場(chǎng)在太陽(yáng)活動(dòng)平靜日的日觀測(cè)數(shù)據(jù)，繪制于同軸坐標(biāo)系，總結(jié)其日變形態(tài)特征。如圖4和第18頁(yè)圖5所示，分別選取EW、NS向長(zhǎng)極距測(cè)道1月8日至10日和6月16日至18日的觀測(cè)數(shù)據(jù)，從圖中可以看出，夏縣臺(tái)地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的日變形態(tài)表現(xiàn)為“峰-谷”型。

圖3 短極距測(cè)道分量合成結(jié)果圖Fig.3 Composition results of short polar distance channel components

圖4 長(zhǎng)極距測(cè)道日變化特征曲線圖Fig.4 Characteristic curve of daily variation of long polar distance measuring track

4.2 極化特征分析

地電場(chǎng)是一個(gè)矢量，包含有變化強(qiáng)度和方向等信息。夏縣臺(tái)地電場(chǎng)采用兩個(gè)正交的方向進(jìn)行測(cè)量，即NS和EW向，通過(guò)矢量合成法可獲得地電場(chǎng)強(qiáng)度的幅度和極化方位角的數(shù)據(jù)及其隨時(shí)間的變化情況[5]，計(jì)算方法如下：

圖5 長(zhǎng)極距測(cè)道日變化特征曲線圖Fig.5 Characteristic curve of daily variation of long polar distance measuring track

選取夏縣臺(tái)地電場(chǎng)的長(zhǎng)極距觀測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算地電場(chǎng)強(qiáng)度極化方位角，并繪制其隨時(shí)間變化的曲線(見(jiàn)圖6)。

圖6 地電場(chǎng)極化方位角曲線圖Fig.6 Polarization azimuth curve of geoelectric field

從圖中可以看出，夏縣臺(tái)地電場(chǎng)在運(yùn)行之初，極化方位角為負(fù)，即北偏西方向，之后不斷向東漂移，4月8日在場(chǎng)地出現(xiàn)雷電現(xiàn)象后，極化方位角轉(zhuǎn)為正，而后逐漸趨于穩(wěn)定。目前，夏縣臺(tái)地電場(chǎng)極化方位角為20°左右，方向?yàn)楸逼珫|。

4.3 干擾特征分析

夏縣臺(tái)地電場(chǎng)觀測(cè)場(chǎng)地位于農(nóng)田內(nèi)，在2019年，地電場(chǎng)觀測(cè)主要干擾源為農(nóng)田灌溉，其次還有地電暴和高壓直流輸電干擾。干擾的主要形態(tài)表現(xiàn)為階變、漂移和突跳等，下面選取幾種典型的干擾形態(tài)進(jìn)行分析。圖7為2019年4月7日至10日短極距測(cè)道的圖形。7日，短極距測(cè)道觀測(cè)數(shù)據(jù)受南端短極距電極坑附近農(nóng)田灌溉干擾，相關(guān)測(cè)道的觀測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)階變，然后呈漂移恢復(fù)形態(tài)；圖8為2019年6月8日至9日長(zhǎng)極距測(cè)道的圖形，6月8日22時(shí)至9日4時(shí)，觀測(cè)數(shù)據(jù)受地電暴干擾，各測(cè)道同時(shí)出現(xiàn)突跳現(xiàn)象；第19頁(yè)圖9所示為2019年8月10日長(zhǎng)極距測(cè)道的圖形，8月16日觀測(cè)數(shù)據(jù)多次受到昌宣線(距臺(tái)站約150 km)高壓直流輸電干擾，各測(cè)道數(shù)據(jù)同時(shí)出現(xiàn)突跳現(xiàn)象。

圖7 地電場(chǎng)受農(nóng)田灌溉干擾曲線圖Fig.7 Interference curve of geoelectric field by farmland irrigation

圖8 地電場(chǎng)受地電暴干擾曲線圖Fig.8 Interference curve of geoelectric field by earth electric storm

5 結(jié)語(yǔ)

選取夏縣臺(tái)地電場(chǎng)自2019年正式觀測(cè)以來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，得出如下結(jié)論：

(1) 從觀測(cè)數(shù)據(jù)連續(xù)率、完整率、相關(guān)系數(shù)、歸零差值和分量合成效果五方面對(duì)觀測(cè)質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，得出地電場(chǎng)觀測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，觀測(cè)場(chǎng)地周邊未發(fā)現(xiàn)持續(xù)干擾源，觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量較高。

圖9 地電場(chǎng)受高壓直流輸電干擾曲線圖Fig.9 Interference curve of geoelectric field by HVDC

(2) 通過(guò)對(duì)夏縣臺(tái)地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)特征進(jìn)行分析，可以看出，地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的日變形態(tài)表現(xiàn)為“峰-谷”型；極化特征為線極化，極化方向逐漸穩(wěn)定在北偏東20°左右；地電場(chǎng)觀測(cè)主要干擾源為農(nóng)田灌溉，其次還有地電暴和高壓直流輸電干擾，主要形態(tài)表現(xiàn)為階變、漂移和突跳等。通過(guò)分析表明，觀測(cè)數(shù)據(jù)可作為地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)研究的基礎(chǔ)資料。