江油地震臺地電場觀測數(shù)據(jù)干擾分析

劉華姣，李雪浩，何思源，李貴元，鐘李彬

(1．四川省地震局成都地震基準(zhǔn)臺，四川 成都 611730；2．成都理工大學(xué)，四川 成都610059)

地電場觀測數(shù)據(jù)是地震前兆分析和研究的基礎(chǔ)之一，但地電場觀測具有易受區(qū)域電磁環(huán)境、氣候等干擾的特點(diǎn)，其常見的干擾因素有雷電干擾、降雨影響、電阻率測量干擾、場地固定干擾、線路和儀器故障等。隨著地電場數(shù)字化儀器采樣率與靈敏度大幅提高，這些干擾因素也被記錄下來，如何正確識別和排除干擾、準(zhǔn)確提取出與地震孕育過程有關(guān)的地電場異常變化是地震預(yù)報(bào)面臨的一大難題。國內(nèi)外學(xué)者曾對特定臺站的地電場正常數(shù)據(jù)和干擾數(shù)據(jù)特征進(jìn)行研究，歸納了常見的干擾因素和干擾特征。但不同地電臺站因其觀測環(huán)境的差異性，觀測數(shù)據(jù)特征也有所不同。江油地電場為2016年新增觀測手段，目前對該數(shù)據(jù)尚無系統(tǒng)的研究。對江油臺觀測數(shù)據(jù)干擾進(jìn)行系統(tǒng)的分析將有助于促進(jìn)該數(shù)據(jù)在地震分析預(yù)報(bào)中的應(yīng)用，也能更好的為震情跟蹤服務(wù)。

1 觀測背景

江油八一地震臺位于四川省江油市八一鄉(xiāng)中心村，地處龍門山中北段江油前山斷裂帶構(gòu)造附近，屬于北東向構(gòu)造體系，構(gòu)造線走向?yàn)楸睎|45°～50°。場地屬剝蝕構(gòu)造丘陵地貌，地形坡度在20°左右，丘頂較平緩，多呈渾圓狀、臺地狀。場地的基巖是由上侏羅統(tǒng)紫灰色砂巖、黃棕色巖屑石英砂巖、棕紅色粉砂巖與泥巖層等組成的互層，表現(xiàn)為傾向北西的單斜層(顏曉曄等，2012；江玉樂等，2015)。該區(qū)域地勢相對較高且平坦，無大型深溝和陡峻山丘，周邊為農(nóng)家農(nóng)田，無工業(yè)生產(chǎn)、城市交通軌道等干擾，觀測環(huán)境較好。但是，隨著鄉(xiāng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，臺站周圍觀測環(huán)境已有蝦魚塘、機(jī)械化種植、以及高壓直流輸電等影響。

圖1 江油地震臺地電場電極布線

江油地電場觀測于2016年正式運(yùn)行，觀測系統(tǒng)分為測量儀器、測量線路、電極和標(biāo)定儀器四部分。江油臺地電場測量儀器采用由中國地震局預(yù)測研究所監(jiān)制、北京陸洋科技有限公司生產(chǎn)的ZD9A-2B型數(shù)字電場儀。觀測系統(tǒng)采用 “三方向，多極距”的近似“L” 型布極方式，從中心點(diǎn)向西和向南分別布設(shè)測線(圖1)，每個測向均有兩個測道，極距分長極距、短極距2段，按N10°E、 N70°W布設(shè)電極，其中O1A2為200 m，O1A1為300 m，O2B2為200 m，O2B1為300 m。外線路采用地埋方式，埋深在2.5 m至3 m之間，外線路絕緣性好，均能大于500 M·Ω，電極為圓柱形的固體不極化電極。觀測室接地線接地電阻為2.5 Ω，測量儀器置于觀測室內(nèi)，觀測室距布極中心距離500 m。

2 正常數(shù)據(jù)特征

地電場和地磁場一樣，有日變、月變、年變等周期性變化，也有不規(guī)則的干擾變化。這些變化的原因和地磁場變化一樣，主要是來自地球外部，如太陽輻射、宇宙線和大氣電離層變化所引起的。該部分內(nèi)容主要介紹地電場的靜日地電日變化和擾日地電日變化。

2.1 靜日變化

地電場的平靜變化具有連續(xù)性和周期性，靜日地電日變化的周期為一天。根據(jù)理論分析，地電場日變化的形態(tài)應(yīng)該具有兩峰、兩谷，半日波略強(qiáng)于全日波，同時還有小時、6小時等周期成分。譚大誠等(2010)將潮汐地電場分成近正弦的雙峰雙谷TGF-A型和近梯形的雙峰單谷TGF-B型：TGF-A型地電場與固體潮汐密切關(guān)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(jié)構(gòu)、構(gòu)造活動等因素有關(guān)；TGF-B型地電場與氣潮作用產(chǎn)生的空間Sq電流關(guān)系密切，并與巖石飽和度、滲透率等有關(guān)。

圖2 江油地電場靜日變化曲線

江油地震臺地電場NS、EW、NW測向靜日(2016年5月31日至2016年6月3日)分鐘值日變化形態(tài)曲線如圖2所示，NS測向和EW測向有明顯的日變形態(tài)，屬于TGF-B型，呈雙峰單谷形態(tài)，極小值均出現(xiàn)在北京時間14時左右；NW測向因受周邊環(huán)境影響，日變形態(tài)不及NS、EW測道明顯，日變形態(tài)極小值出現(xiàn)在北京時間12時左右, 雙峰單谷。三個測向的日變形態(tài)稍有區(qū)別，但是整體的趨勢基本保持一致，各測向的日變化幅度不大，日變化幅度一般在0.5 mV/km左右。

2.2 地電暴分析

地電暴是地磁暴發(fā)生期間地電場觀測中所記錄到的電擾變化，是變化最為劇烈的地電場變化成分，兩者具有同源性，在時間域和頻率域上都具有較好的同步性和相關(guān)性。它們幾乎是在全球同時發(fā)生的，變化幅度大，持續(xù)時間長，一般持續(xù)1～3天。2017年7月16日發(fā)生最大地磁k指數(shù)為6的磁暴，江油臺地電場各測道均記錄到地電暴，如圖3所示。地電暴開始之后，出現(xiàn)高頻突跳脈沖，影響地電場數(shù)據(jù)日變化，長短極距6個測道同時畸變，變化形態(tài)基本一致，為劇烈的短周期起伏變化。當(dāng)磁暴強(qiáng)烈時可以記錄到清晰的初始、初相、主相和恢復(fù)相完整形態(tài)，其變化幅度隨著磁擾強(qiáng)度的增強(qiáng)而增大，磁擾結(jié)束后，地電場數(shù)據(jù)也隨之恢復(fù)正常。

圖3 江油地電場觀測中地電暴記錄曲線

3 干擾數(shù)據(jù)特征

3.1 氣象因素干擾

降雨、雷電等氣象因素對地電場觀測也有較大的影響。降雨對地電場的影響主要有兩類，一類是電極可能受降雨的影響產(chǎn)生極化：水使電極引線或是測線引線接頭受潮,與大地接觸產(chǎn)生不極化電位, 觀測數(shù)據(jù)曲線的表現(xiàn)形態(tài)往往是臺階或漂移(張秀霞等，2009)；另一類是周圍電場的實(shí)際改變：降雨造成了觀測場地內(nèi)的表層土壤含水量增加，從而引起地下介質(zhì)中的電離子加速運(yùn)動，且強(qiáng)降雨時在地表有可能形成水的徑流而產(chǎn)生感應(yīng)電場，這些因素都會引起地電場的變化。由圖4a，地電場觀測值與降雨有著明顯的相關(guān)性，2017年7月18日江油地電場受降雨影響，觀測數(shù)據(jù)在5時至10時受到明顯干擾，干擾數(shù)據(jù)曲線呈大幅度上升或下降變化，日變形態(tài)發(fā)生畸變，NW測道與NS、EW測道呈反向干擾形態(tài)，干擾幅度與降雨量以及電極自身性能有關(guān)。隨著電極周圍土壤中水分減少，觀測場地逐漸干涸，觀測值逐步恢復(fù)平穩(wěn)。

圖4 氣象因素對江油地電場觀測的影響變化曲線

3.2 地電阻率同場觀測干擾

江油臺地電阻率觀測是采用直流源、正反向、等周期供電時間序列方波的供電模式，由于江油臺地電場觀測與地電阻率觀測場地為同一區(qū)域，地電阻率觀測測數(shù)在向大地供電的同時會產(chǎn)生一個人工電場疊加在大地電場上影響地電場觀測。圖5為江油地電場觀測受地電阻率供電測數(shù)影響的數(shù)據(jù)曲線形態(tài)，人工供電波形，作為一種已知源干擾，疊加到了正常地電場觀測信號中。此類干擾可通過設(shè)置測量次數(shù)和門限，通過刪除超過設(shè)定閾值單次測量結(jié)果的方式。或者校準(zhǔn)地電場儀和地電阻率儀的時差，通過控制地電阻率觀測儀在地電場測量時停止向大地供電的方式來避免地電阻率供電干擾。江油地電場采用后一種方式，在校準(zhǔn)儀器時差后，干擾消失。

圖5 地電阻率供電測數(shù)對地電場觀測干擾曲線

3.3 高壓直流輸電干擾

高壓直流輸電在遠(yuǎn)距離、超大容量輸電中具有明顯的優(yōu)勢。但特高壓直流線路的空間合成場和換流站接地極的入地電流，會影響地電觀測系統(tǒng)中電極之間空間電位分布，因此對地電場觀測也有一定的干擾。受寶雞—德陽±500 kv的HVDC輸電線路影響，2019年4月30日至2019年5月8日江油臺地電場6個測向均出現(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。NS、EW測道具有同向變化，NW測道與NS、EW測道干擾形態(tài)反向，均呈方波型階躍變化(圖6)。

圖6 高壓直流輸電對江油地電場觀測的影響變化曲線

3.4 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)干擾

3.4.1 農(nóng)田灌溉排水干擾

3.4.2 機(jī)械化種植干擾

隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工具的不斷優(yōu)化，中小型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工具，如收割機(jī)、轉(zhuǎn)孔機(jī)，犁地機(jī)，抽水泵等的使用過程中造成的漏電也會對地電場觀測產(chǎn)生干擾。這類干擾多為游散電流變化干擾，在干擾時段內(nèi), 地電場數(shù)據(jù)表現(xiàn)為呈正、負(fù)的高頻變化。2018年9月7日至9日江油地電場測區(qū)內(nèi)有電動打谷機(jī)收割水稻漏電干擾，數(shù)據(jù)曲線出現(xiàn)突跳(圖7b)，2018年9月9日9時后因測區(qū)內(nèi)降雨，打谷機(jī)暫停作業(yè)后此類干擾消失。

圖7 江油地電場受農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響的干擾曲線

3.4.3 蝦塘干擾

2017年12月19日在江油地電場EW測道A1電極至A2電極附近區(qū)域有一用于養(yǎng)殖小龍蝦的蝦塘正式施工，面積約50畝。2017年12月19日至2018年1月20日進(jìn)行挖土作業(yè)，挖土作業(yè)對地電場觀測無明顯干擾。2018年1月26日至2月8日，蝦塘施工人員采用鐵皮質(zhì)的彩鋼板制作蝦塘圍欄，26日、27日彩鋼板陸續(xù)運(yùn)入場地內(nèi)，鐵皮質(zhì)彩鋼板進(jìn)場后對觀測數(shù)據(jù)產(chǎn)生干擾，觀測曲線形態(tài)在彩鋼板進(jìn)場的2小時內(nèi)大幅度畸變，見圖9(a)、(b)。地電場EW、NW測向的日相關(guān)系數(shù)也自2018年1月26日開始明顯降低(圖8)，且在每年3月份左右開始蓄水養(yǎng)殖小龍蝦后持續(xù)走低，在8月份左右小龍蝦養(yǎng)殖成熟后蝦塘不再人為蓄水，蝦塘水分自然蒸發(fā)后，地電場EW、NW測向相關(guān)系數(shù)逐步回升。2018年3月10日至25日使用鋼管和鐵絲作為塑料網(wǎng)的支架進(jìn)行蝦塘頂部拉網(wǎng)作業(yè)，鋼管、鐵絲進(jìn)場后對觀測值有明顯影響，干擾形態(tài)與彩鋼板進(jìn)場干擾相似，均呈臺階狀,見圖9(c)、(d)。2018年4月底該蝦塘開始正式蓄水養(yǎng)殖，蝦塘正式使用后的蓄水排水也對江油地電場觀測有所干擾，干擾特征與農(nóng)田灌溉相同。由于該蝦塘位于EW測道A1電極至A2電極區(qū)域，其對NS測道無干擾，對EW、NW測道干擾明顯。

圖8 江油地電場日相關(guān)系數(shù)曲線

圖9 江油地電場受蝦塘鐵皮質(zhì)干擾曲線

4 結(jié)論

(1)通過總結(jié)江油地震臺地電場觀測數(shù)據(jù)的日變化形態(tài)，對江油臺地電場觀測干擾數(shù)據(jù)特征分析，發(fā)現(xiàn)江油地電場有清晰日變形態(tài)，觀測過程中主要存在地電暴干擾、地電阻率同場觀測干擾、雷電和降雨干擾、高壓直流輸電以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)干擾。這些干擾的存在影響了映震異常的識別，因此在確定電場變化是否是震兆異常時應(yīng)充分考慮干擾異常。(2)在進(jìn)行干擾識別時，應(yīng)結(jié)合地磁K指數(shù)、雷電和降雨天氣情況、高壓直流輸電和同場地的地電阻率供電時間、農(nóng)業(yè)作業(yè)生產(chǎn)情況、干擾數(shù)據(jù)的方向性等來確定干擾源。(3)做好場地環(huán)境的巡查，收集觀測場地環(huán)境變化信息，加強(qiáng)降雨量、水位等輔助觀測，記錄雷電天氣、磁暴等信息，將有助于地電場數(shù)據(jù)分析與干擾排除。因此建議在江油地電觀測中加強(qiáng)環(huán)境信息的記錄，獲取場地內(nèi)水文地質(zhì)資料，新增水位輔助觀測，加強(qiáng)氣象輔助監(jiān)測，為進(jìn)一步提高江油地電場數(shù)據(jù)分析的科學(xué)性提供基礎(chǔ)。