青海省地電場(chǎng)觀測(cè)典型干擾識(shí)別與分析

文勇，張敏，張程，孟鑫，楊浩

(青海省地震局德令哈地震臺(tái)，青海德令哈 817099)

0 引 言

地電場(chǎng)是地球物理基本場(chǎng)之一,對(duì)于地電場(chǎng)進(jìn)行觀測(cè)是獲得地震前兆觀測(cè)數(shù)據(jù)，主要觀測(cè)地電場(chǎng)的地表分量及時(shí)空變化。根據(jù)不同的場(chǎng)源，地表地電場(chǎng)可以劃分為大地電場(chǎng)和自然電場(chǎng)兩大部分。其中，大地電場(chǎng)是由地球外部的各種場(chǎng)源在地球表面感應(yīng)產(chǎn)生的分布于整個(gè)地表或較大地域的電場(chǎng)，一般具有廣域性。自然電場(chǎng)是地下介質(zhì)由于各種物理、化學(xué)的作用在地表形成的較為穩(wěn)定的電場(chǎng)，一般具有局部性[1]。由于地電場(chǎng)本身容易受區(qū)域電磁環(huán)境等因素的影響，這對(duì)地電場(chǎng)觀測(cè)環(huán)境條件提出了更高的要求，于是要求地電場(chǎng)數(shù)字化儀器要大幅提高了采樣率與靈敏度，但同時(shí)干擾因素也進(jìn)入到觀測(cè)系統(tǒng)中，使得數(shù)據(jù)曲線形態(tài)變化復(fù)雜多樣，這給正確排隊(duì)干擾、準(zhǔn)確識(shí)別與地震孕育過程有關(guān)的地電場(chǎng)異常變化帶來(lái)了很大困難。排除一些常見干擾，提取震兆信息，已成為一項(xiàng)重要工作[2]。青海省目前共有5個(gè)地電場(chǎng)觀測(cè)臺(tái)站，觀測(cè)方式分別為地埋方式和架空方式，這二種觀測(cè)方式由于觀測(cè)環(huán)境的不同受到的干擾程度也不相同。對(duì)觀測(cè)系統(tǒng)(如主機(jī)故障、外線路故障及電阻率供電等)、雷電、地電暴和場(chǎng)地環(huán)境(如設(shè)備漏電、高壓直流輸電及農(nóng)田灌溉等)等干擾特征進(jìn)行分析與總結(jié)[3]，排除一些常見干擾，有利于今后地電場(chǎng)觀測(cè)資料的處理和分析，為震情跟蹤研判和地震預(yù)報(bào)提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 地電場(chǎng)觀測(cè)情況簡(jiǎn)介

青海省內(nèi)共有5個(gè)地電場(chǎng)觀測(cè)臺(tái)站，布極方式均為“L”型(圖2)。其中，都蘭地震臺(tái)(以下簡(jiǎn)稱都蘭臺(tái))和大武地震臺(tái)(以下簡(jiǎn)稱大武臺(tái))測(cè)量線路采用地埋式，觀測(cè)儀器分別為ZD9A-Ⅱ和ZD9A-2B；白水河地震臺(tái)(以下簡(jiǎn)稱白水河臺(tái))、金銀灘地震臺(tái)(以下簡(jiǎn)稱金銀灘臺(tái))和攔隆口地震臺(tái)(以下簡(jiǎn)稱攔隆口臺(tái))測(cè)量線路為架空式，觀測(cè)儀器均為ZD9A-2B(表1)。由于觀測(cè)方式的不同，產(chǎn)出的數(shù)據(jù)質(zhì)量也存在不同差別，其中都蘭臺(tái)各項(xiàng)指標(biāo)均位列第一；大武臺(tái)在連續(xù)率和完整率方面表現(xiàn)較好，但相關(guān)性分析的結(jié)果表明，數(shù)據(jù)質(zhì)量在2016年下半年有顯著的下降趨勢(shì)；攔隆口臺(tái)、白水河臺(tái)和金銀灘臺(tái)總體數(shù)據(jù)質(zhì)量均較差。觀測(cè)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量起決定性作用[4]。

圖1 青海省地電場(chǎng)分布

表1 青海省大地電場(chǎng)觀測(cè)臺(tái)站基本信息

圖2 青海省地電場(chǎng)布極

2 典形干擾類型及原因分析

在地震前兆分析過程中，對(duì)干擾數(shù)據(jù)的排除尤其重要。大地電場(chǎng)觀測(cè)信息量大，觀測(cè)易受到周圍電磁環(huán)境等因素的干擾，各類干擾嚴(yán)重時(shí)會(huì)嚴(yán)重扭曲電場(chǎng)正常的日變形態(tài)，所以準(zhǔn)確識(shí)別這些干擾，區(qū)分出大地電場(chǎng)真實(shí)變化和干擾變化，對(duì)提取地震前兆異常，尤為重要。目前青海省5個(gè)地電場(chǎng)存在的干擾大致可分為觀測(cè)系統(tǒng)干擾和環(huán)境干擾兩部分，通過對(duì)這5個(gè)地電場(chǎng)臺(tái)站觀測(cè)資料的分析，認(rèn)為不論是地埋方式的臺(tái)站還是架空方式的臺(tái)站都會(huì)不同程度受到各種干擾，只不過干擾幅度和干擾變化不同。

2.1 觀測(cè)技術(shù)系統(tǒng)干擾

測(cè)量電極、避雷裝置、測(cè)量?jī)x器以及通信處理系統(tǒng)等是地電場(chǎng)觀測(cè)系統(tǒng)的主要組成部分，當(dāng)觀測(cè)系統(tǒng)中任一環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障時(shí)，均會(huì)影響數(shù)據(jù)觀測(cè)質(zhì)量。

2.1.1 數(shù)采故障

“走直線”這種情況在白水河臺(tái)出現(xiàn)次數(shù)較多，一般是由于同場(chǎng)地觀測(cè)、參數(shù)設(shè)置不合理或數(shù)采存在問題造成。在ZD9A-2B儀器中設(shè)有專門限值的調(diào)節(jié)，是為解決地電阻率的供電干擾設(shè)置，如果設(shè)置參數(shù)不合適會(huì)造成地電場(chǎng)測(cè)值的畸變，即“走直線”，因不會(huì)操作故未對(duì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。2018年4月4日白水河臺(tái)數(shù)據(jù)“走直線”，臺(tái)站職工多次進(jìn)行檢查，后未發(fā)現(xiàn)電源、外線路故障及其他干擾，但在更換備用數(shù)采后此狀況消失，數(shù)據(jù)正常顯示(圖3a)。

2.1.2 電極、外線路故障

金銀灘臺(tái)從2018年09月10日開始數(shù)據(jù)每日出現(xiàn)尖峰和臺(tái)階，為了查明原因，于2018年10月29日至11月1日接入輔助電極對(duì)地電場(chǎng)電極進(jìn)行檢查。經(jīng)檢查，輔助電極工作期間數(shù)據(jù)正常，數(shù)據(jù)日變形態(tài)清晰沒有尖峰和臺(tái)階。金銀灘臺(tái)外線路采用架空方式，在對(duì)外線路進(jìn)行檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)外線路多處破損，電纜線裸露，需對(duì)外線路電纜進(jìn)行更換、原電極故障需更換電極，因沒有備機(jī)備件一直沒有更換(圖3b)。

當(dāng)電極埋好后， 地表土壤中離子的電位通過臺(tái)站布設(shè)的電極內(nèi)部的電解質(zhì)傳遞給金屬導(dǎo)線，從而產(chǎn)生極化電位。當(dāng)電解質(zhì)發(fā)生改變時(shí)，會(huì)造成極化電位的不穩(wěn)定變化，這種不穩(wěn)定變化與臺(tái)站記錄到正常日變化信號(hào)相互疊加在一起，造成臺(tái)站觀測(cè)到的數(shù)據(jù)出現(xiàn)各種隨機(jī)曲線變化[5]。

2.1.3 供電故障

2018年4月2日至4月10日攔隆口臺(tái)受新農(nóng)村道路改造施工，造成儀器數(shù)據(jù)停測(cè)長(zhǎng)達(dá)7日，此次道路施工期間，也將地電臺(tái)部分電桿進(jìn)行了遷移(圖3c)。

2.1.4 儀器標(biāo)定

2018年3月26日攔隆口臺(tái)對(duì)儀器進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定期間關(guān)閉數(shù)采時(shí)由于電流的沖擊數(shù)據(jù)產(chǎn)生一個(gè)向下的突跳。標(biāo)定過程中數(shù)據(jù)“走直線”至標(biāo)定結(jié)束后，打開數(shù)采時(shí)再次受到電流的沖擊，產(chǎn)生一個(gè)向上的突跳，標(biāo)定完成后數(shù)據(jù)恢復(fù)正常變化形態(tài)(圖3d)。

圖3 觀測(cè)系統(tǒng)故障

在實(shí)際工作中，由于一些特殊情況需要將地電場(chǎng)觀測(cè)外線路暫時(shí)斷開，按規(guī)范要求每年固定時(shí)間需對(duì)儀器進(jìn)行校準(zhǔn)，需要對(duì)儀器進(jìn)行觀測(cè)裝置穩(wěn)定性檢查，標(biāo)定儀器及外線路絕緣檢查時(shí)，觀測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)生變化，標(biāo)定結(jié)束后，數(shù)據(jù)自行恢復(fù)正常。

2.1.5 地電阻率同場(chǎng)干擾

地電場(chǎng)和地電阻率同場(chǎng)地觀測(cè)的臺(tái)站，地電場(chǎng)儀記錄到地電阻率觀測(cè)產(chǎn)生的人工電場(chǎng)，從而產(chǎn)生干擾。ZD9A-2B地電場(chǎng)儀采取了一種“波形”識(shí)別控制方式，通過實(shí)時(shí)檢測(cè)和識(shí)別地電阻率人工供電波形的上升沿和下降沿，對(duì)該已知源干擾進(jìn)行動(dòng)態(tài)處理[6]。從(圖3e)中可以明顯的看到攔隆口臺(tái)觀測(cè)數(shù)據(jù)受到地電阻率觀測(cè)每小時(shí)測(cè)量對(duì)電極的充電，產(chǎn)生每小時(shí)一次的高頻脈沖，最大變化幅度達(dá)到6.24 mv/km。

2.2 環(huán)境干擾分析

環(huán)境干擾包括場(chǎng)地環(huán)境干擾和自然環(huán)境干擾兩部分。場(chǎng)地環(huán)境干擾是指觀測(cè)點(diǎn)周圍場(chǎng)地表面發(fā)生的所有變化，如載荷、振動(dòng)、基建、抽蓄水、灌溉、城市軌道交通、高壓直流輸電、金屬管網(wǎng)及工廠運(yùn)行等改變測(cè)區(qū)環(huán)境的干擾因素。自然環(huán)境方面的干擾因素包括氣溫、氣壓、降雨及雷電等與大自然相關(guān)的氣象因素[7]。

2.2.1 地磁暴

磁暴干擾是指在磁暴發(fā)生過程中對(duì)地電場(chǎng)數(shù)據(jù)引起的大幅度變化的自然現(xiàn)象。在磁暴發(fā)生期間，全國(guó)各地電場(chǎng)臺(tái)站都會(huì)同時(shí)記錄到異常波動(dòng)，從而改變地電場(chǎng)觀測(cè)中常規(guī)的日變形態(tài)。結(jié)合地磁觀測(cè)K指數(shù)≥ 6時(shí)，我們判定為發(fā)生磁暴，在長(zhǎng)短極距與各個(gè)方向全部受到影響，而且干擾形態(tài)基本一致[8]，持續(xù)時(shí)間與干擾強(qiáng)度也都大同小異。全球一致性與信號(hào)幅度較大是磁暴干擾的基本特征[9]。

磁暴每年都會(huì)發(fā)生多次，地電暴和磁暴具有同源性，場(chǎng)源起源于太陽(yáng)日冕物質(zhì)拋射事件，由太陽(yáng)活動(dòng)引起的固體地球外部的空間電流體系活動(dòng)，是大尺度空間同時(shí)發(fā)生的電磁現(xiàn)象[10-11]。地電暴期間，各臺(tái)站不同極距、不同方向均能記錄到同步的高頻或脈沖異常信息，在一定區(qū)域內(nèi)對(duì)電場(chǎng)同方向長(zhǎng)、短極距的影響是同步的，異常的持續(xù)時(shí)間、強(qiáng)度與磁暴的持續(xù)強(qiáng)度呈很好的正相關(guān)[12]。地電場(chǎng)的最大變化幅度可達(dá)正常日變化的4～5倍，地電場(chǎng)各測(cè)向的相關(guān)系數(shù)也會(huì)升高[13]。當(dāng)2018年8月27日，發(fā)生最大K=6的磁暴事件時(shí)，通過地電場(chǎng)數(shù)據(jù)與本臺(tái)GM4地磁數(shù)據(jù)對(duì)比分析，因采用多臺(tái)資料對(duì)比所以地磁資料選擇距5個(gè)地電場(chǎng)地較居中的金銀灘臺(tái)資料。從圖中可以看出青海省5個(gè)地電場(chǎng)臺(tái)站都記錄到地磁暴變化，地磁暴發(fā)生之前，地電場(chǎng)日變化正常，地磁暴發(fā)生后，日變化形態(tài)明顯被打亂，且5個(gè)地電臺(tái)站數(shù)據(jù)曲線畸變時(shí)間同步，變化形態(tài)也基本一致，開始時(shí)地電場(chǎng)日變化明顯被打亂，其異常主要表現(xiàn)為脈沖形狀，其變化幅度隨著磁擾強(qiáng)度的增強(qiáng)而增大，地磁暴活動(dòng)結(jié)束后，地電場(chǎng)數(shù)據(jù)也隨之恢復(fù)正常(圖4)。

圖4 地磁暴

2.2.2 降雨(融雪)、農(nóng)田灌溉干擾

降雨(融雪)、農(nóng)田灌溉干擾也是影響自然電場(chǎng)變化的重要因素。影響主要體現(xiàn)在2個(gè)方面，一方面是電極可能極化；另一方面是周圍電場(chǎng)的實(shí)際改變。對(duì)于不極化電極，其影響量雖然較極化電極小，但其影響是明確存在的，通常數(shù)據(jù)為同步變化。降雨(融雪)、農(nóng)田灌溉時(shí)導(dǎo)致電極附近的含水量發(fā)生變化，導(dǎo)致電位發(fā)生變化，從而使電極的穩(wěn)定性發(fā)生變化，周圍電場(chǎng)的不均勻性改變也同時(shí)影響著觀測(cè)值的變化。測(cè)區(qū)雨水、雪水下滲引起地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)突跳或階躍、短時(shí)間內(nèi)大幅上升或下降，表現(xiàn)形態(tài)一般為趨勢(shì)性的漂移變化。此類變化形態(tài)、幅度與降水量的大小、時(shí)間長(zhǎng)短以及介質(zhì)的滲透參數(shù)等諸多因素有關(guān)。降雨對(duì)測(cè)區(qū)環(huán)境的影響屬局部自然電場(chǎng)發(fā)生變化從而導(dǎo)致地表電性結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，一般在一、兩天后恢復(fù)復(fù)正常日變形態(tài)[14]。白水河臺(tái)2018年8月1日、5～8日測(cè)區(qū)有降雨，降雨開始后在短時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)出現(xiàn)大幅度畸變，并且隨著滲水量的增加，數(shù)據(jù)的畸變幅度也開始增大，隨著降雨逐漸的結(jié)束，觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線開始逐步恢復(fù)到正常日變形態(tài)(圖5a)。

2018年12月28日07時(shí)至14時(shí)大武地區(qū)發(fā)生降雪，14時(shí)之后降雪隨著天氣上升開始融雪，數(shù)據(jù)變化幅度為1.73 mv/km。如圖5b所示，此類干擾隨著水分的蒸發(fā)而消失，觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線會(huì)逐步恢復(fù)到正常的日變形態(tài)，一般需要持幾天[15]。

攔隆口臺(tái)2018年4月14日開始農(nóng)民對(duì)農(nóng)田進(jìn)行澆灌，觀測(cè)數(shù)據(jù)在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)大幅度的畸變，并且滲水量越多引起的臺(tái)階也越大。隨著澆灌的結(jié)束，水分逐漸蒸發(fā)，農(nóng)田干涸，觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線會(huì)逐步恢復(fù)到正常日變形態(tài)(圖5c)。

2.2.3 雷電干擾

雷電屬于一種場(chǎng)電物理變化現(xiàn)象，其各種放電形式、量度取決于雷暴云電場(chǎng)，在大氣電場(chǎng)中與地表面地壤電導(dǎo)率及地電場(chǎng)變化強(qiáng)弱有關(guān)。大氣電場(chǎng)與地電場(chǎng)除其他物理量的相互交換外，還有電的交換(相互作用)，雷電為其相互作用的產(chǎn)物,雷電會(huì)引起數(shù)據(jù)波動(dòng)和擾動(dòng)，未架空線路迅速傳播的雷電波會(huì)對(duì)電子記錄設(shè)備造成沖擊，強(qiáng)雷電甚至造成儀器毀壞和停測(cè)[16-17]。2018年6月7日白水河臺(tái)受雷雨天氣影響，觀測(cè)數(shù)據(jù)在16～21時(shí)受到明顯干擾，在放電期間觀測(cè)曲線日變形態(tài)發(fā)生畸變，觀測(cè)值明顯偏離正常變化，呈現(xiàn)出臺(tái)階變化。其中北南向長(zhǎng)極距最大變化日幅度為359.64 mv/km為日正常變化的4～5倍，雷電天氣結(jié)束后，數(shù)據(jù)逐漸恢復(fù)正常日變形態(tài)(圖5d)。 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[18]。

2.2.4 大風(fēng)干擾

在地電觀測(cè)中，由于外線路大多采用架空式，風(fēng)吹測(cè)量線擺動(dòng)切割地磁場(chǎng)，產(chǎn)生一電動(dòng)勢(shì)，就會(huì)干擾地電觀測(cè)。這是一種隨機(jī)干擾[19]，而盡可能地減少風(fēng)擾，地電臺(tái)站是能夠做到的，地電外線路采用地埋方式對(duì)減小消除這樣的隨機(jī)誤差是一種行之有效的方法[20]。

青海省深居內(nèi)陸，遠(yuǎn)離海洋，又受地形影響，大部分地區(qū)屬非季風(fēng)區(qū)，降水量較同緯度的東部地區(qū)稀少，并且是全國(guó)大風(fēng)(指8級(jí)以上的風(fēng))較多的地區(qū)之一，年平均大風(fēng)日數(shù)以青南高原西部為最多。

大風(fēng)干擾對(duì)白水河臺(tái)、金銀灘臺(tái)和攔隆口臺(tái)3個(gè)架空工作方式的地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)影響較大，金銀灘臺(tái)2018年9月15日9時(shí)至23時(shí)受大風(fēng)天氣影響，當(dāng)天風(fēng)力最大為10級(jí)，大風(fēng)期間數(shù)據(jù)呈下降—上升趨勢(shì)，最大變化日幅度為18.33 mv/km，大風(fēng)天氣結(jié)束后數(shù)據(jù)形態(tài)恢復(fù)正常(圖5e)。

圖5 環(huán)境干擾

2.2.5 工頻干擾

在地電場(chǎng)觀測(cè)中，由電力系統(tǒng)產(chǎn)生的工頻干擾(50 Hz及其倍頻)是一種普遍存在的電磁環(huán)境干擾，俗稱游散電流，又稱雜散電流[21]。從圖5f中可以看出攔隆口臺(tái)地電場(chǎng)從2018年7月21日開始于每晚23時(shí)至凌晨6時(shí)開啟路燈照明系統(tǒng)，地電場(chǎng)數(shù)據(jù)受到路燈漏電影響引起數(shù)據(jù)發(fā)生變化，均表現(xiàn)為臺(tái)階式突變，其階躍突變與路燈照明系統(tǒng)的開關(guān)時(shí)間一致。路燈架設(shè)在地電觀測(cè)場(chǎng)地周邊，在開燈的瞬間，由于路燈線路漏電，引起路燈電桿附近土壤電位的變化，影響了埋設(shè)在土壤中的地電場(chǎng)觀測(cè)儀器電極間的電場(chǎng)[22]。之后在路燈打開的狀態(tài)下，入地電流保持穩(wěn)定不變，周邊電場(chǎng)亦在這一狀態(tài)下保持不變，隨著早上路燈熄滅的瞬間，之前路燈漏電間產(chǎn)生的入地電流隨之消失，使得儀器所觀測(cè)到的電位重新恢復(fù)至正常狀態(tài)。路燈等用電系統(tǒng)漏電引起的數(shù)據(jù)干擾變化的特征主要表現(xiàn)為：觀測(cè)數(shù)據(jù)以階躍型突變?yōu)橹饕螒B(tài)，階躍幅度為正常背景的數(shù)十至上百倍，階躍時(shí)間點(diǎn)與用電設(shè)備系統(tǒng)的啟動(dòng)、停用時(shí)間完全一致，并隨著用電系統(tǒng)的啟動(dòng)和停用呈現(xiàn)出正反交替的周期性變化[23]。

3 結(jié)論與討論

青海省地電場(chǎng)干擾因素主要有觀測(cè)系統(tǒng)、降雨、融雪、農(nóng)田灌溉、工頻干擾、雷電干擾和地磁暴等，干擾數(shù)據(jù)形態(tài)表現(xiàn)為突跳、臺(tái)階、數(shù)據(jù)漂移及數(shù)據(jù)畸變等。

(1)觀測(cè)系統(tǒng)故障一般通過檢查能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)原因，在有備機(jī)備件的情況下，可以及時(shí)恢復(fù)，如果沒有備機(jī)備件，則會(huì)延長(zhǎng)儀器的故障時(shí)間。

(2)環(huán)境干擾是工作中不可避免的，地電暴和地磁暴通過參考地磁數(shù)據(jù)及進(jìn)行多臺(tái)對(duì)比較容易識(shí)別，架空方式工作的白水河臺(tái)、攔隆口臺(tái)和金銀灘臺(tái)受到大風(fēng)、打雷、降雨(融雪)的影響比較大，地埋方式工作的都蘭臺(tái)和大武臺(tái)受環(huán)境干擾的因素相對(duì)較小。環(huán)境干擾的季節(jié)性較明顯，可以增加巡檢次數(shù)，及時(shí)了解測(cè)區(qū)情況。

(3)地電場(chǎng)地的選擇應(yīng)該嚴(yán)格按照地電觀測(cè)規(guī)范要求，結(jié)合當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件來(lái)決定采用哪種敷設(shè)方式，架空和地埋各有其優(yōu)缺點(diǎn)，找到適合本省的敷設(shè)方式。

本文對(duì)青海省地電場(chǎng)觀測(cè)中的典型干擾情況進(jìn)行了簡(jiǎn)單分析，具有區(qū)域性的特征，通過分析我們可以確認(rèn)部分干擾源，可以進(jìn)行一些針對(duì)性的措施。只有正確識(shí)別這些地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的干擾變化，才可以對(duì)前兆異常數(shù)據(jù)的提取及為地震預(yù)報(bào)提供可靠的觀測(cè)數(shù)據(jù)。