西安鄠邑臺(tái)低頻電擾動(dòng)異常初步分析

唐好叢 朱 林 任慧瓊

（中國(guó)陜西 710018 西安市地震監(jiān)測(cè)中心）

0 引言

地震孕育過(guò)程中，巖石發(fā)生破裂會(huì)產(chǎn)生低頻電磁輻射。研究表明，電磁擾動(dòng)異常是地震前較敏感的地球物理觀測(cè)異常。通過(guò)研究汶川地震和玉樹(shù)地震前后的地電場(chǎng)、電磁擾動(dòng)資料，認(rèn)為震源孕育中激發(fā)的電磁輻射是造成震前電磁擾動(dòng)的主要原因（范瑩瑩等，2014）。對(duì)蘆山地震與岷縣—漳縣地震前電磁擾動(dòng)異常變化的研究（劉君等，2015）以及對(duì)河北省及鄰區(qū)電磁擾動(dòng)觀測(cè)資料的研究（喬子云等，2012）表明，震前電磁擾動(dòng)觀測(cè)記錄均出現(xiàn)明顯的高值突跳異常。但是由于觀測(cè)技術(shù)和觀測(cè)環(huán)境等因素的影響，在目前電磁擾動(dòng)觀測(cè)中常會(huì)出現(xiàn)與地震孕育及地殼區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)無(wú)關(guān)的變化。研究表明，數(shù)字電擾動(dòng)的主要干擾因素為供電或漏電干擾（喬子云等，2017）。對(duì)西安市鄠邑地球物理觀測(cè)臺(tái)（下文簡(jiǎn)稱鄠邑臺(tái)）低頻電擾動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，通過(guò)觀測(cè)環(huán)境調(diào)查、觀測(cè)資料對(duì)比分析、現(xiàn)場(chǎng)灌水試驗(yàn)等，探討異常出現(xiàn)原因并嘗試提出改善電磁擾動(dòng)觀測(cè)效果的建議。

1 研究背景

1.1 鄠邑臺(tái)低頻電擾動(dòng)異常概述

鄠邑臺(tái)配備珠海泰德公司生產(chǎn)的TDW-26 型電磁傳感器，共4 個(gè)測(cè)項(xiàng)，分別為低頻電擾動(dòng)NS 向和EW 向、低頻磁擾動(dòng)NS 向和EW 向。該傳感器的工作原理是，利用螺旋線圈感應(yīng)環(huán)境電磁場(chǎng)變化。傳感器頻率響應(yīng)范圍為0.01—20 Hz，靈敏度≥2 mV/nT，測(cè)量范圍為±1 000 nT，分辨率為0.1 nT。

自2013 年10 月儀器安裝以來(lái)，鄠邑臺(tái)電磁擾動(dòng)各測(cè)項(xiàng)觀測(cè)值平穩(wěn)。2014 年8月，低頻電擾動(dòng)NS 向測(cè)值出現(xiàn)交替性波動(dòng)異常，2015 年6 月恢復(fù)平穩(wěn)。2016 年6月起，該測(cè)向測(cè)值突跳異常重新出現(xiàn)，且持續(xù)時(shí)間增加，春夏季異常現(xiàn)象較秋冬季活躍。鄠邑臺(tái)低頻電擾動(dòng)測(cè)值穩(wěn)定時(shí)處于±10 mV·km-1范圍內(nèi)，突跳最高值可達(dá)±2900mV·km-1，突跳日均值±250 mV·km-1左右（圖1）。

圖1 鄠邑低頻電擾動(dòng)日均值觀測(cè)值Fig.1 The daily average observations of the low-frequency electric feild disturbances at Huyi Seismic Station

1.2 鄠邑臺(tái)概況

鄠邑臺(tái)位于西安市鄠邑區(qū)城區(qū)西北4 km 處，地貌上屬于秦嶺北麓山前洪積扇扇緣洼地，構(gòu)造上屬于渭河地塹。鄠邑臺(tái)所在位置無(wú)斷裂帶穿過(guò)，但30 km 范圍內(nèi)，南有秦嶺北緣斷裂，北有渭河斷裂，東有長(zhǎng)安—臨潼斷裂（圖2）。

圖2 西安市鄠邑地球物理觀測(cè)臺(tái)位置Fig.2 The tectonic structure at Huyi Seismic Station

鄠邑臺(tái)附近地區(qū)歷史上發(fā)生多次中強(qiáng)地震，其中100 km 范圍內(nèi)曾發(fā)生過(guò)公元前780 年岐山7 級(jí)地震，1487 年臨潼、咸陽(yáng)間61/4級(jí)地震和1568 年西安東北63/4級(jí)地震。1970 年以來(lái)該區(qū)地震活動(dòng)相對(duì)較弱，3 級(jí)以上地震發(fā)生10 次，影響較大的地震有1988 年周至3.8 級(jí)地震、1993 年4 月21 日周至3.0 級(jí)地震、1998 年涇陽(yáng)4.8 級(jí)地震和2009 年高陵4.4 級(jí)地震。

2 異常分析

2.1 觀測(cè)環(huán)境調(diào)查

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，鄠邑臺(tái)周邊主要為農(nóng)田，南側(cè)有公路，東北方向?yàn)樾陆ɡ鴫嚎s站施工工地，西側(cè)民居發(fā)現(xiàn)內(nèi)有小加工作坊。以上干擾源距離均大于《中華人民共和國(guó)地震行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)——地震地電觀測(cè)方法電磁擾動(dòng)觀測(cè)》（DB/T 35—2009）中要求的干擾源避開(kāi)布極區(qū)最小距離，由此排除周邊環(huán)境干擾。

2.2 觀測(cè)儀器排查

2018 年對(duì)儀器進(jìn)行標(biāo)定，結(jié)果正常，儀器運(yùn)行良好。由于低頻電擾動(dòng)NS 向與EW 向觀測(cè)原理相同，且EW 向測(cè)值持續(xù)穩(wěn)定，將數(shù)據(jù)采集器NS 向與EW 向通道對(duì)調(diào)，突跳數(shù)值隨之轉(zhuǎn)移到數(shù)據(jù)采集器的EW 向通道，NS 向通道數(shù)值趨于平緩。同時(shí)，鄠邑臺(tái)其他測(cè)項(xiàng)測(cè)值平穩(wěn)。因此，測(cè)值突跳異常非數(shù)據(jù)采集器故障所致。

2.3 與周邊其他臺(tái)站觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

西安市共分布7 個(gè)電磁擾動(dòng)觀測(cè)臺(tái)站，分別為灞橋臺(tái)、未央臺(tái)、高陵臺(tái)、閻良臺(tái)、周至臺(tái)、鄠邑臺(tái)和新城臺(tái)。其中灞橋臺(tái)、未央臺(tái)、高陵臺(tái)、周至臺(tái)、新城臺(tái)自建臺(tái)以來(lái)測(cè)值均平穩(wěn)變化，未出現(xiàn)明顯異常（圖3）。閻良臺(tái)電磁擾動(dòng)觀測(cè)因探頭布設(shè)區(qū)距主干道較近，長(zhǎng)期受到行駛汽車影響，測(cè)值波動(dòng)較大（圖3）。

2.4 空間電磁環(huán)境分析

磁暴、氣候變化引起的地球電磁場(chǎng)變化會(huì)對(duì)電磁擾動(dòng)觀測(cè)產(chǎn)生影響。Dst指數(shù)可用來(lái)監(jiān)測(cè)全球環(huán)電流感應(yīng)場(chǎng)的強(qiáng)度，當(dāng)Dst指數(shù)≤-30 nT 時(shí)，即定義為磁暴。選用2019 年7月Dst指數(shù)（圖4）（數(shù)據(jù)來(lái)源：http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/dst_realtime/index.html），與鄠邑低頻電擾動(dòng)觀測(cè)資料（圖5）進(jìn)行對(duì)比。在電擾動(dòng)異常發(fā)生前后，無(wú)較強(qiáng)空間電流活動(dòng)出現(xiàn)，即鄠邑臺(tái)低頻電擾動(dòng)異常變化與空間電磁環(huán)境變化無(wú)關(guān)。

圖4 2019 年7 月Dst 指數(shù)Fig.4 Variation curve of geomagnetic Dst index in July 2019

圖5 鄠邑臺(tái)低頻電擾動(dòng)觀測(cè)值Fig.5 The low-frequency electric field disturbances at Huyi Seismic Station

2.5 電磁擾動(dòng)觀測(cè)常見(jiàn)干擾

電磁擾動(dòng)觀測(cè)通常會(huì)受到觀測(cè)系統(tǒng)自身運(yùn)行不正常（如儀器電源部分故障、供電電壓偏低引起儀器不正常工作等）的影響。儀器自身運(yùn)行不正常會(huì)引起自激干擾。一般此類干擾會(huì)引起電磁擾動(dòng)觀測(cè)值出現(xiàn)高值突跳異常，且持續(xù)時(shí)間較短，儀器恢復(fù)正常干擾自動(dòng)消失，對(duì)測(cè)值影響不大（李桂清等，2004）。

研究表明，降雨與電磁擾動(dòng)觀測(cè)的季節(jié)性變化之間存在較好的相關(guān)關(guān)系，特別是井下傳感器會(huì)受到降雨與水位變化的影響。如金寨臺(tái)電磁擾動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)與年降雨量有一定相關(guān)關(guān)系（陶方宇等，2018）。

隨著城市化建設(shè)與工業(yè)的發(fā)展，電磁擾動(dòng)觀測(cè)臺(tái)站通常會(huì)受到人工電磁干擾。分析發(fā)現(xiàn)，人工電磁干擾主要有：城市軌道交通干擾、超高壓直流輸電干擾、地電阻率觀測(cè)干擾、車輛行駛產(chǎn)生的干擾等（謝凡，2011）。

2.6 與降雨的對(duì)比分析

分析發(fā)現(xiàn)，鄠邑臺(tái)低頻電擾動(dòng)NS 向測(cè)值異常與降雨有一定相關(guān)性。將2014 年以來(lái)低頻電擾動(dòng)NS 向測(cè)值突跳異常與降水量進(jìn)行對(duì)比，分析發(fā)現(xiàn)，自2016 年以來(lái)，異常與降水量對(duì)應(yīng)關(guān)系較好，特別是2020 年的幾次強(qiáng)降雨，測(cè)值均出現(xiàn)突跳現(xiàn)象（圖6）。

圖6 鄠邑臺(tái)低頻電擾動(dòng)北南向測(cè)值與降水量對(duì)比Fig.6 Comparison of low-frequency electric field disturbances and rainfall at Huyi Seismic Station

2020 年5 月以來(lái)，降雨與測(cè)值異常對(duì)應(yīng)較好。降雨后測(cè)值出現(xiàn)突跳，強(qiáng)降雨引起的突跳測(cè)值較高，弱降雨突跳測(cè)值較低。如果降雨持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，測(cè)值會(huì)長(zhǎng)時(shí)間反復(fù)突跳。測(cè)值突跳一般發(fā)生在降雨出現(xiàn)后約0.5—1 h，降雨過(guò)程中突跳持續(xù)出現(xiàn)，降雨結(jié)束后測(cè)值高值持續(xù)一段時(shí)間后趨于平穩(wěn)。在長(zhǎng)時(shí)間無(wú)降雨時(shí)測(cè)值基本處于平穩(wěn)狀態(tài)（圖7）。

圖7 低頻電擾動(dòng)NS 向測(cè)值與降水量短趨勢(shì)對(duì)比Fig.7 Comparison of the NS component observation of low-frequency electric field perturbations and rainfall

2.7 灌水試驗(yàn)

為了進(jìn)一步研究降雨對(duì)低頻電擾動(dòng)NS 向測(cè)值的影響，2020 年6 月在傳感器上方場(chǎng)地進(jìn)行灌水試驗(yàn)。灌水時(shí)長(zhǎng)為0.5 h，灌水量約0.5 m3，傳感器上方土壤濕度與降雨所致基本相同，但低頻電擾動(dòng)NS 向測(cè)值未發(fā)生明顯變化。

在管線處灌水，低頻電擾NS 向測(cè)值出現(xiàn)突跳，最大幅度達(dá)-1 710 mV·km-1，灌水停止后測(cè)值逐步恢復(fù)平穩(wěn)（圖8）。通過(guò)灌水試驗(yàn)初步確定，低頻電擾動(dòng)NS 向測(cè)值異常與地上部分管線進(jìn)水有關(guān)。

圖8 現(xiàn)場(chǎng)灌水試驗(yàn)對(duì)應(yīng)測(cè)值Fig.8 Field water fill test

2.8 鄠邑臺(tái)電磁擾動(dòng)觀測(cè)異常處理

灌水試驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)管線接口連接處有松動(dòng)，部分線路套管出現(xiàn)破損。將接口和破損處進(jìn)行修補(bǔ)，并用防水膠布進(jìn)行加固。經(jīng)此處理后，低頻電擾動(dòng)NS 向測(cè)值突跳幅度明顯減弱。

線路套管維護(hù)后，臺(tái)站附近無(wú)降雨天氣，低頻電擾動(dòng)NS 向測(cè)值持續(xù)平穩(wěn)變化。2020 年8 月26 日鄠邑臺(tái)出現(xiàn)降雨，低頻電擾動(dòng)NS 向測(cè)值波動(dòng)不大，降雨干擾得到抑制（圖9）。

圖9 維護(hù)后鄠邑臺(tái)低頻電擾動(dòng)NS 向測(cè)值與降水量對(duì)比Fig.9 Comparison of low-frequency electric field disturbances with rainfall after maintenance

3 結(jié)論

（1）西安市鄠邑臺(tái)低頻電擾動(dòng)觀測(cè)區(qū)域周邊環(huán)境無(wú)明顯改變，未發(fā)現(xiàn)明顯干擾源，低頻電擾動(dòng)NS 向測(cè)值突跳現(xiàn)象為單點(diǎn)單項(xiàng)異常。

（2）通過(guò)對(duì)儀器傳感器、供電系統(tǒng)、采集系統(tǒng)逐一排查及儀器標(biāo)定，認(rèn)為觀測(cè)儀器運(yùn)行正常。

（3）通過(guò)對(duì)觀測(cè)資料對(duì)比分析并進(jìn)行灌水試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)此次異常應(yīng)為雨水沿線路套管破損處滲入受損線路所致，排除地震地球物理異常。

（4）對(duì)觀測(cè)管線進(jìn)行維護(hù)，降雨對(duì)線路的影響基本消除，測(cè)值突跳現(xiàn)象得到有效抑制。

針對(duì)電磁擾動(dòng)觀測(cè)常見(jiàn)干擾，提出以下建議：加強(qiáng)臺(tái)站觀測(cè)環(huán)境保護(hù)，嚴(yán)格按照各類干擾源的最小距離標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置觀測(cè)環(huán)境保護(hù)范圍；加強(qiáng)對(duì)觀測(cè)系統(tǒng)的維護(hù)，需定期對(duì)管線進(jìn)行檢查。