安徽地電場(chǎng)臺(tái)站觀測(cè)干擾調(diào)研分析

尹天杰 孫亮亮 袁勇 張明明 李章

摘? 要：該文對(duì)安徽地電場(chǎng)臺(tái)站的基本情況做了簡要介紹，利用蒙城、嘉山兩個(gè)地電場(chǎng)臺(tái)站近年來的觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)地電場(chǎng)觀測(cè)干擾進(jìn)行調(diào)研分析，對(duì)各類干擾進(jìn)行歸納總結(jié)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，日常觀測(cè)中主要受到降雨、雷電、電極老化、地電阻率同臺(tái)觀測(cè)與高壓直流輸電等干擾影響。根據(jù)各類干擾對(duì)數(shù)據(jù)曲線造成的變化，分析各類干擾機(jī)理以提出改進(jìn)應(yīng)對(duì)方法，可為地電場(chǎng)觀測(cè)的干擾識(shí)別提供參照依據(jù)。

關(guān)鍵詞：地電場(chǎng)? 干擾? 場(chǎng)地環(huán)境? 觀測(cè)系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：P315? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1672-3791（2021）02（c）-0064-04

Investigation and Analysis of Observation Interference of Anhui Geoelectric Field Station

YIN Tianjie1? SUN Liangliang1? YUAN Yong1? ZHANG Mingming2? Li Zhang3

（1.Jiashan Seismic Station of Anhui Seismological Bureau， Mingguang， Anhui Province， 239400 China; 2. Mengcheng Seismic Station of Anhui Seismological Bureau， Mengcheng， Anhui Province，233500 China; 3.Huangshan Seismic Station of Anhui Seismological Bureau，Huangshan，Anhui Province，242700 China）

Abstract： This article briefly introduces the basic situation of Anhui geoelectric field stations， using the observation data of Mengcheng and Jiashan geoelectric field stations in recent years to investigate and analyze the interference of geoelectric field observation and summarize various types of interference. It was found that the daily observations were mainly affected by interference such as rainfall， lightning， electrode aging， observation of ground resistivity on the same station and high-voltage direct current transmission. According to the changes caused by various interferences to the data curve， analysis of various interference mechanisms to propose improved countermeasures can provide a reference for the identification of interference in geoelectric field observation.

Key Words： Geoelectric field; Interference; Site environment; Observation system

進(jìn)入新世紀(jì)以來，隨著電極技術(shù)取得不斷進(jìn)步，使地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量有了大幅度提高。目前，國內(nèi)地電場(chǎng)觀測(cè)采用多極距、多測(cè)道布設(shè)，外裝置系統(tǒng)覆蓋面積較大，容易受到地形地貌、地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)以及外界環(huán)境的影響，干擾類型也比較多。如何準(zhǔn)確識(shí)別各類干擾和應(yīng)對(duì)各類干擾是優(yōu)化觀測(cè)質(zhì)量的關(guān)鍵。

1? 電場(chǎng)臺(tái)站基本概況

安徽省目前有兩個(gè)地電場(chǎng)觀測(cè)臺(tái)站，分別位于蒙城、嘉山。蒙城臺(tái)于1999年12月新建大地電場(chǎng)觀測(cè)項(xiàng)目，并于2000年1月1日投入觀測(cè)，嘉山臺(tái)于2006年12月新建地電場(chǎng)項(xiàng)目，2007年1月1日正式運(yùn)行。蒙城臺(tái)布極方法采用共用電極長短極距法，共有NS向長、短極距，EW向長、短極距，N45°W向長、短極距3個(gè)分向。嘉山臺(tái)地電場(chǎng)觀測(cè)采用三角形布極，共有NS、EW和N45°E 3個(gè)方向，每個(gè)方向也分長、短二類極距[1]。線路均采用架空的方式。目前，蒙城、嘉山使用的地電場(chǎng)主機(jī)型號(hào)均為ZD9A-2B型。

2? 安徽地區(qū)地電場(chǎng)變化特征

2.1 地電場(chǎng)的正常日變化

安徽地區(qū)地電場(chǎng)臺(tái)站的正常日變化曲線形態(tài)屬于“峰-谷”型，即長短極距曲線呈現(xiàn)出“兩峰一谷”的變化形態(tài)。曲線每日變化平緩，可見接近于正弦波的數(shù)據(jù)曲線。

2.2 磁暴下的地電場(chǎng)區(qū)域同步變化

磁暴期間，地電場(chǎng)會(huì)記錄到幅度較大、且頻率較高的擾動(dòng)變化[2]，數(shù)據(jù)變化幅度隨地磁指數(shù)K值的增加而增大。當(dāng)K指數(shù)低于5時(shí)，稱之為“地電擾動(dòng)”，當(dāng)K指數(shù)大于等于5時(shí)，稱之為“地電暴”。經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，磁暴發(fā)生時(shí)，安徽地區(qū)兩個(gè)地電臺(tái)站的數(shù)據(jù)變化時(shí)間同步且變化形態(tài)基本一致，體現(xiàn)了其廣域性的變化特征。

由于各類干擾的曲線變化以及地震前兆變化是與正常變化交錯(cuò)疊加在一起的。了解地電場(chǎng)曲線正常日變及磁暴變化特征，有助于提取其他干擾信息和地震前兆異常信息。

3? 干擾調(diào)研分析及應(yīng)對(duì)措施

3.1 自然因素干擾

3.1.1 雷電干擾

雷電發(fā)生時(shí)，在外部場(chǎng)變化的作用下，會(huì)對(duì)本質(zhì)相對(duì)靜態(tài)的大地電場(chǎng)造成干擾。尤其是出現(xiàn)雷暴等極端天氣時(shí)，雷電接近地表靜態(tài)電場(chǎng)，在放電的瞬間，引起數(shù)據(jù)變化，最高可達(dá)正常時(shí)的數(shù)倍，持續(xù)時(shí)間也相對(duì)較長。

經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，雷電干擾變化特征為：觀測(cè)數(shù)據(jù)呈離散性變化，有臺(tái)階、有突跳，數(shù)據(jù)變化值最高可為正常值的數(shù)十倍。特別是放電瞬間，因雷電造成的強(qiáng)電流對(duì)電極充電，數(shù)據(jù)呈現(xiàn)畸變，嚴(yán)重時(shí)可能擊穿儀器造成損壞。

為避免雷擊對(duì)室內(nèi)外觀測(cè)裝置的損害，外裝置系統(tǒng)可在雷雨季定期巡視外線路，室內(nèi)裝置系統(tǒng)可在觀測(cè)室電流輸入端安裝一級(jí)防雷模塊，機(jī)柜內(nèi)配線盤安裝二級(jí)避雷器，以提高防雷質(zhì)量。雷電發(fā)生時(shí)，交流供電要及時(shí)切換成UPS電源供電，雷電過后要及時(shí)檢查避雷器。進(jìn)入雷雨季節(jié)，要時(shí)刻關(guān)注天氣預(yù)報(bào)，必要時(shí)可提前咨詢氣象部門。安徽各地電場(chǎng)臺(tái)站現(xiàn)在每年均按照國家地電學(xué)科要求，進(jìn)行雨季前檢查。

3.1.2 降雨干擾

降雨對(duì)地電場(chǎng)觀測(cè)的干擾機(jī)理是由于雨水滲透到地下，使自然電場(chǎng)發(fā)生變化從而導(dǎo)致降雨區(qū)域內(nèi)的地下電性結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。嘉山臺(tái)地電場(chǎng)各測(cè)道各極距電極均埋深3 m以下，降雨時(shí)，雨水下滲到電極處，會(huì)導(dǎo)致電極極化和電位改變。2016年10月20日18：49～21：40，嘉山臺(tái)地電場(chǎng)測(cè)區(qū)范圍內(nèi)突降暴雨，南北短極距和北東短極距變化幅度達(dá)到80.34 mv/km、79.51 mv/km。查詢輔助手段，該時(shí)段降水量為28.7 mm（見圖1）。由于雨水通過泥土滲透到電極有個(gè)時(shí)間差，數(shù)據(jù)變化時(shí)段較降雨集中時(shí)斷有所延后，由此判定該變化為降雨所致。雨停后隨著地表水分的蒸發(fā)，觀測(cè)曲線會(huì)逐步恢復(fù)到雨前正常變化形態(tài)。

3.2 場(chǎng)地環(huán)境干擾

3.2.1 高壓直流輸電干擾

高壓直流輸電在正常運(yùn)行下，只會(huì)產(chǎn)生很小的不平衡電流，根據(jù)相關(guān)部門測(cè)算，其影響范圍只能局限于? ? ? ? ?15 km以內(nèi)。但是由于新的線路不斷增多以及高壓直流輸電在發(fā)生故障時(shí)的不間斷性，在新線路試運(yùn)行期間以及線路發(fā)生故障時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生較大的不平衡電流[3]。不平衡電流會(huì)大幅入地，甚至出現(xiàn)單向供電，此時(shí)就會(huì)產(chǎn)生很大的附加電場(chǎng)影響線路附近地電場(chǎng)臺(tái)站的正常觀測(cè)。安徽地區(qū)地電場(chǎng)臺(tái)站主要受晉南線、錫泰線等線路影響，其中嘉山臺(tái)距離晉南線最近的換流站僅10 km。

針對(duì)于高壓直流輸電干擾對(duì)地電場(chǎng)觀測(cè)的影響，地震臺(tái)站目前并無主觀的可行性抗干擾措施，只能通過積極與電力部門協(xié)調(diào)溝通，最大化地降低單向供電的出現(xiàn)次數(shù)。與此同時(shí)，臺(tái)站人員可利用其干擾特征對(duì)裝置系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行檢測(cè)，譬如通過對(duì)比各測(cè)道各極距曲線的變化幅度和變化特點(diǎn)，判定對(duì)應(yīng)電極的老化程度，此類方法對(duì)提高更換老舊電極的及時(shí)性具有參考意義。

3.2.2 地電阻率同臺(tái)觀測(cè)干擾

當(dāng)ZD8M地電儀測(cè)數(shù)時(shí)，由于穩(wěn)流源會(huì)向地電阻率觀測(cè)場(chǎng)地進(jìn)行人工供電，從而在觀測(cè)場(chǎng)地內(nèi)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)外部人工電場(chǎng)，由于電場(chǎng)場(chǎng)地與其同臺(tái)觀測(cè)，相當(dāng)于該人工電場(chǎng)附加在了地電場(chǎng)的采集系統(tǒng)里，所以該時(shí)段的地電場(chǎng)數(shù)據(jù)通過疊加了被動(dòng)的人工電場(chǎng)而發(fā)生突跳變化。目前，嘉山、蒙城兩個(gè)地電場(chǎng)臺(tái)站都與地電阻率同臺(tái)觀測(cè)，圖2為蒙城臺(tái)受地電儀供電干擾時(shí)大地電場(chǎng)的曲線，一般出現(xiàn)同臺(tái)干擾多為儀器門限值設(shè)置不當(dāng)引起。

除了調(diào)整門限值以外，也可通過調(diào)整儀器時(shí)鐘，使地電穩(wěn)流源供電時(shí)段錯(cuò)開電場(chǎng)儀測(cè)數(shù)時(shí)段[4]。

3.3 觀測(cè)系統(tǒng)變化干擾

使用期短是不極化電極最大的弊端，地電場(chǎng)電極一旦出現(xiàn)老化，會(huì)導(dǎo)致地電場(chǎng)數(shù)據(jù)極不穩(wěn)定。2015年6月中旬嘉山臺(tái)大地電場(chǎng)南北向和北東向數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常變化[5]，每日20時(shí)左右數(shù)據(jù)開始漂移上升，到次日6～8時(shí)出現(xiàn)階變下降。發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常變化后，工作人員對(duì)裝置系統(tǒng)進(jìn)行全面檢查，后與相關(guān)專家聯(lián)系咨詢，基本確定電極出現(xiàn)故障與電極老化有關(guān)。更換電極后，數(shù)據(jù)日變清晰，且其差值大幅變小，相關(guān)系數(shù)大幅提升，各測(cè)向數(shù)據(jù)質(zhì)量明顯提升（見圖3）。

電極老化的干擾變化特征是：數(shù)據(jù)曲線易出不規(guī)則畸變，各測(cè)向長短極距的日差值變化較大，相關(guān)性降低，由于該干擾具有長期性且不可逆的特點(diǎn)，因此臺(tái)站觀測(cè)人員較容易判斷[6]。

4? 結(jié)語

地電場(chǎng)觀測(cè)產(chǎn)出的數(shù)據(jù)資料是分鐘值，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大，干擾因素及其變化形態(tài)多樣，各類干擾信號(hào)的引入對(duì)大地電場(chǎng)的觀測(cè)造成了很大的影響。

（1）自然因素干擾主要有雷電、降雨等。雷電會(huì)使數(shù)據(jù)出現(xiàn)反復(fù)突跳變化，甚至損壞儀器?？啥ㄆ跈z查室內(nèi)外避雷裝置。雷電發(fā)生時(shí)，應(yīng)立即切換成UPS供電。雷電過后也要及時(shí)檢查避雷器及觀測(cè)儀器是否受雷電影響發(fā)生損壞。降雨干擾由于受到地下電性結(jié)構(gòu)改變的影響，數(shù)據(jù)會(huì)發(fā)生緩步上升或下降。深埋電極可有效阻隔雨水，確保電極所處的物理環(huán)境穩(wěn)定，大大提高了在降雨期間觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

（2）高壓直流輸電干擾是安徽地電場(chǎng)臺(tái)站最常見的場(chǎng)地環(huán)境干擾，當(dāng)?shù)仉妶?chǎng)臺(tái)站受到高壓直流輸電干擾時(shí)，數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)畸變，形態(tài)上多呈現(xiàn)臺(tái)階變化，當(dāng)入地不平衡電流消失時(shí)，數(shù)據(jù)會(huì)恢復(fù)正常。應(yīng)對(duì)干擾，臺(tái)站和上級(jí)部門應(yīng)與電力部門協(xié)調(diào)溝通，最大化地降低單向供電的出現(xiàn)次數(shù)，還可借高壓直流輸電干擾對(duì)裝置系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)。同臺(tái)干擾多由門限值設(shè)置不當(dāng)引起，可調(diào)整時(shí)鐘、更改門限值，來杜絕此類干擾的發(fā)生。

（3）電極老化是觀測(cè)系統(tǒng)干擾之一。曲線出現(xiàn)間斷無規(guī)則突跳、臺(tái)階、漂移等現(xiàn)象，且部分測(cè)道日變化消失。當(dāng)出現(xiàn)此類情況應(yīng)立即更換電極，并反思總結(jié)前期電極使用壽命，在未受其干擾之前提前更換，或者在埋設(shè)電極時(shí)，在此電極周圍再埋設(shè)一備用電極，這樣可提高更換效率，降低地電場(chǎng)觀測(cè)受電極老化干擾影響的時(shí)長。

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