山西臨汾臺(tái)大地電場(chǎng)典型干擾與地震異常信號(hào)識(shí)別

李 艷

(1.山西省地震局，山西 太原 030021； 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)

臨汾中心地震臺(tái)(以下簡(jiǎn)稱“臨汾臺(tái)”)大地電場(chǎng)是“十五”數(shù)字地震觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目新增測(cè)項(xiàng)，自2007年投入觀測(cè)以來，至今已積累了12年的觀測(cè)數(shù)據(jù)。本文綜合分析了觀測(cè)曲線和現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)情況，梳理出幾種常見自然環(huán)境因素引起的典型干擾圖像。同時(shí)對(duì)臨汾及周邊地區(qū)2次地震前的觀測(cè)曲線圖分析發(fā)現(xiàn)，2010年1月24日河津4.8級(jí)地震(震中距89 km)、2010年4月7日洪洞3.6級(jí)地震(震中距40 km)前10 d左右記錄到“清晰、顯著”的異常電信號(hào)，異常信號(hào)在曲線圖上表現(xiàn)為連續(xù)的階躍式擾動(dòng)，2次異常在擾動(dòng)幅度、擾動(dòng)頻次等形態(tài)細(xì)節(jié)特征方面具有“相似性”。

1 典型干擾分析

1.1 正常背景分析

臨汾臺(tái)大地電場(chǎng)采用“雙L型”多極距布極方式(見圖1)，其中，O1-A1為EW向長(zhǎng)極距225 m，O1-B1為NS向長(zhǎng)極距227 m，A1-B1為NW向長(zhǎng)極距320 m，O2-A2為EW向短極距159 m，O2-B2為NS向短極距151 m，A2-B2為NW向短極距219 m，使用ZD9A-II地電場(chǎng)儀觀測(cè)。在無干擾、無地電暴影響等正常背景的情況下，3個(gè)測(cè)向有明顯的雙峰、雙谷日變化形態(tài)特征，兩峰峰值接近，兩谷的幅度一強(qiáng)一弱，周期也不一樣，其中NS和NW向日變形態(tài)特征一致(高振強(qiáng)等，2010)。根據(jù)大地電場(chǎng)廣域性的特征，地電暴發(fā)生期間，臨汾臺(tái)能與其他臺(tái)站同步記錄到相似形態(tài)的擾動(dòng)圖像，由此說明，其觀測(cè)數(shù)據(jù)是真實(shí)、可靠的(高振強(qiáng)等，2010)。

圖1 臨汾臺(tái)大地電場(chǎng)觀測(cè)布極示意圖

1.2 灌溉干擾分析

臨汾臺(tái)大地電場(chǎng)觀測(cè)外線采用地埋方式布設(shè)在村民的農(nóng)田里，農(nóng)田灌溉時(shí)會(huì)對(duì)觀測(cè)結(jié)果造成大幅度的干擾，干擾數(shù)據(jù)完全湮沒了包括地電干擾等在內(nèi)的正常電信號(hào)，且影響一般持續(xù)1天以上。在進(jìn)行灌溉時(shí)，盡管短時(shí)間內(nèi)澆地面積不會(huì)完全覆蓋到線路布極區(qū)，但仍會(huì)對(duì)部分線路造成影響，究其原因是灌溉水滲入到地埋電極處，使電極產(chǎn)生一個(gè)極化電位差，從而使場(chǎng)地電性結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。隨著時(shí)間推移，該極化電位差逐漸消失，數(shù)據(jù)慢慢恢復(fù)如初，反映在觀測(cè)曲線圖上就是大幅度臺(tái)階變化，而與受影響電極相關(guān)的兩測(cè)線階變極性方向相反。圖2是電場(chǎng)EW、NW測(cè)向長(zhǎng)短極距所在農(nóng)田進(jìn)行灌溉造成的典型干擾圖像(虛線框內(nèi))，其干擾形態(tài)特征對(duì)數(shù)據(jù)使用者來說比較易于識(shí)別。

圖2 農(nóng)田灌溉對(duì)電場(chǎng)觀測(cè)擾動(dòng)圖像

1.3 雷電干擾分析

雷電是一種場(chǎng)電物理變化現(xiàn)象，它可改變區(qū)域電場(chǎng)分布環(huán)境，在雷雨天氣，雷電一般離得比較近，在放電的瞬間，會(huì)引起電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)大幅度變化。2015年7月21日13～17時(shí)臺(tái)站地區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)雷雨天氣，電場(chǎng)觀測(cè)曲線圖上出現(xiàn)同步“方波型”變化，但同測(cè)向長(zhǎng)短極距“方波”形態(tài)不一致(見圖3)，雷電過后觀測(cè)曲線恢復(fù)正常。只要值班人員認(rèn)真填寫觀測(cè)日志，數(shù)據(jù)使用者查看當(dāng)天日志也容易識(shí)別此類干擾。

圖3 雷電對(duì)電場(chǎng)觀測(cè)擾動(dòng)曲線圖

1.4 直流輸電干擾

哈鄭線±800 kV特高壓直流輸電線途徑臨汾市襄汾縣，最近點(diǎn)距臺(tái)站只有幾十千米。當(dāng)直流輸電線在系統(tǒng)調(diào)試或發(fā)生故障時(shí)，它會(huì)處于單極大地回路運(yùn)行方式，這時(shí)會(huì)有非常大的電流從直流接地極流入大地，電流強(qiáng)度一般可達(dá)幾千安培，而此時(shí)一定距離內(nèi)的大地電場(chǎng)臺(tái)站均能記錄到這種擾動(dòng)變化，而輸電線路不平衡電流也會(huì)導(dǎo)致沿線磁場(chǎng)變化，這種變化會(huì)被沿線的地磁觀測(cè)所記錄，這也是判斷高壓直流輸電干擾的一個(gè)重要佐證。圖4是2018年7月18日10～17時(shí)直流輸電的2次干擾，造成三個(gè)測(cè)向同步“脈沖狀”擾動(dòng)，而臨汾臺(tái)FHD磁力儀其磁場(chǎng)強(qiáng)度F分量亦同步出現(xiàn)“方波型”擾動(dòng)(虛線內(nèi))，只要值班人員通過比對(duì)地磁及周邊其他臺(tái)站電場(chǎng)、地磁觀測(cè)曲線，此類干擾是容易識(shí)別的。

圖4 直流高壓輸電對(duì)電場(chǎng)干擾變化曲線

1.5 鐵絲網(wǎng)接地干擾

臨汾臺(tái)大地電場(chǎng)布極區(qū)內(nèi)有一小片蘋果樹林，在樹林內(nèi)有一鐵絲網(wǎng)圍建的小型雞場(chǎng)，鐵絲網(wǎng)最近處距公共O極僅二十余米。2017年6月21日至23日測(cè)區(qū)降大雨，期間NS、EW測(cè)向長(zhǎng)短極距觀測(cè)曲線出現(xiàn)負(fù)極性(向下)“脈沖”狀高頻突跳(見圖5虛線框)，經(jīng)對(duì)測(cè)區(qū)巡查，發(fā)現(xiàn)鐵絲網(wǎng)建在水泥樁上與地連接(與地絕緣)，幾處用于穩(wěn)定鐵絲網(wǎng)的拉線由多股粗鐵絲擰成，拉線入地處沒進(jìn)行絕緣處理，因降雨會(huì)導(dǎo)致大地導(dǎo)電性增強(qiáng)，而幾處拉線接地改變了局部區(qū)域的電場(chǎng)分布環(huán)境，在電場(chǎng)觀測(cè)時(shí)會(huì)造成一定區(qū)域內(nèi)電位差的不穩(wěn)定變化，從而引起電場(chǎng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)突跳，經(jīng)對(duì)拉線接地部分采取絕緣處理后干擾消失，觀測(cè)曲線也恢復(fù)正常，因拉線接地處距NW測(cè)向較遠(yuǎn)，故NW測(cè)向長(zhǎng)短極距觀測(cè)曲線未有突跳記錄，絕緣處理以后測(cè)區(qū)降雨天未再出現(xiàn)類似干擾圖像。

2 地震異常信號(hào)識(shí)別

近年來，大地電場(chǎng)被發(fā)現(xiàn)在多次地震前出現(xiàn)異常信號(hào)，并且基本以短臨異常為主，本文異常信號(hào)識(shí)別以馬欽忠等(2004，2011，2013，2018)提出的多極距去噪音方法為依據(jù)，即異常電信號(hào)必須至少同時(shí)滿足三個(gè)條件：①?zèng)]有在所有臺(tái)站被記錄到，因此它不是廣域性的大地電磁效應(yīng)；②同時(shí)出現(xiàn)在同測(cè)向的長(zhǎng)極距和短極距上；③長(zhǎng)極距上所記錄到的電位極性必須與平行于它的短極距上所記錄到的電位極性相同。但同時(shí)符合這三個(gè)條件的也并非都是異常電信號(hào)，如前述圖5因公共O極附近漏電引起的干擾圖像即滿足上述三個(gè)條件。因此，大地電場(chǎng)異常識(shí)別還應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)等方法，通過篩選后保留下來的信號(hào)才可確定為與地震有關(guān)的異常電信號(hào)。

2.1 河津4.8級(jí)地震前異常信號(hào)特征

2010年1月中旬，臨汾臺(tái)大地電場(chǎng)記錄到顯著異常信號(hào)，具體表現(xiàn)為，各測(cè)線長(zhǎng)短極距同步出現(xiàn)低頻脈沖、小臺(tái)階式擾動(dòng)變化，期間還伴隨有高頻信號(hào)出現(xiàn)(EW測(cè)向階躍幅度較小，但高頻信息偏多)，低頻擾動(dòng)幅度為2～5 mV/km，15日以后階躍擾動(dòng)頻次增加，擾動(dòng)圖像在17日10時(shí)至19日最為清晰、顯著，擾動(dòng)頻次達(dá)到2～3次/小時(shí)(見圖6)，經(jīng)多極距去噪音方法識(shí)別，查閱當(dāng)時(shí)觀測(cè)環(huán)境巡查記錄，排除了觀測(cè)系統(tǒng)、測(cè)區(qū)場(chǎng)地等干擾因素，屬于異常電信號(hào)，24日距臺(tái)站偏西南89 km處發(fā)生河津4.8級(jí)地震，地震后2～3次/小時(shí)的階躍擾動(dòng)消失，但低頻臺(tái)階現(xiàn)象仍存在(見圖7)。

圖6 2010年1月16日至19日原始觀測(cè)曲線

圖7 2010年1月25日原始觀測(cè)曲線

2.2 洪洞3.6級(jí)地震前異常信號(hào)特征

2010年1月24日河津4.8級(jí)地震后，低頻脈沖、臺(tái)階擾動(dòng)現(xiàn)象斷斷續(xù)續(xù)存在，同樣，相比其他兩個(gè)測(cè)向來說，EW向擾動(dòng)幅度較??；3月底，低頻脈沖、小臺(tái)階式擾動(dòng)頻次增加，擾動(dòng)形態(tài)幅度、頻次與河津地震前異常圖像(見圖6)有很高的“相似性”(圖8)，經(jīng)認(rèn)真分析研判，排除了場(chǎng)地噪聲干擾和觀測(cè)系統(tǒng)故障等因素，應(yīng)屬于異常電信號(hào)，4月伊始階躍擾動(dòng)消失，觀測(cè)曲線恢復(fù)正常(見圖9，虛線框內(nèi)為電磁擾動(dòng))，4月7日，距臺(tái)站北東方向40 km處發(fā)生洪洞3.6級(jí)地震。

圖8 2010年3月29日原始觀測(cè)曲線

圖9 2010年4月2日原始觀測(cè)曲線(虛線框內(nèi)為電磁擾動(dòng))

3 結(jié)論與討論

臨汾臺(tái)大地電場(chǎng)典型干擾因素主要有：農(nóng)田灌溉、雷電、直流輸電、鐵絲網(wǎng)接地等；在河津4.8級(jí)地震、洪洞3.6級(jí)地震前記錄到了顯著的異常電信號(hào)，具體干擾與異常信號(hào)識(shí)別有如下特征：(1)農(nóng)田灌溉使受影響電極的相關(guān)兩測(cè)線同步出現(xiàn)大幅度臺(tái)階變化，但擾動(dòng)臺(tái)階形態(tài)相反；雷電可造成干擾信號(hào)在同測(cè)向長(zhǎng)短極距上造成“方波”型圖像，但干擾電位極性形態(tài)相反，雷電過后觀測(cè)曲線即恢復(fù)正常；高壓直流輸電會(huì)在各測(cè)向觀測(cè)曲線上造成“脈沖”型干擾圖像，在地磁觀測(cè)曲線上能同步記錄到“方波”型擾動(dòng)，將二者結(jié)合分析易于識(shí)別此類干擾；公共O極附近鐵絲網(wǎng)接地干擾主要影響NS、EW測(cè)向曲線，干擾形態(tài)為高頻突跳，只要認(rèn)真巡查測(cè)區(qū)環(huán)境，采取相應(yīng)措施，就能準(zhǔn)確識(shí)別、排除。(2)河津4.8級(jí)地震、洪洞3.6級(jí)地震前，臨汾臺(tái)大地電場(chǎng)記錄到連續(xù)臺(tái)階、脈沖型低頻擾動(dòng)異常，利用多極距噪音識(shí)別方法分析，并結(jié)合測(cè)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)巡查記錄，確定階躍擾動(dòng)為震前異常電信號(hào)，并且2次震前異常信號(hào)圖像有“相似性”，在異常時(shí)間進(jìn)程上均顯示短臨特征，即震前一周左右異常信號(hào)圖像特征最清晰、最顯著。(3)河津、洪洞2次地震分別位于臺(tái)站西南向和北東向上，但震前階躍擾動(dòng)異常圖像卻存在一定的“相似性”，由此可見，僅用測(cè)向異常判斷震中方位存在較大不確定性。