北京地電臺網(wǎng)典型干擾及影響因素淺析＊

王麗紅 朱石軍 王同利 李菊珍 武敏捷 鐘世軍

（北京市地震局，北京 100080）

引言

中國地震局各省局區(qū)域地球物理臺網(wǎng)數(shù)據(jù)跟蹤分析工作自2014 年8 月開始大規(guī)模展開，旨在強(qiáng)化數(shù)據(jù)的質(zhì)量監(jiān)控，規(guī)范數(shù)據(jù)處理分析，促進(jìn)監(jiān)測預(yù)報緊密結(jié)合。數(shù)據(jù)跟蹤分析工作使用統(tǒng)一軟件，按照相關(guān)工作細(xì)則和技術(shù)規(guī)范，以地震臺站為基本單元，定期開展，逐級審核，及時分析判定觀測數(shù)據(jù)動態(tài)變化、產(chǎn)出事件分析記錄并匯集到國家地球物理臺網(wǎng)中心網(wǎng)站實現(xiàn)共享[1-2]。數(shù)據(jù)跟蹤分析工作對觀測數(shù)據(jù)的非正常變化進(jìn)行干擾核實和分析，產(chǎn)生非正常變化事件分析記錄，簡稱事件記錄。數(shù)據(jù)跟蹤分析工作的事件類型按干擾類別分為觀測系統(tǒng)、自然環(huán)境、場地環(huán)境、人為干擾、地球物理事件和不明原因6 類。北京市地震局地球物理臺網(wǎng)數(shù)據(jù)跟蹤分析工作，在事件分類、事件描述、圖形標(biāo)注等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，規(guī)范操作、嚴(yán)格把關(guān)，至今產(chǎn)出了大量事件分析記錄，在實現(xiàn)了及時分析記錄監(jiān)測數(shù)據(jù)動態(tài)變化的同時，也為地震監(jiān)測預(yù)測研究提供了新型數(shù)據(jù)產(chǎn)品。對事件分析記錄進(jìn)行歸納總結(jié)和分析研究，可提取典型干擾及其影響因素、變化特征，為臺網(wǎng)提高觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量、改進(jìn)學(xué)科觀測手段提供科學(xué)的技術(shù)指導(dǎo)，更好地服務(wù)地震預(yù)測研究[3-11]。

北京地電臺網(wǎng)作為北京市地震局區(qū)域地球物理臺網(wǎng)的重要組成部分，地電觀測開始于20 世紀(jì)60年代末70 年代初，是全國較早開展地電觀測的臺網(wǎng)，地電阻率和地電場觀測資料多次在全國單項觀測資料評比中取得前3 名，在北京及鄰區(qū)的震情跟蹤及地震監(jiān)測預(yù)測研究領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。近年來，隨著首都城市化建設(shè)的快速發(fā)展，地電觀測受到了越來越多的干擾[12-13]，觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量有所下降。本文基于數(shù)據(jù)跟蹤分析工作，抽取北京地電臺網(wǎng)2015 年1月—2020 年12 月的事件分析記錄，進(jìn)行系統(tǒng)整理和匯總分析，研究北京地電臺網(wǎng)的典型干擾及其影響因素、變化特征，對如何避免和減小干擾影響給出合理化建議，為提高北京地電臺網(wǎng)數(shù)據(jù)觀測質(zhì)量，更好地應(yīng)用于地震預(yù)測研究提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)參考。

1 北京地電臺網(wǎng)概況

北京地電臺網(wǎng)現(xiàn)有觀測手段為地電阻率和地電場。地電阻率臺站有3 個，分別是延慶張莊臺、通州西集臺和平谷馬坊臺；地電場臺站有2 個，分別為延慶張莊臺和通州西集臺。作為定點觀測臺站，延慶張莊臺和通州西集臺為國家基本臺，平谷馬坊臺為省級區(qū)域臺。3 個地電臺站分布在京西北、京東南和北京東部的斷裂帶附近，可以有效捕捉北京及鄰區(qū)震前地質(zhì)構(gòu)造變化產(chǎn)生的地電前兆信息。其中，延慶張莊臺位于延礬盆地北緣斷裂東南約5 km；通州西集臺位于夏墊新斷裂東側(cè)約4 km；平谷馬坊臺位于夏墊斷裂和二十里長山斷裂交匯部位（圖1）。

圖1 北京地電臺站分布圖Fig.1 Distribution map of geoelectric field observation stations in Beijing

地電阻率觀測地下介質(zhì)地電阻率隨時間的變化。北京地電臺網(wǎng)地電阻率觀測布極采用對稱四極裝置（圖2a），布設(shè)NS、EW 兩個方向測道，NS 測道地下埋設(shè)供電電極A1、B1和測量電極M1、N1，EW測道地下埋設(shè)供電電極A2、B2和測量電極M2、N2。通過向測道兩端的供電電極供入電流I，測量產(chǎn)生在該測道兩個測量電極間的人工電位差ΔV。地電阻率ρs的計算公式為：ρs=K?ΔV/I。其中，K為具有長度量綱的裝置系數(shù)，其大小由電極間相對位置決定。地電場觀測對象是地電場地表分量及其隨時間的變化，其主要構(gòu)成有大地電場、自然電場。大地電場場源來自地球外部空間中的各種電流系，自然電場源于地下介質(zhì)物理、化學(xué)作用。北京地電臺網(wǎng)地電場觀測采用三方向長短極距的電極布設(shè)方法（圖2b），即在NS、EW、N45°E 3 個方向進(jìn)行測量，每個方向布設(shè)長、短兩種極距進(jìn)行對比觀測。長極距3 個方向測道稱為第一裝置，短極距3 個方向測道為稱為第二裝置。測道兩端地下埋設(shè)測量電極，通過計算測道兩端電極間測得的自然電位差與極距的比值得到該測道的地電場。北京地電臺網(wǎng)地電阻率和地電場觀測使用的電極均為1 m×1 m 的鉛板電極，厚度0.005 m。電極地下埋設(shè)深度除通州西集臺地電阻率和地電場的測量電極埋深20 m 外，其余臺站電極均埋深2 m。

圖2 北京地電臺站布極圖Fig.2 Electrodes arrangement of geoelectric field observation stations in Beijing

2015 年1 月—2020 年12 月，北京地電臺網(wǎng)共有地電觀測儀器5 套，其中地電阻率觀測儀器3 套、地電場觀測儀器2 套。地電阻率觀測延慶張莊臺使用ZD8M 地電儀，通州西集臺和平谷馬坊臺使用ZD8MI地電儀。地電場觀測延慶張莊臺使用ZD9A-2B 地電場儀，通州西集臺使用ZD9A-Ⅱ地電場儀。2015 年1 月—2020 年12 月，北京地電臺網(wǎng)3 個臺站5 套儀器數(shù)據(jù)跟蹤分析產(chǎn)出事件記錄604 條，占北京地球物理臺網(wǎng)事件條數(shù)的42%，事件類型包括觀測系統(tǒng)故障、自然環(huán)境影響、場地環(huán)境影響、人為干擾、地球物理事件和不明原因干擾6 類。其中3 個臺站5 套儀器由觀測系統(tǒng)故障引起事件記錄50 條、由自然環(huán)境影響引起事件記錄38 條、由場地環(huán)境影響引起事件記錄455 條、由人為干擾引起事件記錄19 條，2 個臺站3 套儀器由地球物理事件引起事件記錄31 條、由不明原因干擾引起事件記錄11 條（表1）。

表1 2015—2020 年北京地電臺網(wǎng)事件統(tǒng)計Table 1 Statistics of Beijing geoelectric network incidents from 2015 to 2020

2 典型干擾及影響因素分析

2.1 觀測系統(tǒng)故障

2015 年1 月—2020 年12 月，北京市地電臺網(wǎng)3個臺站5 套儀器因觀測系統(tǒng)故障引起數(shù)據(jù)非正常變化，共產(chǎn)生觀測系統(tǒng)故障事件記錄50 條，其中主機(jī)故障16 條，占觀測系統(tǒng)故障事件總數(shù)的32%，是引起觀測系統(tǒng)故障的主要因素。其余分別為地電阻率供電干擾9 條、外線路故障和供電故障各8 條、電極故障5 條、數(shù)采故障4 條。分析16 次主機(jī)故障發(fā)現(xiàn)，平谷馬坊臺ZD8MI 地電阻率儀發(fā)生3 次，通州西集臺ZD8MI 地電阻率儀發(fā)生2 次，延慶張莊臺ZD9A-2B 地電場儀發(fā)生1 次，其余10 次均為通州西集臺ZD9A-Ⅱ地電場儀主機(jī)故障。通州西集臺ZD9A-Ⅱ地電場儀主機(jī)故障多發(fā)的主要原因是該儀器為2009 年出廠，長期使用造成儀器原件老化所致。

例如：2017 年11 月16—18 日，通州西集臺地電場第二裝置觀測數(shù)據(jù)多時段出現(xiàn)數(shù)據(jù)突跳、快速變化和階變，變化幅度為7.84—91.38 mV/km（圖3），多次巡視測區(qū)、外線路、電極坑，檢查室內(nèi)線路接頭、避雷裝置、配線板未見異常，經(jīng)多次重啟后，儀器及觀測數(shù)據(jù)恢復(fù)正常，確認(rèn)為儀器主機(jī)故障。

圖3 2017 年11 月16—18 日通州西集臺ZD9A-Ⅱ地電場儀主機(jī)故障觀測曲線Fig.3 Observation curve of main engine fault of ZD9A-Ⅱ geoelectric field meter at Tongzhou Xiji seismic station in November 2017 from 16 to 18

2.2 自然環(huán)境影響

北京地電臺網(wǎng)自然環(huán)境干擾影響因素為降雨、雷電和融雪等。2015 年1 月—2020 年12 月共引起3 個臺站5 套儀器自然環(huán)境影響事件記錄38 條。其中降雨干擾事件17 條，雷電干擾事件14 條，是自然環(huán)境影響干擾的主要影響因素。融雪造成布極區(qū)積水引起數(shù)據(jù)非正常變化事件記錄4 條。降雨、融雪影響事件發(fā)生在電極埋深較淺的延慶張莊臺和平谷馬坊臺地電阻率、地電場觀測。由于地電阻率和地電場的觀測電極埋深為2 m，短時快速強(qiáng)降雨或連降小到中雨，均會造成電極處積水引起地電信號幅值快速下降。降雨或融雪結(jié)束后隨地表水份的蒸發(fā)，觀測數(shù)據(jù)幾日內(nèi)逐漸恢復(fù)正常。通州西集臺地電阻率和地電場觀測由于測量電極埋深達(dá)20 m，不受降雨影響。雷電是一種場電物理變化現(xiàn)象，在放電的瞬間，能夠改變區(qū)域電場分布環(huán)境，會引起電場觀測數(shù)據(jù)大幅度變化。雷電干擾主要影響地電場觀測，造成地電場第一裝置、第二裝置數(shù)據(jù)高頻脈沖變化和地電阻率觀測自然電位北南、東西測向數(shù)據(jù)快速變化，雷電結(jié)束后數(shù)據(jù)恢復(fù)正常。

降雨干擾：2018 年8 月12—13 日降大雨，降水量為61.5 mm，受降雨影響平谷馬坊臺地電阻率數(shù)據(jù)下降變化，北南測向地電阻率變化幅度為1.40 Ω?m，東西測向變化幅度為1.48 Ω?m，降雨結(jié)束后數(shù)據(jù)逐漸恢復(fù)正常（圖4）。

圖4 平谷馬坊臺ZD8MI 地電阻率儀降雨干擾曲線Fig.4 Rainfall interference curve of ZD8MI resistivity meter at Pinggu Mafang seismic station

雷電干擾：通州西集臺地電場2017 年7 月4 日07:53—09:18 受短時強(qiáng)雷電干擾，東西、北東向第一、第二裝置觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)大幅高頻脈沖突跳，變化幅度最大為167 mV/km，雷電過后數(shù)據(jù)恢復(fù)正常（圖5）。

圖5 通州西集臺ZD9A-Ⅱ地電場儀雷電干擾曲線Fig.5 Thunder and lightning interference curve of ZD9A-Ⅱ geoelectric field meter at Tongzhou Xiji seismic station

2.3 場地環(huán)境影響

北京市地電臺網(wǎng)近年來受場地環(huán)境影響嚴(yán)重。2015 年1 月—2020 年12 月，場地環(huán)境影響造成測區(qū)的區(qū)域電場原有分布環(huán)境發(fā)生變化，共引起3 個臺站5 套儀器非正常變化記錄455 條，占地電臺網(wǎng)非正常變化記錄的75%，影響因素主要有城市軌道交通、設(shè)備漏電、工程影響、抽水灌溉和高壓直流輸電等。其中，城市軌道交通引起場地環(huán)境影響記錄320 條，占場地環(huán)境影響事件記錄的70%，是北京市地電臺網(wǎng)場地環(huán)境干擾的主要影響因素，造成3 個臺站5 套儀器每日05—23 時觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)密集高頻變化。抽水灌溉引起場地環(huán)境影響事件記錄46 條，占比10%，主要影響延慶張莊臺地電阻率觀測的自然電位和延慶張莊臺、通州西集臺的地電場觀測，造成數(shù)據(jù)短時間內(nèi)快速趨勢性變化，一般灌溉結(jié)束后幾日內(nèi)數(shù)據(jù)可逐漸恢復(fù)正常。設(shè)備漏電引起通州西集臺場地環(huán)境影響記錄35 條，造成原因是由于2017—2018 年北京大七環(huán)高速公路建設(shè)穿過通州西集臺地電阻率和地電場測區(qū)，施工期間用電設(shè)備漏電致使地電阻率觀測數(shù)據(jù)數(shù)倍擾動變化和地電場觀測數(shù)據(jù)大幅高頻突跳。工程影響引起延慶張莊臺地電場和地電阻率場地環(huán)境影響事件記錄8 條，主要是由于測區(qū)打井、挖溝、建房、修路、路燈修建等施工建設(shè)造成測區(qū)電性結(jié)構(gòu)改變，加之施工期間用電設(shè)備漏電，造成地電阻率觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)突跳及趨勢性變化和地電場的數(shù)據(jù)高頻擾動及趨勢性變化。高壓直流輸電影響是近年來隨國家電網(wǎng)建設(shè)新出現(xiàn)的一種場地環(huán)境干擾，主要影響地電場觀測，是由于高壓直流輸電線路不平衡，電流入地產(chǎn)生很大的附加電場造成的。延慶張莊臺和通州西集臺地電場觀測高壓直流輸電干擾事件記錄各1 條，干擾表現(xiàn)為第一裝置、第二裝置多測向數(shù)據(jù)呈同步階躍變化且擾動形態(tài)相似，變化幅度不超過10 mV/km，干擾結(jié)束后數(shù)據(jù)即恢復(fù)正常。

城市軌道交通干擾：2017 年3 月30 日—4 月1 日，通州西集臺地電場觀測受地鐵6 號線（距測區(qū)15 km）、地鐵15 號線（距測區(qū)38 km）、地鐵5 號線（距測區(qū)40 km）運(yùn)行的影響，每日05—23 時第一裝置和第二裝置各測向數(shù)據(jù)同步出現(xiàn)密集的高頻變化，變化幅度為10—20 mV/km（圖6）。

圖6 通州西集臺ZD9A-Ⅱ地電場儀城市軌道交通干擾曲線Fig.6 Urban rail transit disturbance curve of ZD9A-Ⅱ geoelectric field meter at Tongzhou Xiji seismic station

2.4 人為干擾

人為干擾引起北京地電臺網(wǎng)非正常變化記錄共19 條，除延慶張莊臺地電阻率未受影響外，其余各臺地電阻率、地電場均受影響。影響因素為檢測檢修觀測系統(tǒng)、裝置系統(tǒng)改造、電阻率交流觀測試驗和電極檢查，造成觀測數(shù)據(jù)缺數(shù)或數(shù)據(jù)突跳、階變。其中檢測檢修觀測系統(tǒng)引起人為干擾事件記錄11 條，占比58%，是人為干擾的主要影響因素。例如：2018 年1 月4 日，為測試延慶張莊臺地電場第二裝置觀測數(shù)據(jù)趨勢性漸變問題，當(dāng)日15:54 將地電場第二裝置與第一裝置共用第一裝置的中心點O1電極。第二裝置電極改變后，測道原有電位差發(fā)生變化，造成第二裝置北南測向和東西測向觀測數(shù)據(jù)大幅階變，北南測向階升144 mV/km，東西測向階降148 mV/km（圖7）。

圖7 延慶張莊臺ZD9A-2B 地電場儀人為干擾曲線Fig.7 Man-made disturbance curve of ZD9A-2B geoelectric field meter at Yanqing Zhangzhuang seismic station

2.5 地球物理事件

2015 年1 月—2020 年12 月，北京地電臺網(wǎng)2 個臺站3 套儀器共產(chǎn)出地球物理事件記錄31 條，影響因素為地電暴。地電暴與地球磁暴同源，是由太陽黑子活動等造成的強(qiáng)電磁輻射現(xiàn)象，在全球具有廣域性，對地電觀測的干擾表現(xiàn)為數(shù)據(jù)高頻擾動或脈沖式突跳，變化幅度與地電暴強(qiáng)度正相關(guān)，并與地下介質(zhì)電性結(jié)構(gòu)有關(guān)。地電暴造成延慶張莊臺、通州西集臺地電場高頻擾動，延慶張莊臺擾動幅度為5—30 mV/km，通州西集臺擾動幅度為7—10 mV/km。地電暴也引起延慶張莊臺ZD8M 地電電阻率儀觀測數(shù)據(jù)整點值數(shù)據(jù)突跳。事件記錄顯示，90%的地電暴事件記錄由延慶張莊臺ZD9A-2B 地電場儀產(chǎn)生，主要原因是由于延慶張莊臺離地鐵距離相對于另外兩個地電臺來說較遠(yuǎn)（約40 km），觀測數(shù)據(jù)受地鐵干擾較小，日變幅一般在4—5 mV/km，能夠清晰地記錄到地電暴造成的數(shù)據(jù)變化。例如：2016 年3 月11 日17:44—23:53 地電暴干擾，K指數(shù)最大為6，延慶張莊臺ZD9A-2B 地電場觀測數(shù)據(jù)第一裝置、第二裝置各測向均出現(xiàn)數(shù)據(jù)同步高頻突跳，變化幅度為9.675—28.033 mV/km（圖8）。

圖8 延慶張莊臺ZD9A-2B 地電場儀地電暴干擾曲線Fig.8 Geoelectric storm curve of ZD9A-2B geoelectric field meter at Yanqing Zhangzhuang seismic station

2.6 不明原因

2015—2020 年北京地電臺網(wǎng)不明原因事件記錄共11 條，其中中短期不明原因2 條，疑似故障或干擾9 條。中短期不明原因事件記錄發(fā)生在通州西集臺ZD9A-Ⅱ地電場儀，表現(xiàn)均為第二裝置其中一測道數(shù)據(jù)出現(xiàn)幾小時的較大變化。疑似故障或干擾事件記錄發(fā)生在延慶張莊臺，主要是ZD8M 地電阻率儀自然電位1 個測道幾日和十幾日趨勢明顯變化各1 次、地電阻率北南測項整點值單點突跳1 次，以及ZD9A-2B 地電場儀第一裝置相鄰兩個測向同步階躍或短期趨勢明顯變化、第二裝置相鄰兩個測向的同步階變。例如：2016 年5 月3—6 日，延慶張莊臺地電場第一裝置北南測向和北東測向同步出現(xiàn)不明原因下降，變化幅度分別為11.50 mV/km 和9.15 mV/km（圖9），同時段內(nèi)其他測向觀測數(shù)據(jù)正常。檢查測區(qū)環(huán)境未見異常，檢測外線路、鋼絞線的絕緣性、電極及室內(nèi)線路等均正常。換備用觀測儀器進(jìn)行觀測，該變化依舊存在，判斷此變化非前兆異常，疑似故障或干擾。

圖9 延慶張莊臺ZD9A-2B 地電場儀不明原因干擾曲線Fig.9 Unknown disturbance curve of ZD9A-2B geoelectric field meter at Yanqing Zhangzhuang seismic station

3 討論與認(rèn)識

通過對北京地電臺網(wǎng)2015 年1 月—2020 年12 月的非正常變化事件記錄進(jìn)行系統(tǒng)整理和匯總分析，研究得出北京地電臺網(wǎng)的典型干擾及其影響因素、變化特征，并對如何避免和減小干擾影響給出合理化建議，為提高北京地電臺網(wǎng)數(shù)據(jù)觀測質(zhì)量，更好地應(yīng)用于地震預(yù)測研究提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)參考。

（1）北京地電臺網(wǎng)的典型干擾為觀測系統(tǒng)故障、自然環(huán)境影響、場地環(huán)境影響、人為干擾、地球物理事件和不明原因干擾6 類。其中場地環(huán)境干擾對地電臺網(wǎng)的影響最為嚴(yán)重，占地電臺網(wǎng)干擾的75%。

（2）場地環(huán)境干擾的影響因素主要有城市軌道交通、抽水灌溉、設(shè)備漏電、工程影響和高壓直流輸電。其中，城市軌道交通影響占場地環(huán)境干擾的70%，是主要影響因素，造成地電觀測數(shù)據(jù)每日05—23 時出現(xiàn)密集高頻變化。在場地環(huán)境干擾不可避免的情況下，開展井下地電觀測[14-15]是減小抽水灌溉、設(shè)備漏電等場地環(huán)境干擾的有效辦法。

（3）觀測系統(tǒng)故障的影響因素為主機(jī)故障、地電阻率供電干擾、外線路故障、供電故障、電極故障和數(shù)采故障等。主機(jī)故障是觀測系統(tǒng)故障的主要影響因素，原因主要為長期使用造成儀器原件老化所致。避免主機(jī)故障干擾要做好觀測儀器設(shè)備的定期維護(hù)維修和備機(jī)備件。

（4）自然環(huán)境干擾影響因素為降雨、雷電和融雪等。其中降雨、融雪主要影響電極埋深較淺（2 m）的延慶張莊臺和平谷馬坊臺地電觀測。深埋電極或開展深井觀測可有效避免或減小降雨、融雪等自然環(huán)境干擾。

（5）人為干擾的影響因素為檢測檢修觀測系統(tǒng)、裝置系統(tǒng)改造、電阻率交流觀測試驗和電極檢查等，造成觀測數(shù)據(jù)缺數(shù)或數(shù)據(jù)突跳、階變。其中檢測檢修觀測系統(tǒng)是人為干擾的主要影響因素。觀測人員熟悉觀測原理、儀器性能并可正確判斷故障原因進(jìn)行規(guī)范操作可最大限度地減小人為干擾。

（6）地球物理事件影響因素為地電暴。地電暴對地電觀測的干擾表現(xiàn)為數(shù)據(jù)高頻擾動或脈沖式突跳，變化幅度與地電暴強(qiáng)度正相關(guān)，并與地下介質(zhì)電性結(jié)構(gòu)有關(guān)。地電暴干擾影響可在一定程度上反映不同臺址條件及觀測儀器的映震效能。

（7）不明原因干擾影響因素為疑似故障或干擾及中短期不明原因干擾，多發(fā)生在地電場觀測相鄰兩測向同步階躍或趨勢變化。改進(jìn)裝置系統(tǒng)，提高觀測人員數(shù)據(jù)分析研究能力可有效減少不明原因干擾。