陜西地區(qū)地電場典型干擾研究

王秋寧，李媛媛

(陜西省地震局，陜西 西安 710068)

0 引言

地電場是一種重要的地球物理場，根據(jù)場源分類原則，可分為由電離層、月球、太陽等外部場源作用產(chǎn)生的大地電場和由地球內(nèi)部介質(zhì)的物理、化學(xué)過程產(chǎn)生的自然電場[1]。地震活動(dòng)較弱地區(qū)的自然電場具有相對(duì)穩(wěn)定性，大地電場具有全球性或區(qū)域性特征[2]。在孕震過程中，應(yīng)力加卸載過程會(huì)導(dǎo)致介質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，引起地電場的強(qiáng)度和方向改變，這是地電場觀測作為地震預(yù)測的基礎(chǔ)理論依據(jù)。國內(nèi)外學(xué)者開展大量地電場觀測理論、方法、模型和地震預(yù)測的相關(guān)研究，觀測中也記錄到多次地震的地電場異常信息[3-4]。

在地電場觀測中，空間電磁擾動(dòng)等干擾一直存在，如果場地還存在游散電流、金屬管網(wǎng)，或地形地貌、水文條件等發(fā)生改變，或觀測系統(tǒng)不穩(wěn)定，這些因素都會(huì)使觀測數(shù)據(jù)中包含多種干擾成分[5]。近年來，有學(xué)者對(duì)地電場觀測的多種典型干擾開展過研究，得出地電暴是由太陽風(fēng)引起空間電磁場劇烈變化的機(jī)理，且其主要周期成分集中在2 h～4 min，變化幅度遠(yuǎn)大于日變波形幅度[6]；又如對(duì)高壓直流輸電干擾的分析，提出其線路調(diào)試過程中，以大地為電流路徑的影響機(jī)理及多種形態(tài)[7]。因地電場觀測站及周邊電磁環(huán)境的復(fù)雜性，需對(duì)典型干擾的區(qū)域性特征和處理方法開展深入研究。

該文基于陜西省5個(gè)地電場2016年以來的觀測數(shù)據(jù)，歸納、提煉出地電場觀測過程中的典型干擾，研究結(jié)果或許可為陜西地區(qū)地電場數(shù)據(jù)分析、干擾識(shí)別、震情跟蹤等提供參考依據(jù)。

1 陜西地電場觀測站概況

陜西省有5個(gè)地電場觀測站，分別為乾陵、周至、合陽、寶雞、鳳翔站，主要分布在關(guān)中地區(qū)的渭河斷陷盆地內(nèi)，位于秦嶺山脈和黃土高原之間(見圖1)。5個(gè)觀測站的裝置布設(shè)均滿足地電場臺(tái)站建設(shè)規(guī)范[8]的“多極距、多方位”技術(shù)要求，其中4個(gè)觀測站的裝置采用“雙L”布設(shè)，1個(gè)觀測站采用深埋布設(shè)。

圖1 陜西省地電場觀測站分布圖

陜西地電場觀測站之前采用ZD9A-Ⅱ型地電場儀，2018年，合陽、鳳翔、周至站的觀測儀器更換為GEF-Ⅱ型地電場儀，測量頻段均為0～0.01 Hz，觀測數(shù)據(jù)產(chǎn)出率為1次/min。各觀測站的短極距在50～283 m，長極距在100～566 m，電極均采用蘭州LGB系列固體不極化電極。乾陵、鳳翔、周至觀測站外線路采用架空方式，電纜線為抗老化絕緣導(dǎo)線；寶雞、合陽觀測站外線路采用穿管地埋方式。各觀測站基本情況如表1所示。乾陵、鳳翔、合陽站的觀測環(huán)境相對(duì)較好，寶雞、周至站的觀測環(huán)境相對(duì)較差，其中，寶雞站因環(huán)境破壞于2019年夏季停測。

表1 陜西地電場觀測站基本情況

2 陜西地區(qū)地電場典型干擾分析

陜西地區(qū)地電場干擾主要包括城市軌道交通、高壓直流輸電、農(nóng)田灌溉等場地環(huán)境影響和降雨、雷電、大風(fēng)等自然環(huán)境干擾。

2.1 場地環(huán)境干擾

2.1.1 城市軌道交通干擾

地鐵等軌道交通是城市周邊地電場觀測中的一種典型干擾，如，天津靜海、四川成都、江西南昌等地電場觀測站均受到地鐵運(yùn)行的干擾，出現(xiàn)時(shí)段與地鐵運(yùn)行時(shí)段具有一致性。

西安地鐵采用架空接觸網(wǎng)供電方式，供電電壓為直流1 500 V，在地鐵運(yùn)營期間因?qū)Φ芈╇姸蓴_地電場觀測。在5個(gè)地電場觀測站中，周至、乾陵站鄰近西安市，距市地鐵1號(hào)線直線距離分別為65 km、61 km，第24頁圖2a、2b顯示，地鐵運(yùn)行對(duì)這兩個(gè)觀測站會(huì)產(chǎn)生影響。西安地鐵運(yùn)行時(shí)間是每日05:30至23:59，地鐵運(yùn)行導(dǎo)致附近地電場E出現(xiàn)明顯高頻擾動(dòng)。周至站ENS擾動(dòng)變化幅度小于EEW，乾陵站ENS、EEW受影響基本一致。圖2c、2d是乾陵站NS向2個(gè)月觀測數(shù)據(jù)在正常時(shí)段(00:00至05:30)和擾動(dòng)時(shí)段(05:30至23:59)的譜分析圖?？梢钥闯?，在正常時(shí)段，大部分信號(hào)的頻譜范圍集中在0.1 Hz以下的低頻段，信號(hào)強(qiáng)度在100 (mV/km)以內(nèi)；在擾動(dòng)時(shí)段，記錄的地電場信號(hào)由于疊加軌道干擾源信號(hào)，整個(gè)頻譜范圍的信號(hào)增強(qiáng)，高頻段(0.36～0.42 Hz)功率譜增強(qiáng)，表明地鐵運(yùn)行產(chǎn)生較大的高頻干擾。

圖2 西安地鐵運(yùn)行對(duì)地電場觀測的干擾及頻譜特征

地鐵對(duì)地電場觀測的干擾是近年來較為突出的問題，其基本影響原理是兩根鐵軌中，一根作為控制線路，負(fù)責(zé)機(jī)車的通訊、控制等工作，電流微?。涣硪桓c供電軌(接觸網(wǎng))構(gòu)成電流回路。機(jī)車牽引電流在工作狀態(tài)下可達(dá)數(shù)千安培[9]。地鐵運(yùn)行時(shí)，鐵軌與大地間不能達(dá)到完全絕緣，回流電流從鐵軌向地下漏電,是造成距離較近的電磁臺(tái)站干擾的根本原因。

2.1.2 高壓直流輸電干擾

高壓直流輸電干擾是地電場觀測中的一種典型干擾。當(dāng)高壓直流輸電線路出現(xiàn)故障或?qū)€路調(diào)試時(shí)，會(huì)對(duì)線路附近的地電場觀測造成干擾。影響陜西地電場觀測站的高壓直流輸電線路主要有寶德線、酒湖線、哈鄭線、昌宣線。其中，寶德線對(duì)陜西地區(qū)地電場干擾較大，這是源于該線在陜西寶雞設(shè)有換流站，其接地極位于千陽縣城北8 km處的張家塬。此地距離各觀測站分別為鳳翔站28 km、寶雞站51 km、乾陵站100 km、周至站113 km、合陽站270 km。除合陽站因距離較遠(yuǎn)未受影響外，其余4個(gè)站均處于寶德線接地極入地電流的周邊發(fā)散區(qū)域，干擾明顯。

2018年8月2日05:00至23:30，乾陵、周至、鳳翔、寶雞站同時(shí)受到寶德線高壓直流輸電干擾(見第24頁圖3)?？梢钥闯?，4個(gè)觀測站出現(xiàn)的干擾形態(tài)多為變幅較大的脈沖狀方波或突跳，其起始、結(jié)束時(shí)間具有同步性，突變方向、幅度大小存在差異，這種差異可能和臺(tái)站的分布、地下電性結(jié)構(gòu)等有關(guān)。

圖3 地電場受高壓直流輸電干擾

從第25頁表2的干擾幅值統(tǒng)計(jì)看出，距離接地極最近的鳳翔站變幅最大，最遠(yuǎn)的周至站變幅最小，距離接地極51 km的寶雞站變幅小于距離100 km的乾陵站。主要是由于各站觀測場地土壤的電導(dǎo)率差異引起[7]。各站地電場長、短極距各分量的變化幅度差異也較大。研究表明，高壓直流輸電對(duì)地電場觀測的影響與入地電流成正比，與接地極到地電場測區(qū)距離的平方和傳播區(qū)域的電導(dǎo)率成反比[7]。從變化方向來看，各站地電場各分量不盡相同。鳳翔和寶雞站兩個(gè)分量均為階躍向上的正向變化；乾陵站NS向的長、短極距為階躍向下，EW向?yàn)殡A躍向上；周至站與乾陵站則正好相反。從空間位置來看，幾個(gè)觀測站均位于寶德線的東側(cè)、張家塬換流站的東南方向，高壓直流輸電干擾的方向與臺(tái)站和線路的相對(duì)位置關(guān)系不明顯。

表2 地電場觀測站受寶德高壓直流輸電線干擾統(tǒng)計(jì)表

2.2 自然條件干擾

陜西地電場觀測中常見的自然條件干擾主要有降雨、雷電、大風(fēng)等，其可能會(huì)導(dǎo)致地電場觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)短時(shí)的上升、下降、突跳和階躍等變化(見表3)。通常這種干擾對(duì)地電場數(shù)據(jù)形態(tài)的影響較復(fù)雜、持續(xù)時(shí)間不長，如觀測環(huán)境較復(fù)雜或裝置存在問題而引起干擾時(shí)，需要重視。從表3看出，陜西地電場觀測站受降雨干擾的形態(tài)主要有上升、下降、突跳和階躍等；雷電干擾的形態(tài)均為突跳和階躍；大風(fēng)干擾的形態(tài)為上升、下降和突跳。其中，寶雞和合陽兩個(gè)測站因地埋線路，不受大風(fēng)干擾。

表3 地電場觀測站受自然環(huán)境干擾的特征統(tǒng)計(jì)表

5個(gè)地電觀測站中，乾陵站場地的周邊環(huán)境、裝置穩(wěn)定性均較好，分析該站由降雨、雷電、大風(fēng)等引起的干擾具有相對(duì)可靠性。乾陵站是架空外線路裝置，降雨、雷電、大風(fēng)對(duì)其的影響主要發(fā)生在夏秋季節(jié)，圖4分別是降雨、雷電、大風(fēng)導(dǎo)致該站地電場數(shù)據(jù)出現(xiàn)突跳、階變、波動(dòng)等現(xiàn)象。可以看出，較強(qiáng)降雨、大風(fēng)可能引起地電場測值出現(xiàn)短時(shí)的上升、下降變化，變化幅度多在10 (mV/km)數(shù)量級(jí)；雷電影響多表現(xiàn)為瞬間的較大幅度突跳、階躍，變化幅度可達(dá)到100 (mV/km)數(shù)量級(jí)。

圖4 乾陵地電場受降雨、雷電、大風(fēng)影響

從陜西地電場觀測資料來看，每逢大雨期間，各站地電場各測向相關(guān)系數(shù)會(huì)由正常的0.9左右降至0.7左右，甚至更低，這表明降雨造成測區(qū)地表的電性結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，且這種變化具有非均勻性[10]。

另外，陜西地電場各站也記錄到農(nóng)田灌溉干擾，其原理和變化形態(tài)類似于降雨，在此不做專門分析。

2.3 地電暴干擾

地電暴可歸類為一種特殊的自然環(huán)境干擾，此干擾起源于電離層電流的劇烈擾動(dòng)變化，磁情指數(shù)K≥5時(shí)干擾明顯。地電暴會(huì)在大范圍區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)，導(dǎo)致各地電場觀測站出現(xiàn)同步高頻震蕩現(xiàn)象(見圖5、表4)。震蕩幅度可達(dá)到各站正常日變幅值2倍以上，不同場地的影響幅度會(huì)出現(xiàn)差異，多數(shù)觀測站的日變形態(tài)因受其干擾變得模糊。在此次地電暴期間，周至站所在區(qū)域有降雨，因外線路老化引起的干擾較大，對(duì)本次地電暴記錄不明顯。圖5f是2018年8月25日至28日乾陵站地電場數(shù)據(jù)的振幅譜?？梢钥闯龅仉姳r(shí)，地電場優(yōu)勢周期集中在0.005～0.02 Hz左右(50 min～200 min)的周期范圍，明顯異于靜日的12 h和24 h的優(yōu)勢周期，譜值也高于靜日變化的，與以往研究結(jié)果相似[6,11]。

表4 陜西各地電場觀測站地電暴事件情況

圖5 地電場觀測站ENS的地電暴分析

3 結(jié)論與討論

基于陜西地區(qū)2016年以來5個(gè)地電場觀測數(shù)據(jù)，分析地電場典型干擾特征，得出如下結(jié)論及認(rèn)識(shí)：

(1) 陜西地區(qū)地電場觀測受城市軌道交通干擾的臺(tái)站主要有周至、乾陵兩個(gè)，表現(xiàn)為西安地鐵運(yùn)行期間地電場的高頻擾動(dòng)。其中，周至站ENS擾動(dòng)變化幅度稍小于EEW，乾陵站ENS、EEW受影響基本一致。

(2) 乾陵、鳳翔、寶雞、周至4個(gè)站均明顯受到寶德線高壓直流輸電干擾的影響，干擾形態(tài)多為變幅較大的脈沖狀方波或突跳，起始、結(jié)束時(shí)間具有同步性，突變方向、幅度大小存在差異，這些可能和臺(tái)站的分布、地下電性結(jié)構(gòu)等有關(guān)。

(3) 降雨、雷電、大風(fēng)等自然條件對(duì)地電場觀測的影響一直存在，且難以排除，表現(xiàn)為地電場觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)短時(shí)的上升、下降、突跳和階躍等。

(4) 地電暴作為一種特殊干擾，是驗(yàn)證地電場觀測數(shù)據(jù)可靠性的重要手段。