夏縣地電場(chǎng)觀測(cè)系統(tǒng)典型干擾排除方法

劉國俊，李曉銳，劉垚坤，常 姣，姚林鵬

(1.山西省地震局運(yùn)城地震監(jiān)測(cè)中心站，山西 運(yùn)城 044400;2.山西地震局，山西 太原 030021；3.太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，山西 太原 030025)

0 引言

地電場(chǎng)是重要的地球物理場(chǎng)之一，地電場(chǎng)觀測(cè)主要是觀測(cè)地電場(chǎng)的地表分量及其時(shí)空變化[1]。運(yùn)城地震監(jiān)測(cè)中心站(以下簡稱運(yùn)城站)南晉地電場(chǎng)是“十五”數(shù)字地震觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目的新增測(cè)項(xiàng),自2018年投入觀測(cè)以來,儀器穩(wěn)定性較好，觀測(cè)數(shù)據(jù)連續(xù)，精度較高，能記錄到靜日(地電場(chǎng)曲線呈峰-谷型)、擾日(輕微擾動(dòng))變化,正常日變幅度為3～5 (mV/km)。觀測(cè)以來，主要的干擾因素有觀測(cè)環(huán)境(灌溉、雷電、高壓直流)和觀測(cè)系統(tǒng)(電極極化、儀器設(shè)備)。許多專家學(xué)者對(duì)地電場(chǎng)觀測(cè)的干擾因素及其抑制技術(shù)進(jìn)行研究。如，席繼樓等針對(duì)影響地電場(chǎng)觀測(cè)的主要工頻干擾源、干擾方式、干擾機(jī)理等開展研究，對(duì)現(xiàn)階段地電場(chǎng)觀測(cè)領(lǐng)域抑制工頻干擾的方法和技術(shù)等進(jìn)行綜合性分析和討論。隨著數(shù)據(jù)跟蹤分析工作的推進(jìn)，相關(guān)的研究也繼續(xù)深入。筆者在綜合分析夏縣地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的結(jié)果的基礎(chǔ)上,梳理出觀測(cè)系統(tǒng)因素引起的典型干擾異常特征，對(duì)出現(xiàn)故障的原因進(jìn)行分析與排查。

1 夏縣地電場(chǎng)觀測(cè)環(huán)境及觀測(cè)系統(tǒng)

夏縣大地電場(chǎng)在地質(zhì)構(gòu)造上處于祁連山、呂梁山、賀蘭山“山”字形構(gòu)造的東翼，新華夏系運(yùn)城凹陷的北東邊緣，中條山北麓斷裂NE段的北部，中條山山前洪積扇上。觀測(cè)場(chǎng)地地勢(shì)較平坦，由東南向西北自高向低呈緩坡延伸，以北為大片平原，以南約10 m處有一條寬30 m，深5～6 m自然形成的河溝，再以南均為山前平原地帶。經(jīng)測(cè)試，該區(qū)地電場(chǎng)觀測(cè)值變化小，視電阻率值高低主要受表土、亞黏土、砂、砂礫石及上部地層含水量大小等因素影響。布極區(qū)主要位于農(nóng)田內(nèi)，測(cè)區(qū)無影響觀測(cè)的金屬管線。因此，運(yùn)城站南晉地電場(chǎng)所處的電磁環(huán)境符合GB/T l9531.2-2004[2]和DB/T 18.1-2006關(guān)于地電場(chǎng)臺(tái)站電磁環(huán)境的要求[3](以下簡稱《規(guī)范》)。

夏縣地電場(chǎng)觀測(cè)系統(tǒng)建成于2018年7月，布極中心點(diǎn)距觀測(cè)室約42 m，布設(shè)北南長、東西長、北45°西長、北南短、東西短、北45°西短六道測(cè)線。觀測(cè)儀器采用中國地震局地殼應(yīng)力研究所研制的GEF-Ⅱ型地電場(chǎng)儀，采樣率為1次/min。電極采用蘭州地震研究所研制、蘭州高新開發(fā)區(qū)大地物探研究所生產(chǎn)的固體不極化電極(LGB-3型)，埋設(shè)深度5 m。電極布設(shè)、電極引線與儀器輸入連接符合觀測(cè)規(guī)范要求。信號(hào)線使用普通強(qiáng)度橡套軟電纜，采用地埋方式，信號(hào)線與傳感器線連接方式使用銅閘刀，閘刀固定在距地面30 cm不銹鋼罩壁上(見第15頁圖1)。2018年7月1日試運(yùn)行，2019年1月1日正式觀測(cè)。自觀測(cè)以來，觀測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量較高，觀測(cè)系統(tǒng)干擾主要可分為觀測(cè)裝置和觀測(cè)儀器[4]。

圖1 夏縣地電場(chǎng)觀測(cè)系統(tǒng)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of Xiaxian geoelectric field observation system device

2 典型干擾檢測(cè)方法及處理分析

2.1 觀測(cè)裝置典型干擾識(shí)別與處理方法

2020年8月15日至18日，地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線連續(xù)出現(xiàn)臺(tái)階變化，最大變幅12 mV/km(見第15頁圖2)。根據(jù)《山西省地震異常核實(shí)管理辦法》，結(jié)合《電磁學(xué)科觀測(cè)資料異常變化現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)工作報(bào)告編寫要求(修訂)》(中震測(cè)函〔2014〕65號(hào))開展異常核實(shí)工作[5]。

圖2 運(yùn)城站南晉地電場(chǎng)長、短極距測(cè)道數(shù)據(jù)曲線圖Fig.2 Curve chart of long and short pole distance channel data of the Nanjin geoelectric field of Yuncheng Seismic Station

(1) 調(diào)查核實(shí)。

該觀測(cè)場(chǎng)地(布極區(qū))處于山前洪積扇，地勢(shì)較平坦，布極區(qū)內(nèi)地形開闊、平坦，無鐵、磁管線和其他鐵、磁物體，無產(chǎn)生工業(yè)游散電流和其他電磁信號(hào)的干擾源。對(duì)觀測(cè)環(huán)境檢查后，未發(fā)現(xiàn)可疑干擾源，排除觀測(cè)環(huán)境干擾的可能；地電場(chǎng)觀測(cè)的供電系統(tǒng)使用UPS交流220 V，避雷接地電阻小于4 Ω，地埋線路絕緣電阻為250～500 MΩ,未發(fā)現(xiàn)明顯干擾。

(2)分析研判。

六個(gè)通道連續(xù)三天的觀測(cè)數(shù)據(jù)同步出現(xiàn)階變現(xiàn)象，階變時(shí)間在08時(shí)至15時(shí)左右，NS、EW、NW長短極距相關(guān)系數(shù)和歸零差值明顯降低，三分向長短極距的相關(guān)系數(shù)均低于0.6，差值大于1.0 mV/km。當(dāng)兩項(xiàng)指標(biāo)超出《規(guī)范》要求的最低限時(shí)，需對(duì)地電場(chǎng)觀測(cè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)和場(chǎng)地周邊的電磁干擾狀況進(jìn)行檢查。由于電極引線與外線路之間采用閘刀連接，用不銹鋼外罩保護(hù)，閘刀距地面約30 cm,易受潮濕影響。17日下午檢查發(fā)現(xiàn)6個(gè)外罩壁上都有水柱現(xiàn)象，清理后，觀測(cè)數(shù)據(jù)呈下降臺(tái)階變化；查看中心站氣象三要素觀測(cè)數(shù)據(jù)，當(dāng)18日氣溫發(fā)生突變時(shí)，地電場(chǎng)觀測(cè)曲線發(fā)生臺(tái)階變化，記錄曲線伴有鋸齒狀高頻變化(見圖3)，推測(cè)可能是閘刀銅刀片與夾口及接線座與銅線接觸之間，由于空氣中水分作用形成氧化銅，氧化銅屬P型半導(dǎo)體，有電化學(xué)效應(yīng)，能產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，其強(qiáng)度與環(huán)境溫度、壓力、濕度關(guān)系較大，故認(rèn)為其觀測(cè)數(shù)據(jù)臺(tái)階干擾變化可能與線路連接點(diǎn)氧化有關(guān)(《化學(xué)通信》刊登拉杰西沃的論文、《化學(xué)和工程新聞》報(bào)道提到，氧化銅產(chǎn)生甲醇電化學(xué)效率高達(dá)95%)。

圖3 夏縣地電場(chǎng)長極距測(cè)道數(shù)據(jù)與氣溫?cái)?shù)據(jù)曲線圖Fig.3 Curve chart of long pole distance channel data and air temperature data of Xiaxian geoelectric field

(3) 處置方法。

按照DB/T18.2-2006行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，更換銅閘刀為銅線快速接線端子方式連接(見圖4)。接線端子使用加厚純銅導(dǎo)電體，導(dǎo)電性較好，電阻率低，表面有特殊電渡處理，杜絕氧化，外殼采用優(yōu)質(zhì)絕緣材料，耐腐蝕、老化。將電極引線、外線路分別接入接線端子兩端，每端用雙螺絲固定，外表涂上凡士林油防潮防氧化，接線端子由塑料外殼包裹。

圖4 運(yùn)城南晉地電場(chǎng)信號(hào)線路整改實(shí)物圖Fig.4 Physical map of signal route rectification of Yuncheng Nanjin geoelectric field

(4) 處置結(jié)果。

對(duì)六通道接線端改造后，觀測(cè)曲線階變消失，相關(guān)系數(shù)>0.995，差值<1，數(shù)據(jù)質(zhì)量提高。

2.2 觀測(cè)儀器典型干擾分析與處理方法

2020年10月31日11:17至13:12，北南向長極距出現(xiàn)臺(tái)階變化，變幅達(dá)23.59 mV/km,伴有大幅脈沖振蕩，其他測(cè)道均正常(見第17頁圖5)。結(jié)合六通道數(shù)據(jù)的相關(guān)性，初步判斷該干擾非場(chǎng)內(nèi)影響，排除共性干擾(如，供電、ARM控制板、電極)，根據(jù)以往工作經(jīng)驗(yàn)，重點(diǎn)檢查主機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)采集板?，F(xiàn)場(chǎng)打開機(jī)箱，發(fā)現(xiàn)機(jī)內(nèi)有灰塵。解決方案采用替代法[6]，用第六通道與第一通道采集板交換測(cè)試，結(jié)果兩塊板均正常。之后，對(duì)采集板接觸性進(jìn)行檢查，用酒精擦拭采集板及底座后，數(shù)據(jù)恢復(fù)正常。分析故障原因有兩點(diǎn)，一是由于數(shù)據(jù)采集板插座與插板之間連接銅片氧化，形成氧化銅，導(dǎo)致采集板接觸不良(《自然·納米技術(shù)》刊載文章提到，當(dāng)帶磁性的氧化銅晶體尺寸達(dá)到納米級(jí)時(shí)，會(huì)表現(xiàn)出與通常情況相反的負(fù)熱膨脹現(xiàn)象)；二是儀器機(jī)箱內(nèi)灰塵會(huì)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)有一定影響。

圖5 夏縣地電場(chǎng)長、短極距測(cè)道數(shù)據(jù)曲線圖Fig.5 Curve chart of long and short pole distance channel data of the Xiaxian geoelectric field

3 結(jié)論與討論

通過對(duì)運(yùn)城站南晉地電場(chǎng)觀測(cè)系統(tǒng)典型干擾及其排除方法的分析，可得出如下結(jié)論：

(1) 電極引線與外線路連接方式若使用閘刀，閘刀銅片表面可能受地面溫度、潮濕影響形成氧化銅，導(dǎo)致信號(hào)線路接觸不良，造成觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量下降。建議使用接線端子并做好防潮防氧化措施，保證信號(hào)線路接觸良好，避免數(shù)據(jù)干擾。

(2) 單通道數(shù)據(jù)突變一般與數(shù)據(jù)采集板接觸不良有關(guān)，應(yīng)加強(qiáng)日常維護(hù)，清理儀器設(shè)備的散熱孔，保持觀測(cè)室、觀測(cè)儀器內(nèi)部板件清潔，防止器件老化，減少故障頻次。觀測(cè)系統(tǒng)故障多與線路有關(guān)，做好導(dǎo)線的絕緣和防氧化工作，有利于排除干擾源，提高地電場(chǎng)觀測(cè)資料質(zhì)量。