電極埋深對(duì)地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的影響分析
——以都蘭地震臺(tái)為例

白永禎,羅賓生,趙玉紅,盧嘉沁,楊開(kāi)來(lái),文勇

(1.青海省地震局西寧地震監(jiān)測(cè)中心站,青海 西寧 810001;2.青海省地震局,青海 西寧 810005;3.青海省地震局海西地震監(jiān)測(cè)中心站,青海 都蘭 816100)

0 引 言

地電場(chǎng)是重要的地球物理場(chǎng),其主要研究對(duì)象是地球表層天然電場(chǎng)及其隨時(shí)間的變化[1]。其觀測(cè)對(duì)象包括大地電場(chǎng)以及自然產(chǎn)生的電場(chǎng)。大地電場(chǎng)指的是在外空磁場(chǎng)影響下形成的二次電場(chǎng),具有廣域性;自然電場(chǎng)指的是由地球內(nèi)部的各種元素所產(chǎn)生的電場(chǎng),具有明顯的局部性[2]。眾多研究表明,地震前地電場(chǎng)異?，F(xiàn)象是客觀存在,也是地震地球物理觀測(cè)的重要組成部分,在地震預(yù)報(bào)中的支撐作用不可忽視[3-5]。

目前,青海擁有5個(gè)地電場(chǎng)觀測(cè)點(diǎn),它們分布在都蘭、大武、金銀灘、白水河和門(mén)源地區(qū)。至今為止,上述觀測(cè)站大多數(shù)已經(jīng)累計(jì)了不少于五年的觀測(cè)數(shù)據(jù)。大武與都蘭地電場(chǎng)是最早被觀測(cè)到的地方之一。在瑪多7.4級(jí)、阿克塞5.5級(jí)等地震發(fā)生之前,都蘭臺(tái)觀測(cè)到的地電場(chǎng)長(zhǎng)極距北南向曾出現(xiàn)大幅下降變化。然而,地電場(chǎng)的觀測(cè)受到了區(qū)域電磁環(huán)境、場(chǎng)地狀況、觀測(cè)設(shè)備和儀器以及氣候條件等多種因素的影響[6],導(dǎo)致近幾年青海地區(qū)地電場(chǎng)觀測(cè)中出現(xiàn)了強(qiáng)降雨、游散電流等干擾對(duì)數(shù)據(jù)的影響,從而地電場(chǎng)的震前異常信號(hào)容易被此類干擾所淹沒(méi),造成數(shù)據(jù)資源的極大浪費(fèi)。為了解決此類干擾,提出了埋深電極的試驗(yàn)方案。試驗(yàn)場(chǎng)地選擇了觀測(cè)資料積累時(shí)間較長(zhǎng)、震前多次出現(xiàn)異常變化的都蘭地電場(chǎng),開(kāi)展了不同深度埋深電極的對(duì)比觀測(cè)試驗(yàn)。

本文利用深、淺埋電極產(chǎn)出穩(wěn)定的觀測(cè)數(shù)據(jù),根據(jù)其數(shù)據(jù)正常變化形態(tài)趨勢(shì),分析計(jì)算其相關(guān)系數(shù)、差值,得出電極埋深對(duì)地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的影響,從而判斷埋深電極方案是否能夠有效避免地電場(chǎng)觀測(cè)干擾。

1 基本情況

1.1 臺(tái)站基本情況

都蘭地電場(chǎng)始建于2007年5月,2008年1月1日開(kāi)始正式投入使用,后由于觀測(cè)數(shù)據(jù)受到觀測(cè)環(huán)境的嚴(yán)重干擾,進(jìn)行了搬遷重建改造,自2014年11月搬遷至今,裝置系統(tǒng)穩(wěn)定,運(yùn)行正常。臺(tái)站海拔3 815 m,觀測(cè)場(chǎng)地位于都蘭縣東部地勢(shì)平整的草灘上,觀測(cè)區(qū)域環(huán)境較穩(wěn)定,周圍無(wú)民居或其他建筑,適合地電場(chǎng)觀測(cè)。該觀測(cè)點(diǎn)地處可可西里—巴顏喀拉、柴達(dá)木兩個(gè)大地震帶之間,地震活動(dòng)不但頻繁,而且強(qiáng)度高,是破壞性地震的多發(fā)地區(qū)[7]。圖1為青海地區(qū)地電場(chǎng)觀測(cè)臺(tái)站分布圖。

圖1 青海地區(qū)地電場(chǎng)觀測(cè)臺(tái)站分布

1.2 電極埋深試驗(yàn)方案與實(shí)施

都蘭地電場(chǎng)臺(tái)原電極使用7年以上,為了提升觀測(cè)效能,利用青海地震臺(tái)—都蘭地電場(chǎng)電極更新項(xiàng)目,將同型號(hào)電極埋分別埋深5 m和2 m,由于原觀測(cè)在正常觀測(cè)中,為了保證原觀測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)率,此次施工不改變?cè)瓉?lái)的布極方式(圖2),表1為都蘭地電場(chǎng)不同埋深電極的基本信息。

表1 都蘭地電場(chǎng)不同埋深電極的觀測(cè)基本信息

(1)淺埋電極和深埋電極均采用鉆孔埋設(shè)。在原電極兩側(cè)分別鉆孔埋設(shè)深5 m和2 m的新電極,與原電極水平距離2 m,均采用LGB-3固體不極化電極。極距比例成正比,保持埋設(shè)的電極處于同一個(gè)水平面上(圖3)。

圖3 電極埋設(shè)方式

(2)兩套電極外線路均采用2×6 mm2鎧裝電纜連接,外線路架設(shè)前,用兆歐表進(jìn)行絕緣檢測(cè),符合要求再投入使用。外線接頭處做好絕緣及防水處理。電纜采用地埋方式敷設(shè)。供電系統(tǒng)也采用原有臺(tái)站的供電系統(tǒng)。儀器接地線采用原有臺(tái)站的地線。

(3)數(shù)采安裝在原來(lái)的觀測(cè)室中,線路連接保證不影響原來(lái)觀測(cè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

2 數(shù)據(jù)分析

本文選取都蘭地電場(chǎng)埋深電極試驗(yàn)后的觀測(cè)資料,2023年8月開(kāi)始產(chǎn)出數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定,因此計(jì)算2023年8月1日～2023年10月31日原始動(dòng)態(tài)曲線、相關(guān)系數(shù)及差值進(jìn)行對(duì)比分析。通過(guò)從日變形態(tài)、相關(guān)系數(shù)以及差值方面來(lái)進(jìn)行評(píng)判地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量。

2.1 日變形態(tài)

為了更準(zhǔn)確的識(shí)別出大地電場(chǎng)的干擾因素,就需要研究其正常的變化形態(tài),日變化是以一個(gè)太陽(yáng)日為周期且依賴于地方時(shí)的變化,在地球自轉(zhuǎn)的過(guò)程中,由于太陽(yáng)位置的持續(xù)變化,在測(cè)點(diǎn)上方電離層等離子體內(nèi)形成周期性電流變化,可在地球表面誘導(dǎo)形成有一定規(guī)律的地電場(chǎng),其周期為1天[8]。日常地震監(jiān)測(cè)時(shí),采用地電場(chǎng)日變化分析其與地震之間的聯(lián)系[9]。

從圖4中可以清晰地觀察到深埋電極和原電極在10月24～25日的日變形態(tài),能夠明顯展現(xiàn)出“兩峰一谷”的特征。此外,在多個(gè)連續(xù)的日變形態(tài)中,它們近似呈現(xiàn)正弦曲線的形態(tài)。根據(jù)峰值和谷值出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)來(lái)看,深埋電極與原電極幾乎是同步進(jìn)行的,在早上7時(shí)左右和下午16時(shí)左右分別出現(xiàn)一個(gè)峰值,并且在中午12點(diǎn)左右出現(xiàn)一個(gè)谷值。然而,淺埋電極只有部分幾天在早上7時(shí)左右出現(xiàn)一個(gè)峰值,并且在晚上20時(shí)出現(xiàn)一個(gè)谷值,其時(shí)間點(diǎn)不同步。此外,在記錄了10月21日至23日期間發(fā)生地電暴(K=5)事件后發(fā)現(xiàn),地球物理事件如地電暴和地電擾動(dòng)在這三種類型的電極上表現(xiàn)基本一致,并且淺埋電極振幅較其他兩種類型的振幅要小。

圖4 都蘭地電場(chǎng)深、淺埋電極及原電極觀測(cè)日變形態(tài)對(duì)比

2.2 相關(guān)系數(shù)與差值

相關(guān)系數(shù)的計(jì)算公式為:

(1)

(2)

差值的計(jì)算公式為:

(3)

(4)

根據(jù)以上理論,計(jì)算了2023年8月至10月期間觀測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)和差值,表2為日相關(guān)系數(shù)及差值日均值統(tǒng)計(jì)表。

表2 地電場(chǎng)相關(guān)系數(shù)及差值均值統(tǒng)計(jì)

從深、淺埋電極及原電極的相關(guān)系數(shù)、差值計(jì)算結(jié)果可以看出:

(1)深、淺埋電極及原電極的相關(guān)系數(shù)相當(dāng),均在0.995以上,說(shuō)明此次深、淺埋電極對(duì)相關(guān)系數(shù)上影響不大,可能跟此次試驗(yàn)深度(2 m與5 m)未達(dá)到一個(gè)量級(jí)上的變化有關(guān)。

(2)深埋電極差值相對(duì)最小,均值基本在控制在0.06 mV/km左右,原電極在0.08 mV/km左右,而淺埋電極差值均值快接近1 mV/km左右,說(shuō)明淺埋電極同一方向的觀測(cè)數(shù)據(jù)變化幅度存在一定的漂移現(xiàn)象,而深埋電極具有較高的穩(wěn)定性。這又意味著淺埋電極的觀測(cè)數(shù)據(jù)易淹沒(méi)日變化,從而造成前兆信號(hào)提取困難。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)電極不同深度埋深試驗(yàn)得出的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,可得到以下結(jié)論:

(1)從相關(guān)系數(shù)和差值角度分析得知,當(dāng)埋深深度達(dá)不到一個(gè)量級(jí)對(duì)比時(shí),相關(guān)系數(shù)方面影響不是很明顯,但是差值方面就顯得比較明顯,深埋電極差值明顯小于淺埋電極,意味著深埋電極產(chǎn)出的數(shù)據(jù)相對(duì)穩(wěn)定,日變化不被輕易淹沒(méi),從而可更好的提取微弱的地震電信號(hào)。

(2)從日變形態(tài)來(lái)看,都蘭地電場(chǎng)日變形態(tài)呈現(xiàn)為兩峰一谷,并發(fā)現(xiàn)深埋電極表現(xiàn)日變化形態(tài)更加清晰,可以分析為電極埋深越深,我們測(cè)得的自然電場(chǎng)成份占比就越大,大地電場(chǎng)主要是太陽(yáng)各種電流體系在地球內(nèi)部所產(chǎn)生的感應(yīng)電場(chǎng),隨著埋深的增加大地電場(chǎng)的感應(yīng)電場(chǎng)就會(huì)減小,故深埋電極記錄的日變形態(tài)清晰度優(yōu)于淺埋電極。清晰的日變化形態(tài)能為預(yù)報(bào)人員在判斷異常數(shù)據(jù)是否是前兆信號(hào)時(shí)提供有力依據(jù)。

(3)都蘭地電場(chǎng)觀測(cè)系統(tǒng)穩(wěn)定,包括觀測(cè)場(chǎng)地環(huán)境保持較好,儀器工作穩(wěn)定,有了新架設(shè)的兩套新電極加原有的電極產(chǎn)出的數(shù)據(jù),我們可以在日常工作中做對(duì)比分析,在判斷數(shù)據(jù)異常方面能起到重要作用。