池國民，趙銀剛，董曉娜，閆德橋，閆萬曉，鄭家軍

(1.山東省地震局安丘地震臺，山東安丘　262100; 2.山東省地震局，山東濟(jì)南　250014;3.山東省地震局馬陵山地震臺，山東郯城　276114)

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山東地區(qū)地電場觀測干擾調(diào)研分析

池國民1，趙銀剛1，董曉娜2，閆德橋1，閆萬曉3，鄭家軍1

(1.山東省地震局安丘地震臺，山東安丘262100; 2.山東省地震局，山東濟(jì)南250014;3.山東省地震局馬陵山地震臺，山東郯城276114)

摘要：介紹山東地區(qū)地電場觀測的基本情況，選取2007～2015年的觀測數(shù)據(jù)，對地電場觀測干擾進(jìn)行調(diào)研分析。結(jié)果表明，日常觀測中主要受到電極老化、外線路接觸不良、雷電、降雨、高壓直流輸電、與地電阻率同臺觀測、游散電流等干擾。針對各類干擾機(jī)理提出應(yīng)對措施，為地電場觀測識別干擾及應(yīng)對提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：地電場；干擾；應(yīng)對措施；山東地區(qū)

0引言

地電場是重要的地球物理場之一，根據(jù)場源不同可將其分為由地球外部場源作用于地球表面感應(yīng)產(chǎn)生的大地電場和由地下場源產(chǎn)生的自然電場。在孕震過程中，地殼介質(zhì)的變化會導(dǎo)致其電性發(fā)生變化，進(jìn)而引起大地電場的強(qiáng)度及時空發(fā)生改變。因此，地電場觀測對于預(yù)測地震發(fā)生，特別是短臨地震的預(yù)測，具有十分重要的意義，已成為地震前兆觀測的重要手段之一。

近十幾年來，電極技術(shù)不斷發(fā)展完善，為地電場觀測提供了有利條件。目前，國內(nèi)地電場觀測的長短極距多為東西向和南北向400 m及200 m布設(shè)[1]。該觀測系統(tǒng)覆蓋面積較大，容易受到外界環(huán)境的影響，干擾因素也比較多。本文對山東地區(qū)地電場觀測干擾進(jìn)行調(diào)研分析，對各類干擾機(jī)理進(jìn)行了分析總結(jié)并對各類干擾的應(yīng)對防范措施做簡要介紹。

1基本情況

“九五”及“十五”項(xiàng)目完成后，山東地區(qū)陸續(xù)建立7個地電場觀測臺站，分別是安丘臺、馬陵山臺、陵陽臺、大山臺、菏澤臺、乳山臺、鄒城臺。其

中安丘臺、馬陵山臺、陵陽臺3個臺站沿沂沭斷裂帶布設(shè)，大山臺地處埕寧隆起，菏澤臺緊鄰聊考斷裂帶，乳山臺地處牟平—乳山斷裂帶附近，鄒城臺地處尼山—嶧山斷裂帶之間。

山東地區(qū)地電場臺站的觀測儀器均使用中國地震局分析預(yù)報中心研制的ZD9A-Ⅱ數(shù)字化地電場儀，數(shù)據(jù)產(chǎn)出為1次/分鐘，該地電場儀具有分辨率高、動態(tài)范圍大、良好抗干擾能力和較高可靠性等優(yōu)點(diǎn)。產(chǎn)出的資料每天上報山東省地震局監(jiān)測預(yù)報中心。

各臺站均采用多方向、多極距觀測方法，即：在2個以上的方向上進(jìn)行觀測，每個測向至少布設(shè)2個以上的測道。該方法能準(zhǔn)確判定數(shù)據(jù)的可靠性，識別電極老化、降雨、場地環(huán)境影響及附近電磁干擾，容易發(fā)現(xiàn)和排除測量裝置系統(tǒng)中出現(xiàn)的問題。各臺站觀測系統(tǒng)均采用雙“L型”布極方式，電極采用Pb-PbCl2固體不極化電極。外線路采用架空方式敷設(shè)，測量線加裝避雷裝置后與測量儀器連接，測量線與電極引線在開關(guān)盒內(nèi)用閘刀開關(guān)連接，方便線路絕緣性檢查并做好防水處理。各地電場臺站的基本信息如表1所示，布極類型如圖1所示。

表1　　　　　　山東地區(qū)地電場觀測臺站基本信息

2山東地區(qū)地電場變化特征

地電場的變化包括天然外空場源產(chǎn)生的區(qū)域性或廣域性變化(即大地電場變化)，地下場源產(chǎn)生的局部或地域變化(即自然電場變化)，以及其他環(huán)境和人為因素產(chǎn)生非天然變化(即干擾變化)等[2]。此節(jié)主要研究分析山東地區(qū)地電場觀測到的廣域性或區(qū)域性同步變化特征。

2.1地電場的正常日變化

山東地區(qū)大部分臺站的地電場曲線形態(tài)屬于“峰—谷”型，即數(shù)據(jù)曲線呈現(xiàn)出比較規(guī)則的波峰、波谷形態(tài)。“峰—谷”型地電場主要起源于潮汐現(xiàn)象，所以又稱為潮汐地電場[3]。圖2a為安丘臺地電場正常日變化曲線，可以看出，數(shù)據(jù)曲線每日早晚相對平靜呈近直線狀，午時前后約6小時呈近似正弦形態(tài)，全天近正弦波間斷出現(xiàn)，可見明顯的正弦曲線。

2.2磁暴期間記錄到的地電場區(qū)域同步變化

太陽活動的粒子流輻射是以太陽風(fēng)形式影響地球，它是突然發(fā)生的，經(jīng)常引起磁暴等。磁暴的出現(xiàn)會使電磁場產(chǎn)生劇烈擾動[4]。磁暴期間，地電場會記錄到頻率較高、且幅度較大的擾動變化，一般稱之為“地電暴”。圖2b為2012年3月7日-8日山東地區(qū)7個地電場臺站記錄到的磁暴事件，最大K指數(shù)為6。可以看出，磁暴發(fā)生時，各地電臺站數(shù)據(jù)變化時間同步且變化形態(tài)基本一致，反映了其廣域性的變化特征。

上述地電場的正常變化是地電場觀測資料分析的基礎(chǔ)，地震地電場前兆是與正常變化疊加在一起的。加強(qiáng)對地電場正常變化的認(rèn)識和分析，有助于提取與地震有關(guān)的異常信息。

3干擾調(diào)研分析及應(yīng)對措施

3.1觀測系統(tǒng)變化干擾

3.1.1電極老化

不極化電極最突出問題就是使用壽命短，長則1～2年，短則不超過半年。地電場觀測若出現(xiàn)電極老化，會導(dǎo)致觀測到的地電場電位差不穩(wěn)定，觀測數(shù)據(jù)相關(guān)性變低。圖3a為陵陽臺2010年11月更換電極前后地電場數(shù)據(jù)曲線，可以看出，更換電極前，曲線出現(xiàn)隨機(jī)大幅跳變、無規(guī)則臺階，無法顯示地電場正常的日變化形態(tài)。導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因是由于土壤離子的電位通過電極內(nèi)部的電解質(zhì)傳遞給金屬導(dǎo)線，土壤離子與電解質(zhì)、電解質(zhì)與金屬之間的接觸容易產(chǎn)生極化電位，當(dāng)電解質(zhì)發(fā)生改變時，會造成極化電位的不穩(wěn)定變化，這種不穩(wěn)定變化與正常地電場信號疊加在一起，造成觀測數(shù)據(jù)的隨機(jī)變化。更換鉛電極后，曲線平滑穩(wěn)定，日變形態(tài)清晰。電極老化對觀測資料造成嚴(yán)重影響，出現(xiàn)此情況需立即更換新電極，建議在未研制出更好的不極化電極前，可使用穩(wěn)定程度更好一些的鉛電極。2010年，陵陽、大山、菏澤3個臺站更換了鉛電極，數(shù)據(jù)相關(guān)性隨之大幅提高，相關(guān)系數(shù)大于0.95，數(shù)據(jù)質(zhì)量保持在較高的水準(zhǔn)。

圖1　地電場布極圖

電極老化是影響地電場觀測的重要原因，干擾變化特征是：地電場各測向長短極距的相關(guān)性降低，數(shù)據(jù)曲線易出現(xiàn)突跳、臺階、漂移等不穩(wěn)定現(xiàn)象。該類干擾較容易判斷，更換新電極后，地電場觀測資料恢復(fù)正常。

3.1.2外線路接觸不良

山東地區(qū)地電場觀測外線路采用7×φ1 mm銅芯乙烯外套線，線路布設(shè)采用架空，測量線與電極引線用閘刀連接，雖外罩定制鐵盒并做防水處理，但是常年在野外受風(fēng)吹日曬雨淋影響，連接處容易氧化導(dǎo)致接觸不良。

陵陽地震臺曾多次記錄到與線路接觸不良有關(guān)的異常變化。2013年7月2日，地電場數(shù)據(jù)出現(xiàn)干擾信號，如圖3b，干擾信號只出現(xiàn)在南北、東西測向，北東測向正常。干擾連續(xù)多日出現(xiàn)，經(jīng)過巡視場地和線路檢查，排除測區(qū)環(huán)境變化、線路故障等原因。對閘刀處進(jìn)行擦拭維護(hù)后數(shù)據(jù)恢復(fù)正常。地電場日常觀測中要定期檢查外線路，保證室外開關(guān)接觸到位，查看接頭是否氧化、接觸點(diǎn)是否牢靠等。

線路接觸不良造成的干擾信號一般出現(xiàn)在某2個測向且具有一定的規(guī)則性，一般對線路進(jìn)行維護(hù)后數(shù)據(jù)可恢復(fù)正常。

3.2自然因素干擾

3.2.1雷電干擾

大地電場是一個相對穩(wěn)定、有一定自身變化規(guī)律的靜態(tài)電場，在外部場電變化的干擾下，會引起地電場發(fā)生畸變。一般情況下地電場的高頻變化的場源是對流層中的雷電[5]，主要是雷電改變了區(qū)域電場分布環(huán)境，特別是在出現(xiàn)雷雨天氣的情況下，雷電通常離的較近，在放電的瞬間，引起數(shù)據(jù)變化幅度也較大，可達(dá)正常時的數(shù)倍，持續(xù)時間也較長[6]。

圖2　地電場正常變化

圖4a為2010年4月22日鄒城臺地電場記錄到的雷電干擾?？梢钥闯?，雷電干擾變化特征為：觀測數(shù)據(jù)呈離散性變化，特別是在放電瞬間，因強(qiáng)電流干擾，數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出典型的畸變，變幅可達(dá)幾百(甚至上千)，為正常值的幾倍甚至幾十倍，嚴(yán)重時可能將儀器直接擊壞。

為防御雷擊，可在室電輸入端增加一級防雷模塊，在機(jī)柜進(jìn)線處安裝二級避雷器，以增加防雷效果。進(jìn)入雷雨季節(jié)時，要時刻注意天氣變化。發(fā)生雷電時，要及時將地震前兆儀器交流電源切換成UPS供電，雷電過后要及時檢查避雷器。

3.2.2降雨干擾

降雨對測區(qū)環(huán)境的影響屬局部自然電場發(fā)生變化導(dǎo)致地表電性結(jié)構(gòu)發(fā)生的改變[7]。2015年7月30日傍晚，安丘臺地電場測區(qū)范圍內(nèi)突降急雨，40分鐘左右降水30 mm，地電場數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大變化，變化時間與降雨時間吻合，判定該變化為降雨所致。安丘臺地電場電極埋深2 m，當(dāng)降雨出現(xiàn)時，降水下滲到電極處，導(dǎo)致電極極化電位改變。由于極化電位不一致，將在測量回路中產(chǎn)生一個附加的電極極化電位差，從而干擾地電場觀測，造成數(shù)據(jù)變化?？梢钥闯?，地電場數(shù)據(jù)在短時間內(nèi)出現(xiàn)大幅突跳震蕩變化。隨著水分的蒸發(fā)，觀測曲線會逐步恢復(fù)到正常日變形態(tài)。調(diào)研中還發(fā)現(xiàn)，山東地區(qū)地電場觀測電極大都在老百姓的莊稼地中，春夏兩季農(nóng)田灌溉容易影響地電場資料。農(nóng)田灌溉對地電觀測干擾與降雨類似，筆者在下節(jié)場地環(huán)境改變干擾中不再舉例說明。

不極化電極、鉛電極若埋深較淺(一般為地下2 m左右)，受降雨、農(nóng)田灌溉等影響較大，而深埋電極可以有效避免此類干擾，將電極埋置在地電場臺站常年地表水位以下，可保持電極所處的物理環(huán)境基本不變，從而獲得真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)資料。

3.3場地環(huán)境改變干擾

3.3.1高壓直流輸電干擾

高壓直流輸電是近年來地震地電場觀測中出現(xiàn)的一種新的干擾異常。寧東—山東±660千伏直流輸電示范工程是世界第一個±660千伏電壓等級的直流輸電工程。起點(diǎn)在寧夏銀川市靈武，終點(diǎn)在山東青島[8]。輸電距離長達(dá)1 335 km，經(jīng)過寧夏、陜西、山西、河北和山東等5省(區(qū))43個縣(市)。直流供電線路的布線方式為一來一去的雙向線，正常工作時，電流基本從2條架空線路經(jīng)過，電流方向相反，大小基本相等[9]，

只有很少

圖3　觀測系統(tǒng)變化干擾

一部分不平衡電流入地(小于30 A)。一旦出現(xiàn)故障，可能出現(xiàn)很大的不平衡電流，回路電流基本上從地下通過，可能出現(xiàn)單向供電情況[10]，此時，線路上的不平衡電流將產(chǎn)生很大的附加電場，對線路兩側(cè)臺站地電場觀測造成很大影響。

受寧東—山東±660千伏直流輸電影響，2011年3月25日00時00分至2時10分的時間段內(nèi)，山東地區(qū)安丘、馬陵山、大山、陵陽、乳山地電場出現(xiàn)1組明顯的臺階式同步上升(或下降)變化(圖5a)，它們變化時間同步，變化形態(tài)一致。其中，南北測向長極距數(shù)據(jù)最大變化幅度約為安丘65.0 mV/km、馬陵山24.2 mV/km、大山1.1 mV/km、陵陽75.2 mV/km、乳山39.6 mV/km?？梢园l(fā)現(xiàn)：干擾變化幅度的大小基本與臺站到換流站的距離遠(yuǎn)近有關(guān)，但也有例外，這可能與各臺站地電觀測系統(tǒng)的差異、極區(qū)地質(zhì)構(gòu)造、地形和土壤分層等方面的不同有關(guān)。表2是2014年8月1～10日安丘臺地電場南北向長極距受寧東高壓直流輸電影響的統(tǒng)計分析結(jié)果?？梢钥吹?，安丘臺南北向長極距地電場臺階式變化幅度在1 mV/km～10 mV/km，在相鄰的2次變化中，上升和下降的變化幅度大致相等。

針對高壓直流輸電干擾，地震臺站及上級主管部門可與電力部門溝通協(xié)調(diào)，盡量避免單向供電情況的出現(xiàn)，最大可能地減少高壓直流輸電對地電場觀測的干擾。

圖4　自然因素干擾

表2　　　　　　　2014年8月1～10日安丘臺地電場觀測受高壓直流輸電影響統(tǒng)計

3.3.2與地電阻率同臺觀測的干擾

地電阻率觀測需要對電極進(jìn)行人工供電，從而在觀測場地瞬時建立起較大的人工電場，若地電場與地電阻率在同一場地內(nèi)觀測，則人工電場與地電疊加從而產(chǎn)生突跳變化。山東地區(qū)目前有馬陵山、菏澤2個臺站地電場與地電阻率同臺觀測。

圖5b為菏澤臺2012年6月20日受地電儀(ZD8BI)供電干擾時大地電場數(shù)據(jù)曲線，圖中東西測向長短極距形成的尖峰皆為地電阻率觀測時供電干擾所致，尖峰都是在整點(diǎn)之后14分鐘出現(xiàn)，此類干擾是由于地電場儀屏蔽地電儀干擾的補(bǔ)償電位門限值設(shè)置不當(dāng)而產(chǎn)生，調(diào)整門限電位后干擾消除。

圖5　場地環(huán)境改變干擾

3.3.3游散電流干擾

地電場觀測對環(huán)境的要求較高，測區(qū)內(nèi)環(huán)境變化常常會引起觀測數(shù)據(jù)的變化，測區(qū)內(nèi)如果有游散電流出現(xiàn)，會導(dǎo)致局部自然電場發(fā)生改變，造成觀測數(shù)據(jù)強(qiáng)烈擾動。

圖5c為鄒城臺2014年10月10日地電場長極距三測向觀測曲線，可以看出，觀測數(shù)據(jù)有類似“臺階”的擾動變化，造成上述數(shù)據(jù)變化的原因是電極附近大型機(jī)械設(shè)備不定時作業(yè)。作業(yè)時，大功率柴油機(jī)為設(shè)備供電，并且接有地線，當(dāng)發(fā)電機(jī)啟動工作時，會有部分游散電流流入大地，引起土壤介質(zhì)中帶電離子的電位發(fā)生變化，從而造成地電場觀測數(shù)據(jù)的突變。

4結(jié)論

由于地電場觀測比較容易受到外界環(huán)境的影響，干擾因素也比較多，對于不同的干擾應(yīng)該有不同的識別方法和應(yīng)對措施?，F(xiàn)將山東地區(qū)地電場觀測典型干擾及應(yīng)對措施總結(jié)如下：

(1)觀測系統(tǒng)變化干擾主要有電極老化和外線路接觸不良。電極老化造成電場電壓不穩(wěn)定，曲線出現(xiàn)隨機(jī)大幅跳變、無規(guī)則臺階，形態(tài)產(chǎn)生漂移，無法顯示地電場正常的日變化形態(tài)，對資料造成嚴(yán)重干擾。出現(xiàn)此類情況應(yīng)立即更換電極，在未研制出更好的不極化電極前，最好采用穩(wěn)定程度更好一些的鉛電極。線路接觸不良造成的干擾信號一般出現(xiàn)在某2個測向且具有一定的規(guī)則性，比較容易判定。通常對線路進(jìn)行維護(hù)后數(shù)據(jù)可恢復(fù)正常，日常觀測中要定期檢查外線路，查看接頭是否氧化、接觸點(diǎn)是否牢靠等。

(2)自然因素干擾有雷電、降雨等。雷電干擾主要導(dǎo)致數(shù)據(jù)畸變和儀器故障。可加裝防雷設(shè)備增加防雷效果，發(fā)生雷電時，要及時切換成UPS供電。雷電過后要及時檢查避雷器。降雨干擾使觀測數(shù)據(jù)短時間內(nèi)出現(xiàn)大幅突跳震蕩變化。深埋電極技術(shù)可有效避免降雨、農(nóng)田灌溉此類干擾，將電極埋置在地電場臺站常年地表水位以下，可保持電極所處的物理環(huán)境基本不變，從而獲得真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)資料。

(3)場地環(huán)境改變常常會引起觀測數(shù)據(jù)發(fā)生變化。高壓直流輸電干擾通常以“臺階”的形態(tài)出現(xiàn)，干擾變化幅度的大小基本與臺站到換流站的距離遠(yuǎn)近有關(guān)，同一臺站相鄰2次變化，上升和下降幅度大致相等。地震臺站及上級部門要加強(qiáng)與電力部門的溝通協(xié)調(diào)，盡量避免單極供電情況的出現(xiàn)，最大可能的減少高壓直流輸電干擾。地電阻率觀測供電干擾目前已有相應(yīng)的技術(shù)處理來排除，調(diào)整門限電位即可排除此類干擾。測區(qū)內(nèi)如果有游散電流，會導(dǎo)致局部自然電場發(fā)生改變，造成觀測數(shù)據(jù)強(qiáng)烈擾動。

地震臺站在搞好前兆觀測的同時，要加大宣傳力度，讓公眾了解地震臺站的地位和作用。要充分利用法律武器，依法保護(hù)地震監(jiān)測設(shè)施和地震觀測環(huán)境，維護(hù)地震臺站權(quán)益。本文對山東地區(qū)地電場觀測干擾進(jìn)行了調(diào)研分析并提出應(yīng)對措施，這對地電臺站識別干擾及應(yīng)對有一定的參考意義。

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ANALYSIS ON OBSERVATION INTERFERENCE OF GEO-ELECTRIC FIELD IN SHANDONG REGION

CHI Guomin1,ZHAO Yingang1,DONG Xiaona2,YAN Deqiao1,YAN Wanxiao3,ZHENG Jiajun1

(1.Anqiu Seismic Station,Earthquake Administration Of Shandong Province,Anqiu 262100,China;2.Earthquake Administration Of Shandong Province,Jinan 250014,Shandong,China;3.Malingshan Seismic Station,Earthquake Administration Of Shandong Province,Tancheng 276114,China)

Abstract:The general situation of geo-electric field observation in Shandong region is introduced,the observation date recorded from 2007 to 2015 are selected and analyzed.The results show that daily observations interferences mainly include electrode aging,bad contact of outside line,lightning,rainfall,high voltage direct current transmission,simultaneous observation with earth resistivity and stray electric current.According to different interference mechanism,the countermeasures are put forward in the paper in oreder to provide reference basis for geo-electric field observation.

Key words:Geo-electric field;Interference;Countermeasure;Shandong region

收稿日期：2015-11-02

基金項(xiàng)目：山東省地震局合同制項(xiàng)目(編號：15Y34)資助。

作者簡介：池國民(1987—)，男，山東諸城人，助理工程師，工學(xué)學(xué)士學(xué)位，主要從事電磁前兆觀測和大地水準(zhǔn)測量工作。

中圖分類號：P315.72+2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1005-586X(2016)02-0062-08