馬欽忠, 錢家棟, 李偉, 趙文舟，方國(guó)慶

1 上海市地震局, 上?！?00062　2 中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所, 北京　100036

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源自多個(gè)大電流源的華東地區(qū)地電場(chǎng)空間變化特征

馬欽忠1, 錢家棟2, 李偉1, 趙文舟1，方國(guó)慶1

1 上海市地震局, 上海2000622 中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所, 北京100036

摘要在地震電磁學(xué)研究中，電流在地下流動(dòng)特征與構(gòu)造關(guān)系是一個(gè)非常重要的問(wèn)題.多個(gè)強(qiáng)電流源的存在和大范圍地電場(chǎng)觀測(cè)站的分布格局為我們研究這個(gè)問(wèn)題提供了更好的機(jī)會(huì).本文通過(guò)利用上海及其周邊地區(qū)4個(gè)地點(diǎn)不同的高壓換流站接地極向地下注入的大電流(1200～4780A)信號(hào)，研究了華東地區(qū)8個(gè)臺(tái)站組成的地電場(chǎng)觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)接收到的附加地電場(chǎng)信號(hào)，推進(jìn)了對(duì)地電流在地下傳播特征的認(rèn)識(shí).研究顯示：①?gòu)姆忍卣鞫?，?duì)于源自不同的大電流信號(hào)，各臺(tái)站觀測(cè)到的附加地電場(chǎng)信號(hào)幅度特征有很大不同，而近處的浦東臺(tái)只能觀測(cè)到南橋大電流源的信號(hào)而觀測(cè)不到其他3個(gè)大電流源發(fā)出的信號(hào)，存在著所謂的“敏感點(diǎn)”效應(yīng)；②對(duì)于上海地區(qū)4個(gè)接地極大電流而言，能夠觀測(cè)到源自它們的附加地電場(chǎng)的臺(tái)站最遠(yuǎn)為350 km，在更遠(yuǎn)的臺(tái)站則觀測(cè)不到.③從均勻度方面而言，在每個(gè)臺(tái)站對(duì)于不同的信號(hào)源，記錄到的附加地電場(chǎng)信號(hào)在各方向上的長(zhǎng)極距和短極距信號(hào)幅度之比可以有很大變化；④在方位特征上，只有崇明臺(tái)站接收到的同里接地極和華新接地極大電流信號(hào)的計(jì)算方位度數(shù)與實(shí)際方位度數(shù)誤差最小，分別為0.2°和0.8°.而在距離各個(gè)信號(hào)源最近的青浦臺(tái)，這種誤差要比崇明臺(tái)站的大；⑤極化方向特征顯示，在青浦臺(tái)和崇明臺(tái)所觀測(cè)到的附加地電場(chǎng)信號(hào)中，存在著同一方向上長(zhǎng)、短極距信號(hào)極化方向是反向的現(xiàn)象，這與常理相悖，怎樣解釋該現(xiàn)象有待于今后進(jìn)一步研究.本文從點(diǎn)電流源與臺(tái)站測(cè)線布局構(gòu)成的裝置系統(tǒng)、大區(qū)域介質(zhì)非均勻性、臺(tái)站測(cè)區(qū)以及附近地區(qū)的介質(zhì)細(xì)結(jié)構(gòu)的影響三個(gè)方面，對(duì)上述特征進(jìn)行了較深入的分析和解釋.

關(guān)鍵詞大電流； 多源； 地電場(chǎng)信號(hào)； 地震電信號(hào)

1引言

在地震電磁學(xué)研究中，大量的研究表明地震前確實(shí)存在著震前異常變化的地電場(chǎng)信號(hào)(趙玉林和錢復(fù)業(yè)，1981；Uyeda S et al., 2000; Varotsos and Alexopoulos,1984a,b；Huang,2011a，b；馬欽忠，2008;馬欽忠等，2009；2013)，而基于地震電信號(hào)的方法為地震短臨預(yù)報(bào)提供了較好的手段，以20世紀(jì)80年代初希臘雅典大學(xué)三位物理學(xué)家Varotsos和Alexopoulos、Nomicos命名的“VAN”法就是其中典型的代表(Uyeda et al.，2009；Varotsos and Alexopoulos, 1984a,b；Varotsos et al., 2011a, b).日本科學(xué)家小組通過(guò)檢驗(yàn)后認(rèn)為希臘“VAN”小組通過(guò)這個(gè)方法幾乎成功預(yù)報(bào)了希臘發(fā)生的所有M≥5.5地震，他們認(rèn)為該方法是唯一一個(gè)在近30年間不斷產(chǎn)生實(shí)際成果的短期地震預(yù)報(bào)方式，無(wú)論在實(shí)證方面還是在理論方面都是世界上最為確定的方法(Uyeda et al.,2009；Hayakawa and Hobara, 2010；上田誠(chéng)也，2011)．然而由于地震孕育過(guò)程和地球介質(zhì)的復(fù)雜性，清晰地認(rèn)識(shí)和理解地震電信號(hào)的產(chǎn)生機(jī)制、遠(yuǎn)距離傳播、選擇性等問(wèn)題依然具有相當(dāng)大的挑戰(zhàn)性.對(duì)于地震電信號(hào)在地下傳播特征,即電信號(hào)通道問(wèn)題的研究大都是在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室條件或數(shù)值模擬條件下完成的(Park et al.,1996; 黃清華和林玉峰,2010; Sarlis et al.,1999; Huang and Ikeya,1998, 1999；馬欽忠和錢家棟,2003; 馬欽忠,2007).目前,國(guó)際地震與火山電磁研究組(EMSEV)計(jì)劃在比什凱克進(jìn)行合作研究,目的之一就是利用人工大電流源來(lái)進(jìn)行對(duì)希臘”VAN”方法中的地震電信號(hào)(SES)的獨(dú)立檢驗(yàn).為了更加接近真實(shí)的客觀條件，我們?cè)谇捌诘墓ぷ髦欣靡粋€(gè)大電流信號(hào)源和大范圍的地電場(chǎng)觀測(cè)網(wǎng)的條件進(jìn)行了更加貼近實(shí)際的野外大區(qū)域的觀測(cè)研究，結(jié)果說(shuō)明地電流在不同距離和方向所呈現(xiàn)出不同特征(馬欽忠等，2014).然而當(dāng)信號(hào)源的位置發(fā)生變化時(shí)在原有的觀測(cè)網(wǎng)中所觀測(cè)到的地電場(chǎng)變化特征也一定會(huì)隨之而變，其主要原因還是地下介質(zhì)電性結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性使然.為了更進(jìn)一步深入研究地電流在地下的傳播特征和選擇性特征，采用多個(gè)大電流信號(hào)源和區(qū)域地電場(chǎng)觀測(cè)網(wǎng)的格局進(jìn)行野外大區(qū)域的觀測(cè)研究是很有必要的，而目前上海及其附近地區(qū)具有四個(gè)不同位置的特高壓輸電換流站的接地極可向地下注入大電流信號(hào)，該格局為全國(guó)首屈一指，這為我們實(shí)現(xiàn)上述目的提供了很好的條件.

對(duì)于地震電信號(hào)的判斷來(lái)說(shuō)，由于信號(hào)源的不確定性，利用其來(lái)確定信號(hào)源的位置則存在著多解性，因此怎樣判斷地震電信號(hào)源的位置則是很難解決的問(wèn)題，這是目前地震短臨預(yù)報(bào)中所遇到的最為突出的困難問(wèn)題.但對(duì)于一個(gè)確定的信號(hào)源來(lái)說(shuō)，即已知信號(hào)源發(fā)射的時(shí)間段、信號(hào)幅度、信號(hào)脈沖特征及頻率特征等，則在觀測(cè)點(diǎn)所測(cè)得的該信號(hào)具有唯一性或確定性，這對(duì)我們研究電信號(hào)在地下的傳播和在地表觀測(cè)點(diǎn)的接收情況具有非常明確的指標(biāo).通過(guò)研究這種具有唯一性或確定性的信號(hào)源的發(fā)射和接收特征，則對(duì)深入研究和認(rèn)識(shí)基于地震電信號(hào)來(lái)定位的多解性，并用其來(lái)評(píng)估未來(lái)發(fā)震震中位置和震級(jí)，則在地震短臨預(yù)報(bào)中具有非常重要的意義.

目前我國(guó)已建成了由約115個(gè)臺(tái)站組成的數(shù)字化地電場(chǎng)觀測(cè)網(wǎng)，且都是在東西、南北、北東(北西)方向上布設(shè)了長(zhǎng)短不一的觀測(cè)電極距，為更好地排除噪聲打下了良好基礎(chǔ)，其觀測(cè)孔徑和覆蓋范圍之大、臺(tái)站數(shù)量之多，為世界之最.利用該地電場(chǎng)觀測(cè)網(wǎng)進(jìn)行地電場(chǎng)變化特征的研究有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì).本文以4個(gè)上海地區(qū)特高壓換流站的接地電極為大電流信號(hào)源(注入的大電流強(qiáng)度最大值可達(dá)4780A)，研究當(dāng)在不同地點(diǎn)向地下注入強(qiáng)大電流信號(hào)時(shí)在上海、江蘇、安徽等地區(qū)地電場(chǎng)區(qū)域網(wǎng)觀測(cè)到的地電場(chǎng)變化特征，揭示出由不同位置的大電流信號(hào)源所發(fā)出的信號(hào)在上百公里范圍的觀測(cè)區(qū)域中所記錄到的地電場(chǎng)信號(hào)在復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造條件下的強(qiáng)弱分布特征、空間分布特征等，以更好地認(rèn)識(shí)地電流在復(fù)雜地質(zhì)條件下的傳播特征和選擇性問(wèn)題.

2多個(gè)大電流源和地電場(chǎng)觀測(cè)網(wǎng)的布局

大電流源：在上海地區(qū)華東高壓輸電網(wǎng)中有四個(gè)換流站接地極裝置，其中三個(gè)位于上海，它們是南橋接地極、華新接地極和奉賢接地極，另一個(gè)是上海附近的江蘇同里接地極(圖1)，直流輸電線路在系統(tǒng)調(diào)試或發(fā)生故障情況下，會(huì)處于單極大地回路運(yùn)行方式，這時(shí)將有非常大的電流從換流站接地極流入大地，該電流強(qiáng)度最大可達(dá)4780A左右.

圖1　大電流源及其周邊地區(qū)地電場(chǎng)觀測(cè)臺(tái)站位置分布Fig.1　Distribution of the geoelectric field observatories around the area of the powerful electrical current sources

地電場(chǎng)觀測(cè)網(wǎng)：在地電場(chǎng)觀測(cè)中，目前主要研究的是地電場(chǎng)在地球表面投影的部分，可以作為平面矢量，其大小和方位可以通過(guò)平面坐標(biāo)系各分量來(lái)確定之.地電場(chǎng)分量的測(cè)量，則是在特定的方位上(一般取NS和EW方位)，布設(shè)一對(duì)電極接收電場(chǎng)信號(hào)，用該對(duì)電極上測(cè)得的電位差與電極距長(zhǎng)度的商，作為電場(chǎng)在該方位上分量的度量.在我國(guó)大規(guī)模地電場(chǎng)觀測(cè)網(wǎng)建設(shè)時(shí)，廣泛采用了以下兩類技術(shù)措施：(1)使用固體不極化電極作為測(cè)量電極，并對(duì)電極埋設(shè)提出特殊的技術(shù)要求，保證電極電位差較小并且具有較好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性；(2)在觀測(cè)站布設(shè)多極距裝置系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)盡可能識(shí)別和排除環(huán)境干擾，保證地電場(chǎng)觀測(cè)的客觀性.

本文研究區(qū)內(nèi)所布設(shè)的地電場(chǎng)臺(tái)站包括上海市崇明臺(tái)、長(zhǎng)江農(nóng)場(chǎng)臺(tái)、青浦臺(tái)、浦東臺(tái)；江蘇省南京臺(tái)、海安臺(tái)、高郵臺(tái)；安徽省嘉山臺(tái).由于外圍其他臺(tái)站諸如江蘇省新沂臺(tái)、安徽省蒙城臺(tái)、河南省周口臺(tái)以及山東省境內(nèi)的7個(gè)站等沒(méi)有記錄到源自上海地區(qū)多個(gè)接地極大電流信號(hào)源的附加地電場(chǎng)信號(hào)，在浙江省沒(méi)有地電場(chǎng)臺(tái)站(近來(lái)建立了一臺(tái)站，目前還在試運(yùn)行)，因而就不對(duì)這些臺(tái)站的觀測(cè)資料進(jìn)行分析.觀測(cè)儀器型號(hào)為：ZD9大地電場(chǎng)儀；頻率范圍為0.0～0.1Hz；采樣率1次/min.這些臺(tái)站都是多極距布設(shè)裝置系統(tǒng),即在東西、南北、北東(或北西)方向上布設(shè)了長(zhǎng)短不一的極距,以便排除噪聲從而觀測(cè)到真正的地電場(chǎng)信號(hào).由于篇幅所限本文只給出部分臺(tái)站的具體電極布設(shè)方式(見(jiàn)圖2)，文中省略了其他臺(tái)站電極布設(shè)圖.

圖2　部分地電場(chǎng)臺(tái)站電極布設(shè)示意圖Fig.2　Sketch map of the electrode distribution at some geoelectric field observatories in Shanghai area

3源自4個(gè)大電流源的地電場(chǎng)信號(hào)變化特征

3.1同里大電流信號(hào)源的地電場(chǎng)觀測(cè)

由表1可以看到，當(dāng)同里接地極向大地注入4516A大電流時(shí)，上述各臺(tái)記錄到的附加地電場(chǎng)信號(hào)有如下特征：

(1) 幅度特征

表1　2013年7月25日同里接地極注入4516A電流(流出)時(shí)地電場(chǎng)觀測(cè)信號(hào)特征(方位:以臺(tái)站為基準(zhǔn))

表1中所有地電場(chǎng)臺(tái)站觀測(cè)到的附加地電場(chǎng)信號(hào)的幅度在青浦臺(tái)最大，崇明臺(tái)次之.因?yàn)榍嗥峙_(tái)距信號(hào)源最近，為50.3 km；崇明臺(tái)次之，為133 km.在116.57 km處的浦東臺(tái)沒(méi)有記錄到該信號(hào).在信號(hào)源的西邊，142.4 km處的南京臺(tái)記錄到的信號(hào)幅度EW分量最大，NS分量最小，且其EW分量幅值要比139.42 km處的長(zhǎng)江農(nóng)場(chǎng)臺(tái)記錄到的幅值大.在信號(hào)源西北方向298 km處的嘉山臺(tái)記錄到的附加地電場(chǎng)信號(hào)的幅度要比194 km處的海安臺(tái)、232 km處的高郵臺(tái)記錄到的信號(hào)幅值大.因此可以看到，附加地電場(chǎng)信號(hào)幅度的變化特征存在著距離信號(hào)源較遠(yuǎn)的臺(tái)站記錄幅值比距離較近的臺(tái)站記錄幅值大的現(xiàn)象，甚至更近的臺(tái)站記錄不到該信號(hào).

(2) 均勻度特征

用長(zhǎng)極距附加電場(chǎng)信號(hào)幅值與短極距附加電場(chǎng)信號(hào)幅值之比λi(i=NS,EW,NE)來(lái)描述一個(gè)臺(tái)站同一方位上長(zhǎng)短極距電場(chǎng)的差異，則對(duì)NS、EW和NE方向有

(1)

我們用各個(gè)方向上的該比值衡量一個(gè)臺(tái)站在該方向上地電場(chǎng)的均勻度，我們將λ=1的條件轉(zhuǎn)換為均勻度的概念，即認(rèn)為偏離λ=1越小，反映出該臺(tái)地電場(chǎng)均勻度越好；反之偏離λ=1越大，反映出該臺(tái)地電場(chǎng)均勻度越差.它們可以用以表征測(cè)區(qū)各個(gè)方向地下局部電性結(jié)構(gòu)的差異程度.在南北與東西兩個(gè)方位上用長(zhǎng)、短極距附加電場(chǎng)的比值來(lái)描述不同方位附加電場(chǎng)的差異：

(2)

青浦臺(tái)在東西向是均勻的,λEW=0.99; 南北向和北東向均勻度較差，λNS=0.43、λNE=0.46.崇明臺(tái)、海安臺(tái)、高郵臺(tái)和嘉山臺(tái)記錄到的附加電場(chǎng)值在三個(gè)方向上都較為均勻，即長(zhǎng)、短極距附加電場(chǎng)值的比值為1.0左右.長(zhǎng)江農(nóng)場(chǎng)臺(tái)記錄到的附加電場(chǎng)值在南北向較為均勻，其長(zhǎng)、短極距附加電場(chǎng)值的比值約為0.9.但在東西向和北西向其均勻度不好，主要是短極距上記錄的觀測(cè)值太小，由其波形圖可以判定主要是電極D發(fā)生極化所致(圖2、圖3).南京臺(tái)記錄到的附加電場(chǎng)值在東西方向最大且均勻度較好，而其在南北向均勻度不好.

(3) 方位度數(shù)特征

利用各臺(tái)的幾個(gè)不同方位附加地電場(chǎng)的數(shù)據(jù)，可以將臺(tái)站對(duì)源的方位進(jìn)行測(cè)算，并與實(shí)際幾何方位進(jìn)行對(duì)比，其產(chǎn)生的偏差導(dǎo)致的臺(tái)站到信號(hào)源之間的距離偏差，則可由下式計(jì)算：

(3)

式中Δd為定位偏差距離，Δθ為實(shí)際方位度數(shù)與計(jì)算方位度數(shù)差(銳角)，r為臺(tái)站到信號(hào)源的距離.由(3)式可知，角度偏差Δθ越大，則所算得的距離偏差越大.由表1可以看到，只有崇明臺(tái)的實(shí)際方位度數(shù)與計(jì)算方位度數(shù)較為一致，Δθ=0.2°，由(3)式計(jì)算得Δd=0.464 km.而青浦臺(tái)的Δθ=10.3°，Δd=9.03 km.但由圖1可以看到，崇明臺(tái)、青浦臺(tái)和同里接地極位置基本上在一條直線上，因而用崇明臺(tái)和青浦臺(tái)方位線交匯法定位是難以奏效的.除長(zhǎng)江農(nóng)場(chǎng)臺(tái)外其他臺(tái)的實(shí)際方位度數(shù)與計(jì)算方位度數(shù)相差較大，定位偏差距離都大于20 km，說(shuō)明對(duì)于同里接地極位置而言，僅由崇明臺(tái)觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算所得的方位度數(shù)可以尋找該信號(hào)源的方位，而由其他臺(tái)的觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算所得的方位度數(shù)還難以準(zhǔn)確反映該信號(hào)源的方位.換言之，利用多臺(tái)方位線的交匯法確定同里接地極的位置會(huì)產(chǎn)生較大誤差，究其原因，主要還是臺(tái)站下方介質(zhì)電性結(jié)構(gòu)局部的非均勻性所致(馬欽忠等，2014).

(4)極化方向特征

這里極化方向是指地電場(chǎng)觀測(cè)中異常信號(hào)的增長(zhǎng)方式，即正增長(zhǎng)或負(fù)增長(zhǎng).由圖3可以看到，各個(gè)臺(tái)站記錄到的附加地電場(chǎng)長(zhǎng)、短極距的極化方向都是一致的.

3.2華新極大電流信號(hào)源的地電場(chǎng)觀測(cè)

2010年7月7日華新接地極于9∶14—10∶48向地下注入大電流，最大電流量為4780A.表2給出了青浦、崇明、長(zhǎng)江農(nóng)場(chǎng)、南京、海安及高郵臺(tái)記錄到的具體參數(shù).

表2　2010年7月7日華新變電站接地極注入4780 A電流時(shí)地電場(chǎng)觀測(cè)信號(hào)特征

注：方位以臺(tái)站為基準(zhǔn).

華新接地極向地下注入4780A電流時(shí)附加地電場(chǎng)觀測(cè)信號(hào)特征如下.

(1) 幅度特征

距信號(hào)源19 km處的青浦臺(tái)附加地電場(chǎng)幅度最大，但都出現(xiàn)在短極距上.距信號(hào)源84 km處的崇明臺(tái)附加地電場(chǎng)幅度次之.94 km處的長(zhǎng)江農(nóng)場(chǎng)NS分量處于第三大的位置，其與崇明臺(tái)相距14 km，但其幅度較崇明臺(tái)的小很多，與距信號(hào)源為185 km處的南京臺(tái)EW分量的幅值相當(dāng)，南京臺(tái)記錄到的附加電場(chǎng)值在東西方向最大.63 km處的浦東臺(tái)沒(méi)有記錄到.而海安臺(tái)和高郵臺(tái)記錄到的信號(hào)幅值較小.327 km處的嘉山臺(tái)基本沒(méi)有記錄到信號(hào).

(2) 均勻度特征

(3) 方位特征

由表2可以看到，對(duì)于華新接地極信號(hào)位置而言，崇明臺(tái)的實(shí)際方位度數(shù)與計(jì)算方位度數(shù)相差0.8°，由(3)式計(jì)算得Δd=1.173 km.青浦臺(tái)的實(shí)際方位度數(shù)與計(jì)算方位度數(shù)相差7.7°，由(3)式計(jì)算得Δd=2.55 km.上述其他臺(tái)站的實(shí)際方位度數(shù)與計(jì)算方位度數(shù)相差較大.利用崇明臺(tái)和青浦臺(tái)方位線交匯法確定華新接地極信號(hào)位置的話誤差在2.55 km范圍內(nèi)，定位結(jié)果相對(duì)較好.利用上述其他臺(tái)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算所得的方位度數(shù)還難以準(zhǔn)確反映該信號(hào)源的方位.

(4) 極化方向特征

由圖4可以看到在青浦臺(tái)附加地電場(chǎng)在NS、EW和NE方向上長(zhǎng)、短極距的極化方向都是相反的.在崇明臺(tái)只有EW方向上它們是反向的，在其它方向上都是一致的.在其余臺(tái)站附加地電場(chǎng)長(zhǎng)短極距信號(hào)的極化方向都一致.

3.3奉賢接地極大電流信號(hào)源的地電場(chǎng)觀測(cè)

2010年5月5日奉賢接地極向地下注入4000A大電流，在上海地區(qū)青浦臺(tái)、崇明臺(tái)、長(zhǎng)江農(nóng)場(chǎng)臺(tái)、浦東臺(tái)4個(gè)地電場(chǎng)觀測(cè)臺(tái)站和江蘇南京臺(tái)、海安臺(tái)、高郵臺(tái)以及安徽嘉山臺(tái)這8個(gè)臺(tái)站組成的地電場(chǎng)觀測(cè)網(wǎng)觀測(cè)到了此次大地電流的附加地電場(chǎng)信號(hào).由于篇幅所限，此處省略各臺(tái)的觀測(cè)曲線圖，各臺(tái)6個(gè)觀測(cè)分量的幅值等具體參數(shù)在表3給出.它們的附加地電場(chǎng)信號(hào)特征如下：

(1) 幅度特征

在距信號(hào)源為95.6 km之處的崇明臺(tái)的長(zhǎng)極距上所記錄到的附加地電場(chǎng)幅度最大，要比距信號(hào)源為43 km之處的青浦臺(tái)記錄到的附加地電場(chǎng)幅度大5倍以上，出現(xiàn)了遠(yuǎn)臺(tái)比近臺(tái)記錄到的信號(hào)強(qiáng)的現(xiàn)象.在64 km處的浦東臺(tái)的南北向和東西向長(zhǎng)極距上記錄到了該信號(hào)，其余極距上則沒(méi)有記錄到該信號(hào).

(2) 均勻度特征

在青浦臺(tái)南北方向和北東方向均勻度不好，東西方向較好.在崇明臺(tái)在各個(gè)方向上均勻度都不好，在東西、南北、北東方向上長(zhǎng)極距觀測(cè)到的信號(hào)幅度要比短極距觀測(cè)到的信號(hào)幅度大許多，差別在8倍以上，說(shuō)明在奉賢接地極至崇明臺(tái)的方向上崇明臺(tái)的長(zhǎng)極距區(qū)域與短極距區(qū)域地下電性結(jié)構(gòu)差異較大.在長(zhǎng)江農(nóng)場(chǎng)臺(tái)南北方向上均勻度比較好，東西和北東方向由于長(zhǎng)極距上沒(méi)有記錄到而無(wú)法判斷.在海安臺(tái)站各個(gè)方向上均勻度都比較好，長(zhǎng)短極距信號(hào)幅度的比值均在1.1左右.在南京臺(tái)，東西方向上信號(hào)的均勻度較好，南北方向也可以.在高郵臺(tái)和嘉山臺(tái)所記錄到的信號(hào)在各個(gè)方向上均勻度都較好.

(3) 方位特征

由表3可以看出，各個(gè)臺(tái)站相對(duì)于奉賢接地極位置的實(shí)際方位角與由觀測(cè)到的附加地電場(chǎng)信號(hào)幅值計(jì)算出的該方位角存在著較大差別，最小差值也達(dá)到7.3°.因此，利用這些臺(tái)站的觀測(cè)值來(lái)推算奉賢接地極位置存在著較大誤差.以誤差最小的南京臺(tái)為例，所算得的方位度數(shù)為101.3°，而實(shí)際方位度數(shù)為108.6°，相差7.3°之多，按照式(3)計(jì)算，所算得的實(shí)際距離差為26 km，可見(jiàn)利用這些信號(hào)的方位角定位的話誤差是太大了，究其原因，還是信號(hào)源區(qū)及其周圍地下介質(zhì)的各向異性特征所致.

(4) 極化方向特征

在青浦臺(tái)記錄到的信號(hào)中，在北東方向上的長(zhǎng)極距上觀測(cè)到的分量的極化方向與短極距上分量的極化方向是相反的，其余方向上的長(zhǎng)短極距的極化方向一致.而在崇明臺(tái)、長(zhǎng)江農(nóng)場(chǎng)臺(tái)、南京臺(tái)、高郵臺(tái)、海安臺(tái)、嘉山臺(tái)站所記錄到的信號(hào)在各個(gè)方向上其長(zhǎng)短極距上的信號(hào)極化方向都是一致的.

3.4南橋大電流信號(hào)源的地電場(chǎng)觀測(cè)

2008年1月1日在南橋換流站接地極向地下注入了1200A的大電流，該大電流在本文所述的地電場(chǎng)觀測(cè)網(wǎng)中引起了顯著的同時(shí)段附加地電場(chǎng)信號(hào).由于崇明臺(tái)、海安臺(tái)和嘉山臺(tái)恰好由于儀器故障而處于停測(cè)時(shí)段而沒(méi)有記錄，該信號(hào)被青浦臺(tái)、長(zhǎng)江農(nóng)場(chǎng)臺(tái)、浦東臺(tái)、南京臺(tái)和高郵臺(tái)所觀測(cè)到.與前述情況不同的是這一次在浦東臺(tái)卻觀測(cè)到了該信號(hào).由于篇幅所限，具體波形圖在此省略，具體觀測(cè)參數(shù)值如表4所示.

表3　2010年5月5日奉賢接地極放電4000A電流時(shí)地電場(chǎng)觀測(cè)信號(hào)特征(方位:以臺(tái)站為基準(zhǔn))

表4　2008.01.01，12∶30—19∶00南橋接地極注入矩形方波大電流時(shí)的觀測(cè)結(jié)果(2008.1.1,I=1200 A,方位:以臺(tái)站為基準(zhǔn))

注：“-”為停測(cè).

(1) 幅度特征

在距信號(hào)源78.1 km的青浦臺(tái)觀測(cè)到的信號(hào)幅度最大，最大幅度可達(dá)185.6 mV/km，崇明臺(tái)由于系統(tǒng)故障而沒(méi)有記錄到該信號(hào).相距92.3 km處的長(zhǎng)江農(nóng)場(chǎng)臺(tái)記錄到的信號(hào)幅度要比青浦臺(tái)的小，其最大幅度為34.3 mV/km.對(duì)于來(lái)自于南橋接地極的信號(hào)，38.3 km處的浦東臺(tái)記錄到了較為清晰的信號(hào)，且其幅度大體與長(zhǎng)江農(nóng)場(chǎng)臺(tái)的相當(dāng).在248.1 km處的南京臺(tái)和294.5 km處的高郵臺(tái)記錄到的信號(hào)幅度小了許多.而海安臺(tái)和嘉山臺(tái)由于系統(tǒng)故障沒(méi)有記錄到信號(hào).對(duì)于該信號(hào)源，存在著近臺(tái)比遠(yuǎn)臺(tái)記錄到的幅度大的現(xiàn)象.

(2) 均勻度特征

青浦臺(tái)記錄到的該信號(hào)在東西方向上均勻度較好，南北方向和北東方向均勻度不好，主要是由于在這兩個(gè)測(cè)道上長(zhǎng)極距上的信號(hào)幅度偏小.長(zhǎng)江農(nóng)場(chǎng)臺(tái)在南北方向均勻度較好，其他兩個(gè)方向的均勻度不太好.在浦東臺(tái)，南北方向和北西方向上觀測(cè)到的信號(hào)的均勻度相對(duì)較好，長(zhǎng)短極距比都在0.7以上，但在東西方向上均勻度不好.南京臺(tái)記錄到的附加地電場(chǎng)信號(hào)在南北方向和東西方向的均勻度比較好.在高郵臺(tái)，東西方向和北東方向上均勻度都比較好，在南北方向上沒(méi)有記錄到該信號(hào).

(3) 極化特征

在青浦臺(tái)記錄到的附加地電場(chǎng)中南北向和北東向長(zhǎng)短、極距信號(hào)是反向的.

3.5多源條件下附加地電場(chǎng)變化的差異性

從幅度特征而言，對(duì)于源自于同里、華新、和南橋接地極的大電流信號(hào)，本文所述地電場(chǎng)臺(tái)站中觀測(cè)到的附加地電場(chǎng)信號(hào)的最大幅度在青浦臺(tái)，這是因?yàn)槌謻|臺(tái)外該臺(tái)距離這些信號(hào)源最近.但對(duì)于源自于奉賢接地極的大電流信號(hào)，在崇明臺(tái)記錄到的附加地電場(chǎng)信號(hào)幅度最大，在最近距離的青浦臺(tái)記錄到的卻比崇明臺(tái)的小.由本文前面的一些分析結(jié)果可以看到附加地電場(chǎng)信號(hào)幅度的變化特征存在著距離信號(hào)源較遠(yuǎn)的臺(tái)站記錄幅值比距離較近的臺(tái)站記錄幅值大的現(xiàn)象，甚至更近的臺(tái)站記錄不到該信號(hào)，這一現(xiàn)象也存在于其他地區(qū)(馬欽忠等，2013, 2014).而且這一現(xiàn)象與信號(hào)源至觀測(cè)臺(tái)連線的方向有密切關(guān)系.

從觀測(cè)距離而言，在本文研究中發(fā)現(xiàn)，對(duì)于上海地區(qū)4個(gè)接地極大電流而言(最大電流為4780A)，能夠觀測(cè)到附加地電場(chǎng)的最遠(yuǎn)臺(tái)站為350 km，在更遠(yuǎn)的臺(tái)站則觀測(cè)不到.我們?cè)谙惹皩?duì)源自山東境內(nèi)的接地極大電流在華北東部地區(qū)引起的附加地電場(chǎng)空間變化特征的研究中顯示，對(duì)于2100A的大電流而言，能夠觀測(cè)到該信號(hào)的最遠(yuǎn)臺(tái)站的距離為450 km(馬欽忠等，2014).而在川南地區(qū)通過(guò)接地極注入地下4500A大電流時(shí)能夠觀測(cè)到源自該信號(hào)源的附加地電場(chǎng)的最遠(yuǎn)臺(tái)站距離為540 km(馬欽忠等，2013).在最近的資料分析與實(shí)地調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，通過(guò)遼寧接地極注入地下2000A的大電流能夠穿過(guò)渤海灣在近1000 km遠(yuǎn)的臺(tái)站被觀測(cè)到(其特征另文別述).通過(guò)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，地電流信號(hào)的傳播距離在不同地區(qū)所能傳播的遠(yuǎn)近差別較大，且和方向也密切相關(guān).可見(jiàn)，地電流信號(hào)的傳播距離與不同區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造條件和方位有著極大的關(guān)系.

存在著“敏感點(diǎn)”效應(yīng)，對(duì)于浦東臺(tái)而言，對(duì)于源自于其東南方向的南橋接地極大電流信號(hào)而言，該臺(tái)站是可以清晰地記錄到附加地電場(chǎng)信號(hào).而對(duì)于其西南方向的同里接地極、奉賢接地極和華新接地極的大電流信號(hào)，浦東臺(tái)卻記錄不到這些大電流信號(hào)產(chǎn)生的附加地電場(chǎng)信號(hào).在2007—2008年期間本文地電場(chǎng)觀測(cè)網(wǎng)記錄到南橋接地極大電流信號(hào)有17次；2012—2015年期間記錄到其他3個(gè)接地極大電流20次之多.對(duì)上述4個(gè)大電流多次注入地下時(shí)的觀測(cè)與資料分析證明了這一現(xiàn)象存在的客觀性.這說(shuō)明浦東地電場(chǎng)臺(tái)站只對(duì)于源自于其東南方向的信號(hào)是敏感的，而對(duì)于源自于其西南方向的信號(hào)不敏感.

對(duì)于南京臺(tái)，由于上述4個(gè)接地極信號(hào)源都位于臺(tái)站東面，故對(duì)于同里接地極、奉賢接地極和華新接地極的大電流信號(hào)而言，南京臺(tái)所記錄到的附加地電場(chǎng)信號(hào)的東西向分量幅值最大；但對(duì)于南橋接地極信號(hào)，其附加地電場(chǎng)最大幅度并不是東西分量，而是南北分量，這應(yīng)該與南橋接地極及其周邊區(qū)域地下介質(zhì)非均勻性特征(海陸交界區(qū)域)密切相關(guān).

從均勻度方面而言，則在同里、奉賢、南橋和華新接地極向地下注入大電流時(shí)，在上述臺(tái)站記錄到的附加地電場(chǎng)信號(hào)中南北向、東西向和北東向的長(zhǎng)極距和短極距信號(hào)幅度之比，以及南北向和東西向長(zhǎng)極距之比、短極距之比見(jiàn)表5.由表5可以看到各個(gè)臺(tái)的附加地電場(chǎng)有如下特征．

在青浦臺(tái)，對(duì)于來(lái)自同里極、奉賢極、南橋極的信號(hào)而言，其λNS、λEW的絕對(duì)值都基本保持不變，分別為0.4、1.0；說(shuō)明對(duì)于遠(yuǎn)源而言其南北向地電場(chǎng)均勻度不好但穩(wěn)定，東西向的均勻度較好，λNE的絕對(duì)值各不相同.而對(duì)于來(lái)自距該臺(tái)最近的華新極的附加地電場(chǎng)信號(hào)，λNS、λEW、λNE均為-0.2，即附加電場(chǎng)均勻度不好，而這也恰好說(shuō)明了近源信號(hào)的特征.對(duì)于崇明臺(tái)而言，只有源自同里極的信號(hào)的λNS=λEW=λNE≈1.0而顯示出附加地電場(chǎng)的均勻度好；源自華新極的附加地電場(chǎng)的均勻度不太好，相對(duì)而言λNS=1.3較好.在長(zhǎng)江農(nóng)場(chǎng)臺(tái)，對(duì)于源自上述4個(gè)接地極大電流源的附加地電場(chǎng)而言，其均勻度在南北方向較好，即λNS=0.9～1.0，而在其他兩個(gè)方向上除華新極外它們的均勻度變化不穩(wěn)定.源自華新接地極大電流的附加地電場(chǎng)均勻度較好，即λNS=λEW=λNE≈1.0.

表5　各臺(tái)對(duì)源自4個(gè)大電流源的附加地電場(chǎng)的λi(i=NS,EW,NE)值

在只能觀測(cè)到源自南橋接地極大電流信號(hào)的附加地電場(chǎng)的浦東臺(tái)，在其三個(gè)觀測(cè)方向上附加地電場(chǎng)均勻度都不好，說(shuō)明地下介質(zhì)電性結(jié)構(gòu)非均勻性明顯.對(duì)于海安臺(tái)、高郵臺(tái)而言，源自上述4個(gè)大電流信號(hào)源的附加地電場(chǎng)在三個(gè)方向上的均勻度都較好，即λNS=λEW=λNE≈1.0.而南京臺(tái)在南北方向和東西方向觀測(cè)到的源自四個(gè)信號(hào)源的附加地電場(chǎng)的均勻度較好.在嘉山臺(tái)，對(duì)于源自同里極和奉賢極大電流信號(hào)的附加地電場(chǎng)均勻度也較好.

由表5可以看到，只有崇明臺(tái)站接收到的同里接地極和華新接地極大電流信號(hào)的計(jì)算方位度數(shù)與實(shí)際方位度數(shù)誤差最小，分別為0.2°和0.8°，利用公式(1)所算得的距離誤差分別為Δd=0.464 km和Δd=1.173 km.而距離各個(gè)接地極最近的臺(tái)站除浦東臺(tái)外就是青浦臺(tái)，但其計(jì)算方位度數(shù)與實(shí)際方位度數(shù)的誤差要比崇明臺(tái)站的大.如果利用這兩臺(tái)方位線交匯法來(lái)確定大電流信號(hào)源的話，只有對(duì)華新接地極大電流信號(hào)源位置的定位結(jié)果相對(duì)較好，誤差在2.55 km范圍內(nèi).而利用上述其他臺(tái)站的計(jì)算方位度數(shù)對(duì)這4個(gè)大電流信號(hào)源的位置進(jìn)行定位的話誤差太大，主要原因是它們的計(jì)算方位度數(shù)與實(shí)際方位度數(shù)相差太大，其中的機(jī)理主要在于臺(tái)站下方介質(zhì)電性結(jié)構(gòu)的非均勻性所致(馬欽忠和錢家棟，1995,2003; 馬欽忠等，2014；黃清華和林玉峰，2010)

在青浦臺(tái)、崇明臺(tái)記錄到的附加地電場(chǎng)信號(hào)中，存在著同一方向上長(zhǎng)、短極距分量的極化方向是反向的現(xiàn)象.對(duì)于同里接地極大電流信號(hào)而言，青浦臺(tái)和崇明臺(tái)各個(gè)方向附加地電場(chǎng)長(zhǎng)、短極距信號(hào)的極化方向都是一致的；對(duì)于華新接地極大電流信號(hào)而言，青浦臺(tái)各個(gè)方向附加地電場(chǎng)長(zhǎng)、短極距信號(hào)的極化方向都是反向的，而崇明臺(tái)在東西方向附加地電場(chǎng)長(zhǎng)、短極距信號(hào)的極化方向存在反向的現(xiàn)象；對(duì)于奉賢和南橋接地極大電流信號(hào)而言，青浦臺(tái)在北東方向上附加地電場(chǎng)長(zhǎng)、短極距信號(hào)的極化方向相反.在青浦臺(tái)和崇明臺(tái)，通過(guò)多年大量的地電暴信號(hào)比對(duì)和許多接地極信號(hào)的比對(duì)可知，基本上它們?cè)诟鱾€(gè)方向的長(zhǎng)短極距上信號(hào)極化方向是一致的，只是在偶然幾次接地極向地下注入大電流期間所觀測(cè)到的附加地電場(chǎng)信號(hào)才出現(xiàn)這樣的同一方向長(zhǎng)短極距極化反向的情況.

通常，當(dāng)信號(hào)源在地電場(chǎng)觀測(cè)裝置系統(tǒng)之外時(shí)，也即在電極布設(shè)區(qū)域之外時(shí)，地電場(chǎng)多極距觀測(cè)中在同一方向的長(zhǎng)、短極距上所記錄到的信號(hào)極化方向一致.但當(dāng)信號(hào)源在電極布設(shè)區(qū)域內(nèi)時(shí)在長(zhǎng)極距和短極距上觀測(cè)到的信號(hào)極化方向會(huì)相反，如圖5所示.在圖5中假設(shè)長(zhǎng)極距是由電極E′和W′組成，短極距是由電極E和W組成，假設(shè)有一噪聲源在短極距之外，在長(zhǎng)極距之內(nèi)，則依據(jù)下式中關(guān)于電場(chǎng)強(qiáng)度正方向的定義，長(zhǎng)、短極距上的電場(chǎng)強(qiáng)度分別為

圖3　2013年7月25日3∶30—5∶00青浦、崇明、長(zhǎng)江農(nóng)場(chǎng)、海安、南京、高郵及嘉山臺(tái)的附加地電場(chǎng)波形圖(橫坐標(biāo)為時(shí)刻，下同)Fig.3　Signal shapes of the geoelectric field recorded at the stations of Qingpu, Chongming, Changjiang farm, Haian,Nanjing,Gaoyou and Jiashan at 3∶30—5∶00, July 25,2013

圖4　2010年7月7日9∶14—10∶48青浦、崇明、長(zhǎng)江農(nóng)場(chǎng)、海安、南京及高郵臺(tái)的附加地電場(chǎng)波形圖Fig.4　Signal shapes of the geoelectric field recorded at the stations of Qingpu, Chongming, Changjiang farm, Hai′an, Nanjing,Gaoyou at 9∶14—10∶48, July 7,2013

圖5噪聲源在電極布設(shè)區(qū)內(nèi)的示意圖
Fig.5Schematic diagram of a noise source located in the zone of electrode distribution

(4)

(5)

其中VE′、VW′、VE、VW′分別為E′、W′、E、W點(diǎn)的電位，Q為與噪聲源電流強(qiáng)度和介質(zhì)電阻率有關(guān)，且具有電荷量綱的物理量，L為電極距長(zhǎng)度，R為噪聲源到各點(diǎn)的距離.若Q>0，當(dāng)ROW′>ROE′時(shí)，會(huì)出現(xiàn)如下結(jié)果：

(6)

反之，若Q<0，則有EE′W′<0; EEW>0.總之，(6)式表明，當(dāng)噪聲源位置位于電極布設(shè)區(qū)域內(nèi)時(shí)，在長(zhǎng)極距觀測(cè)到的信號(hào)和短極距觀測(cè)到的信號(hào)極化方向會(huì)相反.Varotsos等在20世紀(jì)80年代研究地電場(chǎng)多極距觀測(cè)時(shí)將這一特征作為判別噪聲源在電極布設(shè)區(qū)域內(nèi)外的準(zhǔn)則之一(Varotsos and Alexopoulos, 1984a, b; Varotsos and Lazaridou, 1991).實(shí)際上，許多觀測(cè)臺(tái)站地下介質(zhì)電性結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出電性非均勻性和各向異性，上述準(zhǔn)則是否完全準(zhǔn)確一直以來(lái)沒(méi)有實(shí)際觀測(cè)驗(yàn)證.由圖4和表2可以看到，華新接地極距離青浦臺(tái)19 km，而該臺(tái)電極距最長(zhǎng)為200 m(圖2)，該臺(tái)相對(duì)于華新極可被視為一個(gè)點(diǎn)，在觀測(cè)到的該接地極向地下注入大電流時(shí)段所產(chǎn)生的附加地電場(chǎng)信號(hào)中，在EW、NS、NE方向的長(zhǎng)極距信號(hào)的極化與短極距信號(hào)的極化是反向的.而離信號(hào)源84 km處的崇明臺(tái)觀測(cè)到的EW方向的長(zhǎng)極距信號(hào)與短極距信號(hào)也是反向的，在NS、NE方向上長(zhǎng)極距信號(hào)與短極距信號(hào)極化方向一致.在長(zhǎng)江農(nóng)場(chǎng)臺(tái)、南京臺(tái)、海安臺(tái)、高郵臺(tái)和嘉山臺(tái)所觀測(cè)到的該附加電場(chǎng)信號(hào)的長(zhǎng)極距信號(hào)和短極距信號(hào)極化方向一致.怎樣解釋信號(hào)源在遠(yuǎn)離測(cè)區(qū)時(shí)臺(tái)站所觀測(cè)到的長(zhǎng)極距信號(hào)與短極距信號(hào)極化相反的現(xiàn)象呢？這是本文今后努力探索的方向之一，我們認(rèn)為這一定與臺(tái)站下方介質(zhì)電性非均勻性和各向異性以及地電流的流向密切相關(guān).

4影響地電場(chǎng)觀測(cè)的因素

影響地電場(chǎng)觀測(cè)的因素是多方面的，為了認(rèn)識(shí)注入大電流產(chǎn)生的附加地電場(chǎng)的上述空間分布特征，本文考慮下列兩大要素：裝置系統(tǒng)的復(fù)雜性和介質(zhì)的電性結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性.

4.1考慮裝置系統(tǒng)的影響

圖6　接地極(點(diǎn)電流源)與地電場(chǎng)臺(tái)站(測(cè)線) 位置關(guān)系示意圖Fig.6　Distribution of the source and station

(7)

(8)

用長(zhǎng)短極距附加電場(chǎng)的比值λ來(lái)描述一個(gè)臺(tái)站同一方位上長(zhǎng)短極距電場(chǎng)的差異，有

(9)

式中，Q=Iρs/2π,是一個(gè)具有電荷量綱的物理量，其中I為從接地極注入或引出的電流強(qiáng)度；ρs為由電流源與特定臺(tái)站特定測(cè)量極構(gòu)成的裝置系統(tǒng)上所觀測(cè)到的視電阻率.因?yàn)楦鶕?jù)電動(dòng)力學(xué)的理論(曹昌祺，1961)，在均勻介質(zhì)(電阻率為ρ)充滿半空間的條件下，有Q=Iρ/2π=2·QA，其中QA為接地極A上注入(或引出)電流I在接地極上積累的電荷量(錢家棟等,1985).應(yīng)當(dāng)說(shuō)明(7)式和(8)式是點(diǎn)電源場(chǎng)的計(jì)算公式，也就是說(shuō)，它們是在把高壓輸電線路發(fā)射時(shí)接地極積累的電荷作為點(diǎn)電源的條件下才能成立的公式.很明顯，在本文條件下，所研究的地電場(chǎng)測(cè)點(diǎn)，距離接地極最近的測(cè)點(diǎn)也已經(jīng)達(dá)到數(shù)十公里，遠(yuǎn)的甚至上百公里的量級(jí)，而接地極本身的線性尺度一般小于1 km.因此上述公式是適用的.

用在臺(tái)站同一方位上長(zhǎng)短極距的附加電場(chǎng)的比值λ是否接近1來(lái)標(biāo)識(shí)兩者的差異性.

將上述公式的角標(biāo)做適當(dāng)?shù)母淖?，分別區(qū)分不同方位的有關(guān)參數(shù)，可以得到下列公式以比較不同方位的同一極距下的結(jié)果(以比較SN和EW方位上的長(zhǎng)極距附加電場(chǎng)為例).

(10)

(11)

用SN與EW兩個(gè)方位長(zhǎng)極距附加電場(chǎng)的比值λSN/EW來(lái)描述不同方位附加電場(chǎng)的差異，有

(12)

同樣，由比值λSN/EW是否接近1標(biāo)識(shí)一個(gè)臺(tái)站兩個(gè)方位附加電場(chǎng)之間的差異性.

表6　電流源到臺(tái)站距離為25 km，SN方位上長(zhǎng)短極距附加電場(chǎng)的比值

表7　電流源到臺(tái)站距離為25 km，SN和EW方位上

對(duì)上述公式進(jìn)行數(shù)值模擬，可以得出以下認(rèn)識(shí).

(2) 同一臺(tái)站不同方位間電場(chǎng)會(huì)有差異甚至很大的差異.如表7所示.表7中，所有幾何參數(shù)都有SN或EW的標(biāo)注以示區(qū)別，且假定兩個(gè)方位上測(cè)量視電阻率相同(至于兩個(gè)方位視電阻率不相同的情形在下節(jié)中討論).從表7可以看出，除θ=45°外，在電流源相對(duì)于測(cè)量裝置的其他位置上，臺(tái)站兩個(gè)不同方位的附加電場(chǎng)值一般均會(huì)不同.例如在θ=0°時(shí)，按照式(12)，標(biāo)識(shí)同一臺(tái)站兩個(gè)不同方位測(cè)量(SN對(duì)EW)的附加電場(chǎng)的比值λSN/EW=0；而θ=90°時(shí)，比值λ1→∞.從圖6中的幾何關(guān)系，人們不難看出上述結(jié)論的可靠性：θ=0°相當(dāng)于SN方位上附加電場(chǎng)為0，EW方位上附加電場(chǎng)為最大值；而θ=90°相當(dāng)于EW方位上附加電場(chǎng)為0，SN方位上附加電場(chǎng)為最大值.這個(gè)結(jié)果對(duì)于距電流源任何距離的臺(tái)站均適用.

4.2考慮大區(qū)域介質(zhì)結(jié)構(gòu)非均勻性的影響

在4.1節(jié)所討論的問(wèn)題，主要涉及不同臺(tái)站不同裝置(包括距電流源距離遠(yuǎn)近不同的臺(tái)站、同一臺(tái)站同一方位但不同極距、或同一臺(tái)站不同方位)下的附加地電場(chǎng)空間分布特征復(fù)雜性的認(rèn)識(shí).但實(shí)際上，就全面分析電流源產(chǎn)生的附加電場(chǎng)的空間分布的復(fù)雜性而言，還必須注意到所研究的區(qū)域介質(zhì)電性結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性的影響.這里包括大區(qū)域和臺(tái)站測(cè)區(qū)內(nèi)部非均勻性的影響兩方面.

這些討論可以明確地解釋本文所反映出來(lái)的現(xiàn)象：從本文圖3、圖4以及先前對(duì)源自山東境內(nèi)的接地極大電流在華北東部地區(qū)引起的附加地電場(chǎng)空間變化特征的研究中(馬欽忠等，2014)可以看到，地電流信號(hào)的波形畸變程度與臺(tái)站和大電流信號(hào)源之間的距離有密切關(guān)系，距離信號(hào)源近的臺(tái)站所觀測(cè)到的信號(hào)波形形態(tài)比較完整，隨著這種距離的增大在臺(tái)站所觀測(cè)到的信號(hào)波形形態(tài)的畸變程度也越大，也就是隨著距離的增大地電流信號(hào)波形失真程度也越高.這一現(xiàn)象主要是緣自于大區(qū)域介質(zhì)結(jié)構(gòu)非均勻性的影響，另外，一些距離電流源近的臺(tái)站其所記錄到的附加電場(chǎng)強(qiáng)度，甚至?xí)∮谶h(yuǎn)處臺(tái)站的情形.因?yàn)榈刭|(zhì)斷裂帶的存在，使本區(qū)大范圍的電性結(jié)構(gòu)無(wú)論在水平方向還是在垂直方向，都將顯示出明顯的非均勻性.不少數(shù)學(xué)模擬研究結(jié)果顯示地表介質(zhì)的電性結(jié)構(gòu)的差異以及地下導(dǎo)電通道等直接影響了地表電場(chǎng)的分布，這種影響在地表介質(zhì)的分界附近以及導(dǎo)電通道在地表的投影附近尤其明顯(Sarlis et al.,1999; 黃清華和林玉峰，2010).當(dāng)然由于缺少研究區(qū)內(nèi)的大區(qū)域電性結(jié)構(gòu)詳細(xì)的地球物理數(shù)據(jù)，確切的定量解釋本文第3 節(jié)所揭示的附加電場(chǎng)的分布特征還為時(shí)尚早.不過(guò)這些定性的分析，其合理性是不言而喻的.

4.3臺(tái)站測(cè)區(qū)地下淺層介質(zhì)非均勻性的影響

在研究大電流注入(或流出)時(shí)研究區(qū)域內(nèi)附加電場(chǎng)空間分布特征問(wèn)題中，臺(tái)站測(cè)區(qū)內(nèi)部以及附近介質(zhì)電性結(jié)構(gòu)非均勻性的影響，也是一個(gè)十分重要的因素之一.在地電場(chǎng)觀測(cè)中，在同方位上采用了兩個(gè)以上極距進(jìn)行觀測(cè)，其目的在于證實(shí)所觀測(cè)的地電場(chǎng)，并非源于電極效應(yīng)，即要求兩個(gè)同方位的電場(chǎng)測(cè)量應(yīng)有相同的測(cè)值(大小和符號(hào))，也就是本文前節(jié)所引入的比值λ=1.但在實(shí)際觀測(cè)中，不少臺(tái)站的觀測(cè)結(jié)果，與此不符.原因何在？分析表明場(chǎng)源較近甚至就在測(cè)區(qū)內(nèi)部，顯然會(huì)產(chǎn)生這樣的問(wèn)題(馬欽忠,2008); 但另一方面，測(cè)區(qū)以及測(cè)區(qū)附近介質(zhì)電性結(jié)構(gòu)的非均勻性，也很可能是其重要原因之一.本文所涉及的大電流注入(或流出)的條件下的電場(chǎng)分布，提供了一個(gè)很好的機(jī)會(huì)討論這方面的問(wèn)題.

圖7　青蒲臺(tái)二維電阻率剖面圖：上圖為NS向測(cè)線，下圖為EW向側(cè)線Fig.7　Two dimensional resistivity profile at Qingpu station. Upper picture is for NS profile and the below is for EW profile

許多數(shù)值模擬結(jié)果表明，在地下高阻體介質(zhì)中存在低阻體介質(zhì)時(shí)在其上方地表地電場(chǎng)值會(huì)下降許多(黃清華和林玉峰，2010; Huang and Lin, 2010).地下電性結(jié)構(gòu)的非均勻性對(duì)地電阻率觀測(cè)和地電場(chǎng)觀測(cè)的影響程度在我們以往的數(shù)值模擬研究中也得到了充分的體現(xiàn)(馬欽忠和錢家棟，1995；2003；Ma, 2002)，而此次我們針對(duì)青浦臺(tái)資料分析結(jié)果所進(jìn)行的觀測(cè)場(chǎng)地實(shí)地電法勘探的工作結(jié)果也充分證明了地電臺(tái)址下方介質(zhì)電性結(jié)構(gòu)非均勻性的作用對(duì)于地電場(chǎng)觀測(cè)資料分析結(jié)果的影響程度.

5結(jié)論

由本文研究可知，通過(guò)4個(gè)不同地點(diǎn)的大電流源向地下注入(或流出)1200～4780A的大電流時(shí)，在華東地區(qū)地電場(chǎng)觀測(cè)網(wǎng)記錄到的信號(hào)在不同距離和方向呈現(xiàn)出不同特征.

(1) 存在著距離信號(hào)源較遠(yuǎn)的臺(tái)站記錄到的信號(hào)幅值比距離較近的臺(tái)站記錄到的幅值大的現(xiàn)象，甚至更近的臺(tái)站記錄不到該信號(hào)，例如在浦東臺(tái)只記錄到了源自南橋接地極的附加地電場(chǎng)信號(hào)而記錄不到源自同里接地極、奉賢接地極和華新接地極大電流信號(hào)的附加地電場(chǎng)變化.這就印證了所謂“敏感點(diǎn)”效應(yīng)的存在.通常，附加地電場(chǎng)信號(hào)幅度是隨著臺(tái)站至信號(hào)源距離的增加而減小，地電流信號(hào)的傳播距離在不同地區(qū)所能傳播的遠(yuǎn)近差別較大，且和方向也密切相關(guān).

(2) 對(duì)于華東地區(qū)地電場(chǎng)臺(tái)網(wǎng)而言，本文所述4個(gè)不同位置的大電流信號(hào)源都屬于遠(yuǎn)源，而在青浦臺(tái)、崇明臺(tái)記錄到的附加地電場(chǎng)信號(hào)中，存在著同一方向上長(zhǎng)、短極距分量的極化方向是反向的現(xiàn)象，這與地電場(chǎng)多級(jí)距觀測(cè)原理不相符，針對(duì)該現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)理需要進(jìn)一步深入研究.

(3) 地電流信號(hào)波形畸變程度與臺(tái)站至信號(hào)源之間的距離有密切關(guān)系，距離信號(hào)源近的臺(tái)站所觀測(cè)到的信號(hào)波形形態(tài)比較完整，隨著這種距離的增大在臺(tái)站所觀測(cè)到的信號(hào)波形形態(tài)的畸變程度也越大，也就是隨著距離的增大地電流信號(hào)波形失真程度也越高.

(4) 對(duì)于源自本文所述4個(gè)大電流源的地電流信號(hào)，每個(gè)臺(tái)所記錄到的附加地電場(chǎng)在同一方位上，長(zhǎng)短不同的極距所測(cè)得的附加電場(chǎng)值呈現(xiàn)比較復(fù)雜的情況，需要具體臺(tái)站具體分析.

(5) 利用崇明臺(tái)記錄到的附加地電場(chǎng)信息確定同里接地極和華新接地極大電流信號(hào)源的方位效果較好，但其對(duì)奉賢接地極方位的確定效果遠(yuǎn)不如前者的好，說(shuō)明對(duì)于同一臺(tái)站所觀測(cè)到的地電場(chǎng)信號(hào)而言，其所能反映的信號(hào)源方位的效果隨著方向的變化而不同.而利用本文其他臺(tái)站的觀測(cè)資料確定這4個(gè)大電流信號(hào)源的方位誤差較大.

(6) 上述結(jié)果與大區(qū)域介質(zhì)電性結(jié)構(gòu)非均勻性的影響程度密切相關(guān)，與局部的臺(tái)站下方介質(zhì)電性結(jié)構(gòu)非均勻性和各項(xiàng)異性以及地電流的流向密切相關(guān)，與不同區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造條件以及觀測(cè)臺(tái)站至信號(hào)源的方位有著極大的關(guān)系.

通過(guò)對(duì)青浦臺(tái)測(cè)區(qū)范圍高密度電法勘探資料解釋的對(duì)比分析以及從點(diǎn)電流源與臺(tái)站測(cè)線布局構(gòu)成的裝置系統(tǒng)、大區(qū)域介質(zhì)非均勻性的影響等三個(gè)方面對(duì)上述特征進(jìn)行了較深入的分析和解釋.本文的工作對(duì)于認(rèn)識(shí)天然地電場(chǎng)的觀測(cè)提供了有益的論據(jù)，特別是針對(duì)多個(gè)不同地點(diǎn)的信號(hào)源，分析臺(tái)站觀測(cè)到的附加地電場(chǎng)變化特征以及測(cè)區(qū)內(nèi)部及其附近區(qū)域介質(zhì)的非均勻性對(duì)地電場(chǎng)觀測(cè)的影響，為認(rèn)識(shí)天然地電場(chǎng)提供了有益的工具.

相對(duì)于單個(gè)大電流發(fā)射時(shí)地電場(chǎng)信號(hào)變化特征，分析多個(gè)不同地點(diǎn)大電流發(fā)射時(shí)地電場(chǎng)信號(hào)變化特征為進(jìn)一步深入認(rèn)識(shí)地電場(chǎng)變化特征的實(shí)質(zhì)提供了更好的機(jī)遇，為我們認(rèn)識(shí)地震震源區(qū)所發(fā)出的地電流信號(hào)強(qiáng)度與其傳播距離之間的關(guān)系及其方向性特征提供了比以往室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室所獲得的更為客觀的結(jié)果,也為利用地震電信號(hào)判定震中位置和未來(lái)震級(jí)的研究提供了有益的參考.

References

Cao C Q.1961.Electrodynamics(in Chinese). Beijing：People′s Education Press. 67-81.Hayakawa M, Hobara Y. 2010. Current status of seismo-electromagnetics for short-term earthquake prediction. Geomatics, Natural Hazards and Risk, 1(2): 115-155. Huang Q H, Ikeya M. 1998. Seismic electromagnetic signals (SEMS) explained by a simulation experiment using electromagnetic waves. Physics of the Earth and Planetary Interiors, 109(3-4): 107-114.Huang Q H, Ikeya M. 1999. Experimental study on the propagation of Seismic Electro Magnetic Signal (SEMS) using a mini-geographic model of the Taiwan strait. Episodes, 22(4): 289-294.

Huang Q H, Lin Y F. 2010. Numerical simulation of selectivity of seismic electric signal and its possible influences. Chin. J. Geophys. (in Chinese), 53(3): 535-543, doi: 10.3969/j.issn.0001-5733.2010.03.007.

Huang Q H, Lin Y F. 2010. Selectivity of seismic electric signal (SES) of the 2000 Izu earthquake swarm: A 3D FEM numerical simulation model. Proc. Japan Acad. Series B, 86(3): 257-264, doi: 10.2183/pjab.86.257.

Huang Q H. 2011a. Rethinking earthquake-related DC-ULF electromagnetic phenomena: Towards a physics-based approach. Natural Hazards and Earth System Sciences, 11(11): 2941-2949.Huang Q H. 2011b. Retrospective investigation of geophysical data possibly associated with the MS8.0 Wenchuan earthquake in Sichuan, China. Journal of Asian Earth Sciences, 41(4-5): 421-427.

Ma Q Z, Qian J D. 1995. Boundary element method for forward solution of two dimensional frequency electromagnetic sounding. Chin. J. Geophys. (in Chinese), 38(2): 252-261. Ma Q Z. 2002. The boundary element method for 3-D dc resistivity modeling in layered earth. Geophysics, 67(2): 610-617.

Ma Q Z, Qian J D. 2003. The influence of inhomogeneous geoelectrical structure on the signals of geoelectric field. Earthquake (in Chinese), 23(1): 1-7.

Ma Q Z. 2007. Study on the characteristics of the geoelectric field from underground source. Earthquake (in Chinese), 27(S): 149-154.

Ma Q Z. 2008. Multi-dipole observation system and study Oil the abnormal variation of the geoelectric field observed at Capital Network before the 2006 Wen'an,Hebei of China,MS5.1 earthquake. Acta Seismologica Sinica (in Chinese), 30(6): 615-625.

Ma Q Z, Zhao W G, Zhang W P. 2009. Abnormal variations of geoelectric field recorded at Wenxian station preceding earthquakes and their application to the prediction of the 2001 MS8.1 Kunlun earthquake. Acta Seismologica Sinica (in Chinese), 31(6): 661-670. Ma Q Z, Fang G Q, Li W, et al. 2013. Electromagnetic anomalies before the 2013 Lushan MS7.0 earthquake. Acta Seismologica Sinica (in Chinese), 35(5): 717-730.

Ma Q Z, Li W, Zhang J H, et al. 2014. Study on the spatial variation characteristics of the geoelectric field signals recorded at the stations in the east Huabei area when a great current is injected. Chin. J. Geophys. (in Chinese), 57(2): 518-530, doi: 10.6038/cjg20140217.

Park S K, Strauss D J, Aceves R L. 1996. Some observations about the statistical significance and physical mechanisms of the VAN method of earthquake prediction, Greece. ∥Lighthill S J. A Critical Review of VAN: Earthquake Prediction from seismic electrical signals. Singapore: World Scientific Publishing Co Pte Ltd, 267-285.

Qian J D, Chen Y F, Jin A Z. 1985. The Application of Geoelectrical Resistivity Method in Earthquake Prediction (in Chinese). Beijing: Seismological Press, 51-52.

Sarlis N, Lazaridou M, Kapiris P, et al. l999. Numerical model of the selectivity effect and the ΔV/L criterion. Geophys. Res. Lett., 26(21): 3245-3248.

Uyeda S, Nagao T, Orihara Y, et al. 2000. Geoelectric potential changes: Possible precursors to earthquakes in Japan. Proc Natl Acad Sci U S A, 97(9): 4561-4566.

Uyeda S, Nagaoa T, Kamogawa M. 2009. Short-term earthquake prediction: Current status of seismo-electromagnetics. Tectonophysics, 470(3-4): 205-213. Uyeda S. 2011. What course to follow for earthquake prediction in Japan. Wen J, Trans. Recent Developments in World Seismology (in Chinese), (11): 7-15.Varotsos P, Alexopoulos K. 1984a. Physical properties of the variations of the electric field of the earth preceding earthquakes, I. Tectophysics, 110(1-2): 73-98. Varotsos P, Alexopoulos K. 1984b. Physical properties of the variations of the electric field of the earth preceding earthquakes. II. Determination of epicenter and magnitude. Tectonophysics, 110(1-2):99-125. Varotsos P, Lazaridou M. 1991. Latest aspects of earthquake prediction in Greece based on seismic electric signals. Tectonophysics, 188: 321-347.Varotsos P, Sarlis N, Skordas E, et al. 2011b. Natural time analysis of critical phenomena. Proc Nat Acad Sci U S A, 108(28): 11361-11364.

Varotsos P A, Sarlis N V, Skordas E S. 2011a. Natural Time Analysis: The New View of Time: Precursory Seismic Electric Signals, Earthquakes and Other Complex Series. Berlin Heidelberg: Springer, 1-476. Zhao Y L, Qian F Y. 1981. Period of the telluric electricity field impending earthquakes. Earthquake (in Chinese), 2(3): 13-16.

附中文參考文獻(xiàn)

曹昌祺. 1961. 電動(dòng)力學(xué). 北京: 人民教育出版社, 95-101.

黃清華, 林玉峰. 2010. 地震電信號(hào)選擇性數(shù)值模擬及可能影響因素. 地球物理學(xué)報(bào), 53(3): 535-543, doi: 10.3969/j.issn.0001-5733.2010.03.007.

馬欽忠, 錢家棟. 1995. 二維頻率測(cè)深邊界單元法正演計(jì)算. 地球物理學(xué)報(bào), 38(2): 252-261.

馬欽忠, 錢家棟. 2003. 地下電性非均勻結(jié)構(gòu)對(duì)地電場(chǎng)信號(hào)的影響. 地震, 23(1): 1-7.

馬欽忠. 2007. 地下電磁源在地表產(chǎn)生的地電場(chǎng)特性探討. 地震, 27(S): 149-154.

馬欽忠. 2008. 地電場(chǎng)多極距觀測(cè)裝置系統(tǒng)與文安MS5.1級(jí)地震前首都圈地電場(chǎng)異常研究. 地震學(xué)報(bào), 30(6): 615-625.

馬欽忠, 趙衛(wèi)國(guó), 張文平. 2009. 文縣地電場(chǎng)震前異常變化及其在2001年昆侖山口西MS8.1地震預(yù)測(cè)研究中的應(yīng)用. 地震學(xué)報(bào), 31(6): 661-670.

馬欽忠, 方國(guó)慶, 李偉等. 2013. 蘆山MS7.0地震前的電磁異常信號(hào). 地震學(xué)報(bào), 35(5): 717-730.

馬欽忠, 李偉, 張繼紅等. 2014. 與大電流信號(hào)有關(guān)的華北東部地區(qū)地電場(chǎng)空間變化特征的研究. 地球物理學(xué)報(bào), 57(2): 518-530, doi: 10.6038/cjg20140217.

錢家棟, 陳有發(fā), 金安忠. 1985. 地電阻率法在地震預(yù)報(bào)中的應(yīng)用. 北京: 地震出版社, 51-52.

上田誠(chéng)也. 2011. 日本的地震預(yù)報(bào)將何去何從. 文俊譯. 國(guó)際地震動(dòng)態(tài), (11): 7-15.趙玉林, 錢復(fù)業(yè). 1981. 大地電場(chǎng)的臨震周期變化. 地震, 2(3): 13-16.

(本文編輯胡素芳)

基金項(xiàng)目上海市科委科研計(jì)劃項(xiàng)目(12231202700)，國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41090292)和中國(guó)地震局星火項(xiàng)目(XH12016)資助.

作者簡(jiǎn)介馬欽忠,男, 1959年出生,研究員,主要從事地球電磁學(xué)及地震預(yù)測(cè)研究.E-mail:mqz1234@sina.com

doi:10.6038/cjg20160724 中圖分類號(hào)P319

收稿日期2015-09-02，2016-06-14收修定稿

Characteristics of the spatial variation of geoelectric field signals recorded at the stations in Huadong area in China when 4 heavy currents are injected

MA Qin-Zhong1, QIAN Jia-Dong2, LI Wei1, ZHAO Wen-Zhou1, FANG Guo-Qing1

1EarthquakeAdministrationofShanghaiMunicipality,Shanghai200062,China2InstituteofEarthquakeScience,ChinaEarthquakeAdministration,Beijing100036,China

AbstractIn the study of seismo-electromagnetics, the relationship between the flowing characteristics of electric current and the geological structure is a very important problem. The arrangement of four heavy currents from different place injected into the underground and the distribution of many geoelectric field stations offer us a golden opportunity to study the scientific problem further. In this paper, by studying the signals originated from grounding electrodes 1200～4780 A current of four converter stations in different places around the Shanghai area and recorded at eight geoelectric field stations in the Huadong area in China, we could promote the understanding of ground current in underground transmission characteristics further.

. The study shows that ① as for the magnitude characteristics, the magnitude of the additional geoelectric field recorded at different stations varies greatly for different current sources. Only the signals originated from Nanqiao grounding electrode are observed at Pudong station which is near the heavy current sources, but that from Tongli, Huaxin and Fengxian grounding electrodes are not recorded at this station, which means the so-called sensitive site phenomenon； ② The furthest distance is 350km between the source and the station that could observe the signals originated from these four heavy current sources, and at the stations more than 350 kilometers away no any additional geoelectric signals from the sources could be recorded； ③ The uniformity degree of the geoelectric field in the area does not follow the regular patterns of homogeneous medium, which illustrates that the characteristics of inhomogeneous medium and anisotropy are obvious at many stations in the area. At each station for the different heavy current source the amplitude ratio value of the additional geoelectric field on long dipole to short dipole could vary bigly； ④ For the azimuth characteristics, only at Chongming station the errors are minimum between the actual bearing degree and the calculated bearing degree determined by utilizing the signals originated from Tongli and Xinhua grounding electrodes, and they are 0.2°, 0.8°, respectively. At Qingpu station these errors are larger than that obtained from Chongming station, which is the nearest station from the heavy current sources； ⑤ Features of polarization direction show that for the additional geoelectric field signals recorded at Qingpu and Chongming stations the polarization directions on the long diploes and short diploes are reverse, which is contrary to common sense. It needs to be further studied in the future to explain the phenomenon. Considering the influence of the three factors, i.e., the device system consisting of a point source and the electrode distribution of a station, the heterogeneity of medium in a large area, as well as the fine structure of the medium underground at a station, especially combining the interpretation of the shallow exploration data of two dimensional resistivity profile at Qingpu station, this paper has made a deep analysis and explanation of the characteristics mentioned above.

KeywordsGreat current emission； Multiple sources； Signal of geoelectric field； Seismic electric signal

馬欽忠, 錢家棟, 李偉等. 2016. 源自多個(gè)大電流源的華東地區(qū)地電場(chǎng)空間變化特征.地球物理學(xué)報(bào)，59(7):2598-2614,doi:10.6038/cjg20160724.

Ma Q Z, Qian J D, Li W, et al. 2016. Characteristics of the spatial variation of geoelectric field signals recorded at the stations in Huadong area in China when 4 heavy currents are injected. Chinese J. Geophys. (in Chinese),59(7):2598-2614,doi:10.6038/cjg20160724.