文勇 高慧慧 孟凡博 張敏
摘 ?要:文章對青海省5個地電場觀測臺站線路敷設及觀測場地進行介紹,對2015-2018年觀測數(shù)據(jù)進行了連續(xù)率、完整率計算,其中都蘭臺和大武臺連續(xù)率和完整率都較高,地電場觀測數(shù)據(jù)在5個臺站中比較穩(wěn)定,受自然環(huán)境干擾影響較小,白水河臺、攔隆口臺、金銀灘臺觀測數(shù)據(jù)連續(xù)率和完整率較低,數(shù)據(jù)變化起伏較大,受自然環(huán)境干擾影響顯著。
關鍵詞:地電場;線路敷設;觀測場地;觀測數(shù)據(jù);自然環(huán)境
中圖分類號:P319.3 文獻標志碼:A ? ? ? ? 文章編號:2095-2945(2020)02-0001-08
Abstract: This paper introduces the line laying and observation sites of five geoelectric field observation stations in Qinghai Province, and calculates the continuity and integrity rate of the observation data from 2015 to 2018, in which the continuity and integrity rates of Dulan and Dawu stations are higher. The geoelectric field observation data are relatively stable in the five stations, less affected by the interference of the natural environment, and the continuity and integrity rate of the observation data of Baishui River Station, Guanlongkou Station and Jinyintan Station are relatively low. The data changes greatly and is significantly affected by the interference of the natural environment.
Keywords: geoelectric field; line laying; observation site; observation data; natural environment
引言
地電場是地球物理基本場之一,對于地電場進行觀測是獲得地震前兆觀測數(shù)據(jù),主要觀測地電場的地表分量及時空變化。根據(jù)不同的場源,地表地電場可以劃分為大地電場和自然電場兩大部分。其中大地電場是由地球外部的各種場源在地球表面感應產(chǎn)生的分布于整個地表或較大地域的電場,一般具有廣域性。自然電場是地下介質由于各種物理、化學的作用在地表形成的較為穩(wěn)定的電場,一般具有局部性(中國地震局監(jiān)測預報司,2002)。
1 地電場觀測情況簡介
青海地電場觀測臺站有5個(圖1),布極方式均為“L”型,其中都蘭和大武測量線路采用地埋,觀測儀器為ZD9A-Ⅱ;白水河、金銀灘、攔隆口測量線路為架空,觀測儀器為ZD9A-2B?!癦D9A-2B地電場儀”是應用“中國地震背景場探測工程”項目的新型地電場觀測儀器,繼承和延續(xù)了ZD9A系列地電場的技術優(yōu)勢,具有高分辨力、大動態(tài)范圍、高精度、高抗干擾能力、高穩(wěn)定性等技術特點,同時在低功耗、高采樣率、寬環(huán)境適應能力以及典型電磁環(huán)境干擾技術處理等方面有比較大的提升?!癦D9A-2B地電場儀”既可應用于有人值守的固定臺站地電場觀測,也可適用于野外流動觀測、無人值守觀測等特殊應用領域,以及能夠滿足在高緯度、高海拔地區(qū)開展地電場觀測的有關特殊要求等(席繼樓,2013)。
五個地電臺站極區(qū)地形開闊、地勢平坦,周圍無高壓輸電線路和大型變電所,臺站布極方式均為“L”型。根據(jù)規(guī)范要求,在儀器架設中地電測量線路敷設應滿足:(1)采用抗老化絕緣導線,線電阻不大于20Ω/km,抗拉強度不小于20N/mm2,采用銅導線鎧裝電纜(銅芯不小于4mm2),或絕緣性能比較好的定制電纜。(2)架空線路拉線與鋼絞線貫通接地采用分離抱箍,或拉線加絕緣子等措施進行處理。電極引線續(xù)接接頭埋地,在電桿附近直接埋設電極,中間無接頭。(3)挖電極坑時注意的事項:電極埋設避開污水區(qū)、腐爛植被、雜物充填部位土質良好均勻,在卵石層、沙質土層等影響電極與土壤接觸的部位埋設電極時,應在電極坑中預填優(yōu)質土。(4)城市建設臺址勘選很難符合規(guī)范要求,比較典型但不很突出,通過數(shù)據(jù)分析過程進行識別和剔除(地震臺站建設規(guī)范地電臺站第二部分,2006)。通過對比要求分析發(fā)現(xiàn):嚴格按要求架設儀器的臺站數(shù)據(jù)記錄相對較好,大多數(shù)臺站在線路敷設中還存在一些隱患。
地電場測量線路敷設及布極
地電場測量線路是連接電極和測量儀器的,線路絕緣電阻過低,與線路敷設質量有關,會影響系統(tǒng)正常運行,影響觀測數(shù)據(jù)質量。都蘭和大武地電場線路敷設采用地埋方式,白水河、金銀灘、攔隆口采用架空方式(表1)。地埋方式具有防雷、防風擾等優(yōu)點,其缺點是埋于地下,線路出現(xiàn)故障不易查找。架空方式的臺站容易受到自然環(huán)境的干擾,檢查線路期間因為要爬上8m的線桿,人身安全系數(shù)較低,容易發(fā)生意外,其優(yōu)點是線路出現(xiàn)故障易于查找和解決。
2 數(shù)據(jù)分析
2.1 數(shù)據(jù)相關性
選取2015-2018年全省5個地電場觀測數(shù)據(jù),以每小時60個分種值數(shù)據(jù)分別參與計算,然后采用去極值的方法計算其算術平均值,得到該天數(shù)據(jù)的相關系數(shù)(董曉娜,等,2012;馮麗麗,等,2017)。計初步判斷觀測系統(tǒng)運行是否正常。按下式計算長、短極距測道觀測數(shù)據(jù)的相關系數(shù)的月平均值R月:
式中:n為當月天數(shù),r1i為NS測向第i天的相關系數(shù),r2i為EW測向第i天的相關系數(shù),r3i為斜測向第i天的相關系數(shù)。(全國地電場觀測資料質量評比辦法)
2.1.1 連續(xù)率和完整率
以地埋方式架設的臺站都蘭臺和大武臺連續(xù)率和完整率達到99.8%以上,缺測個數(shù)少于其他臺站;以架空方式架設的臺站白水河臺、金銀灘臺、攔隆口臺連續(xù)率最低為91%,最高為97%,完整率最低為58.9%,最高為94.6%。由于在預處理時刪除錯誤數(shù)據(jù)個數(shù)較多,造成完整率過低。
2.1.2 相關系數(shù)
以地埋方式架設的臺站都蘭臺相關系數(shù)在0.99以上非常穩(wěn)定,由于都蘭臺場地環(huán)境在《規(guī)范》要求范圍內,周圍沒有大型干擾源,儀器的架設過程嚴格按照規(guī)范進行。而大武臺相關系數(shù)逐年下降,由0.9下降至0.8,其原因為:(1)電極布設位置地處山坡下的低洼地帶,降雨時極易積水。埋地電極長期處于積水浸泡,電極接觸點銹蝕造成不穩(wěn)定;(2)電極埋設時未作填充處理,電極底部與地表介質接觸不良;(3)電極位于凍土層之中,電極所處的環(huán)境條件不恒定;(4)電極布設中場地選擇在山坡,坡度大于5度。(5)觀測人員未按《規(guī)范》要求對儀器及數(shù)據(jù)進行正確處理,從而影響到臺站觀測數(shù)據(jù)。
以架空方式架設的三個臺站,相關系數(shù)的變化都不穩(wěn)定在0.1至0.9之間變化,造成相關系數(shù)降低的原因為:(1)三個地電場地和地電阻率同場地觀測,電阻率設備每小時測量需對電極供電一次,充電過程對地電場觀測數(shù)形成明顯干擾,因閾值設置不合理,沒有完全去除地電阻率供電測量干擾。(2)位于空曠的草場和農(nóng)田中,在風季時,最大風力達到10級以上,外線路隨風擺動,數(shù)據(jù)會壓制曲線;(3)受當?shù)貧夂驐l件的影響,夏季和冬季溫差較大,如果線路間的弧垂較小(200mm),通過熱漲冷縮的原理,在冬季可能會使電纜線斷裂,而桿與桿之間線路的垂直弧度較大,在大風天氣的影響下,通過擺動和橫擔之間產(chǎn)生摩擦會造成電纜線路破損影響絕緣性能。(4)在安裝架設時由于技術方面的問題,造成電纜線與電纜線之間存在部分接口,接口再次裂開時,絕緣線路容易受到影響;(5)攔隆口地電場場地環(huán)境不理想,地下有溫室大棚金屬管件和供電,會對數(shù)據(jù)的變化造成影響。
2.2 歸零差值分析(同測向,長短極距)
由于在某一局部地區(qū)地電場基本穩(wěn)定,因此在理論上,同一測向不同測道觀測數(shù)據(jù)的變化幅度應該比較一致。用歸零差值可以判斷同一方向的觀測數(shù)據(jù)變化幅度是否一致,是否存在漂移現(xiàn)象。歸零差值的計算方法:首先去掉地電場數(shù)據(jù)中的背景值。將所有觀測數(shù)據(jù)與該測道的00時00分數(shù)據(jù)(或第一個測量數(shù)據(jù))相減,得到該測道的歸零日變化數(shù)據(jù)。其次,計算同方向2個測道歸零數(shù)據(jù)的差值序列。最后,求出差值序列的算術絕對平均值,得到歸零差值(董曉娜,2012)。
計算公式中Xi、Yi為參與計算的兩個測道的分鐘測量數(shù)據(jù)(i=0,1,2,…),N為參加計算的數(shù)據(jù)總數(shù),X0、Y0為每天測量數(shù)據(jù)的初始值。
根據(jù)表3可以看出,地埋方式的臺站中都蘭臺為臺站中各測項觀測一致性最高的臺站,各測向平均差值低于0.09mv/km以下,大武臺各測向平均差值低于5.4mv/km以下,架空方式的臺站中,攔隆口各測向平均差值低于3.8mv/km以下,白水河臺和金銀灘臺平均差值最大,達到10mv/km以上。由此可以看出地埋方式的臺站臺測項差值穩(wěn)定,不會影響數(shù)據(jù)的日變形態(tài),而架空方式的臺站各測項差值變化不穩(wěn)定,日變形態(tài)受到影響。事實上,地電場的日變化幅度也僅在101mv/km量級,差值達到10以上,也就會淹沒日變形態(tài),影響數(shù)據(jù)質量,信號提取困難。
2.3 大地電場靜日變化
大地電場靜日變化是由中低緯度上空電離層電流系產(chǎn)生,會連續(xù)出現(xiàn),具有確定的周期(孫正江,1984)。由于我國地電場觀測是地表水平矢量,大小和方向均隨時間而變化,且具有一定的日變規(guī)律,同一方向不同極距的測量結果應有較一致的變化規(guī)律,變化形態(tài)基本一致。從圖3中可以看出都蘭和大武臺的日變形態(tài)及變化幅度基本一致,日變化幅度不大,基本在同步變化,攔隆口、金銀灘、白水河三個臺站看不出日變化形態(tài),數(shù)據(jù)變化無規(guī)律可循。
3 干擾類型及原因分析
在地震前兆分析過程中,對干擾數(shù)據(jù)的排除尤其重要。目前青海省五個地電場存在的干擾大致可分為觀測系統(tǒng)干擾和自然環(huán)境干擾兩部分,通過對這五個地電場臺站觀測資料的分析,認為不論是地埋方式的臺站還是架空方式的臺站都會不同程度受到各種干擾,只不過干擾幅度和干擾變化不同。
3.1 觀測技術系統(tǒng)干擾
測量電極、避雷裝置、測量儀器以及通信處理系統(tǒng)等是地電場觀測系統(tǒng)的主要組成部分,包括儀器故障、電極故障、供電故障、線路故障、操作不當、人為因素、雷擊等。
2018年4月4日白水河臺數(shù)據(jù)走直線,走直線這種情況白水河臺出現(xiàn)次數(shù)較多,一般都會自行恢復正常工作,恢復不了的需現(xiàn)場手動重啟儀器,多次檢查后未發(fā)現(xiàn)電源,干擾等造成數(shù)據(jù)變化的原因,更換新數(shù)采后此狀況消失。2018年9月26日金銀灘臺對儀器進行標定,標定完后由于操作不當,導致儀器時鐘不準確,從而導致9月26日15時至27日14時數(shù)據(jù)缺數(shù),通過網(wǎng)頁校準對鐘后,數(shù)據(jù)恢復正常。金銀灘臺2018年10月29日至11月1日接入輔助電極對地電場電極進行檢查,經(jīng)檢查輔助電極工作正常,對外線路進行檢查發(fā)現(xiàn)外線路多處破損,電纜線裸露,需對外線路電纜進行更換、原電極故障需更換電極。2018年4月2日至4月10日攔隆口臺受新農(nóng)村道路改造施工,造成儀器數(shù)據(jù)停測長達7日,此次施工,也將地電臺部分電桿進行了遷移。2017年1月17日因維修地電阻率儀器而影響到地電場儀器數(shù)據(jù)出現(xiàn)尖峰。
通過分析發(fā)現(xiàn),架空方式架設的地電場儀器在觀測中出現(xiàn)的問題較多,原因為:(1)儀器架設中未對《規(guī)范》完全理解進行選址和安裝,存在有遺留問題;(2)沒有考慮到青海高海拔地區(qū)惡劣的氣候條件,是否適合以架空方式進行線路敷設;(3)這三個臺站均未進行過系統(tǒng)學習,對儀器的理解能力有限,有許多誤操作發(fā)生,造成儀器觀測數(shù)據(jù)缺數(shù);(4)架空方式的臺站地電阻率和地電場是同場地觀測,維修一臺儀器會對另外一臺儀器造成影響。地埋方式工作的臺站,由于運行時間比較長,場地選址和安裝儀器時都有經(jīng)驗,在此過程中幾乎不會出現(xiàn)錯誤,所以從數(shù)據(jù)分析和儀器運行來看,在觀測技術系統(tǒng)這部分幾乎沒有出現(xiàn)問題。
3.2 自然環(huán)境干擾
3.2.1 地磁暴
地電場變化與地球外部磁場變化有直接的關系。地球外部磁場變化,比如磁暴,太陽粒子流大爆發(fā)等情況出現(xiàn)時,都會在地球內部產(chǎn)生感應電場,從而引起大地電場的變化(張建國,等,2003;張秀霞,等,2009),磁暴每年都會發(fā)生多次,當2018年8月27日,發(fā)生最大K=6的磁暴事件時,通過地電場數(shù)據(jù)與本臺GM4地磁數(shù)據(jù)對比分析,因采用多臺資料對比所以地磁資料選擇距5個地電場地較居中的金銀灘臺資料。從圖中可以看出青海省5個地電場臺站都記錄到磁暴變化,只是幅度大小變化不一樣,地電場的變化時間比地磁的變化時間相對滯后約一個小時(圖5)。
3.2.2 儀器標定
按《規(guī)范》要求每年固定時間需對儀器進行校準,不論是地埋方式還是架空方式都需要對儀器進行觀測裝置穩(wěn)定性檢查,標定儀器及外線路絕緣檢查時,觀測數(shù)據(jù)發(fā)生變化,標定結束后,數(shù)據(jù)自行恢復正常。地埋方式工作的臺站因在電極坑處留有標定線,通常在一個小時內就可以結束標定工作,而以架空方式工作的臺站在儀器標定上要花去更多一點的時間,主要是在電桿處不能留有標定線,容易被放牧的農(nóng)民破壞,而且標定線盒至少要在電桿的3m以上,才能保證不被破壞,標定時則需要臺站工作人員冒著掉下來的風險,一個桿子一個桿子地爬上去做檢查測量。
3.2.3 降雨
降雨是影響自然電場變化的重要因素。2018年8月17日09時至11時都蘭地區(qū)出現(xiàn)強降雨天氣并伴隨著打雷,數(shù)據(jù)未受降雨影響,日變形態(tài)清晰,變化時間于降雨時間準同步相對滯后;2018年8月17日08時至11時大武地區(qū)出現(xiàn)強降雨天氣并伴隨著打雷,數(shù)據(jù)未受降雨影響,日變形態(tài)清晰,變化時間于降雨時間準同步相對滯后;2018年6月7日16時至19時白水河地區(qū)出現(xiàn)強降雨天氣并伴隨著打雷,導致地電場數(shù)據(jù)形態(tài)發(fā)生較為明顯的臺階變化,變化時間于降雨時間準同步相對滯后,19時強降雨結束,轉為小雨,導致白水河地電場數(shù)據(jù)呈起伏變化趨勢;2018年6月16日金銀灘地區(qū)05時至07時開始出現(xiàn)強降雨天氣并伴隨著打雷,導致地電場數(shù)據(jù)形態(tài)發(fā)生較為明顯的臺階變化,變化時間于降雨時間準同步相對滯后; 2018年07月10日03時至06時、20時至21時,攔隆口地區(qū)發(fā)生2次強陣雨伴隨著打雷,導致地電場數(shù)據(jù)形態(tài)發(fā)生較為明顯的臺階變化,變化時間于降雨時間準同步相對滯后。降雨對地埋方式臺站都蘭和大武影響較小。對架空方式的臺站攔隆口、金銀灘、白水河臺影響較大,會出現(xiàn)臺階和數(shù)據(jù)曲線被壓制。
3.2.4 降雪(融雪)
降雪(融雪)也是影響自然電場變化的重要因素。降雪的影響主要體現(xiàn)在2個方面。一方面是電極可能極化;另一方面是周圍電場的實際改變。對于不極化電極,其影響量雖然較極化電極小,但其影響是明確存在的,通常數(shù)據(jù)為同步變化。地埋方式工作的臺站在降雪時不會對觀測數(shù)據(jù)造成影響,而融雪時導致電極附近的含水量發(fā)生變化,導致電位發(fā)生變化,從而使電極的穩(wěn)定性發(fā)生變化,周圍電場的不均勻性改變也同時影響著觀測值的變化。架空方式工作的臺站在降雪時數(shù)據(jù)以開始發(fā)生改變,具體的變化為數(shù)據(jù)曲線壓制,影響正常的觀測數(shù)據(jù),融雪開始后數(shù)據(jù)產(chǎn)生臺階及階變。2018年11月10日00時至07時都蘭地區(qū)發(fā)生降雪,10時之后降雪隨著天氣上升開始融雪,數(shù)據(jù)上未能看出明顯的變化。2018年12月28日07時至14時大武地區(qū)發(fā)生降雪,14時之后降雪隨著天氣上升開始融雪,數(shù)據(jù)變化幅度為1.73mv/km。2018年01月03日17時至23時攔隆口地區(qū)發(fā)生降雪,降雪造成數(shù)據(jù)產(chǎn)生大量上下起伏的臺階,數(shù)據(jù)最大變化幅度為24.631mv/km。2018年01月03日11時至17時金銀灘地區(qū)發(fā)生降雪,降雪造成數(shù)據(jù)產(chǎn)生大量的尖峰數(shù)據(jù),最大變化幅度為7.928mv/km。2018年11月03日01時至07時白水河地區(qū)發(fā)生降雪,降雪造成數(shù)據(jù)階變,最大變化幅度為700.74mv/km。降雪對地埋方式臺站都蘭和大武幾乎沒有影響,融雪時隨著電極坑附近含水量發(fā)生變化會影響觀測值。對架空方式的臺站攔隆口、金銀灘、白水河臺受降雪(融雪)影響較大,會在降雪發(fā)生后產(chǎn)生臺階、尖峰和數(shù)據(jù)曲線被壓制的現(xiàn)象。
3.2.5 風擾
在地電觀測中,由于外線路大多采用架空式,風吹測量線擺動切割地磁場,產(chǎn)生一電動勢,就會干擾地電觀測。這是一種隨機干擾(陳樂壽,等,1990),而盡可能地減少風擾,地電臺站是能夠做到的,地電外線路采用地埋方式對減小消除這樣的隨機誤差是一種行之有效的方法(史紅軍,等,2018)。
2018年3月19日13時-23時都蘭地區(qū)發(fā)生9級的強風天氣,吹風天氣一直持續(xù)到20日,觀測數(shù)據(jù)日變形態(tài)清晰,未受到大風天氣影響。2018年2月20日08時-20時,大武地區(qū)發(fā)生大風黃色預警,12小時內陣風風力可達9-10級,觀測數(shù)據(jù)日變形態(tài)清晰,未受到大風天氣影響。2018年4月4日14時至22時,白水河地區(qū)受大風天氣影響,12小時內陣風風力9級以上,且伴有沙塵天氣,觀測數(shù)據(jù)超差走直線,大風天氣結束后數(shù)據(jù)形態(tài)恢復正常。金銀灘2018年9月15日9時至23時受大風天氣影響,當天風力最大為10級,大風期間數(shù)據(jù)呈下降-上升趨勢,大風天氣結束后數(shù)據(jù)形態(tài)恢復正常。攔隆口2018年6月16日,受大風天氣影響,當天風力最大達到7級,數(shù)據(jù)受到風擾和同場地干擾,壓制曲線看不出明顯的變化。
4 結束語
地電場線路敷設是判斷數(shù)據(jù)可靠性,檢查和排除測量系統(tǒng)中出現(xiàn)的問題,識別降雨、電極極化、場地影響以及判斷近場電磁干擾的有效途徑。為了提高地電場觀測數(shù)據(jù)質量,提供可靠有用的數(shù)據(jù),我們就要找到適合本地區(qū)的線路敷設方法。根據(jù)全省地電場外線路敷設情況結合本省地電場觀測數(shù)據(jù)的連續(xù)性、完整性、相關性等質量監(jiān)控分析得出以下結論:
(1)在不同的地電場觀測地區(qū),根據(jù)當?shù)貧夂?、場地條件選擇適合本地區(qū)的線路敷設方法。
(2)不同的線路敷設方法,對觀測數(shù)據(jù)的影響各不相同,青海地區(qū)海拔高、大風天氣多、全年溫差較大,夏季最高溫度在30度左右,冬季最低溫度可達20度以下,如果以架空方式安裝外線路電纜線,讓弧垂小于200mm可能會受到熱脹冷縮原理造成電纜線斷裂,相反如果采用地埋方式的,就不會出現(xiàn)這種問題。
(3)采用地埋方式從技術上來說在青海地區(qū)相對比較成熟,都蘭臺和大武臺都進行過場地的重新搬遷和選址,在安裝架設過程中不會出現(xiàn)問題;采用架空方式的白水河、攔隆口、金銀灘三個臺站由于是第一次采用架空方式進行安裝架設,從技術上來看存在問題,電纜線中間存在有接頭,而不是整根線接入觀測室;先接電纜線而后在補接鋼絞線,在每根電桿之間沒有安裝絕緣子;橫擔上電纜固定不牢,在大風天氣下,固定處線路破損,造成漏電。
(4)地埋方式工作的臺站都蘭臺和大武受自然環(huán)境影響較小,架空方式工作的臺站白水河臺、攔隆口臺、金銀灘臺受自然環(huán)境影響較大,造成數(shù)據(jù)出現(xiàn)尖峰、臺階、階變影響到數(shù)據(jù)的完整性和相關系數(shù)。
(5)維護資料的穩(wěn)定,提高地電場觀測資料,我們應在遇到大風、暴雨、大雪等天氣情況下,及時對外線路和測區(qū)環(huán)境進行檢查;雷電后及時檢查、維護避雷裝置;長時間缺測、數(shù)據(jù)變異等,應及時檢查,并盡可以查明原因;通過數(shù)據(jù)不同變化形態(tài)、幅度對獲得真實數(shù)據(jù)、提取有用的地震前兆信息提供幫助。
(6)省地震局相關部門也是通過臺站的資料分析研究后,經(jīng)過多次向外省臺站學習、交流、咨詢,現(xiàn)一致認為采用地埋敷設方式對我省今后地電場數(shù)據(jù)的提高,是有一定幫助作用的,目前已經(jīng)將攔隆口臺、金銀灘臺重建完畢,資料質量從數(shù)據(jù)上反映來看較之前采用架空的敷設方式提高較大。
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