張海博 周劍青 朱彥珍 劉雅潔 李寶群

（中國河北063000 唐山地震監(jiān)測中心站）

0 引言

昌黎地震臺（下文簡稱昌黎臺）位于昌黎縣城西10 km，隸屬河北省地震局。該臺站位于燕山山前沖積平原，區(qū)域地質構造屬山海關塊隆，地處寧昌斷裂北側。觀測場地周圍地勢較為平坦，第四系覆蓋層厚約70 m，含水層發(fā)育，層厚20—30 m，下伏巖層為燕山期花崗巖。昌黎臺地電場觀測始于2001 年10 月，與地電阻率測項同處一個測區(qū)，自2016年9 月1 日起采用ZD9A-2B 數(shù)字地電場儀進行觀測，觀測數(shù)據(jù)連續(xù)、可靠。

隨著數(shù)字化儀器靈敏度和采樣率的提高，地電場觀測精度日益提高，不僅能記錄到雷電、降雨、直流供電干擾、氣溫（或季節(jié)）變化、電極極化、震前異常等信號，也能記錄到地電場觀測點附近的生活、生產(chǎn)活動所造成的干擾，如農(nóng)田灌溉、高壓直流輸電干擾、游散電流（漏電）等。例如：徐莊子臺地電場2009 年10 月30 日起NS、EW 向長、短極距同步出現(xiàn)不規(guī)則方波狀干擾變化，每次上升和下降幅度基本一致，干擾結束后數(shù)據(jù)恢復正常值（陳志剛等，2012）；高郵臺地電場各測道于2009 年10 月同步出現(xiàn)類似方波變化，經(jīng)核實，為距臺站約2 km 的印染車間控溫設備加熱管擊穿對地漏電所致（王福才等，2013）；蒙城臺地電場觀測數(shù)據(jù)2012 年出現(xiàn)方波干擾變化，經(jīng)現(xiàn)場核實，確定為黃柏村變壓器漏電所致（應允翔等，2018）。因此，需要在地電場日常觀測中發(fā)現(xiàn)并消除各種干擾，以保障觀測數(shù)據(jù)質量，為相關研究提供可靠的基礎數(shù)據(jù)。

本文就昌黎臺地電場2019 年5—6 月出現(xiàn)的觀測數(shù)據(jù)異常，運用案例分析和現(xiàn)場流動觀測定位的技術手段，實現(xiàn)干擾源的高效排查。希望通過對本案例技術思路和實際操作步驟的總結，為其他地震臺站地電場觀測異常排查提供參考。

1 昌黎臺地電場觀測數(shù)據(jù)異常特征

昌黎臺周邊地區(qū)歷史地震較多，但近年來地震頻次較低，周邊200 km 范圍內(nèi)近5 年共發(fā)生3 級以上地震9 次，最大地震為2020 年7 月12 日河北唐山市古冶區(qū)MS5.1 地震（圖1）。

圖1 昌黎臺周邊區(qū)域地質構造及地震分布Fig.1 Regional geological structures and historical earthquakes around the Changli Seismic Station

（1）地電觀測裝置。昌黎臺地電場觀測裝置系統(tǒng)由ZD9A-2B 地電場儀、固體不極化電極組成。地電場采用三角形觀測裝置布設，具體為：在場地中心點向北和向西布設測線，每個方向設置2 個測道，每個側向埋設電極極距不同，其中：NS 向長極距300 m、短極距150 m；EW 向長極距270 m、短極距150 m；NE 向長極距404 m、短極距212 m。采用6 個固體不極化電極（中國地震局蘭州地震研究研制，型號LGB-3 型），埋設在地表凍土層以下潮濕土壤中，深度3.0 m，各電極基本處于同一平面，電極坑中土質相同并進行導電性能處理（添加飽和NaCl 溶液）。電桿使用8 m 和10 m 砼桿，外線路采用抗拉伸的絕緣線，每千米長度電阻≤20 Ω，導線抗拉強度≥28 kg/mm2，兩桿之間距離≤50 m，對地絕緣電阻≥2 MΩ。

ZD9A-2B 地電場儀基本性能指標如下：測量準確度優(yōu)于±（0.1%讀數(shù)＋0.02%滿度），分辨力1—10 μV，頻帶范圍DC—0.005 Hz，測量范圍±1 000.000 mV，動態(tài)范圍不小于100 dB，工頻共模抑制比不小于150 dB，工頻串模抑制比不小于100 dB，采樣率為1 次/（分鐘·通道）。

（2）地電場觀測數(shù)據(jù)異常。由多年監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，昌黎臺地電場觀測數(shù)據(jù)連續(xù)率、完整率較高。在磁靜日（K≤2）時，昌黎地電場觀測數(shù)據(jù)曲線具有規(guī)則日變形態(tài)，表現(xiàn)為：EW 測向極小值出現(xiàn)在北京時間4 時前后，雙峰雙谷；NS 測向極小值出現(xiàn)在北京時間12 時前后，雙峰單谷。當磁場擾動偏大時（K≥5），大地電場可清晰記錄到磁擾變化，尤以地電暴最為明顯。

昌黎臺地電場觀測數(shù)據(jù)曲線自2019 年5 月17 日開始，每日19 時至次日7 時前后出現(xiàn)不同程度的臺階變化，且長、短極距6 個測道同步變化，其中NS、EW 向變化幅度較大，NE 向變幅較小。至6 月4 日，該異?，F(xiàn)象消失，每日變化時間基本一致，具有明顯的周期性特征。該臺站此前無類似干擾，選取5 月15 日至6 月7 日6 個測道地電場數(shù)據(jù)繪制分鐘值曲線，分析數(shù)據(jù)變化特征，結果見圖2，可見數(shù)據(jù)變化幅度約15—25 mV·km-1。由圖2 可見，每日19 時出現(xiàn)1 個向上或向下的臺階，并持續(xù)至次日07 時前后，后恢復正常（兩端變化量基本相等），每間隔約1 小時，在臺階中間產(chǎn)生1 次突跳，持續(xù)約5 min。

圖2 昌黎臺地電場5 月15 日—6 月7 日分鐘值曲線Fig.2 Observation curves of the geoelectric field at Changli Seismic Station from May 15 to June 7

昌黎地電場本次異常變化出現(xiàn)在每日19 時至次日7 時前后，持續(xù)時間長，在時間上具有明顯的規(guī)律性，且各測道變化幅度、形態(tài)基本一致。據(jù)經(jīng)驗判斷，該異常具有漏電或直流輸電干擾特征。調查發(fā)現(xiàn)，此次異常變化期間，當?shù)責o雷電天氣，電極周邊無農(nóng)田灌溉，地球物理場無強磁擾變化。查詢國家地磁臺網(wǎng)中心高壓直流輸電干擾發(fā)布系統(tǒng)可知，同期無高壓直流輸電線路停電及漏電干擾，且異常變化時間與以往高壓直流輸電干擾時段不符，故排除此類干擾異常。

2 異常排查分析

昌黎臺地電場觀測數(shù)據(jù)年變化趨勢基本正常，日變形態(tài)清晰，呈明顯的兩峰一谷形態(tài)，長、短極距相關系數(shù)較高，數(shù)據(jù)干擾類型較為固定且常見，如：地電暴、高壓直流輸電、農(nóng)田灌溉、雷雨。將以上4 種干擾與此次數(shù)據(jù)干擾曲線進行比較，發(fā)現(xiàn)曲線變化特征不一致。

（1）地電暴影響。地電暴和磁暴具有同源性，場源起源于太陽日冕物質拋射事件，由太陽活動引起的固體地球外部的空間電流體系活動，是大尺度空間同時發(fā)生的電磁現(xiàn)象（謝倫等，2004；張滿蓮，2005）。地電暴期間，河北省內(nèi)各地電臺站不同極距、不同方向均可同步記錄到地電暴信息，在一定區(qū)域內(nèi)對電場同方向長、短極距的影響是同步的，異常的持續(xù)時間、強度與磁暴的持續(xù)時間及強度呈較好的正相關（張學民等，2006）。2015 年3月17 日發(fā)生一次急始型磁暴，河北省6 個臺站地電場儀均記錄到地電暴發(fā)生過程，昌黎臺記錄的最大Dst指數(shù)為7。各臺站電場日變形態(tài)出現(xiàn)較大畸變，體現(xiàn)為大幅度尖銳脈沖突跳（初相），與磁場記錄的磁暴信息相比，地電場變化更加劇烈，記錄的高頻成分更加豐富，結果見圖3(a)。2019 年5 月17 日至6 月4 日，昌黎臺地電場觀測數(shù)據(jù)呈階躍方波變化，與地電暴形態(tài)特征不同，且Dst指數(shù)均小于5，未見明顯磁暴記錄，GM4 磁力儀地磁觀測數(shù)據(jù)無明顯突跳或階變，故排除地電暴干擾。

（2）高壓直流輸電影響。高壓直流輸電線路通常采用雙極兩端中性點接地方式，在正常運行狀況下，當額定電流不超過1 200 A 時，對相距12 km 以上的地磁觀測站點基本不會產(chǎn)生干擾，但在工程試運行及運行階段出現(xiàn)故障時，會產(chǎn)生較大的不平衡電流，在輸電線及換流站周圍產(chǎn)生的干擾磁場將對電磁站點的正常觀測產(chǎn)生影響，對輸電線路兩側300 km 范圍內(nèi)電磁觀測的影響尤為劇烈（蔣延林等，2014）。

昌黎臺地電場觀測主要受到扎魯特至青州（扎—青線）、呼和浩特至遼寧（呼—遼線）、寧夏至山東（寧—東線）、錫林浩特至泰州（錫—泰線）高壓直流輸電線路的影響，主要表現(xiàn)為階變形態(tài)。其中扎—青線、錫—泰線距臺站約180 km，呼—遼線距臺站約270 km，寧—東線距臺站約320 km。依據(jù)各線路所處方位、距離或輸送電壓的不同，昌黎地電場6 個測道觀測數(shù)據(jù)變化特征并不一致，表現(xiàn)在：①扎—青線影響：6 個測道呈上升或下降的同向階變；②呼—遼線影響：NS 向2 個測道呈上升階變，其余呈下降階變；③寧—東線影響：NS、NE 測向4 個測道呈同步上升變化；④錫—泰線影響：6 個測道同步呈下降階變。經(jīng)調查統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)在2019 年5 月，昌黎臺地電場僅1 日、24 日受到扎青線高壓直流輸電影響，且6 個測道同步出現(xiàn)臺階變化，結果見圖3(b)。高壓直流輸電干擾時間不固定，而此次異常變化出現(xiàn)在每日19 時至次日7 時前后，時間上具有明顯的規(guī)律性，二者在時間上不相符，且曲線變化形態(tài)也不一致。據(jù)調查，灤縣等臺站地電場觀測未記錄到類似異常變化，因此認為，本次異常非高壓直流輸電干擾。

（3）農(nóng)田灌溉。昌黎臺地電場部分電極埋設在農(nóng)田內(nèi)，易受灌溉影響，觀測數(shù)據(jù)一般出現(xiàn)臺階或漂移現(xiàn)象。2019 年6 月24 日昌黎臺NS 和NE 測道長、短極距觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)臺階和漂移現(xiàn)象，干擾幅度呈不均勻性，見圖3(c)。調查得知，當日農(nóng)田灌溉，長極距北電極被水浸泡，電極引線接頭遇水產(chǎn)生極化電位，致使地電場觀測數(shù)據(jù)發(fā)生變化。據(jù)調查，此次地電場觀測數(shù)據(jù)異常變化期間，無農(nóng)田灌溉作業(yè)活動，且此次數(shù)據(jù)異常形態(tài)和農(nóng)田灌溉表現(xiàn)形態(tài)不同，因此排除農(nóng)田灌溉影響。

（4）降雨、雷電。雷電會引起地電場觀測數(shù)據(jù)的波動和擾動，沿架空線路迅速傳播的雷電波可對電子記錄設備造成沖擊，強雷電甚至造成儀器毀壞和停測（王偉等，2013）。2019 年7 月13 日昌黎臺大地電場ZD9A-Ⅱ儀受雷雨干擾，觀測數(shù)據(jù)于09 時—18 時受到明顯干擾，觀測曲線日變形態(tài)發(fā)生畸變，觀測值明顯偏離正常變化見圖3(d)。經(jīng)調研，2019 年5 月17 日至6 月44 日昌黎地區(qū)無雷雨，可知同時段昌黎地電場異常變化非降雨及雷電干擾。

圖3 昌黎臺地電場常見干擾數(shù)據(jù)曲線(a)地電暴；(b)高壓直流輸電；(c)農(nóng)田灌溉；(d)雷雨Fig.3 Common interference curves during the observation of geoelectric field at Changli Seismic Station

3 基于現(xiàn)場定位觀測的漏電排查

昌黎臺周邊環(huán)境比較復雜，經(jīng)對主要干擾因素的初步摸排，筆者開展測區(qū)野外觀測實驗進行對比分析，判斷異常是否源于干擾，并基于簡便計算，分析干擾源所在方位及距離，以便進一步開展針對性環(huán)境排查。

調查發(fā)現(xiàn)，昌黎臺測區(qū)附近大多數(shù)工業(yè)及民用生產(chǎn)設施基本沿G205 國道呈EW 向分布。因此，本次野外對比觀測點位沿EW 方向布設，使用簡易電極，在測區(qū)周邊布設5 個臨時地電場觀測測點，臺站與觀測點方位見圖4。每個測點裝置按三角型或“十”字型布極，使用備用電場儀，根據(jù)實驗場地大小，極距長度設置為100 m 或200 m 不等，各測點相關參數(shù)見表1。鑒于此次干擾基本呈臺階變化（干擾開始、干擾結束、干擾期間），且3 個測向臺階幅度基本一致，因此一般取至少涵蓋1 次臺階的1 h 時段數(shù)據(jù)估算并分析變化幅度，得到現(xiàn)場檢測實驗中5 個測點的數(shù)據(jù)曲線，見圖5。

圖4 現(xiàn)場檢測實驗測點布設分布Fig.4 Layout of observation points during the field test

圖5 現(xiàn)場檢測實驗測點數(shù)據(jù)曲線Fig.5 Observation curves at observation points during the field test

表1 現(xiàn)場檢測實驗測點信息Table 1 Information of observation points during the field test

測點1 位于臺站西北約800 m 處，觀測時間為24 日晚7 時—25 日早8 時。布設方式為“十”字線路，觀測東長（E′）、東短（E）、南（S）、西（W）、北（N）5 個點位與O 點之間的地電場變化（以下文中均省略O 或O′，例如E 即代表OE 測道），4 個短極距均為100 m，僅E′極距200 m。取該測點25 日07:00—07:59 數(shù)據(jù)，與昌黎臺數(shù)據(jù)記錄進行對比，可見除W 測道外，其余4 個測道均出現(xiàn)同步干擾，據(jù)臺階變化，N 與S 之間變化量相當，E、E′之間變化量相當，W 則與其余4 個測道變化不相等，說明干擾源可能分布在測區(qū)EW 方向上。

測點2 與測點3 同時布設，鑒于測點1 使用鋼釬作為電極出現(xiàn)數(shù)據(jù)漂移現(xiàn)象，其他測點均使用臨時鉛板電極，埋深約50 cm。

測點2 位于臺站西北方向約2.84 km 處，測點3 位于臺站東側偏北約1.82 km 處，觀測時間均為28 日晚6 時至29 日早9 時。取2 個測點29 日03:00—03:59 數(shù)據(jù)，可見測點2 數(shù)據(jù)變幅比測點1 略小，而測點3 臺階變化量較大，其量級遠大于測點1、2，據(jù)此判斷干擾源在測區(qū)東側，西側可能性減弱。

測點4 位于臺站西側偏北約5.32 km 處，測點5 位于臺站東偏北方向約2.34 km 處，觀測時間均為29 日晚6 時至30 日早9 時。取2 個測點30 日03:00—03:59 數(shù)據(jù)，可見測點4 基本無臺階變化，說明該測點位于干擾源最大干擾邊界，由此推斷干擾源影響范圍約為5 km 級別。

為進一步確定干擾源方位，對比測點3 與測點5 的干擾幅度，結果見表2，結合兩測點布極位置，以及昌黎臺地電場NS向干擾下降階變、EW向干擾上升變化的特點，分析認為，干擾源位于測點5 以東、測點3 以南、昌黎臺東南方向，加之由測點4 推測的干擾源影響范圍，最終判斷干擾源位于測點3、5 和昌黎臺東南方向、國道G205 周邊直徑2 km 范圍內(nèi)的交流工業(yè)用電漏電干擾源。

表2 測點3、測點5 干擾幅度計算結果對比Table 2 Comparison between calculation results of test point 3 and test point 5

6 月4 日晚，昌黎臺附近地區(qū)停電約1 h，而地電場觀測數(shù)據(jù)無干擾，由此推斷干擾源位于停電區(qū)域。經(jīng)調查核實，位于昌黎臺東偏南7°、間距約3.78 km 的鐵件鑄造廠，變壓器輸出端與接入端之間的電線破損導致漏電。經(jīng)多次停電實驗，發(fā)現(xiàn)地電場觀測數(shù)據(jù)曲線的臺階變化與線路漏電時間吻合，由此確認，數(shù)據(jù)干擾由鐵件鑄造廠漏電所致。工廠對漏電電纜采取包裹性維修及沿工廠墻體固定的措施后，昌黎臺地電場觀測數(shù)據(jù)恢復正常。

4 討論

昌黎臺地電場觀測數(shù)據(jù)本次異常變化時間規(guī)律，是地震前兆異常的可能性較小。由異常階段6 測道日值變化曲線可知，不同時段各測道最大變幅、平均變幅一致性較好，起止時間相對集中，同向2 個測道階變方向相同。NS_L 測道平均變幅最大，NS_S、EW_S、EW_L 測道次之，4 個測道的平均變幅波動范圍為3.0—6.0 mV·km-1，同向2 個測道的平均變幅波動范圍為1.0—3.0 mV·km-1。分析認為，各測道最大變幅或平均變幅的絕對值相差不大，且同測向長、短極距的最大變幅比及其平均變幅比均較一致。

如昌黎臺地電場觀測數(shù)據(jù)干擾由周邊設施漏電所致，徐莊子臺、高郵臺、蒙城臺也有類似現(xiàn)象，如：徐莊子臺地電場2009 年10 月30 日起，NS 向和EW 向長、短極距同步出現(xiàn)不規(guī)則方波狀干擾變化，每次上升和下降幅度基本一致，干擾結束后數(shù)據(jù)恢復正常值（陳志剛等，2012）；高郵臺地電場于2009 年10 月出現(xiàn)類似各測道同步方波變化，經(jīng)核實確認，干擾由距臺站約2 km 的印染車間控溫設備加熱管擊穿對地漏電所致（王福才等，2013）；蒙城臺地電場2012 年出現(xiàn)類似方波干擾變化，經(jīng)現(xiàn)場核實，確認干擾由黃柏村變壓器漏電所致（應允翔等，2018）。

5 結論

針對河北昌黎臺出現(xiàn)的地電場觀測異常現(xiàn)象，通過開展觀測系統(tǒng)狀態(tài)檢查、周圍環(huán)境調查、野外實驗排查等工作，得到如下結論：

（1）檢查昌黎臺地電場觀測系統(tǒng)，確認地電觀測儀器、外線路、電極工作狀態(tài)正常；測區(qū)環(huán)境調查和輔助案例資料對比分析表明，本次地電場異常變化與降雨、灌溉、直流供電、臺站供電系統(tǒng)、地球物理場變化等不相關。

（2）通過本臺多測項數(shù)據(jù)對比和地電場干擾特征分析，認為導致5 月17 日至6 月4 日數(shù)據(jù)異常的干擾源不在測區(qū)內(nèi)部，應與測區(qū)有一定距離。經(jīng)對異常變化特征變幅、相關性、矢量合成等參數(shù)進行分析，認為數(shù)據(jù)異常非直流供電干擾，應為交流漏電干擾。

（3）經(jīng)野外實驗排查，認為干擾源為昌黎臺東偏南7°、3.78 km 處鐵器鑄件加工廠內(nèi)漏電線路。該臺地電場干擾出現(xiàn)時間與鑄件廠生產(chǎn)時間吻合，工廠對漏電電纜進行絕緣處理后，干擾消失。