白永禎,羅賓生,趙玉紅,盧嘉沁,楊開來,文勇

(1.青海省地震局西寧地震監(jiān)測中心站,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)測中心站,青海 都蘭 816100)

0 引 言

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

目前,青海擁有5個地電場觀測點(diǎn),它們分布在都蘭、大武、金銀灘、白水河和門源地區(qū)。至今為止,上述觀測站大多數(shù)已經(jīng)累計了不少于五年的觀測數(shù)據(jù)。大武與都蘭地電場是最早被觀測到的地方之一。在瑪多7.4級、阿克塞5.5級等地震發(fā)生之前,都蘭臺觀測到的地電場長極距北南向曾出現(xiàn)大幅下降變化。然而,地電場的觀測受到了區(qū)域電磁環(huán)境、場地狀況、觀測設(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)地電場觀測中出現(xiàn)了強(qiáng)降雨、游散電流等干擾對數(shù)據(jù)的影響,從而地電場的震前異常信號容易被此類干擾所淹沒,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)場地選擇了觀測資料積累時間較長、震前多次出現(xiàn)異常變化的都蘭地電場,開展了不同深度埋深電極的對比觀測試驗(yàn)。

本文利用深、淺埋電極產(chǎn)出穩(wěn)定的觀測數(shù)據(jù),根據(jù)其數(shù)據(jù)正常變化形態(tài)趨勢,分析計算其相關(guān)系數(shù)、差值,得出電極埋深對地電場觀測數(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觀測干擾。

1 基本情況

1.1 臺站基本情況

都蘭地電場始建于2007年5月,2008年1月1日開始正式投入使用,后由于觀測數(shù)據(jù)受到觀測環(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。臺站海拔3 815 m,觀測場地位于都蘭縣東部地勢平整的草灘上,觀測區(qū)域環(huán)境較穩(wěn)定,周圍無民居或其他建筑,適合地電場觀測。該觀測點(diǎn)地處可可西里—巴顏喀拉、柴達(dá)木兩個大地震帶之間,地震活動不但頻繁,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)地電場觀測臺站分布圖。

圖1 青海地區(qū)地電場觀測臺站分布

1.2 電極埋深試驗(yàn)方案與實(shí)施

都蘭地電場臺原電極使用7年以上,為了提升觀測效能,利用青海地震臺—都蘭地電場電極更新項(xiàng)目,將同型號電極埋分別埋深5 m和2 m,由于原觀測在正常觀測中,為了保證原觀測數(shù)據(jù)的連續(xù)率,此次施工不改變原來的布極方式(圖2),表1為都蘭地電場不同埋深電極的基本信息。

表1 都蘭地電場不同埋深電極的觀測基本信息

(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,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)也采用原有臺站的供電系統(tǒng)。儀器接地線采用原有臺站的地線。

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

2 數(shù)據(jù)分析

本文選取都蘭地電場埋深電極試驗(yàn)后的觀測資料,2023年8月開始產(chǎn)出數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定,因此計算2023年8月1日～2023年10月31日原始動態(tài)曲線、相關(guān)系數(shù)及差值進(jìn)行對比分析。通過從日變形態(tài)、相關(guān)系數(shù)以及差值方面來進(jìn)行評判地電場觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量。

2.1 日變形態(tài)

為了更準(zhǔn)確的識別出大地電場的干擾因素,就需要研究其正常的變化形態(tài),日變化是以一個太陽日為周期且依賴于地方時的變化,在地球自轉(zhuǎn)的過程中,由于太陽位置的持續(xù)變化,在測點(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,其周期為1天[8]。日常地震監(jiān)測時,采用地電場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)的時間點(diǎn)來看,深埋電極與原電極幾乎是同步進(jìn)行的,在早上7時左右和下午16時左右分別出現(xiàn)一個峰值,并且在中午12點(diǎn)左右出現(xiàn)一個谷值。然而,淺埋電極只有部分幾天在早上7時左右出現(xiàn)一個峰值,并且在晚上20時出現(xiàn)一個谷值,其時間點(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 都蘭地電場深、淺埋電極及原電極觀測日變形態(tài)對比

2.2 相關(guān)系數(shù)與差值

相關(guān)系數(shù)的計算公式為:

(1)

(2)

差值的計算公式為:

(3)

(4)

根據(jù)以上理論,計算了2023年8月至10月期間觀測數(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)計表。

表2 地電場相關(guān)系數(shù)及差值均值統(tǒng)計

從深、淺埋電極及原電極的相關(guān)系數(shù)、差值計算結(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,說明此次深、淺埋電極對相關(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)到一個量級上的變化有關(guān)。

(2)深埋電極差值相對最小,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,說明淺埋電極同一方向的觀測數(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數(shù)據(jù)易淹沒日變化,從而造成前兆信號提取困難。

3 結(jié) 語

通過對電極不同深度埋深試驗(yàn)得出的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析,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)不到一個量級對比時,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)相對穩(wěn)定,日變化不被輕易淹沒,從而可更好的提取微弱的地震電信號。

(2)從日變形態(tài)來看,都蘭地電場日變形態(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,我們測得的自然電場成份占比就越大,大地電場主要是太陽各種電流體系在地球內(nèi)部所產(chǎn)生的感應(yīng)電場,隨著埋深的增加大地電場的感應(yīng)電場就會減小,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)報人員在判斷異常數(shù)據(jù)是否是前兆信號時提供有力依據(jù)。

(3)都蘭地電場觀測系統(tǒng)穩(wěn)定,包括觀測場地環(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比分析,在判斷數(shù)據(jù)異常方面能起到重要作用。