馬欽忠，李偉，張繼紅，郭玉貴，方國(guó)慶

1 上海市地震局，上海 200062

2 山東省地震局，濟(jì)南 250014

3 青島市地震局，青島 266071

1 引言

大地電流是在1840年由于電報(bào)信息被干擾而首先引起了人們的注意（傅承義等，1991）.20世紀(jì)初，地電場(chǎng)的研究和應(yīng)用主要集中在探礦和地球結(jié)構(gòu)勘探方面.20世紀(jì)70年代之前，不少國(guó)家進(jìn)行模擬地電場(chǎng)觀測(cè)以研究地電場(chǎng)的變化特征，限于當(dāng)時(shí)的觀測(cè)技術(shù)和數(shù)據(jù)積累，研究成果有限（傅承義等，1991；孫正江，1990；Kpaeb AΠ，1954）.20世紀(jì)80年代之前的地電場(chǎng)觀測(cè)都是采用單電極距觀測(cè)的，即在某一方向上兩個(gè)不同點(diǎn)將電極埋入地下，測(cè)定兩個(gè)電極間的電位差.但這種單電極距的觀測(cè)在提取最真實(shí)可靠的地電場(chǎng)信息方面產(chǎn)生了嚴(yán)重問題，主要原因是使用的鉛電極即是地電流的接收裝置，又因?yàn)殡姌O電位的極差大而成為地電流的發(fā)射裝置，導(dǎo)致有用信息與干擾成分相混.這嚴(yán)重地阻礙了地電場(chǎng)研究的發(fā)展.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（簡(jiǎn)稱VAN）提出了利用地震電信號(hào)及其選擇性特征來進(jìn)行地震預(yù)報(bào)的VAN方法（Varotsos P et al.，1982a，b；Varotsos P et al.，1991），在他們的地電場(chǎng)觀測(cè)研究中采用了多道電極距布極的方法，研制應(yīng)用了非極化電極，通常每個(gè)臺(tái)站在同一方向上布設(shè)長(zhǎng)、短不一的電極距，至少有4～6對(duì)短偶極電極，短極距為數(shù)百米長(zhǎng)，長(zhǎng)極距可達(dá)數(shù)公里長(zhǎng)，并從物理學(xué)角度出發(fā)給出了識(shí)別諸如電極極化等噪聲，并選擇出地震電信號(hào)的四條判別準(zhǔn)則（Varotsos P et al，1982a，b），從而使震前地電場(chǎng)觀測(cè)中識(shí)別各類噪聲的水平有了很大的提高.由于地震孕育過程和地球介質(zhì)的復(fù)雜性，地震電信號(hào)的產(chǎn)生機(jī)制、遠(yuǎn)距離傳播、選擇性等問題的物理解釋尚沒有公認(rèn)的、滿意的答案.許多學(xué)者進(jìn)行了有關(guān)地震電信號(hào)產(chǎn)生機(jī)理的試驗(yàn)研究（Kumi Onuma et al.，2011；Enomoto Y et al.，1990；Freund T et al.，2004，2006；Muto J et al.，2007，2008；Takeuchi A et al.，2006；Tsutsumi A et al.，2008；Varotsos P A，1977；Yoshida S，2001），對(duì)于地震電信號(hào)在地下傳播特征，即電信號(hào)通道問題的研究相對(duì)少些，而且大都是在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室條件或數(shù)值模擬條件下完成的（Park S K et al.，1996；黃清華等，2010；Sarlis N et al.，1999；Huang Q et al.，1999；馬欽忠等，2003；馬欽忠，2007），而用更加貼近實(shí)際的野外大區(qū)域的觀測(cè)研究則還沒有，主要原因是國(guó)外沒有大范圍的觀測(cè)網(wǎng)和相配套的大電流信號(hào)源，本文研究恰恰具備了這樣的條件.對(duì)于俄羅斯科學(xué)院在吉爾吉斯比什凱克臺(tái)站開展地下電導(dǎo)率異常變化的研究已有30多年，他們的試驗(yàn)包括通過4.5km長(zhǎng)的電偶極向地下注入強(qiáng)電流的觀測(cè)試驗(yàn)（Avagimov A A et al.，2005）.通過這種試驗(yàn)，他們發(fā)現(xiàn)在一些強(qiáng)震前地下電阻率發(fā)生了百分之幾的變化.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，目的之一就是利用這種人工電流源來進(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).

近年來我國(guó)建成了由100多個(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)了兩道長(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).郯廬斷裂帶是一條貫穿我國(guó)東部地區(qū)的大型斷裂帶，該帶穿過山東省、江蘇省、安徽省.本文以青島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)4000A），研究當(dāng)向地下注入強(qiáng)大電流信號(hào)時(shí)，在山東、河北、江蘇等地區(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.通過對(duì)上千安培大電流發(fā)射和觀測(cè)實(shí)驗(yàn)的研究，以進(jìn)一步揭示大型地質(zhì)斷裂構(gòu)造帶與地電場(chǎng)在地下傳播特性之間的聯(lián)系，以及增強(qiáng)地震電信號(hào)選擇性問題的可信度，并對(duì)研究區(qū)域中觀測(cè)資料的實(shí)際應(yīng)用打下良好的基礎(chǔ).

2 地質(zhì)背景和大電流源與地電場(chǎng)觀測(cè)網(wǎng)

地質(zhì)背景 在本文工作區(qū)域內(nèi)存在著中國(guó)東部地區(qū)最大的地質(zhì)斷裂構(gòu)造帶——郯廬斷裂帶，該帶在中國(guó)境內(nèi)長(zhǎng)達(dá)2400km，寬幾十至200km，總體走向北東10°～20°，向南到湖北省長(zhǎng)江北岸的武穴，向北北東方向經(jīng)安徽省的宿松、潛山、廬江、嘉山，它穿過江蘇省的泗洪、宿遷，山東省郯城、沂水、濰坊，進(jìn)渤海，然后過遼東半島，穿過東北三省去了俄羅斯（嵇少丞等，2008a，b）.

大電流源 寧東高壓±660kV電壓直流輸電網(wǎng)在青島換流站有一接地極裝置，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直流接地極流入大地，該電流強(qiáng)度最大可達(dá)4000A.

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平面坐標(biāo)系各分量來確定之.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之間的距離的商，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)站包括山東省安丘臺(tái)、陵陽臺(tái)、乳山臺(tái)、大山臺(tái)、郯城臺(tái)、皺城臺(tái)、菏澤臺(tái)；河北省興濟(jì)臺(tái)、昌黎臺(tái)、大柏舍臺(tái)；北京市通州臺(tái)、延慶臺(tái)；天津市徐莊子臺(tái)、寶坻臺(tái)、靜海臺(tái)；江蘇省新沂臺(tái)、高郵臺(tái)、海安臺(tái)；安徽省嘉山臺(tái)、蒙城臺(tái)；河南周口臺(tái).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：一次／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)了兩道長(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).各個(gè)臺(tái)站的具體電極布設(shè)方式見圖1.

大電流發(fā)射源和冀魯豫蘇皖地區(qū)地電場(chǎng)觀測(cè)臺(tái)站的具體分布情況如圖2所示.

3 大電流注入地下時(shí)測(cè)區(qū)地電場(chǎng)變化特征分析

圖2是山東境內(nèi)強(qiáng)電流發(fā)射源及華北東部地區(qū)部分地電場(chǎng)觀測(cè)臺(tái)站位置分布示意圖.當(dāng)上千安培的大電流在青島換流站接地極處流入大地時(shí)，則在其周邊地區(qū)地電場(chǎng)觀測(cè)站可以接收到其信號(hào)，且其信號(hào)特征會(huì)隨著距離該信號(hào)源的遠(yuǎn)近不同和方位不同而呈現(xiàn)出不同的變化.圖3所示的是2011年3月25日00∶10—2∶10期間在青島換流站接地極處2100A的強(qiáng)大方波電流流入大地時(shí)在安丘、陵陽、郯城、新沂、乳山及大山地電場(chǎng)觀測(cè)臺(tái)接收到的該地電場(chǎng)信號(hào)波形圖.圖中LNS、SNS分別表示南北方向的長(zhǎng)極距和短極距；LEW、SEW分別表示東西方向的長(zhǎng)極距和短極距；LNE、SNE分別表示北東方向的長(zhǎng)極距和短極距.由該圖可以看到，強(qiáng)電流波形形態(tài)在安丘、陵陽臺(tái)觀測(cè)到的最完整，而在其他臺(tái)站觀測(cè)到的波形形態(tài)或多或少有些受噪聲的影響.

圖1 研究區(qū)電極布設(shè)示意圖（a）通州、寶坻、徐莊子、大柏舍、蒙城、周口、皺城臺(tái)電極布設(shè)圖；（b）郯城、陵陽、乳山、延慶、靜海臺(tái)電極布設(shè)圖；（c）安丘、大山、荷澤、昌黎、新沂、嘉山、海安、延慶臺(tái)電極布設(shè)圖.Fig.1 Sketch map of the electrode distribution in the study area（a）The electrode distribution style at the stations of Tongzhou，Baodi，Xuzhuangzi，Dabaishe，Mengcheng，Zhoukou and Zhoucheng；（b）The electrode distribution style at the stations of Tancheng，Lingyang，Rushan，Yanqing and Jinghai；（c）The electrode distribution style at the stations of Anqiu，Dashan，Heze，Changli，Xinyi，Jiashan，Hai′an and Yanqing.

圖2 大電流發(fā)射源及其周邊地區(qū)地電場(chǎng)觀測(cè)臺(tái)站位置分布Fig.2 The place distribution map of the geoelectric field observatories around the area of the powerful electrical current source

圖4 所示的是2011年1月23日8∶30—10∶40期間青島換流站接地極處梯形波強(qiáng)大電流流入大地時(shí)在安丘臺(tái)接收到的信號(hào)，該發(fā)射電流最大強(qiáng)度為3004A.由于篇幅所限其他臺(tái)的觀測(cè)曲線在此省略.表1所示的是青島換流站接地極處在2011年3月25日0∶10－2∶10注入大地2100A的強(qiáng)大方波電流和2011年1月23日注入大地最大電流強(qiáng)度為3004A的梯形波電流時(shí)在安丘、陵陽、郯城、新沂、乳山、大山、皺城、菏澤、興濟(jì)、徐莊子、昌黎、靜海、寶坻、通州地電場(chǎng)臺(tái)站記錄到的地電場(chǎng)信號(hào)具體特征參數(shù).

為了具體分析大電流注入地下時(shí)測(cè)區(qū)附加地電場(chǎng)變化特征，將圖3和圖4給出的信息匯總在表1和表2上.其中，表1給出了距離電流源450km范圍內(nèi)臺(tái)站各方位在兩次供電時(shí)所記錄到的附加電場(chǎng)數(shù)據(jù).大電流3004A發(fā)射的時(shí)間為白天，一次遠(yuǎn)處臺(tái)站的相應(yīng)附加電場(chǎng)信息量與天然電場(chǎng)噪聲相當(dāng)，而無法識(shí)別，因此距離電流源較遠(yuǎn)的五個(gè)臺(tái)站僅有2100A電流有關(guān)的附加電場(chǎng)信息.表2則給出了距離電流源250km范圍內(nèi)臺(tái)站各方位上每次供電時(shí)在長(zhǎng)短兩個(gè)電極距上所記錄到的附加電場(chǎng)數(shù)據(jù)的比值.

在表1中沒有列入延慶臺(tái)、周口臺(tái)、高郵臺(tái)、嘉山臺(tái)、海安臺(tái)、大柏舍臺(tái)、蒙城臺(tái)的觀測(cè)信號(hào)參數(shù)，主要是因?yàn)檫@7個(gè)臺(tái)沒有記錄到上述兩次大電流發(fā)射時(shí)的信號(hào).這7個(gè)觀測(cè)臺(tái)距大電流信號(hào)源的距離分別為：延慶臺(tái)548km；周口臺(tái)537km；高郵臺(tái)407km；嘉山臺(tái)415km；海安臺(tái)448km；大柏舍臺(tái)440km；蒙城臺(tái)440km.另外，表1中沒有列出靜海臺(tái)、寶坻臺(tái)、通州臺(tái)記錄的2011年1月23日發(fā)射源發(fā)射的信息，也許由于白天背景噪聲太大而難以分辨.

由表1和表2可以看到信號(hào)源向地下注入大電流信號(hào)時(shí)，在周邊地區(qū)臺(tái)站所記錄到的附加電場(chǎng)信號(hào)具有下列幾個(gè)顯著特征：

（1）同一臺(tái)站不同方位的附加電場(chǎng)信號(hào)值的大小存在差異，有的差異很大，甚至出現(xiàn)符號(hào)上的差異.例如對(duì)于源電流為2100A時(shí)，陵陽臺(tái)在NS方向上記錄到的附加電場(chǎng)為－71mV／km，而在EW方向上，長(zhǎng)、短極距記錄到的附加電場(chǎng)分別為23mV／km和28mV／km.

表1 2011年1月23日和3月25日大電流發(fā)射時(shí)華北東部地區(qū)部分地電場(chǎng)臺(tái)記錄信號(hào)值Table 1 The signal values recorded at some stations of the geoelectric field in the east Huabei area when a great current is injected at 23thJan.and 25th Mar.，2011respectively

表2 距發(fā)射源250km范圍內(nèi)各臺(tái)不同方位上長(zhǎng)短極距附加地電場(chǎng)的比值Table 2 The ratio of the geoelectric field signals recorded on the long dipole and short dipole in same direction at the stations ranged of 250km from the great current source

（2）比較多個(gè)的臺(tái)站附加電場(chǎng)信號(hào)的空間分布，出現(xiàn)比較復(fù)雜的情況，似乎顯示一定的方向性分布特征：沿著郯廬斷裂帶方向，距離信號(hào)源越遠(yuǎn)，地電流信號(hào)強(qiáng)度越弱，強(qiáng)弱變化依次為安丘、陵陽、郯城、新沂；在此方向上距離415km遠(yuǎn)的嘉山臺(tái)沒有記錄到.沿著信號(hào)源的西南方向信號(hào)在跨過郯廬斷裂帶之后就記錄不到了，如246km遠(yuǎn)的皺城臺(tái)和419km處的菏澤臺(tái)就沒有記錄到信號(hào)；沿著信號(hào)源北西方向存在著延伸較遠(yuǎn)的活斷層，在跨過郯廬斷裂帶之后還能記錄到信號(hào)，而且能夠記錄到信號(hào)的距離更遠(yuǎn)，在該方向上，大山臺(tái)、興濟(jì)臺(tái)、靜海臺(tái)、寶坻臺(tái)、昌黎臺(tái)都記錄到了大電流信號(hào)，但距離324km處的徐莊子臺(tái)沒有記錄到信號(hào)；距離227km處的大山臺(tái)記錄到的信號(hào)強(qiáng)度要比距離298km處的興濟(jì)臺(tái)、367km處的昌黎臺(tái)、413km處的寶坻臺(tái)和450km處的通州臺(tái)記錄到的信號(hào)強(qiáng)度小.

圖3 2011年3月25日0∶10—2∶10安丘、陵陽、郯城、新沂、乳山及大山臺(tái)地電場(chǎng)信號(hào)圖Fig.3 The signal shapes of the geoelectric field recorded at the stations of Anqiu，Lingyang，Tancheng，Xinyi，Rushan and Dashan at 00∶10—2∶10，Mar.25，2011

（3）比較遠(yuǎn)近不同的臺(tái)站的附加電場(chǎng)強(qiáng)度，也顯示出復(fù)雜的態(tài)勢(shì).以注入2100A的強(qiáng)電流信號(hào)為例（其時(shí)處于深夜時(shí)間，天然地電場(chǎng)背景噪聲小），在本文所述的觀測(cè)區(qū)域里能夠觀測(cè)到該信號(hào)的最遠(yuǎn)距離為450km，而在距離電流信號(hào)源246km的皺城臺(tái)、324km的徐莊子、419km的菏澤臺(tái)基本上都沒有記錄到該信號(hào).這表明存在著距離信號(hào)源較遠(yuǎn)的臺(tái)站能夠記錄到信號(hào)，而距離信號(hào)源較近的臺(tái)站卻記錄不到信號(hào)的現(xiàn)象.

（4）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（表2）.例如對(duì)于源電流為2100A時(shí)，安丘臺(tái)在NS、EW、NE方向上長(zhǎng)、短極距附加電場(chǎng)的比值分別為0.2、0.2、0.3；郯城臺(tái)在該三個(gè)方向上長(zhǎng)、短極距附加電場(chǎng)的比值分別為0.94、2.65、1.03.

（5）從每個(gè)臺(tái)站記錄情況來看，在電流源注入大地的電流強(qiáng)度越大，則在觀測(cè)點(diǎn)記錄到的地電流信號(hào)強(qiáng)度也越大.

4 討論

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，需要考慮下列兩大要素：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4 2011年1月23日安丘地電場(chǎng)臺(tái)觀測(cè)信號(hào)形態(tài)圖（a）南北向長(zhǎng)極距；（b）南北向矩極距；（c）東西向長(zhǎng)極距；（d）東西向短極距；（e）北東向長(zhǎng)極距；（f）北東向短極距.Fig.4 The signal shapes of the geoelectric field recorded at Anqiu station at 23th January，2011（a）The curve recorded on NS long dipole；（b）Curve on NS short dipole；（c）Curve on EW long dipole；（d）Curve on EW short dipole；（e）Curve on NE long dipole；（f）Curve on NE short dipole.

高壓直流輸電系統(tǒng)的接地極上注入電流的效應(yīng)，本質(zhì)上系由于其系統(tǒng)正負(fù)兩條輸電線電流處于不平衡狀態(tài)所引起.當(dāng)電流從接地極注入或引出時(shí)，接地極就成為一個(gè)電流源，從而在周圍大地產(chǎn)生人工的附加電場(chǎng)，這是在地電場(chǎng)臺(tái)站上測(cè)量極接收到附加電場(chǎng)信號(hào)的基本來源.這樣在電流源和任意臺(tái)站之間的測(cè)量極間就形成了一個(gè)特定的裝置系統(tǒng)，如圖5給出的模型所示.模型中，電流源作為一個(gè)點(diǎn)電流源處理，它僅在電流源的線性尺度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電流源到臺(tái)站測(cè)量極的距離的時(shí)候適用.本文所涉及的臺(tái)站中安丘臺(tái)距離電流源最近，為25km，而作為接地極的電流源的幾何尺寸一般小于1km.因此至少對(duì)于本文所涉及到的臺(tái)站而言，該模型是適用的；圖中為點(diǎn)電流源與臺(tái)站測(cè)線中點(diǎn)的連線的距離，θ為SN測(cè)線法線方向與連線的夾角.系統(tǒng)的裝置參數(shù)由電流源到特定臺(tái)站的特定測(cè)量極之間的幾何位置關(guān)系（距離、方位）確定；而特定臺(tái)站的特定測(cè)量極上測(cè)得的附加電位差則由下式確定（以SN測(cè)線長(zhǎng)短極距為例）：

圖5 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.5 Distribution of the source and station

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

用在臺(tái)站上同一方位長(zhǎng)、短極距的附加電場(chǎng)的比值λ是否接近1來標(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）：

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

同樣，用比值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.

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

（1）由于不同臺(tái)站裝置參數(shù)的差異，確實(shí)會(huì)存在著同一個(gè)臺(tái)站、同一方位上長(zhǎng)短極距電場(chǎng)比值不相等的現(xiàn)象，如表3所示結(jié)果，其中臺(tái)站距離電流源R2＝25km，以SN測(cè)線的長(zhǎng)短極距（L2＝2L1＝400m）為例計(jì)算.以偏離λ＝1的5%為限，可以給出該臺(tái)臨界角θc在3.9°左右：在θ＞θc時(shí)，λ偏離1小于5%，而在θ＜θc時(shí)，λ偏離1將大于5%，其中θ接近于0時(shí)，甚至?xí)霈F(xiàn)非常復(fù)雜的結(jié)果，出現(xiàn)λ取值為0、大數(shù)甚至負(fù)值（見表3最后一行的結(jié)果，有λ＝0，－6.8526，4.2359….）.對(duì)電流源與臺(tái)站其他距離所做的模擬顯示了類似的結(jié)果，不過距離越遠(yuǎn)，臨界角的數(shù)值會(huì)越小，也就是說，對(duì)于那些距接地極遠(yuǎn)的臺(tái)站，由于臨界角很小，臺(tái)站測(cè)線法線方位與臺(tái)站到電流源連線之間的夾角一般都會(huì)在臨界角之外，因此這些臺(tái)站上同一方位測(cè)線長(zhǎng)短極距的附加電場(chǎng)值基本一致，其比值一般偏離λ＝1較小，這個(gè)結(jié)果也在表1中可以看出.

（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4所示.表4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4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（6），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5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.

表3 電流源到臺(tái)站距離為25000m，SN方位上長(zhǎng)短極距附加電場(chǎng)的比值Table 3 The ratio of the geoelectric field signals recorded on the long dipole and short dipole in NS direction at the station that is 25000mfrom the great current source

表4 電流源到臺(tái)站距離為25000m，SN和EW方位上長(zhǎng)極距附加電場(chǎng)的比值Table 4 Ratio of the geoelectric field signals recorded on the long dipole in NS and EW direction at the station that is 25000mfrom the great current source

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個(gè)方面.后者將在4.3節(jié)中進(jìn)行詳細(xì)討論.

大區(qū)域非均勻性的影響可以從公式（1）和（2）以及公式（4）和（5）中看出，公式中均含有下列參數(shù)：物理參數(shù)（視電阻率ρs）和幾何參數(shù)（測(cè)量極到電流源之間的距離R1，R2或R1，R3等），不同臺(tái)站在大區(qū)域中所處的位置不同，在區(qū)域介質(zhì)呈現(xiàn)非均勻（水平和垂直方向）結(jié)構(gòu)的條件下，其視電阻率值的差異是一個(gè)臺(tái)站和另一個(gè)臺(tái)站附加電場(chǎng)存在差異的重要因素之一；甚至也是同一個(gè)臺(tái)站不同方位附加電場(chǎng)產(chǎn)生差異的重要因素之一，在這種情況下，公式（3）和（4）中的視電阻率參數(shù)應(yīng)分別用和來標(biāo)識(shí)，顯示其中結(jié)構(gòu)的各向異性特征.

這些討論可以明確地解釋本文第3節(jié)中提到的現(xiàn)象：從不同方向穿過本文研究區(qū)內(nèi)的重要斷裂帶—郯廬斷裂帶的不同臺(tái)站所記錄到的附加電場(chǎng)存在復(fù)雜的特征，包括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)檑皬]斷裂帶的存在，使本區(qū)大范圍的電性結(jié)構(gòu)無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.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)，本文還無法對(duì)第3節(jié)所揭示的附加電場(chǎng)的分布給出確切的定量解釋.不過這些定性的分析，其合理性是不言而喻的.

4.3 考慮臺(tái)站測(cè)區(qū)附近范圍內(nèi)介質(zhì)結(jié)構(gòu)非均勻性的影響：地電場(chǎng)均勻度、方向數(shù)和信號(hào)源的定位問題

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，也是一個(gè)十分重要的影響因素之一.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）條件下的電場(chǎng)分布，提供了一個(gè)很好的、討論這方面問題的機(jī)會(huì).為了踐行深入討論，這一節(jié)里，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.

由表2可以看到：

（1）陵陽臺(tái)、新沂臺(tái)記錄到的地電場(chǎng)信號(hào)的均勻度較好；

（2）郯城臺(tái)南北、北東方向記錄到的信號(hào)均勻度較好；東西向的不太好；

（3）安丘臺(tái)記錄到的地電場(chǎng)信號(hào)的均勻度不好，但比值穩(wěn)定，特點(diǎn)是在短極距上所記錄的信號(hào)幅值大，說明信號(hào)在短極距上反應(yīng)更靈敏，將其與地電暴時(shí)的信號(hào)作對(duì)比后可知，地電暴信號(hào)在三個(gè)方向的比值與此基本相同，說明紀(jì)錄可靠；

（4）乳山臺(tái)東西向比南北向均勻度略差，南北向信號(hào)形態(tài)完整、記錄較清晰；

（5）大山臺(tái)均勻度不太好，但比值相對(duì)較穩(wěn)定.

按照地下電性均勻介質(zhì)理論來說，在距離電流信號(hào)源近的觀測(cè)點(diǎn)所觀測(cè)到的地電場(chǎng)均勻度較差；在距離電流信號(hào)源遠(yuǎn)的觀測(cè)點(diǎn)所觀測(cè)到的地電場(chǎng)均勻度較好.但實(shí)際情況并非總是如此.由上述安丘臺(tái)、郯城臺(tái)、大山臺(tái)和乳山臺(tái)地電場(chǎng)均勻度的情況分析可以看到，在實(shí)際觀測(cè)中并非每個(gè)遠(yuǎn)距離觀測(cè)點(diǎn)所觀測(cè)到的地電場(chǎng)的長(zhǎng)極距觀測(cè)值與短極距觀測(cè)值之比均接近1.0，或者說并非每個(gè)遠(yuǎn)距離觀測(cè)點(diǎn)所觀測(cè)到的地電場(chǎng)的均勻度都好.距離電流信號(hào)源遠(yuǎn)的觀測(cè)點(diǎn)所觀測(cè)到的地電場(chǎng)均勻度不一定就很好，如距離信號(hào)源227km的大山臺(tái)所觀測(cè)到的地電場(chǎng)均勻度就比較近的源距為110km的陵陽臺(tái)所觀測(cè)到的地電場(chǎng)均勻度差.

對(duì)于上述遠(yuǎn)源場(chǎng)在觀測(cè)區(qū)的附加地電場(chǎng)均勻度的結(jié)果，在實(shí)際觀測(cè)中也可證明.在安丘臺(tái)地電場(chǎng)觀測(cè)中，早期電極埋深比較淺，埋在第四系覆蓋的土層里（埋深2～3m）.后期改造后埋深加大，深度達(dá)10～15m，且埋在基巖里，由于在長(zhǎng)極距和短極距范圍里基巖埋深不同，因此導(dǎo)致了該臺(tái)地電場(chǎng)在三個(gè)方向上的均勻度不同.

由表5中可以看到，對(duì)于遠(yuǎn)源場(chǎng)而言，無論是源自于電離層的天電還是源自于遠(yuǎn)處的接地極，此時(shí)的觀測(cè)資料分析顯示，安丘臺(tái)地電場(chǎng)電極埋深變化前后各個(gè)方向上的長(zhǎng)、短極距觀測(cè)值的比值變化明顯.電極埋深在土層里時(shí)，各個(gè)方向上的長(zhǎng)、短極距觀測(cè)值的比值基本都等于1.0；當(dāng)電極埋深在基巖里時(shí)，EW、NS方向上的長(zhǎng)、短極距觀測(cè)值的比值基本等于0.2，NE方向的為0.3.由此可見，臺(tái)站地電場(chǎng)多極距觀測(cè)中，長(zhǎng)、短極距觀測(cè)值的比值的非均勻變化主要還在于臺(tái)站下方測(cè)區(qū)的電性非均勻和各向異性結(jié)構(gòu).由此也可知，當(dāng)把布極裝置系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)一定角度時(shí)也會(huì)出現(xiàn)不同的變化.

表5 安丘臺(tái)地電場(chǎng)電極埋深變化前后結(jié)果Table 5 Ratio of the geoelectric field recorded on the long dipole and short dipole at Anqiu station before and after the electrods were buried deeply

我們知道，對(duì)于空中飛行器的定位至少需要來自不在一條直線上的三個(gè)雷達(dá)站的信號(hào)才能定位，因?yàn)槟繕?biāo)體在三維空間且介質(zhì)均勻.對(duì)于地表平面矢量，其南北分量與東西分量的比值稱其為該矢量的方向數(shù)，對(duì)于均勻介質(zhì)中的矢量而言，其方向數(shù)可用來表示該矢量的方向，且只需兩個(gè)不在同一直線上的矢量就可確定信號(hào)源的位置.當(dāng)介質(zhì)均勻性不好時(shí)，矢量方向數(shù)對(duì)其方向的指示會(huì)產(chǎn)生較大誤差.因此，利用地電場(chǎng)信號(hào)的方向數(shù)來確定信號(hào)源的方位是比較復(fù)雜的問題，因?yàn)檫@要涉及到地下介質(zhì)的電性非均勻性問題.由表3可以看到，各臺(tái)的方向數(shù)（即LNS／LEW的比值）基本穩(wěn)定；但能夠較正確地反映信號(hào)源方位的臺(tái)站較少，只有安丘臺(tái)、大山臺(tái)和新沂臺(tái).如果將這三個(gè)臺(tái)站所觀測(cè)到的方位線延長(zhǎng)相交于一點(diǎn)，則該交點(diǎn)與實(shí)際電流發(fā)射源的位置很近，誤差在幾公里以內(nèi)（如圖6所示），如果以數(shù)百公里以外的臺(tái)站觀測(cè)資料分析結(jié)果來確定信號(hào)源的位置，定位誤差在幾公里內(nèi)則是非常好的定位結(jié)果.

其他臺(tái)站的信號(hào)方向數(shù)不能較好地反映信號(hào)源的位置，其主要原因在于這些臺(tái)站及其附近地下介質(zhì)電性結(jié)構(gòu)的非均勻性.地下介質(zhì)電性非均勻性和各向異性的作用起著非常重要的作，地下介質(zhì)橫向非均勻體的存在會(huì)改變流經(jīng)其附近的電流線的方向.高電阻率礦體具有向周圍排斥電流的能力，電阻率愈高，排斥能力愈強(qiáng)；低電阻率礦體具有向其內(nèi)部吸引電流的作用，電阻率愈低，吸引力愈強(qiáng)（傅良魁，1983），如圖7所示.

圖6 安丘臺(tái)、大山臺(tái)、新沂臺(tái)地電場(chǎng)信號(hào)方向數(shù)定位示意圖Fig.6 Fixed position map based on the orientation factor of the geoelectric field

圖8 所示的是當(dāng)向地下注入電流時(shí)，在地下半無限空間介質(zhì)中存在著一個(gè)非均勻異常電性介質(zhì)球體對(duì)地表電場(chǎng)影響的數(shù)值模擬結(jié)果.由該圖計(jì)算結(jié)果可以看到，當(dāng)?shù)叵麓嬖诟咦璁惓ｓw時(shí)，地表電場(chǎng)強(qiáng)度在隨距離電流源越遠(yuǎn)、越小的衰變趨勢(shì)過程中，在高阻體上方電場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)有一較大增強(qiáng)區(qū)段；反之，當(dāng)?shù)叵麓嬖诘妥璁惓ｓw時(shí)，這種地表電場(chǎng)強(qiáng)度的變化呈現(xiàn)負(fù)增強(qiáng)區(qū)段.這種變化區(qū)段變化范圍不僅與這種異常體的電阻率密切相關(guān)，而且與該異常體的空間變化范圍密切相關(guān).對(duì)于地下半無限空間介質(zhì)中存在著一個(gè)非均勻異常電性介質(zhì)球體和信號(hào)源頻率是直流的情況下是如此，對(duì)于層狀介質(zhì)中存在非均勻異常體以及變頻信號(hào)源的情景也是如此（馬欽忠等，1995；Ma Qinzhong，2002），實(shí)際上地下電性結(jié)構(gòu)為非均勻介質(zhì)結(jié)構(gòu)的情景無處不在.

圖7 地下不同電性介質(zhì)中電流場(chǎng)的分布圖（a）均勻電介質(zhì)中的電場(chǎng)E0；（b）地下電介質(zhì)中存在高阻體（ρ2＞ρ1）時(shí)的電場(chǎng)E1；（c）地下介質(zhì)中存在低阻體（ρ2＜ρ1）時(shí)的電場(chǎng)E2.Fig.7 The distribution of the electric powerline in different underground electrical structure（a）The electric field E0in homogenous dielectric；（b）The electric field E1in the dielectric contained a high resistivity body（ρ2＞ρ1）；（c）The electric field E2in the dielectric contained a low resistivity body（ρ2＜ρ1）.

圖8 地下存在電性異常體時(shí)地表點(diǎn)電源電場(chǎng)計(jì)算曲線的異常變化（a）I＝1200A；ρ1＝10Ωm，ρ2＝500Ωm，r＝60m，h＝130m；（b）I＝1200A，ρ1＝10Ωm，ρ2＝2Ωm，r＝60m，h＝130m.Fig.8 The abnormal variation curves of the geoelectric field calculated for a model of a point source on the ground under which an inhomogeneous body is contained in the semi－infinite medium

由于地下異常電性體的存在，不僅地表電場(chǎng)強(qiáng)度值或電流密度值發(fā)生變化，而且其方向在局部區(qū)域也會(huì)發(fā)生變化.根據(jù)電流密度法線分量及電場(chǎng)強(qiáng)度切線分量連續(xù)條件，容易證明，電流線在電阻率為ρ1和ρ2的兩種巖石分界面上的折射情況，按以下公式確定：

式中θ1和θ2為電流線在ρ1和ρ2巖石中與分界面法線方向所夾的角（圖9），該關(guān)系亦被稱為電場(chǎng)中電位移線的折射定律（程守洙等，1979）.式（7）表明，當(dāng)電流由低電阻率的巖體流入高電阻率的巖體（ρ1＜ρ2）時(shí)，電流便折向分界面的法線方向（θ2＜θ1）.反之，如果電流是從高電阻率的巖體流入低電阻率的巖體中（ρ1＞ρ2），則在分界面處電流折向偏離法線的方向（θ2＞θ1）.

上述分析表明，地下電性結(jié)構(gòu)非均勻性的存在極大地改變了地表地電場(chǎng)的變化特征.由此可見，在利用地電場(chǎng)臺(tái)站觀測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行信號(hào)源方位的確定上，必須認(rèn)真考慮的重要因素就是臺(tái)站下方電性結(jié)構(gòu)非均勻性問題.

5 結(jié)論

圖9 不同電阻率的兩種巖體分界面上電流折向圖（a）ρ1＞ρ2；（b）ρ1＜ρ2.Fig.9 Refringence map of the electric powerline on the boundary between the two different rocks with different resistivity

通過本文研究可以看到，當(dāng)向地下注入（或流出）2100～3004A的大電流時(shí)，華北東部地區(qū)地電場(chǎng)臺(tái)站記錄到的信號(hào)在不同距離和方向呈現(xiàn)出不同特征.這些特征表現(xiàn)為：

（1）同一臺(tái)站不同方位的附加電場(chǎng)信號(hào)值的大小存在差異，有的差異很大，甚至出現(xiàn)符號(hào)上的差異；

（2）比較多個(gè)臺(tái)站附加電場(chǎng)信號(hào)的空間分布，出現(xiàn)比較復(fù)雜的情況，似乎顯示一定的方向性分布特征；如沿著信號(hào)源的西南方向，信號(hào)在跨過郯廬斷裂帶之后就記錄不到了；在其北西方向在跨過郯廬斷裂帶之后還能記錄到信號(hào)，而且能夠記錄到信號(hào)的距離更遠(yuǎn)，在該方向上，存在著相對(duì)近處的臺(tái)站記錄到的信號(hào)強(qiáng)度比遠(yuǎn)處的臺(tái)站記錄到的信號(hào)強(qiáng)度小、甚至近處記錄不到信號(hào)的現(xiàn)象，在該方向存在著延伸較遠(yuǎn)的活斷層.

（3）比較遠(yuǎn)、近不同的臺(tái)站的附加電場(chǎng)強(qiáng)度，也顯示出復(fù)雜的態(tài)勢(shì).存在著距離信號(hào)源較遠(yuǎn)的臺(tái)站能夠記錄到信號(hào)，而較近的臺(tái)站卻記錄不到信號(hào)的現(xiàn)象.

（4）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.

（5）從每個(gè)臺(tái)站記錄情況來看，在電流源注入大地的電流強(qiáng)度越大，則在觀測(cè)點(diǎn)記錄到的地電流信號(hào)強(qiáng)度也越大.屬于歐姆定律的基本要求，本文未做進(jìn)一步討論.

（6）大電流發(fā)射時(shí)許多臺(tái)站記錄到的地電場(chǎng)信號(hào)的方向數(shù)并不能正確地反映信號(hào)源的方位.能夠較正確地反映信號(hào)源方位的臺(tái)站較少，只有安丘臺(tái)、大山臺(tái)和新沂臺(tái)所觀測(cè)到的方位線延長(zhǎng)交匯點(diǎn)與實(shí)際電流發(fā)射源的位置很近，可用以確定信號(hào)源的位置.其他臺(tái)站的信號(hào)方向數(shù)不能較好地反映信號(hào)源的位置，其主要原因就在于這些臺(tái)站及其附近地下介質(zhì)電性結(jié)構(gòu)非均勻性和各向異性的影響.

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)非均勻性和臺(tái)站測(cè)區(qū)以及附近地區(qū)的介質(zhì)細(xì)結(jié)構(gòu)的影響等三個(gè)方面，通過數(shù)值模擬，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)，特別是為分析臺(tái)站測(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)的影響提供了有益的工具.

總之，從某種意義上說，大電流發(fā)射時(shí)地電場(chǎng)信號(hào)變化特征為我們認(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)判定震中位置的研究提供了有益的參考.

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