喬子云 張國苓 賈立峰 方召盟 劉國權(quán) 梁玉梅

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河北三河臺(tái)數(shù)字電擾動(dòng)異常分析1

喬子云1）張國苓1）賈立峰1）方召盟2）劉國權(quán)3）梁玉梅3）

1）河北省地震局，石家莊050021?2）廊坊市地震局，廊坊065000?3）三河地震臺(tái)，三河065200

從2013年12月17日開始，三河臺(tái)數(shù)字電擾動(dòng)觀測(cè)的NS和EW兩測(cè)道交替出現(xiàn)了背景值增大的高值異常，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和分析表明，這種高值脈沖異常主要是受儀表廠的供電干擾所致，儀器本身的工作正常；對(duì)觀測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集軟件的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，如果出現(xiàn)缺數(shù)，可能造成兩個(gè)測(cè)道的數(shù)據(jù)出現(xiàn)互換的現(xiàn)象，應(yīng)盡快改進(jìn)數(shù)據(jù)采集軟件，把兩個(gè)測(cè)道采集的數(shù)據(jù)改為兩個(gè)數(shù)據(jù)文件；同時(shí)，模擬觀測(cè)的對(duì)比結(jié)果表明，同時(shí)間段模擬觀測(cè)未出現(xiàn)異常；通過更換東西向線路和電極，觀測(cè)數(shù)據(jù)恢復(fù)正常。綜合分析認(rèn)為，三河臺(tái)數(shù)字電擾動(dòng)出現(xiàn)的高值異常是干擾造成的，并非震兆異常。

數(shù)字電擾動(dòng) 三河臺(tái) 異常分析 干擾

引言

近年來，電磁擾動(dòng)已成為重要的地震監(jiān)測(cè)手段之一，眾多學(xué)者對(duì)此開展了大量的研究工作（陳化然等，2008；李美等，2009；張建國等，2010）。河北省的電磁擾動(dòng)觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)始建于上世紀(jì)80年代初，1987年正式組網(wǎng)觀測(cè)。觀測(cè)臺(tái)站主要有廊坊、三河、霸州、懷來、高碑店、寧晉、青縣、昌黎臺(tái)等。多年的觀測(cè)資料表明，電磁擾動(dòng)觀測(cè)在地震前有較明顯的異常變化，可取得較好的地震預(yù)報(bào)效果，其在河北省和首都圈地區(qū)的地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)工作中能夠發(fā)揮較好的短臨預(yù)報(bào)作用（陳智勇等，1989；關(guān)華平等，1995；2000）。同時(shí)，由于模擬觀測(cè)儀器嚴(yán)重老化，儀器的主要零備件生產(chǎn)廠家已不再生產(chǎn)，所以當(dāng)儀器出現(xiàn)故障時(shí)很難進(jìn)行維修。但自2006年下半年開始，河北省對(duì)電磁擾動(dòng)觀測(cè)儀進(jìn)行了數(shù)字化改造，使用了由廊坊市地震局和廊坊大地工程檢測(cè)技術(shù)開發(fā)公司合作生產(chǎn)的CNEM08-Ⅰ型電擾動(dòng)儀后，提高了電磁臺(tái)網(wǎng)的觀測(cè)質(zhì)量，為進(jìn)行地震分析預(yù)報(bào)奠定了良好的觀測(cè)基礎(chǔ)（喬子云等，2012）。

本文針對(duì)從2013年12月17日開始，三河臺(tái)數(shù)字電擾動(dòng)觀測(cè)的NS和EW兩測(cè)道交替出現(xiàn)的背景值增大的高值變化，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和分析，并從供電干擾、數(shù)據(jù)采集軟件的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式、模擬觀測(cè)對(duì)比等方面探討了三河臺(tái)存在的問題及解決的方法，以期為同仁們提供借鑒和參考。

1 三河臺(tái)電擾動(dòng)觀測(cè)概況

1.1 臺(tái)站概況

三河電擾動(dòng)觀測(cè)臺(tái)站位于三河市科技局院內(nèi)，在地質(zhì)構(gòu)造上位于冀中坳陷與燕山褶斷帶交匯部位，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜。由于新生代的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，形成了一系列斷陷盆地和凸起，其主要有大廠凹陷、大興凸起和寶坻凸起。區(qū)域內(nèi)主要有北東向、東西向和北西向三組斷裂帶通過，如圖1所示。其中，夏墊斷裂是一條北東向斷裂帶，它是大廠凹陷的主控?cái)嗔?，走向北東45°，傾向南東。1679年發(fā)生的三河-平谷8級(jí)大地震的地表破裂帶就沿夏墊斷裂展布，夏墊斷裂是一條右旋走滑正斷層；而1536年發(fā)生在通縣東南的6級(jí)地震震中就在夏墊斷裂南段附近。香河斷裂也是一條走向北東的斷裂。同時(shí)，區(qū)域內(nèi)還發(fā)育有東西向的寶坻斷裂，它是寶坻凸起與武清凹陷的分界線。此外，還有北西向的南口-孫河斷裂，它西起昌平南口，向東南經(jīng)百泉莊、東三旗、孫河到通縣，總體走向北西，全長(zhǎng)約80km。

1.2 觀測(cè)概況

三河臺(tái)電擾動(dòng)模擬觀測(cè)始于20世紀(jì)80年代初，1994年河北省地震局將三河臺(tái)電擾動(dòng)模擬觀測(cè)正式作為地震前兆觀測(cè)手段使用，觀測(cè)資料于1995年起被收入河北省地震局模擬觀測(cè)資料庫。三河臺(tái)使用的模擬觀測(cè)儀器為HBEM-03型電磁擾動(dòng)儀，它是在DJ-1型記錄儀的基礎(chǔ)上改造而成的。其工作頻段為0.1—10Hz，記錄儀走紙速度為60mm/min，傳感器采用的是柱狀不銹鋼電極。自2006年下半年開始，三河臺(tái)安裝了電擾動(dòng)數(shù)字觀測(cè)儀，該儀器由廊坊市地震局和廊坊大地工程檢測(cè)技術(shù)開發(fā)公司共同合作研制，儀器型號(hào)為CNEM08-Ⅰ電擾動(dòng)儀，用一對(duì)埋地電極作為傳感器，接收一個(gè)方向（如NS向或EW向）的電位差，用電位差除以一對(duì)電極之間的距離即為觀測(cè)的電場(chǎng)。儀器可對(duì)地下電場(chǎng)實(shí)時(shí)記錄和顯示，并再現(xiàn)觀測(cè)頻段地下電場(chǎng)的波動(dòng)變化（崔艷云等，2009）。三河臺(tái)的模擬和數(shù)字電擾動(dòng)觀測(cè)分別使用兩套觀測(cè)系統(tǒng)，測(cè)向和電極布設(shè)情況基本相同，分別布設(shè)有正南北（NS）和正東西（EW）兩個(gè)測(cè)向，電極埋深為20m，極間距離為42m，布極情況如圖2所示。

數(shù)字電擾動(dòng)儀的觀測(cè)頻段為0.05—10Hz，采樣率為20個(gè)/s，觀測(cè)的物理量為地下電場(chǎng)強(qiáng)度（單位：mV/km）。數(shù)據(jù)處理方式為對(duì)高采數(shù)據(jù)（20個(gè)/s）進(jìn)行積分計(jì)算，并轉(zhuǎn)換成秒值，入庫數(shù)據(jù)也為秒值。圖3分別為三河臺(tái)電擾動(dòng)同一時(shí)間段的數(shù)字觀測(cè)和模擬觀測(cè)日值的變化曲線。通過兩者的對(duì)比可以看出，它們的一致性較好，只是數(shù)字觀測(cè)的背景值大于模擬觀測(cè)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，模擬觀測(cè)資料的連續(xù)率為100%；數(shù)字觀測(cè)資料的連續(xù)率為96.2%。

2 異常情況概述

三河臺(tái)數(shù)字電擾動(dòng)觀測(cè)從2013年12月17日開始，NS和EW兩測(cè)道交替出現(xiàn)背景值增大的高值變化，其測(cè)值由500mV/km變?yōu)?000mV/km，如圖4所示。同時(shí)，兩測(cè)道的高值在時(shí)間和幅度上保持一致。2014年2月19日，廊坊市地震局到三河臺(tái)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)，其鑒定結(jié)果為：根據(jù)初步調(diào)查判定，NS向異常有待確定，EW向數(shù)據(jù)無法采信。為了進(jìn)一步了解儀器的實(shí)際工作情況和調(diào)查電磁擾動(dòng)數(shù)據(jù)的干擾源以及查明該項(xiàng)異常的性質(zhì)，河北省地震局預(yù)測(cè)研究中心電磁室特別邀請(qǐng)了中國地震臺(tái)網(wǎng)中心電磁學(xué)科組的盧軍研究員、李美副研究員、北京市地震局張洪魁研究員以及臺(tái)站一線觀測(cè)人員邯鄲廣平臺(tái)張小濤等，于2014年3月7日在三河臺(tái)開展了現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)工作，進(jìn)行了環(huán)境調(diào)研、觀測(cè)系統(tǒng)檢查、儀器比測(cè)實(shí)驗(yàn)、兩測(cè)道數(shù)據(jù)互換分析、數(shù)模對(duì)比分析以及更換測(cè)線和電極等。

3 異常調(diào)查分析

3.1 環(huán)境調(diào)查

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，測(cè)區(qū)周圍主要有居民樓、通訊塔、電纜存放倉庫和恒遠(yuǎn)自動(dòng)化儀表廠等，其中，居民樓、電纜存放倉庫和通訊塔在建臺(tái)前就存在，對(duì)觀測(cè)影響不大。通過對(duì)恒遠(yuǎn)自動(dòng)化儀表廠進(jìn)行詳細(xì)詢問和調(diào)查后得知，該廠始建于2011年，現(xiàn)有工人20余人，有4臺(tái)數(shù)控機(jī)床，用電量較大，工作時(shí)間為6點(diǎn)半至11點(diǎn)、12點(diǎn)半至17點(diǎn)，周六、周日不休息。從三河臺(tái)數(shù)字電擾動(dòng)的秒值觀測(cè)曲線上看，每天在北京時(shí)間6點(diǎn)50分至11點(diǎn)、12點(diǎn)40分至17點(diǎn)都出現(xiàn)過比背景值高約10倍的高值變化，這與恒遠(yuǎn)自動(dòng)化儀表廠的工作時(shí)間比較一致，因此，可以判定三河臺(tái)數(shù)字電擾動(dòng)每天固定時(shí)間段出現(xiàn)的高值脈沖變化，主要是受儀表廠的供電干擾，如圖5所示。

3.2 觀測(cè)系統(tǒng)檢查

2014年3月20日上午10點(diǎn)30分左右，使用鼎陽SIGLENT SDG1020雙通道DDS函數(shù)信號(hào)發(fā)生器對(duì)三河臺(tái)數(shù)字電擾動(dòng)觀測(cè)儀器進(jìn)行了檢測(cè)，通道S1、E1通過導(dǎo)線連接到一起，N1、W1通過導(dǎo)線連接在一起，EW、NS兩通道并聯(lián)，向儀器輸入頻率為0.1Hz的正弦波信號(hào)，幅度輸出分別為5mV、10mV、30mV、50mV、100mV（有效值），5組波形如圖6所示，檢測(cè)結(jié)果表明儀器工作正常。同時(shí)，檢測(cè)中還用萬用表測(cè)試了傳輸線路間的電壓和電阻值，南北向和東西向的電壓值分別為320mV和0mV，電阻值如表1所示。測(cè)量結(jié)果表明，南北線路正常，東西線路不正常，南、北、西電極正常，東電極線路中斷。據(jù)觀測(cè)人員介紹，在埋設(shè)的傳輸線周圍近年來曾多次進(jìn)行過不同程度的開挖，可能在開挖時(shí)將東西測(cè)向的傳輸線截?cái)啵財(cái)鄷r(shí)間無法確定。

表1 傳輸線路間電阻值測(cè)量結(jié)果（單位：Ω）

3.3 儀器比測(cè)實(shí)驗(yàn)

3月7日上午在三河臺(tái)又加裝了1臺(tái)儀器進(jìn)行觀測(cè)對(duì)比，2臺(tái)儀器同時(shí)觀測(cè)的時(shí)間為3月7日—19日。從3月8—19日的秒值記錄曲線來看，2臺(tái)儀器的觀測(cè)數(shù)據(jù)基本一致，如圖7所示。同時(shí)從圖中還可以看出，除每天上午7點(diǎn)至11點(diǎn)、下午1點(diǎn)至5點(diǎn)固定時(shí)間段受恒遠(yuǎn)自動(dòng)化儀表廠供電干擾外，其它時(shí)間段數(shù)據(jù)較穩(wěn)定。經(jīng)計(jì)算，原觀測(cè)儀器與比測(cè)儀器南北、東西兩測(cè)向秒值的相關(guān)系數(shù)分別為0.77和0.70。對(duì)比測(cè)試結(jié)果表明，原觀測(cè)儀器工作正常，2臺(tái)儀器觀測(cè)數(shù)據(jù)較一致，觀測(cè)數(shù)據(jù)可信。

3.4 兩測(cè)道數(shù)據(jù)互換分析

圖8（a）為三河臺(tái)數(shù)字電擾動(dòng)觀測(cè)2013年12月10日至2014年3月6日整點(diǎn)值的記錄曲線。從圖形上看，兩測(cè)道高值存在交替現(xiàn)象，這可能是兩測(cè)道串?dāng)?shù)引起的?？紤]到數(shù)字電擾動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集軟件將南北向和東西向數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在一個(gè)文件內(nèi)，其存儲(chǔ)值均為秒鐘值，南北向和東西向依次存數(shù)，然后利用采集軟件把數(shù)據(jù)按南北、東西測(cè)向順序調(diào)用，當(dāng)遇到儀器缺失記錄或者儀器校準(zhǔn)時(shí)，兩測(cè)道調(diào)數(shù)會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，將造成兩測(cè)道數(shù)據(jù)互換。通過分析筆者認(rèn)為，三河臺(tái)數(shù)字電擾動(dòng)觀測(cè)存在兩測(cè)道數(shù)據(jù)互換現(xiàn)象，其具體表現(xiàn)為南北測(cè)道記錄的高值數(shù)據(jù)應(yīng)該是東西測(cè)道的記錄數(shù)據(jù)。例如，可將南北向記錄的高值段（如：2013年12月17日18時(shí)至2014年1月25日16時(shí)；2014年2月5日21時(shí)至7日15時(shí)；2月13日23時(shí)至15日21時(shí)；2月27日10時(shí)至3月6日14時(shí)）與東西向同一時(shí)間段的記錄數(shù)據(jù)交換，互換后記錄曲線如圖8（b）所示。從圖中可以看出，南北向記錄數(shù)據(jù)變化平穩(wěn)，東西向記錄數(shù)據(jù)因線路中斷而出現(xiàn)高值變化。

圖8 2013年12月10日至2014年3月6日三河數(shù)字電擾動(dòng)整點(diǎn)值曲線

3.5 模擬觀測(cè)分析

從2013年1月至2014年3月，三河臺(tái)模擬電擾動(dòng)觀測(cè)未出現(xiàn)明顯的異常變化，圖9為三河臺(tái)模擬電擾動(dòng)日總量曲線。從圖中可以看出，2014年2月25日兩個(gè)測(cè)向分別出現(xiàn)弱信息變化，其中，NS向變化幅度為0.3s.mV/m，EW向變化幅度為6.8s.mV/m，其變化幅度較小并沒有達(dá)到異常指標(biāo)。

3.6 更換東西測(cè)向線路和電極

三河臺(tái)在2014年4月16日更換了數(shù)字電擾動(dòng)EW測(cè)向線路和電極，用數(shù)字觀測(cè)儀的東西向接模擬觀測(cè)儀的東西向線路之后，兩測(cè)向的高值記錄消失，如圖10所示。根據(jù)傳輸線路間電阻值的測(cè)量結(jié)果（見表1），東電極與其它3個(gè)電極（南、北、西）傳輸線路間的電阻值測(cè)量結(jié)果均為∞，而其它3個(gè)電極每2個(gè)之間的電阻值均為700Ω。據(jù)此筆者判斷，這是東電極和傳輸線路出了問題，三河臺(tái)數(shù)字電擾動(dòng)高值記錄是由于東電極和傳輸線路出現(xiàn)故障引起的。東電極和傳輸線路的不通，相當(dāng)于在東電極和電壓表之間增加了一個(gè)電阻，當(dāng)觀測(cè)的電壓值增大時(shí)，就會(huì)表現(xiàn)出東西向的記錄數(shù)據(jù)變大；當(dāng)線路和電極恢復(fù)正常時(shí)，高值記錄隨之消失，記錄數(shù)據(jù)恢復(fù)正常變化。

4 異常分析與判定

自2013年12月17日以來，三河臺(tái)數(shù)字電擾動(dòng)觀測(cè)的NS和EW兩測(cè)道交替出現(xiàn)了背景值增大的高值異常。經(jīng)2013年3月7日至20日的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查核實(shí)，測(cè)區(qū)周圍主要有居民樓、通訊塔、電纜存放倉庫和恒遠(yuǎn)自動(dòng)化儀表廠等，其中，居民樓、電纜存放倉庫和通訊塔在建臺(tái)前就存在，其對(duì)觀測(cè)的影響不大。而三河臺(tái)數(shù)字電擾動(dòng)觀測(cè)每天在北京時(shí)間6點(diǎn)50分至11點(diǎn)、12點(diǎn)40分至17點(diǎn)固定時(shí)間段出現(xiàn)的高值脈沖，與恒遠(yuǎn)自動(dòng)化儀表廠的工作時(shí)間比較一致，這表明高值脈沖主要是因儀表廠的供電干擾所致。

同時(shí)，通過測(cè)量電壓、電阻以及交換模擬儀器與數(shù)字儀器的電極測(cè)試后發(fā)現(xiàn)，三河臺(tái)數(shù)字電擾動(dòng)?xùn)|測(cè)量電極存在問題，東西向數(shù)據(jù)不可信；安裝新儀器進(jìn)行對(duì)比觀測(cè)兩周后，新儀器與原來觀測(cè)儀器數(shù)據(jù)較一致，3月20日使用鼎陽SIGLENT SDG1020雙通道DDS函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，對(duì)原觀測(cè)儀器進(jìn)行了進(jìn)一步的檢測(cè)后認(rèn)定，原儀器的工作正常；對(duì)觀測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集軟件的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，數(shù)字觀測(cè)儀的兩測(cè)道存在數(shù)據(jù)互換的現(xiàn)象，其南北測(cè)道的高值數(shù)據(jù)應(yīng)該是東西測(cè)道的變化數(shù)據(jù)；模擬觀測(cè)的對(duì)比結(jié)果表明，同時(shí)間段模擬觀測(cè)未出現(xiàn)異常；通過更換東西向線路和電極，觀測(cè)數(shù)據(jù)恢復(fù)正常。綜合分析認(rèn)為，三河臺(tái)數(shù)字電擾動(dòng)出現(xiàn)的高值異常是東電極和傳輸線路出現(xiàn)故障及兩測(cè)道數(shù)據(jù)互換造成的，并非震兆異常。

5 結(jié)論與建議

自2013年12月17日以來，三河臺(tái)數(shù)字電擾動(dòng)觀測(cè)的NS和EW兩測(cè)道交替出現(xiàn)了背景值增大的高值異常，這是東電極和傳輸線路出現(xiàn)故障及兩測(cè)道數(shù)據(jù)互換造成的，并非震兆異常。

考慮到數(shù)字電擾動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集軟件將南北向和東西向數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在一個(gè)文件內(nèi)，如果出現(xiàn)缺數(shù)，可能造成兩測(cè)道數(shù)據(jù)互換現(xiàn)象，應(yīng)盡快改進(jìn)數(shù)據(jù)采集軟件，把兩個(gè)測(cè)道采集的數(shù)據(jù)改為兩個(gè)數(shù)據(jù)文件。另外，考慮到電信號(hào)的相互干擾，建議對(duì)電源線、信號(hào)線采取必要的屏蔽措施。

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Analysis on the Anomaly of Digital Electric Field Perturbations at Sanhe Station, Hebei

Qiao Ziyun1), Zhang Guoling1), Jia Lifeng1), Fang Zhaomeng2),Liu Guoquan3)and Liang Yumei3)

1) Earthquake Administration of Hebei Province, Shijiazhuang 050021, China?2) Seismological Bureau of Langfang, Hebei Province, Langfang 065000, China?3) Sanhe Seismic Station, Hebei Province, Sanhe 065200, China

On December 17, 2013, we detected great digital electric field perturbations in the NS and EW channel of at Sanhe station. After site visiting and analyzing the digital electromagnetic perturbations, we found that instrument is working OK, electrode and line east measuring is interrupt and the observation data is interference by instrument power supply. Through the analysis of data storage format of observation system data acquisition, we found that NS and EW channels data swaps. After changing the electrode and the line, the observation data is back to normal.Comprehensive analysis of the digital electromagnetic disturbances at Sanhe station indicates that high value change is caused by the interference, not a precursory anomaly.

Digital electric field perturbations; Sanhe Station; Anomaly analysis; Interference

國家自然科學(xué)基金（41274079）和震情跟蹤定向工作任務(wù)（2015010403）共同資助

2015-02-05

喬子云，女，生于1965年。1988年畢業(yè)于華北水利水電學(xué)院，學(xué)士學(xué)位，高級(jí)工程師。主要從事電磁分析和地震預(yù)測(cè)研究工作。E-mail：qzy@eq-he.ac.cn