余思，許志山，汪利波，陳浩

(1.江西省地震局南昌中心地震臺，江西南昌　330000； 2.江西省地震局，江西南昌　330000)

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漏電對南昌地震臺電場觀測影響

余思1，許志山1，汪利波2，陳浩2

(1.江西省地震局南昌中心地震臺，江西南昌330000； 2.江西省地震局，江西南昌330000)

摘要：針對南昌地震臺2013年11月16日出現(xiàn)的漏電干擾事件，建立了均勻半無限介質的地面點電源模型，分析電場數據在近源場和遠源場的區(qū)別，遠場可近似為均勻場，近場為不均勻場；對比2種電場觀測方式(地電場和自然電場)對漏電源的響應，對于南昌地震臺此次漏電源，2種電場觀測方式數據均表現(xiàn)為干擾產生的電場強度大小不一，且方向相反。

關鍵詞：地電場；自然電場；漏電干擾

0引言

地電場主要包括大地電場和自然電場。大地電場的場源是高空電離層、磁層、對流層的電流體系的電磁感應，其影響分布于整個地表廣大地區(qū)。自然電場場源主要來自地球內部(特別是地殼的淺層)由于正負電荷分離而產生的電流體系。地電場既受源的控制，又受局部介質電性結構的影響，而顯示出區(qū)域性差異。許多研究表明，在地震預測研究中，自然電場的震前異常現(xiàn)象是值得重視的研究內容之一[1-8]。因此，分析和研究地電場中自然電場變化的特點，是將地電場觀測用于地震預測研究的重要分支之一。

1982年，希臘雅典大學“VAN”小組[9,10]利用多極距裝置開展地電場觀測，并實現(xiàn)排除觀測噪聲的目的，之后，“VAN”小組對此方法做了很多研究[11]。我國20世紀80年代末期開始采用ZD8數字地電儀，并獲得大量豐富的自然電場時均值資料。但是由于地電場觀測受到的干擾因素較多[12-14]，致使數據異常，給觀測數據、異常分析、科學研究和地震預報帶來較大困難。其中由于經濟快速發(fā)展，地電場外線路較長，雜散電流對地電場影響問題尤其突出。王新勝等[15]利用接地電阻測試儀來快速檢測地電場地埋電纜漏電；陳志剛等[16]為排除漏電對臺站觀測的干擾，利用電場矢量合成的計算方法，確定了干擾源的方位，并對該方向用電設備進行詳查，最終確定漏電源。

1理論模型

地電場分量觀測的基本方法是在指定方向、按照一定的電極極距布設如圖1所示的觀測裝置，測量該裝置下2個電極A和B之間的電位差V。該電位差V中包含的物理量為天然的大地電場和自然電場，也包括可能電極極化產生的電位和環(huán)境干擾電場，如式(1)：

V=Vt+Vsp+Vp+Vn

(1)

式中，Vt為大地電場，Vsp為自然電場，Vp為極化電位差，Vn為干擾電場。

圖1　地電場觀測原理示意圖

設地面為無限大平面，地下充滿均勻、各項同性的導電介質，當電流源O在地表向地下供入電流I時，地中電流線的分布便以O為中心向周圍呈輻射狀，如圖2所示。

圖2　點電源電場模型

求距離O點為R處A點的電位公式，選用球形坐標，把原點置于O點，由于任一點的電位與方位角Φ與極角θ無關，故球坐標系中的拉普拉斯方程簡化為：

(2)

將它積分2次，則得：

(3)

C，C1均為積分常數。當R→∞，U=0，故C1應等于零。在半無限介質中，由于電流為I，故：

(4)

另一方面，

(5)

因此，

(6)

將C1，C值代入公式得，則有：

(7)

(8)

這就是均勻、各向同性半無限介質中，點源電場的電位分布公式。

B電極到點電源O之間的距離為r，即AB之間的電位差為:

(9)

則AB的電場強度為：

(10)

由于電位U與距離R成反比，因此對于具有相同強度的信號源，距離觀測點遠，在2個不同極距上產生的電場強度，大小會近似相等；而距離觀測點近，在2個不同極距上產生的電場強度，大小會差別較大；特別是，當信號源位于測區(qū)內部，2個極距上觀測到的地電場分量值甚至會符號相反。因此，采用多極距裝置系統(tǒng)觀測地電場，可以區(qū)分地電場觀測中相對近源的信號和相對遠源信號。即，遠源場是均勻的或者準均勻的；近源場是非均勻的。

2電場觀測方式

2.1地電場

南昌地震臺地電場是江西省地震局“十五”網絡項目區(qū)域前兆臺網建設地電場分項的新建項目。地電場觀測采用“三方向，多極距”的觀測方法，南昌地震臺地電場的電極按“L”方式布設(圖3)，2個測道的方位分別約為北東45°、南東135°，斜道方位約為正南北，2個測道大致呈正交布設，東西測道長227m，南北測道長178m。

圖3　南昌地震臺地電場觀測方法示意圖

圖4是南昌地震臺地電場日變曲線圖，為儀器安裝初期，時間段為2008年12月1日至2008年12月5日。從圖4中可以看出，地電場的日變形態(tài)比較清晰，且三分向變化形態(tài)相似，一天24小時呈現(xiàn)雙峰雙谷變化，半日波較為明顯，呈現(xiàn)出比較典型的地電場日變化形態(tài)。不同測道之間數據相關性較好，變化幅度一致，南北測道與東西測道呈正相關性；與北西測道呈負相關性。由圖4可以看出，在不同方向上，即南北、東西、北西3個方向上曲線的變化形態(tài)是一致的；在相同方向上，不同極距之間，變化形態(tài)也是一致的，而且相位基本相等。

圖4　南昌地震臺地電場日變曲線

自2010年以后，由于南昌地震臺地電場觀測數據影響因素較多，特別是電極極化、電極埋設高差[17]導致現(xiàn)在觀測數據質量較差。南昌地震臺地電場各向長短極距相關系數月均值變化曲線，如圖5所示，南北長短極距相關系數均在0.3以下，東西長短極距相關性要好于南北，但是也在0.5以下，斜道(及北西)長短極距變化幅度較大?？傮w來看，南昌地震臺地電場觀測資料可靠性不高。

圖5　南昌地震臺地電場相關系數月均值變化曲線

2.2自然電場

地殼應力研究所試驗儀器地電場儀有26個測量通道，進行多方位、多通道的地電場觀測，通過計算可得出大地電場和自然電場。以觀測區(qū)域中心點O為基準點，按圖6所示的方法埋設電極P1～P8，每個測道35 m左右，測道夾角為45°，在基準點(即O點)和其他電極點埋設一組(3只)電極，以用于識別和監(jiān)測電極的極化電位的穩(wěn)定性。

圖6　南昌地震臺自然電場觀測方式示意圖

記錄到地電場正常的日變形態(tài)，曲線呈現(xiàn)雙峰雙谷，測值在幾到十幾毫伏之間。同一極坑中的3只電極記錄在電極正常情況下，形態(tài)一致如圖7a所示；如果電極有問題，則3條曲線形態(tài)不一致。相對極坑中的電極記錄形態(tài)相反是因為中心電極作為負極，所以相對極坑中的觀測曲線呈現(xiàn)相反形態(tài)(如圖7b所示)及同極坑電極之間為正相關，相對極坑電極之間為負相關，由此可以判斷數據質量。

a.同一坑中觀測數據趨勢

b.相對坑中觀測數據趨勢圖7　南昌地震臺自然電場觀測數據

3干擾源影響

2013年11月16日起，2種觀測方式的各測道同步出現(xiàn)臺階干擾變化，臺階方向有正有負，臺階大小不一。最后在2014年3月26日查明是臺站內部電線破損搭地，以自然電場中心點為參考點，漏電源在自然電場中心點北西方向約170 m處。臺站重新接線，排除了漏電源干擾，數據恢復正常，由于干擾源持續(xù)，所以觀測數據臺階一直持續(xù)(圖8～圖9)。

圖8　南昌地震臺地電場南北、東西短極距數據

圖9　自然電場第1、5道數據

由于南昌地震臺地電場數據可靠性較差，只能作為參考，從南北、東西短極距可以看出，南北短極距數據下降約350 mv/km，東西端極距上升達到800 mv/km，數據階變且臺階方向相反。自然電場數據測值突然增大，均產生階變，且第3、4、5道臺階方向為負，其余5道為正，變化幅值不等；數據噪聲增大，突跳增多。圖10為通道第一電極和第二電極的相關系數曲線，相關系數主要用于識別同一極坑中3個電極是否正常工作，從圖10可以看出，在220 V交流漏電期間，電極觀測數據的相關性差。正常數據情況下，相關系數均值為0.9左右，而在漏電干擾期間，相關系數急劇下降，呈突跳狀。

圖10　自然電場相關系數

4討論

(1)從南昌地震臺地電場與自然電場數據分析，干擾數據較正常數據相比，突跳增多、數據形態(tài)加粗，且自然電場數據相關系數下降，嚴重影響了數據的內精度。地電場“多極距、多方向、同坑多電極”觀測方式可以監(jiān)測電極與觀測系統(tǒng)的穩(wěn)定性，識別數據正常與否。

(2)從理論建模分析，對于具有相同強度的信號源，距離觀測點遠，在2個不同極距上產生的電場強度，大小會近似相等；而距離觀測點近，在2個不同極距上產生的電場強度，大小會差別較大；特別是，當信號源位于測區(qū)內部，2個極距上觀測到的地電場分量值甚至會符號相反。對于此次漏電干擾源，南昌地震臺地電場與自然電場數據電場分量符號有正有負，干擾幅值大小不等，說明干擾源位于測區(qū)內部，查找得出的漏電源位置與理論相符。

(3)對于同一干擾源，從干擾數據分量符號、干擾幅值大小，可以簡單定性確定干擾源為近源場還是遠源場。

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THE INFLUENCE OF THE ELECTRICITY-LEAKING INTERFERENCE IN ELECTRIC FIELD OBSERVATION AT NANCHANG SEISMIC STATION

YU Si1, XU Zhishan1,WANG Libo1,CHEN Hao1

(1.NanchangSeismicStation,EarthquakeAdministrationOfJiangxiProvince,Nanchang330000,China;2.EarthquakeAdministrationOfJiangxiProvince,Nanchang330000,China)

Abstract:Based on the interference of the electricity-leaking on Nov.16th,2013 at Nanchang seismic station, the ground point power source model in homogeneous semi-infinite medium is built in the paper,the differences between near-source and far-source are analyzed and compared the leakage interference responses of the two electric field observations(geoelectric field and spontaneous field).

Key words:Geoelectric field;Spontaneous field;Electricity-leaking interference

中圖分類號：P315.72+8

文獻標識碼：A

文章編號：1005-586X(2016)01-0066-07

作者簡介：余思(1988—)，女，湖北孝感人，助理工程師，主要從事臺站監(jiān)測工作。E-mail:yusi24101988@126.com。

基金項目：2015年中國地震局三結合課題(課題編號：151402)資助。

收稿日期：2015-06-24