彭麗娟，閆美蓉，韓 勝，李文超，白偉利，劉 發(fā)，張文慧

(1.山西省地震局大同中心地震臺，山西 大同 037000；2.太原大陸裂谷動力學(xué)國家野外科學(xué)觀測研究站，山西 太原 030025)

0 引言

地電場是一種地球物理場,主要指地表及地球內(nèi)部存在的電場。地電場前兆觀測主要觀測地電場的地表分量及其時空變化，是地震監(jiān)測預(yù)報中的一種前兆手段。在日常觀測中，地電場觀測資料記錄到的干擾形態(tài)有多種，影響因素也不盡相同。2005年山西省地震局首次引入地電場觀測項(xiàng)目即“十五數(shù)字地震網(wǎng)絡(luò)工程”，在大同、代縣、太原、臨汾、夏縣建設(shè)地電場觀測臺站。多年來運(yùn)行良好，觀測數(shù)據(jù)穩(wěn)定[1]。文章以大同中心地震臺(以下簡稱大同臺)地電場各測道2014年1月1日至2017年6月30日的分鐘值數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行分析研究，結(jié)合工作日志統(tǒng)計(jì)日變情況，對雨雪、雷電、大風(fēng)等天氣變化、周邊環(huán)境改變、外空磁場環(huán)境變化，以及觀測系統(tǒng)本身變化等可能存在的影響因素進(jìn)行分析，得出大同臺地電場變化特征及具體影響因素。為快速準(zhǔn)確識別干擾因素、捕捉地震前的異常信息、判斷觀測系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的技術(shù)故障提供參考依據(jù)。

1 地電場觀測項(xiàng)目基本情況

根據(jù)“中國數(shù)字地震觀測網(wǎng)絡(luò)”總體設(shè)計(jì)和“山西省數(shù)字地震觀測網(wǎng)絡(luò)”建設(shè)方案，2006年1月大同臺在大同市南郊區(qū)馬軍營鄉(xiāng)上皇莊村新建了地電場項(xiàng)目。項(xiàng)目場地選在原來的地電阻率場地上，獨(dú)立布設(shè)電極和線路，采用地電場常用的L型觀測裝置布設(shè)。具體為：在場地中心點(diǎn)向南和向東布設(shè)測線，每個方向均有兩個測道。選取不同極距埋設(shè)電極，其中長極距為300 m，短極距為200 m，形成6極共用。室內(nèi)分線組合成12個輸入端進(jìn)入儀器，形成6個測道，分別是：南北向長極距300 m、南北向短極距200 m、東西向長極距300 m、東西向短極距200 m、北45度東向長極距424 m、北45度東向短極距283m。布極中心點(diǎn)距觀測室約750 m(見圖1)。2006年7月ZD9A-Ⅱ地電場儀試運(yùn)行，2008年1月1日正式運(yùn)行。經(jīng)過多年的觀測運(yùn)行，觀測質(zhì)量較好，數(shù)據(jù)穩(wěn)定，相關(guān)系數(shù)在0.9以上。

2 地電場觀測數(shù)據(jù)變化特征

大同臺地電場觀測數(shù)據(jù)穩(wěn)定、連續(xù)、可靠，各測道年均連續(xù)率均在99.8%以上，完整率在99.5%以上，相關(guān)系數(shù)約0.94，差值約0.4。大同臺地電場觀測主要特征是：背景噪聲大，日變曲線多數(shù)呈弱日變。由于線路架設(shè)在農(nóng)田中，測量數(shù)據(jù)及相關(guān)系數(shù)易受降雨、降雪、大風(fēng)、雷電等自然現(xiàn)象及不明原因的影響。電磁暴或電磁擾動多數(shù)情況下對地電場影響不明顯，大的電磁暴能夠記錄到。大同臺地電場每月平均弱日變天數(shù)在10 d左右，日變幅度為4.90～6.50 mV/km。

3 地電場觀測數(shù)據(jù)影響因素分析

從大同臺地電場觀測數(shù)據(jù)變化情況看出，雷電、雨雪、大風(fēng)等自然環(huán)境變化、場地環(huán)境變化、地球物理事件、人為干擾因素、觀測系統(tǒng)異常等因素都可能對地電場觀測數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響，同時還存在一些不明原因的影響。

3.1 自然環(huán)境影響

由于線路架設(shè)在農(nóng)田中，大同臺地電場測量數(shù)據(jù)及相關(guān)系數(shù)易受降雨、雷電、大風(fēng)等自然現(xiàn)象的影響，幾乎每次降雨、降雪、大風(fēng)、雷電都會引起地電場數(shù)據(jù)的明顯變化。自然環(huán)境的變化會影響大地電場的正常動態(tài)變化，引起地電場觀測曲線出現(xiàn)高頻抖動、趨勢性上升或下降等變化[2]。2014年1月1日至2017年6月30日，大同臺共記錄到105起因降雨、雷電、大風(fēng)、降雪等自然環(huán)境變化而導(dǎo)致觀測數(shù)據(jù)異常的事件。各測道數(shù)據(jù)最大變幅為287.84 mV/km，每次變化都會隨著降雨、雷電、大風(fēng)等的結(jié)束逐漸恢復(fù)到正常背景值。圖2為2014年至2016年受自然環(huán)境干擾的典型圖形。

圖2 自然環(huán)境干擾對地電場觀測預(yù)處理分鐘值的影響Fig.2 Influence of natural environmental interference on preprocessing minute value of geoelectric field

3.2 場地環(huán)境變化影響

地電場觀測對場地環(huán)境有較高要求，測區(qū)環(huán)境變化通常會導(dǎo)致觀測數(shù)據(jù)發(fā)生變化。測區(qū)內(nèi)出現(xiàn)改變電磁環(huán)境的物體，以及流體分布發(fā)生變化時，會造成觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)強(qiáng)烈擾動現(xiàn)象[3]。2014年1月1日至2017年6月30日，大同臺共記錄到12起因附近打井、農(nóng)田灌溉、電線漏電等場地環(huán)境變化而對觀測數(shù)據(jù)產(chǎn)生干擾的事件，各測道數(shù)據(jù)最大變幅為177.97 mV/km。農(nóng)田灌溉積水下滲導(dǎo)致地下介質(zhì)電阻率變化，造成地電場觀測數(shù)據(jù)曲線下降、上升、階變，此類干擾通常會隨著農(nóng)田水分蒸發(fā)而消失。電線漏電則會導(dǎo)致土壤介質(zhì)中帶電離子電位發(fā)生變化，造成觀測數(shù)據(jù)產(chǎn)生階變。第18頁圖3為2015年典型場地環(huán)境干擾圖形。

3.3 地球物理事件影響

大地電場主要是大氣層中的各種電流體系在地球內(nèi)部所產(chǎn)生的感應(yīng)電場，與地球外部磁場變化有著直接的關(guān)系。地球外部磁場變化，如地電暴、磁暴、太陽粒子流大爆發(fā)等情況都會引起電場變化[4]。2014年1月1日至2017年6月30日，大同臺記錄到1起因地電暴干擾而影響觀測數(shù)據(jù)的事件。地電暴是指在磁暴時記錄到的地電場劇烈變化。當(dāng)?shù)仉姳┌l(fā)生時，所有電場觀測項(xiàng)和地磁要素均發(fā)生不同程度的變化。第18頁圖4為2015年3月16日至22日大同臺第一裝置北東向和第二裝置北南向預(yù)處理分值圖，可以看到3月17日17時至18日11時受地電暴干擾，地電場各測道數(shù)據(jù)出現(xiàn)不同程度的變化。

3.4 人為干擾的影響

人為干擾會對觀測環(huán)境和觀測系統(tǒng)等產(chǎn)生影響[5-6]，進(jìn)而對地電場觀測數(shù)據(jù)產(chǎn)生干擾。2014年1月1日至2017年6月30日，大同臺共記錄8起因更換電極、儀器標(biāo)定、線路檢測等人為因素對觀測數(shù)據(jù)產(chǎn)生干擾的事件，其中6次更換電極，導(dǎo)致6個測道產(chǎn)生數(shù)據(jù)階變，階變最大幅度22.27 mV/km。更換之后，觀測數(shù)據(jù)通常需要經(jīng)過一段時間調(diào)整才能逐漸趨于原值，這可能與電極自身、電極坑內(nèi)土壤的結(jié)合以及自身極化調(diào)整的過程有關(guān)。第18頁圖5為2015年9月7日大同臺第一裝置北東向和第二裝置北南向預(yù)處理分值圖，在17：59至18：28因進(jìn)行季度標(biāo)定，造成數(shù)據(jù)缺測以及錯誤數(shù)據(jù)，其他時間段數(shù)據(jù)變化正常。圖6為2016年9月7日大同臺第一裝置北東向和第二裝置北南向預(yù)處理分值圖，在14:00至15:20因季度巡檢檢測外線路造成干擾，數(shù)據(jù)變幅嚴(yán)重超差，發(fā)生較大突跳。

圖3 場地環(huán)境對地電場觀測預(yù)處理數(shù)據(jù)的影響Fig.3 Influence of site environment on preprocessing data of geoelectric field

圖4 地電暴干擾對地電場觀測預(yù)處理數(shù)據(jù)的影響Fig.4 Influence of geoelectric storm interference on preprocessing data of geoelectric field

3.5 觀測系統(tǒng)的影響

圖5 儀器標(biāo)定對地電場觀測預(yù)處理數(shù)據(jù)的影響Fig.5 Influence of instrument calibration on preprocessing data of geoelectric field

圖6 外線路檢測對地電場觀測預(yù)處理數(shù)據(jù)的影響Fig.6 Influence of external line detection on preprocessing data of geoelectric field

地電場觀測系統(tǒng)主要完成地電場信號的采集、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)儲存、數(shù)據(jù)處理等，主要由測量裝置系統(tǒng)(外線、電極等)和測量系統(tǒng)(主機(jī)、電源)組成[7]。觀測系統(tǒng)每部分的狀態(tài)直接影響觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量。通常裝置系統(tǒng)干擾會影響觀測數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，測量系統(tǒng)干擾會降低數(shù)據(jù)的連續(xù)率和完整率[8]。2014年1月1日至2017年6月30日，大同臺共記錄到9起因電極故障或電極運(yùn)行不穩(wěn)定、地電場外線被盜等對觀測數(shù)據(jù)產(chǎn)生干擾的事件，各測道數(shù)據(jù)最大變幅為102.58 mV/km。第19頁圖7為2017年3月26日至27日大同臺第二裝置北南向和東西向預(yù)處理分值圖，可以看出3月26日20:56至27日00:50，觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)階變，最大變化78.68 mV/km。數(shù)據(jù)變化后，檢查儀器及室內(nèi)線路，巡視外線路和測區(qū)環(huán)境等，一切正常。分析認(rèn)為，數(shù)據(jù)階變和短道公共電極有關(guān)，長道數(shù)據(jù)正常。因此，排除場地環(huán)境的影響，是由短道電極不穩(wěn)定引起的數(shù)據(jù)階變。

3.6 不明原因干擾

不明原因引起的觀測數(shù)據(jù)突跳、階變等情況，需要在今后的觀測工作中予以重點(diǎn)關(guān)注，做進(jìn)一步的分析研究和查找。2014年1月1日至2017年6月30日，大同臺共記錄9起不明原因?qū)τ^測數(shù)據(jù)產(chǎn)生干擾的事件，數(shù)據(jù)最大變幅69.4 mV/km。第19頁圖8為2015年1月12日至18日第一裝置北東向和第二裝置北南向預(yù)處理分值圖，看出1月18日11:55至14:31數(shù)據(jù)發(fā)生階變，各測道數(shù)據(jù)變化范圍為3.56～8.03 mV/km。巡視并檢查外線路和測區(qū)環(huán)境、儀器及室內(nèi)線路等，未發(fā)現(xiàn)明顯異常及干擾源，數(shù)據(jù)階變原因不明。

圖7 電極運(yùn)行不穩(wěn)對地電場觀測預(yù)處理數(shù)據(jù)的影響Fig.7 Influence of unstable electrode operation on preprocessing data of geoelectric field

圖8 不明原因?qū)Φ仉妶鲇^測預(yù)處理數(shù)據(jù)的影響Fig.8 Influence of unexplained factors on preprocessing data of geoelectric field

4 結(jié)論

通過以上分析，得出如下結(jié)論：

(1) 大同臺地電場觀測數(shù)據(jù)穩(wěn)定、連續(xù)、可靠，主要特征是背景噪聲大，日變曲線多數(shù)呈弱日變，每月平均弱日變天數(shù)在10 d左右，日變幅為4.90～6.50 mV/km。

(2) 大同臺地電場觀測數(shù)據(jù)易受降雨、雷電、雨雪、大風(fēng)等自然環(huán)境的影響；場地環(huán)境變化、地球物理事件、人為干擾、觀測系統(tǒng)也會對觀測數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響；此外，還存在一些不明干擾因素，需在今后的工作中做進(jìn)一步的分析研究。

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