李雪浩，劉華姣，趙乃千，林 建，李貴元

(1.成都地震基準(zhǔn)臺(tái)，四川 成都 611730；2.康定地震中心站，四川 康定 626001)

地電場是重要的地球物理場之一，對(duì)于地電場進(jìn)行觀測是獲得地震前兆觀測數(shù)據(jù)，主要觀測地電場的地表分量及其時(shí)空變化。根據(jù)不同的場源，地表地電場可以劃分為大地電場和自然電場兩大部分。其中大地電場是由地球外部的各種場源在地球表面感應(yīng)產(chǎn)生的分布于整個(gè)地表或較大地域的電場，一般具有廣域性。自然電場是地下介質(zhì)由于各種物理、化學(xué)的作用在地表形成的較為穩(wěn)定的電場，一般具有局部性(中國地震局，2001；中國地震局監(jiān)測預(yù)報(bào)司，2002)。由于地電場本身容易受區(qū)域電磁環(huán)境等因素的影響，這對(duì)地電場觀測環(huán)境條件提出了更高的要求。于是要求地電場數(shù)字化儀器要大幅提高了采樣率與靈敏度，但是干擾因素也進(jìn)入到觀測系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)曲線形態(tài)變化復(fù)雜多樣，這給正確排除干擾、準(zhǔn)確識(shí)別與地震孕育過程有關(guān)的地電場異常變化帶來了很大的困難。成都地震臺(tái)2014年更換了電極和測量線，通過對(duì)2014年之后的地電場觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)的整理分析，我們總結(jié)了觀測數(shù)據(jù)的日變形態(tài)特征，并對(duì)一些觀測中常見的干擾因素和干擾特征進(jìn)行了歸納，這有利于進(jìn)一步提高觀測資料質(zhì)量，更好為震情跟蹤和地震預(yù)報(bào)提供基礎(chǔ)信息。

1 地電場觀測簡介

1.1 觀測場地

成都地震臺(tái)位于都江堰市與郫縣交界的走石山，這里地處龍門山地震斷裂帶的前山斷裂，從地質(zhì)角度來看這里的地層是屬白堊系礫巖經(jīng)風(fēng)化剝蝕后形成的，周圍均為第四系沖積物所覆蓋的農(nóng)田。地電觀測場地建設(shè)在第四系覆蓋層和下伏巖石上。整個(gè)儀器系統(tǒng)觀測區(qū)大部分為農(nóng)田耕作土地，觀測場地勢開闊平坦。但是，隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，臺(tái)站周圍已經(jīng)有工業(yè)設(shè)施分布，存在工業(yè)游散電流的影響，同時(shí)“成青快鐵”的運(yùn)行以及地鐵2號(hào)線西延線的運(yùn)行，在一定程度上影響了地電場觀測環(huán)境。

1.2 觀測系統(tǒng)

地電場布極中心點(diǎn)距成都地震臺(tái)中心大約300 m，儀器觀測系統(tǒng)采用“三方向，多極距”的布局，考慮到場地具體情況，采用的是倒“L”型布局。從中心點(diǎn)向西和向南分別布設(shè)測線，每個(gè)測向均有兩個(gè)測道，極距分長、短2段，中心點(diǎn)O1和O2點(diǎn)為共用電極，其中NS向長極距為296 m，短極距為196 m；EW向長極距為300 m，短極距為202 m；N45°W向長極距為420 m，短極距為282 m。室內(nèi)分線組合成12個(gè)輸入端進(jìn)入儀器，形成6個(gè)測道，電極布設(shè)方式參見圖1。觀測系統(tǒng)中的儀器采用中國地震局地震預(yù)測研究所研發(fā)的ZD9A-Ⅱ型地電場儀，測量電極采用蘭州地震研究所生產(chǎn)的LGB-2型固體非極化專用電極，電極埋設(shè)于地表下約2 m的潮濕土壤中,各電極位置處于同一平面上，外線路使用了專門定制的銅芯絕緣電纜線，采取懸空架設(shè)，抗拉強(qiáng)度高，絕緣電阻均大于500 MΩ。觀測室內(nèi)配備有專用的避雷接線裝置，整個(gè)觀測系統(tǒng)采用UPS不間斷電源供電，以提高儀器系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。

圖1 地電場布極示意

圖2 成都地震臺(tái)地電場靜日變化(2014-1-23-25)

圖3 地電場記錄地電暴曲線(2015-3-17)

2 觀測數(shù)據(jù)正常變化及地電暴影響

2.1 地電場正常日變形態(tài)特征

大地電場靜日變化是由中低緯度上空電離層電流系產(chǎn)生的，變化具有確定的周期性。由于地電場觀測對(duì)象是一個(gè)水平矢量，大小和方向是隨時(shí)間變化的，且具有一定的日變規(guī)律(孫正江，1984)。從成都臺(tái)地電場2014年1月23～25日連續(xù)3天地磁平靜日的分析可以看出，地電場觀測儀器在沒有干擾的情況下可以清晰記錄到地電場的正常日變,3個(gè)測向的日變形態(tài)稍有區(qū)別，但是整體的變化趨勢是基本一致的，每天13時(shí)左右會(huì)出現(xiàn)低值狀態(tài)，兩側(cè)各有一個(gè)極大值，EW測向在相位上略滯后于NS和N45°W測向。各測向的日變化幅度不大，日變化幅度一般在7 mV/km(參見圖2)，且差異較小。

2.2 地電暴影響

磁暴作為一種劇烈的全球性擾動(dòng)變化，是太陽活動(dòng)旺盛時(shí)期，特別是在太陽黑子極大期時(shí)，太陽表面輻射出的帶電粒子形成的電流沖擊地球磁場而產(chǎn)生的一種電磁效應(yīng)。地電暴則是指在磁暴期間記錄到的地電場的劇烈變化(張振文，2010)。圖3是2015年3月17日發(fā)生磁暴(最大地磁K指數(shù)等于7)時(shí)成都臺(tái)地電場記錄到地電暴發(fā)生的全過程變化曲線。由于地電暴與磁暴具有同源性，在時(shí)間域和頻率域上都具有較好的同步性和相關(guān)性。從圖3中可以看出，地電暴發(fā)生之前，電場日變化正常，地電暴發(fā)生之后，日變化被明顯打亂，且6個(gè)測道數(shù)據(jù)曲線畸變時(shí)間同步，變化形態(tài)也基本一致，均表現(xiàn)為高頻突跳脈沖，地電暴嚴(yán)重影響了正常日變形態(tài)，其變化幅度隨著磁擾強(qiáng)度的增強(qiáng)而增大，磁擾活動(dòng)結(jié)束后，地電場數(shù)據(jù)也隨之恢復(fù)正常。

3 地電場觀測干擾分析

3.1 地電阻率同場觀測時(shí)產(chǎn)生干擾

成都臺(tái)地電場觀測與地電阻率為同場地觀測項(xiàng)目。在地電儀進(jìn)行觀測時(shí)，儀器需向大地供電，這會(huì)產(chǎn)生一個(gè)人工電場疊加在原來的大地電場上，從而影響對(duì)于地電場的觀測結(jié)果。圖4為地電場觀測受地電阻率觀測影響后的數(shù)據(jù)變化曲線形態(tài)，圖4中的高頻脈沖皆為地電阻率觀測時(shí)產(chǎn)生的干擾所致。對(duì)儀器進(jìn)行時(shí)間調(diào)校之后，地電場儀器的采樣時(shí)段，地電儀不供電，地電場記錄的數(shù)據(jù)沒有干擾，用此種方法可以排除地電阻率同場干擾情況的發(fā)生。

圖4 地電阻率供電測數(shù)對(duì)地電場觀測的影響

3.2 地鐵運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生干擾

2013年6月開始，成都地鐵2號(hào)線二期工程西延線(茶店子─犀浦)投入運(yùn)營，其最近的犀浦站距成都臺(tái)地電觀測場地約26千米。在每日06時(shí)至23時(shí)40分地鐵運(yùn)營時(shí)段，地電場各測道觀測數(shù)據(jù)同步出現(xiàn)明顯的高頻脈沖圖像，呈現(xiàn)“毛刺”狀，在地鐵停運(yùn)時(shí)段進(jìn)行觀測時(shí)則數(shù)據(jù)變化趨于正常(參見圖5)，這些情況的發(fā)生說明可能是地鐵運(yùn)行過程中的對(duì)地漏電形成的一種典型干擾，干擾對(duì)地電場觀測造成了影響，也給觀測資料的應(yīng)用和地震異常信息的識(shí)別造成了困難。

圖5 地鐵運(yùn)行對(duì)地電場觀測的影響

3.3 雷電干擾

大地電場是一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定且具有一定變化規(guī)律的電場，當(dāng)發(fā)生外部電場變化干擾后會(huì)導(dǎo)致地電場觀測數(shù)據(jù)曲線發(fā)生畸變。對(duì)流層中的雷電現(xiàn)象便是引起電場觀測數(shù)據(jù)曲線畸變的因素之一，因?yàn)槔纂姲l(fā)生會(huì)改變區(qū)域電場的分布。由于雷電通常距離觀測場地較近，電壓很高，在放電的瞬間會(huì)導(dǎo)致地電場觀測數(shù)據(jù)變化幅度增大，而且持續(xù)時(shí)間也相對(duì)較長(林向東，2007)。圖6為成都地震臺(tái)2014年7月10日地電場觀測數(shù)據(jù)曲線的變化形態(tài)，可以看出2014年7月10日3時(shí)52分，受雷電干擾時(shí)段的觀測值明顯偏離正常的變化，曲線形態(tài)發(fā)生急速畸變。雷電期間地電場變化特征是數(shù)據(jù)突變時(shí)間與雷電放電時(shí)間具有同步性，觀測數(shù)據(jù)離散度較大，特別是在放電期間，數(shù)據(jù)變化形態(tài)呈現(xiàn)出典型畸變，就是說觀測數(shù)據(jù)大幅突跳，突跳幅度達(dá)到正常值的數(shù)十倍乃至數(shù)百倍，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)⒌仉妶鰞x直接擊壞，所以為了避免儀器系統(tǒng)的損壞，需要在雷電時(shí)段關(guān)閉儀器停測。

3.4 降雨、農(nóng)田灌溉干擾

成都臺(tái)整個(gè)地電觀測區(qū)大部分為農(nóng)田耕作區(qū)，地電場的觀測電極均埋設(shè)于農(nóng)田內(nèi)，降雨，農(nóng)田灌溉也會(huì)影響地電場觀測數(shù)據(jù)的正常變化形態(tài)，引起數(shù)據(jù)變化的原因可能是灌溉水或降雨下滲到電極處，導(dǎo)致電極極化電位不一致，從而將在測量回路中產(chǎn)生一個(gè)附加的電極極化電位差引起數(shù)據(jù)變化，影響地電場觀測(席繼樓，2002)。從圖7和圖8中可以看出地電場變化與降雨、農(nóng)田灌溉有著明顯的相關(guān)性，通常觀測數(shù)據(jù)會(huì)在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)大幅度的臺(tái)階或畸變，并且滲水量越多引起的臺(tái)階也越大。隨著水分逐漸蒸發(fā)，農(nóng)田逐漸干涸，觀測數(shù)據(jù)曲線會(huì)逐步恢復(fù)到正常日變形態(tài)，這一過程一般需要持續(xù)數(shù)小時(shí)甚至數(shù)天。

圖7 農(nóng)田灌溉對(duì)地電場觀測的影響

3.5 高壓直流輸電干擾

高壓直流輸電線干擾是近幾年出現(xiàn)的一種新的干擾。在高壓直流供電線正常輸電時(shí)，電流是從兩條架空線路通過的，電流方向相反，大小基本相等。只有很少的一部分不平衡電流(小于30 A)入地。但一旦出現(xiàn)故障后，就會(huì)出現(xiàn)很大的不平衡電流，對(duì)線路兩側(cè)的地震臺(tái)站中地磁觀測和電場觀測造成干擾。成都地震臺(tái)主要受±500 kV的寶雞—德陽輸電線(簡稱“寶德線”)的干擾，圖9為2015年6月14日“寶德線”對(duì)地電場觀測造成的影響，可以看出，其主要的干擾形態(tài)為方波型階躍，干擾幅度取決于觀測場地距離輸電線路的遠(yuǎn)近，一般根據(jù)兩者間的距離有關(guān)，變化率可達(dá)幾十或上百mV/km。

圖8 降雨對(duì)地電場觀測的影響

圖9 高壓直流輸電干擾對(duì)地電場觀測的影響

4 討論

總結(jié)了成都地震臺(tái)地電場觀測數(shù)據(jù)的日變化形態(tài)和特征，并對(duì)一些引起數(shù)據(jù)變化的干擾因素作了歸納整理，主要如下面的結(jié)果。(1)成都臺(tái)地電場在沒有干擾的情況下可以清晰的記錄到地電場的正常日變，即每天中午13時(shí)左右會(huì)出現(xiàn)低值，兩側(cè)各有一個(gè)極大值，具有重現(xiàn)性，同時(shí)地電場也能真實(shí)的記錄到地電暴的發(fā)生，6個(gè)測道的觀測數(shù)據(jù)變化曲線畸變時(shí)間基本同步，且變化形態(tài)也基本一致。(2)地電場觀測比較容易受到外界因素的干擾，地電阻率變化干擾主要為供電、地鐵運(yùn)行、雷電、降雨、農(nóng)田灌溉和高壓直流輸電干擾等。干擾的種類相對(duì)較多，不同干擾源造成的地電場數(shù)據(jù)變化形態(tài)也不同，可分為臺(tái)階、方波型階躍，高頻脈沖、不規(guī)則大幅度突跳等。(3)結(jié)合地電場不同測道，不同形態(tài)的數(shù)據(jù)變化特征，可以識(shí)別一些典型的干擾并確認(rèn)干擾源，以便進(jìn)行有針對(duì)性的排除或采取一些抑制干擾的措施。同時(shí)，正確識(shí)別這些干擾變化也有助于地電場觀測資料的使用，對(duì)提取有用的地震前兆異常信息有很大幫助。

中國地震局.2001.地震及前兆數(shù)字觀測技術(shù)規(guī)范(電磁規(guī)范)[M].北京：地震出版社.

中國地震局監(jiān)測預(yù)報(bào)司.地震電磁數(shù)字觀測技術(shù)[M].北京：地震出版社,2002.

孫正江,王華俊.1984.地電概論[M].北京：地震出版社.

張振文,趙衛(wèi)星,等.2010.地電場觀測中地電暴的識(shí)別[J].防災(zāi)減災(zāi)學(xué)報(bào),26(2):40-47.

林向東,徐平,等.2007.地電場觀測中幾種常見干擾[J].華北地震科學(xué),25(1):16-22.

席繼樓,趙家騮,王燕瓊,等.2002.地電場觀測技術(shù)研究[J].地震,22(2):67-73.