趙玉紅，李 霞，盧嘉沁

（青海省地震局，青海 西寧 810001）

0 引言

在地震預(yù)報的多路探索中，預(yù)測方法的種類也不斷增多，儀器精度也不斷提高，使得地震前兆信息更多的被發(fā)現(xiàn)。而在地震前兆觀測中地電場觀測技術(shù)是重要方法之一，它是一門實驗學(xué)科，是以觀測和研究地球表層地電場的強(qiáng)度以及時空變化規(guī)律為內(nèi)容［1］，以探索可能與地震孕育和發(fā)生有關(guān)聯(lián)的地電場變化過程為目的的學(xué)科，其攜帶了大量的地球內(nèi)部重要信息，就目前而言，國內(nèi)外已經(jīng)有大量的學(xué)者對地電場技術(shù)進(jìn)行了研究，并從大量震例看出，強(qiáng)震前地電場記錄到前兆信息是客觀事實，也為地震預(yù)報提供有用的信息。

但在地震預(yù)測研究領(lǐng)域，我們關(guān)鍵在于能否區(qū)分真假前兆異常，然而，地電場異常和地震之間的關(guān)系并不是一一對應(yīng)，這就是我們地震預(yù)測的難點，由構(gòu)造作用引起應(yīng)力變化所產(chǎn)生的異?，F(xiàn)象才是我們需要的地震前兆信息，但是除去構(gòu)造作用外，還有很多外界因素影響數(shù)據(jù)變化。隨著地震研究的深入，以及數(shù)子化儀器的加入，雖然大大提高了儀器的采樣率以及靈敏度，但由于地電場觀測本身受區(qū)域電磁環(huán)境以及氣候因素干擾的特征外，觀測中所產(chǎn)生的干擾因素也隨之增多，這使得我們?nèi)绾螀^(qū)分和識別地電場異常變化尤為重要。

因青海省屬于大陸高原地區(qū)，條件較為艱苦，有地電觀測技術(shù)的臺站較少，所以本文主要利用青海省都蘭地震臺觀測以來的資料，通過每日地電場數(shù)據(jù)的變化，對引起本臺數(shù)據(jù)變化的各種干擾因素進(jìn)行分析，包括對觀測系統(tǒng)、測區(qū)環(huán)境、以及外線路等問題，并進(jìn)行總結(jié)分析，發(fā)現(xiàn)不同干擾源引起的數(shù)據(jù)變化形態(tài)、幅度不同，從而快速判斷，提出相應(yīng)的防范措施，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，為地震預(yù)報做好基礎(chǔ)工作。

1 基本情況

都蘭地震臺地電場于2007年10月開始觀測，后因觀測資料受干擾產(chǎn)出數(shù)據(jù)不可靠，于2014年11月中旬對臺站整體測點進(jìn)行搬遷，搬遷后數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠。該觀測點地處柴達(dá)木盆地東南隅，地勢由東南向西北傾斜。察汗烏蘇河斷裂帶向北西經(jīng)都蘭縣隱伏于柴達(dá)木盆地東南角，由于受喜瑪拉雅運動的影響，新構(gòu)造運動十分強(qiáng)烈，深大活動性斷裂規(guī)模大，地處可可西里——巴顏克拉、柴達(dá)木、兩個大地震帶之間，地震活動不但頻繁，而且強(qiáng)度高，是破壞性地震的多發(fā)地區(qū)。

都蘭地震臺采用的是中國地震局研制的ZD9A-Ⅱ數(shù)字化地電場儀，采樣率為1次/（分鐘·通道），電極采用固體不極化電極，為了有效的排除臺站周圍噪聲的影響，都蘭地震臺采用多極距的觀測系統(tǒng)即：同一方向上布設(shè)多道長、短不一的電極距，按照北南、東西、北東3個方向布設(shè)測線，外線路采用鎧裝電纜地埋方式，埋設(shè)在地表凍土層以下的沙質(zhì)沉積物中，如圖1所示。地電場觀測原場地位于一片農(nóng)田，公共極，北長極和北短極外線路均由一水渠低層穿過，搬遷后測區(qū)周圍地形開闊，環(huán)境穩(wěn)定，外線路為地埋，深1.5 m，環(huán)境較穩(wěn)定。

圖1 都蘭地電場電極布極圖Fig.1 Geoelectric flied array diagram at Dulan Seismic Station

2 地電場變化基本情況

地球表面存在天然的電場，臺站記錄到地電場觀測數(shù)據(jù)主要包含以下四種：一是大地電場（全球性或區(qū)域性變化的地電場），其場源來自地球外部電離層中的各種電流體系，包含兩類，一類是平靜變化，該變化是連續(xù)出現(xiàn)的，具有一定的周期性主要反映地電場日變化。另一類是干擾變化，該變化是偶爾發(fā)生的，沒有確定的周期性，干擾變化是間斷出現(xiàn)，持續(xù)一段時間后消失，如地電暴、地電灣擾和地電脈動等；二是自然電場（局部性相對穩(wěn)定變化的地電場），其源于地下介質(zhì)的物理化學(xué)反應(yīng)引起的正負(fù)電荷分離而產(chǎn)生的電效應(yīng)，包括氧化還原電場、過濾電場、接觸擴(kuò)散電場等，自然電場是相對比較穩(wěn)定的，但過濾電場中山地電場和河流電場會受到季節(jié)性水位變化的影響［2］。三是由電極極化引起的干擾變化；四是由環(huán)境引起的干擾變化。

在地震監(jiān)測中一般利用地電場的日變化來分析與地震的關(guān)系［3］，所以本文僅僅從臺站記錄到的地電場日變化進(jìn)行分析。而產(chǎn)生地電場日變化的主要原因是在地球自轉(zhuǎn)的作用下，由于太陽活動的變化，在觀測點上空產(chǎn)生了電離層等離子體中的周期性電流變化，而這種周期性電流變化對地球表面具有一定規(guī)律的變化，周期為1天。理想狀態(tài)下，臺站記錄到比較典型的靜日變化，波形由全日波和半日波等波形疊加而成，形成峰（谷）的變化形態(tài)，可以連續(xù)出現(xiàn)或重復(fù)出現(xiàn)，具有確定的周期性；而在擾日變化中，由于其頻率成分比較豐富，周期性不很明顯，變化幅度可能較大。

由于目前技術(shù)的進(jìn)步，臺站地電場觀測系統(tǒng)多采用多極距的布設(shè)方式，這種方式布設(shè)，對于臺站附近的干擾源，同一臺站、不同長短極距的地電場觀測資料會記錄到形態(tài)不同的變化信息，而其他附近臺站卻不一定能記錄到這種變化，即反映記錄到地電場數(shù)據(jù)變化的局部信息。這也說明了地電場觀測系統(tǒng)能記錄到較大范圍大地電場的各種變化。

2.1 都蘭臺地電場正常日變化

為了更好的判斷出異常數(shù)據(jù)是否是前兆信息，所以我們需要了解本臺數(shù)據(jù)正常日變形態(tài)，而臺站記錄到的正常地電場日變化分為靜日變化、擾日變化。都蘭臺地電場大部分日變化具有典型的變化形態(tài)，在磁平靜日時，如圖2顯示，曲線記錄形態(tài)屬于“兩峰一谷”型，每日有兩個起伏變化，且具有重復(fù)性，也就是說不同時段記錄到的地電場日變化具有相似的變化形態(tài)，包括變化的幅度、波峰點、波谷點出現(xiàn)的時刻，基本上每天的12時左右呈低值狀態(tài)。它也反映了地電場日變化可能與每天的太陽輻射情況有關(guān),每天正午太陽輻射最強(qiáng)時段,地電場均處于低值,而在輻射較弱的晚上或者夜間,電場變化則均處于平穩(wěn)狀態(tài)，每天的日變化最大幅度也在5～6 mv/km，這也與反映了地電場日變化的幅度也與地理緯度有關(guān)，都蘭臺屬于高海拔地區(qū)，即緯度越高日變化形態(tài)幅度越小。

圖2 都蘭地震臺地電場日變形態(tài)Fig.2 Daily variation of geoelectric field of Dulan Seismic Station

2.2 磁暴期間記錄的地電場變化

地電暴與太陽活動有關(guān)，幾乎在全球同時發(fā)生，它與地球磁暴具有同步性，是由于太陽輻射引起的帶電粒子流，使得臺站在磁暴期間記錄到地電場急劇變化，在地球赤道處記錄到的變化幅度最大、持續(xù)時間可長達(dá)13天，隨著緯度的升高變化幅度逐漸減小。在電磁暴過程中往往疊加電磁干擾和電磁脈動，因此其形態(tài)非常復(fù)雜，它是突然發(fā)生的，電暴結(jié)束后，地電場數(shù)據(jù)恢復(fù)正常。

地電暴每年都會發(fā)生幾次，其變化形態(tài)很容易被當(dāng)成人為干擾或者其他異常被處理，所以需要我們避免這種問題出現(xiàn)。圖3為2016年3月11日都蘭臺地電場觀測數(shù)據(jù)，從圖中可以看出臺站能夠清晰的記錄到地電暴事件，最大K指數(shù)為6，它與地磁變化具有較好的同步性，在磁暴期間，地電場日變化被打破，會記錄到頻率較高、幅度較大的擾動變化，具體變化幅度與磁暴的強(qiáng)度大小有關(guān)，即磁暴的強(qiáng)度越大記錄到的地電場變化幅度也越大，這也反映了地電場觀測記錄到的一部分信息來源于外空電流在地球內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電場而引起的，也就是說太陽粒子流引起的磁暴會使臺站記錄到的地電場有較大的變化。這種變化對地電場同方向的長短極距的影響也是同步的，其相關(guān)系數(shù)一般不會受到影響，都蘭臺在大磁暴過程中，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.999、0.999、0.999。

可以看出，當(dāng)6道長、短極距日變形態(tài)同步出現(xiàn)這種較大畸變，正常日變形態(tài)被壓制，其變化特征表現(xiàn)為脈沖形式、高頻信息、急劇變化，此時，我們應(yīng)該與地磁場變化信息進(jìn)行比對，這種同步響應(yīng)能真實反映區(qū)域內(nèi)太陽活動對觀測資料的影響，在日常工作中可以不處理此類變化。

圖3 磁暴期間記錄到的地電場同步變化形態(tài)Fig.3 Curves of minute value of the geoelectric field during the geoelectric storm

這兩種數(shù)據(jù)變化是地電場觀測記錄中正常的變化，但往往地震前兆與這些正常變化夾雜在一起產(chǎn)生，所以需要我們認(rèn)真區(qū)分和識別這些信息，才能更好的為地震預(yù)報提供有用的信息。

3 干擾調(diào)研與措施

我國地電場臺站觀測主要受到的變化因素主要有觀測系統(tǒng)、氣象、觀測環(huán)境、以及人為因素等。而都蘭臺自安裝地電場觀測技術(shù)以來，在日常運行過程中也出現(xiàn)一些引起數(shù)據(jù)變化的干擾，比如：觀測系統(tǒng)、測區(qū)環(huán)境改變干擾、游散電流變化干擾等，下面對這些干擾進(jìn)行詳細(xì)說明。

3.1 觀測系統(tǒng)問題

地電場觀測系統(tǒng)主要由測量系統(tǒng)、裝置系統(tǒng)、校檢系統(tǒng)組成。也就是臺站觀測所用的電極、外線路、儀器、配線盤等構(gòu)成，它們運行好壞直接影響著數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

3.1.1 電極、外線路

地電場觀測出現(xiàn)最多的問題就是電極問題，因為電極不穩(wěn)定、壽命短、易極化。當(dāng)臺站將電極埋好后，地表土壤中離子的電位通過臺站布設(shè)的電極內(nèi)部的電解質(zhì)傳遞給金屬導(dǎo)線，即土壤中的離子與電極中電解質(zhì)、電極中電解質(zhì)與金屬棒之間的接觸，從而產(chǎn)生極化電位，當(dāng)電解質(zhì)發(fā)生改變時，會造成極化電位的不穩(wěn)定變化，這種不穩(wěn)定變化與臺站記錄到正常日變化信號相互疊加在一起，造成臺站觀測到的數(shù)據(jù)出現(xiàn)各種隨機(jī)曲線變化。所以當(dāng)務(wù)之急我們需要解決這種電極長期不穩(wěn)定的原因。

而都蘭地震臺在搬遷前主要的問題就是電極長期不穩(wěn)定和外線路絕緣不好，從圖4中可以看出地電場觀測到電位差就不穩(wěn)定，記錄到的數(shù)據(jù)出相關(guān)性也會越差，差值也就越大。記錄到的數(shù)據(jù)不規(guī)則的出現(xiàn)大幅度突跳、不規(guī)則的臺階，看不出任何地電場正常的日變形態(tài)，相關(guān)系數(shù)也越差，最大變化可以達(dá)到上千毫伏每千米，為正常數(shù)據(jù)變化的上千倍，而造成這種變化的原因是電極是在水中埋設(shè)，采用的是固體不極化電極，距今快4年了，長期在水中浸泡容易造成電極不穩(wěn)定，以及外線路絕緣不好。

圖4 受電極、外線路干擾記錄到的地電場分鐘曲線圖Fig．4 Minute value curves of unstable electrode interference and external interference

通過對這類干擾的排查，總結(jié)出以下變化特征：①數(shù)據(jù)出現(xiàn)漂移；②數(shù)據(jù)出現(xiàn)無規(guī)則大幅度突跳、臺階；③相關(guān)系數(shù)較低、差值較大；④變化幅度大于正常幾十倍幾百倍甚至幾千倍；⑤電極埋設(shè)超過3年以上，所以解決這類問題，我們需要及時更換不極化電極，并且適當(dāng)?shù)脑黾与姌O的埋設(shè)深度，以及每月檢查外線路絕緣問題。

3.1.2 儀器時鐘錯誤

地電場數(shù)據(jù)變化與時間服務(wù)密切相關(guān)，當(dāng)時鐘偏差時，數(shù)據(jù)同步性降低，對數(shù)據(jù)分析也會造成影響。針對這類問題，所以需要臺站人員每天進(jìn)行時鐘的校準(zhǔn)，定時查看網(wǎng)頁上的時間和儀器面板上的時間。

3.1.3 儀器死機(jī)現(xiàn)象

臺站位于西部高海拔地區(qū)，屬于典型的高原高寒大陸性氣候。該地區(qū)常年風(fēng)多風(fēng)大、干旱少雨，早晚溫差較大，平均±20℃，平均氣溫2.7℃，海拔3200 m，冬季室內(nèi)溫度較低，地電場儀器會出現(xiàn)凍死機(jī)現(xiàn)象。圖5是2015年2月16日地電場觀測數(shù)據(jù)，16日11時開始長、短極距出現(xiàn)走直線現(xiàn)象，導(dǎo)致數(shù)據(jù)被壓制出現(xiàn)，看不出日變形態(tài)，所以將走直線部分剔除。根據(jù)臺站人員的長期經(jīng)驗，17日11時重啟數(shù)采，所有測項出現(xiàn)單點突跳現(xiàn)象，后恢復(fù)正常記錄。

圖5 儀器死機(jī)記錄到的地電場日變形態(tài)Fig．5 Interference minute value curves of the instrument crashes

根據(jù)這類干擾現(xiàn)象，總結(jié)出當(dāng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)走直線狀態(tài)，可以判斷為儀器被凍死機(jī)，所以解決此類問題需要臺站人員重啟數(shù)采，并用棉布裹住數(shù)采或者在條件允許的情況下放置空調(diào)，保證儀器房內(nèi)恒溫。

3.2 觀測環(huán)境對觀測資料的影響

3.2.1 降雨干擾

降雨對測區(qū)環(huán)境的影響屬于局部的自然電場變化，降雨對觀測資料的影響主要表現(xiàn)為以下兩點：一是降雨對電極造成極化現(xiàn)象，二是降雨對觀測數(shù)據(jù)的實際變化。電極的極化對鉛電極較為明顯，本臺使用的是固體不極化電極，有效的降低了電極極化問題。降雨對都蘭臺的觀測數(shù)據(jù)主要表現(xiàn)為相關(guān)系數(shù)降低，造成這類干擾的原因是降雨導(dǎo)致電極附近的含水量發(fā)生變化，導(dǎo)致電位發(fā)生變化，從而使電極的穩(wěn)定性發(fā)生變化，周圍電場的不均勻性改變也同時影響著觀測值的變化。

總結(jié)都蘭地震臺歷年降雨記錄發(fā)現(xiàn)以下特征：降雨量較小時，長、短極距的相關(guān)系數(shù)與正常時變化不大，差值也較小；有降雨增大時，長短極距差值明顯增大，相關(guān)系數(shù)也會降低，隨著降雨量的逐漸減弱，長短極距差值及相關(guān)系數(shù)又逐漸恢復(fù)到正常水平。

3.2.2 游散電流干擾

地電場觀測對測區(qū)環(huán)境要求較高，在測區(qū)2 km范圍內(nèi)有任何游散電流存在都會導(dǎo)致局部自然電場發(fā)生改變引起觀測數(shù)據(jù)的變化，其表現(xiàn)為數(shù)據(jù)突然出現(xiàn)高頻、毛刺變化。圖6為都蘭臺2016年12月2日至4日地電場長、短極距六測向觀測曲線，可以看出，連續(xù)三天地電場所有測道大約在17時至次日08時出現(xiàn)急速變化，09時至當(dāng)日17時數(shù)據(jù)恢復(fù)正常記錄，表現(xiàn)形態(tài)為夜間干擾，日出干擾減緩，后經(jīng)過3天現(xiàn)場落實并綜合分析認(rèn)為：該異常是由于電流電源干擾所致，干擾源來自當(dāng)?shù)赜文撩癫荚O(shè)的土地電網(wǎng)，而并非工廠用電及民用電、變壓器等漏電產(chǎn)生。因此，該異常為人為因素導(dǎo)致的干擾異常。

可以看出當(dāng)他們工作，發(fā)電機(jī)為設(shè)備供電，并且接有地線，當(dāng)發(fā)電機(jī)啟動工作時，會有部分游散電流通過導(dǎo)線流入地表土壤，引起土壤介質(zhì)中帶電離子的電位發(fā)生變化，從而造成地電場觀測數(shù)據(jù)的突變。

圖6 游散電流干擾記錄到的都蘭臺地電場日變形態(tài)Fig．6 Daily variation of the geoelectric field of Dulan Seismic Station affected by current interference

這也說明了隨著技術(shù)的進(jìn)步，地電場能檢測到測區(qū)外很遠(yuǎn)的微小電流存在，所以當(dāng)觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)這種高頻、毛刺現(xiàn)象，我們應(yīng)該仔細(xì)尋找臺站周邊有無這種漏電現(xiàn)象，比如路燈、周邊有無大型機(jī)械設(shè)備工作等。

4 結(jié)論與討論

通過研究都蘭臺地電場異常出現(xiàn)的原因以及應(yīng)對措施，可以看出：

（1） 如何能快速判斷異常并解決干擾源，是需要我們對當(dāng)?shù)氐匦蔚孛?、地下?gòu)造、周邊環(huán)境情況、布設(shè)類型、天氣變化、當(dāng)?shù)鼐用竦纳钜?guī)律等各個因素都非常了解。

（2）在排查過程中，我們首先要對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，大致判斷是什么因素造成的異常，然后采用由室內(nèi)向室外、先裝置、后儀器、外線路、觀測環(huán)境和觀測場、再電極”的異常排除方法，逐一檢查、逐一排除，最終解決問題。

（3）通過數(shù)據(jù)不同，變化形態(tài)、幅度是可以快速判斷出數(shù)據(jù)變化的異常源，對獲得真實數(shù)據(jù)、提取有用的地震前兆電場信息有很大幫助。