林稚穎 韓和平 葉曉明 許振棟 黎己余 姚濟(jì)棽

（1、福建省地震局水化學(xué)中心實(shí)驗(yàn)站，福建 福州 350000 2、河北省地震局陽原地震臺(tái)，河北 陽原 075800 3、福建省地震局，福建 福州 350000 4、福建省地震局平潭地震臺(tái)，福建 平潭 350400）

地電場是重要的地球物理場之一，地電場觀測(cè)主要觀測(cè)地電場的地表分量及其時(shí)空變化。我國地電場觀測(cè)是最近幾十年開展的一種新的觀測(cè)手段，從“九五”后期開始的大規(guī)模、規(guī)范化的地電場觀測(cè)，現(xiàn)已初步建成覆蓋口徑最大的地電場觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)。作為地震前兆監(jiān)測(cè)的重要手段之一，目前已積累大量的觀測(cè)資料[1]。葉青等曾基于多個(gè)臺(tái)站的地電場資料研究地電場日變化時(shí)就發(fā)現(xiàn)可能存在的地震前兆異常，阿拉善左旗MS5.8 地震前，地電場的日變化的時(shí)頻譜幅度明顯增大以及波形畸變[2]；趙家騮在寶坻臺(tái)觀測(cè)到1981 年1 月10 日在張北6.2 級(jí)地震前地電場出現(xiàn)異常。上述研究表明地震發(fā)生前地電場存在著異常前兆變化信息[3]，因此地電場資料對(duì)地震預(yù)測(cè)具有重要的意義。但是，隨著農(nóng)村城鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，部分臺(tái)站的觀測(cè)環(huán)境逐漸惡化，干擾強(qiáng)度逐漸超出了觀測(cè)規(guī)范以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[4]，嚴(yán)重影響了地電場觀測(cè)資料。因此臺(tái)站所記錄到的資料復(fù)雜多樣，其中可能包含地震前兆信息，也可能包含干擾信息，部分干擾無論是在形態(tài)上還是振幅上，都極易與地震前兆混淆，這種復(fù)雜性給地震前兆觀測(cè)資料異常變化的原因查找?guī)順O大困難。為判定當(dāng)前地震形勢(shì)，準(zhǔn)確判定異常性質(zhì)對(duì)觀測(cè)資料顯得極為重要。

本文對(duì)2018 年4 至9 月陽原地電場數(shù)據(jù)出現(xiàn)臺(tái)階變化進(jìn)行分析研究，再利用遵循“逐步逼近法”[4]現(xiàn)場排查分析最后找出干擾源，這將有助于其他觀測(cè)環(huán)境干擾較為復(fù)雜的地電臺(tái)站提供判斷參考。

1 臺(tái)站觀測(cè)技術(shù)系統(tǒng)

1.1 臺(tái)站背景情況

陽原地震臺(tái)位于張家口市陽原縣西城鎮(zhèn)北關(guān)村(圖1)，當(dāng)?shù)貙俅箨懠撅L(fēng)性氣候，常年少雨多風(fēng)，空氣濕度較低。臺(tái)站位于晉、冀、蒙三省交界處，屬陰山- 燕山和太行山兩大構(gòu)造交匯處，桑干河斷裂北側(cè)的八棱山山前沖積扇上，主要活動(dòng)斷裂為北東東向延展的南山山前斷裂帶和北山山前斷裂帶，兩條斷裂帶均為傾向盆地中心的正斷層（圖2），地震活動(dòng)十分活躍。自20 世紀(jì)80 年代觀測(cè)以來，曾經(jīng)歷過1981 年豐鎮(zhèn)、1989 年大同- 陽高和1998 年張北- 尚義等多次較大地震。陽原地震臺(tái)位于首都圈重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)，晉冀蒙交界地區(qū)，觀測(cè)資料對(duì)于首都圈地震監(jiān)測(cè)有十分重要的意義，但隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，臺(tái)站周邊的觀測(cè)環(huán)境也在不斷的變化，測(cè)區(qū)逐漸出現(xiàn)了鐵路、液化氣站、投資公司、養(yǎng)殖場、抽水井等干擾源，對(duì)臺(tái)站觀測(cè)數(shù)據(jù)造成一定程度的影響。

圖1 陽原臺(tái)地理位置圖

圖2 陽原臺(tái)構(gòu)造地質(zhì)圖

1.2 臺(tái)站觀測(cè)系統(tǒng)簡介

陽原地震臺(tái)的地電場觀測(cè)使用的是中國地震局預(yù)測(cè)所研制的ZD9A-2B 地電場儀，采用“L”式布設(shè)（如圖3）。電極采用的是LGB-3 型不極化電極，2016 年底更換為JH-020 型長壽命不極化電極，電極坑深約20 米，架設(shè)NS、EW 、N45° W 三個(gè)測(cè)向，長、短共6 個(gè)測(cè)道，“O”為-NS-、-EW- 方向垂直公共點(diǎn)，NS、EW、N45° W 測(cè)向長、短極距各為298m、149m，采樣率為分鐘值，外線路采用鎧裝電纜，地埋敷設(shè)。具體布設(shè)見參數(shù)表（表1）。

表1 陽原地電場布極參數(shù)

圖3 陽原地電場布極方式

2 逐步逼近法原理與步驟

首先對(duì)數(shù)據(jù)異常形態(tài)進(jìn)行分析，結(jié)合過去觀測(cè)資料，判斷大致由某些方面引起。再由室內(nèi)向室外，逐一對(duì)觀測(cè)系統(tǒng)、外線路和電極、自然環(huán)境和觀測(cè)場地進(jìn)行逐項(xiàng)排查，排除不可能的因素，結(jié)合詳細(xì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，最終查出干擾源，見圖4。

圖4 地電場觀測(cè)技術(shù)系統(tǒng)

3 異常分析

3.1 異常概述

陽原地電場ZD9A-2B 觀測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)自2015 年5 月開始正式觀測(cè)，2015、2016、2017 年數(shù)據(jù)呈現(xiàn)完整的日變形態(tài)。2018 年4 月開始，南北長、北西長兩個(gè)測(cè)道數(shù)據(jù)同時(shí)出現(xiàn)間歇性階躍現(xiàn)象，到2018 年8 月之后階躍現(xiàn)象逐漸減少。每次階躍持續(xù)幾小時(shí)，南北長測(cè)道最大變化幅度范圍為25.35mv/km——29.46mv/km、北西長測(cè)道最大變化幅度范圍為21.45——24.29mv/km。筆者查閱了相關(guān)資料，對(duì)異常特征進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)該異常特征與電場前兆異常形態(tài)不同（褚金學(xué)，2014），與磁暴干擾形態(tài)也不同（胡小靜，2013），從異常的形態(tài)分析認(rèn)為存在場地或人為干擾的可能，見圖5。

圖5 陽原臺(tái)地電場測(cè)值曲線

3.2 異常初步判斷

2018 年4 月份開始陽原臺(tái)的地電場儀南北長、北西長測(cè)道觀測(cè)曲線時(shí)常出現(xiàn)短時(shí)間的上升階變，兩個(gè)側(cè)道變化幅度分別約為24mv/km——25mv/km 和14mv/km——15mv/km，幾個(gè)小時(shí)以后數(shù)據(jù)又慢慢恢復(fù)。臺(tái)站工作人員在查看了儀器標(biāo)定表，查閱了同時(shí)期的觀測(cè)日志和月報(bào)以后，均未發(fā)現(xiàn)2018 年以前存在類似情況，認(rèn)為該異常是由觀測(cè)系統(tǒng)和自然因素引起的長期干擾的可能性較小。根據(jù)多位專家研究結(jié)果表明，地電場臺(tái)階性短期變化可能跟場地環(huán)境或是人為干擾有關(guān)[5]。

3.3 觀測(cè)系統(tǒng)工作狀態(tài)檢查

3.3.1 觀測(cè)系統(tǒng)檢查

判斷觀測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行狀況主要依據(jù)是儀器的標(biāo)定以及零輸入值。根據(jù)地電場觀測(cè)系統(tǒng)規(guī)范要求對(duì)陽原地電場觀測(cè)儀器及系統(tǒng)進(jìn)行檢查，每個(gè)季度檢查一次，7 月儀器校準(zhǔn)時(shí)的儀器讀數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)值的偏差在允許偏差范圍內(nèi)，表明測(cè)量儀器校檢、穩(wěn)流電源性能檢測(cè)合格。此外供電線、測(cè)量線絕緣檢測(cè)合格；觀測(cè)室內(nèi)接地電阻穩(wěn)定。技術(shù)參數(shù)：分辨力1 ～ 10μ V；準(zhǔn)確度優(yōu)于±(0.1%+0.0.2%滿度)；動(dòng)態(tài)范圍≥ 100dB；采樣率：1 次/（分鐘.通道）[6]。

3.3.2 外線路及接地電阻檢查

對(duì)陽原臺(tái)地電場觀測(cè)外線路進(jìn)行了巡查，仔細(xì)檢查了外線路以及接地電極。NS、EW 、N45° W 向?qū)Φ亟^緣電阻大于5mΩ 結(jié)果表明，陽原臺(tái)地電場外線路情況良好，電極連接良好、外線路無破損、無漏電。結(jié)果符合規(guī)范要求。

3.4 環(huán)境干擾分析

3.4.1 自然環(huán)境異常特征分析

陽原臺(tái)的地電阻率在降雨或者降雪時(shí)會(huì)發(fā)生下降變化，但是地電場基本不受影響。夏季3-8 月，地電場出現(xiàn)臺(tái)階的時(shí)段與降雨時(shí)段并不具有一致性，因此兩測(cè)道的變化與降雨無關(guān)，見圖6。

圖6 陽原地電場受干擾時(shí)段與降水時(shí)段對(duì)比圖

對(duì)流層中的雷電現(xiàn)象是對(duì)流場中的高頻變化的場源之一[7]。雷電期間地電場變化特征為:觀測(cè)數(shù)據(jù)離散度較大,特別是在放電期間,呈現(xiàn)出典型畸變,并伴有明顯高頻干擾,觀測(cè)數(shù)據(jù)大幅突跳，為正常時(shí)數(shù)倍。圖7 為陽原臺(tái)地電場在雷雨季節(jié)時(shí)受雷電影響，與所要核實(shí)的異常形態(tài)不符，因此排除雷電影響。

圖7 受雷電影響

磁擾、磁暴、電離暴大多起源于太陽大氣最外層的日冕向空間持續(xù)拋射出來的大量帶電粒子流[8]，地電暴和地點(diǎn)擾動(dòng)會(huì)使得地電場觀測(cè)曲線六道數(shù)據(jù)同時(shí)出現(xiàn)異常,形態(tài)表現(xiàn)為高頻脈沖[9],與異常形態(tài)不符，因此排除太陽活動(dòng)這一因素，見圖8。

圖8 受地電暴影響

3.4.2 場地環(huán)境異常特征分析

經(jīng)過前述工作后，排除了技術(shù)系統(tǒng)、自然環(huán)境影響等原因后仍未找到確切原因。在每日數(shù)據(jù)跟蹤以及場地周圍走訪中發(fā)現(xiàn)，陽原臺(tái)地電場觀測(cè)場地布設(shè)在農(nóng)田內(nèi)，附近農(nóng)戶較多井口遍布密集，并且經(jīng)過詢問抽水灌溉時(shí)間與電場數(shù)據(jù)變化大致相同，因此筆者認(rèn)為有存在抽水與灌溉等人為干擾改變地下水的滲流從而改變了自然電場的可能。

通過每日跟蹤與近三年數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn), 由于階變只發(fā)生在北西長與北南長測(cè)道（排除中心點(diǎn)位置存在干擾源的情況），短測(cè)道未受到影響，因而初步判斷在北電極（A 點(diǎn)）附近存在干擾源。拉長時(shí)間尺度，在2018 年以前，此類數(shù)據(jù)異常形態(tài)并未出現(xiàn)過，經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)2017 年初在北電極30m 處附近居民新打了一口井用來進(jìn)行抽水作業(yè)，該水井在2017 年初時(shí)開鑿好后并未進(jìn)行抽水，而2017 年一整年也未出現(xiàn)圖b 中的情況，直到2018 年4 月初該井投入使用。臺(tái)站工作人員走訪了擁有該井的居民，發(fā)現(xiàn)在曲線畸變的這一段時(shí)間內(nèi)進(jìn)行過抽水活動(dòng)，階變時(shí)間段與抽水時(shí)間段吻合。為了進(jìn)一步判定該井抽水對(duì)數(shù)據(jù)可能為影響原因，工作人員對(duì)以后幾天的抽水時(shí)間段進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并確保場地環(huán)境不存在其他干擾因素，例如天氣影響，結(jié)果表明抽水井抽水時(shí)間與觀測(cè)數(shù)據(jù)異常上升變化時(shí)間相吻合，停止抽水時(shí)間也與異常下降時(shí)間相吻合。（表2）與該居民協(xié)商后居民同意暫停一段時(shí)期的抽水灌溉活動(dòng)，都呈現(xiàn)正常的日變化動(dòng)態(tài)。

表2 抽水與數(shù)據(jù)異常對(duì)比試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)表

地電場的變化包括大地電場變化與自然電場變化，自然電場的機(jī)理中由包括地下水的滲流與過濾作用，地下水的滲流形成過濾電場，過濾電場差是一種廣泛分布的電位差，地下水流動(dòng)時(shí)正電子隨之流動(dòng)，在介質(zhì)中產(chǎn)生了沿水流方向的正離子積聚和分離的現(xiàn)象，形成了逆水流方向的電場[10]。

從圖10 中南北長、北西長的觀測(cè)數(shù)據(jù)來看原觀測(cè)值在干擾影響下近乎接近0，則判斷應(yīng)是原電場與干擾電場方向相反。為推導(dǎo)原電場方向，筆者以2017 年4 月24 日陽原臺(tái)地電場中心點(diǎn)灌溉為例，觀測(cè)系統(tǒng)，電極接線和儀器接線都沒有問題，南北測(cè)道也同樣受到影響，從圖9 中可以看出在灌溉干擾影響下觀測(cè)數(shù)據(jù)也接近于0，筆者認(rèn)為可以以此嘗試推導(dǎo)南北測(cè)道原電場方向。灌溉時(shí)，水流由中心點(diǎn)（O 點(diǎn)）流向北電極（A 點(diǎn)），因此形成的干擾電場應(yīng)為A 點(diǎn)至O 點(diǎn)，則原電場（北南向）方向?yàn)镺點(diǎn)至A 點(diǎn)。假設(shè)是抽水，那么在抽水情況下，則水流是從O 點(diǎn)到A 點(diǎn)，干擾電場方向?yàn)锳 點(diǎn)指向O 點(diǎn)，從圖10 中可以看出觀測(cè)數(shù)據(jù)也接近于0，則原電場（北南向）方向?yàn)镺 點(diǎn)至A 點(diǎn)，因此，由灌溉與抽水推導(dǎo)出來的原電場（南北向）方向相同。

圖9 2017 年4 月24 日地電場中心點(diǎn)受澆地灌溉影響

圖10 2018 年6 月20 日出現(xiàn)異常的地電場曲線

從變化形態(tài)來說，灌溉后的數(shù)據(jù)出現(xiàn)階躍且恢復(fù)較為緩慢，是由于灌溉是從地面影響地下水滲流一個(gè)相對(duì)緩慢的過程且影響時(shí)間較長（圖9 中是由于中心點(diǎn)電極處灌溉出現(xiàn)塌陷坑造成數(shù)據(jù)直線階躍的特殊情況）。本次異常階躍以后數(shù)據(jù)迅速恢復(fù)，排除灌溉影響，由于抽水則是直接改變地下水的流動(dòng)方向，過程相對(duì)快的多，停止抽水以后，地下水恢復(fù)原來的流動(dòng)方向。因此判斷抽水為本次異常的最有可能的干擾源。

4 結(jié)論與建議

最終我們確認(rèn)陽原地電場數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常變化的時(shí)段在2018 年4 至9 月，在此期間南北長、北西長數(shù)據(jù)出現(xiàn)臺(tái)階變化，變化時(shí)間持續(xù)數(shù)小時(shí)結(jié)束。利用“逐步逼近法”結(jié)合觀測(cè)系統(tǒng)檢查、觀測(cè)區(qū)走訪調(diào)查和2017 年4 月灌溉事件分析我們得出以下結(jié)論。

4.1 異常變化期間，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，觀測(cè)狀態(tài)正常，沒有降雨、雷電、磁暴發(fā)生，可以明確排除觀測(cè)系統(tǒng)和自然環(huán)境干擾的影響。

4.2 異常發(fā)生以后并無地震對(duì)應(yīng)，排除由于地震引起地下介質(zhì)改變，此為非孕震異常。

4.3 從理論上來說由于抽水活動(dòng)改變地下水的局部滲流情況形成干擾電場與原電場方向相反從而影響觀測(cè)數(shù)據(jù)，并且與灌溉點(diǎn)就在中心點(diǎn)的情況不同，抽水井距離北端（A 點(diǎn)）較近（見圖11），因此長極距受干擾影響明顯；而從實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)中我們也可以看出抽水時(shí)間與異常出現(xiàn)時(shí)間相吻合，抽水結(jié)束以后階變的數(shù)值隨之恢復(fù)為原來的正常值。

圖11 陽原臺(tái)地電場測(cè)區(qū)環(huán)境示意圖

4.4 本文中涉及到的場地干擾源較少，干擾較容易排除（鐵路較遠(yuǎn)、異常期間養(yǎng)殖場并未進(jìn)行養(yǎng)殖活動(dòng)），因此用到逐步逼近法能有效得核實(shí)到干擾源。逐步逼近法在排查異常較為常見的方法，便于快速識(shí)別數(shù)據(jù)變化特征明顯且有規(guī)律的干擾；若是場地干擾源較多，干擾疊加導(dǎo)致數(shù)據(jù)變化形態(tài)復(fù)雜，則還需其他方法輔助論證。在本文中由于臺(tái)站觀測(cè)手段限制，未設(shè)流體手段因此也為進(jìn)一步論證抽水干擾帶來困難。

在日常的地震前兆資料分析中，由于前兆觀測(cè)系統(tǒng)處于一個(gè)更大更復(fù)雜的開放系統(tǒng)中，除了會(huì)受到自身系統(tǒng)內(nèi)部一些因素影響，更容易受系統(tǒng)外的一些因素影響。這些復(fù)雜的環(huán)境因素給地震前兆觀測(cè)資料異常變化的原因?qū)ふ摇⑿再|(zhì)判定帶來極大的挑戰(zhàn)[11]因此平時(shí)除了加強(qiáng)對(duì)觀測(cè)系統(tǒng)的檢查，確認(rèn)陽原臺(tái)地電觀測(cè)儀器、外線路、電極工作狀態(tài)正常外，在核實(shí)異常前，需初步對(duì)分析是否由于測(cè)區(qū)存在干擾以及可能存在的干擾源，并且要經(jīng)過較長時(shí)間的資料跟蹤，可以根據(jù)觀測(cè)量的物理量的物理屬性、觀測(cè)原理以及異常變化特征結(jié)合周邊水文地質(zhì)構(gòu)造和氣象條件等分析可能的影響因素與影響機(jī)理，來確保調(diào)查的準(zhǔn)確性。