李 晨，李惠玲，楊 靜，沈魏乾，高龍飛，秦學(xué)理

(1.山西省地震局忻州地震監(jiān)測(cè)中心站，山西 忻州 034200；2.山西省地震局，山西 太原 030021；3.山西省地震局臨汾地震監(jiān)測(cè)中心站，山西 臨汾 041000；4.山西省地震局大同地震監(jiān)測(cè)中心站，山西 大同 037008；5.太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，山西 太原 030025)

0 引言

極低頻一般是指頻率介于3 Hz～3 kHz之間的電磁波。極低頻電磁波能穿透地層和海洋，可用于勘察探測(cè)地質(zhì)結(jié)構(gòu)、探尋海底礦產(chǎn)資源和預(yù)測(cè)研究地震災(zāi)害等?！皹O低頻探地(WEM)工程”是國家一項(xiàng)重大科技創(chuàng)新項(xiàng)目，2020年初在我國中南地區(qū)設(shè)計(jì)建造極低頻大功率發(fā)射臺(tái)站，通過地面-電離層波導(dǎo)傳輸方式探測(cè)地質(zhì)狀況，臺(tái)站發(fā)射的人工源信號(hào)基本可覆蓋全國地區(qū),提高探測(cè)距離和深度。極低頻探地工程地震預(yù)測(cè)分系統(tǒng)主要通過觀測(cè)人工發(fā)射源和天然源的極低頻信號(hào)，計(jì)算各臺(tái)站的信號(hào)強(qiáng)度、視電阻率和阻抗相位，分析地下電磁結(jié)構(gòu)參數(shù)與時(shí)間、空間的關(guān)系[1]。我國在首都圈區(qū)域及川滇地區(qū)布設(shè)30個(gè)固定觀測(cè)站和2個(gè)流動(dòng)觀測(cè)站，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同地層電性結(jié)構(gòu)的三維立體探測(cè)。

近年來，眾多學(xué)者研究極低頻觀測(cè)資料，發(fā)現(xiàn)人工源超低頻電磁波技術(shù)在研究區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)和震源區(qū)局部構(gòu)造方面有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)[2]。郝建國總結(jié)出震前極低頻電磁異常及其頻譜特征，研究結(jié)果可為地震預(yù)測(cè)提供技術(shù)理論支撐[3]。

忻州地震監(jiān)測(cè)中心站代縣極低頻儀器自安裝后，已連續(xù)運(yùn)行8年，產(chǎn)出大量觀測(cè)數(shù)據(jù)。目前，尚未對(duì)天然源記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行過系統(tǒng)分析，不確定影響觀測(cè)數(shù)據(jù)的主要因素，無法對(duì)異常進(jìn)行準(zhǔn)確的分析與判定。該文擬結(jié)合臺(tái)站觀測(cè)日志對(duì)代縣極低頻儀器在2020年的干擾信息進(jìn)行整理，分析不同干擾的曲線形態(tài)、變化幅度、持續(xù)時(shí)間和頻率特征，研究結(jié)果可為識(shí)別干擾源類型，提高觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量提供參考。

1 觀測(cè)系統(tǒng)介紹

1.1 觀測(cè)背景

代縣極低頻觀測(cè)項(xiàng)目于2012年10月18日開工建設(shè)，2013年9月15日試運(yùn)行。臺(tái)站選址于山西省忻州市代縣峪口村東北方向1 km處，觀測(cè)場(chǎng)地位于五臺(tái)北麓大斷裂邊緣、滹沱河支流峪口河北岸的二級(jí)階梯上，探測(cè)裝置布設(shè)在農(nóng)田。測(cè)區(qū)地勢(shì)平坦開闊，覆蓋層厚，周圍無大型水庫、鐵路和高速公路，與同臺(tái)地電場(chǎng)、地電阻率測(cè)點(diǎn)場(chǎng)地相鄰。臺(tái)站和儀器布極如第17頁圖1所示。

圖1 代縣極低頻儀器布極圖

1.2 極低頻系統(tǒng)

代縣極低頻是由德國Metronix公司研發(fā)的ADU-07e多頻段電磁觀測(cè)系統(tǒng)，MFS-06e型感應(yīng)式磁場(chǎng)傳感器，采用JH-020型長壽命不極化電極，Epb-06型鎧裝電纜線。探測(cè)電極和磁棒的安裝過程嚴(yán)格執(zhí)行規(guī)范要求，共安裝3個(gè)磁傳感、4組測(cè)量電極和1組中心電極。探測(cè)磁傳感器采用矩形布局，弱磁性材料封裝砌筑，封裝坑長2.5 m，寬1.5 m，深3 m，磁棒線用PVC管防護(hù)埋深0.8 m。探測(cè)電極采用“十”字型布局方式，極距100 m，每組不極化電極埋深2.5 m、鉛板電極埋深3 m，電極周圍使用降阻劑。

極低頻系統(tǒng)觀測(cè)由人工源信號(hào)和天然源信號(hào)組成。人工源采樣率有4種，分別是2 048 Hz、512 Hz、128 Hz、32 Hz；天然源采樣率有3種，分別是4 096 Hz、256 Hz、16 Hz。不同頻率信號(hào)的觀測(cè)時(shí)長不同，其中天然源16 Hz是全天觀測(cè)。觀測(cè)分量有5項(xiàng)，分別是南北電場(chǎng)Ex、東西電場(chǎng)Ey、南北磁場(chǎng)Hx、東西磁場(chǎng)Hy、垂直磁場(chǎng)Hz。代縣臺(tái)極低頻系統(tǒng)現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)匯集自動(dòng)化、準(zhǔn)實(shí)時(shí)化、信息處理專業(yè)化、服務(wù)共享平臺(tái)化、設(shè)備監(jiān)控遠(yuǎn)程化和網(wǎng)絡(luò)化等功能。

2 觀測(cè)數(shù)據(jù)變化特征分析

正常運(yùn)行的極低頻系統(tǒng)能有效反映測(cè)區(qū)大地電場(chǎng)和地磁場(chǎng)的數(shù)值變化。地電場(chǎng)通常是指地球表面天然存在的電場(chǎng)，包括自然電場(chǎng)和大地電場(chǎng)。自然電場(chǎng)的場(chǎng)源來自地下介質(zhì)由物理或化學(xué)反應(yīng)引起的正負(fù)電荷分離產(chǎn)生的電效應(yīng)；大地電場(chǎng)的場(chǎng)源是來自地球外部電離層中的各類電流體系。地磁場(chǎng)是一個(gè)基本的地球物理矢量場(chǎng)，包括基本磁場(chǎng)和變化磁場(chǎng)?；敬艌?chǎng)是地球內(nèi)部的磁場(chǎng)，平時(shí)狀態(tài)穩(wěn)定，會(huì)隨時(shí)間緩慢發(fā)生變化；變化磁場(chǎng)是由各種外部原因引起，疊加在基本場(chǎng)上，導(dǎo)致磁場(chǎng)發(fā)生短期性變化。

2.1 正常動(dòng)態(tài)

(1) 靜日變化。

在地球自轉(zhuǎn)作用下，太陽與地表固定位置會(huì)發(fā)生周期性變化，當(dāng)電離層中的電流對(duì)應(yīng)臺(tái)站測(cè)點(diǎn)發(fā)生周期性變化時(shí)，觀測(cè)曲線也會(huì)產(chǎn)生規(guī)律性日變化。當(dāng)?shù)厍蚬D(zhuǎn)時(shí)，隨著日地距離遠(yuǎn)近更替，每日變化會(huì)產(chǎn)生細(xì)微差別，最終組合成規(guī)律性年變化。典型的靜日變化是由全日波和半日波等波疊加而成，形成較穩(wěn)定的變化形態(tài)，無其他干擾時(shí)可連續(xù)重復(fù)出現(xiàn)，且有確定的周期性。目前，電磁觀測(cè)的正常日變形態(tài)主要包括無序變化型、峰谷型、近直線型和混合型。

該文采用全天觀測(cè)的16 Hz極低頻天然源數(shù)據(jù)，通過Metronix公司ProcMT軟件自帶的ats2xml程序進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換。為觀察不同頻率和時(shí)間段的信號(hào)變化，進(jìn)行低采樣率的抽樣；為使觀測(cè)數(shù)據(jù)清晰可視，用atsfilter程序進(jìn)行濾波，用tsplotter程序繪制時(shí)間序列圖，截取特定頻段的曲線數(shù)據(jù)。圖2為極低頻儀器天然源正常觀測(cè)曲線?？梢钥闯?，電場(chǎng)觀測(cè)背景噪聲低，兩分量曲線變化形態(tài)一致，數(shù)據(jù)記錄清晰，數(shù)值變化穩(wěn)定；磁場(chǎng)曲線光滑，呈峰谷型日變，南北和東西分量變化方向相反、幅度相同，垂直分量有序波動(dòng)，數(shù)值記錄精確連續(xù)。

圖2 靜日變化曲線

(2) 地電暴變化記錄。

太陽活動(dòng)產(chǎn)生的強(qiáng)大射電與太陽風(fēng)會(huì)引起磁暴和地電暴，兩者均屬于地球外部大尺度空間同時(shí)發(fā)生變化的電流體系活動(dòng)，具有全球性、同時(shí)性的特點(diǎn)。地電暴是磁暴發(fā)生期間地電場(chǎng)觀測(cè)中記錄到的電擾變化，也是引起極低頻測(cè)量數(shù)值異常變化的因素之一。發(fā)生地電暴期間，臺(tái)站儀器在長短極距、各個(gè)方向上都能記錄到同步的高頻脈沖信號(hào)。同區(qū)域內(nèi)數(shù)值變化持續(xù)時(shí)間、幅度與電暴的持續(xù)時(shí)間及強(qiáng)度呈正相關(guān)[4]。

代縣極低頻電磁儀清晰記錄到2020年8月29日地電暴發(fā)生的全過程，其變化形態(tài)與靜日變化不同，一般隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的突然增加或減小產(chǎn)生相應(yīng)的峰值或谷值變化。由圖3可見，電場(chǎng)數(shù)據(jù)產(chǎn)生高頻突跳，突跳值0.6 mv，兩分量變化趨勢(shì)相同，事件后期的震蕩幅度逐漸變小；磁場(chǎng)Hx、Hy分量曲線出現(xiàn)相同幅度的急始脈沖變化，同時(shí)段Hx的峰值對(duì)應(yīng)Hy的谷值，峰谷變化值約0.2 mv，畸變恢復(fù)較快。垂直分量無明顯變化，未影響整體趨勢(shì)。電場(chǎng)和磁場(chǎng)的變化記錄在時(shí)間上同步，電場(chǎng)的高頻震蕩對(duì)應(yīng)磁場(chǎng)急始脈沖，兩者在形態(tài)上不完全相同，是因?yàn)殡妶?chǎng)和磁場(chǎng)之間存在一階差分的關(guān)系。

圖3 地電暴變化記錄

2.2 主要干擾因素

對(duì)2020年代縣極低頻觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，對(duì)異常信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，同時(shí)結(jié)合臺(tái)站觀測(cè)日志，對(duì)影響觀測(cè)數(shù)據(jù)變化的干擾因素進(jìn)行分類，發(fā)現(xiàn)造成數(shù)據(jù)異常變化的主要干擾因素有高壓直流輸電、雷電、降雨和農(nóng)田灌溉、同場(chǎng)地觀測(cè)等。

3 典型干擾及特征分析

筆者從各類干擾的產(chǎn)生環(huán)境、變化形態(tài)、畸變幅度、持續(xù)時(shí)間、異常機(jī)理等，對(duì)影響代縣極低頻系統(tǒng)的干擾進(jìn)行分析。因各類干擾的影響屬性相同，造成觀測(cè)曲線畸變形態(tài)基本一致，故從不同干擾中選取典型的干擾進(jìn)行分析。

3.1 高壓直流輸電

高壓直流輸電(HVDC)是一種電流傳輸方式。其原理是將發(fā)電廠生產(chǎn)的交流電經(jīng)換流器轉(zhuǎn)成直流電，通過直流輸電線路送至受電端，再轉(zhuǎn)換為交流電后注入受電端電網(wǎng)。在正常情況下，高壓直流輸電會(huì)通過雙向輸電線形成電流回路，流過兩條導(dǎo)線的電流大小相等、方向相反，但仍會(huì)有少部分不平衡電流竄向大地。當(dāng)這部分直流電通過導(dǎo)體連續(xù)傳入大地時(shí)，會(huì)在極址土壤中形成一個(gè)暫時(shí)恒定的直流電流場(chǎng)，導(dǎo)致大地電位升高[5]。甚至當(dāng)輸電系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，不平衡電流也能通過接地極與大地形成電流回路，通過地面介質(zhì)繼續(xù)輸送電力。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，2020年代縣極低頻系統(tǒng)受高壓直流輸電干擾有17次，主要受上臨線、寧紹線、哈鄭線、晉南線等線路影響，其中晉南線對(duì)觀測(cè)的影響最大。晉南線±800 kV高壓直流輸電線路，起自山西北部換流站，止于江蘇省南京換流站，線路全長約1 118.5 km，采用單回路雙極架設(shè)方式。

選取2020年3月9日08時(shí)21分至24分，代縣臺(tái)電磁觀測(cè)受晉南線±800 kV高壓直流輸電影響(見圖4)?？梢钥闯觯邏狠旊妼?duì)電場(chǎng)數(shù)據(jù)造成大幅度突升-突降變化，兩分量的畸變幅度與恢復(fù)時(shí)間基本同步，變化幅度約300 mv。磁場(chǎng)Hx、Hy分量產(chǎn)生7 mv的較大突跳和臺(tái)階變化，導(dǎo)致觀測(cè)值整體升高約2 mv；Hy的臺(tái)階幅度大于Hx，正弦波動(dòng)變化消失； Hz分量影響較小，曲線有轉(zhuǎn)折，未偏離正常趨勢(shì)。

圖4 高壓直流輸電干擾

3.2 雷電

雷電是一種場(chǎng)電物理變化現(xiàn)象，雷暴云電場(chǎng)決定放電的形式和量度。帶電云層與大地的電磁感應(yīng)會(huì)導(dǎo)致地表電場(chǎng)發(fā)生變化，影響程度與地表介質(zhì)的電導(dǎo)率和放電量強(qiáng)弱有關(guān)。在晴天，大氣電場(chǎng)與地電場(chǎng)自然形成一種對(duì)立統(tǒng)一的場(chǎng)電動(dòng)態(tài)體系，在場(chǎng)電疏密區(qū)兩者呈相對(duì)平衡狀態(tài)。打雷時(shí)，帶有大量電荷的雷云與地面導(dǎo)電介質(zhì)感應(yīng)，這種電量交互會(huì)改變區(qū)域內(nèi)電場(chǎng)的分布環(huán)境[6]。雷電對(duì)電磁觀測(cè)的影響有兩種，一是雷電改變臺(tái)站測(cè)區(qū)附近的電流體系，使探頭點(diǎn)電位迅速增大，造成觀測(cè)數(shù)據(jù)的波動(dòng)和畸變；二是雷電感應(yīng)沖擊儀器，造成電容等元器件損壞，導(dǎo)致斷記缺測(cè)。

代縣臺(tái)地理位置特殊，臺(tái)站周圍山脈中富含鐵礦石，易吸引雷電。據(jù)統(tǒng)計(jì)，極低頻系統(tǒng)2020年受雷電干擾有12次，探討分析選取的雷電干擾時(shí)段為2020年6月18日18時(shí)24分至30分(見圖5)?？梢钥闯?，在雷電期間，極低頻電場(chǎng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)高頻突跳干擾，兩分量持續(xù)時(shí)間一致，毛刺幅度相同，突跳值約2 mv，密集突跳覆蓋了波形日變。磁場(chǎng)Hx和Hy分量同步產(chǎn)生高頻突跳，突跳幅度隨放電量的強(qiáng)弱實(shí)時(shí)變化，突跳值約0.04 mv，曲線形態(tài)無明顯改變，其中Hx分量曲線光滑流暢，未記錄到干擾信息。

圖5 雷電干擾

在放電期間，電場(chǎng)比磁場(chǎng)數(shù)據(jù)干擾變化嚴(yán)重，其可能原因，一是電極探測(cè)裝置空間尺寸較大，容易接收電流信號(hào)；二是地磁場(chǎng)和雷電方向存在角度，電流會(huì)受到部分磁場(chǎng)力的作用。強(qiáng)雷天氣下，極低頻數(shù)據(jù)有波動(dòng)和密集毛刺，但變化趨勢(shì)未偏離正常范圍，有一定的抗干擾能力，這與儀器室加裝的三級(jí)防雷保護(hù)措施有關(guān)。

3.3 降雨、農(nóng)田灌溉

降雨、灌溉等干擾具有明顯的時(shí)間特性，需要準(zhǔn)確記錄天氣和測(cè)區(qū)環(huán)境變化情況，才能辨別此類干擾。造成干擾的原因是下雨或大面積灌溉后，水分不斷滲入地層，電極處的接線頭逐漸潮濕，引起極化電位發(fā)生變化。儀器進(jìn)行測(cè)量時(shí)，由于極化電位不一致，測(cè)量回路中會(huì)額外形成一個(gè)電位差，導(dǎo)致地電場(chǎng)不可避免的受到影響[7]。當(dāng)電極周圍土壤中的水分逐漸下滲、蒸發(fā)，地表水飽和程度逐漸減小，農(nóng)田渠道恢復(fù)干涸，干擾影響也會(huì)隨之消失。

代縣極低頻測(cè)量裝置埋設(shè)在農(nóng)田，每年固定季節(jié)會(huì)大量澆灌農(nóng)田。由于農(nóng)田表面砂土覆蓋層密度小，孔隙率大，地表水會(huì)入滲至電極附近，對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)造成影響。據(jù)統(tǒng)計(jì)，代縣極低頻系統(tǒng)2020年受降雨和農(nóng)田灌溉干擾有29次。最具代表性的是4月8日14時(shí)00分左右開始的測(cè)區(qū)附近農(nóng)田灌溉干擾(見圖6)?？梢钥闯?，受灌溉影響，極低頻電場(chǎng)曲線發(fā)生快速下降-緩慢上升變化約1 mv，伴有斷續(xù)突跳，兩分量變化時(shí)間一致，形態(tài)類似。極低頻電場(chǎng)變化與農(nóng)田灌溉后地下淺層水位變化有密切關(guān)聯(lián)。磁場(chǎng)數(shù)據(jù)因磁棒傳感器采用封裝埋設(shè)方式，理論上不會(huì)受到影響。圖6中Hy分量存在臺(tái)階，臺(tái)階值1.7 mv，可能是由于大量灌溉后測(cè)區(qū)整體環(huán)境受潮，密封性能下降造成。

圖6 農(nóng)田灌溉干擾

3.4 同臺(tái)儀器觀測(cè)影響

代縣極低頻電磁儀和地電儀的觀測(cè)場(chǎng)地相鄰，每日在測(cè)量地電阻率整點(diǎn)值時(shí)會(huì)對(duì)場(chǎng)地供電，使人工電場(chǎng)疊加到自然電場(chǎng)上，導(dǎo)致極低頻數(shù)據(jù)產(chǎn)生較大畸變。電場(chǎng)數(shù)據(jù)每到整點(diǎn)以規(guī)律性連續(xù)方波為主要形態(tài)，兩分量變化時(shí)間、方向一致，幅度相等，畸變值約400 mv。磁場(chǎng)數(shù)據(jù)同步發(fā)生畸變，Hx和Hy分量曲線變化方向相反，在正弦波趨勢(shì)的基礎(chǔ)上產(chǎn)生高頻率的小幅度方波，畸變值約2 mv，Hz分量無明顯干擾(見圖7)。同場(chǎng)地內(nèi)，地電儀器觀測(cè)時(shí)的供電干擾成為影響數(shù)據(jù)質(zhì)量的最大因素，對(duì)此類干擾，可通過設(shè)計(jì)符合其正弦波周期的濾波器、刪除超過設(shè)定閾值單次測(cè)量結(jié)果、升級(jí)主機(jī)設(shè)置測(cè)量次數(shù)和調(diào)整門限參數(shù)等方式解決。

圖7 同臺(tái)儀器觀測(cè)影響

4 結(jié)論與討論

通過對(duì)忻州站代縣極低頻系統(tǒng)信號(hào)干擾異常變化特征的分析，得出如下結(jié)論與認(rèn)識(shí)：

(1) 磁暴(地電暴)會(huì)引起極低頻電場(chǎng)曲線的高頻震蕩和磁場(chǎng)曲線的急始脈沖變化。南北、東西分量變化趨勢(shì)相同，起止時(shí)間一致，幅度隨磁場(chǎng)強(qiáng)度變化突然增大或減小。

(2) 高壓直流輸電干擾對(duì)極低頻信號(hào)影響較大，電磁場(chǎng)數(shù)據(jù)同步產(chǎn)生大幅快速上升-下降的變化，觀測(cè)值整體升高出現(xiàn)臺(tái)階，影響時(shí)間短，數(shù)據(jù)恢復(fù)快。

(3) 雷電干擾持續(xù)時(shí)間相對(duì)較短，打雷前后的感應(yīng)電流也會(huì)影響觀測(cè)。雷電導(dǎo)致極低頻電磁數(shù)據(jù)產(chǎn)生高頻突跳干擾，突跳幅度隨放電量強(qiáng)弱實(shí)時(shí)變化，電場(chǎng)數(shù)據(jù)毛刺比磁場(chǎng)數(shù)據(jù)更密集。因臺(tái)站布設(shè)的防雷措施，雷電干擾未影響整體變化趨勢(shì)。

(4) 降雨和農(nóng)田灌溉有季節(jié)性，極低頻系統(tǒng)受此影響較頻繁。電場(chǎng)干擾數(shù)值一般出現(xiàn)先下降后上升的現(xiàn)象，起伏變化中伴隨突跳，觀測(cè)值偏離正常變化，異常持續(xù)時(shí)間較長，數(shù)據(jù)變化幅度與灌溉水量成正比；磁場(chǎng)因探測(cè)裝置是封裝埋設(shè)，除特殊原因外，基本不會(huì)受此類干擾。

(5) 同臺(tái)儀器觀測(cè)時(shí)的供電干擾難以避免。每日電場(chǎng)整點(diǎn)數(shù)據(jù)都會(huì)產(chǎn)生規(guī)律性的連續(xù)方波變化，各分量變化時(shí)間與方向一致；磁場(chǎng)數(shù)據(jù)在正弦波形態(tài)的基礎(chǔ)上疊加高頻率的小幅度方波，供電結(jié)束時(shí)恢復(fù)。此類干擾由于出現(xiàn)時(shí)間固定，變化形態(tài)規(guī)律，容易識(shí)別。

良好的天然源信號(hào)產(chǎn)出是研究預(yù)測(cè)震前極低頻電磁異常的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐和保障。代縣極低頻系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，信噪比高, 抗干擾能力強(qiáng)，能較好地監(jiān)測(cè)地殼介質(zhì)結(jié)構(gòu)電性參數(shù)和空間磁場(chǎng)變化，有利于識(shí)別和捕捉地震等事件誘發(fā)的電磁異?，F(xiàn)象。通過正確判別干擾形態(tài)，提高數(shù)據(jù)觀測(cè)質(zhì)量，可有效提升極低頻臺(tái)網(wǎng)的工作效能，便于為震情跟蹤和地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)服務(wù)。