章 鑫 范 曄 葉 青 錢銀蘋

1)廣東省地震局，廣州 510070

2)中國地震臺網(wǎng)中心，北京 100036

0 引言

在固定地電場和地磁場觀測中，常疊加人工源強電流的干擾，使得臺站數(shù)據(jù)出現(xiàn)不同程度的脈沖擾動、臺階變化、基準(zhǔn)值升高等現(xiàn)象。其中，高壓直流輸電(HVDC)的入地電流在固定電磁場觀測中造成的擾動比較典型，換流站的入地電流在地電場中形成方波疊加(方煒等，2012；唐波等，2013；馬欽忠等，2014)，其單極運行時導(dǎo)線中的強電流在地磁觀測中形成強感應(yīng)磁場，會在地磁觀測中產(chǎn)生類似的方波疊加(方煒等，2012；蔣延林等，2014)。此外，城市軌道交通的漏電也是類似的固定點電流源干擾(邱穎等，2009；張宇等，2016)，與空間平面源的區(qū)別較大(劉連光等，2016；葛小寧等，2017)。這類擾動幾乎固定出現(xiàn)，在長期的數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)上易于識別，但其擾動程度在不同的臺站具有較大的差異性。顯然，這種差異性取決于源電流到觀測點的傳播過程，尤其是對地電場的疊加，地球表面的斷裂帶、山脈、海洋效應(yīng)等都會影響臺站的響應(yīng)情況(魏敏敏等，2012；耿山等，2019)。那么，如果地震震源附近激發(fā)了地下自然電流，臺站對這種未知源的響應(yīng)必然也具有差異性，即地震電信號的傳播通道也具有選擇性(Sarlisetal.，1999；黃清華等，2010；馬欽忠等，2014)，傳播路徑差異導(dǎo)致有的更遠的臺站能夠響應(yīng)某些信號，一些更近的臺站則不能。研究電流傳播路徑差異造成的臺站響應(yīng)差異，是識別和定位震源激發(fā)電流信號的關(guān)鍵之一，HVDC向地下注入大電流是很好的研究范例。

電力部門已對存在入地大電流情形下的地表電位分布開展了較為詳細(xì)的研究，包括一些特殊情形下的電位差異性分布。劉曲等(2007)研究了復(fù)合土壤模型下HVDC系統(tǒng)單極大地運行時的電流分布，在考慮海洋影響的情形下，利用土壤水平分層和垂直分層后的格林函數(shù)，通過鏡像法推導(dǎo)出在復(fù)合分層土壤結(jié)構(gòu)中地表電位的解析公式。為模擬多層介質(zhì)并避免多重鏡像下的復(fù)雜計算，當(dāng)前業(yè)內(nèi)主流的方法為行波法，其主要思想是將接地極電流在土壤中傳播的過程類比為波在介質(zhì)中的傳播過程。任志超(2012)對基于各種模型的行波法、鏡像法進行了詳細(xì)推導(dǎo)，發(fā)現(xiàn)在垂向分層上各層存在的電阻率差異導(dǎo)致電流密度在界面處重新分配，即等效為波在不均勻介質(zhì)間的傳播，故存在波的反射和折射。一些學(xué)者進一步將行波法與鏡像法相結(jié)合，推導(dǎo)出在海岸模型、斷裂帶模型等特殊情形下的解析方程，并將其用于估計變壓器直流偏磁效應(yīng)、計算換流站入地極附近的跨步電壓(李泓志，2010；耿山等，2019；郭名文等，2019)。此類研究均只考慮入地極附近的幾十千米內(nèi)的情形，未考慮在入地極外幾百千米范圍的響應(yīng)，同時也未考慮在地下十幾千米左右的電流向地表傳播時的響應(yīng)差異，從而不能直接應(yīng)用于地震監(jiān)測預(yù)報工作中。

HVDC的入地電流是地電場觀測中最顯著的干擾源，在換流站附近幾百千米范圍內(nèi)的地電場觀測中均可引起較大階變(方煒等，2012；馬欽忠等，2014，2017)。在地電場日常觀測中，對HVDC干擾源的識別通常來源于地磁數(shù)據(jù)的判別，一般不是通過地電場的響應(yīng)直接識別干擾的來源方位。此外，向地下注入大電流時，可能造成較大區(qū)域內(nèi)地電場臺站的差異化響應(yīng)，因此其成為研究電流到達臺站通路過程的理想源。本文基于2個方面的目標(biāo)開展研究：1)基于地電場矢量觀測結(jié)果對高壓直流換流站進行定位，依靠多個地電場臺站的高壓直流響應(yīng)數(shù)據(jù)直接判別干擾來源；2)開展地電流到達臺站的選擇性通路研究，這種電性差異導(dǎo)致的差異性傳播模型可推廣應(yīng)用到對地震電信號的識別。

圖1 高壓直流線附近的臺站分布和構(gòu)造要素Fig.1 Distribution of stations and faults near HVDC lines.The red triangle represents the disturbed stations，and the blue ones represent other stations in the area.a ±800kV海駐線的臺站分布；b 寶德線入地極的位置和臺站分布；c 扎青線入地極的位置和臺站分布。紅色三角為被干擾臺站，藍色為區(qū)域內(nèi)其他臺站，黑色箭頭表示輸電端和受電端的方向

1 高壓直流干擾數(shù)據(jù)

1.1 高壓直流干擾的數(shù)據(jù)

HVDC干擾的原因是以雙線高壓直流方式輸電時，其中一條線路發(fā)生故障，另一條線路以大地作為回路的單極運行模式(李泓志，2010)，此時會在送電端換流站的入地極形成很大的入地電流，在受電端的入地極形成極性相反的入地電流。本文約定排名在前的換流站為送電端，排名在后的換流站為受電端(圖1)，如扎青線的扎魯特極為送電端、青州極為受電端。

本文以海駐線(海南藏族自治州—駐馬店)、寶德線(寶雞—德陽)和扎青線(扎魯特—青州)為例(圖1)，選取研究區(qū)域內(nèi)沿線分布的58個地電場臺站的數(shù)據(jù)進行分析，臺站信息見表1；另外還使用山東大山臺極低頻數(shù)據(jù)作為響應(yīng)差異的對比。海駐線兩側(cè)的地電場臺站分布相對均勻，入地極兩端也有較多的地電場臺站分布，涉及29個臺站；寶德線受影響的臺站較少(7個)，影響范圍??；扎青線兩側(cè)的臺站基本都分布在換流站一側(cè)，極度不均勻，但影響的空間范圍大，涉及22個臺站。

表1 臺站信息及階變量計算結(jié)果Table 1 Station information and partial results of step changes

地電場的儀器響應(yīng)頻率為DC-0.01Hz，采樣頻次為1min，每天產(chǎn)出1440個數(shù)據(jù)。這些臺站均采用 “多方向、多極距”的地電場觀測方法(席繼樓，2019；章鑫等，2020)。本文約定EX、EY和NE分別表示長極距的NS向、EW向和NE向(斜道)分量，ex、ey和ne分別表示短極距的NS向、EW向和NE向(斜道)分量。大山臺為地電場和極低頻同臺觀測，極低頻儀器的觀測頻段為3.9～0.001Hz，采樣率為16Hz，2個正交通道(LEX、LEY)同時觀測，本文使用2020年4月23日的數(shù)據(jù)。

高壓直流對地電場的干擾本質(zhì)上是換流站不平衡入地電流的加載，單極運行時不平衡電流的峰值為額定電流的1.5倍(李泓志，2010)，且持續(xù)時間達到幾十分鐘。這種干擾的幅度在換流站附近最大，電流影響周圍約500km范圍內(nèi)的地電場觀測。但這是一種差異化的影響，如在海駐線受干擾的臺站中，離兩側(cè)入地極最近的都蘭臺和嘉山臺尤為顯著，其他遠端臺站的階變量較小。具體干擾的數(shù)值參見表1。

高壓直流入地電流對地電場有3種加載方式，并形成3類響應(yīng)，分別為臺階狀階變、脈沖狀響應(yīng)及脈沖+半臺階狀響應(yīng)。其形成的原因分別為：

(1)靠近入地極的地電場臺站受到單個入地極電流的影響，地電場2個電極附近的電位被抬高，與大地電流形成的原始日變化曲線相比，出現(xiàn)了上升或下降臺階(具體為上升還是下降取決于觀測方位與入地極的相對方位和入地極的極性)；當(dāng)入地極無大電流注入時，觀測電位將恢復(fù)到原始日變化形態(tài)，此時形成了下降或上升臺階，與注入電流時的臺階反向(圖2b)。

圖2 不同位置的臺站受到海駐線影響的結(jié)果Fig.2 Results of different stations that are affected by Hainanzhou-Zhumadian line.a 代表性響應(yīng)臺站及其位置示意圖；b—d 都蘭臺、鳳翔臺和大山臺受影響的觀測曲線；圖b為第1類響應(yīng)，只受到一側(cè)極的影響；圖c為第2類響應(yīng)，同時受到兩側(cè)極的影響且影響幾乎相當(dāng)；圖d為第3類響應(yīng)，受到兩側(cè)極的影響且以一側(cè)極為主。 干擾發(fā)生的時間為2020年7月11日和2020年4月23日

(2)處于2個入地極中間位置的臺站受到2個入地極電流的共同影響，一個入地極的電位使地電場的正常曲線上升，而另一個入地極的電流極性相反，會使其電位下降、地電場曲線小幅下降，形成脈沖型響應(yīng)。此外，2個入地電流引起的場是同時形成的，故在中間區(qū)域的臺站電位上應(yīng)表現(xiàn)為互相抵消。但該響應(yīng)是入地電流的一階微分、入地極的系統(tǒng)響應(yīng)和地電場觀測裝置傳遞函數(shù)三者的卷積，故地電場電極對電位的響應(yīng)存在延遲，先響應(yīng)一個入地極的電位(上升或下降)，再響應(yīng)另一個入地極(下降或上升)，由此形成了脈沖型響應(yīng)(圖2c)。

(3)處于2個入地極的中間地帶但離其中一個入地極偏近的臺站，將受到一個入地極的主要影響和另一個入地極的次要影響，因此近處的入地極使其出現(xiàn)臺階，遠處的入地極使其部分臺階恢復(fù)、形成脈沖，其結(jié)果即為臺階+脈沖的形態(tài)。同時應(yīng)注意到，圖2b 中都蘭臺的臺階起始時間為1011分，而菏澤臺的臺階起始時間為1013分，即受電端的響應(yīng)延遲了2min，這就證實了脈沖型響應(yīng)或臺階+脈沖響應(yīng)由2個入地極分別作用所引起，且送電端(都蘭臺)先出現(xiàn)響應(yīng)。

大山臺的脈沖+臺階響應(yīng)較為典型，我們獲取了同時段的極低頻觀測數(shù)據(jù)作為對比。圖3a、b為地電場觀測的數(shù)據(jù)，可見2020年5月23日大山臺受到2條高壓直流輸電線路的干擾，臺階之間相互疊加，扎青線的干擾先行結(jié)束；還需注意到，另外一條線路的干擾僅為臺階狀，說明大山臺只受到其中1個入地極的影響。圖3c 為極低頻數(shù)據(jù)的響應(yīng)情況，LEX在3～4h段有1個緩變臺階與圖3a 中同時段的臺階+脈沖對應(yīng)，但在該臺階的恢復(fù)階段(6～7h)LEX無明顯擾動；在23h附近地電場EX分量有明顯的向上階變現(xiàn)象，在同時段LEX有明顯的向下波動與之對應(yīng)。此外，LEY全時段無明顯響應(yīng)，同時圖3b 中地電場分量EY對高壓直流的響應(yīng)也較弱，說明這2條高壓直流干擾都主要影響地電場分量EX和極低頻分量LEX。圖3d 和 圖3f 為D1、D2時段的放大圖，圖3e 和圖3g 為E時段的放大圖，可以看出極低頻觀測具有與地電場對應(yīng)的高壓直流干擾響應(yīng)，與換流站連線垂直的LEX分量更為強烈，與換流站位置連線平行的LEY分量更弱。

圖3 大山臺地電場觀測數(shù)據(jù)與極低頻觀測數(shù)據(jù)對高壓直流的響應(yīng)比較Fig.3 Comparison of the responses of geoelectric field data and extremely low frequency data to HVDC at Dashan station.a 地電場EX分量；b 地電場EY分量；c大山臺極低頻電場的觀測值；d、f D1、D2時段的放大圖；e、g E時段的放大圖。LEX表示極低頻電場的EX分量，LEY表示極低頻電場的EY分量；圖3d—g 表示截取典型響應(yīng)的臺階(或脈沖)時段。D1和D2 表示2個獨立的干擾階段，E表示擾動時段同時存在于地電場觀測與極低頻觀測中

1.2 階變量的校正

為改善直接采用原始曲線計算分幅度值造成較大差別的不足，我們采用同臺站、同方向的正常日變化量對階變幅度進行校正。首先，計算入地電流引起的階變量S：

S=max(E(i))-min(E(i))

(1)

其中，S表示階變的幅度，E(i)為原始時間序列；i為階變發(fā)生的時段，i的取值為擾動階變的起始到終止。

其次，計算擾動發(fā)生前、后2d中1d正常的日變量，選取曲線比較光滑的日變曲線計算日變化幅度。計算前先對日變曲線進行濾波，采用40階FIR低通濾波器，通帶截止頻率為0.001Hz：

D=max(E(j))-min(E(j))

(2)

其中，D為日變幅度，E(j)為原始時間序列，j為正常日變化的時段，取值為1～1440min。最后取兩者的比值R：

R=S/D

(3)

計算出兩者比值后，即完成對原始階變幅度的日變放縮校正。該方法的關(guān)鍵在于2個方面：1)求出準(zhǔn)確的階變，一些臺站的階變量很小，從而容易受到其他因素的影響，而準(zhǔn)確量取入地電流影響的階變量是比較困難的；2)選取正常的日變曲線，由于地電場觀測對環(huán)境電磁干擾非常敏感，從4d的數(shù)據(jù)中選取相對光滑的1d的日變曲線也比較困難。

2 地電場對高壓直流的響應(yīng)特點

單個高壓直流入地極加載時，階變量由近到遠逐漸減小。從臺站與駐馬店換流站的距離來看，圖4a 中EW向階變量SEX隨距離的增加逐漸遞減。但SEX的大小還取決于臺站所在換流站的方位，觀測方位接近于入地極徑向方位上的電位差必然大于其他方位，因此單一近NS向的觀測結(jié)果并不能真實地反映距離的影響。此外，SEX的響應(yīng)時間有延遲，一些臺站的延遲可達3min(圖4b，c)，這可能有2個方面的原因：1)該響應(yīng)是入地電流的一階微分、入地極系統(tǒng)的響應(yīng)和地電場觀測裝置的傳遞函數(shù)三者的卷積；2)地電場儀器本身存在鐘差的影響。

圖4 按照距離排列的駐馬店入地極附近臺站EX分量的階變情況(a)及階變延遲信息(b、c)Fig.4 The EX order variables that are arranged by distance of stations near the Zhumadian ground electrode(a)and step delay information(b，c).

由于階變量與臺站到入地極的距離有關(guān)，我們計算了受影響臺站的階變幅度或脈沖幅度，同時還考慮不受高壓直流影響下的日變化幅度。圖5 和圖6 中的階變量比是2個正交方位幅度比合成后的幅度RC，計算方式為

(4)

式中，REX和REY分別為2個分量的階變幅度。此外，合成階變量SC的計算方式為

(5)

其中REX和REY分別為2個分量的階變幅度。圖6 為海南藏族自治州入地極的合成階變量，并按照與換流站的距離進行排列。從圖5a 中可以看出，階變的影響范圍約達580km，原始階變幅度SC隨距離的變化并不明顯，日變化幅度D也沒有明顯的規(guī)律。但在求取與日變化幅度的比值RC后(圖5b)，結(jié)果顯示RC與臺站所處的位置明顯相關(guān)，即RC具有隨距離(與換流站的距離)遞減的變化規(guī)律，且基本符合一元二次函數(shù)的衰減趨勢(圖5b 中的黑色曲線)。此外，一些臺站的觀測場地受到的干擾比較復(fù)雜，根據(jù)濾波后求出的S和D都存在一些誤差，導(dǎo)致RC的衰減關(guān)系與擬合曲線有一定的偏差。

圖5 駐馬店入地極附近臺站的階變量、日變化幅度(a)及兩者比值(b)Fig.5 The step changes，daily variation range，and their ratio of stations near the Zhumadian grounding electrode.

圖6 為海南藏族自治州入地極的階變幅度情況，距離入地極較近的臺站較少。天祝臺陣與入地極的距離基本相當(dāng)，且與入地極的方位相差不大，但其SC卻差異較大，且D和S都相差較大(表1，圖6a 中的300km處)。與圖5b 相比，圖6b 中的遞減趨勢更為明顯，但響應(yīng)范圍較小，影響距離最遠約為500km。處于單個入地極影響范圍外的合陽、鳳翔等臺站受到了2個入地極的共同影響，其響應(yīng)為脈沖狀或臺階+脈沖狀，且SC不滿足遞減規(guī)律。

圖6 海南藏族自治州入地極附近臺站的階變量、日變化幅度(a)及兩者比值(b)Fig.6 The step changes，daily variation range，and their ratio of stations near the Hainanzhou grounding electrode.

3 利用方向和幅度開展入地極定位的結(jié)果

3.1 定位原理

在均勻各向同性的電性條件下，電位分布是由入地點向外圍均勻擴散的。那么在觀測點處的電位差取決于大圓路徑的徑向分量在2個正交方位的投影。因此，在觀測正確的情況下SEX和SEY有明顯差異，可以通過2個正交方位的電位差合成矢量SCP(表示具有指向性的階變量合成值)，該矢量即指向入地極的位置，如圖7a、b中南京臺。根據(jù)將2個正交方位階變量合成的矢量SCP具有指向電流源位置的性質(zhì)，可基于單個臺站的數(shù)據(jù)對電流源進行定向。在1個入地極附近有多個臺站的觀測數(shù)據(jù)產(chǎn)生階變時，通過多臺SCP的反向交會，能夠初步定位入地極的位置(圖7c)。

圖7 高壓直流的電位方向性響應(yīng)及電位方向差異定位原理Fig.7 Potential directional response of HVDC and the principle of locating by potential direction difference of HVDC.a 南京臺短極距對三常線(三峽—常州，年5月9日的階變；b 南京臺短極距階變的方向性響應(yīng)；c 基于2個虛擬臺站的電位方向差異的定位原理示意圖

3.2 階變比值矢量方向定位

海駐線兩端位于青海海南藏族自治州共和縣(龍羊峽附近)和河南省駐馬店市上蔡縣。我們采用了階變與日變幅度比值的方法對海駐線2個入地極的位置進行定位，即先計算有入地電流時的階變量，再取其與正常日變化量的比值。圖8 是采用矢量歸一化(對矢量模的大小進行歸一化，把所有矢量的長度都?xì)w算為歸一化定位的結(jié)果，階變比值合成的矢量對于入地極的指向性更明顯。在入地電流的注入階段，海南藏族自治州入地極的階變比矢量都遠離入地極的位置；在恢復(fù)階段，海南藏族自治州入地極階變比矢量指向入地極的位置。而在駐馬店入地極附近，階變比矢量的方向與海南藏族自治州入地極相反，即注入階段指向入地極，恢復(fù)階段遠離入地極。此外，處于2個入地極中段位置的幾個臺站(虛線橢圓內(nèi))的SCP無明顯指向性，但傾向于垂直2個入地極的連線。

圖8 海駐線階變比的矢量歸一化定位結(jié)果Fig.8 The locating result of Hainanzhou-Zhumadian line by using composite vector of step changes.

圖9 階變量合成矢量歸一化的方向Fig.9 Direction of composite vector of step changes.a 扎青線入地極的定位結(jié)果；b 寶德線入地極的定位結(jié)果

對于扎青線2個入地極(圖9a)，扎魯特入地極附近的臺站都分布在東側(cè)，青州入地極的臺站幾乎分布在西側(cè)。使用扎青線這種臺站嚴(yán)重分布不均勻的線路進行定位且得到了較好的結(jié)果，說明一般性的高壓直流入地極也能被定位。一端的SCP在電流注入開始階段遠離入地極，在電流恢復(fù)階段指向入地極；另一端則相反。在圖9a 中，扎魯特東側(cè)的SCP基本都指向扎魯特入地極，扎魯特南側(cè)的2個臺站(阜新臺和錦州臺)的SCP也指向北側(cè)的入地極；在青州換流站西北側(cè)的地電場臺站中，其SCP也幾乎指向青州入地極所在的位置。與海駐線相似，在2個入地極之間的昌黎臺SCP指向不明顯，傾向于垂直于2個入地極的連線。

寶德線是500kV的高壓直流輸電線，建成于2009年，前人對該線路的干擾研究較多(方煒等，2012)。這條線路的額定電流為3000A，單極運行時向地下注入的電流較小，影響范圍較小，在本文所選的例子中僅影響了7個臺站?；谶@些臺站的階變數(shù)據(jù)對入地極的定位結(jié)果與前述2條線路類似，北側(cè)寶雞入地極附近的臺站密集、響應(yīng)明顯，對其入地極位置的定位比較明確；南側(cè)德陽附近僅有成都臺和江油臺，對德陽入地極的定位效果不理想。當(dāng)臺站周邊無多個換流站時，也能依靠SCP粗略定位判斷所屬的干擾源。

3.3 矢量幅度定位

高壓直流引起的階變，其變化量的幅度信息也可被用于對入地極的定位中。在表1 中，我們可以通過觀測臺站的階變量初步判斷入地極距離某個臺站最近，如海駐線的大武臺和周口臺、寶德線的寶雞臺、扎青線的阜新臺等。但一些臺站并非位于入地極附近，其階變量卻是最大的，如海駐線中的應(yīng)城臺，通過這些臺站還不能準(zhǔn)確判斷入地極的位置。另外，雖然SCP矢量的方向可指示換流站位置，但由于距入地極較近的臺站較少，而遠處臺站的SCP難以在一個很小的范圍內(nèi)交會，從而影響了定位的準(zhǔn)確性。為此，我們使用經(jīng)過日變化幅度校正的RC作為定位的補充。圖10 為海駐線的RC在平面上的投影。在入地電流開始注入和恢復(fù)雙極運行時，入地極附近的RC均為最大，能夠在入地極被臺站包圍較好的情況下指示入地極的位置。此處的RC經(jīng)過了日變化幅度校正，故單獨使用幅度信息時，可以認(rèn)為RC出現(xiàn)極大值的位置即為最靠近換流站位置；遠離換流站時則幅度變小。因此，若臺站足夠密集，并正確地獲取幅度信息時，其定位的結(jié)果也能夠反映入地極的位置。

圖10 階變比值的強度排序Fig.10 Intensity rank of step change and diurnal variation ratio of Hainanzhou-Zhumadian line.a 海駐線電流開始注入階段；b 海駐線電流恢復(fù)階段

4 討論

前人的研究多只關(guān)注一個入地極的影響，而電力部門一般只關(guān)注單個入地極引起的跨步電壓，不關(guān)心2個入地極共同作用下的脈沖型響應(yīng)。在2個入地極間的臺站受到了2個入地極的共同影響，其響應(yīng)特點具有特殊性(圖11)。與臺階響應(yīng)不同，受到一個臺站向上階變、另一個臺站向下階變的疊加，2個換流站之間的地電場響應(yīng)多以脈沖形式出現(xiàn)。距其中一個入地極近時，其脈沖受到該入地極的影響較大、另一個入地極的影響較小，可能會出現(xiàn)脈沖+臺階的形式。且正交觀測的脈沖合成矢量不一定指向入地極位置，因此根據(jù)2個換流站之間的臺站很難準(zhǔn)確定位入地極。這是由于階變量之間相互疊加而無法準(zhǔn)確量取每個入地極的影響，且脈沖式的響應(yīng)不能準(zhǔn)確反映電位差異。

圖11 理想導(dǎo)電狀況下的電位分布及電位差衰減Fig.11 Potential distribution and difference attenuation under ideal conduction condition. a 2個入地極附近的電位取對數(shù)(log10)的分布，單位為mV；b、c 對圖a中沿y軸求電位差的結(jié)果，在范圍每隔100km取1條線，單位為mV/km；d、e 對圖a中沿y軸求電位差的結(jié)果，在范圍每隔10km取1條線，除通 原點的線，單位為mV/km。入地電流強度為4000A，電阻率為150Ω·m，埋深100m

根據(jù)圖11 中入地點電流源引起的電位分布情況發(fā)現(xiàn)，文中得到電位差的影響范圍與理論值相差較大。如海駐線的大山臺與駐馬店入地極的距離超過550km，扎青線的德都臺與扎魯特入地極的距離超過650km，均遠超模型給出的200km影響范圍。此外，重慶仙女山臺的響應(yīng)距離接近750km，馬欽忠等(2017)和趙文舟等(2022)的研究也顯示仙女山臺對其他線路的換流站有遠場響應(yīng)，這或許說明存在某些 “敏感點”臺站，對入地電流的響應(yīng)距離非常遠，且這種現(xiàn)象在東部平原區(qū)域比較明顯。西部寶德線的2個入地極和海南藏族自治州入地極的影響范圍都比較有限，除了處于2個入地極之間的臺站外，海南藏族自治州入地極與其北部最遠的武威臺相距約300km。郭名文等(2019)加入斷裂模型后的模擬結(jié)果表明，距離超過30km后斷裂對電位的分布響應(yīng)很小，地電場臺站幾乎都處于入地極30km外，但從地電場觀測結(jié)果來看其影響并不小。由此可見，現(xiàn)存的入地電流引起的電位差模型還需要進行較大改進，如存在某些低阻的電流通道，將使入地電流經(jīng)過通道形成新的電位源，從而影響到較遠的臺站。

此外，本文的定位方法還存在一些局限性，主要體現(xiàn)在觀測的準(zhǔn)確性和臺站分布2個方面。受到觀測中其他干擾(如地鐵運營)或觀測系統(tǒng)(如極性接反)的影響，計算入地電流引起的階變時存在誤差，影響了最終合成矢量方向的準(zhǔn)確性。此外，一些臺站的位置特殊(如沿電流通道分布)，可能存在不均勻電流源現(xiàn)象，即電位差的梯度方位不是入地極方位，而地電場觀測階變反映的是電位的梯度方向，這一差異影響了定位的準(zhǔn)確性。

同時，臺站分布的影響也較大，主要受限于入地極周圍的臺站數(shù)量和分布是否環(huán)繞入地極。理想情況下，臺站越密集且越靠近入地極，反映的入地電流電位分布特征越準(zhǔn)確，也就能夠更準(zhǔn)確地定位源的位置，反之則很難準(zhǔn)確定位。即在臺站數(shù)量多且分布基本環(huán)繞入地極的情況下定位效果較好，反之則較差。在本文的例子中，海駐線西側(cè)海南藏族自治州入地極的臺站基本分布在其周圍，定位效果較好；扎青線扎魯特極附近的臺站基本分布在入地極東南一側(cè)，其SCP的指向基本正確，但比海駐線的效果稍差；寶德線的寶雞入地極附近臺站分布相對均勻且環(huán)繞入地極，定位效果較好，而德陽入地極附近臺站少，其SCP未能準(zhǔn)確反映入地極的位置。

研究入地電流對地面地電場、地磁場的影響，可進一步推廣到對地震電磁場響應(yīng)的探索中。地震電磁場觀測臺站通常布設(shè)在斷裂帶附近，依靠這些臺站的觀測數(shù)據(jù)，能夠?qū)σ欢l件下強震的發(fā)生做出趨勢性預(yù)測，并給出地震發(fā)生的空間范圍和時間窗口。但對震源附近電磁場信號如何傳播到觀測臺站的解釋還不很令人滿意，時常一些較遠的臺站有異常、而就近的臺站無異常，即差異化響應(yīng)比較明顯。且這種預(yù)測一般難以做到臨震預(yù)測，即異常信號可能來自于震源區(qū)，但不一定是由該次地震活動所激發(fā)，這就需要考量這種震源區(qū)的信號是如何傳播到臺站的，為何造成了差異化響應(yīng)等問題。當(dāng)然，典型的同震電磁信號被認(rèn)為是由地震波所激發(fā)，且已被理論推導(dǎo)和一些實際觀測所證實(Gaoetal.，2014；Renetal.，2018)，但其信號的主要頻帶在固定地電、地磁觀測的主要頻帶之外。固定地電場臺站能夠識別的是直流—準(zhǔn)直流信號，地磁臺站主要觀測震源激發(fā)電流的感應(yīng)磁場，研究入地電流信號的傳播特點有助于從觀測數(shù)據(jù)中識別與震源過程有關(guān)的電磁現(xiàn)象。此外，本文對入地電流在地電場觀測中的響應(yīng)研究表明，僅依靠多極距多方位共同響應(yīng)來判斷 “遠源”信號這一方法具有較大的局限性，還需要考量響應(yīng)的方向性、傳播通道等因素。

5 結(jié)論

本文以海駐線、寶德線和扎青線的58個臺站為例，陳述了地電場受到高壓直流入地電流影響的響應(yīng)規(guī)律，并利用響應(yīng)的階變量定位入地極的位置，得出結(jié)論如下：

(1)與高壓直流入地電流距離不同的地電場觀測響應(yīng)具有臺階狀、脈沖狀和臺階+脈沖狀響應(yīng)特征，分別對應(yīng)于入地極附近、2個入地極中間和入地極中間偏一側(cè)的位置。

(2)通過單臺階變量的合成矢量可判斷干擾源的方位，再通過多臺階變信息可粗定位干擾源的位置；通過階變的幅度也可補充判斷入地極的位置。

(3)地電場受到的影響主要是入地電流傳播引起的電位差，這種傳播符合點源擴散的半空間格林函數(shù)，通過行波法可求解入地極電流引起的電位差分布，但是電性的嚴(yán)重不均勻性影響了一些臺站的響應(yīng)。

致謝山東大山臺工作人員的辛勤付出為本研究提供了極低頻觀測數(shù)據(jù)；地電場數(shù)據(jù)來自中國地震臺網(wǎng)中心前兆臺網(wǎng)部。在此一并表示感謝!