文金龍 包文超 王 西

（錫林浩特地震監(jiān)測(cè)中心站，內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000）

0 引言

內(nèi)蒙古自治區(qū)地域遼闊，東起東經(jīng)126°04'，西至東經(jīng)97°12'，橫跨經(jīng)度28°52'，東西最長(zhǎng)直線距離約為2 400 km；南起北緯37°24'，北至北緯53°23'，縱占緯度15°59'，南北最長(zhǎng)直線距離約1 700 km；全區(qū)總面積為118.3萬(wàn)km2。內(nèi)蒙古自治區(qū)各電磁臺(tái)站相距較遠(yuǎn)，面臨的干擾多種多樣，干擾成因也不盡相同。

地電阻率法是通過(guò)觀測(cè)地球介質(zhì)的電學(xué)性質(zhì)隨時(shí)間變化，來(lái)進(jìn)行預(yù)報(bào)地震的方法之一［1］。該方法通過(guò)固定的裝置系統(tǒng)定點(diǎn)觀測(cè)視電阻率隨時(shí)間的變化，以此來(lái)反演測(cè)區(qū)的地下介質(zhì)電性結(jié)構(gòu)隨時(shí)間變化而產(chǎn)生的變化。依據(jù)《地震臺(tái)站觀測(cè)環(huán)境技術(shù)要求》（GB/T 19531—2004），對(duì)地電阻率觀測(cè)由電磁干擾源產(chǎn)生干擾的原因大體有以下幾類：①城市內(nèi)軌道交通；②電氣化列車；③金屬管道；④高壓鐵塔的避雷接地線；⑤接地用電器。由于內(nèi)蒙古地電場(chǎng)地所在地區(qū)通常為村鎮(zhèn)或郊區(qū)，面臨的主要干擾為接地用電器產(chǎn)生的漏電干擾和供電不穩(wěn)定。除此之外，自然環(huán)境和地球物理事件也會(huì)對(duì)地電觀測(cè)產(chǎn)生干擾。

地磁觀測(cè)的原理是在地震孕育和發(fā)生時(shí)，由于壓磁效應(yīng)、熱磁效應(yīng)等原因，震源區(qū)及周圍地區(qū)的磁場(chǎng)可能發(fā)生快速變化［2］。在地磁觀測(cè)中，容易受到鐵磁性物質(zhì)干擾，如車輛、地鐵、高壓直流輸電等。高壓直流輸電線路，對(duì)地磁觀測(cè)造成了較大的影響。

由于地震臺(tái)站各個(gè)測(cè)項(xiàng)所收到的干擾逐年增加，產(chǎn)生干擾的原因也越來(lái)越多，若要在觀測(cè)數(shù)據(jù)中找到地震前兆的異常，必須將干擾因素盡可能排除。因此，將內(nèi)蒙古自治區(qū)各個(gè)臺(tái)站電磁數(shù)據(jù)所受干擾進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)合已知干擾源和干擾因素，尋找所受干擾數(shù)據(jù)的形態(tài)特點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確的分析，有助于增加臺(tái)站工作人員數(shù)據(jù)跟蹤分析和日常處理的經(jīng)驗(yàn)技巧，提高工作效率。

1 內(nèi)蒙古自治區(qū)電磁臺(tái)網(wǎng)概況

截至2023年內(nèi)蒙古自治區(qū)電磁觀測(cè)網(wǎng)共有6個(gè)觀測(cè)臺(tái)站：烏加河臺(tái)（包括八一地磁測(cè)點(diǎn)）、呼和浩特臺(tái)（包括集寧地電測(cè)點(diǎn)）、寶昌臺(tái)、錫林浩特臺(tái)、赤峰翁牛特地電測(cè)點(diǎn)、滿洲里臺(tái)。其中集寧和赤峰測(cè)點(diǎn)由于場(chǎng)地改建等因素目前處于停測(cè)狀態(tài)。

根據(jù)國(guó)家中心運(yùn)行清單，本區(qū)域臺(tái)網(wǎng)電磁學(xué)科應(yīng)分析儀器數(shù)量為19套，其中8套地電觀測(cè)儀器、11套地磁絕對(duì)觀測(cè)儀器。本研究選取以上儀器針對(duì)不同干擾影響中數(shù)據(jù)變化較為顯著的測(cè)項(xiàng)，對(duì)其數(shù)據(jù)形態(tài)進(jìn)行分析。

2 電磁干擾類型

對(duì)跟蹤分析數(shù)據(jù)庫(kù)中已有分析進(jìn)行歸類總結(jié)，2019—2022 年電磁儀器跟蹤分析事件共704 條，選取其中7 類典型干擾事件累計(jì)605 條進(jìn)行分析。其中地磁相對(duì)儀器主要干擾為急始磁暴、高壓直流、供電故障、人為干擾，地電儀器主要干擾為地電暴、降雨、漏電、灌溉、高壓直流輸電、人為干擾。由于地電暴與急始磁暴均為電磁擾動(dòng)所致，故將其歸為一類。各類干擾統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 電磁數(shù)據(jù)干擾類型數(shù)量統(tǒng)計(jì)

2.1 電磁擾動(dòng)

太陽(yáng)活動(dòng)期間，大量的帶電粒子進(jìn)入地球空間，并被地磁場(chǎng)捕獲。由于粒子增多，環(huán)電流也增強(qiáng)。磁層環(huán)電流是磁暴過(guò)程最重要的特征，也是磁暴主相產(chǎn)生的原因［3］。環(huán)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與地磁場(chǎng)疊加，使得地磁場(chǎng)的水平分量發(fā)生很大變化，這時(shí)就發(fā)生了磁暴和地電暴。磁暴發(fā)生時(shí)，所有地磁要素都發(fā)生劇烈的變化，其中水平分量H變化最大，最能代表磁暴過(guò)程特點(diǎn)［4］，地電暴變化形態(tài)主要表現(xiàn)為數(shù)據(jù)突跳。

2.2 降雨和灌溉干擾

內(nèi)蒙古地區(qū)相對(duì)干旱，地下水位較深，降雨會(huì)通過(guò)改變電極所在的表層介質(zhì)的電性等方式來(lái)影響地電觀測(cè)的數(shù)據(jù)變化［5-6］，通常表現(xiàn)為地電數(shù)據(jù)發(fā)生階變，降雨時(shí)數(shù)據(jù)隨之產(chǎn)生變化，雨后數(shù)據(jù)逐步恢復(fù)，地電儀的地電阻率測(cè)項(xiàng)受影響較為明顯，地電場(chǎng)儀的各測(cè)項(xiàng)受影響較為同步。灌溉與降雨雖然形成原因不同，但根本原理具有一致性，且影響數(shù)據(jù)變化也具有相關(guān)性。以降雨為例，寶昌臺(tái)和烏加河臺(tái)受降雨干擾與降雨量情況如圖1 所示，由圖1 可知，兩臺(tái)站地電阻率變化與降雨發(fā)生時(shí)間相吻合，變化幅度與降雨量有一定的相關(guān)性。但寶昌臺(tái)受降雨干擾地電阻率數(shù)據(jù)產(chǎn)生下降變化，而烏加河臺(tái)地電阻率受降雨干擾產(chǎn)生上升變化。由兩臺(tái)站受降雨干擾，數(shù)據(jù)呈負(fù)相關(guān)性可以初步判斷寶昌與烏加河地下介質(zhì)電性結(jié)構(gòu)有明顯差異。對(duì)比分析寶昌與烏加河地電阻率年變，二者數(shù)據(jù)也呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性（烏加河臺(tái)“夏高冬低”，寶昌臺(tái)“夏低冬高”）。烏加河臺(tái)地電斷面為KQQ 型（中間層電阻率高于表層及底層電阻率）（國(guó)家地震局預(yù)測(cè)預(yù)防司，1998），寶昌臺(tái)地電斷面為H 型（中間層電阻率低于表層及底層電阻率）（國(guó)家地震局科技監(jiān)測(cè)司，1988），當(dāng)烏加河臺(tái)供電極距在180～2 000 m之間時(shí)，a類干擾（即一層電阻率發(fā)生季節(jié)性變化的模型）K 型地電斷面出現(xiàn)明顯反常的季節(jié)變化（夏高冬低），而當(dāng)寶昌臺(tái)供電極距為560 m 時(shí)，a 類干擾H 型地電斷面出現(xiàn)明顯正常的季節(jié)變化［7］，進(jìn)一步證實(shí)了兩地地下介質(zhì)電性結(jié)構(gòu)的差異。

圖1 部分臺(tái)站地電阻率與降雨量對(duì)比

2.3 漏電干擾

漏電干擾主要表現(xiàn)形式為階躍變化和突跳。漏電的階躍變化主要為漏電流較為穩(wěn)定，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。滿洲里臺(tái)和赤峰臺(tái)地電場(chǎng)受漏電干擾情況如圖2 所示。其中滿洲里臺(tái)地電場(chǎng)儀由于大棚與變壓器之間線路漏電，數(shù)據(jù)產(chǎn)生漏電干擾。由于大棚灌溉用電較為穩(wěn)定故滿洲里地電場(chǎng)數(shù)據(jù)呈階躍變化。漏電干擾與測(cè)量場(chǎng)地周邊環(huán)境關(guān)聯(lián)較為密切，如工廠、礦產(chǎn)、變壓器等，但用于固定線桿和外線路的鋼絞線與線桿之間未采取絕緣措施，也可能形成線間漏電［8］。排查時(shí)可對(duì)外線路進(jìn)行檢查并參考數(shù)據(jù)干擾是否具有周期性及漏電時(shí)間與工廠工作時(shí)間、居民用電高峰時(shí)間的關(guān)聯(lián)性等。

圖2 部分臺(tái)站地電場(chǎng)受漏電干擾情況

2.4 高壓直流

高壓直流輸電干擾主要表現(xiàn)為數(shù)據(jù)的臺(tái)階變化，且變化幅度與場(chǎng)地和輸電線路距離相關(guān)。如發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)有不明原因的臺(tái)階變化，可以對(duì)比周邊臺(tái)站數(shù)據(jù)變化，以及對(duì)比干擾臺(tái)站線路所經(jīng)過(guò)的其他臺(tái)站。高壓直流輸電干擾對(duì)各臺(tái)站地磁數(shù)據(jù)的干擾在時(shí)間上具有一致性，因此可以通過(guò)以上特征進(jìn)行判斷。位于高壓直流輸電線路中段的臺(tái)站可以通過(guò)畢奧-薩伐爾定律得出受干擾的幅度變化。沈紅會(huì)［9］推導(dǎo)出的輸電線路遠(yuǎn)長(zhǎng)于臺(tái)站到輸電線的距離下產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度公式為式（1）。

式中：磁導(dǎo)率μ0=4π×10-7H/m；電流I為咨詢電力部門(mén)所得電流值；R為換流站到地磁臺(tái)站的距離。

換流站周邊臺(tái)站不能單獨(dú)采用畢奧-薩伐爾定律進(jìn)行計(jì)算。如錫林浩特臺(tái)受錫泰線高壓直流輸電干擾，且位于線路起始端，計(jì)算時(shí)必須要同時(shí)考慮換流站接地電極位置及周邊地下構(gòu)造和線路與臺(tái)站的相對(duì)位置［10］。

通過(guò)對(duì)比臺(tái)站間所受同一線路高壓直流輸電干擾，可以得出高壓直流輸電線路的大致走向，為臺(tái)站人員維權(quán)提供證據(jù)。

2.5 供電故障

供電故障通常表現(xiàn)為停電導(dǎo)致缺數(shù)或電源不穩(wěn)導(dǎo)致數(shù)據(jù)突跳，排查時(shí)只需對(duì)供電UPS 進(jìn)行檢測(cè)即可。如寶昌臺(tái)由于夏季雷雨天氣來(lái)臨，對(duì)儀器進(jìn)行拉閘避雷。儀器反復(fù)斷電，電流不穩(wěn)，導(dǎo)致儀器不但出現(xiàn)斷記，而且產(chǎn)生部分突跳。部分臺(tái)站由于儀器所在場(chǎng)地與臺(tái)站距離較遠(yuǎn)，儀器斷電后無(wú)法第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)，蓄電瓶電量用盡后儀器斷記（如圖3 所示）。因此建議距離較遠(yuǎn)，使用CDMA 傳輸數(shù)據(jù)的臺(tái)站可以將CDMA 與市電相連。當(dāng)?shù)赝ｋ姾髢x器無(wú)法遠(yuǎn)程連接，以便第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)赝ｋ姟；蚺c當(dāng)?shù)厝藛T建立溝通機(jī)制，第一時(shí)間獲取停電信息。

圖3 寶昌臺(tái)第一裝置地電場(chǎng)觀測(cè)北南向＜3411＞原始分值

2.6 人為干擾

人為干擾多為臺(tái)站工作人員進(jìn)行標(biāo)定、儀器維護(hù)等造成的，因此，在時(shí)間上具有明顯的一致性。在地磁儀器進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，必然會(huì)造成人為干擾。數(shù)據(jù)在儀器標(biāo)定及斷電回傳時(shí)會(huì)產(chǎn)生斷記，在電流不穩(wěn)、工作人員攜帶鐵磁性物質(zhì)干擾時(shí)會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)突跳。因此，建議臺(tái)站工作人員對(duì)儀器進(jìn)行操作前應(yīng)仔細(xì)閱讀操作流程，盡量縮短標(biāo)定時(shí)間，將干擾時(shí)間降至最低。

3 結(jié)論

內(nèi)蒙古自治區(qū)地電臺(tái)站面臨的主要問(wèn)題為降雨干擾及漏電干擾。內(nèi)蒙古地區(qū)較為干旱，降雨相對(duì)較少，地下水埋深較深。因此臺(tái)站可以申請(qǐng)改造，加大電極埋深。有條件的臺(tái)站可以采用深井觀測(cè)，這樣可以有效降低降雨對(duì)數(shù)據(jù)造成的干擾。深井觀測(cè)也可以減少溫度等因素對(duì)地電觀測(cè)的影響，提升利用數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)頻分析［11］等手段分析預(yù)報(bào)的可靠性。同時(shí)，部分臺(tái)站如錫林浩特、赤峰等由于觀測(cè)場(chǎng)地距離臺(tái)站較遠(yuǎn)，臺(tái)站的氣象三要素所記錄的數(shù)據(jù)無(wú)法準(zhǔn)確說(shuō)明場(chǎng)地的氣候變化情況。建議此類臺(tái)站在地電場(chǎng)地增設(shè)氣象三要素儀器。而面對(duì)漏電干擾時(shí)，應(yīng)及時(shí)與電力、居委會(huì)等相關(guān)部門(mén)溝通，利用“分片停電”確定漏電區(qū)域，結(jié)合干擾時(shí)段進(jìn)行重點(diǎn)目標(biāo)確定，逐戶排查，在發(fā)現(xiàn)干擾源后妥善溝通，及時(shí)排除干擾。

內(nèi)蒙古各個(gè)地磁臺(tái)站之間跨度較大，所處地區(qū)為中高緯度地區(qū)，臺(tái)站受磁暴、亞暴等影響較為頻繁。雖然各臺(tái)站日變化形態(tài)存在相位差，但記錄到急始磁暴數(shù)據(jù)變化形態(tài)接近，且具有時(shí)間同步性。但由于地磁臺(tái)站較少，分布不均勻，因此對(duì)比形態(tài)不夠突出。同時(shí)由于數(shù)據(jù)不足，導(dǎo)致前兆人員進(jìn)行分析預(yù)報(bào)時(shí)采用地磁數(shù)據(jù)的可選擇性較差。建議加大內(nèi)蒙古地區(qū)地磁臺(tái)站數(shù)量和分布密度，如赤峰、通遼、興安盟地區(qū)和阿拉善、烏海地區(qū)等地磁臺(tái)站“空區(qū)”。在建設(shè)地磁臺(tái)站時(shí)不僅應(yīng)考慮對(duì)已有高壓直流輸電線路進(jìn)行避讓，而且應(yīng)在相關(guān)部門(mén)進(jìn)行地區(qū)規(guī)劃了解，減少各類干擾。

本研究?jī)H對(duì)內(nèi)蒙古地區(qū)電磁臺(tái)站所受干擾進(jìn)行了初步分析，仍存在許多問(wèn)題，如換流站附近臺(tái)站所受高壓直流輸電干擾應(yīng)如何確定；降雨對(duì)數(shù)據(jù)的干擾與降雨量、地下介質(zhì)的電性結(jié)構(gòu)的關(guān)系等，仍有待進(jìn)一步研究。