河北省地電場干擾因素分析

羅 娜喬子云寇海川王 靜張 波

1） 中國河北055350紅山基準地震臺

2） 中國石家莊050021河北省地震局

河北省地電場干擾因素分析

羅 娜1）喬子云2）寇海川2）王 靜1）張 波1）

1） 中國河北055350紅山基準地震臺

2） 中國石家莊050021河北省地震局

選取河北省昌黎、陽原、大柏舍、興濟、肥鄉(xiāng)、灤縣6個地震臺站地電場觀測資料，通過資料整理、日志查閱、干擾源調(diào)研，對常見觀測系統(tǒng)故障、工頻干擾、雷電干擾、高壓直流輸電、地電暴等干擾源的表現(xiàn)形態(tài)及干擾機制進行分析，并提出干擾排除方法，為有效識別干擾、異常提取及地震預(yù)測預(yù)報提供可靠依據(jù)。

地電場；干擾特征；干擾機制

0 引言

地電場是指地球表面天然存在的電場，根據(jù)場源的不同區(qū)分為大地電場和自然電場，大地電場場源來自地球外部電離層中的各種電流體系，自然電場源來自地下介質(zhì)物理化學(xué)反應(yīng)引起的正負電荷分離而產(chǎn)生的電效應(yīng)（葉青，2006；錢家棟等，2010）。中國在“九五”“十五”時期大規(guī)模建設(shè)地電場觀測臺站，積累了大量觀測資料，記錄到許多大震前異常變化（趙和云等，2002；馬欽忠等，2004；張學(xué)民等，2005；馬欽忠，2008），地電場觀測已成為地震預(yù)報的重要手段之一，對短期地震監(jiān)測預(yù)報具有重要作用。

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市化進程的推進，工廠、城軌、高壓直流輸電線路等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，以及數(shù)字化儀器采樣率與靈敏度的大幅度提高，地電場觀測資料受到的電磁環(huán)境干擾影響日益增強。一些干擾的形態(tài)特征和變幅量級易與震兆混淆，從而給地電場異常判別和地震預(yù)報中的實際應(yīng)用帶來困難，因此有效識別地電場觀測干擾，正確提取震兆信息，已成為一項重要工作（張秀霞等，2009；郅洪魁等，2012；馬新欣等，2012）。張仰輝等（2010）、馬君釗等（2010）、郭建芳等（2011）、趙衛(wèi)星等（2012）、王同利等（2013）對觀測系統(tǒng)（主機故障、外線路故障、電阻率供電）、雷電、地電暴、場地環(huán)境（設(shè)備漏電、高壓直流輸電、農(nóng)田灌溉）等干擾特征進行了分析與總結(jié)。本文對河北省昌黎、陽原、大柏舍、興濟、肥鄉(xiāng)、灤縣6個地震臺站地電場觀測資料，結(jié)合各臺觀測系統(tǒng)運行及觀測日志記錄，對一些常見干擾的變化形態(tài)和干擾機制進行分析，并提出解決干擾問題的建議，為地電場干擾識別、震情跟蹤以及異常提取提供一定依據(jù)。

1 觀測概況

2001年“首都圈”項目開始實施后，河北省地電場觀測臺網(wǎng)逐步建成，2002年開始正式觀測，現(xiàn)有昌黎臺、陽原臺、興濟臺、大柏舍臺、肥鄉(xiāng)臺、灤縣臺6個地電觀測臺站，其中肥鄉(xiāng)臺和灤縣臺為2013年新增臺站。地電場觀測采用“多方向、多極距”觀測方法，布極方式為雙“L”型，選取不同極距埋設(shè)電極，其中長極距300—400 km，短極距150—200 km，具體布設(shè)方式見圖1。

觀測外線路采用架空和地埋兩種方式，觀測儀器為ZD9A、ZD9A-Ⅱ和ZD9A-2B（表1）。6個臺站均分布在斷裂帶上，基礎(chǔ)資料完備，數(shù)據(jù)觀測質(zhì)量較好，在文安MS5.1地震前有較好反映，對首都圈地區(qū)震情監(jiān)視起到重要作用。

圖1 河北省地電場電極布設(shè)Fig.1 Electrode distribution of geoelectric feld observation in Hebei Province

表1 河北省地電場布極參數(shù)Table 1 The electrode arrangement parameters of geoelectric feld in Hebei Province

2 影響因素分析

2.1 觀測系統(tǒng)故障

地電場觀測系統(tǒng)主要包括測量電極、觀測線路、測量儀器等主要組成部分，當觀測系統(tǒng)中任一環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障時，均會影響數(shù)據(jù)觀測質(zhì)量。

2.1.1 線路故障。昌黎臺外線路采用架空方式，較易出現(xiàn)老化、接觸不良、絕緣性能降低等現(xiàn)象，造成地電場觀測數(shù)據(jù)畸變。2007年9月6日—8日昌黎臺EW長極距、NE長極距兩測道數(shù)據(jù)出現(xiàn)臺階變化，其他測道數(shù)據(jù)正常（圖2）。對外線路進行檢查發(fā)現(xiàn)，線路接頭處存有水汽，引起線路漏電導(dǎo)致地電場異常變化，將線路進行處理后，8日后臺階消失，數(shù)據(jù)恢復(fù)正常。

目前，臺站安裝集成通訊軟件，實現(xiàn)準實時數(shù)據(jù)監(jiān)控；觀測人員增加日常巡檢次數(shù)，以便及時發(fā)現(xiàn)線路故障，確保觀測儀器正常運行，提高觀測數(shù)據(jù)的連續(xù)率和完整率。

2.1.2 電極干擾。電極是地電場觀測系統(tǒng)的重要部件之一，對地電場觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量具有重要作用，其作用是，將所處地表土壤電位傳遞到金屬導(dǎo)線上，由金屬導(dǎo)線輸送到測量儀器被記錄下來（席繼樓等，2008；宋艷茹等，2011）。電極埋設(shè)較長時間后，周圍所處觀測環(huán)境發(fā)生變化，尤其在缺水情況下，電極固體電解質(zhì)收縮與土壤接觸不良，甚至出現(xiàn)分離現(xiàn)象，造成接地電阻變大及電極自身固化內(nèi)阻增大，從而導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)不正常或電極無法使用（趙衛(wèi)星等，2012）。電極老化后，會引起地電場觀測數(shù)據(jù)產(chǎn)生漂移、方波、臺階、隨機突跳等典型變化特征。

2015年8月6日至8月8日，興濟臺N30°E長極距、N60°W長極距、N30°E短極距、N60°W短極距測向數(shù)據(jù)曲線形態(tài)發(fā)生漂移，正常日變特性不明顯，最大漂移量9.979 mV/km（圖3）。此4個測向共用中心點O1，與數(shù)據(jù)變化正常的N75°E長極距、N75°E短極距中心點不同，由此判斷數(shù)據(jù)漂移由O1電極不穩(wěn)定造成。

目前，興濟臺在改造過程中，將觀測裝置恢復(fù)為中心點雙電極正常觀測模式，電極埋深由2 m增大為4.5 m，從而使電極埋深處于常年水面之下，避開地表水位上下浮動層面，觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量有明顯提高， N30°E測向差值均值降低為0.15，相關(guān)系數(shù)提高到0.999。

2.1.3 地電阻率同場觀測干擾。地電場和地電阻率同場觀測的臺站，地電場儀記錄到地電阻率觀測產(chǎn)生的人工電場，從而產(chǎn)生干擾。陽原臺配備ZD8B和ZD8M地電阻率儀，由于ZD9A-Ⅱ地電場儀并未對ZD8M地電儀進行“握手”（史紅軍等，2009；張國苓等，2014），對ZD8M地電儀供電時，在觀測場地瞬間產(chǎn)生幅度較大的人工電場，造成地電場分鐘值數(shù)據(jù)曲線每隔1小時出現(xiàn)1次有規(guī)律的干擾脈沖信號（圖4），干擾幅度為64.8—65.8 mV/km。

圖2 昌黎地電場線路故障干擾Fig.2 The line fault disturbance of Changli geoelectric feld

圖3 興濟臺地電場分鐘值曲線(a)長極距； (b)短極距Fig.3 The minute-vaule curve of Xingji geoelectric feld

圖4 陽原地電場地電阻率供電干擾分鐘值曲線(a)長極距； (b)短極距Fig.4 The minute-value curve of earth-resistivity power interference of Yangyuan geoclectric feld

一般，地電阻率、地電場同場地觀測時，采用“握手”方式消除干擾，當?shù)仉妶霾杉瘮?shù)據(jù)時地電阻率觀測不供電，也就是地電儀、地電場儀各自的401A單元參數(shù)設(shè)置為01，地電場觀測完成后地電阻率進行觀測，從而避免地電阻率供電影響。

2.2 觀測環(huán)境干擾

2.2.1 降雨、農(nóng)田灌溉干擾。大柏舍臺地電場電極除公用電極外，其余4個電極均埋設(shè)在農(nóng)田內(nèi)，且所在農(nóng)田區(qū)域地勢較低，因此地電場不可避免地受到降雨、農(nóng)田灌溉影響，觀測數(shù)據(jù)一般出現(xiàn)臺階或漂移現(xiàn)象。2015年3月30日大柏舍臺NS和NW測道長短極距4個觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)臺階和漂移現(xiàn)象（圖5），干擾幅度呈現(xiàn)不均勻性，其中北南向長極距最大變化幅度達57.419 mV·km-1，相關(guān)系數(shù)下降為0.774 6，差值增大為21.630。調(diào)查得知北電極所在農(nóng)田進行春小麥灌溉，灌溉水下滲到電極坑處，使電極引線接頭受潮，在電極界面產(chǎn)生極化電位，從而引起電場觀測數(shù)據(jù)變化。

灌溉、降雨等干擾具有明顯的時間特性，區(qū)分此類干擾，需對天氣變化準確記錄，并對觀測場地及時巡檢調(diào)查，一般隨著電極周圍土壤中水分減少，農(nóng)田逐漸干涸，觀測數(shù)據(jù)逐漸平穩(wěn)并趨于正常。

2.2.2 工頻干擾。分布于地球表面的工頻干擾（50 Hz及其倍頻），俗稱游散電流，主要由電力系統(tǒng)產(chǎn)生，對電磁觀測存在較明顯的干擾。陽原臺ZD9A地電場儀觀測數(shù)據(jù)2014年10月8日08時至15時出現(xiàn)階變現(xiàn)象，即類方波變化，伴有除地電阻率供電外的高頻擾動，見圖6。由圖6可見，EW向長極距最大變化幅度達559.12 mV·km-1。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，陽原臺西北向黃粱坡村變壓器漏電，部分游散電流流入大地，從而導(dǎo)致觀測數(shù)據(jù)發(fā)生畸變。

圖5 大柏舍臺地電場灌溉干擾曲線(a)長極距； (b)短極距Fig.5 The irrigation disturbance curve of Dabaishe geoclectric feld

圖6 陽原地電場工頻干擾Fig.6 Power frequency disturbance of Yangyuan geoclectric feld

大地中的工頻干擾信號主要來自電磁感應(yīng)電流與接地漏電電流，干擾信號的電壓幅度取決于感應(yīng)電流與漏電電流大小、土壤電阻率及與電流源距離等，主要通過串模干擾和共模干擾2種方式，以頻率混疊、諧波畸變、限幅畸變等形式，對地電場觀測數(shù)據(jù)產(chǎn)生干擾（席繼樓等，2015）。席繼樓等（2015）采用線路濾波、前置工頻陷波等方法有效抑制了工頻干擾對大武臺地電場的影響。

2.2.3 高壓直流輸電干擾。 高壓直流輸電（HVDC）是將發(fā)電廠發(fā)出的交流電通過換流器變成直流電，通過直流輸電線路送至受電端轉(zhuǎn)換為交流電，注入受端交流電網(wǎng)。直流輸電系統(tǒng)對地震臺地電場和地電阻率觀測系統(tǒng)中電極之間空間電位分布的影響，主要來源于特高壓直流線路的空間合成場和換流站接地極的入地電流。其中，直流輸電系統(tǒng)接地極入地電流是地電場觀測干擾的決定性影響因子，當強大的直流電流經(jīng)接地極注入大地時，在極址土壤中形成一個恒定的直流電流場，并伴隨出現(xiàn)大地電位升高、地面跨步電壓和接觸電勢變大等現(xiàn)象，使土壤中的電位分布情況發(fā)生變化（韓民曉等，2013；唐波等，2013）。地電場受高壓直流輸電干擾的表現(xiàn)形態(tài)為同步性臺階變化。

2014年6月15日22時50分至6月16日00時20分，受哈鄭線±800 kV高壓直流輸電影響，大柏舍、興濟、肥鄉(xiāng)臺地電場觀測曲線出現(xiàn)1組明顯的同步下降臺階變化，臺階變化時間同步，變化形態(tài)一致，見圖7。大柏舍、興濟、肥鄉(xiāng)臺階變化幅度分別為5.96 mV·km-1、1.462 mV·km-1、2.24 mV·km-1，影響范圍約500 km。停止輸電后，電流注入接地極，地電場觀測數(shù)據(jù)曲線呈直線上升變化，直至恢復(fù)正常觀測水平。

圖7 地電場高壓直流干擾曲線(a)大柏舍長極距； (b)興濟長極距； (c)肥鄉(xiāng)長極距Fig.7 Geoclectric feld disturbed by HVDC

假設(shè)單極直流接地點為電流源（半球形接地體），在理想狀態(tài)下使用均勻土壤模型，高壓直流輸電對地電場觀測的影響與入地電流成正比，與地電場觀測場地與換流站接地極的距離平方和影響區(qū)域的電導(dǎo)率成反比（方煒等，2010）。哈鄭線±800 kV高壓直流輸電受端換流站在鄭州東中牟縣，于2014年1月27日建成投運。興濟臺、大柏舍臺、肥鄉(xiāng)臺距離受端換流站約480 km、290 km、220 km，可見興濟臺受干擾程度最小；大柏舍臺、肥鄉(xiāng)臺地電場受干擾幅度的差異，應(yīng)由臺站觀測場地視電阻率不同引起，大柏舍臺淺層視電阻率約40—67 Ω·m，約為肥鄉(xiāng)臺的4—7倍（肥鄉(xiāng)臺淺層視電阻率約5.39—16.37 Ω·m），因此大柏舍臺地電場受干擾幅度大于肥鄉(xiāng)臺。

2.3 雷電干擾

雷電屬于一種場電物理變化現(xiàn)象，其各種放電形式、量度取決于雷暴云電場，在大氣電場中與地表面土壤電導(dǎo)率及地電場變化強弱有關(guān)。大氣電場與地電場除其他物理量的相互交換外，還有電的交換（相互作用），雷電為其相互作用的產(chǎn)物（張建國等，2000）。雷電會引起數(shù)據(jù)波動和擾動，沿架空線路迅速傳播的雷電波會對電子記錄設(shè)備造成沖擊，強雷電甚至造成儀器毀壞和停測（王偉等，2013；羅娜等，2016）。興濟臺2015年8月25日ZD9A-2B地電場儀遭受雷擊，數(shù)據(jù)缺測造成觀測數(shù)據(jù)連續(xù)率降低。

2015年6月17日昌黎臺大地電場ZD9A-Ⅱ儀器受雷雨天氣影響，觀測數(shù)據(jù)在17時—19時受到明顯干擾，觀測曲線日變形態(tài)發(fā)生畸變，觀測值明顯偏離正常變化，呈現(xiàn)高頻干擾，其中東西向長極距最大變化日幅度為15.26 mV·km-1，為日常日變化1.6倍（圖8）。

在無雷暴云天氣現(xiàn)象時，大氣電場與地電場在場電疏密區(qū)呈相對平衡狀態(tài)，形成對立統(tǒng)一的自然場電動態(tài)體系，當雷電發(fā)生時，帶有電荷的雷云與地面突起物接近時發(fā)生激烈放電，從而改變區(qū)域電場的分布環(huán)境，使得觀測點電位升高，造成觀測曲線高頻突跳干擾，數(shù)據(jù)變化幅度可達正常時數(shù)倍（劉運生等，1996；林向東等，2007；李偉，2014）。由于雷電干擾影響范圍有限，可通過多個地震臺站資料對比與其他干擾區(qū)分開。為了維護儀器的正常運行，免受雷擊影響，在強雷雨期間，可以采取關(guān)機措施避免儀器受損。

2.4 地電暴干擾

地電暴和磁暴具有同源性，場源起源于太陽日冕物質(zhì)拋射事件，由太陽活動引起的固體地球外部的空間電流體系活動，是大尺度空間同時發(fā)生的電磁現(xiàn)象（謝倫等，2004；張滿蓮，2005）。地電暴期間，各臺不同極距、不同方向均能記錄到同步的高頻或脈沖異常信息，在一定區(qū)域內(nèi)對電場同方向長、短極距的影響是同步的，異常的持續(xù)時間、強度與磁暴的持續(xù)時間及強度呈很好的正相關(guān)（張學(xué)民等，2006）；地電場的最大變化幅度可達正常日變化的4—5倍，地電場各測向的相關(guān)系數(shù)也會升高（張振文等，2010；胡小靜等，2013）。

2015年3月17日發(fā)生1次急始型磁暴，紅山臺記錄的最大k指數(shù)為7。河北省6個臺站地電場儀均記錄到地電暴發(fā)生過程，其變化形態(tài)與靜日變化截然不同（圖9），各臺地電場日變形態(tài)產(chǎn)生較大畸變，均能記錄到同步異常信息。在地電暴發(fā)生期間，各臺地電場記錄到類似地震波形的大幅度尖銳脈沖突跳（初相），相比磁場記錄到的磁暴信息，地電場變化更加劇烈，記錄到的高頻成分更豐富。

圖8 昌黎地電場雷電干擾(a)長極距； (b)短極距Fig.8 Geoclectric feld disturbed by lightning

圖9 地電場受地電暴影響Fig.9 Geoclectric feld disturbed by geoelectric storm

在同一磁暴期間，不同臺站記錄地電暴有明顯差異性。對6個臺站地電場記錄的地電暴急始變幅、最大變幅和相關(guān)系數(shù)等進行分析，急始變幅為地電暴開始時的急始脈沖幅值大小，最大變幅為去除急始脈沖的整個磁暴的最大值減去最小值。經(jīng)計算統(tǒng)計，參與分析的6個臺站中，昌黎臺和灤縣臺的急始脈沖變化幅度較大，分別為44.5 mV·km-1、43.1 mV·km-1，肥鄉(xiāng)臺變幅5.8 mV·km-1，為變幅最小臺站。在磁暴發(fā)生期間，各個臺站磁暴日的日變幅明顯增大，柏舍和肥鄉(xiāng)地電場最大變幅可達正常日變幅度的6—8倍，變幅最小的昌黎臺也達到2.4倍；地電場相關(guān)系數(shù)較正常日變形態(tài)也有所升高，最高可達0.999 8。

據(jù)杜學(xué)彬等（2007）、葉青等（2007）的研究，在地電場觀測中，大地電場日變化、地電暴變化幅度差異在很大程度上與觀測臺址表層電阻率大小有關(guān)，電阻率越高，大地電場各種周期成分譜值越大。6個臺站測區(qū)介質(zhì)介電屬性存在明顯差異，灤縣和昌黎臺淺層視電阻率較大，其次是陽原臺、大柏舍臺、興濟臺，肥鄉(xiāng)臺淺層視電阻率最小；而記錄到的地電暴最大變幅值由大到小依次為昌黎臺、灤縣臺、陽原臺、大柏舍臺、興濟臺、肥鄉(xiāng)臺，說明臺址淺層電阻率與地電暴變幅大小關(guān)系密切。昌黎臺由于地處海岸線附近，屬于TGF-A型地電場，不僅觀測到磁場的相關(guān)信息，而且記錄到固體潮汐變化，據(jù)杜學(xué)彬等（2007）的研究，海岸線附近和晝夜溫差大的臺站幅值相對大，因此昌黎臺地電場記錄到的幅值相對較大。根據(jù)衛(wèi)定軍等（2010）研究認為，石嘴山和固原臺對地電場記錄到的地電暴之間的差異，反映了基巖對電場擾動反應(yīng)比粘土顯著。可見，因灤縣臺和陽原臺地下淺層介質(zhì)混有礫石等，所以記錄到的地電暴幅值比土層介質(zhì)的大柏舍和肥鄉(xiāng)顯著。

地電暴和磁暴具有同源廣域同步性，因此地可以采用多臺對比分析來識別電暴干擾，還可以參考地磁數(shù)據(jù)分析排除。特大磁暴引起的地電場變幅較大，且地電暴持續(xù)時間相對較長，短則幾小時，長則2—3 天，并具有初相、主相、恢復(fù)相等形態(tài)，而雷電干擾持續(xù)時間較短，約十幾分鐘至幾十分鐘。根據(jù)上述特征可以輕松區(qū)分雷電干擾與地電暴。

3 結(jié)束語

河北省地電場干擾因素主要有觀測系統(tǒng)、降雨、農(nóng)田灌溉干擾、工頻干擾、高壓直流輸電、雷電干擾、地電暴等，表現(xiàn)為突跳、臺階、數(shù)據(jù)漂移，干擾時段結(jié)束后，觀測數(shù)據(jù)逐漸恢復(fù)正常。觀測系統(tǒng)故障對地電場的影響，系統(tǒng)恢復(fù)后干擾結(jié)束。對于電極干擾，可以采取深埋電極方式減小影響。隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，工頻干擾對地電場的影響越來越嚴重，通過線路濾波、前置工頻陷波等方法可以有效抑制。高壓直流輸電已經(jīng)影響到大部分地電場臺站，主要表現(xiàn)特征為同步性臺階變化，實際分析時可以參考多個臺站數(shù)據(jù)加以識別，可以采用優(yōu)化直流輸電線路接地極形狀或改變地電場的電極布置方式，可適當減小直流線路對地電場觀測的干擾。地電暴和磁暴具有廣域同源性，而且地電暴具有初相、主相、恢復(fù)相等形態(tài)特征，因此參考地磁數(shù)據(jù)及多臺對比容易識別。地電場干擾變化嚴重影響觀測數(shù)據(jù)的觀測質(zhì)量，對前兆異常的識別帶來了困難。因此，深入細致地分析觀測數(shù)據(jù)的變化形態(tài)，正確識別并及時排除地震觀測中的各類干擾，有利于地震觀測數(shù)據(jù)地有效處理，為地震研究提供較為準確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為震情跟蹤和判斷服務(wù)。

河北省地震局張國苓、梁紅杰給予指導(dǎo)并進行有益討論，評審專家提出中肯有價值的修改意見，在此一并致謝。

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The analysis and summary of interference factors in geoelectric feld in Hebei Province

Luo Na1），Qiao Ziyun2），Kou Haichuan2），Wang Jing1）and Zhang Bo1）
1)Hongshan Benchmark Seismic Station,Hebei Province055350,China
2)Earthquake Administration of Hebei Province,Shijiazhuang050021,China

By sorting out the observation data of geoelectric feld at Changli, Yangyuan, Dabaishe, Xingji, Feixiang and Luanxian seismic stations in Hebei Province, through processing of data, log query, and investigating the interference source, we summarize the forms of various interference sources and interference mechanism such as line fault, power line interference, lightning disturbance, hvdc, and geoelectric storm in the observation of geoelectric feld and then put forward the method for eliminating the interference.It provides the reliable basis for effectively distinguishing the interference of the geoelectric feld, extracting anomalies and predicting earthquakes.

geoelectric feld，change shape，interference mechanism

10.3969/j.issn.1003-3246.2016.06.011

羅娜(1981—)，女，保定人，工程師，碩士，主要從事電磁學(xué)和地震預(yù)測研究工作。

E-mail： luona0104@163.com

喬子云 (1965— )，本科，石家莊人，主要從事電磁學(xué)和地震預(yù)測研究等工作。E-mail： qzy@eq-he.ac.cn

河北省地震局星火計劃項目（項目編號：DZ20150422048）；河北省地震局星火計劃項目（項目編號：DZ20160411069）

本文收到日期：2016-03-07