大同中心地震臺地電場變化特征及影響因素分析

彭麗娟，閆美蓉，韓 勝，李文超，白偉利，劉 發，張文慧

(1.山西省地震局大同中心地震臺，山西 大同 037000；2.太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，山西 太原 030025)

0 引言

地電場是一種地球物理場,主要指地表及地球內部存在的電場。地電場前兆觀測主要觀測地電場的地表分量及其時空變化，是地震監測預報中的一種前兆手段。在日常觀測中，地電場觀測資料記錄到的干擾形態有多種，影響因素也不盡相同。2005年山西省地震局首次引入地電場觀測項目即“十五數字地震網絡工程”，在大同、代縣、太原、臨汾、夏縣建設地電場觀測臺站。多年來運行良好，觀測數據穩定[1]。文章以大同中心地震臺(以下簡稱大同臺)地電場各測道2014年1月1日至2017年6月30日的分鐘值數據為基礎進行分析研究，結合工作日志統計日變情況，對雨雪、雷電、大風等天氣變化、周邊環境改變、外空磁場環境變化，以及觀測系統本身變化等可能存在的影響因素進行分析，得出大同臺地電場變化特征及具體影響因素。為快速準確識別干擾因素、捕捉地震前的異常信息、判斷觀測系統中可能出現的技術故障提供參考依據。

1 地電場觀測項目基本情況

根據“中國數字地震觀測網絡”總體設計和“山西省數字地震觀測網絡”建設方案，2006年1月大同臺在大同市南郊區馬軍營鄉上皇莊村新建了地電場項目。項目場地選在原來的地電阻率場地上，獨立布設電極和線路，采用地電場常用的L型觀測裝置布設。具體為：在場地中心點向南和向東布設測線，每個方向均有兩個測道。選取不同極距埋設電極，其中長極距為300 m，短極距為200 m，形成6極共用。室內分線組合成12個輸入端進入儀器，形成6個測道，分別是：南北向長極距300 m、南北向短極距200 m、東西向長極距300 m、東西向短極距200 m、北45度東向長極距424 m、北45度東向短極距283m。布極中心點距觀測室約750 m(見圖1)。2006年7月ZD9A-Ⅱ地電場儀試運行，2008年1月1日正式運行。經過多年的觀測運行，觀測質量較好，數據穩定，相關系數在0.9以上。

2 地電場觀測數據變化特征

大同臺地電場觀測數據穩定、連續、可靠，各測道年均連續率均在99.8%以上，完整率在99.5%以上，相關系數約0.94，差值約0.4。大同臺地電場觀測主要特征是：背景噪聲大，日變曲線多數呈弱日變。由于線路架設在農田中，測量數據及相關系數易受降雨、降雪、大風、雷電等自然現象及不明原因的影響。電磁暴或電磁擾動多數情況下對地電場影響不明顯，大的電磁暴能夠記錄到。大同臺地電場每月平均弱日變天數在10 d左右，日變幅度為4.90～6.50 mV/km。

3 地電場觀測數據影響因素分析

從大同臺地電場觀測數據變化情況看出，雷電、雨雪、大風等自然環境變化、場地環境變化、地球物理事件、人為干擾因素、觀測系統異常等因素都可能對地電場觀測數據產生影響，同時還存在一些不明原因的影響。

3.1 自然環境影響

由于線路架設在農田中，大同臺地電場測量數據及相關系數易受降雨、雷電、大風等自然現象的影響，幾乎每次降雨、降雪、大風、雷電都會引起地電場數據的明顯變化。自然環境的變化會影響大地電場的正常動態變化，引起地電場觀測曲線出現高頻抖動、趨勢性上升或下降等變化[2]。2014年1月1日至2017年6月30日，大同臺共記錄到105起因降雨、雷電、大風、降雪等自然環境變化而導致觀測數據異常的事件。各測道數據最大變幅為287.84 mV/km，每次變化都會隨著降雨、雷電、大風等的結束逐漸恢復到正常背景值。圖2為2014年至2016年受自然環境干擾的典型圖形。

圖2 自然環境干擾對地電場觀測預處理分鐘值的影響Fig.2 Influence of natural environmental interference on preprocessing minute value of geoelectric field

3.2 場地環境變化影響

地電場觀測對場地環境有較高要求，測區環境變化通常會導致觀測數據發生變化。測區內出現改變電磁環境的物體，以及流體分布發生變化時，會造成觀測數據出現強烈擾動現象[3]。2014年1月1日至2017年6月30日，大同臺共記錄到12起因附近打井、農田灌溉、電線漏電等場地環境變化而對觀測數據產生干擾的事件，各測道數據最大變幅為177.97 mV/km。農田灌溉積水下滲導致地下介質電阻率變化，造成地電場觀測數據曲線下降、上升、階變，此類干擾通常會隨著農田水分蒸發而消失。電線漏電則會導致土壤介質中帶電離子電位發生變化，造成觀測數據產生階變。第18頁圖3為2015年典型場地環境干擾圖形。

3.3 地球物理事件影響

大地電場主要是大氣層中的各種電流體系在地球內部所產生的感應電場，與地球外部磁場變化有著直接的關系。地球外部磁場變化，如地電暴、磁暴、太陽粒子流大爆發等情況都會引起電場變化[4]。2014年1月1日至2017年6月30日，大同臺記錄到1起因地電暴干擾而影響觀測數據的事件。地電暴是指在磁暴時記錄到的地電場劇烈變化。當地電暴發生時，所有電場觀測項和地磁要素均發生不同程度的變化。第18頁圖4為2015年3月16日至22日大同臺第一裝置北東向和第二裝置北南向預處理分值圖，可以看到3月17日17時至18日11時受地電暴干擾，地電場各測道數據出現不同程度的變化。

3.4 人為干擾的影響

人為干擾會對觀測環境和觀測系統等產生影響[5-6]，進而對地電場觀測數據產生干擾。2014年1月1日至2017年6月30日，大同臺共記錄8起因更換電極、儀器標定、線路檢測等人為因素對觀測數據產生干擾的事件，其中6次更換電極，導致6個測道產生數據階變，階變最大幅度22.27 mV/km。更換之后，觀測數據通常需要經過一段時間調整才能逐漸趨于原值，這可能與電極自身、電極坑內土壤的結合以及自身極化調整的過程有關。第18頁圖5為2015年9月7日大同臺第一裝置北東向和第二裝置北南向預處理分值圖，在17：59至18：28因進行季度標定，造成數據缺測以及錯誤數據，其他時間段數據變化正常。圖6為2016年9月7日大同臺第一裝置北東向和第二裝置北南向預處理分值圖，在14:00至15:20因季度巡檢檢測外線路造成干擾，數據變幅嚴重超差，發生較大突跳。

圖3 場地環境對地電場觀測預處理數據的影響Fig.3 Influence of site environment on preprocessing data of geoelectric field

圖4 地電暴干擾對地電場觀測預處理數據的影響Fig.4 Influence of geoelectric storm interference on preprocessing data of geoelectric field

3.5 觀測系統的影響

圖5 儀器標定對地電場觀測預處理數據的影響Fig.5 Influence of instrument calibration on preprocessing data of geoelectric field

圖6 外線路檢測對地電場觀測預處理數據的影響Fig.6 Influence of external line detection on preprocessing data of geoelectric field

地電場觀測系統主要完成地電場信號的采集、模數轉換、數據儲存、數據處理等，主要由測量裝置系統(外線、電極等)和測量系統(主機、電源)組成[7]。觀測系統每部分的狀態直接影響觀測數據的質量。通常裝置系統干擾會影響觀測數據的穩定性，測量系統干擾會降低數據的連續率和完整率[8]。2014年1月1日至2017年6月30日，大同臺共記錄到9起因電極故障或電極運行不穩定、地電場外線被盜等對觀測數據產生干擾的事件，各測道數據最大變幅為102.58 mV/km。第19頁圖7為2017年3月26日至27日大同臺第二裝置北南向和東西向預處理分值圖，可以看出3月26日20:56至27日00:50，觀測數據出現階變，最大變化78.68 mV/km。數據變化后，檢查儀器及室內線路，巡視外線路和測區環境等，一切正常。分析認為，數據階變和短道公共電極有關，長道數據正常。因此，排除場地環境的影響，是由短道電極不穩定引起的數據階變。

3.6 不明原因干擾

不明原因引起的觀測數據突跳、階變等情況，需要在今后的觀測工作中予以重點關注，做進一步的分析研究和查找。2014年1月1日至2017年6月30日，大同臺共記錄9起不明原因對觀測數據產生干擾的事件，數據最大變幅69.4 mV/km。第19頁圖8為2015年1月12日至18日第一裝置北東向和第二裝置北南向預處理分值圖，看出1月18日11:55至14:31數據發生階變，各測道數據變化范圍為3.56～8.03 mV/km。巡視并檢查外線路和測區環境、儀器及室內線路等，未發現明顯異常及干擾源，數據階變原因不明。

圖7 電極運行不穩對地電場觀測預處理數據的影響Fig.7 Influence of unstable electrode operation on preprocessing data of geoelectric field

圖8 不明原因對地電場觀測預處理數據的影響Fig.8 Influence of unexplained factors on preprocessing data of geoelectric field

4 結論

通過以上分析，得出如下結論：

(1) 大同臺地電場觀測數據穩定、連續、可靠，主要特征是背景噪聲大，日變曲線多數呈弱日變，每月平均弱日變天數在10 d左右，日變幅為4.90～6.50 mV/km。

(2) 大同臺地電場觀測數據易受降雨、雷電、雨雪、大風等自然環境的影響；場地環境變化、地球物理事件、人為干擾、觀測系統也會對觀測數據產生影響；此外，還存在一些不明干擾因素，需在今后的工作中做進一步的分析研究。

參考文獻：

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[8] 張仰輝,荊紅亮,李艷,等.影響地電場觀測數據干擾因素分析[J].地震地磁觀測與研究,2010,31(4):92-101.