夏縣中心地震臺地電場觀測數據質量評價與特征分析

李曉銳，常 姣，劉國俊，姚林鵬，黃春玲，李 民

(1.山西省地震局夏縣中心地震臺，山西 夏縣 044400；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

地電場是指地球表面天然存在的電場，根據場源的不同，地電場可分為大地電場和自然電場。大地電場是由地球外部場源與地球介質間相互作用產生的感應電場，具有廣域性；自然電場是由地球內部介質的各種物理化學作用產生的局部電場，具有相對穩定性[1]。地電場是地球物理觀測的重要手段之一，國內外相關研究表明，地震在孕育和發生過程中會產生電磁異常信號，地電場表現出的短臨異常對地震預測預報具有重要意義。

夏縣中心地震臺(以下簡稱夏縣臺)原地電場建于2006年，正式觀測以來多次獲得全國質量評比前三名的好成績。2016年由于政府扶貧，將扶持項目建在觀測場地內，導致觀測數據質量下降，場地條件不符合地電場觀測規范要求，故臺站于2018年開始堪選建設新場地。新場地于2018年7月建成，2019年開始正式觀測。為有效使用觀測數據，對夏縣臺地電場正式觀測一年來的數據進行質量評價與特征分析，以期為夏縣臺地電場觀測數據在地震預測預報工作中的應用提供參考。

1 觀測場地及系統概況

夏縣臺地電場觀測場地位于山西省夏縣南大里鄉南晉村西南200 m處的農田內，海拔約490 m。地質構造上處于祁連山、呂梁山、賀蘭山“山”字形構造的東翼，新華夏系運城凹陷的北東邊緣中條山北麓斷裂NE段的北部，中條山山前洪積扇上。中條山北麓斷裂為第四紀活動斷裂，位于鄂爾多斯地塊東南緣，是運城盆地的主控斷裂，斷裂總長約137 km，沿斷裂帶有溫泉出露，屬于構造活躍地區，場地適合地電場觀測[2]。

夏縣臺地電場觀測儀器為中國地震局地殼應力研究所研發的GEF-II型地電場儀，觀測電極為蘭州地震研究所研制的固體不極化電極。觀測室距離公共電極O極點20 m，電極布設呈第三象限雙“L”直角型，在場地公共電極O極點向南和向西布設測線，每個方向均有兩個測道，選取不同極距埋設電極，外線路采用地埋導線方式。各測向極距如表1所示，場地布設情況如第16頁圖1所示。

表1 地電場觀測裝置參數表Table 1 Parameters of geoelectric field observation device

2 觀測資料選取

夏縣臺地電場始建于2018年初，于2019年1月開始正式觀測。根據觀測系統運行和觀測資料產出情況，選取2019年1月至12月的觀測數據進行質量分析和評價。

3 觀測數據質量評價

3.1 數據連續率、完整率評價

圖1 地電場儀器布設圖Fig.1 Layout of geoelectric field instruments

地震觀測數據比較通用的評價指標是觀測數據的連續率和完整率。觀測數據的連續率統計的是原始觀測數據，完整率統計的則是預處理數據,這兩個評價指標直接反映了儀器的工作狀態及觀測系統的運行情況。因在儀器故障而無法正常工作時，數據連續率必然降低；因觀測系統運行不正常時，常產生錯誤數據，在預處理過程中會予以刪除，影響數據的完整率。夏縣臺地電場數據連續率和完整率情況統計如表2所示，從表中看出，夏縣臺地電場觀測數據每個月的連續率和完整率均在99%以上，表明儀器工作狀態良好，觀測系統運行基本正常。

表2 2019年觀測數據連續率和完整率統計表Table 2 Statistics of continuity and completeness of observation data in 2019

3.2 相關系數評價

由于地電場具有局部穩定性的特點，理論上同一測向上長短極距測道的數據變化趨勢應該基本一致。通過對各測向分別進行時域相關分析，可以驗證數據變化趨勢的一致性，即求取同一測向上長短極距測道觀測數據的相關系數。如相關系數較高，表明觀測數據的可信度較高，否則需要考慮觀測裝置是否存在問題或場地周圍是否存在干擾。夏縣臺地電場觀測數據每個月的月相關系數統計如表3所示。統計結果表明，除4月份因場地內雷電天氣和雷電過后的短極距O極電極故障等原因導致的相關系數較低外，夏縣臺地電場觀測數據相關系數基本保持在0.9以上，觀測系統運行穩定，場地周圍無明顯持續干擾源，觀測數據穩定可靠。

表3 2019年觀測數據月相關系數統計表Table 3 Statistics of monthly correlation coefficient of observation data in 2019

3.3 歸零差值評價

由于地電場具有局部穩定性的特點，理論上同一測向上長短極距測道的數據變化幅度應該基本一致。用歸零差值可以驗證數據變化幅度是否一致，是否存在漂移現象。歸零差值的計算分三步：第一步，去除觀測數據的背景值，即將觀測數據與該測道00:00時刻數據(具體計算時使用前4 h的平均值)相減，得到本測道的歸零日變化數據；第二步，計算相同測向的長短極距測道歸零數據的差值序列；第三步，求出上述差值序列的絕對平均值，即為歸零差值[3]。夏縣臺地電場觀測數據每個月的月差值如第17頁表4所示。結果表明，4、7和8月NS、EW向存在歸零差值大于1 mV/km的情況，其余月份差值較好。其中，4月因場地內出現雷電天氣，加之雷電過后短極距O極電極故障等因素影響，導致歸零差值較大；7月，主要因16日更換短極距O極電極導致歸零差值較大；8月份主要因場地內農田灌溉現象較多，導致歸零差值較大。

3.4 分量合成效果評價

由于地電場具有矢量特征，所以地電場觀測各測道數據應滿足矢量合成的相關規則，即兩個正交方向的觀測數據經過矢量合成應與斜道觀測數據相符。符合矢量合成特征則表明觀測系統運行正常。夏縣臺地電場布極方式為第三象限布極，根據矢量合成的規則，應滿足：

表4 2019年觀測數據月差值統計表Table 4 Statistics of monthly difference of observation data in 2019

圖2 長極距測道分量合成結果圖Fig.2 Composition results of long polar distance channel components

4 觀測數據特征分析

4.1 日變形態特征分析

由于臺站的地理位置、地下構造、地形地貌、布極環境以及觀測裝置等諸多因素的差異較大，導致目前中國大陸地電場曲線的日變形態呈現多樣性、復雜性的特點，主要包括“峰-谷”型、近直線型、無序變化型和混合型4種類型[4]。選取夏縣臺地電場在太陽活動平靜日的日觀測數據，繪制于同軸坐標系，總結其日變形態特征。如圖4和第18頁圖5所示，分別選取EW、NS向長極距測道1月8日至10日和6月16日至18日的觀測數據，從圖中可以看出，夏縣臺地電場觀測數據的日變形態表現為“峰-谷”型。

圖3 短極距測道分量合成結果圖Fig.3 Composition results of short polar distance channel components

圖4 長極距測道日變化特征曲線圖Fig.4 Characteristic curve of daily variation of long polar distance measuring track

4.2 極化特征分析

地電場是一個矢量，包含有變化強度和方向等信息。夏縣臺地電場采用兩個正交的方向進行測量，即NS和EW向，通過矢量合成法可獲得地電場強度的幅度和極化方位角的數據及其隨時間的變化情況[5]，計算方法如下：

圖5 長極距測道日變化特征曲線圖Fig.5 Characteristic curve of daily variation of long polar distance measuring track

選取夏縣臺地電場的長極距觀測數據，計算地電場強度極化方位角，并繪制其隨時間變化的曲線(見圖6)。

圖6 地電場極化方位角曲線圖Fig.6 Polarization azimuth curve of geoelectric field

從圖中可以看出，夏縣臺地電場在運行之初，極化方位角為負，即北偏西方向，之后不斷向東漂移，4月8日在場地出現雷電現象后，極化方位角轉為正，而后逐漸趨于穩定。目前，夏縣臺地電場極化方位角為20°左右，方向為北偏東。

4.3 干擾特征分析

夏縣臺地電場觀測場地位于農田內，在2019年，地電場觀測主要干擾源為農田灌溉，其次還有地電暴和高壓直流輸電干擾。干擾的主要形態表現為階變、漂移和突跳等，下面選取幾種典型的干擾形態進行分析。圖7為2019年4月7日至10日短極距測道的圖形。7日，短極距測道觀測數據受南端短極距電極坑附近農田灌溉干擾，相關測道的觀測數據出現階變，然后呈漂移恢復形態；圖8為2019年6月8日至9日長極距測道的圖形，6月8日22時至9日4時，觀測數據受地電暴干擾，各測道同時出現突跳現象；第19頁圖9所示為2019年8月10日長極距測道的圖形，8月16日觀測數據多次受到昌宣線(距臺站約150 km)高壓直流輸電干擾，各測道數據同時出現突跳現象。

圖7 地電場受農田灌溉干擾曲線圖Fig.7 Interference curve of geoelectric field by farmland irrigation

圖8 地電場受地電暴干擾曲線圖Fig.8 Interference curve of geoelectric field by earth electric storm

5 結語

選取夏縣臺地電場自2019年正式觀測以來的數據進行分析和評價，得出如下結論：

(1) 從觀測數據連續率、完整率、相關系數、歸零差值和分量合成效果五方面對觀測質量進行評價，得出地電場觀測系統運行穩定，觀測場地周邊未發現持續干擾源，觀測數據質量較高。

圖9 地電場受高壓直流輸電干擾曲線圖Fig.9 Interference curve of geoelectric field by HVDC

(2) 通過對夏縣臺地電場觀測數據特征進行分析，可以看出，地電場觀測數據的日變形態表現為“峰-谷”型；極化特征為線極化，極化方向逐漸穩定在北偏東20°左右；地電場觀測主要干擾源為農田灌溉，其次還有地電暴和高壓直流輸電干擾，主要形態表現為階變、漂移和突跳等。通過分析表明，觀測數據可作為地震預測預報研究的基礎資料。