安徽地電場臺站觀測干擾調(diào)研分析

尹天杰 孫亮亮 袁勇 張明明 李章

摘? 要：該文對安徽地電場臺站的基本情況做了簡要介紹，利用蒙城、嘉山兩個地電場臺站近年來的觀測數(shù)據(jù)，對地電場觀測干擾進行調(diào)研分析，對各類干擾進行歸納總結(jié)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，日常觀測中主要受到降雨、雷電、電極老化、地電阻率同臺觀測與高壓直流輸電等干擾影響。根據(jù)各類干擾對數(shù)據(jù)曲線造成的變化，分析各類干擾機理以提出改進應(yīng)對方法，可為地電場觀測的干擾識別提供參照依據(jù)。

關(guān)鍵詞：地電場? 干擾? 場地環(huán)境? 觀測系統(tǒng)

中圖分類號：P315? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1672-3791（2021）02（c）-0064-04

Investigation and Analysis of Observation Interference of Anhui Geoelectric Field Station

YIN Tianjie1? SUN Liangliang1? YUAN Yong1? ZHANG Mingming2? Li Zhang3

（1.Jiashan Seismic Station of Anhui Seismological Bureau， Mingguang， Anhui Province， 239400 China; 2. Mengcheng Seismic Station of Anhui Seismological Bureau， Mengcheng， Anhui Province，233500 China; 3.Huangshan Seismic Station of Anhui Seismological Bureau，Huangshan，Anhui Province，242700 China）

Abstract： This article briefly introduces the basic situation of Anhui geoelectric field stations， using the observation data of Mengcheng and Jiashan geoelectric field stations in recent years to investigate and analyze the interference of geoelectric field observation and summarize various types of interference. It was found that the daily observations were mainly affected by interference such as rainfall， lightning， electrode aging， observation of ground resistivity on the same station and high-voltage direct current transmission. According to the changes caused by various interferences to the data curve， analysis of various interference mechanisms to propose improved countermeasures can provide a reference for the identification of interference in geoelectric field observation.

Key Words： Geoelectric field; Interference; Site environment; Observation system

進入新世紀以來，隨著電極技術(shù)取得不斷進步，使地電場觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量有了大幅度提高。目前，國內(nèi)地電場觀測采用多極距、多測道布設(shè)，外裝置系統(tǒng)覆蓋面積較大，容易受到地形地貌、地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)以及外界環(huán)境的影響，干擾類型也比較多。如何準確識別各類干擾和應(yīng)對各類干擾是優(yōu)化觀測質(zhì)量的關(guān)鍵。

1? 電場臺站基本概況

安徽省目前有兩個地電場觀測臺站，分別位于蒙城、嘉山。蒙城臺于1999年12月新建大地電場觀測項目，并于2000年1月1日投入觀測，嘉山臺于2006年12月新建地電場項目，2007年1月1日正式運行。蒙城臺布極方法采用共用電極長短極距法，共有NS向長、短極距，EW向長、短極距，N45°W向長、短極距3個分向。嘉山臺地電場觀測采用三角形布極，共有NS、EW和N45°E 3個方向，每個方向也分長、短二類極距[1]。線路均采用架空的方式。目前，蒙城、嘉山使用的地電場主機型號均為ZD9A-2B型。

2? 安徽地區(qū)地電場變化特征

2.1 地電場的正常日變化

安徽地區(qū)地電場臺站的正常日變化曲線形態(tài)屬于“峰-谷”型，即長短極距曲線呈現(xiàn)出“兩峰一谷”的變化形態(tài)。曲線每日變化平緩，可見接近于正弦波的數(shù)據(jù)曲線。

2.2 磁暴下的地電場區(qū)域同步變化

磁暴期間，地電場會記錄到幅度較大、且頻率較高的擾動變化[2]，數(shù)據(jù)變化幅度隨地磁指數(shù)K值的增加而增大。當K指數(shù)低于5時，稱之為“地電擾動”，當K指數(shù)大于等于5時，稱之為“地電暴”。經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，磁暴發(fā)生時，安徽地區(qū)兩個地電臺站的數(shù)據(jù)變化時間同步且變化形態(tài)基本一致，體現(xiàn)了其廣域性的變化特征。

由于各類干擾的曲線變化以及地震前兆變化是與正常變化交錯疊加在一起的。了解地電場曲線正常日變及磁暴變化特征，有助于提取其他干擾信息和地震前兆異常信息。

3? 干擾調(diào)研分析及應(yīng)對措施

3.1 自然因素干擾

3.1.1 雷電干擾

雷電發(fā)生時，在外部場變化的作用下，會對本質(zhì)相對靜態(tài)的大地電場造成干擾。尤其是出現(xiàn)雷暴等極端天氣時，雷電接近地表靜態(tài)電場，在放電的瞬間，引起數(shù)據(jù)變化，最高可達正常時的數(shù)倍，持續(xù)時間也相對較長。

經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，雷電干擾變化特征為：觀測數(shù)據(jù)呈離散性變化，有臺階、有突跳，數(shù)據(jù)變化值最高可為正常值的數(shù)十倍。特別是放電瞬間，因雷電造成的強電流對電極充電，數(shù)據(jù)呈現(xiàn)畸變，嚴重時可能擊穿儀器造成損壞。

為避免雷擊對室內(nèi)外觀測裝置的損害，外裝置系統(tǒng)可在雷雨季定期巡視外線路，室內(nèi)裝置系統(tǒng)可在觀測室電流輸入端安裝一級防雷模塊，機柜內(nèi)配線盤安裝二級避雷器，以提高防雷質(zhì)量。雷電發(fā)生時，交流供電要及時切換成UPS電源供電，雷電過后要及時檢查避雷器。進入雷雨季節(jié)，要時刻關(guān)注天氣預(yù)報，必要時可提前咨詢氣象部門。安徽各地電場臺站現(xiàn)在每年均按照國家地電學(xué)科要求，進行雨季前檢查。

3.1.2 降雨干擾

降雨對地電場觀測的干擾機理是由于雨水滲透到地下，使自然電場發(fā)生變化從而導(dǎo)致降雨區(qū)域內(nèi)的地下電性結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。嘉山臺地電場各測道各極距電極均埋深3 m以下，降雨時，雨水下滲到電極處，會導(dǎo)致電極極化和電位改變。2016年10月20日18：49～21：40，嘉山臺地電場測區(qū)范圍內(nèi)突降暴雨，南北短極距和北東短極距變化幅度達到80.34 mv/km、79.51 mv/km。查詢輔助手段，該時段降水量為28.7 mm（見圖1）。由于雨水通過泥土滲透到電極有個時間差，數(shù)據(jù)變化時段較降雨集中時斷有所延后，由此判定該變化為降雨所致。雨停后隨著地表水分的蒸發(fā)，觀測曲線會逐步恢復(fù)到雨前正常變化形態(tài)。

3.2 場地環(huán)境干擾

3.2.1 高壓直流輸電干擾

高壓直流輸電在正常運行下，只會產(chǎn)生很小的不平衡電流，根據(jù)相關(guān)部門測算，其影響范圍只能局限于? ? ? ? ?15 km以內(nèi)。但是由于新的線路不斷增多以及高壓直流輸電在發(fā)生故障時的不間斷性，在新線路試運行期間以及線路發(fā)生故障時，就會產(chǎn)生較大的不平衡電流[3]。不平衡電流會大幅入地，甚至出現(xiàn)單向供電，此時就會產(chǎn)生很大的附加電場影響線路附近地電場臺站的正常觀測。安徽地區(qū)地電場臺站主要受晉南線、錫泰線等線路影響，其中嘉山臺距離晉南線最近的換流站僅10 km。

針對于高壓直流輸電干擾對地電場觀測的影響，地震臺站目前并無主觀的可行性抗干擾措施，只能通過積極與電力部門協(xié)調(diào)溝通，最大化地降低單向供電的出現(xiàn)次數(shù)。與此同時，臺站人員可利用其干擾特征對裝置系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行檢測，譬如通過對比各測道各極距曲線的變化幅度和變化特點，判定對應(yīng)電極的老化程度，此類方法對提高更換老舊電極的及時性具有參考意義。

3.2.2 地電阻率同臺觀測干擾

當ZD8M地電儀測數(shù)時，由于穩(wěn)流源會向地電阻率觀測場地進行人工供電，從而在觀測場地內(nèi)會出現(xiàn)一個外部人工電場，由于電場場地與其同臺觀測，相當于該人工電場附加在了地電場的采集系統(tǒng)里，所以該時段的地電場數(shù)據(jù)通過疊加了被動的人工電場而發(fā)生突跳變化。目前，嘉山、蒙城兩個地電場臺站都與地電阻率同臺觀測，圖2為蒙城臺受地電儀供電干擾時大地電場的曲線，一般出現(xiàn)同臺干擾多為儀器門限值設(shè)置不當引起。

除了調(diào)整門限值以外，也可通過調(diào)整儀器時鐘，使地電穩(wěn)流源供電時段錯開電場儀測數(shù)時段[4]。

3.3 觀測系統(tǒng)變化干擾

使用期短是不極化電極最大的弊端，地電場電極一旦出現(xiàn)老化，會導(dǎo)致地電場數(shù)據(jù)極不穩(wěn)定。2015年6月中旬嘉山臺大地電場南北向和北東向數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常變化[5]，每日20時左右數(shù)據(jù)開始漂移上升，到次日6～8時出現(xiàn)階變下降。發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常變化后，工作人員對裝置系統(tǒng)進行全面檢查，后與相關(guān)專家聯(lián)系咨詢，基本確定電極出現(xiàn)故障與電極老化有關(guān)。更換電極后，數(shù)據(jù)日變清晰，且其差值大幅變小，相關(guān)系數(shù)大幅提升，各測向數(shù)據(jù)質(zhì)量明顯提升（見圖3）。

電極老化的干擾變化特征是：數(shù)據(jù)曲線易出不規(guī)則畸變，各測向長短極距的日差值變化較大，相關(guān)性降低，由于該干擾具有長期性且不可逆的特點，因此臺站觀測人員較容易判斷[6]。

4? 結(jié)語

地電場觀測產(chǎn)出的數(shù)據(jù)資料是分鐘值，數(shù)據(jù)存儲量大，干擾因素及其變化形態(tài)多樣，各類干擾信號的引入對大地電場的觀測造成了很大的影響。

（1）自然因素干擾主要有雷電、降雨等。雷電會使數(shù)據(jù)出現(xiàn)反復(fù)突跳變化，甚至損壞儀器。可定期檢查室內(nèi)外避雷裝置。雷電發(fā)生時，應(yīng)立即切換成UPS供電。雷電過后也要及時檢查避雷器及觀測儀器是否受雷電影響發(fā)生損壞。降雨干擾由于受到地下電性結(jié)構(gòu)改變的影響，數(shù)據(jù)會發(fā)生緩步上升或下降。深埋電極可有效阻隔雨水，確保電極所處的物理環(huán)境穩(wěn)定，大大提高了在降雨期間觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

（2）高壓直流輸電干擾是安徽地電場臺站最常見的場地環(huán)境干擾，當?shù)仉妶雠_站受到高壓直流輸電干擾時，數(shù)據(jù)會出現(xiàn)畸變，形態(tài)上多呈現(xiàn)臺階變化，當入地不平衡電流消失時，數(shù)據(jù)會恢復(fù)正常。應(yīng)對干擾，臺站和上級部門應(yīng)與電力部門協(xié)調(diào)溝通，最大化地降低單向供電的出現(xiàn)次數(shù)，還可借高壓直流輸電干擾對裝置系統(tǒng)進行檢測。同臺干擾多由門限值設(shè)置不當引起，可調(diào)整時鐘、更改門限值，來杜絕此類干擾的發(fā)生。

（3）電極老化是觀測系統(tǒng)干擾之一。曲線出現(xiàn)間斷無規(guī)則突跳、臺階、漂移等現(xiàn)象，且部分測道日變化消失。當出現(xiàn)此類情況應(yīng)立即更換電極，并反思總結(jié)前期電極使用壽命，在未受其干擾之前提前更換，或者在埋設(shè)電極時，在此電極周圍再埋設(shè)一備用電極，這樣可提高更換效率，降低地電場觀測受電極老化干擾影響的時長。

參考文獻

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