地電場架設中需注意的問題及故障判斷

孟凡博，高慧慧

大地電場是重要的地球物理場之一。地電場監測手段主要通過觀測地表電場強度及其時空變化特征，為地球物理場、地震監測預測研究服務。不同的場源分布在地表的地電場有大地電場和自然電場，觀測的是地表分量和時空變化。大地電場是由外空源產生，電離層電流變化，相對變化。自然電場是由地下場源產生，物理化學反應，相對穩定。

臺站大地電場觀測的主要任務是保障觀測數據及時、準確、連續、可靠。本文通過分析青海省5個大地電場運行評價、影響觀測質量因素及效能評估，得出5 個地電場的數據可用性不是很高。通過分析地電場架設與觀測數據密切性進行探討，總結出地電場架設中需要注意的問題，有效區別干擾因素和地震前兆異常信息，更好地為地震預報服務。

1 觀測情況簡介

1.1 裝置布極

青海省大地電場觀測分別是都蘭、大武、金銀灘、白水河及攔隆口，見圖1。都蘭和大武地電場外線路敷設采用地埋方式，電極埋深3.0米。白水河、金銀灘、攔隆口地電場外線路采用架空方式。5 個地震臺站地電場觀測系統配置參數見表1、表2。

都蘭大地電場觀測采用中國地震局地震預測研究所研制的ZD9A-II 地電場儀，大武臺和背景場三個臺采用的是ZD9A-2B 地電場數字觀測儀。電極材料均采用蘭州地震研究所生產的固體不極化電極。5 個臺站地電場觀測外線路敷設均采用雙“L”型布極方式，見如圖2。

圖1 青海省地電場分布圖

表1 青海省地電場觀測臺站基本信息表

圖2 青海省地電場布極圖

1.2 運行評價

選取2015—2018 年全省5 個地電場觀測數據，對其完整性、相關性、歸零差值等內在質量進行分析計算，初步判斷觀測系統運行是否正常，見表3。

從表3 可以看出，青海省5 個地電場觀測數據除都蘭臺外其余4 個觀測數據的穩定性不好，數據內在質量不高：其一，觀測系統不穩定，出現大幅度、不穩定的漂移變化。其二，引起觀測數據變化的原因可能是降雨、澆地干擾，雨（雪）水下滲到電極處，引起電極極化電位變化所導致；其三，外線路絕緣性不好，造成數據臺階；其四，雷擊、數采故障等導致數據中斷。觀測裝置是影響地電場觀測的重要因素之一，線路絕緣和線路接觸問題目前表現比較突出。

表2 青海省區域電場布極裝置參數

表3 青海省地電場數據統計

1.3 效能評估

對青海省的5 個大地電場觀測臺站分別從基礎資料、資料質量、影響因素和震例評估4 個方面進行分析，見表4。

表4 青海省地電場觀測臺站預報評估得分統計

從表4 統計的評估結果可以看出：無A 類地電場觀測臺站；B 是類都蘭臺，占總數的10%；C 類是大武和金銀灘，占總數的45%；D 類是白水河和攔隆口占總數的45%。由此可鑒，青海省的大地電場觀測整體運行評估較差，觀測環境受干擾嚴重。

2 架設中需注意的事項

2.1 布極區選擇

用于觀測區域性地球電場變化的地電場觀測場地宜選在構造穩定地區。用于監測構造活動的地電場觀測場地宜選在地震活動帶內或活動斷裂附近。不宜選在重鹽堿地、沼澤地和沙漠中。地形開闊，地勢平坦，地形高差不宜大于電極距的5%。深度10m 以內表層介質的電阻率宜大于10Ωm，不宜選在抽水漏斗區內，邊緣避開大型水庫[1]。避開建筑物等設備和農田灌溉影響。

2.2 電極埋設及安裝

2.2.1 電極埋設的基本要求

1）避開污水區、浮土、料石充填部位，清除坑內樹根、草皮、腐爛植被或其它雜物；2）埋設在凍土層或地下潛水面之下，埋深大于3m；3）同一對電極埋設處的介質盡量一致。

2.2.2 電極坑的預處理

泥土層、沙土層地區的電極坑勿需處理；卵石層、礫石層地區電極坑須要預處理。

2.2.3 電極系統的安裝

先挖一個≥3.0m 深的電極坑，在電極坑底部的中心再挖一∮110x500mm 的圓形孔，將電極垂直放入圓形孔中，并倒入3kg～4kg 食用鹽，保證鹽與電極引線處的穩定劑緊密接觸。填入1m 以上清潔細土，保證土與電極穩定劑緊密接觸，最后，將原位細土逐層回填坑中并夯實，直至地表（略高于地表）。嚴禁提拉電極引線，以防止電極松動或被拔出。整個電極管不能碰撞硬物或摔落地上，避免管子破裂。

2.3 電極引線和測線的連接

1）將電極引線與測量線焊接牢固；2）焊接點清潔處理干凈；3）密封接頭用小熱縮管封好焊接全部封住。

2.4 測量線路敷設

測量線路基本要求：采用抗老化絕緣導線線電阻不大于20/km 抗拉強度不小于20N/mm2測量線路，施工要求采用銅導線，可采用鎧裝電纜（銅芯不小于4mm2），或絕緣性能較好的定制電纜等。不能將未做絕緣防腐處理的普通或室內用導線直接地埋。

3 故障判斷

3.1 電極故障

1）電極變化會引起北南、東西2 個測道在同一時間內發生同向變化，變化幅度的大小與電極距成反比。2）電極的變化會引起北南、北西2 個測道在同一時間內發生反向變化，變化幅度的大小與電極距成反比。電極的變化會引起東西、北西2 個測道在同一時間內發生同向變化，變化幅度的大小與電極距成反比。3）電極異常變化有可能引起兩個相關測道朝單一方向緩慢漂移而不能自行恢復。當懷疑某一電極有故障時，最可靠的辦法是 在其附近埋設一個完好的電極，通過短時間的對比觀測，判斷原電極的優劣。

圖3

圖4 都蘭臺地電場2016年12月3日分鐘值

3.2 外線路漏電

測線線路出現漏電、接觸不良時，數據會隨時間的變化產生“臺階”和高頻變化。隨著水分蒸發，數據恢復原狀，見圖3。

3.3 近場源干擾

2016 年12 月3 日都蘭臺地電場測區附近布設捕獵電網造成干擾，見圖4。

4 結論及討論

通過以上分析，得出地電場架設需要注意事項及裝置系統故障判斷。測區環境選址、電極安裝、外線路敷設等是地電場架設中不可忽視的重要部分，與觀測數據質量也是緊密相連的，只有把儀器架設好了才能排除外界環境和一些人為的干擾，總結出地電場自身的變化規律，在觀測中才能有效的區別干擾因素和地震前兆異常信息，更好地為地震預報服務。在日常值班時，值班人員要認真分辨是由于外線路還是儀器自身原因，及時解決，保證資料的可靠、連續。