河北昌黎地震臺地電場觀測數據干擾排查與分析

張海博 周劍青 朱彥珍 劉雅潔 李寶群

（中國河北063000 唐山地震監測中心站）

0 引言

昌黎地震臺（下文簡稱昌黎臺）位于昌黎縣城西10 km，隸屬河北省地震局。該臺站位于燕山山前沖積平原，區域地質構造屬山海關塊隆，地處寧昌斷裂北側。觀測場地周圍地勢較為平坦，第四系覆蓋層厚約70 m，含水層發育，層厚20—30 m，下伏巖層為燕山期花崗巖。昌黎臺地電場觀測始于2001 年10 月，與地電阻率測項同處一個測區，自2016年9 月1 日起采用ZD9A-2B 數字地電場儀進行觀測，觀測數據連續、可靠。

隨著數字化儀器靈敏度和采樣率的提高，地電場觀測精度日益提高，不僅能記錄到雷電、降雨、直流供電干擾、氣溫（或季節）變化、電極極化、震前異常等信號，也能記錄到地電場觀測點附近的生活、生產活動所造成的干擾，如農田灌溉、高壓直流輸電干擾、游散電流（漏電）等。例如：徐莊子臺地電場2009 年10 月30 日起NS、EW 向長、短極距同步出現不規則方波狀干擾變化，每次上升和下降幅度基本一致，干擾結束后數據恢復正常值（陳志剛等，2012）；高郵臺地電場各測道于2009 年10 月同步出現類似方波變化，經核實，為距臺站約2 km 的印染車間控溫設備加熱管擊穿對地漏電所致（王福才等，2013）；蒙城臺地電場觀測數據2012 年出現方波干擾變化，經現場核實，確定為黃柏村變壓器漏電所致（應允翔等，2018）。因此，需要在地電場日常觀測中發現并消除各種干擾，以保障觀測數據質量，為相關研究提供可靠的基礎數據。

本文就昌黎臺地電場2019 年5—6 月出現的觀測數據異常，運用案例分析和現場流動觀測定位的技術手段，實現干擾源的高效排查。希望通過對本案例技術思路和實際操作步驟的總結，為其他地震臺站地電場觀測異常排查提供參考。

1 昌黎臺地電場觀測數據異常特征

昌黎臺周邊地區歷史地震較多，但近年來地震頻次較低，周邊200 km 范圍內近5 年共發生3 級以上地震9 次，最大地震為2020 年7 月12 日河北唐山市古冶區MS5.1 地震（圖1）。

圖1 昌黎臺周邊區域地質構造及地震分布Fig.1 Regional geological structures and historical earthquakes around the Changli Seismic Station

（1）地電觀測裝置。昌黎臺地電場觀測裝置系統由ZD9A-2B 地電場儀、固體不極化電極組成。地電場采用三角形觀測裝置布設，具體為：在場地中心點向北和向西布設測線，每個方向設置2 個測道，每個側向埋設電極極距不同，其中：NS 向長極距300 m、短極距150 m；EW 向長極距270 m、短極距150 m；NE 向長極距404 m、短極距212 m。采用6 個固體不極化電極（中國地震局蘭州地震研究研制，型號LGB-3 型），埋設在地表凍土層以下潮濕土壤中，深度3.0 m，各電極基本處于同一平面，電極坑中土質相同并進行導電性能處理（添加飽和NaCl 溶液）。電桿使用8 m 和10 m 砼桿，外線路采用抗拉伸的絕緣線，每千米長度電阻≤20 Ω，導線抗拉強度≥28 kg/mm2，兩桿之間距離≤50 m，對地絕緣電阻≥2 MΩ。

ZD9A-2B 地電場儀基本性能指標如下：測量準確度優于±（0.1%讀數＋0.02%滿度），分辨力1—10 μV，頻帶范圍DC—0.005 Hz，測量范圍±1 000.000 mV，動態范圍不小于100 dB，工頻共模抑制比不小于150 dB，工頻串模抑制比不小于100 dB，采樣率為1 次/（分鐘·通道）。

（2）地電場觀測數據異常。由多年監測數據可知，昌黎臺地電場觀測數據連續率、完整率較高。在磁靜日（K≤2）時，昌黎地電場觀測數據曲線具有規則日變形態，表現為：EW 測向極小值出現在北京時間4 時前后，雙峰雙谷；NS 測向極小值出現在北京時間12 時前后，雙峰單谷。當磁場擾動偏大時（K≥5），大地電場可清晰記錄到磁擾變化，尤以地電暴最為明顯。

昌黎臺地電場觀測數據曲線自2019 年5 月17 日開始，每日19 時至次日7 時前后出現不同程度的臺階變化，且長、短極距6 個測道同步變化，其中NS、EW 向變化幅度較大，NE 向變幅較小。至6 月4 日，該異常現象消失，每日變化時間基本一致，具有明顯的周期性特征。該臺站此前無類似干擾，選取5 月15 日至6 月7 日6 個測道地電場數據繪制分鐘值曲線，分析數據變化特征，結果見圖2，可見數據變化幅度約15—25 mV·km-1。由圖2 可見，每日19 時出現1 個向上或向下的臺階，并持續至次日07 時前后，后恢復正常（兩端變化量基本相等），每間隔約1 小時，在臺階中間產生1 次突跳，持續約5 min。

圖2 昌黎臺地電場5 月15 日—6 月7 日分鐘值曲線Fig.2 Observation curves of the geoelectric field at Changli Seismic Station from May 15 to June 7

昌黎地電場本次異常變化出現在每日19 時至次日7 時前后，持續時間長，在時間上具有明顯的規律性，且各測道變化幅度、形態基本一致。據經驗判斷，該異常具有漏電或直流輸電干擾特征。調查發現，此次異常變化期間，當地無雷電天氣，電極周邊無農田灌溉，地球物理場無強磁擾變化。查詢國家地磁臺網中心高壓直流輸電干擾發布系統可知，同期無高壓直流輸電線路停電及漏電干擾，且異常變化時間與以往高壓直流輸電干擾時段不符，故排除此類干擾異常。

2 異常排查分析

昌黎臺地電場觀測數據年變化趨勢基本正常，日變形態清晰，呈明顯的兩峰一谷形態，長、短極距相關系數較高，數據干擾類型較為固定且常見，如：地電暴、高壓直流輸電、農田灌溉、雷雨。將以上4 種干擾與此次數據干擾曲線進行比較，發現曲線變化特征不一致。

（1）地電暴影響。地電暴和磁暴具有同源性，場源起源于太陽日冕物質拋射事件，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生的電磁現象（謝倫等，2004；張滿蓮，2005）。地電暴期間，河北省內各地電臺站不同極距、不同方向均可同步記錄到地電暴信息，在一定區域內對電場同方向長、短極距的影響是同步的，異常的持續時間、強度與磁暴的持續時間及強度呈較好的正相關（張學民等，2006）。2015 年3月17 日發生一次急始型磁暴，河北省6 個臺站地電場儀均記錄到地電暴發生過程，昌黎臺記錄的最大Dst指數為7。各臺站電場日變形態出現較大畸變，體現為大幅度尖銳脈沖突跳（初相），與磁場記錄的磁暴信息相比，地電場變化更加劇烈，記錄的高頻成分更加豐富，結果見圖3(a)。2019 年5 月17 日至6 月4 日，昌黎臺地電場觀測數據呈階躍方波變化，與地電暴形態特征不同，且Dst指數均小于5，未見明顯磁暴記錄，GM4 磁力儀地磁觀測數據無明顯突跳或階變，故排除地電暴干擾。

（2）高壓直流輸電影響。高壓直流輸電線路通常采用雙極兩端中性點接地方式，在正常運行狀況下，當額定電流不超過1 200 A 時，對相距12 km 以上的地磁觀測站點基本不會產生干擾，但在工程試運行及運行階段出現故障時，會產生較大的不平衡電流，在輸電線及換流站周圍產生的干擾磁場將對電磁站點的正常觀測產生影響，對輸電線路兩側300 km 范圍內電磁觀測的影響尤為劇烈（蔣延林等，2014）。

昌黎臺地電場觀測主要受到扎魯特至青州（扎—青線）、呼和浩特至遼寧（呼—遼線）、寧夏至山東（寧—東線）、錫林浩特至泰州（錫—泰線）高壓直流輸電線路的影響，主要表現為階變形態。其中扎—青線、錫—泰線距臺站約180 km，呼—遼線距臺站約270 km，寧—東線距臺站約320 km。依據各線路所處方位、距離或輸送電壓的不同，昌黎地電場6 個測道觀測數據變化特征并不一致，表現在：①扎—青線影響：6 個測道呈上升或下降的同向階變；②呼—遼線影響：NS 向2 個測道呈上升階變，其余呈下降階變；③寧—東線影響：NS、NE 測向4 個測道呈同步上升變化；④錫—泰線影響：6 個測道同步呈下降階變。經調查統計，發現在2019 年5 月，昌黎臺地電場僅1 日、24 日受到扎青線高壓直流輸電影響，且6 個測道同步出現臺階變化，結果見圖3(b)。高壓直流輸電干擾時間不固定，而此次異常變化出現在每日19 時至次日7 時前后，時間上具有明顯的規律性，二者在時間上不相符，且曲線變化形態也不一致。據調查，灤縣等臺站地電場觀測未記錄到類似異常變化，因此認為，本次異常非高壓直流輸電干擾。

（3）農田灌溉。昌黎臺地電場部分電極埋設在農田內，易受灌溉影響，觀測數據一般出現臺階或漂移現象。2019 年6 月24 日昌黎臺NS 和NE 測道長、短極距觀測數據出現臺階和漂移現象，干擾幅度呈不均勻性，見圖3(c)。調查得知，當日農田灌溉，長極距北電極被水浸泡，電極引線接頭遇水產生極化電位，致使地電場觀測數據發生變化。據調查，此次地電場觀測數據異常變化期間，無農田灌溉作業活動，且此次數據異常形態和農田灌溉表現形態不同，因此排除農田灌溉影響。

（4）降雨、雷電。雷電會引起地電場觀測數據的波動和擾動，沿架空線路迅速傳播的雷電波可對電子記錄設備造成沖擊，強雷電甚至造成儀器毀壞和停測（王偉等，2013）。2019 年7 月13 日昌黎臺大地電場ZD9A-Ⅱ儀受雷雨干擾，觀測數據于09 時—18 時受到明顯干擾，觀測曲線日變形態發生畸變，觀測值明顯偏離正常變化見圖3(d)。經調研，2019 年5 月17 日至6 月44 日昌黎地區無雷雨，可知同時段昌黎地電場異常變化非降雨及雷電干擾。

圖3 昌黎臺地電場常見干擾數據曲線(a)地電暴；(b)高壓直流輸電；(c)農田灌溉；(d)雷雨Fig.3 Common interference curves during the observation of geoelectric field at Changli Seismic Station

3 基于現場定位觀測的漏電排查

昌黎臺周邊環境比較復雜，經對主要干擾因素的初步摸排，筆者開展測區野外觀測實驗進行對比分析，判斷異常是否源于干擾，并基于簡便計算，分析干擾源所在方位及距離，以便進一步開展針對性環境排查。

調查發現，昌黎臺測區附近大多數工業及民用生產設施基本沿G205 國道呈EW 向分布。因此，本次野外對比觀測點位沿EW 方向布設，使用簡易電極，在測區周邊布設5 個臨時地電場觀測測點，臺站與觀測點方位見圖4。每個測點裝置按三角型或“十”字型布極，使用備用電場儀，根據實驗場地大小，極距長度設置為100 m 或200 m 不等，各測點相關參數見表1。鑒于此次干擾基本呈臺階變化（干擾開始、干擾結束、干擾期間），且3 個測向臺階幅度基本一致，因此一般取至少涵蓋1 次臺階的1 h 時段數據估算并分析變化幅度，得到現場檢測實驗中5 個測點的數據曲線，見圖5。

圖4 現場檢測實驗測點布設分布Fig.4 Layout of observation points during the field test

圖5 現場檢測實驗測點數據曲線Fig.5 Observation curves at observation points during the field test

表1 現場檢測實驗測點信息Table 1 Information of observation points during the field test

測點1 位于臺站西北約800 m 處，觀測時間為24 日晚7 時—25 日早8 時。布設方式為“十”字線路，觀測東長（E′）、東短（E）、南（S）、西（W）、北（N）5 個點位與O 點之間的地電場變化（以下文中均省略O 或O′，例如E 即代表OE 測道），4 個短極距均為100 m，僅E′極距200 m。取該測點25 日07:00—07:59 數據，與昌黎臺數據記錄進行對比，可見除W 測道外，其余4 個測道均出現同步干擾，據臺階變化，N 與S 之間變化量相當，E、E′之間變化量相當，W 則與其余4 個測道變化不相等，說明干擾源可能分布在測區EW 方向上。

測點2 與測點3 同時布設，鑒于測點1 使用鋼釬作為電極出現數據漂移現象，其他測點均使用臨時鉛板電極，埋深約50 cm。

測點2 位于臺站西北方向約2.84 km 處，測點3 位于臺站東側偏北約1.82 km 處，觀測時間均為28 日晚6 時至29 日早9 時。取2 個測點29 日03:00—03:59 數據，可見測點2 數據變幅比測點1 略小，而測點3 臺階變化量較大，其量級遠大于測點1、2，據此判斷干擾源在測區東側，西側可能性減弱。

測點4 位于臺站西側偏北約5.32 km 處，測點5 位于臺站東偏北方向約2.34 km 處，觀測時間均為29 日晚6 時至30 日早9 時。取2 個測點30 日03:00—03:59 數據，可見測點4 基本無臺階變化，說明該測點位于干擾源最大干擾邊界，由此推斷干擾源影響范圍約為5 km 級別。

為進一步確定干擾源方位，對比測點3 與測點5 的干擾幅度，結果見表2，結合兩測點布極位置，以及昌黎臺地電場NS向干擾下降階變、EW向干擾上升變化的特點，分析認為，干擾源位于測點5 以東、測點3 以南、昌黎臺東南方向，加之由測點4 推測的干擾源影響范圍，最終判斷干擾源位于測點3、5 和昌黎臺東南方向、國道G205 周邊直徑2 km 范圍內的交流工業用電漏電干擾源。

表2 測點3、測點5 干擾幅度計算結果對比Table 2 Comparison between calculation results of test point 3 and test point 5

6 月4 日晚，昌黎臺附近地區停電約1 h，而地電場觀測數據無干擾，由此推斷干擾源位于停電區域。經調查核實，位于昌黎臺東偏南7°、間距約3.78 km 的鐵件鑄造廠，變壓器輸出端與接入端之間的電線破損導致漏電。經多次停電實驗，發現地電場觀測數據曲線的臺階變化與線路漏電時間吻合，由此確認，數據干擾由鐵件鑄造廠漏電所致。工廠對漏電電纜采取包裹性維修及沿工廠墻體固定的措施后，昌黎臺地電場觀測數據恢復正常。

4 討論

昌黎臺地電場觀測數據本次異常變化時間規律，是地震前兆異常的可能性較小。由異常階段6 測道日值變化曲線可知，不同時段各測道最大變幅、平均變幅一致性較好，起止時間相對集中，同向2 個測道階變方向相同。NS_L 測道平均變幅最大，NS_S、EW_S、EW_L 測道次之，4 個測道的平均變幅波動范圍為3.0—6.0 mV·km-1，同向2 個測道的平均變幅波動范圍為1.0—3.0 mV·km-1。分析認為，各測道最大變幅或平均變幅的絕對值相差不大，且同測向長、短極距的最大變幅比及其平均變幅比均較一致。

如昌黎臺地電場觀測數據干擾由周邊設施漏電所致，徐莊子臺、高郵臺、蒙城臺也有類似現象，如：徐莊子臺地電場2009 年10 月30 日起，NS 向和EW 向長、短極距同步出現不規則方波狀干擾變化，每次上升和下降幅度基本一致，干擾結束后數據恢復正常值（陳志剛等，2012）；高郵臺地電場于2009 年10 月出現類似各測道同步方波變化，經核實確認，干擾由距臺站約2 km 的印染車間控溫設備加熱管擊穿對地漏電所致（王福才等，2013）；蒙城臺地電場2012 年出現類似方波干擾變化，經現場核實，確認干擾由黃柏村變壓器漏電所致（應允翔等，2018）。

5 結論

針對河北昌黎臺出現的地電場觀測異常現象，通過開展觀測系統狀態檢查、周圍環境調查、野外實驗排查等工作，得到如下結論：

（1）檢查昌黎臺地電場觀測系統，確認地電觀測儀器、外線路、電極工作狀態正常；測區環境調查和輔助案例資料對比分析表明，本次地電場異常變化與降雨、灌溉、直流供電、臺站供電系統、地球物理場變化等不相關。

（2）通過本臺多測項數據對比和地電場干擾特征分析，認為導致5 月17 日至6 月4 日數據異常的干擾源不在測區內部，應與測區有一定距離。經對異常變化特征變幅、相關性、矢量合成等參數進行分析，認為數據異常非直流供電干擾，應為交流漏電干擾。

（3）經野外實驗排查，認為干擾源為昌黎臺東偏南7°、3.78 km 處鐵器鑄件加工廠內漏電線路。該臺地電場干擾出現時間與鑄件廠生產時間吻合，工廠對漏電電纜進行絕緣處理后，干擾消失。