應城地電場日變化及干擾特征分析

張建濤 王明貴 陳星星 周 超

1）中國武漢 430071 中國地震局地震研究所

2）中國武漢 430071 中國地震局地震大地測量重點實驗室

0 引言

地電場由自然電場和大地電場構成，是重要的地球物理監測指標，我國于1984 年起將其用于地震監測。國內外諸多研究表明，震前地電場觀測數據可能出現諧波振幅增大、優勢方位角和極化特性改變等明確的異常信號（安張輝等，2013；王宇等，2020；于晨等，2020）。然而，地電場易受環境變化、人為活動、觀測系統故障等因素的影響，從而導致觀測數據曲線發生畸變，僅從曲線形態和變化幅度難以區分地震異常和干擾，因此需要對地電場數據日變化和各種干擾特征進行有效識別。為此，我國地震工作者開展了一系列研究，如：高慧慧等（2014）對青海省都蘭、大武臺各種干擾因素進行分析；李希亮等（2015）對山東地電場自然環境和人為干擾等典型因素進行了分析；羅娜等（2016）對河北地電場常見干擾源的表現形態和干擾機制進行了分析。但是對湖北省地電場有關干擾識別的研究尚屬空白。作為湖北省當前唯一正常運行的地電場，應城地電場自2018 年投入觀測以來，在震情監測中發揮了積極作用，選擇地電場分鐘值觀測數據，通過頻譜分析和諧波擬合等方法，對其日變形態及干擾特征進行分析，研究結果有助于提升地電場觀測數據的應用價值。

1 臺站概況

應城地震臺（下文簡稱應城臺）位于湖北省應城市湯池鎮打榨村，屬重慶云陽—湖北應城地震條帶。臺站所在區是湖北地震活動較活躍的地區之一。應城臺地電場測項由“東半球空間環境地基綜合監測子午鏈”工程新建，地電測區地形開闊平坦，周邊無干擾源，于2018 年投入觀測，配備儀器為ZD9A-2B 地電場儀，采用UPS 電源進行供電。地電場布極方式為雙L 型，共布設NS、EW 和NE 3 個測向，每個測向包含長、短極距2 個測道，其中NS、EW 測向長極距均200 m，NE 測向長極距283 m，各測向短極距均為長極距的1/2。外線路采用地埋方式，每季度進行絕緣性檢查。電極采用圓柱形固體不極化電極，埋深3.5—7 m。

2 正常數據特征

大地電場源于遠源空間電流及日月潮汐，變化具有一定的周期性、全球性特征；自然電場源于電極附近介質的物理和化學活動，地方性特征較為明顯（范曄等，2020；張波等，2020）。應城地電場各測道數據相關性較好，除偶爾受觀測系統故障和降雨影響外，6 個測道的數據變化趨勢一致，僅以NS 測向長極距數據為例，分析應城地電場變化特征。

2.1 大地電場變化

地電場觀測數據中包含許多高頻擾動成分，在原始數據曲線中可見較多突跳，導致日變形態不清晰，需進行預處理。2018 年7 月15 日為國際磁靜日，應城地電場無高壓直流等干擾，以當日數據為例，分析地電場正常日變曲線及周期成分（圖1）。利用快速傅里葉變換提取其前5 階振幅，周期分別為12 h、8 h、24 h、6 h 和4.8 h，且周期為12 h 的半日波成分突出[圖1(b)]，與范曄等（2020）對我國大陸地區地電場日變特征的研究結果一致。對前5 階振幅進行傅里葉逆變換得到新的數據序列，應城地電場雙峰單谷的日變形態清晰可見，見圖1(c)，可見：北京時間6—18 時地電場為正弦波形態，其他時間曲線呈平緩變化，地電場強度極小值出現在12 時前后，2 個極大值分別出現在8 時和18 時前后。

圖1 地電場正常日變曲線及周期成分(a)原始數據；(b)周期成分；(c)傅里葉逆變換Fig.1 Curves of normal diurnal variation and periodic components of geoelectric field

選取2018 年應城地電場每月日變形態最清晰的1 d 數據，采用上述方法進行預處理，逐月擬合曲線見圖2，可見：應城地電場1 月波形呈單峰單谷形態，其余11 個月均具有兩峰一谷形態；地電場達極大值時間不斷變化，其中1—6 月極大值時間不斷提前，7—12 月則越來越晚；地電場日變幅度存在周期性變化。

圖2 地電場日變逐月擬合曲線Fig.2 Monthly fitting curves of diurnal variation of geoelectric field

選取應城地電場2018—2019 年磁場平靜、無高壓直流干擾的數據，分別計算各測道日變幅月均值。結果表明，每年11 月至次年1 月日變幅較小，長極距NS 測道約為15 mV/km；在3月和9月前后日變幅最大，約為30 mV/km；其他時間日變幅約為25 mV/km。3 個測向日變化幅度有所差異，其中NE 測向日變幅略大于NS 測向，EW 測向日變幅僅為NS 測向的1/2，同測向長、短極距測道日變幅基本相同。

頻譜分析結果表明，12 月數據中存在周期約0.1 h 的高頻成分，其他年份同期觀測數據同樣存在該成分。根據譚大誠等（2010）的相關研究，地電場觀測曲線形態可分為：①TGF-A 型：近正弦形態、雙峰雙谷；②TGF-B 型：夜晚呈近直線，白天近正弦形態、雙峰單谷；③無日變型。

應城地電場11 月至次年2 月日變形態不明顯，綜合全年觀測數據，地電場觀測曲線形態應屬于TGF-B 型。

2.2 自然電場變化

當觀測環境場地干擾較小時，每日觀測數據均值可視為自然電場（譚大誠等，2014），而自然電場的一階差分可以反映觀測系統和環境的穩定性。

2018—2019 年應城臺自然電場曲線見圖3(a)，可見曲線存在許多突跳和臺階型變化。對觀測系統及測區環境進行檢查，發現突跳由高壓直流線路干擾所致，臺階型變化由測區環境改變造成。如圖3(a)中①所示，2018 年6 月13 日，受湖北宜昌—江蘇常州（三常線）高壓直流輸電影響，自然電場出現幅度為25 mV/km 的突跳。如圖3(a)中②、③和④所示，2019年自然電場出現3 次明顯的臺階變化，其中：2019 年1 月30 日，當地出現降水天氣，自然電場呈下降臺階變化，幅度約12 mV/km，3 月2 日突然升高，變化幅度約12 mV/km；5 月25 日起當地連續降雨，5月26 日自然電場升高20 mV/km；12 月11日—24 日，受三常線高壓直流輸電連續干擾，自然電場出現臺階變化。

圖3 自然電場及日差值曲線Fig.3 Curves of spontaneous electric field and daily difference

由應城地電場一階差分曲線[圖3(b)]可知，應城地電場測區環境穩定性較差，分析認為原因如下：①降水干擾顯著，應城當地降水豐富，2018—2021 年平均年降雨量大于800 mm，且多次單日降雨量超70 mm，電極周圍介質狀態難以保持穩定；②布極區位置不合理，地電場布極區緊鄰水庫，電極與水庫的最近距離不足3 m，且電極埋設區域地勢低，易受巖石裂隙水滲流產生的過濾電場干擾（范曄等，2020）；③長極距未達到電磁學科建設要求，應城地電場NS、EW 測向長極距僅200 m，未達到電磁學科對地電場建設的要求（300 m），不能保證觀測數據的可靠性。

3 干擾數據特征

統計2018年—2021年應城臺地電場異常跟蹤記錄，發現高壓直流輸電為主要干擾源，電磁暴、降雨和雷電等為次要干擾源。

3.1 高壓直流輸電干擾

當高壓直流輸電線路出現故障或進行調試時，會產生較大不平衡電流，影響換流站周圍的電磁觀測（蘇小蕓等，2020）。作為電網全國互聯、西電東輸的中心省份，湖北省擁有三峽、葛洲壩等大型水電樞紐，高壓直流輸電線路分布密集，地電場觀測受干擾嚴重（表1）。

表1 應城地電場周邊高壓直流輸電線路影響統計Table 1 Effect statistics of HVDC transmission lines around geoelectric field in Yingcheng

由表1 可知，三常線、三廣線、葛上線、三上線和陜湖線對地電場影響較大，酒湖線、錦蘇線等線路的影響較小；高壓直流輸電干擾一般持續幾小時，有時僅存在幾分鐘，同一高壓直流輸電線路對地電場造成的干擾，階躍方向和幅度并不固定。干擾曲線形態表現為規則的方波型階變，且各測道變化在時間上具有同步性。2021 年8 月4 日—5 日，受陜西榆林—湖北武漢高壓直流輸電線路的影響，應城地電場6 個測道同步出現臺階，各測道數據曲線的階變方向相同，干擾幅度存在差別（圖4）。統計發現，各高壓直流輸電線路對應城地電場的干擾幅度，與換流站和地震臺站間距及線路電流大小有關，線路額定電流越大，臺站與換流站距離越近，干擾幅度越大，如受陜湖線干擾，應城地電場最大階躍幅度超過600 mV/km。

圖4 地電場受陜湖線高壓直流干擾曲線Fig.4 Curves of geoelectric field subjected to HVDC interference

3.2 電磁暴干擾

地電暴和地磁暴密切相關（董蕾等，2018）。在磁暴期間，相比地磁場變化，地電場觀測數據記錄的高頻信號更為豐富（圖5）。

圖5 地電場受電磁暴干擾曲線Fig.5 Curve of geoelectric field subjected to electromagnetic storm

2021 年5 月12 日應城臺記錄到最大K指數為6 的急始型地磁暴，地電場NS 測道日變幅升至250 mV/km，是5 月磁靜日地電場日變幅的10 倍。2018 年8 月25 日應城臺記錄到最大K指數為5 的緩始型磁暴，NS 測道日變幅達110 mV/km。分析發現，電磁暴期間地電場觀測數據反復振蕩，高頻擾動成分顯著增多，日變曲線嚴重畸變，但地電場變化幅度與地磁K指數之間并非線性相關。如：2020 年4 月20 日應城臺記錄到最大K指數為6的急始磁暴，NS 測道日變幅僅95 mV/km；2019 年1 月4 日K指數為3，地電場NS 測道日變幅達50 mV/km，后半日數據反復振蕩。

3.3 氣象干擾

應城臺周邊無其他建筑物，緊鄰大面積水域，遭受雷擊概率較大，雖已采取多重防雷措施，但雷擊事故依然多發，地電場儀就多次記錄雷擊事件。雷電干擾引發的地電場觀測數據曲線畸變與高壓直流輸電干擾有一定相似性，均表現為所有測道同步產生階躍，且數據相關性不受影響；二者不同之處在于，雷擊引起的階躍幅度小，干擾期間數據為恒定值[圖6(a)]，如：2019 年8 月15 日13:45—14:45，受雷電活動影響，應城地電場觀測數據出現恒值和臺階，持續1 h 后數據恢復正常，2020 年6 月27 日、2021 年5 月15 日雷雨期間也存在相同現象。

強降雨形成的地表水流可能產生感應電場，而且降雨導致觀測場地土壤含水量增加，電極周圍地下介質的電性結構發生改變，結果均反映在地電場觀測數據曲線上（劉華姣等，2020）。2020 年1 月應城臺遭遇連續降雨天氣，5 日至10 日累計降雨量高達95 mm，地電場6 個測道測值均發生改變。如圖6(b)所示，1 月9 日，EW、NE 測道長極距地電場強度出現不同程度的下降，而NS 測道長極距地電場則上升10 mV/km，后均呈較平緩的趨勢變化；同日，EW 測道短極距地電場強度開始緩慢下降，NS 和NE 測道短極距數據干擾形態則與之相反，隨著電極周邊介質中含水量的降低，短極距測道觀測值逐漸趨于穩定。分析認為，雨水可能造成電極引線接頭受潮和接觸不良，使觀測數據出現漂移，且長、短極距相關系數降低。

圖6 地電場受氣象因素干擾曲線(a)雷電干擾；(b)降雨干擾Fig.6 Curves of geoelectric field subjected to meteorological factors

4 結論與討論

應城臺地電場屬于TGF-B 型，正常日變形態表現為兩峰一谷。受高壓直流輸電、降水及電磁活動等影響，地電場日變形態不夠清晰。受高壓直流輸電、降水影響，應城地電場干擾嚴重，其中高壓直流輸電會同步造成所有測道高達600 mV/km 以上的階躍，而降水干擾主要表現為數據漂移和臺階變化，且干擾持續時間可達幾十天。地電場觀測對磁場活動敏感性較高，即使地磁最大K指數只有3，數據曲線也可能出現嚴重畸變。電磁暴會導致地電場觀測數據離散度增大，日變化幅度可達正常幅度的10 倍。受雷電影響，地電場觀測數據呈階躍變化，但幅度較小，持續時間一般不大于1 h，且干擾期間各測道數據均為恒值。

應城地電場所受干擾頻率較高且類型多樣，日常工作務必認真細致。對于降水等氣象干擾，需加強對觀測系統和環境的檢查，及時疏通觀測場地的排水設施，及時檢查并維護防雷裝置，以保障地電場觀測數據質量。而且，應城地電場在選址和建設上存在不規范之處，導致測區觀測環境穩定性不足，削弱了數據的可用性，若湖北省將來建設新的地電場臺站，務必嚴格按照學科規范進行場地勘選和設計。