2019年11月河北肥鄉(xiāng)大地電場干擾的識(shí)別及排除

段吉超 賈 華 張小濤 張國苓 孫 晴 譚 青 滕傳奇

1）中國河北 056001 邯鄲地震監(jiān)測中心站

2）中國石家莊 050021 河北省地震局

3）中國云南 654600 巧家縣防震減災(zāi)地震局

0 引言

地電場是重要的地球物理場。20 世紀(jì)90 年代起，我國針對重點(diǎn)區(qū)域的地電場觀測臺(tái)網(wǎng)逐步建立，并啟動(dòng)了地電場數(shù)字化觀測工作（席繼樓，2019）。數(shù)字化地電儀器的采樣率和靈敏度較高，對場地環(huán)境的要求隨之提高。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，地電場觀測場地干擾日益嚴(yán)重。如何對異常數(shù)據(jù)快速分析，確定干擾源，進(jìn)而排除干擾源，保證觀測數(shù)據(jù)的連續(xù)、有效成為電磁學(xué)科的首要任務(wù)（張學(xué)民等，2006）。

對肥鄉(xiāng)地電場2019 年11 月出現(xiàn)的異常數(shù)據(jù)進(jìn)行核實(shí)，對測區(qū)環(huán)境進(jìn)行走訪調(diào)查，并對觀測系統(tǒng)進(jìn)行檢查，開展現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)和相關(guān)數(shù)據(jù)對比等，以排查異常，確定干擾源。對觀測數(shù)據(jù)干擾的識(shí)別與排除，可有效提高地電場觀測資料質(zhì)量，為地震地球物理研究提供可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 臺(tái)站概況

1.1 地質(zhì)構(gòu)造

肥鄉(xiāng)地震臺(tái)為無人值守臺(tái)站，2013 年增加地電場觀測項(xiàng)目，2016 年搬遷至邯鄲市肥鄉(xiāng)區(qū)瓜精莊村東，與肥鄉(xiāng)城區(qū)直線距離約20 km。該臺(tái)地電場觀測區(qū)地處漳河沖洪積扇區(qū)，地勢平緩，海拔47 m，位于太行山斷塊、冀魯斷塊、皖豫斷塊交會(huì)地，臺(tái)基巖性為沉積黃土覆蓋層（江娃利等，1996）。臺(tái)站周邊20 km 范圍內(nèi)，以南分布磁縣—大名斷裂帶，以東分布館陶斷裂帶，以西分布廣宗斷裂帶（圖1）。19 世紀(jì)以來，附近地區(qū)發(fā)生的最大強(qiáng)度地震為1830 年磁縣7.5 級(jí)地震。

圖1 肥鄉(xiāng)臺(tái)周邊地質(zhì)構(gòu)造Fig.1 Geological structure of Feixiang Seismic Station

1.2 觀測系統(tǒng)簡介

肥鄉(xiāng)大地電場觀測采用常見的L 型裝置系統(tǒng)，即在EW 和NS 2 個(gè)正交方向進(jìn)行地電場矢量觀測，在NW 方向進(jìn)行輔助觀測，每個(gè)測量方向分別布設(shè)2 種不同極距的測道，其中長極距400 m，短極距200 m（圖2）。觀測儀器采用ZD9A-2B 地電場儀，選用Pb-PbCl2固體不極化電極，埋深4.5 m。外線路采用抗老化的絕緣鎧裝電纜，地埋敷設(shè)，引入觀測室。肥鄉(xiāng)地電場觀測系統(tǒng)建設(shè)及布極區(qū)環(huán)境狀況均符合相關(guān)規(guī)范（賈華等，2017）。

圖2 肥鄉(xiāng)臺(tái)地電場觀測裝置Fig.2 Geoelectric field observation device at Feixiang Seismic Station

2 數(shù)據(jù)異常分析

2019 年11 月2—4 日，肥鄉(xiāng)地電場6 個(gè)測道中EW 向及NW 向短極距出現(xiàn)階躍變化，變化幅度為1.429—3.156 mV/km（圖3）。在地電場觀測中常用測向的長、短極距相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)觀測數(shù)據(jù)之間相關(guān)程度，若相關(guān)系數(shù)低于0.95，則表明觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量較差。地電場的差值能反映長、短極距測道變化幅度是否一致，差值越大表明漂移現(xiàn)象越明顯。本次異常數(shù)據(jù)中，EW 測向3 d 內(nèi)日相關(guān)系數(shù)平均值分別為0.766、0.823、0.856，日差值平均值分別為0.13 mV/km、0.36 mV/km、0.23 mV/km，NW 測向3 d 內(nèi)日相關(guān)系數(shù)平均值分別為0.573、0.454、0.663，日差值平均值分別為0.09 mV/km、0.38 mV/km、0.10 mV/km。6 個(gè)測道中NS 向長短極距未發(fā)現(xiàn)異常。11 月4 日，對該異常進(jìn)行現(xiàn)場核實(shí)，具體工作為：觀測系統(tǒng)檢查和測區(qū)環(huán)境巡檢，現(xiàn)場數(shù)據(jù)對比實(shí)驗(yàn)及相鄰臺(tái)站數(shù)據(jù)對比等。

圖3 2019 年11 月4 日肥鄉(xiāng)地電場各測向分鐘值數(shù)據(jù)曲線Fig.3 Minutely value curves of anomalies in each direction of geoelectric field at Feixiang seismic station on November 4,2019

2.1 現(xiàn)場核實(shí)

2.1.1 觀測系統(tǒng)工作狀態(tài)檢查。現(xiàn)場對觀測儀器、室內(nèi)外線路及插頭、電極接地電阻、觀測電源等進(jìn)行排查。結(jié)果顯示，儀器各項(xiàng)工作指標(biāo)正常，接地電極電阻為2.76 Ω，符合要求，交直流供電電壓正常。

排查發(fā)現(xiàn)，外線路無人為破壞，電極坑內(nèi)線路接口處包裹嚴(yán)密且線路外觀未出現(xiàn)破損、漏線等現(xiàn)象，膠帶接口處干燥。利用搖表對外線進(jìn)行絕緣檢查（圖4），搖表數(shù)值趨于無窮大，外線絕緣性能良好。查看歷史數(shù)據(jù)可知，若電極外線路破損斷裂，地電場數(shù)值將急劇上升或下降，幅度可達(dá)幾百甚至上千mV/km。本次異常不符合外線路破損所致數(shù)據(jù)變化的特點(diǎn)，故排除電極線路故障。

圖4 現(xiàn)場電極外線路檢查Fig.4 On-site inspection of external electrode circuit

2.1.2 觀測環(huán)境調(diào)查。依據(jù)《地震及前兆數(shù)字觀測技術(shù)規(guī)范》（DB/T 7714）的規(guī)定，對測區(qū)環(huán)境進(jìn)行走訪調(diào)查，未發(fā)現(xiàn)測區(qū)內(nèi)有施工、大型機(jī)械設(shè)備使用等情況。本地區(qū)氣象觀測資料顯示，臺(tái)站所在地未出現(xiàn)降雨，因而排除降雨或雷電干擾。在日常觀測中，大地電場較多受到地電暴及高壓直流輸電干擾，但此類干擾異常與本次數(shù)據(jù)變化形態(tài)不同。而且，若出現(xiàn)以上2 種類型干擾，則所有測道將產(chǎn)生相同的變化形態(tài)，故排除上述干擾。在環(huán)境調(diào)查中，對于此類同一臺(tái)站各個(gè)測道不同步變化現(xiàn)象，需對產(chǎn)生干擾數(shù)據(jù)的電極進(jìn)行巡檢。通過數(shù)據(jù)分析，可知產(chǎn)生本次異常數(shù)據(jù)的測道均與A2電極有關(guān)。巡檢發(fā)現(xiàn)，該電極附近農(nóng)田灌溉，供電機(jī)井距電極較近，約60 m。初步判定，本次異常數(shù)據(jù)可能與電極附近農(nóng)田灌溉有關(guān)。

2.2 觀測數(shù)據(jù)對比分析

2.2.1 備用電極數(shù)據(jù)對比。為檢查是否A2電極故障導(dǎo)致觀測數(shù)據(jù)異常，采用備用鉛電極進(jìn)行同步觀測。具體步聚如下：在同一電極坑、不同深度處，埋設(shè)固體不極化電極與鉛電極，分別連接ZD9A-2B 與GEF-II 2 套不同型號(hào)的地電場儀，對比分析2 套獨(dú)立系統(tǒng)相同時(shí)間段數(shù)據(jù)（圖5）。由圖5 可知，2 套數(shù)據(jù)在相同時(shí)段內(nèi)均出現(xiàn)階躍變化，且變化幅度大致相同，故排除固體不極化電極故障原因。

圖5 2019 年11 月4 日異常數(shù)據(jù)與備用電極數(shù)據(jù)對比（a）固體不極化電極；（b）鉛電極Fig.5 Comparison of abnormal data and standby electrode data on November 4,2019

2.2.2 農(nóng)田灌溉歷史干擾數(shù)據(jù)對比分析。現(xiàn)場核實(shí)發(fā)現(xiàn)，干擾出現(xiàn)時(shí)場地附近農(nóng)田正在灌溉。為明確干擾源，將該日異常數(shù)據(jù)與以往農(nóng)田灌溉引起的異常變化進(jìn)行對比分析。

2019 年3 月5 日肥鄉(xiāng)地電場場地附近農(nóng)田灌溉，NS 和NW 向長極距2 個(gè)測道數(shù)據(jù)呈大幅上升變化，其他測道呈正常形態(tài)。分析認(rèn)為，灌溉時(shí)水體滲入地埋電極處，電極產(chǎn)生極化電位差，導(dǎo)致場地典型結(jié)構(gòu)發(fā)生變化（圖6）。同時(shí)，水體下滲會(huì)造成電極相對位置的改變，從而使數(shù)據(jù)產(chǎn)生不可逆的上升或下降的變化形態(tài)。與圖3 對比可知，農(nóng)田灌溉引起的數(shù)據(jù)異常與本次階躍變化存在一定差異性，可見本次數(shù)據(jù)異常不能完全歸咎于農(nóng)田灌溉。

圖6 2019 年3 月5 日肥鄉(xiāng)地電場各測向分鐘值數(shù)據(jù)曲線Fig.6 Minutely value curves of anomalies in each direction of geoelectric field at Feixiang seismic station on March 5,2019

2.2.3 設(shè)備漏電干擾分析。排查發(fā)現(xiàn)，農(nóng)田灌溉所使用的機(jī)井設(shè)備距A2電極較近，存在設(shè)備線路老化導(dǎo)致灌溉時(shí)漏電的可能性。為確定是否為本次異常干擾源，筆者查閱本地區(qū)及周邊臺(tái)站歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。2019 年9 月19 日，位于興濟(jì)臺(tái)觀測區(qū)域內(nèi)的磚廠施工漏電，造成數(shù)據(jù)干擾，進(jìn)而產(chǎn)生階躍變化（圖7）。通常，區(qū)域地殼內(nèi)自然電場較為穩(wěn)定，一旦測區(qū)環(huán)境發(fā)生變化，容易引發(fā)地下介質(zhì)成分或者結(jié)構(gòu)導(dǎo)電性質(zhì)的改變，對該區(qū)域電流密度分布產(chǎn)生影響，改變原區(qū)域電場的分布狀態(tài)，從而體現(xiàn)在地電場數(shù)據(jù)曲線中，且變化較明顯。受設(shè)備漏電干擾，地電場觀測曲線通常具有突跳、臺(tái)階、階躍等變化形態(tài)，設(shè)備停止供電則數(shù)據(jù)隨即恢復(fù)正常（王永安等，2015）。此次異常變化曲線與設(shè)備漏電引起的干擾形態(tài)基本一致。

圖7 2019 年9 月19 日興濟(jì)地電場各測向分鐘值數(shù)據(jù)曲線Fig.7 Minutely value curves of anomalies in each direction of geoelectric field at Xingji seismic station on September 19,2019

進(jìn)一步調(diào)查發(fā)現(xiàn)，機(jī)井電閘開關(guān)時(shí)間與地電場數(shù)據(jù)曲線的階躍變化時(shí)間相吻合。由此協(xié)調(diào)專業(yè)人員對該設(shè)備進(jìn)行漏電檢查，確認(rèn)機(jī)井設(shè)備存在線路老化、漏電現(xiàn)象。

綜上，肥鄉(xiāng)地電場數(shù)據(jù)異常變化與電極附近農(nóng)業(yè)灌溉機(jī)井設(shè)備漏電有關(guān)，而非地球物理異常。干擾機(jī)理為，當(dāng)灌溉機(jī)井通電運(yùn)行時(shí)，漏電引發(fā)附近場地大地電位發(fā)生變化，隨著電流消失，電位差恢復(fù)至正常狀態(tài)（趙玉紅等，2019）。

3 結(jié)論

針對2019 年11 月肥鄉(xiāng)地電場數(shù)據(jù)異常變化展開異常核實(shí)分析。結(jié)合異常特征，從觀測系統(tǒng)、觀測環(huán)境、對比試驗(yàn)等多方面綜合研判，最終確定造成數(shù)據(jù)異常的原因是灌溉機(jī)井漏電。

肥鄉(xiāng)大地電場布極區(qū)場地主要位于農(nóng)田，易受到人類活動(dòng)影響，主要是農(nóng)田灌溉和設(shè)備漏電干擾。異常落實(shí)工作需按以下原則進(jìn)行：①確認(rèn)大地電場各個(gè)測向變化形態(tài)是否一致，本次數(shù)據(jù)異常產(chǎn)生于個(gè)別測道，故排除高壓直流輸電干擾、地電暴干擾、雷電干擾，在現(xiàn)場核實(shí)中針對異常測道電極所在位置著重排查；②依據(jù)數(shù)據(jù)變化形態(tài)初步判定干擾類型，若為農(nóng)田灌溉干擾，數(shù)據(jù)曲線呈大幅上升變化形態(tài)，且干擾時(shí)間達(dá)幾小時(shí)甚至幾天，本次機(jī)井設(shè)備漏電干擾呈階躍式不同步變化形態(tài)，供電停止后數(shù)據(jù)即恢復(fù)正常。

對本地區(qū)與周邊大地電場典型干擾源特征的總結(jié)，有助于快速識(shí)別并處理相似干擾數(shù)據(jù)，從而為地震研究相關(guān)工作提供更加準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為防災(zāi)減災(zāi)服務(wù)。