關于青浦金澤臺地電場觀測所受干擾的研究＊

賈思超，趙文舟，吳珊珊，李 偉，裴 曉，方國慶

（上海市地震局，上海 200000；上海佘山地球物理國家野外科學觀測研究站，上海 200000）

地電場作為地球物理基本場在地震預報工作中是主要的監測對象，同時地電場觀測也是獲得地震前兆觀測數據的重要手段之一。作為上海西部唯一的一處地電觀測臺站，青浦金澤臺大地電場觀測在上海地區的地震預報和獲取地球物理觀測數據等方面發揮著重要的作用。

從10 多年來的觀測效果上看，該臺站的觀測數據反映了較為豐富的異常觀測信號形態。對該臺站在觀測中遇到的干擾進行分析探討，不僅利于識別地球物理場的異常變化，更有助于理解異常數據的形成機制，更好地解讀地電觀測數據所展現的物理意義，從而為地震預測提供有效的理論依據。本文通過地電場多極距觀測原理（2014 年）結合席繼樓[1]（2019 年）針對地電場觀測的干擾源、干擾方式、干擾機理的研究，對青浦金澤臺地電場觀測中出現的異常數據進行識別分析，初步判定地電觀測中可能存在的多種干擾因素及干擾類型，對異常觀測數據與干擾類型的相關性進行探討。

1 地電場觀測情況概述

1.1 青浦金澤臺基本情況

青浦金澤臺于2007 年9 月正式建設完成，地處上海西部青浦區商榻鎮的一處苗圃用地中，距離市中心約50 km。臺站東鄰淀山湖，西鄰周莊風景區，四周自然河道廣布。臺站周圍有苗圃、耕地和魚塘，農業生產活動繁雜，漁業養殖較多，測區西面測量電極距最近的魚塘僅3 m 遠。地電場測線中心點東100 m 左右為青浦臺觀測室；東北方向190 m 左右為超靜減振器公司，目前該公司已經搬離，已拆除原有產房。青浦金澤臺站及周圍環境如圖1 所示。

圖1 青浦金澤臺站及周圍環境圖

1.2 青浦金澤臺地電場觀測

青浦金澤臺地電場觀測在10余年的觀測時間里曾使用過ZD9A-Ⅱ型地電場儀，后因儀器故障更換為目前使用的GEF-2 型地電場儀。該臺測區內東北方為苗圃而西南方為水田，致使測區地下電性結構差異較大，非均勻性較強，故電極采用“十”字形布設方式埋設于地下，外線路架設方式采用架空式，測區共分為6個測道，南北和東西長短極距分別為200 m 和150 m，北東向長短極距分別為180 m 和70 m，如圖2 所示。該臺地電場觀測雖然在一定程度上受周圍環境因素的干擾，但各測道相關性均能達到0.9 以上，且日變與潮汐變化對應性較穩定。

圖2 青浦金澤臺地電場電極布設示意圖

建臺之初沿中心電極北西和北東2 條測線進行了電測深的探測。2 條電測深曲線視電阻率在17～40 Ω·m范圍，2條電測深曲線的類型均為AKH形曲線。比較2 條曲線供電極距的視電阻率，隨深度增大視電阻率變化的形態基本相同，視電阻率變化范圍小，說明測深點附近縱向、橫向比較均勻。同時證明電測深結果是比較可靠的。北西測線隨測線長度的增加，視電阻率持續增大，說明低層介質電阻率增大，出現了電阻率相對高的電性層。北東測線的淺層電阻率略高于北西測線，按照葉青等（2007 年）的研究成果，臺站的淺層電阻率和日變幅變化相關性性問題呈現出正相關的趨勢，這種變化在臺站北南向和東西向數據幅度變化上是有所體現的[2-3]。

2 典型干擾成因與特點分析[4-14]

利用相關軟件對近13 年間的地電場觀測數據進行初步處理，從近14 500 條可能存在異常的數據中篩選出500 余條有明顯分析價值的異常干擾數據。通過初步分析和整理，同時對比臺站運行日志及數據跟蹤分析事件，將青浦金澤臺地電場觀測所受到的干擾大體上歸為5 類，即自然環境干擾、場地環境干擾、觀測系統干擾、人為干擾和地球物理事件干擾，下文將對典型干擾和其特點進行分析研究。

2.1 自然環境干擾

自然環境干擾會對大地電場的正常動態產生影響，引起地電場觀測數據曲線變化。經過分析實際觀測數據后發現，青浦金澤臺由于采用了架空式的外線路架設方式和埋設式的電極安裝方式，在特殊天氣條件下，更容易遭受雷電、降雨及雷電與降雨結合所產生的雷雨等自然環境干擾的影響，使地電場觀測數據曲線出現高頻抖動、趨勢性上升或下降等變化。

2.1.1 雷電、雷雨干擾

雷電、雷雨干擾主要為閃電等強電流直接注入地下，產生電荷積累從而影響觀測電極，使地電場觀測場內電位迅速升高。這種干擾所形成的電位差會導致區域電場原有的分布環境發生改變，在一段觀測時間內造成觀測數據曲線畸變。在數據波形上多表現為不規律的尖峰形態，數據曲線往往會出現反復上升、下降的變化趨勢，且雷擊強度越大、頻率越高，干擾所造成的尖峰也越大、越密。

圖3 為2015-03-15—22 發生的數次雷電干擾事件，地電場儀器6 條測道同時記錄到此次干擾，其形態特征基本一致，觀測數據曲線均呈現典型的高頻上下突跳的畸變，其單一測道最大變化幅度可達到日均值的4～5 倍，而在雷電天氣結束后，波形很快恢復正常日變形態。

在實際觀測中發現，雷雨干擾與雷電干擾在數據波形上基本一致，在判別雷雨干擾時，需結合氣象三要素等輔助儀器數據進行研判，確定測區附近是否同時存在降雨。而雷雨引起的地電場觀測數據波形變化形態、幅度與降水量的大小、時間長短及介質的滲透參數等諸多因素有關。青浦金澤臺地電場觀測因測區電極埋深較淺，地下水位較高等原因，致使雷雨對青浦金澤臺地電觀測影響較小，記錄相對較少，故在此不贅述。

2.1.2 降雨

降雨為測區及周邊的降雨或雷雨對測區環境的影響，屬于局部自然電場發生變化從而導致地表電性結構發生改變。降雨引起地電場觀測數據突跳或階躍，表現形態為趨勢性的漂移變化，觀測數據曲線會在短時間內出現大幅上升或下降，一般可以在短時間內恢復正常日變形態。

圖4 為2018-08-31 發生的降雨干擾事件，觀測數據曲線出現大幅上升的漂移變化，并在降雨結束后的1 h 內恢復正常形態。

圖4 降雨干擾

2.1.3 實際觀測情況

由于上海屬北亞熱帶季風性氣候，雨量充沛，春、夏、秋這3 季均有集中降水，結合實際觀測數據統計可以發現（如圖5 所示），春末夏初的梅雨季節是降雨、雷雨等干擾多發期；而雷電干擾除3、4 月偶有發生外，多集中爆發于6—10 月，特別是夏秋之交雷電干擾更易頻發。2016 年青浦金澤臺進行了防雷改造，雷擊干擾明顯減少，但仍需注意此類干擾的發生。

圖5 雷電干擾及降雨、雷雨干擾統計圖

2.2 場地環境干擾

場地環境干擾一般認為是觀測點周圍場地表面發生的變化在一定程度上改變了測區環境，從而影響正常觀測記錄，其干擾因素一般包含工廠運行、載荷、振動、基建、爆破干擾、塌方干擾、抽水、蓄水、灌溉、設備漏電、高壓直流輸電及城市軌道交通等。經過長時間觀測和多次實地異常核實后發現，影響青浦金澤臺地電場觀測的場地環境因素主要為灌溉和耕種、設備漏電、高壓直流輸電及城市軌道交通，其余因素影響不常見或不顯著，故不單獨分析。

2.2.1 灌溉和耕種

灌溉導致測區及周邊土壤中的含水量在短時間內發生較大變化，從而使土壤的導電性增強，一定程度上改變各觀測電極之間的電位差。耕種對地電場觀測產生影響的機理與之類似，通過改變地表電阻率和導電性從而影響地電觀測數據的結果。灌溉干擾在觀測數據曲線上通常表現為大幅向下傾斜的臺階或畸變，隨著時間逐漸衰減恢復穩定，恢復穩定時間較灌溉結束時間有滯后。相較之下耕種對實際觀測的影響效果遠不及灌溉，在觀測數據曲線上較難發現，多需借助臺站外安裝的視頻監控設備來加以判定。

圖6 為2020 年5 月出現的一次灌溉干擾，由于青浦金澤地臺電場觀測的部分測量電極埋設于農田內，灌溉的積水下滲引起地下介質電阻率發生改變，造成地電場觀測數據曲線產生大幅向下傾斜的畸變，后隨灌溉結束逐漸恢復。

圖6 灌溉干擾

根據實際觀測數據統計（如圖7 所示），4—8 月為全年灌溉干擾出現的高峰期；而耕種干擾則具有明顯的時間間隔性，集中出現在單數月份，這可能與長三角地區的農作物種類及耕作方式有一定的聯系。

圖7 灌溉和耕種干擾統計圖

2.2.2 設備漏（放）電

觀測場地內及觀測電極布設區域周圍的設備漏（放）電會產生新的電流體系，這些雜散電流會將附加的磁場和電場疊加到大地電場上，從而增大或減小地電場測值，使觀測數據曲線表現形態出現大幅度變化的高頻次脈沖。由于地磁場和地電場的矢量性，地電觀測設備各測道對漏電點位置及方向的不同產生不同幅值的變化。青浦金澤臺地電場測區附近有魚塘、工廠、養雞場等設施，存在一定數量如魚塘增氧泵、工廠機床及養雞場取暖器等帶有接地極的用電設備，這些設備工作時不可避免地對測區內地電觀測造成一定的影響。

圖8 為2018-07-17 發生的設備漏電干擾事件，經現場初步核實認為是魚塘增氧設施漏電所致。從數據形態方面看，設備漏電的變化形態與高壓直流輸電干擾的形態較為一致，呈現出方波形態。但是從影響范圍和多極距分析方法上來看，設備漏電影響范圍較小，距離漏電點較近位置的電極可以感應到，其他各點無任何變化，在曲線變化上即呈現出2 道方波、4 道正常曲線，與高壓直流輸電6 道方波的情況形成鮮明的對比。

圖8 設備漏電干擾

從觀測數據曲線上看，設備漏（放）電持續時間短、頻次高、漏電量不穩定的，往往表現為數據突跳；而設備漏（放）電持續一段時間或者反復出現持續性漏電時，觀測數據曲線往往會出現階變；其變幅與漏（放）電電流強度成正比，漏（放）電電流越強，影響越大，且漏（放）電點與電極之間的距離越近，影響越明顯，反之亦然。

2.2.3 高壓直流輸電

近年來隨著西電東送等重大工程的推進，高壓直流輸電線路和變電站等基礎設施也在不斷建設，高壓直流輸電對地電觀測影響日漸顯著。作為一種直流電源持續對地放電的干擾方式，電流的干擾可以影響到距接地極約500 km 遠的地電場觀測臺站。目前距離青浦金澤臺較近的有三上線、葛上線、向上線、錦蘇線的注電干擾源，同時周邊還存在多個變電站，其放電工作無周期性，無時間規律。

通常情況下高壓直流輸電會使觀測數據曲線在形態上產生畸變，出現大幅度臺階或突跳，臺階長度受放電時長影響，成正相關。圖9 為2019-03-09—10 錦蘇線高壓直流放電造成的干擾事件，觀測數據曲線出現大幅度上升臺階，最大干擾幅度203.94 mV/km。此類干擾嚴重影響觀測數據質量，不利于地震異常發現和判定。

圖9 高壓直流輸電干擾

2.2.4 城市軌道交通

城市軌道交通的建設和運行對周圍的地電觀測環境具有較大的影響，以地鐵為例，它運行對地電場的干擾可被視為一種間歇性、電量相對穩定的漏電。在距青浦金澤臺30 km 范圍內有多條地鐵線路運行，地電場觀測自建臺觀測以來，幾乎每日的04：00—23：00 都會不同程度受到地鐵的干擾，且觀測數據曲線的變化與每天地鐵的運營時間存在明顯的對應關系。一般情況下00：00—04：00 地鐵未運行期間，所受干擾最小，地電場信號最為平靜，信號變化相對平穩；而在地鐵運行時段內觀測數據噪聲明顯增大，出現周期性的高頻干擾，使得觀測數據曲線出現畸變。

圖10 為上海17 號線地鐵開通前后青浦金澤臺地電場觀測數據曲線對比，因上海17 號線地鐵西向終點站距離青浦金澤臺地電場測區僅13 km，自2017-12-30通車后，在地鐵運行時段內干擾明顯增大，通過實際觀測數據測定，高頻幅值最大增長近10 倍。由此可見，城市軌道交通尤其是地鐵的運行對地電場觀測的影響已十分嚴重。

圖10 城市軌道交通（地鐵）干擾對比圖

2.3 觀測系統干擾

一般來說地電場觀測系統都是由測量儀器、測量電極、通信系統、供電設備以及避雷裝置等幾部分組成，其中任何部分出現干擾或發生故障問題，地電場的數據觀測質量都會在一定程度上受到不同的影響。

2.3.1 外線路故障

青浦金澤臺地電場觀測因在建臺時采用架空法架設的通訊線路，不可避免地使線路常年暴露在外。隨著觀測時間不斷增長，線路老化日趨嚴重，加之受到測區周圍苗圃內樹木生長的拖拽、剮蹭等問題致使外線路受損，于2019 年11 月在短極距北南向和短級距北東向觀測道出現外線路故障，導致觀測數據錯誤。后對現有架空線路進行整體維修更換，于2020 年12月全面竣工，觀測恢復正常。

外線路故障如圖11 所示。

圖11 外線路故障

2.3.2 電極極化

電極極化是一種地電場觀測中常見的干擾，早期觀測所使用的電極在土壤中埋藏時間過長，電極自身所含鉛離子在地下水位、環境溫度與土壤介質等多重因素的共同作用下游離進入到土壤中。由于鉛離子帶正電可產生極化電位，致使測點電位發生變化，干擾了正常的地電場觀測。

圖12 為電極極化前后對比，當電極因老化和長期埋藏出現極化現象后，導致地電觀測數據曲線出現數據漂移、階躍等現象，各觀測數據曲線之間相關性減弱，觀測數據可信度降低。青浦金澤臺地電場觀測2011年之前出現過電極極化干擾，之后通過定期更新測區電極的方式基本消除了此干擾。

圖12 電極極化對比圖

2.4 人為干擾

人為干擾的類型是多樣的，諸如儀器安裝、儀器更換、防雷改造、儀器標定等，且多數情況下人為干擾都會造成觀測數據中斷。從實際觀測情況來看，對青浦金澤臺地電場觀測影響最大的人為干擾是儀器標定，其余人為干擾相對罕見，故不贅述。青浦金澤臺地電場觀測按要求每年對儀器進行2～4 次標定，標定時觀測數據發生變化，觀測數據曲線表現形態為臺階或突跳，因波動幅值過大會將實際觀測數據壓制成近直線（如圖13 所示），在標定結束后，數據自行恢復正常，一般處理方法為對所產生的錯誤數據進行缺數、臺階處理。

圖13 儀器標定

2.5 地球物理事件干擾

電離層是日地空間的重要組成部分，極易受太陽活動、地磁活動、熱層活動、低層大氣活動等眾多擾動源的影響，從而產生了復雜的電離層擾動現象。這種擾動每年都會發生很多次，并且具有全球性特點，雖然每次持續時間與擾動強度大同小異，但在發生期間各地電場臺站幾乎都會同時記錄到高頻脈沖或異常波動，從而影響地電場觀測數據波形的日變形態。

電離層擾動在地電場觀測數據波形的時間域與頻率域都具有較好的同步性和相關性，異常的持續時間、強度也與該擾動的持續強度呈很好的正相關。

在青浦金澤臺地電場觀測中這種干擾較為常見（如圖14 所示），但目前對此干擾的研究相對有限，只有通過對比分析相隔較遠的臺站在相同時段內是否存在類似擾動作為初步判定干擾的方法和依據，但由于各個臺站的地下電性結構存在差異，電極布極方式不盡相同，故對該類型干擾的辨別仍需進一步研究。

圖14 電離層擾動

3 結論

本文以青浦金澤臺地電場觀測為研究對象，通過梳理該臺站10 余年的地電場觀測資料，多方面系統剖析地電場觀測數據中出現的各種干擾因素，將青浦金澤臺地電場觀測所受干擾總結歸納為5 類，并對每種干擾的成因、觀測數據波形的形態與特點進行了闡述，經過分析得到以下結論。

很多自然環境干擾和場地環境干擾，都是以疊加或削減的方式改變觀測電極周邊的真實電場強度，從而影響地電場的正常觀測，其中很多干擾因素對地電場影響的機理和特征都存在共性，例如降雨和灌溉一定程度上使土壤的導電性增強，改變各觀測電極之間的電位差；而設備漏（放）電、高壓直流輸電和城市軌道交通的影響本質都屬于漏電。對于這些存在共性的干擾因素，在數據處理時要仔細分析，避免混淆。

通過氣象三要素儀器、視頻監控設備等輔助手段的配合，將有效提高判斷干擾類型、分析干擾源時的真實性和準確性。遇到疑似觀測系統干擾或人為干擾時，可從觀測數據出發，分析造成干擾的原因是否與故障或校測有關，在查閱儀器校測記錄和巡檢記錄的同時，盡可能到實地對電場觀測系統進行檢查。在臺站或觀測系統改造后，要做好儀器狀態和線路布設等關鍵情況的記錄，以便在出現新的異常干擾時能及時進行對比分析。

充分認識地球物理場的異常變化，識別地電場觀測中的各類干擾，對異常數據的形態特征加以探究討論，有利于臺站一線觀測人員在今后的工作中排查無意義的干擾，可有效捕捉對地震預報有意義的前兆信號，獲取更為真實、可靠的地球物理觀測數據。同時，也可為其他受類似干擾的臺站在異常信號的判定上提供參考依據，為上海及周邊地區的地震預測以及新建地球物理臺站的選址提供一定的幫助。