騰沖中心站地電場觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量及典型干擾分析

[摘要]" " 通過對騰沖中心站2018—2022年地電場觀測資料整理、數(shù)據(jù)質(zhì)量及干擾分析，認(rèn)為騰沖中心站地電場數(shù)據(jù)在無干擾情況下同測向長短極距相關(guān)性較好，日變化清晰，數(shù)據(jù)可信度較高。其干擾類型大致可以分為自然環(huán)境干擾和人工干擾兩大類，其中，地電暴、雷電、降雨等干擾屬于自然環(huán)境干擾，人工源電法供電干擾和場地漏電干擾等屬于人工干擾。地電暴引起的干擾變化形態(tài)以類似地震波形的大幅度尖銳脈沖突跳為主，雷電引起的干擾變化形態(tài)以典型的大幅畸變?yōu)橹鳎涤暌鸬母蓴_變化形態(tài)以大幅下降為主，同一觀測場地中地電阻率供電引起的地電場數(shù)據(jù)干擾變化以有規(guī)律的脈沖突跳為主，路燈漏電引起的干擾變化形態(tài)以階躍型周期變化為主。通過分析不同類型干擾源引起地電場變化形態(tài)及物理機(jī)制，提出解決干擾的方法，從而提高地電場觀測質(zhì)量，為有效識別地電場干擾和地震預(yù)報(bào)提供一定的依據(jù)。

[關(guān)鍵詞] 地電場; 干擾類型; 物理機(jī)制; 觀測質(zhì)量

[DOI] 10.19987/j.dzkxjz.2023-176

基金項(xiàng)目： 云南省地震局資助。

0" 引言

地電場是指地球表面天然存在的電場，包括大地電場和自然電場。其中，大地電場是由固體地球外部磁層和電離層中的各種電流體系與地球介質(zhì)相互作用，在地球內(nèi)部產(chǎn)生的感應(yīng)電場，具有區(qū)域性同步變化特性；自然電場是由地球介質(zhì)局部的各類物理化學(xué)作用，例如地形的差異、物質(zhì)成分的不同以及局部電化學(xué)作用，產(chǎn)生的局部電場，具有相對穩(wěn)定性[1]。經(jīng)過我國長期觀測證明，地電場觀測對中短期地震具有較好的映震效果。但是由于地電場的觀測系統(tǒng)和環(huán)境干擾等多種原因，給地電場的異常識別帶來一定的困難[2-10]，因此，急需對地電場的干擾進(jìn)行分析和總結(jié)，使觀測人員能夠有效地識別出不同原因造成的干擾，為地震異常判定提供一定的依據(jù)。

本文利用騰沖中心站2018—2022年的地電場觀測資料，總結(jié)出騰沖地電場在觀測過程中的典型干擾，為有效識別地電場干擾和地震預(yù)報(bào)提供一定的依據(jù)。

1" 地電場基本情況

騰沖中心站地電場布極區(qū)地處怒江深大斷裂以西、全新世龍陵—瑞麗斷裂西北、龍川江斷裂以西，全新世活動(dòng)斷裂大盈江斷裂與騰沖斷裂交匯帶以東（圖1）。騰沖中心站地電場觀測為ZD9A-Ⅱ型數(shù)字化地電場儀，布極區(qū)位于臺站西南邊，采用“L”型方式布設(shè)電極（圖2），分南北、東西向兩道測線，與地電阻率同場觀測，外線共用桿路，布極中心點(diǎn)距離臺站約2000 m，長短極距采用等極距觀測，OA=OB=O1A1=O1B1=300 m。測量電極為圓柱體鉛電極，埋深10 m，圓柱體鉛電極規(guī)格為400 mm×500 mm×5 mm，測量線采用20對銅芯絕緣電纜線，敷設(shè)方式為架空，電桿為9 m水泥桿，中心桿為12 m水泥桿。

2" 觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

2.1" 正常數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)曲線

大地電場靜日變化是由中低緯度上空電離層電流系產(chǎn)生的，變化具有確定的周期性。由于地電場觀測對象是一個(gè)水平矢量，大小和方向是隨時(shí)間變化的，且具有一定的日變規(guī)律[11]。在同一觀測測區(qū)中，如果不存在其他干擾，同一方向上地電場的長極距和短極距數(shù)據(jù)變化趨勢基本保持一致。圖3是選取2022年11月20—24日騰沖中心站地電場長短極距分鐘值曲線圖。從圖3中可以看出，同一方向地電場長極距和短極距數(shù)據(jù)變化趨勢基本保持一致，數(shù)據(jù)日變化形態(tài)清晰，沒有隨機(jī)性的大幅度階躍及持續(xù)性的漂移現(xiàn)象，各測向相關(guān)系數(shù)均大于0.9，相關(guān)性較好，長短極距數(shù)據(jù)的變化幅度只存在較小差異，說明騰沖中心站地電場在無干擾情況下數(shù)據(jù)可信度較高，所使用的不極化鉛電極工作正常。

2.2" 月相關(guān)系數(shù)及月差值

在同一觀測測區(qū)中，如果不存在其他干擾，同一方向地電場長極距和短極距數(shù)據(jù)變化趨勢基本保持一致。通過分析同一方向上長短極距的相關(guān)系數(shù)和差值，判斷其變化趨勢，若有不同的趨勢，則需要排查地電場觀測場地所存在的明顯干擾和觀測系統(tǒng)；若趨勢接近，說明騰沖地電場觀測數(shù)據(jù)可信度較高。

相關(guān)系數(shù)的計(jì)算方法為：

r=（∑_i?〖（x_i-ˉx）〗（y_i-ˉy））/√（∑_i 〖（x_i-ˉx）〗^2 〖（y_i-ˉy）〗^2 ） （1）

R=1/N ∑_（j=1）^N r_j （2）

式中，r為一天的相關(guān)系數(shù)，x_i為第i時(shí)長極距測值，y_i為第i時(shí)短極距測值，ˉx為長極距日均值， ˉy為短極距日均值；R為某月相關(guān)系數(shù)算術(shù)平均值，r_j為第j天的相關(guān)系數(shù)，N為當(dāng)月的天數(shù)。

差值計(jì)算方法為：

Δxy=1/n ∑_（i=1）^n?〖|（x_i-ˉx）-（y_i-ˉy）|〗 （3）

Δˉxy=1/N ∑_（j=1）^N Δxy （4）

式中，Δxy為一天的差值，Δˉxy為某月差值的算術(shù)平均值，N為當(dāng)月的天數(shù)，x_i為第i時(shí)長極距測值，y_i為第i時(shí)刻短極距測值，ˉx為長極距日均值， ˉy為短極距日均值。

通過公式及地電數(shù)據(jù)處理軟件計(jì)算得到騰沖中心站地電場月相關(guān)系數(shù)和月差值，并繪出月相關(guān)系數(shù)圖和月差值圖（圖4），可以看出騰沖地電場近5年來月相關(guān)系數(shù)均大于0.8，長短極距相關(guān)性較好，數(shù)據(jù)質(zhì)量較好；且月差值相對較小，符合規(guī)范要求的0.4以下，說明騰沖中心站地電場數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，干擾相對較少，可信度較高。2019年月相關(guān)系數(shù)低于0.9，相關(guān)性較其他年份相對較差，是因?yàn)?019年騰沖中心站地電場受臺站標(biāo)準(zhǔn)化改造、場地環(huán)境、自然環(huán)境干擾及觀測系統(tǒng)故障等影響明顯，造成2019年數(shù)據(jù)質(zhì)量相對較差。

3" 典型干擾類型及原因分析

3.1" 地電暴干擾

地電暴和磁暴具有同源性，場源起源于太陽日冕物質(zhì)拋射事件，由太陽活動(dòng)引起的固體地球外部的空間電流體系活動(dòng)，是大尺度空間同時(shí)發(fā)生的電磁現(xiàn)象[12-13]。在地電暴發(fā)生時(shí)，在不同方向上的地電場長短極距都能記錄到同步的異常信息，并且對地電場同一方向上的長短極距的影響是同步的。

2022年3月13—14日發(fā)生1次急始型磁暴，最大k指數(shù)為7。騰沖中心站地電場記錄到此次磁暴，磁暴3月13日18：40發(fā)生，地電場數(shù)據(jù)在18：40出現(xiàn)較大幅度的畸變形態(tài)，并且6個(gè)測道都記錄到同步的異常信息，地電場6個(gè)測道波形均呈類似地震波形的尖銳脈沖突跳，其中南北向長短極距的變化幅度最大達(dá)12.2 mV/km（該結(jié)果是在儀器設(shè)置了門限值之后，否則會(huì)更大），東西向長短極距的變化幅度最大為5.1 mV/km，斜邊北西向長短極距的變化幅度最大達(dá)8.0 mV/km，6個(gè)測道干擾持續(xù)時(shí)間相同，均長達(dá)10 h之久，磁暴活動(dòng)結(jié)束后，地電場數(shù)據(jù)恢復(fù)正常水平（圖5）。磁暴發(fā)生期間，騰沖中心站地電場相關(guān)系數(shù)平均值為0.924，相關(guān)性較好，且同一方向上長短極距的干擾變化幅度也大致相同，說明磁暴一般只對地電場日變化形態(tài)產(chǎn)生畸變且同方向長短極距的影響同步，磁暴的影響一般不會(huì)降低地電場同方向上長短極距的相關(guān)系數(shù)。

3.2" 雷電干擾

李雪浩等[14]提出大地電場是一個(gè)相對穩(wěn)定且具有一定變化規(guī)律的電場，當(dāng)外部電場發(fā)生變化時(shí)會(huì)造成地電場觀測數(shù)據(jù)也隨之發(fā)生變化。雷電會(huì)造成區(qū)域內(nèi)電場的分布發(fā)生改變，從而引起地電場觀測數(shù)據(jù)發(fā)生畸變。

圖6為2019年8月4日騰沖中心站地電場觀測數(shù)據(jù)曲線，可以看出2019年8月4日 00：39開始，地電場觀測數(shù)據(jù)受到雷電干擾時(shí)，6個(gè)測道曲線形態(tài)均發(fā)生快速的畸變，同一方向上的長短極距變化幅度基本相同。其中，南北向長極距突變幅度為2.0 mV/km，南北向短極距突變幅度為2.1 mV/km，東西向長短極距突變幅度為3.6 mV/km，斜邊北西向長短極距突變幅度為2.0 mV/km。雷電發(fā)生期間地電場數(shù)據(jù)的畸變時(shí)間與雷電的放電時(shí)間一致，在雷電發(fā)生時(shí)會(huì)將避雷裝置保險(xiǎn)管燒毀，甚至將地電場儀器擊壞，因此在強(qiáng)雷電期間，為了維護(hù)地電場儀器的正常運(yùn)行，避免受到雷擊影響，值班人員可以采取關(guān)閉儀器并關(guān)閉避雷裝置的措施來避免地電場儀受損。

3.3" 降雨干擾

郭建芳等[15]提出降雨能夠使土壤電導(dǎo)率發(fā)生改變，造成地電場及地物尖端放電的擊穿強(qiáng)弱程度發(fā)生改變。降雨干擾一般表現(xiàn)出的干擾特征為：當(dāng)降雨開始并浸入地下土壤時(shí)，地電場數(shù)據(jù)會(huì)隨著雨量的增加而出現(xiàn)大幅的下降，且持續(xù)時(shí)間會(huì)較長，隨著降雨停止，土壤內(nèi)的水份逐漸較少，直至恢復(fù)降雨前的水平。2019年2月17日騰沖地電場測區(qū)內(nèi)總降雨量達(dá)到30 mm左右，降雨量較大，屬于中等以上降雨，騰沖地電場6個(gè)測道均出現(xiàn)大幅的變化，日變形態(tài)畸變，同一方向上的長短極距變化幅度大致相當(dāng)。其中，南北向長極距變化幅度為5.6 mV/km，短極距變化幅度為5.7 mV/km；東西向長極距突變幅度為8.6 mV/km，短極距突變幅度為8.0 mV/km；斜邊北西向長短極距突變幅度為3.7 mV/km。數(shù)據(jù)變化后，工作人員對室內(nèi)外線路的絕緣性進(jìn)行檢測，經(jīng)檢測各條線路的絕緣性均＞500 MΩ，符合規(guī)范要求。其次對所有線路的接頭進(jìn)行檢查，查看是否有松動(dòng)，有無氧化腐蝕等現(xiàn)象，經(jīng)檢查一切正常。最后對室內(nèi)的觀測裝置及避雷裝置進(jìn)行檢查，查看儀器運(yùn)行是否正常，避雷裝置有無雷擊痕跡，避雷裝置性能是否正常，經(jīng)檢測一切正常，對測區(qū)環(huán)境進(jìn)行檢查，測區(qū)未見明顯干擾源，通過分析降雨開始時(shí)間及降雨量，地電場數(shù)據(jù)畸變時(shí)間與降雨時(shí)間一致，所以分析認(rèn)為此次干擾為降雨引起。降雨停止后數(shù)據(jù)會(huì)隨著土壤中水分的蒸發(fā)而緩慢恢復(fù)至正常動(dòng)態(tài)曲線（圖7）。

3.4" 人工源電法供電干擾

人工源電法供電干擾在地電臺站中最常見的為地電阻率供電干擾，騰沖中心站地電場與地電阻率在同一觀測場地上進(jìn)行觀測。當(dāng)ZD8M地電阻率儀進(jìn)行整點(diǎn)測量時(shí)，WL6B穩(wěn)流電源儀向地電場觀測場地進(jìn)行供電，這時(shí)同一觀測場地內(nèi)產(chǎn)生的人工電場和原有的大地自然電場相互疊加，造成地電場觀測數(shù)據(jù)產(chǎn)生誤差。圖8為騰沖中心站地電阻率觀測對地電場的干擾曲線，地電阻率觀測時(shí)會(huì)每1個(gè)小時(shí)對地電場產(chǎn)生長達(dá)6 min的有規(guī)律的脈沖信號，地電場6個(gè)測道變化幅度基本相同，最大變幅達(dá)2.0 mV/km。經(jīng)分析認(rèn)為ZD8M地電阻率儀進(jìn)行整點(diǎn)測量時(shí)，WL6B穩(wěn)流電源儀在整點(diǎn)05分時(shí)開始向地電場觀測場地進(jìn)行供電，這時(shí)同一觀測場地內(nèi)產(chǎn)生的人工電場和原有的大地自然電場相互疊加，WL6B穩(wěn)流電源儀在整點(diǎn)11分時(shí)停止向觀測場地供電，地電阻率整點(diǎn)值測量完成，因此造成地電場觀測數(shù)據(jù)產(chǎn)生6 min的有規(guī)律的脈沖信號。觀測人員可以通過在ZD9A型地電場儀器中設(shè)置合理的門限值來解決同場地地電阻率的供電干擾問題。

3.5" 漏電干擾

漏電對地電場數(shù)據(jù)造成的干擾機(jī)理為地電場電極測得的電位是土壤中的即時(shí)電位，架設(shè)在測區(qū)附近的路燈，在路燈亮起的那一刻，因?yàn)槁窡艟€路破損等原因漏電，對觀測場地產(chǎn)生較大的電流，造成路燈附近觀測場地的電位發(fā)生變化，從而干擾地電場觀測電極間的電場，在路燈亮起后，對觀測場地產(chǎn)生的入地電流和附近的電場均保持不變，當(dāng)路燈熄滅時(shí)，對觀測場地產(chǎn)生的入地電流消失，地電場恢復(fù)至正常狀態(tài)。并且在日常觀測中發(fā)現(xiàn)地電場觀測數(shù)據(jù)受到的漏電干擾在較短時(shí)間內(nèi)發(fā)生，地電場觀測數(shù)據(jù)的曲線形態(tài)為階躍變化。例如騰沖地電場2022年10月3—12日東西向和南北向長短極距4個(gè)測道數(shù)據(jù)在每日固定時(shí)間段05：30—07：00和19：00—23：59下降幅度較大，在05：30和19：00路燈打開的瞬間，數(shù)據(jù)發(fā)生階降變化，其中，南北向長極距突變幅度為10.8 mV/km，短極距突變幅度為12.5 mV/km，東西向長極距突變幅度為10.8 mV/km，短極距突變幅度為10.6 mV/km，斜邊北西向數(shù)據(jù)無變化；07：00和23：59路燈關(guān)閉，數(shù)據(jù)恢復(fù)至正常狀態(tài)（圖9）。數(shù)據(jù)異常后，工作人員通過排查騰沖臺地電場觀測系統(tǒng)，未發(fā)現(xiàn)明顯的異常。經(jīng)過工作人員現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，地電場測區(qū)中心桿附近農(nóng)戶在距電極約50 m處安裝有路燈，線路埋設(shè)在地表下，在路燈打開時(shí)，地電場數(shù)據(jù)快速階降，當(dāng)路燈關(guān)閉時(shí)，地電場數(shù)據(jù)又恢復(fù)正常動(dòng)態(tài)，路燈開關(guān)時(shí)間與地電場數(shù)據(jù)變化時(shí)間高度吻合，初步分析認(rèn)為該異常為路燈漏電干擾，因干擾源距離中心桿較近，離斜邊北西向較遠(yuǎn)，故南北向和東西向長短極距突變幅度大致相同，斜邊北西向數(shù)據(jù)無明顯變化。工作人員及時(shí)排查后發(fā)現(xiàn)該路燈線路接頭處的確存在漏電，經(jīng)過處理后觀測數(shù)據(jù)恢復(fù)正常動(dòng)態(tài)。漏電干擾一般屬于人為干擾，因此為有效避免對地電場數(shù)據(jù)造成干擾，在選擇觀測場地時(shí)，應(yīng)盡量避開工業(yè)嚴(yán)重的城鎮(zhèn)、居民區(qū)或廠礦區(qū)。

4" 結(jié)論

利用騰沖中心站地電場2018—2022年的觀測數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)質(zhì)量及典型干擾曲線變化形態(tài)進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論：

（1）騰沖地電場數(shù)據(jù)在無干擾情況下同測向長短極距相關(guān)性較好，日變化清晰，磁暴有明顯對應(yīng)，沒有隨機(jī)性的大幅度階躍或突跳、沒有持續(xù)性的漂移等現(xiàn)象，數(shù)據(jù)可信度較高。

（2）騰沖中心站典型干擾根據(jù)干擾類型可以分為自然環(huán)境干擾和人工干擾2大類，其中，地電暴、雷電、降雨等干擾屬于自然環(huán)境干擾，人工源電法供電干擾和場地漏電干擾等屬于人工干擾。

（3）地電暴引起的干擾變化形態(tài)以類似地震波形的大幅度尖銳脈沖突跳為主，變化幅度主要受磁暴大小決定，一般干擾時(shí)間較長，磁暴造成的影響一般不會(huì)降低地電場同方向長短極距的相關(guān)系數(shù)。

（4）雷電引起的干擾變化形態(tài)以典型的大幅畸變?yōu)橹鳎涓蓴_時(shí)間短暫，在日常觀測中，為了維護(hù)地電場儀器的正常運(yùn)行，免受雷擊影響，在強(qiáng)雷電期間，可以采取關(guān)閉儀器的措施來避免儀器受損。

（5）降雨引起的干擾變化形態(tài)以大幅下降為主，一般其持續(xù)過程及變化幅度與降雨量存在較大關(guān)系。

（6）人工源電法供電干擾在地電臺站中最常見的為地電阻率供電干擾，同一觀測場地中地電阻率供電引起的地電場數(shù)據(jù)干擾變化以有規(guī)律的脈沖突跳為主，一般間隔1 h左右出現(xiàn)1次，干擾持續(xù)時(shí)間受地電阻率觀測供電時(shí)間決定。

（7）路燈漏電引起的干擾變化形態(tài)以階躍型周期變化為主，其變化幅度主要與漏電產(chǎn)生的入地電流強(qiáng)度和土壤介質(zhì)導(dǎo)電性能有關(guān)。

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Observation data quality and typical interference analysis of geoelectric field in Tengchong center station

Fan Shaohui*， Shao Weiye， Xiong Jiawei， Zhang Shanyuan， Duan Shengchao

Yunnan Earthquake Agency， Yunnan Kunming 650051， China

[Abstract]" " "Based on the observation data collation， data quality and interference analysis of the geoelectric field of Tengchong center station from 2018 to 2022， it is considered that the geoelectric field data of Tengchong center station has good correlation with the long and short polar distances in the same direction without interference， with clear diurnal variation and high data reliability. The interference types can be roughly divided into two categories： natural environment interference and artificial interference. Among them， the interference of geoelectric storm， lightning and rainfall belongs to natural environment interference， and the interference of artificial power supply and site leakage belongs to artificial interference. The interference changes caused by geoelectric storm are mainly characterized by large amplitude sharp pulse jumps similar to earthquake waveforms. The interference changes caused by lightning are mainly characterized by typical large amplitude distortions. The interference changes caused by rainfall are mainly characterized by large decreases. The interference changes caused by ground resistivity power supply in the same observation site are mainly characterized by regular pulse jumps. The interference caused by street lamp leakage mainly exhibit a step-type periodic variation change. By analyzing the forms and physical mechanisms of changes in the geoelectric field caused by different types of interference sources， methods to solve the interference are proposed to improve the quality of geoelectric field observation and provide a basis for the effective identification of geoelectric field interference and earthquake prediction.

[Keywords] geoelectric field; interference types; physical mechanism; observation data quality