地电场观测漏电干扰的排查一例

陈志刚，田 山，徐学恭，马朝晖，陈 嵩

（天津市地震局，天津 300201）

0 引言

徐庄子地震台始建于1969年，地质构造在黄骅坳陷中部，西邻沧东断裂，北为板桥凹陷，出露岩性为第四纪松散沉积层。新生代覆盖层厚度＞1 500m。台站位置为（38.2°N，117.7°E）。本区地震活动活跃，经历过1978年唐山7.8级、2006年文安5.1级等数次较大地震。该台的地电场从2007年5月正式观测以来，一直使用国家地震局地震预测研究所研制的ZD9A－II地电场仪。近年来，由于各地经济的调整和发展，使地电场信号容易受到观测区域周围工农业生产、生活用电设施等对地漏电产生的干扰，这种干扰信号叠加在正常的地电场变化中，很难利用数学方法进行抑制和消除，影响了观测资料的质量及其在地震监测中的应用效能。所以这种现象一经出现就必须尽快查找到干扰源的出处，并加以排除。本文介绍了徐庄子台地电场观测出现漏电干扰事件后，通过用观测资料中各方向的干扰幅度对干扰源进行定向分析，再到现场进行排查的方法。经验表明：该方法可大大减小排查干扰源的工作量，提高效率，缩短地电场观测资料受影响的时间。

1 思路和方法

徐庄子台地电场2009年10月30日起NS向、EW 向长短极距同步出现不规则方波状干扰变化，其出现的时间有早有晚，上升或下降后的持续时间有长有短，但每次上升或下降的幅度基本一致（图1），干扰结束后回到正常值。由每次干扰出现和结束的时间及形态特征可初步确定为外部干扰来源。干扰出现的时间是在每年冬季，春季天暖时即消失，所以可以确认干扰应该是供暖设备漏电造成的，所以在确定的方向调查供暖设备的使用情况是本次干扰排查的重点。

由于近年来在台站周围陆续建设了各种小型加工厂，其生产加工设施或采暖设备在使用中漏电均可对该台地电场的观测资料造成影响。所以应首先使用地电场矢量合成的方法确定干扰源的方位，才能尽快查出漏电设备。目前国内布设的地电场为多极距观测系统.利用多极距地电场观测来排除观测站附近噪音的方法，1982年始于希腊雅典大学“VAN”小组［1］，其观测资料为查找干扰源提供了便利条件。

徐庄子地电场布极方式为L 型，其中长极距（O1，B1）、（O1，A1）分别为400m，短极距（O2，B2）、（O2，A2）为200m，方式如图2所示。

由此，将同时观测两个方向的地电场分量进行矢量合成［2－4］（图3），即可确定干扰源的方位；而利用同一测向不同极距观测值的大小，可进一步确定干扰源的方向。

图1 徐庄子台的干扰变化

图2 徐庄子台地电场外线系统布极示意图

图3 地电场矢量示意图

一般情况下，选择两个正交的方向进行测量，例如，选择东向分量（Ex）和北向分量（Ey）作为观测对象（图3），然后计算其幅值｜E｜和东偏北角度α。

地电场强度E的矢量合成公式：

2 干扰源方向的确定

2.1 方向的计算

对干扰源方向的定向计算，源于地电场观测方法的原理，即电场矢量合成的方法。利用软件（MAPSIS）提取同一干扰事件各个测向不同极距上的干扰幅度值，通过三角函数计算得到干扰源入射地电场布极中心点的角度，从而确定干扰源的方位角。

为了研究方便，我们选取了2010年11月16日的电场数据进行深入的研究。经过GIS软件处理，我们提取2010年11月16日17点19分NS测向L／S记录到的干扰事件（图4）。

图4 NS测向L／S（2010年11月16日17时19分）干扰事件

采用上述方法，计算其他测向的干扰幅度，并随机选取了11月中其他4天的干扰事件，一并进行统计，把NS和EW 测向的干扰数据代入公式（2）计算，分别得到由长极距记录的干扰所确认的方位角αL，由短极距记录的干扰所确认的方位角αs，并计算αL和αs的平均值αLs，最后计算这5 天αLs的平均值，得到α＝43°。计算统计结果如表1所示。

表1 台站仪器干扰幅度及方位角统计

2.2 方位的确定方法

来自近场信号源的信息到达测点时，由于电位V 与距离r存在着V∝（1／r）的关系，即各点的电位与该点距信号源的距离成反比，所以各点的电位相差就较明显，故长电极距观测到的电场强度与短电极距观测到的电场强度会相差很大，在观测曲线形态和强度上会表现出较大的差别［5］。当地电场的场源距观测点足够远时，在各向同性的均匀连续介质中，同一方向的长短极距观测到的地电场的强度应该十分接近［6］。由（表1）中NS和EW 长短极距统计的干扰幅度，可以判断出干扰源来自近场。

根据公式（1），计算 出11月16日17时19分干扰量合成后的电场强度，分别为EL＝3.33（mV／km），ES＝4.21（mV／km）。根据电场的性质，电场强度恒指向电势衰落的方向，因为干扰电场强度EL＜ES，所以可以确认干扰源是在EL和ES连线的延长线上，并从ES指向EL，从而可以判断出干扰源应处于台站北东方向上，并与地电场电极系统大约成43°的某个位置。如（图5）所示：

图5 徐庄子干扰源方位示意图

图中RS表示公共电极O 点到短极距测点处的距离，RL表示公共电极O 点到长极距测点处的距离。

为了确定图5中干扰源到公共电极O 点处的距离R，把干扰源看作电极系外一定距离处，半无限空间，各向同性，电阻率为ρ的一个点电源，建立点电源计算模型进行求解。点电源电场强度的表达式［7］：

式中：I表示漏电电流，ρ表示研究区域的电阻率，x表示点电源到测点处的距离，由公式（3）可以看出，电场强度E是一个随y（x）＝x－2变化的幂函数，其大小和距离的平方成反比。

求解距离R的算法，依据沃特森－瓦特测向原理［8］，采用同一干扰事件中合成的电场强度EL和ES，利用公式（3）建立一组二元二次方程组，进行距离求解。以11月16日7时19分干扰事件说明求解过程，建立方程组如下：

其中：

以上方程组中，S表示短极距的长度，L表示长极距的长度，a表示方位角。把EL＝3.33mV／km，ES＝4.21（mV／km），L＝0.4km，S＝0.2km，a＝41°代入公式（4）和（5）组成的方程组求解R，得到一组结果R＝（1.89，－0.40）km，在此负数没有物理意义，所以计算结果取R＝1.89km。按照同样方法，计算其他4天干扰事件，计算统计结果如表2所示：

表2 台站干扰场强合成量及距离R 统计

3 干扰源排查

根据以上分析结果，作者沿N43°E方位角，以公共电极O点为起点，半径2.1km，进行了排查。经过对在此范围内的数个工厂、高速公路收费站（大港服务区）、两个村庄（徐庄子，小苏庄）一一仔细排查，发现在距台站500m 的徐庄子南，徐庄子小学（已废弃）有一个木材加工厂，是唯一用电力设备取暖的地方，其他排查的地方都是煤火供暖。干扰事件出现的时段内，木材厂经常开启大型电力设备取暖（木材加工不能见明火，所以不能生煤炭炉子取暖）。经过对比木材厂开关供暖设备的时间和台站干扰事件出现时间，发现其具有很好的同步性，所以确定木材加工厂电器供暖设备漏电就是干扰源（图6）。

图6 地电场观测系统与干扰源的位置

2011年台站协助厂方对用电设备做了防漏电处理后，至目前此类地电场观测干扰未再出现。排除漏电干扰后的地电场数据曲线如图7所示（以L极距为例）：

图7 干扰排除后的电场数据曲线

4 结论

（1）对比理论计算结果和实际干扰源的位置，可以发现两者十分接近，距离R有偏差，原因为求解距离R时，利用的点电源模型，电场强度公式是建立在场地介质均匀，各向同性，电阻率ρ是一个常量的基础上的，而实际场地并非如此，实际的电阻率也非常量，是随着场地湿度、温度或其它参数而改变，并且小于ρ，所以理论计算的距离R比实际距离要大，在实际排查时候可把距离R作为排查的最大边界。

（2）通过以上对徐庄子地电场漏电干扰的研究，利用地电场观测的原理，确认干扰源的方向；依据沃特森－瓦特测向原理，利用点电源模型建立方程组求解干扰源的距离，在台站实际工作中，可以大大减小排查此类干扰源的工作量，提高效率，缩短地电场观测资料受影响的时间。

［1］ 田山，王建国，徐学恭，等.大地电场观测地震前兆异常提取技术研究［J］.地震学报，2009，31（4）.424－431.

［2］ 钱家栋，林云芳.地震电磁观测技术［M］.北京：地震出版社，1995.

［3］ 高玉芬，钱家栋.地震及前兆数字观测技术规范（电磁观测）［M］.北京：地震出版社，2001.

［4］ 席继楼，赵家骝，王燕琼，等.地电场观测技术研究［J］.地震，2002.22（2）：67－73.

［5］ 张秀霞，殷翔，郭建芳，等.江苏地区地电场变化特征与差异性分析［J］.华北地震科学，2011，（1）：24－29.

［6］ 郭建芳，周剑青，佟鑫，等.地电场观测中的干扰分析［J］.华北地震科学，2011，29（4）：38－43.

［7］ IEC 60050 121出版物，电磁学［S］.

［8］ Ferr6，P.A.，Rudolph，D.L.，Kaehanoski，R.G..Spatial averaging ofwater content by time domain reflectometry：hnplications for twinrod probes with and without dielectric coatings.Water ResourRes.1996，32：271－279.