嘉山地震台大地电场观测异常干扰研究＊

张伟峰 潘 洁 赵桂宝 宋国华 吴 辉 李露露 肖 攀 宋 驰

（安徽省地震局蚌埠地震台，安徽蚌埠233000）

嘉山地震台大地电场观测异常干扰研究＊

张伟峰 潘 洁 赵桂宝 宋国华 吴 辉 李露露 肖 攀 宋 驰

（安徽省地震局蚌埠地震台，安徽蚌埠233000）

摘 要地电场观测是地震电磁前兆观测方法之一，由于其观测物理量所受到的干扰因素较多，因此通过对嘉山地震台大地电场观测中常出现的地电阻率同场观测干扰、雷电干扰、降雨影响、电极极化、磁暴干扰等5种干扰和典型变化形态进行识别分析，可有效剔除干扰，从而为提取地震前兆信息，分析和运用地电场资料进行地震预报提供可靠依据，也为观测场地大致相同的其他台站提供参考。

关键词嘉山地震台；大地电场；干扰类型；变化特征

引言

大地电场观测作为地震前兆监测的重要手段，客观上受到电暴（磁暴）、人类活动、雷电、降水、观测系统本身变化（包括更换电极）、电阻率测量、公用接地网等因素干扰，为地震前兆信息的识别带来困难[1]。通过对嘉山地震台大地电场典型时段数据的处理和分析，认识无震时大地电场参数的变化特征，有效剔除干扰，从而为提取地震前兆信息，分析和运用地电场资料进行地震预报提供可靠依据。

1　嘉山地震台观测环境及观测仪器

嘉山地震台位于淮阳台隆的张公岭台与金湖凹陷之间，属下扬子地块，是郯庐断裂带东侧离断裂带最近的地震台之一。印支燕山期，该区受西侧郯庐断裂影响，有强烈变形，新生代该区仍表现上升，台基岩性为玄武岩[2]。大地电场观测仪器采用中国地震局分析预报中心研制的ZD9A-Ⅱ数字化地电场仪，采样率为1次/min。布极区内地形开阔、平坦，地下水位变化较小，无铁、磁管线等物体，无工业游散电流和其他电磁信号的干扰源。布极区及其附近无较大的河流、水渠和大面积水坑等。在布极区布设了NS、EW、N45°W 3个方向的测线，采用长、短两种极距，其长极距为240m，短极距为160m（图1）。于2007年1月1日正式投入观测。

图1　嘉山地震台大地电场布极图

2　正常地电场的变化规律及特征

地球表面存在着天然变化的电场和稳定的电场。变化电场主要是地球外部各种电流体系在地球内部感应产生的，它们分布于整个地球表面或广大地区，一般具有较小的梯度；而稳定电场主要是由矿体、地下水和各种水系产生的，分布于局部地区，一般具有较大的梯度[3]。变化电场的频谱范围很广，在地震监测中一般利用地电场的日变化来研究它与地震的关系。本文仅讨论地电场的日变化，嘉山地震台正常的日变化规律见图2。电场日变化比较清楚，每天1个周期，具有双峰双谷，日常大地电场观测本身容易受区域电磁环境以及气候等因素干扰，随着数字化仪器灵敏度和采样率的提高，数据中夹杂的各类信息随之增多，诸如雷电、降雨、直流供电干扰、气温（或季节）变化、震前异常信号（简称SES信号）等都有可能被记录到。本文对嘉山地震台在日常工作中遇到的各种干扰做了初步分析。

图2　嘉山地震台大地电场日变化图

3　震前嘉山地震台大地电场曲线图

2014年7月25日合肥市肥东县发生了MS3.2地震，距离嘉山地震台约110km，经分析，肥东地震前，21～24日嘉山地震台东西长极距和东西短极距均出现了较为显著的异常，该时段东西向数据曲线双向快速变化异常（图3），24日10～16时台站周围出现大的降雨，降雨量达到49mm，数据发生突跳，25日00时数据出现最大范围的突跳，00时48分，肥东发生MS3.2地震。该大幅度双向快速变化的地电场异常前兆信号，表明此时测区内连续出现来自震源区产生的不

稳定的电流场的变化。

图3　嘉山地震台大地电场2014年7月肥东震前曲线变化图

4　典型干扰与观测问题特征及原因分析

嘉山地震台地电场的观测干扰可以大体分为：①地电阻率同场观测干扰；②雷电干扰；③降雨影响；④电极极化；⑤磁暴干扰等情况。在地震前兆分析过程中，对干扰的排除是非常重要的。本文对观测中出现的这些干扰情况做了详细分析。

图4　嘉山地震台大地电场与地电阻率同场干扰图

4.1地电阻率同场观测干扰

对于地电场和地电阻率同场观测的地震综合观测台站，地电场仪器必定会观测到地电阻率观测中产生的人工电场，而使地电场观测结果受到严重影响。地电阻率观测时需向大地供电，电流一般达2A，产生人工电场，叠加在大地电场上，对大地电场产生圈套干扰。目前嘉山地震台的地电阻率观测是1次/h，在地电场观测的采样率是1次/min时，可以通过硬件连接，使两种仪器的观测分时进行，在地电场观测开始时，电阻率观测人工供电暂停，以达到避免干扰的目的。

地电阻率观测供电时对地电场产生的干扰，其日变幅度达24mV/km以上，而去除干扰后同日的地电场数据的日变化幅度为2mV/km左右，干扰幅度为正常日变化幅度的12倍。地电阻率同场观测产生的干扰，会降低地电场的相关系数，如2014年9月12日，因地电阻率同场观测干扰，地电场NS、EW、NW向相关系数分别为0.860、0.861、0.880；而去除干扰后，地电场NS、EW、NW向的相关系数分别为0.917、0.887、

0.888（图4）。

4.2雷电干扰

雷电属于一种场电物理变化现象。它的各种放电形式、量度取决于雷暴云电场。大气电场与地电场有对立统一性，既相互独立、又相互影响，并形成一种场电变化体系。地电场是一个相对稳定的、有一定自身变化规律的静态电场，与大气电场中雷暴云电场相比，梯度要小得多，因为地球表面的电导率远远大于空气的电导率。地球表面还是一个非均匀各向异性的无限大的导体表面，在这个导体表面上各种不同的土壤电导率决定着地电场及地物尖端放电的击穿强弱程度。在外部场电变化的干扰下，两种或以上的土壤电导率界面就形成带电离子和自由离子的积累，并构成形式各异的尖端放电场强，从而引起电场的畸变现象[4]。从图5可以看出，08：00～16：00观测值明显偏离正常变化，6个测道的变化幅度达到72～108mV/km，干扰幅度约为正常日变化幅度的45倍。其表现特征为：观测数据离散度较大，特别是在放电瞬间，引起数据变化幅度较大，有尖锐的脉冲形状，致使电场发生畸变现象。

图5　嘉山地震台大地电场受雷电干扰图

4.3降雨影响

2014年7月24日台站周围出现了一次降雨，影响表现为6个测道数据畸变比较密集、频次更高，缓急程度不同的降雨造成的数据离散程度并非完全一致。中等以上降雨主要表现为数据丛簇出现，并伴有高频的非极性相同的离散型数据。根据嘉山地震台观测日志统计，6个测道的变化为30～90mV/km，

每逢大雨期间，各测向相关系数均由正常的0.9左右降至0.7左右，甚至更低。降雨对测区环境的影响属局部自然电场发生变化导致地表电性结构发生的改变，一般在1～2天左右恢复正常日变形态。

图6　嘉山地震台大地电场受降雨影响图

4.4电极极化

测量电极用于拾取观测场地上的地电场信号，是地电场观测系统中的关键部件。当测量电极出现故障、老化等问题以后，大地电场分钟值观测曲线出现台阶或者出现拐点变化。从图7可以看出：在14时南北长、东西长、北东短、南北短测道观测数据急剧变化，曲线形态呈大幅度下降状态，在12时东西短、北东短测道观测数据也是急剧变化，曲线形态呈大幅度上升状态，变化形态与灌溉渗水干扰比较类似，但是，更换电极时数据变化幅度比其要大，嘉山地震台南北向干扰幅度约为正常日变化幅度的100倍，东西向干扰幅度约为正常日变化幅度的200倍，北东向干扰幅度约为正常日变化幅度的400倍，而且恢复到正常趋势变化也较灌溉迟缓，这是因为埋电极需要与其周围介质充分接触，极化电位需要一个稳定的过程[5]。这可能与电极自身、电极坑内土壤的结合以及自身极化调整的过程有关。

4.5磁暴干扰

全球性的强烈地磁场扰动，即磁暴的出现会使电磁场产生剧烈扰动。磁暴开始急，发展快，恢复慢，一般持续2～3天后恢复平静。磁暴对大地电场的影响较突出，会使地电场数据突跳。电场变化与磁暴同步，同一方向长、短极距的变化不但时间同步且形态也基本一致[6]。受磁暴影响，嘉山地震台各测向变化幅度可达到正常日变幅度的10倍

以上，在一定区域内对地电场同方向长短极距的影响是同步的（图8），故在大磁暴发生期间，地电场各测向的相关系数一般不会受到影响。

图7　嘉山地震台大地电场受电极极化影响图

图8　嘉山地震台大地电场受磁暴干扰图

5　结束语

对嘉山地震台大地电场异常干扰进行了分析，总结了影响大地电场观测数据的一些因素，为观测场地大致相同的其他台站提供参考依据，这有助于我们今后对电场资料的各种干扰进行识别，找到影响电场观测资料的各种干扰源，对正确判断数据、提取有用的地震前兆电场信息有很大帮助，对进一步运用分析资料具有重要意义。

（作者电子信箱，张伟峰：zhangweifeng116@ 163.com）

参考文献

[1]张彩艳，赵洁，雷功明，等.甘肃嘉峪关地震台大地电场观测数据干扰分析.山西地震，2011（4）：25-28

[2]程鑫，何康，赵桂宝，等.嘉山台地电阻率各类变化的判定与分析.防灾科技学院学报，2011，13（4）：30-34

[3]林向东，徐平，鲁跃，等.地电场观测中的几种干扰.华北地震科学，2007，25（1）：16-22

[4]史红军.地电场观测过程中的干扰因素分析.东北地震研究，2009，25（2）：51-57

[5]郭建芳，周剑青，佟鑫，等.地电场观测中的干扰分析.华北地震科学，2011，29（4）：38-43，48

[6]冯英，徐衔刚，赖爱京，等.乌什地震台ZD9A-Ⅱ大地电场仪资料干扰初步分析.内陆地震，2010，24 （1）：91-96

Study on the abnormal interference of Jiashan seismic geoelectric field

Zhang Weifeng，Pan Jie，Zhao Guibao，Song Guohua，Wu Hui，Li Lulu，Xiao Pan，Song Chi

（Bengbu Seismic Station，Earthquake Administration of Anhui Province，Anhui Bengbu 233000，China）

AbstractGeoelectric field observation is one of the earthquake electromagnetic precursory observation methods.Due to the reasons for the observed variables，interference factors are more.In this paper，five kinds of interference and its typical changes，such as the interference encountered in the same field observation，lightning interference，rainfall，electrode polarization interference，storm disturbance are analyzed and recognized in Jiashan seismic geoelectric field observation.The interference are effectively eliminated so as to extract the information of earthquake precursors.The methods and analysis in this paper provide a reliable basis for the analysis and usage of the electric field data in the possible earthquake prediction，and also provides the reference for the stations with similar observation.

KeywordsJiashan seismic station；earth′electric field；interference type；change characteristics

收稿日期：＊2014-10-14；修回日期：2014-10-30。

中图分类号：P315.72＋2；

文献标识码：A； doi：10.3969/j.issn.0235-4975.2015.05.006