山东地区地电场观测干扰调研分析

池国民，赵银刚，董晓娜，闫德桥，闫万晓，郑家军

(1.山东省地震局安丘地震台，山东安丘　262100; 2.山东省地震局，山东济南　250014;3.山东省地震局马陵山地震台，山东郯城　276114)



山东地区地电场观测干扰调研分析

池国民1，赵银刚1，董晓娜2，闫德桥1，闫万晓3，郑家军1

(1.山东省地震局安丘地震台，山东安丘262100; 2.山东省地震局，山东济南250014;3.山东省地震局马陵山地震台，山东郯城276114)

摘要：介绍山东地区地电场观测的基本情况，选取2007～2015年的观测数据，对地电场观测干扰进行调研分析。结果表明，日常观测中主要受到电极老化、外线路接触不良、雷电、降雨、高压直流输电、与地电阻率同台观测、游散电流等干扰。针对各类干扰机理提出应对措施，为地电场观测识别干扰及应对提供参考依据。

关键词：地电场；干扰；应对措施；山东地区

0引言

地电场是重要的地球物理场之一，根据场源不同可将其分为由地球外部场源作用于地球表面感应产生的大地电场和由地下场源产生的自然电场。在孕震过程中，地壳介质的变化会导致其电性发生变化，进而引起大地电场的强度及时空发生改变。因此，地电场观测对于预测地震发生，特别是短临地震的预测，具有十分重要的意义，已成为地震前兆观测的重要手段之一。

近十几年来，电极技术不断发展完善，为地电场观测提供了有利条件。目前，国内地电场观测的长短极距多为东西向和南北向400 m及200 m布设[1]。该观测系统覆盖面积较大，容易受到外界环境的影响，干扰因素也比较多。本文对山东地区地电场观测干扰进行调研分析，对各类干扰机理进行了分析总结并对各类干扰的应对防范措施做简要介绍。

1基本情况

“九五”及“十五”项目完成后，山东地区陆续建立7个地电场观测台站，分别是安丘台、马陵山台、陵阳台、大山台、菏泽台、乳山台、邹城台。其

中安丘台、马陵山台、陵阳台3个台站沿沂沭断裂带布设，大山台地处埕宁隆起，菏泽台紧邻聊考断裂带，乳山台地处牟平—乳山断裂带附近，邹城台地处尼山—峄山断裂带之间。

山东地区地电场台站的观测仪器均使用中国地震局分析预报中心研制的ZD9A-Ⅱ数字化地电场仪，数据产出为1次/分钟，该地电场仪具有分辨率高、动态范围大、良好抗干扰能力和较高可靠性等优点。产出的资料每天上报山东省地震局监测预报中心。

各台站均采用多方向、多极距观测方法，即：在2个以上的方向上进行观测，每个测向至少布设2个以上的测道。该方法能准确判定数据的可靠性，识别电极老化、降雨、场地环境影响及附近电磁干扰，容易发现和排除测量装置系统中出现的问题。各台站观测系统均采用双“L型”布极方式，电极采用Pb-PbCl2固体不极化电极。外线路采用架空方式敷设，测量线加装避雷装置后与测量仪器连接，测量线与电极引线在开关盒内用闸刀开关连接，方便线路绝缘性检查并做好防水处理。各地电场台站的基本信息如表1所示，布极类型如图1所示。

表1　　　　　　山东地区地电场观测台站基本信息

2山东地区地电场变化特征

地电场的变化包括天然外空场源产生的区域性或广域性变化(即大地电场变化)，地下场源产生的局部或地域变化(即自然电场变化)，以及其他环境和人为因素产生非天然变化(即干扰变化)等[2]。此节主要研究分析山东地区地电场观测到的广域性或区域性同步变化特征。

2.1地电场的正常日变化

山东地区大部分台站的地电场曲线形态属于“峰—谷”型，即数据曲线呈现出比较规则的波峰、波谷形态。“峰—谷”型地电场主要起源于潮汐现象，所以又称为潮汐地电场[3]。图2a为安丘台地电场正常日变化曲线，可以看出，数据曲线每日早晚相对平静呈近直线状，午时前后约6小时呈近似正弦形态，全天近正弦波间断出现，可见明显的正弦曲线。

2.2磁暴期间记录到的地电场区域同步变化

太阳活动的粒子流辐射是以太阳风形式影响地球，它是突然发生的，经常引起磁暴等。磁暴的出现会使电磁场产生剧烈扰动[4]。磁暴期间，地电场会记录到频率较高、且幅度较大的扰动变化，一般称之为“地电暴”。图2b为2012年3月7日-8日山东地区7个地电场台站记录到的磁暴事件，最大K指数为6。可以看出，磁暴发生时，各地电台站数据变化时间同步且变化形态基本一致，反映了其广域性的变化特征。

上述地电场的正常变化是地电场观测资料分析的基础，地震地电场前兆是与正常变化叠加在一起的。加强对地电场正常变化的认识和分析，有助于提取与地震有关的异常信息。

3干扰调研分析及应对措施

3.1观测系统变化干扰

3.1.1电极老化

不极化电极最突出问题就是使用寿命短，长则1～2年，短则不超过半年。地电场观测若出现电极老化，会导致观测到的地电场电位差不稳定，观测数据相关性变低。图3a为陵阳台2010年11月更换电极前后地电场数据曲线，可以看出，更换电极前，曲线出现随机大幅跳变、无规则台阶，无法显示地电场正常的日变化形态。导致这种现象的原因是由于土壤离子的电位通过电极内部的电解质传递给金属导线，土壤离子与电解质、电解质与金属之间的接触容易产生极化电位，当电解质发生改变时，会造成极化电位的不稳定变化，这种不稳定变化与正常地电场信号叠加在一起，造成观测数据的随机变化。更换铅电极后，曲线平滑稳定，日变形态清晰。电极老化对观测资料造成严重影响，出现此情况需立即更换新电极，建议在未研制出更好的不极化电极前，可使用稳定程度更好一些的铅电极。2010年，陵阳、大山、菏泽3个台站更换了铅电极，数据相关性随之大幅提高，相关系数大于0.95，数据质量保持在较高的水准。

图1　地电场布极图

电极老化是影响地电场观测的重要原因，干扰变化特征是：地电场各测向长短极距的相关性降低，数据曲线易出现突跳、台阶、漂移等不稳定现象。该类干扰较容易判断，更换新电极后，地电场观测资料恢复正常。

3.1.2外线路接触不良

山东地区地电场观测外线路采用7×φ1 mm铜芯乙烯外套线，线路布设采用架空，测量线与电极引线用闸刀连接，虽外罩定制铁盒并做防水处理，但是常年在野外受风吹日晒雨淋影响，连接处容易氧化导致接触不良。

陵阳地震台曾多次记录到与线路接触不良有关的异常变化。2013年7月2日，地电场数据出现干扰信号，如图3b，干扰信号只出现在南北、东西测向，北东测向正常。干扰连续多日出现，经过巡视场地和线路检查，排除测区环境变化、线路故障等原因。对闸刀处进行擦拭维护后数据恢复正常。地电场日常观测中要定期检查外线路，保证室外开关接触到位，查看接头是否氧化、接触点是否牢靠等。

线路接触不良造成的干扰信号一般出现在某2个测向且具有一定的规则性，一般对线路进行维护后数据可恢复正常。

3.2自然因素干扰

3.2.1雷电干扰

大地电场是一个相对稳定、有一定自身变化规律的静态电场，在外部场电变化的干扰下，会引起地电场发生畸变。一般情况下地电场的高频变化的场源是对流层中的雷电[5]，主要是雷电改变了区域电场分布环境，特别是在出现雷雨天气的情况下，雷电通常离的较近，在放电的瞬间，引起数据变化幅度也较大，可达正常时的数倍，持续时间也较长[6]。

图2　地电场正常变化

图4a为2010年4月22日邹城台地电场记录到的雷电干扰。可以看出，雷电干扰变化特征为：观测数据呈离散性变化，特别是在放电瞬间，因强电流干扰，数据呈现出典型的畸变，变幅可达几百(甚至上千)，为正常值的几倍甚至几十倍，严重时可能将仪器直接击坏。

为防御雷击，可在室电输入端增加一级防雷模块，在机柜进线处安装二级避雷器，以增加防雷效果。进入雷雨季节时，要时刻注意天气变化。发生雷电时，要及时将地震前兆仪器交流电源切换成UPS供电，雷电过后要及时检查避雷器。

3.2.2降雨干扰

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[7]。2015年7月30日傍晚，安丘台地电场测区范围内突降急雨，40分钟左右降水30 mm，地电场数据出现较大变化，变化时间与降雨时间吻合，判定该变化为降雨所致。安丘台地电场电极埋深2 m，当降雨出现时，降水下渗到电极处，导致电极极化电位改变。由于极化电位不一致，将在测量回路中产生一个附加的电极极化电位差，从而干扰地电场观测，造成数据变化。可以看出，地电场数据在短时间内出现大幅突跳震荡变化。随着水分的蒸发，观测曲线会逐步恢复到正常日变形态。调研中还发现，山东地区地电场观测电极大都在老百姓的庄稼地中，春夏两季农田灌溉容易影响地电场资料。农田灌溉对地电观测干扰与降雨类似，笔者在下节场地环境改变干扰中不再举例说明。

不极化电极、铅电极若埋深较浅(一般为地下2 m左右)，受降雨、农田灌溉等影响较大，而深埋电极可以有效避免此类干扰，将电极埋置在地电场台站常年地表水位以下，可保持电极所处的物理环境基本不变，从而获得真实可靠的数据资料。

3.3场地环境改变干扰

3.3.1高压直流输电干扰

高压直流输电是近年来地震地电场观测中出现的一种新的干扰异常。宁东—山东±660千伏直流输电示范工程是世界第一个±660千伏电压等级的直流输电工程。起点在宁夏银川市灵武，终点在山东青岛[8]。输电距离长达1 335 km，经过宁夏、陕西、山西、河北和山东等5省(区)43个县(市)。直流供电线路的布线方式为一来一去的双向线，正常工作时，电流基本从2条架空线路经过，电流方向相反，大小基本相等[9]，

只有很少

图3　观测系统变化干扰

一部分不平衡电流入地(小于30 A)。一旦出现故障，可能出现很大的不平衡电流，回路电流基本上从地下通过，可能出现单向供电情况[10]，此时，线路上的不平衡电流将产生很大的附加电场，对线路两侧台站地电场观测造成很大影响。

受宁东—山东±660千伏直流输电影响，2011年3月25日00时00分至2时10分的时间段内，山东地区安丘、马陵山、大山、陵阳、乳山地电场出现1组明显的台阶式同步上升(或下降)变化(图5a)，它们变化时间同步，变化形态一致。其中，南北测向长极距数据最大变化幅度约为安丘65.0 mV/km、马陵山24.2 mV/km、大山1.1 mV/km、陵阳75.2 mV/km、乳山39.6 mV/km。可以发现：干扰变化幅度的大小基本与台站到换流站的距离远近有关，但也有例外，这可能与各台站地电观测系统的差异、极区地质构造、地形和土壤分层等方面的不同有关。表2是2014年8月1～10日安丘台地电场南北向长极距受宁东高压直流输电影响的统计分析结果。可以看到，安丘台南北向长极距地电场台阶式变化幅度在1 mV/km～10 mV/km，在相邻的2次变化中，上升和下降的变化幅度大致相等。

针对高压直流输电干扰，地震台站及上级主管部门可与电力部门沟通协调，尽量避免单向供电情况的出现，最大可能地减少高压直流输电对地电场观测的干扰。

图4　自然因素干扰

表2　　　　　　　2014年8月1～10日安丘台地电场观测受高压直流输电影响统计

3.3.2与地电阻率同台观测的干扰

地电阻率观测需要对电极进行人工供电，从而在观测场地瞬时建立起较大的人工电场，若地电场与地电阻率在同一场地内观测，则人工电场与地电叠加从而产生突跳变化。山东地区目前有马陵山、菏泽2个台站地电场与地电阻率同台观测。

图5b为菏泽台2012年6月20日受地电仪(ZD8BI)供电干扰时大地电场数据曲线，图中东西测向长短极距形成的尖峰皆为地电阻率观测时供电干扰所致，尖峰都是在整点之后14分钟出现，此类干扰是由于地电场仪屏蔽地电仪干扰的补偿电位门限值设置不当而产生，调整门限电位后干扰消除。

图5　场地环境改变干扰

3.3.3游散电流干扰

地电场观测对环境的要求较高，测区内环境变化常常会引起观测数据的变化，测区内如果有游散电流出现，会导致局部自然电场发生改变，造成观测数据强烈扰动。

图5c为邹城台2014年10月10日地电场长极距三测向观测曲线，可以看出，观测数据有类似“台阶”的扰动变化，造成上述数据变化的原因是电极附近大型机械设备不定时作业。作业时，大功率柴油机为设备供电，并且接有地线，当发电机启动工作时，会有部分游散电流流入大地，引起土壤介质中带电离子的电位发生变化，从而造成地电场观测数据的突变。

4结论

由于地电场观测比较容易受到外界环境的影响，干扰因素也比较多，对于不同的干扰应该有不同的识别方法和应对措施。现将山东地区地电场观测典型干扰及应对措施总结如下：

(1)观测系统变化干扰主要有电极老化和外线路接触不良。电极老化造成电场电压不稳定，曲线出现随机大幅跳变、无规则台阶，形态产生漂移，无法显示地电场正常的日变化形态，对资料造成严重干扰。出现此类情况应立即更换电极，在未研制出更好的不极化电极前，最好采用稳定程度更好一些的铅电极。线路接触不良造成的干扰信号一般出现在某2个测向且具有一定的规则性，比较容易判定。通常对线路进行维护后数据可恢复正常，日常观测中要定期检查外线路，查看接头是否氧化、接触点是否牢靠等。

(2)自然因素干扰有雷电、降雨等。雷电干扰主要导致数据畸变和仪器故障。可加装防雷设备增加防雷效果，发生雷电时，要及时切换成UPS供电。雷电过后要及时检查避雷器。降雨干扰使观测数据短时间内出现大幅突跳震荡变化。深埋电极技术可有效避免降雨、农田灌溉此类干扰，将电极埋置在地电场台站常年地表水位以下，可保持电极所处的物理环境基本不变，从而获得真实可靠的数据资料。

(3)场地环境改变常常会引起观测数据发生变化。高压直流输电干扰通常以“台阶”的形态出现，干扰变化幅度的大小基本与台站到换流站的距离远近有关，同一台站相邻2次变化，上升和下降幅度大致相等。地震台站及上级部门要加强与电力部门的沟通协调，尽量避免单极供电情况的出现，最大可能的减少高压直流输电干扰。地电阻率观测供电干扰目前已有相应的技术处理来排除，调整门限电位即可排除此类干扰。测区内如果有游散电流，会导致局部自然电场发生改变，造成观测数据强烈扰动。

地震台站在搞好前兆观测的同时，要加大宣传力度，让公众了解地震台站的地位和作用。要充分利用法律武器，依法保护地震监测设施和地震观测环境，维护地震台站权益。本文对山东地区地电场观测干扰进行了调研分析并提出应对措施，这对地电台站识别干扰及应对有一定的参考意义。

参考文献：

[1]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.

[2]史红军，席继楼.吉林地区地电场变化特征分析研究[J].地震，2011，31(4)：125-132.

[3]谭大诚，赵家骝，席继楼，等.潮汐地电场特征及机理研究[J].地球物理学报，2010，53(2)：544-555.

[4]冯忠孝，陈英方，蒋伯琴.中国地区地磁场日变形态分析[J].地震地磁观测与研究，1992,13(6):37-44.

[5]刘运生，毛春长.地球物理学简明教程[M].北京：地震出版社，1996:153.

[6]林向东，徐平，鲁跃，等.地电场观测中几种常见干扰[J].华北地震科学，2007,25(1)：16-22.

[7]郭建芳,周建青,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.

[8]王向阳,王洪峰,黄春玲.等.高压直流输电对磁电场观测的影响[J].山西地震,2013(3):18-22.

[9]龚大为，俞敦耀.三峡至常州±500 kV高压直流输电工程简介[J].中国电力，2000(2):42-44.

[10]沈红会，周加新，张秀霞，等.直流输电对江苏地磁观测的影响分析[J].地震地磁观测与研究，2005,26(5)：65-70.

ANALYSIS ON OBSERVATION INTERFERENCE OF GEO-ELECTRIC FIELD IN SHANDONG REGION

CHI Guomin1,ZHAO Yingang1,DONG Xiaona2,YAN Deqiao1,YAN Wanxiao3,ZHENG Jiajun1

(1.Anqiu Seismic Station,Earthquake Administration Of Shandong Province,Anqiu 262100,China;2.Earthquake Administration Of Shandong Province,Jinan 250014,Shandong,China;3.Malingshan Seismic Station,Earthquake Administration Of Shandong Province,Tancheng 276114,China)

Abstract:The general situation of geo-electric field observation in Shandong region is introduced,the observation date recorded from 2007 to 2015 are selected and analyzed.The results show that daily observations interferences mainly include electrode aging,bad contact of outside line,lightning,rainfall,high voltage direct current transmission,simultaneous observation with earth resistivity and stray electric current.According to different interference mechanism,the countermeasures are put forward in the paper in oreder to provide reference basis for geo-electric field observation.

Key words:Geo-electric field;Interference;Countermeasure;Shandong region

收稿日期：2015-11-02

基金项目：山东省地震局合同制项目(编号：15Y34)资助。

作者简介：池国民(1987—)，男，山东诸城人，助理工程师，工学学士学位，主要从事电磁前兆观测和大地水准测量工作。

中图分类号：P315.72+2

文献标识码：A

文章编号：1005-586X(2016)02-0062-08