成都地震台地电场观测干扰因素分析

李雪浩，刘华姣，赵乃千，林 建，李贵元

(1.成都地震基准台，四川 成都 611730；2.康定地震中心站，四川 康定 626001)

地电场是重要的地球物理场之一，对于地电场进行观测是获得地震前兆观测数据，主要观测地电场的地表分量及其时空变化。根据不同的场源，地表地电场可以划分为大地电场和自然电场两大部分。其中大地电场是由地球外部的各种场源在地球表面感应产生的分布于整个地表或较大地域的电场，一般具有广域性。自然电场是地下介质由于各种物理、化学的作用在地表形成的较为稳定的电场，一般具有局部性(中国地震局，2001；中国地震局监测预报司，2002)。由于地电场本身容易受区域电磁环境等因素的影响，这对地电场观测环境条件提出了更高的要求。于是要求地电场数字化仪器要大幅提高了采样率与灵敏度，但是干扰因素也进入到观测系统中，数据曲线形态变化复杂多样，这给正确排除干扰、准确识别与地震孕育过程有关的地电场异常变化带来了很大的困难。成都地震台2014年更换了电极和测量线，通过对2014年之后的地电场观测数据进行系统的整理分析，我们总结了观测数据的日变形态特征，并对一些观测中常见的干扰因素和干扰特征进行了归纳，这有利于进一步提高观测资料质量，更好为震情跟踪和地震预报提供基础信息。

1 地电场观测简介

1.1 观测场地

成都地震台位于都江堰市与郫县交界的走石山，这里地处龙门山地震断裂带的前山断裂，从地质角度来看这里的地层是属白垩系砾岩经风化剥蚀后形成的，周围均为第四系冲积物所覆盖的农田。地电观测场地建设在第四系覆盖层和下伏岩石上。整个仪器系统观测区大部分为农田耕作土地，观测场地势开阔平坦。但是，随着经济建设的发展，台站周围已经有工业设施分布，存在工业游散电流的影响，同时“成青快铁”的运行以及地铁2号线西延线的运行，在一定程度上影响了地电场观测环境。

1.2 观测系统

地电场布极中心点距成都地震台中心大约300 m，仪器观测系统采用“三方向，多极距”的布局，考虑到场地具体情况，采用的是倒“L”型布局。从中心点向西和向南分别布设测线，每个测向均有两个测道，极距分长、短2段，中心点O1和O2点为共用电极，其中NS向长极距为296 m，短极距为196 m；EW向长极距为300 m，短极距为202 m；N45°W向长极距为420 m，短极距为282 m。室内分线组合成12个输入端进入仪器，形成6个测道，电极布设方式参见图1。观测系统中的仪器采用中国地震局地震预测研究所研发的ZD9A-Ⅱ型地电场仪，测量电极采用兰州地震研究所生产的LGB-2型固体非极化专用电极，电极埋设于地表下约2 m的潮湿土壤中,各电极位置处于同一平面上，外线路使用了专门定制的铜芯绝缘电缆线，采取悬空架设，抗拉强度高，绝缘电阻均大于500 MΩ。观测室内配备有专用的避雷接线装置，整个观测系统采用UPS不间断电源供电，以提高仪器系统运行的安全性。

图1 地电场布极示意

图2 成都地震台地电场静日变化(2014-1-23-25)

图3 地电场记录地电暴曲线(2015-3-17)

2 观测数据正常变化及地电暴影响

2.1 地电场正常日变形态特征

大地电场静日变化是由中低纬度上空电离层电流系产生的，变化具有确定的周期性。由于地电场观测对象是一个水平矢量，大小和方向是随时间变化的，且具有一定的日变规律(孙正江，1984)。从成都台地电场2014年1月23～25日连续3天地磁平静日的分析可以看出，地电场观测仪器在没有干扰的情况下可以清晰记录到地电场的正常日变,3个测向的日变形态稍有区别，但是整体的变化趋势是基本一致的，每天13时左右会出现低值状态，两侧各有一个极大值，EW测向在相位上略滞后于NS和N45°W测向。各测向的日变化幅度不大，日变化幅度一般在7 mV/km(参见图2)，且差异较小。

2.2 地电暴影响

磁暴作为一种剧烈的全球性扰动变化，是太阳活动旺盛时期，特别是在太阳黑子极大期时，太阳表面辐射出的带电粒子形成的电流冲击地球磁场而产生的一种电磁效应。地电暴则是指在磁暴期间记录到的地电场的剧烈变化(张振文，2010)。图3是2015年3月17日发生磁暴(最大地磁K指数等于7)时成都台地电场记录到地电暴发生的全过程变化曲线。由于地电暴与磁暴具有同源性，在时间域和频率域上都具有较好的同步性和相关性。从图3中可以看出，地电暴发生之前，电场日变化正常，地电暴发生之后，日变化被明显打乱，且6个测道数据曲线畸变时间同步，变化形态也基本一致，均表现为高频突跳脉冲，地电暴严重影响了正常日变形态，其变化幅度随着磁扰强度的增强而增大，磁扰活动结束后，地电场数据也随之恢复正常。

3 地电场观测干扰分析

3.1 地电阻率同场观测时产生干扰

成都台地电场观测与地电阻率为同场地观测项目。在地电仪进行观测时，仪器需向大地供电，这会产生一个人工电场叠加在原来的大地电场上，从而影响对于地电场的观测结果。图4为地电场观测受地电阻率观测影响后的数据变化曲线形态，图4中的高频脉冲皆为地电阻率观测时产生的干扰所致。对仪器进行时间调校之后，地电场仪器的采样时段，地电仪不供电，地电场记录的数据没有干扰，用此种方法可以排除地电阻率同场干扰情况的发生。

图4 地电阻率供电测数对地电场观测的影响

3.2 地铁运行时产生干扰

2013年6月开始，成都地铁2号线二期工程西延线(茶店子─犀浦)投入运营，其最近的犀浦站距成都台地电观测场地约26千米。在每日06时至23时40分地铁运营时段，地电场各测道观测数据同步出现明显的高频脉冲图像，呈现“毛刺”状，在地铁停运时段进行观测时则数据变化趋于正常(参见图5)，这些情况的发生说明可能是地铁运行过程中的对地漏电形成的一种典型干扰，干扰对地电场观测造成了影响，也给观测资料的应用和地震异常信息的识别造成了困难。

图5 地铁运行对地电场观测的影响

3.3 雷电干扰

大地电场是一个相对稳定且具有一定变化规律的电场，当发生外部电场变化干扰后会导致地电场观测数据曲线发生畸变。对流层中的雷电现象便是引起电场观测数据曲线畸变的因素之一，因为雷电发生会改变区域电场的分布。由于雷电通常距离观测场地较近，电压很高，在放电的瞬间会导致地电场观测数据变化幅度增大，而且持续时间也相对较长(林向东，2007)。图6为成都地震台2014年7月10日地电场观测数据曲线的变化形态，可以看出2014年7月10日3时52分，受雷电干扰时段的观测值明显偏离正常的变化，曲线形态发生急速畸变。雷电期间地电场变化特征是数据突变时间与雷电放电时间具有同步性，观测数据离散度较大，特别是在放电期间，数据变化形态呈现出典型畸变，就是说观测数据大幅突跳，突跳幅度达到正常值的数十倍乃至数百倍，严重时甚至会将地电场仪直接击坏，所以为了避免仪器系统的损坏，需要在雷电时段关闭仪器停测。

3.4 降雨、农田灌溉干扰

成都台整个地电观测区大部分为农田耕作区，地电场的观测电极均埋设于农田内，降雨，农田灌溉也会影响地电场观测数据的正常变化形态，引起数据变化的原因可能是灌溉水或降雨下渗到电极处，导致电极极化电位不一致，从而将在测量回路中产生一个附加的电极极化电位差引起数据变化，影响地电场观测(席继楼，2002)。从图7和图8中可以看出地电场变化与降雨、农田灌溉有着明显的相关性，通常观测数据会在短时间内出现大幅度的台阶或畸变，并且渗水量越多引起的台阶也越大。随着水分逐渐蒸发，农田逐渐干涸，观测数据曲线会逐步恢复到正常日变形态，这一过程一般需要持续数小时甚至数天。

图7 农田灌溉对地电场观测的影响

3.5 高压直流输电干扰

高压直流输电线干扰是近几年出现的一种新的干扰。在高压直流供电线正常输电时，电流是从两条架空线路通过的，电流方向相反，大小基本相等。只有很少的一部分不平衡电流(小于30 A)入地。但一旦出现故障后，就会出现很大的不平衡电流，对线路两侧的地震台站中地磁观测和电场观测造成干扰。成都地震台主要受±500 kV的宝鸡—德阳输电线(简称“宝德线”)的干扰，图9为2015年6月14日“宝德线”对地电场观测造成的影响，可以看出，其主要的干扰形态为方波型阶跃，干扰幅度取决于观测场地距离输电线路的远近，一般根据两者间的距离有关，变化率可达几十或上百mV/km。

图8 降雨对地电场观测的影响

图9 高压直流输电干扰对地电场观测的影响

4 讨论

总结了成都地震台地电场观测数据的日变化形态和特征，并对一些引起数据变化的干扰因素作了归纳整理，主要如下面的结果。(1)成都台地电场在没有干扰的情况下可以清晰的记录到地电场的正常日变，即每天中午13时左右会出现低值，两侧各有一个极大值，具有重现性，同时地电场也能真实的记录到地电暴的发生，6个测道的观测数据变化曲线畸变时间基本同步，且变化形态也基本一致。(2)地电场观测比较容易受到外界因素的干扰，地电阻率变化干扰主要为供电、地铁运行、雷电、降雨、农田灌溉和高压直流输电干扰等。干扰的种类相对较多，不同干扰源造成的地电场数据变化形态也不同，可分为台阶、方波型阶跃，高频脉冲、不规则大幅度突跳等。(3)结合地电场不同测道，不同形态的数据变化特征，可以识别一些典型的干扰并确认干扰源，以便进行有针对性的排除或采取一些抑制干扰的措施。同时，正确识别这些干扰变化也有助于地电场观测资料的使用，对提取有用的地震前兆异常信息有很大帮助。

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