地电场架设中需注意的问题及故障判断

孟凡博，高慧慧

大地电场是重要的地球物理场之一。地电场监测手段主要通过观测地表电场强度及其时空变化特征，为地球物理场、地震监测预测研究服务。不同的场源分布在地表的地电场有大地电场和自然电场，观测的是地表分量和时空变化。大地电场是由外空源产生，电离层电流变化，相对变化。自然电场是由地下场源产生，物理化学反应，相对稳定。

台站大地电场观测的主要任务是保障观测数据及时、准确、连续、可靠。本文通过分析青海省5个大地电场运行评价、影响观测质量因素及效能评估，得出5 个地电场的数据可用性不是很高。通过分析地电场架设与观测数据密切性进行探讨，总结出地电场架设中需要注意的问题，有效区别干扰因素和地震前兆异常信息，更好地为地震预报服务。

1 观测情况简介

1.1 装置布极

青海省大地电场观测分别是都兰、大武、金银滩、白水河及拦隆口，见图1。都兰和大武地电场外线路敷设采用地埋方式，电极埋深3.0米。白水河、金银滩、拦隆口地电场外线路采用架空方式。5 个地震台站地电场观测系统配置参数见表1、表2。

都兰大地电场观测采用中国地震局地震预测研究所研制的ZD9A-II 地电场仪，大武台和背景场三个台采用的是ZD9A-2B 地电场数字观测仪。电极材料均采用兰州地震研究所生产的固体不极化电极。5 个台站地电场观测外线路敷设均采用双“L”型布极方式，见如图2。

图1 青海省地电场分布图

表1 青海省地电场观测台站基本信息表

图2 青海省地电场布极图

1.2 运行评价

选取2015—2018 年全省5 个地电场观测数据，对其完整性、相关性、归零差值等内在质量进行分析计算，初步判断观测系统运行是否正常，见表3。

从表3 可以看出，青海省5 个地电场观测数据除都兰台外其余4 个观测数据的稳定性不好，数据内在质量不高：其一，观测系统不稳定，出现大幅度、不稳定的漂移变化。其二，引起观测数据变化的原因可能是降雨、浇地干扰，雨（雪）水下渗到电极处，引起电极极化电位变化所导致；其三，外线路绝缘性不好，造成数据台阶；其四，雷击、数采故障等导致数据中断。观测装置是影响地电场观测的重要因素之一，线路绝缘和线路接触问题目前表现比较突出。

表2 青海省区域电场布极装置参数

表3 青海省地电场数据统计

1.3 效能评估

对青海省的5 个大地电场观测台站分别从基础资料、资料质量、影响因素和震例评估4 个方面进行分析，见表4。

表4 青海省地电场观测台站预报评估得分统计

从表4 统计的评估结果可以看出：无A 类地电场观测台站；B 是类都兰台，占总数的10%；C 类是大武和金银滩，占总数的45%；D 类是白水河和拦隆口占总数的45%。由此可鉴，青海省的大地电场观测整体运行评估较差，观测环境受干扰严重。

2 架设中需注意的事项

2.1 布极区选择

用于观测区域性地球电场变化的地电场观测场地宜选在构造稳定地区。用于监测构造活动的地电场观测场地宜选在地震活动带内或活动断裂附近。不宜选在重盐碱地、沼泽地和沙漠中。地形开阔，地势平坦，地形高差不宜大于电极距的5%。深度10m 以内表层介质的电阻率宜大于10Ωm，不宜选在抽水漏斗区内，边缘避开大型水库[1]。避开建筑物等设备和农田灌溉影响。

2.2 电极埋设及安装

2.2.1 电极埋设的基本要求

1）避开污水区、浮土、料石充填部位，清除坑内树根、草皮、腐烂植被或其它杂物；2）埋设在冻土层或地下潜水面之下，埋深大于3m；3）同一对电极埋设处的介质尽量一致。

2.2.2 电极坑的预处理

泥土层、沙土层地区的电极坑勿需处理；卵石层、砾石层地区电极坑须要预处理。

2.2.3 电极系统的安装

先挖一个≥3.0m 深的电极坑，在电极坑底部的中心再挖一∮110x500mm 的圆形孔，将电极垂直放入圆形孔中，并倒入3kg～4kg 食用盐，保证盐与电极引线处的稳定剂紧密接触。填入1m 以上清洁细土，保证土与电极稳定剂紧密接触，最后，将原位细土逐层回填坑中并夯实，直至地表（略高于地表）。严禁提拉电极引线，以防止电极松动或被拔出。整个电极管不能碰撞硬物或摔落地上，避免管子破裂。

2.3 电极引线和测线的连接

1）将电极引线与测量线焊接牢固；2）焊接点清洁处理干净；3）密封接头用小热缩管封好焊接全部封住。

2.4 测量线路敷设

测量线路基本要求：采用抗老化绝缘导线线电阻不大于20/km 抗拉强度不小于20N/mm2测量线路，施工要求采用铜导线，可采用铠装电缆（铜芯不小于4mm2），或绝缘性能较好的定制电缆等。不能将未做绝缘防腐处理的普通或室内用导线直接地埋。

3 故障判断

3.1 电极故障

1）电极变化会引起北南、东西2 个测道在同一时间内发生同向变化，变化幅度的大小与电极距成反比。2）电极的变化会引起北南、北西2 个测道在同一时间内发生反向变化，变化幅度的大小与电极距成反比。电极的变化会引起东西、北西2 个测道在同一时间内发生同向变化，变化幅度的大小与电极距成反比。3）电极异常变化有可能引起两个相关测道朝单一方向缓慢漂移而不能自行恢复。当怀疑某一电极有故障时，最可靠的办法是 在其附近埋设一个完好的电极，通过短时间的对比观测，判断原电极的优劣。

图3

图4 都兰台地电场2016年12月3日分钟值

3.2 外线路漏电

测线线路出现漏电、接触不良时，数据会随时间的变化产生“台阶”和高频变化。随着水分蒸发，数据恢复原状，见图3。

3.3 近场源干扰

2016 年12 月3 日都兰台地电场测区附近布设捕猎电网造成干扰，见图4。

4 结论及讨论

通过以上分析，得出地电场架设需要注意事项及装置系统故障判断。测区环境选址、电极安装、外线路敷设等是地电场架设中不可忽视的重要部分，与观测数据质量也是紧密相连的，只有把仪器架设好了才能排除外界环境和一些人为的干扰，总结出地电场自身的变化规律，在观测中才能有效的区别干扰因素和地震前兆异常信息，更好地为地震预报服务。在日常值班时，值班人员要认真分辨是由于外线路还是仪器自身原因，及时解决，保证资料的可靠、连续。