地电场线路敷设对观测数据的影响

文勇 高慧慧 孟凡博 张敏

摘  要：文章对青海省5个地电场观测台站线路敷设及观测场地进行介绍，对2015-2018年观测数据进行了连续率、完整率计算，其中都兰台和大武台连续率和完整率都较高，地电场观测数据在5个台站中比较稳定，受自然环境干扰影响较小，白水河台、拦隆口台、金银滩台观测数据连续率和完整率较低，数据变化起伏较大，受自然环境干扰影响显著。

关键词：地电场;线路敷设;观测场地;观测数据;自然环境

中图分类号：P319.3 文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）02-0001-08

Abstract： This paper introduces the line laying and observation sites of five geoelectric field observation stations in Qinghai Province， and calculates the continuity and integrity rate of the observation data from 2015 to 2018， in which the continuity and integrity rates of Dulan and Dawu stations are higher. The geoelectric field observation data are relatively stable in the five stations， less affected by the interference of the natural environment， and the continuity and integrity rate of the observation data of Baishui River Station， Guanlongkou Station and Jinyintan Station are relatively low. The data changes greatly and is significantly affected by the interference of the natural environment.

Keywords： geoelectric field; line laying; observation site; observation data; natural environment

引言

地電场是地球物理基本场之一，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（中国地震局监测预报司，2002）。

1 地电场观测情况简介

青海地电场观测台站有5个（图1），布极方式均为“L”型，其中都兰和大武测量线路采用地埋，观测仪器为ZD9A-Ⅱ;白水河、金银滩、拦隆口测量线路为架空，观测仪器为ZD9A-2B。“ZD9A-2B地电场仪”是应用“中国地震背景场探测工程”项目的新型地电场观测仪器，继承和延续了ZD9A系列地电场的技术优势，具有高分辨力、大动态范围、高精度、高抗干扰能力、高稳定性等技术特点，同时在低功耗、高采样率、宽环境适应能力以及典型电磁环境干扰技术处理等方面有比较大的提升。“ZD9A-2B地电场仪”既可应用于有人值守的固定台站地电场观测，也可适用于野外流动观测、无人值守观测等特殊应用领域，以及能够满足在高纬度、高海拔地区开展地电场观测的有关特殊要求等（席继楼，2013）。

五个地电台站极区地形开阔、地势平坦，周围无高压输电线路和大型变电所，台站布极方式均为“L”型。根据规范要求，在仪器架设中地电测量线路敷设应满足：（1）采用抗老化绝缘导线，线电阻不大于20Ω/km，抗拉强度不小于20N/mm2，采用铜导线铠装电缆（铜芯不小于4mm2），或绝缘性能比较好的定制电缆。（2）架空线路拉线与钢绞线贯通接地采用分离抱箍，或拉线加绝缘子等措施进行处理。电极引线续接接头埋地，在电杆附近直接埋设电极，中间无接头。（3）挖电极坑时注意的事项：电极埋设避开污水区、腐烂植被、杂物充填部位土质良好均匀，在卵石层、沙质土层等影响电极与土壤接触的部位埋设电极时，应在电极坑中预填优质土。（4）城市建设台址勘选很难符合规范要求，比较典型但不很突出，通过数据分析过程进行识别和剔除（地震台站建设规范地电台站第二部分，2006）。通过对比要求分析发现：严格按要求架设仪器的台站数据记录相对较好，大多数台站在线路敷设中还存在一些隐患。

地电场测量线路敷设及布极

地电场测量线路是连接电极和测量仪器的，线路绝缘电阻过低，与线路敷设质量有关，会影响系统正常运行，影响观测数据质量。都兰和大武地电场线路敷设采用地埋方式，白水河、金银滩、拦隆口采用架空方式（表1）。地埋方式具有防雷、防风扰等优点，其缺点是埋于地下，线路出现故障不易查找。架空方式的台站容易受到自然环境的干扰，检查线路期间因为要爬上8m的线杆，人身安全系数较低，容易发生意外，其优点是线路出现故障易于查找和解决。

2 数据分析

2.1 数据相关性

选取2015-2018年全省5个地电场观测数据，以每小时60个分种值数据分别参与计算，然后采用去极值的方法计算其算术平均值，得到该天数据的相关系数（董晓娜，等，2012;冯丽丽，等，2017）。计初步判断观测系统运行是否正常。按下式计算长、短极距测道观测数据的相关系数的月平均值R月：

式中：n为当月天数，r1i为NS测向第i天的相关系数，r2i为EW测向第i天的相关系数，r3i为斜测向第i天的相关系数。（全国地电场观测资料质量评比办法）

2.1.1 连续率和完整率

以地埋方式架设的台站都兰台和大武台连续率和完整率达到99.8%以上，缺测个数少于其他台站;以架空方式架设的台站白水河台、金银滩台、拦隆口台连续率最低为91%，最高为97%，完整率最低为58.9%，最高为94.6%。由于在预处理时删除错误数据个数较多，造成完整率过低。

2.1.2 相关系数

以地埋方式架设的台站都兰台相关系数在0.99以上非常稳定，由于都兰台场地环境在《规范》要求范围内，周围没有大型干扰源，仪器的架设过程严格按照规范进行。而大武台相关系数逐年下降，由0.9下降至0.8，其原因为：（1）电极布设位置地处山坡下的低洼地带，降雨时极易积水。埋地电极长期处于积水浸泡，电极接触点锈蚀造成不稳定;（2）电极埋设时未作填充处理，电极底部与地表介质接触不良;（3）电极位于冻土层之中，电极所处的环境条件不恒定;（4）电极布设中场地选择在山坡，坡度大于5度。（5）观测人员未按《规范》要求对仪器及数据进行正确处理，从而影响到台站观测数据。

以架空方式架设的三个台站，相关系数的变化都不稳定在0.1至0.9之间变化，造成相关系数降低的原因为：（1）三个地电场地和地电阻率同场地观测，电阻率设备每小时测量需对电极供电一次，充电过程对地电场观测数形成明显干扰，因阈值设置不合理，没有完全去除地电阻率供电测量干扰。（2）位于空旷的草场和农田中，在风季时，最大风力达到10级以上，外线路随风摆动，数据会压制曲线;（3）受当地气候条件的影响，夏季和冬季温差较大，如果线路间的弧垂较小（200mm），通过热涨冷缩的原理，在冬季可能会使电缆线断裂，而杆与杆之间线路的垂直弧度较大，在大风天气的影响下，通过摆动和横担之间产生摩擦会造成电缆线路破损影响绝缘性能。（4）在安装架设时由于技术方面的问题，造成电缆线与电缆线之间存在部分接口，接口再次裂开时，绝缘线路容易受到影响;（5）拦隆口地电场场地环境不理想，地下有温室大棚金属管件和供电，会对数据的变化造成影响。

2.2 归零差值分析（同测向，长短极距）

由于在某一局部地区地电场基本稳定，因此在理论上，同一测向不同测道观测数据的变化幅度应该比较一致。用归零差值可以判断同一方向的观测数据变化幅度是否一致，是否存在漂移现象。归零差值的计算方法：首先去掉地电场数据中的背景值。将所有观测数据与该测道的00时00分数据（或第一个测量数据）相减，得到该测道的归零日变化数据。其次，计算同方向2个测道归零数据的差值序列。最后，求出差值序列的算术绝对平均值，得到归零差值（董晓娜，2012）。

计算公式中Xi、Yi为参与计算的两个测道的分钟测量数据（i=0，1，2，…），N为参加计算的数据总数，X0、Y0为每天测量数据的初始值。

根据表3可以看出，地埋方式的台站中都兰台为台站中各测项观测一致性最高的台站，各测向平均差值低于0.09mv/km以下，大武台各测向平均差值低于5.4mv/km以下，架空方式的臺站中，拦隆口各测向平均差值低于3.8mv/km以下，白水河台和金银滩台平均差值最大，达到10mv/km以上。由此可以看出地埋方式的台站台测项差值稳定，不会影响数据的日变形态，而架空方式的台站各测项差值变化不稳定，日变形态受到影响。事实上，地电场的日变化幅度也仅在101mv/km量级，差值达到10以上，也就会淹没日变形态，影响数据质量，信号提取困难。

2.3 大地电场静日变化

大地电场静日变化是由中低纬度上空电离层电流系产生，会连续出现，具有确定的周期（孙正江，1984）。由于我国地电场观测是地表水平矢量，大小和方向均随时间而变化，且具有一定的日变规律，同一方向不同极距的测量结果应有较一致的变化规律，变化形态基本一致。从图3中可以看出都兰和大武台的日变形态及变化幅度基本一致，日变化幅度不大，基本在同步变化，拦隆口、金银滩、白水河三个台站看不出日变化形态，数据变化无规律可循。

3 干扰类型及原因分析

在地震前兆分析过程中，对干扰数据的排除尤其重要。目前青海省五个地电场存在的干扰大致可分为观测系统干扰和自然环境干扰两部分，通过对这五个地电场台站观测资料的分析，认为不论是地埋方式的台站还是架空方式的台站都会不同程度受到各种干扰，只不过干扰幅度和干扰变化不同。

3.1 观测技术系统干扰

测量电极、避雷装置、测量仪器以及通信处理系统等是地电场观测系统的主要组成部分，包括仪器故障、电极故障、供电故障、线路故障、操作不当、人为因素、雷击等。

2018年4月4日白水河台数据走直线，走直线这种情况白水河台出现次数较多，一般都会自行恢复正常工作，恢复不了的需现场手动重启仪器，多次检查后未发现电源，干扰等造成数据变化的原因，更换新数采后此状况消失。2018年9月26日金银滩台对仪器进行标定，标定完后由于操作不当，导致仪器时钟不准确，从而导致9月26日15时至27日14时数据缺数，通过网页校准对钟后，数据恢复正常。金银滩台2018年10月29日至11月1日接入辅助电极对地电场电极进行检查，经检查辅助电极工作正常，对外线路进行检查发现外线路多处破损，电缆线裸露，需对外线路电缆进行更换、原电极故障需更换电极。2018年4月2日至4月10日拦隆口台受新农村道路改造施工，造成仪器数据停测长达7日，此次施工，也将地电台部分电杆进行了迁移。2017年1月17日因维修地电阻率仪器而影响到地电场仪器数据出现尖峰。

通过分析发现，架空方式架设的地电场仪器在观测中出现的问题较多，原因为：（1）仪器架设中未对《规范》完全理解进行选址和安装，存在有遗留问题;（2）没有考虑到青海高海拔地区恶劣的气候条件，是否适合以架空方式进行线路敷设;（3）这三个台站均未进行过系统学习，对仪器的理解能力有限，有许多误操作发生，造成仪器观测数据缺数;（4）架空方式的台站地电阻率和地电场是同场地观测，维修一台仪器会对另外一台仪器造成影响。地埋方式工作的台站，由于运行时间比较长，场地选址和安装仪器时都有经验，在此过程中几乎不会出现错误，所以从数据分析和仪器运行来看，在观测技术系统这部分几乎没有出现问题。

3.2 自然环境干扰

3.2.1 地磁暴

地电场变化与地球外部磁场变化有直接的关系。地球外部磁场变化，比如磁暴，太阳粒子流大爆发等情况出现时，都会在地球内部产生感应电场，从而引起大地电场的变化（张建国，等，2003;张秀霞，等，2009），磁暴每年都会发生多次，当2018年8月27日，发生最大K=6的磁暴事件时，通过地电场数据与本台GM4地磁数据对比分析，因采用多台资料对比所以地磁资料选择距5个地电场地较居中的金银滩台资料。从图中可以看出青海省5个地电场台站都记录到磁暴变化，只是幅度大小变化不一样，地电场的变化时间比地磁的变化时间相对滞后约一个小时（图5）。

3.2.2 仪器标定

按《规范》要求每年固定时间需对仪器进行校准，不论是地埋方式還是架空方式都需要对仪器进行观测装置稳定性检查，标定仪器及外线路绝缘检查时，观测数据发生变化，标定结束后，数据自行恢复正常。地埋方式工作的台站因在电极坑处留有标定线，通常在一个小时内就可以结束标定工作，而以架空方式工作的台站在仪器标定上要花去更多一点的时间，主要是在电杆处不能留有标定线，容易被放牧的农民破坏，而且标定线盒至少要在电杆的3m以上，才能保证不被破坏，标定时则需要台站工作人员冒着掉下来的风险，一个杆子一个杆子地爬上去做检查测量。

3.2.3 降雨

降雨是影响自然电场变化的重要因素。2018年8月17日09时至11时都兰地区出现强降雨天气并伴随着打雷，数据未受降雨影响，日变形态清晰，变化时间于降雨时间准同步相对滞后;2018年8月17日08时至11时大武地区出现强降雨天气并伴随着打雷，数据未受降雨影响，日变形态清晰，变化时间于降雨时间准同步相对滞后;2018年6月7日16时至19时白水河地区出现强降雨天气并伴随着打雷，导致地电场数据形态发生较为明显的台阶变化，变化时间于降雨时间准同步相对滞后，19时强降雨结束，转为小雨，导致白水河地电场数据呈起伏变化趋势;2018年6月16日金银滩地区05时至07时开始出现强降雨天气并伴随着打雷，导致地电场数据形态发生较为明显的台阶变化，变化时间于降雨时间准同步相对滞后; 2018年07月10日03时至06时、20时至21时，拦隆口地区发生2次强阵雨伴随着打雷，导致地电场数据形态发生较为明显的台阶变化，变化时间于降雨时间准同步相对滞后。降雨对地埋方式台站都兰和大武影响较小。对架空方式的台站拦隆口、金银滩、白水河台影响较大，会出现台阶和数据曲线被压制。

3.2.4 降雪（融雪）

降雪（融雪）也是影响自然电场变化的重要因素。降雪的影响主要体现在2个方面。一方面是电极可能极化;另一方面是周围电场的实际改变。对于不极化电极，其影响量虽然较极化电极小，但其影响是明确存在的，通常数据为同步变化。地埋方式工作的台站在降雪时不会对观测数据造成影响，而融雪时导致电极附近的含水量发生变化，导致电位发生变化，从而使电极的稳定性发生变化，周围电场的不均匀性改变也同时影响着观测值的变化。架空方式工作的台站在降雪时数据以开始发生改变，具体的变化为数据曲线压制，影响正常的观测数据，融雪开始后数据产生台阶及阶变。2018年11月10日00时至07时都兰地区发生降雪，10时之后降雪随着天气上升开始融雪，数据上未能看出明显的变化。2018年12月28日07时至14时大武地区发生降雪，14时之后降雪随着天气上升开始融雪，数据变化幅度为1.73mv/km。2018年01月03日17时至23时拦隆口地区发生降雪，降雪造成数据产生大量上下起伏的台阶，数据最大变化幅度为24.631mv/km。2018年01月03日11时至17时金银滩地区发生降雪，降雪造成数据产生大量的尖峰数据，最大变化幅度为7.928mv/km。2018年11月03日01时至07时白水河地区发生降雪，降雪造成数据阶变，最大变化幅度为700.74mv/km。降雪对地埋方式台站都兰和大武几乎没有影响，融雪时随着电极坑附近含水量发生变化会影响观测值。对架空方式的台站拦隆口、金银滩、白水河台受降雪（融雪）影响较大，会在降雪发生后产生台阶、尖峰和数据曲线被压制的现象。

3.2.5 风扰

在地电观测中，由于外线路大多采用架空式，风吹测量线摆动切割地磁场，产生一电动势，就会干扰地电观测。这是一种随机干扰（陈乐寿，等，1990），而尽可能地减少风扰，地电台站是能够做到的，地电外线路采用地埋方式对减小消除这样的随机误差是一种行之有效的方法（史红军，等，2018）。

2018年3月19日13时-23时都兰地区发生9级的强风天气，吹风天气一直持续到20日，观测数据日变形态清晰，未受到大风天气影响。2018年2月20日08时-20时，大武地区发生大风黄色预警，12小时内阵风风力可达9-10级，观测数据日变形态清晰，未受到大风天气影响。2018年4月4日14时至22时，白水河地区受大风天气影响，12小时内阵风风力9级以上，且伴有沙尘天气，观测数据超差走直线，大风天气结束后数据形态恢复正常。金银滩2018年9月15日9时至23时受大风天气影响，当天风力最大为10级，大风期间数据呈下降-上升趋势，大风天气结束后数据形态恢复正常。拦隆口2018年6月16日，受大风天气影响，当天风力最大达到7级，数据受到风扰和同场地干扰，压制曲线看不出明显的变化。

4 结束语

地电场线路敷设是判断数据可靠性，检查和排除测量系统中出现的问题，识别降雨、电极极化、场地影响以及判断近场电磁干扰的有效途径。为了提高地电场观测数据质量，提供可靠有用的数据，我们就要找到适合本地区的线路敷设方法。根据全省地电场外线路敷设情况结合本省地电场观测数据的连续性、完整性、相关性等质量监控分析得出以下结论：

（1）在不同的地电场观测地区，根据当地气候、场地条件选择适合本地区的线路敷设方法。

（2）不同的线路敷设方法，对观测数据的影响各不相同，青海地区海拔高、大风天气多、全年温差较大，夏季最高温度在30度左右，冬季最低温度可达20度以下，如果以架空方式安装外线路电缆线，让弧垂小于200mm可能会受到热胀冷缩原理造成电缆线断裂，相反如果采用地埋方式的，就不会出现这种问题。

（3）采用地埋方式从技术上来说在青海地区相对比较成熟，都兰台和大武台都进行过場地的重新搬迁和选址，在安装架设过程中不会出现问题;采用架空方式的白水河、拦隆口、金银滩三个台站由于是第一次采用架空方式进行安装架设，从技术上来看存在问题，电缆线中间存在有接头，而不是整根线接入观测室;先接电缆线而后在补接钢绞线，在每根电杆之间没有安装绝缘子;横担上电缆固定不牢，在大风天气下，固定处线路破损，造成漏电。

（4）地埋方式工作的台站都兰台和大武受自然环境影响较小，架空方式工作的台站白水河台、拦隆口台、金银滩台受自然环境影响较大，造成数据出现尖峰、台阶、阶变影响到数据的完整性和相关系数。

（5）维护资料的稳定，提高地电场观测资料，我们应在遇到大风、暴雨、大雪等天气情况下，及时对外线路和测区环境进行检查;雷电后及时检查、维护避雷装置;长时间缺测、数据变异等，应及时检查，并尽可以查明原因;通过数据不同变化形态、幅度对获得真实数据、提取有用的地震前兆信息提供帮助。

（6）省地震局相关部门也是通过台站的资料分析研究后，经过多次向外省台站学习、交流、咨询，现一致认为采用地埋敷设方式对我省今后地电场数据的提高，是有一定帮助作用的，目前已经将拦隆口台、金银滩台重建完毕，资料质量从数据上反映来看较之前采用架空的敷设方式提高较大。

参考文献：

[1]中国地震局监测预报司.地震电磁数字观测技术[M].北京地震出版社，2002：43.

[2]中国地震局.地震台站建设规范-地电台站-第2部分：地电场台站[M].2006：829-840.

[3]席继楼，庄楠，刘超.ZD9A-2B地电场仪研究与应用[C].中国地震学会地震电磁学专业委员会2013年年会论文集，2013：18.

[4]董晓娜，鲁成义，曲利，等.山东地区地电场观测资料分析研究[J].地震研究，2012，35（3）：420-428.

[5]孙正江，王华俊.地电概论[M].北京地震出版社，1984：3-95.

[6]张秀霞，李飞，苏泽云，等.新沂地震台新建地电场观测资料分析[J].华北地震科学，2009，27（4）：41-45.

[7]冯丽丽.青海地区地电场观测资料分析[J].高原地震，2017，29（3）：1-10.

[8]史红军，张可佳，赵卫星.榆树地震台地电改造及评价[J]，防灾科技学院学报，2018，10（4）：62-64.

[9]陈乐寿，王光锷.大地电磁测深法[M].北京：地质出版社，1990.

[10]张建国，张国勇，王晋萍，等.地电特征与防雷工程[J].山西气象，2000，3：48-50.