电极更换对武威南营地电场的影响分析＊

孙点峰，王亚红，魏东星

（甘肃省地震局张掖中心地震台，甘肃 张掖 734000）

地电场监测作为地球物理场监测重要的方法之一，主要通过观测地表电场强度及其时空变化特征，同时大地电场随时间变化的尺度同变化磁场的起源基本上是一致的［1］，因此地电场监测在地球物理场、地震监测预测研究地位举足轻重。

根据场源在地表的不同分布，可以将地电场分为大地电场和自然电场，观测的是地表分量和时空变化。固体不极化电极具有电极差小、稳定性能好、噪声低、频带宽、轻便耐用、易于保存、携带和使用方便等特点［2］，在国内地电场监测中运用较为广泛。

本文通过分析武威南营地电场测区的地质条件、周边历史地震、测区干扰源，进一步分析了更换电极之后对于观测的影响，为地震监测更加连续、可靠提供了有力保障。

1 武威南营电场基本情况

武威南营地电场测区位于甘肃省武威市南营乡，该区地处青藏块体东北缘、祁连山构造的中东段，第四系覆盖厚度约300m以上，为亚砂土砂砾石，地下水距地表约10m。地震活动频度高，是我国大陆中强地震高发区。武威南营地电场地形平坦、广阔，距铁路10km以上，测区内无金属管线穿过。该地区所在的祁连山地震带，地震活动自1927年开始进入强震活跃期，截至1996年底已发生5.7级以上地震19次，其中8级特大地震1次，7.0～7.5级地震 2 次［3］。

武威南营地电场观测系统于2006年8月29日建设完成。南营地电场南北方向和东西方向长极距300m，短极距 200m，北东向呈 N45°E。使用 15根8m油浸电杆，绝缘敷设7×2.2的钢线，再把电缆线悬挂于钢线上。电极引线从地下至分线盒部分穿在钢管内保护，电极处的电杆上绝缘接入分线盒，以断开电极与线路，做线路检测口用。图1为武威南营地电场布极图。

图1 武威南营地电场布极图

在观测区的西南方向建有南营水库，其中有大型用电设备，同时测区西侧水渠有八个连续的小型发电站，每个发电站功率约为12kw。整个发电机组距离观测场地300m左右，由于年久失修，发电站可能会有漏电现象，初步认为水库和发电站可能是地电场资料异常的干扰源。

2 电极更换过程

2015年11月14日将相应电极接线断开5min，并记录断开时间和接线时间，根据数据曲线的变化来判断对应极性。如图2所示。

图2 11月14日武威南营地电场分钟值曲线图

因新电极电缆较短，需要对电缆进行加长。将经过加长的电缆接头进行焊接，焊接目的是为了加强电缆的导电性，使测量数据更加稳定。焊接后对接头进行防水处理，先将位接头用绝缘胶布进行密封，后加一层热缩管，再用绝缘胶布和防水胶布进行处理。如图3所示。

图3 焊接及防水处理示意图

在原电极附近平整出空地，清扫地表干草等杂物，保证施工过程无杂物进入极坑，由于秋收之后农民已经将地犁过，土地松软，用铁锹进度较为迅速，挖到砂石层时，停止深挖。对所有电极基坑进行统一测量发现，东西短极距土层较厚，北南短极距土层较薄，南段长极距在挖深1.8m时出现砂石层。

根据电极更换安装说明书要求，使用细土对基坑底部进行覆盖，为保证观测数据以及观测情况的统一性，采用统一1.7m的埋深深度。用绳子把电极放入挖好的电极坑中，然后用之前取出的松土倒灌如电极坑中，将饱和Nacl溶液倒入电极坑内，保证电极与土壤充分接触性以保证观测数据的稳定性，并把取出的原位土回填。

3 更换前后监测效能对比分析

武威南营地电场自建台以来，观测用电极未进行更换，电极严重老化，导致观测数据质量明显下降［4］。

从2015年9月13日到11月13日的观测数据可以看出，更换前各个测道数据频繁出现台阶，数据曲线尖峰突跳较多，记录到的磁扰和日变都不清晰，变化形态与电极故障类似。判断为电极老化。判断数据曲线形态如图4所示：

图4 2015年9月13日-11月13日武威南营地电场分钟值曲线图

在2015年电场数据出现问题期间，武威台还对可能造成干扰数据的外线路、观测装置、测区环境、避雷装置进行过检查。通过仪器标定、外线路绝缘检查均合格，巡视环境发现南营水库、小型发电站可能对测区环境有干扰。由于入冬以后，水库不放水进行发电，所以冬季水库、发电站干扰可以排除。基本排除外线路、观测装置、测区环境的影响。

武威地震台于2015年11月15日对地电场电极进行了更换，更换后数据曲线尖峰突跳减少，记录到的磁扰和日变清晰。图5为电极更换后的数据曲线。

图5 2015年11月15日-11月18日武威南营地电场分钟值曲线图

通过计算更换前后12d的日相关系数（见表1），发现更换前各道日相关系数变化幅度大，最低达到0.512；更换之后各道日相关系数均在0.9以上。

表1 更换电极前后12d相关系数表

4 结论与讨论

2015年11月14日对武威南营地电场6个电极进行了更换。更换后观测数据明显改善。

1）更换前观测数据日相关系数较低，数据相关性较差，更换后各测道观测数据日相关系数均在0.9以上，相关性较好。

2）经过此次地电场电极的更换，使得武威台地电场数据质量明显提高，消除了因更换前电极故障造成的台阶、突跳、趋势性变化等现象。

武威南营地电场观测室位于村民家中、有电极杆出现倾斜情况。地电场观测手段属于长期观测，放于村民房屋内有诸多不便，建议能考虑修建专门观测室、电极杆需要尽快扶正，以免造成数据缺记或者是引起其他突发情况。