江油地震台地电场观测数据干扰分析

刘华姣，李雪浩，何思源，李贵元，钟李彬

(1．四川省地震局成都地震基准台，四川 成都 611730；2．成都理工大学，四川 成都610059)

地电场观测数据是地震前兆分析和研究的基础之一，但地电场观测具有易受区域电磁环境、气候等干扰的特点，其常见的干扰因素有雷电干扰、降雨影响、电阻率测量干扰、场地固定干扰、线路和仪器故障等。随着地电场数字化仪器采样率与灵敏度大幅提高，这些干扰因素也被记录下来，如何正确识别和排除干扰、准确提取出与地震孕育过程有关的地电场异常变化是地震预报面临的一大难题。国内外学者曾对特定台站的地电场正常数据和干扰数据特征进行研究，归纳了常见的干扰因素和干扰特征。但不同地电台站因其观测环境的差异性，观测数据特征也有所不同。江油地电场为2016年新增观测手段，目前对该数据尚无系统的研究。对江油台观测数据干扰进行系统的分析将有助于促进该数据在地震分析预报中的应用，也能更好的为震情跟踪服务。

1 观测背景

江油八一地震台位于四川省江油市八一乡中心村，地处龙门山中北段江油前山断裂带构造附近，属于北东向构造体系，构造线走向为北东45°～50°。场地属剥蚀构造丘陵地貌，地形坡度在20°左右，丘顶较平缓，多呈浑圆状、台地状。场地的基岩是由上侏罗统紫灰色砂岩、黄棕色岩屑石英砂岩、棕红色粉砂岩与泥岩层等组成的互层，表现为倾向北西的单斜层(颜晓晔等，2012；江玉乐等，2015)。该区域地势相对较高且平坦，无大型深沟和陡峻山丘，周边为农家农田，无工业生产、城市交通轨道等干扰，观测环境较好。但是，随着乡村经济的发展，台站周围观测环境已有虾鱼塘、机械化种植、以及高压直流输电等影响。

图1 江油地震台地电场电极布线

江油地电场观测于2016年正式运行，观测系统分为测量仪器、测量线路、电极和标定仪器四部分。江油台地电场测量仪器采用由中国地震局预测研究所监制、北京陆洋科技有限公司生产的ZD9A-2B型数字电场仪。观测系统采用 “三方向，多极距”的近似“L” 型布极方式，从中心点向西和向南分别布设测线(图1)，每个测向均有两个测道，极距分长极距、短极距2段，按N10°E、 N70°W布设电极，其中O1A2为200 m，O1A1为300 m，O2B2为200 m，O2B1为300 m。外线路采用地埋方式，埋深在2.5 m至3 m之间，外线路绝缘性好，均能大于500 M·Ω，电极为圆柱形的固体不极化电极。观测室接地线接地电阻为2.5 Ω，测量仪器置于观测室内，观测室距布极中心距离500 m。

2 正常数据特征

地电场和地磁场一样，有日变、月变、年变等周期性变化，也有不规则的干扰变化。这些变化的原因和地磁场变化一样，主要是来自地球外部，如太阳辐射、宇宙线和大气电离层变化所引起的。该部分内容主要介绍地电场的静日地电日变化和扰日地电日变化。

2.1 静日变化

地电场的平静变化具有连续性和周期性，静日地电日变化的周期为一天。根据理论分析，地电场日变化的形态应该具有两峰、两谷，半日波略强于全日波，同时还有小时、6小时等周期成分。谭大诚等(2010)将潮汐地电场分成近正弦的双峰双谷TGF-A型和近梯形的双峰单谷TGF-B型：TGF-A型地电场与固体潮汐密切关联，基本分布在大面积水域附近，与附近水域面积、距离、岩性结构、构造活动等因素有关；TGF-B型地电场与气潮作用产生的空间Sq电流关系密切，并与岩石饱和度、渗透率等有关。

图2 江油地电场静日变化曲线

江油地震台地电场NS、EW、NW测向静日(2016年5月31日至2016年6月3日)分钟值日变化形态曲线如图2所示，NS测向和EW测向有明显的日变形态，属于TGF-B型，呈双峰单谷形态，极小值均出现在北京时间14时左右；NW测向因受周边环境影响，日变形态不及NS、EW测道明显，日变形态极小值出现在北京时间12时左右, 双峰单谷。三个测向的日变形态稍有区别，但是整体的趋势基本保持一致，各测向的日变化幅度不大，日变化幅度一般在0.5 mV/km左右。

2.2 地电暴分析

地电暴是地磁暴发生期间地电场观测中所记录到的电扰变化，是变化最为剧烈的地电场变化成分，两者具有同源性，在时间域和频率域上都具有较好的同步性和相关性。它们几乎是在全球同时发生的，变化幅度大，持续时间长，一般持续1～3天。2017年7月16日发生最大地磁k指数为6的磁暴，江油台地电场各测道均记录到地电暴，如图3所示。地电暴开始之后，出现高频突跳脉冲，影响地电场数据日变化，长短极距6个测道同时畸变，变化形态基本一致，为剧烈的短周期起伏变化。当磁暴强烈时可以记录到清晰的初始、初相、主相和恢复相完整形态，其变化幅度随着磁扰强度的增强而增大，磁扰结束后，地电场数据也随之恢复正常。

图3 江油地电场观测中地电暴记录曲线

3 干扰数据特征

3.1 气象因素干扰

降雨、雷电等气象因素对地电场观测也有较大的影响。降雨对地电场的影响主要有两类，一类是电极可能受降雨的影响产生极化：水使电极引线或是测线引线接头受潮,与大地接触产生不极化电位, 观测数据曲线的表现形态往往是台阶或漂移(张秀霞等，2009)；另一类是周围电场的实际改变：降雨造成了观测场地内的表层土壤含水量增加，从而引起地下介质中的电离子加速运动，且强降雨时在地表有可能形成水的径流而产生感应电场，这些因素都会引起地电场的变化。由图4a，地电场观测值与降雨有着明显的相关性，2017年7月18日江油地电场受降雨影响，观测数据在5时至10时受到明显干扰，干扰数据曲线呈大幅度上升或下降变化，日变形态发生畸变，NW测道与NS、EW测道呈反向干扰形态，干扰幅度与降雨量以及电极自身性能有关。随着电极周围土壤中水分减少，观测场地逐渐干涸，观测值逐步恢复平稳。

图4 气象因素对江油地电场观测的影响变化曲线

3.2 地电阻率同场观测干扰

江油台地电阻率观测是采用直流源、正反向、等周期供电时间序列方波的供电模式，由于江油台地电场观测与地电阻率观测场地为同一区域，地电阻率观测测数在向大地供电的同时会产生一个人工电场叠加在大地电场上影响地电场观测。图5为江油地电场观测受地电阻率供电测数影响的数据曲线形态，人工供电波形，作为一种已知源干扰，叠加到了正常地电场观测信号中。此类干扰可通过设置测量次数和门限，通过删除超过设定阈值单次测量结果的方式。或者校准地电场仪和地电阻率仪的时差，通过控制地电阻率观测仪在地电场测量时停止向大地供电的方式来避免地电阻率供电干扰。江油地电场采用后一种方式，在校准仪器时差后，干扰消失。

图5 地电阻率供电测数对地电场观测干扰曲线

3.3 高压直流输电干扰

高压直流输电在远距离、超大容量输电中具有明显的优势。但特高压直流线路的空间合成场和换流站接地极的入地电流，会影响地电观测系统中电极之间空间电位分布，因此对地电场观测也有一定的干扰。受宝鸡—德阳±500 kv的HVDC输电线路影响，2019年4月30日至2019年5月8日江油台地电场6个测向均出现同步阶跃变化，但各测向之间的阶跃方向、幅度大小存在差异。NS、EW测道具有同向变化，NW测道与NS、EW测道干扰形态反向，均呈方波型阶跃变化(图6)。

图6 高压直流输电对江油地电场观测的影响变化曲线

3.4 农业生产干扰

3.4.1 农田灌溉排水干扰

3.4.2 机械化种植干扰

随着农业生产工具的不断优化，中小型农业生产工具，如收割机、转孔机，犁地机，抽水泵等的使用过程中造成的漏电也会对地电场观测产生干扰。这类干扰多为游散电流变化干扰，在干扰时段内, 地电场数据表现为呈正、负的高频变化。2018年9月7日至9日江油地电场测区内有电动打谷机收割水稻漏电干扰，数据曲线出现突跳(图7b)，2018年9月9日9时后因测区内降雨，打谷机暂停作业后此类干扰消失。

图7 江油地电场受农业生产影响的干扰曲线

3.4.3 虾塘干扰

2017年12月19日在江油地电场EW测道A1电极至A2电极附近区域有一用于养殖小龙虾的虾塘正式施工，面积约50亩。2017年12月19日至2018年1月20日进行挖土作业，挖土作业对地电场观测无明显干扰。2018年1月26日至2月8日，虾塘施工人员采用铁皮质的彩钢板制作虾塘围栏，26日、27日彩钢板陆续运入场地内，铁皮质彩钢板进场后对观测数据产生干扰，观测曲线形态在彩钢板进场的2小时内大幅度畸变，见图9(a)、(b)。地电场EW、NW测向的日相关系数也自2018年1月26日开始明显降低(图8)，且在每年3月份左右开始蓄水养殖小龙虾后持续走低，在8月份左右小龙虾养殖成熟后虾塘不再人为蓄水，虾塘水分自然蒸发后，地电场EW、NW测向相关系数逐步回升。2018年3月10日至25日使用钢管和铁丝作为塑料网的支架进行虾塘顶部拉网作业，钢管、铁丝进场后对观测值有明显影响，干扰形态与彩钢板进场干扰相似，均呈台阶状,见图9(c)、(d)。2018年4月底该虾塘开始正式蓄水养殖，虾塘正式使用后的蓄水排水也对江油地电场观测有所干扰，干扰特征与农田灌溉相同。由于该虾塘位于EW测道A1电极至A2电极区域，其对NS测道无干扰，对EW、NW测道干扰明显。

图8 江油地电场日相关系数曲线

图9 江油地电场受虾塘铁皮质干扰曲线

4 结论

(1)通过总结江油地震台地电场观测数据的日变化形态，对江油台地电场观测干扰数据特征分析，发现江油地电场有清晰日变形态，观测过程中主要存在地电暴干扰、地电阻率同场观测干扰、雷电和降雨干扰、高压直流输电以及农业生产干扰。这些干扰的存在影响了映震异常的识别，因此在确定电场变化是否是震兆异常时应充分考虑干扰异常。(2)在进行干扰识别时，应结合地磁K指数、雷电和降雨天气情况、高压直流输电和同场地的地电阻率供电时间、农业作业生产情况、干扰数据的方向性等来确定干扰源。(3)做好场地环境的巡查，收集观测场地环境变化信息，加强降雨量、水位等辅助观测，记录雷电天气、磁暴等信息，将有助于地电场数据分析与干扰排除。因此建议在江油地电观测中加强环境信息的记录，获取场地内水文地质资料，新增水位辅助观测，加强气象辅助监测，为进一步提高江油地电场数据分析的科学性提供基础。