青海省地电场观测典型干扰识别与分析

文勇，张敏，张程，孟鑫，杨浩

(青海省地震局德令哈地震台，青海德令哈 817099)

0 引 言

地电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[1]。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，但同时干扰因素也进入到观测系统中，使得数据曲线形态变化复杂多样，这给正确排队干扰、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困难。排除一些常见干扰，提取震兆信息，已成为一项重要工作[2]。青海省目前共有5个地电场观测台站，观测方式分别为地埋方式和架空方式，这二种观测方式由于观测环境的不同受到的干扰程度也不相同。对观测系统(如主机故障、外线路故障及电阻率供电等)、雷电、地电暴和场地环境(如设备漏电、高压直流输电及农田灌溉等)等干扰特征进行分析与总结[3]，排除一些常见干扰，有利于今后地电场观测资料的处理和分析，为震情跟踪研判和地震预报提供基础依据。

1 地电场观测情况简介

青海省内共有5个地电场观测台站，布极方式均为“L”型(图2)。其中，都兰地震台(以下简称都兰台)和大武地震台(以下简称大武台)测量线路采用地埋式，观测仪器分别为ZD9A-Ⅱ和ZD9A-2B；白水河地震台(以下简称白水河台)、金银滩地震台(以下简称金银滩台)和拦隆口地震台(以下简称拦隆口台)测量线路为架空式，观测仪器均为ZD9A-2B(表1)。由于观测方式的不同，产出的数据质量也存在不同差别，其中都兰台各项指标均位列第一；大武台在连续率和完整率方面表现较好，但相关性分析的结果表明，数据质量在2016年下半年有显著的下降趋势；拦隆口台、白水河台和金银滩台总体数据质量均较差。观测系统对数据质量起决定性作用[4]。

图1 青海省地电场分布

表1 青海省大地电场观测台站基本信息

图2 青海省地电场布极

2 典形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。大地电场观测信息量大，观测易受到周围电磁环境等因素的干扰，各类干扰严重时会严重扭曲电场正常的日变形态，所以准确识别这些干扰，区分出大地电场真实变化和干扰变化，对提取地震前兆异常，尤为重要。目前青海省5个地电场存在的干扰大致可分为观测系统干扰和环境干扰两部分，通过对这5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。

2.1 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，当观测系统中任一环节出现故障时，均会影响数据观测质量。

2.1.1 数采故障

“走直线”这种情况在白水河台出现次数较多，一般是由于同场地观测、参数设置不合理或数采存在问题造成。在ZD9A-2B仪器中设有专门限值的调节，是为解决地电阻率的供电干扰设置，如果设置参数不合适会造成地电场测值的畸变，即“走直线”，因不会操作故未对参数进行设置。2018年4月4日白水河台数据“走直线”，台站职工多次进行检查，后未发现电源、外线路故障及其他干扰，但在更换备用数采后此状况消失，数据正常显示(图3a)。

2.1.2 电极、外线路故障

金银滩台从2018年09月10日开始数据每日出现尖峰和台阶，为了查明原因，于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，辅助电极工作期间数据正常，数据日变形态清晰没有尖峰和台阶。金银滩台外线路采用架空方式，在对外线路进行检查时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，因没有备机备件一直没有更换(图3b)。

当电极埋好后， 地表土壤中离子的电位通过台站布设的电极内部的电解质传递给金属导线，从而产生极化电位。当电解质发生改变时，会造成极化电位的不稳定变化，这种不稳定变化与台站记录到正常日变化信号相互叠加在一起，造成台站观测到的数据出现各种随机曲线变化[5]。

2.1.3 供电故障

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，此次道路施工期间，也将地电台部分电杆进行了迁移(图3c)。

2.1.4 仪器标定

2018年3月26日拦隆口台对仪器进行标定，标定期间关闭数采时由于电流的冲击数据产生一个向下的突跳。标定过程中数据“走直线”至标定结束后，打开数采时再次受到电流的冲击，产生一个向上的突跳，标定完成后数据恢复正常变化形态(图3d)。

图3 观测系统故障

在实际工作中，由于一些特殊情况需要将地电场观测外线路暂时断开，按规范要求每年固定时间需对仪器进行校准，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。

2.1.5 地电阻率同场干扰

地电场和地电阻率同场地观测的台站，地电场仪记录到地电阻率观测产生的人工电场，从而产生干扰。ZD9A-2B地电场仪采取了一种“波形”识别控制方式，通过实时检测和识别地电阻率人工供电波形的上升沿和下降沿，对该已知源干扰进行动态处理[6]。从(图3e)中可以明显的看到拦隆口台观测数据受到地电阻率观测每小时测量对电极的充电，产生每小时一次的高频脉冲，最大变化幅度达到6.24 mv/km。

2.2 环境干扰分析

环境干扰包括场地环境干扰和自然环境干扰两部分。场地环境干扰是指观测点周围场地表面发生的所有变化，如载荷、振动、基建、抽蓄水、灌溉、城市轨道交通、高压直流输电、金属管网及工厂运行等改变测区环境的干扰因素。自然环境方面的干扰因素包括气温、气压、降雨及雷电等与大自然相关的气象因素[7]。

2.2.1 地磁暴

磁暴干扰是指在磁暴发生过程中对地电场数据引起的大幅度变化的自然现象。在磁暴发生期间，全国各地电场台站都会同时记录到异常波动，从而改变地电场观测中常规的日变形态。结合地磁观测K指数≥ 6时，我们判定为发生磁暴，在长短极距与各个方向全部受到影响，而且干扰形态基本一致[8]，持续时间与干扰强度也都大同小异。全球一致性与信号幅度较大是磁暴干扰的基本特征[9]。

磁暴每年都会发生多次，地电暴和磁暴具有同源性，场源起源于太阳日冕物质抛射事件，由太阳活动引起的固体地球外部的空间电流体系活动，是大尺度空间同时发生的电磁现象[10-11]。地电暴期间，各台站不同极距、不同方向均能记录到同步的高频或脉冲异常信息，在一定区域内对电场同方向长、短极距的影响是同步的，异常的持续时间、强度与磁暴的持续强度呈很好的正相关[12]。地电场的最大变化幅度可达正常日变化的4～5倍，地电场各测向的相关系数也会升高[13]。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地磁暴变化，地磁暴发生之前，地电场日变化正常，地磁暴发生后，日变化形态明显被打乱，且5个地电台站数据曲线畸变时间同步，变化形态也基本一致，开始时地电场日变化明显被打乱，其异常主要表现为脉冲形状，其变化幅度随着磁扰强度的增强而增大，地磁暴活动结束后，地电场数据也随之恢复正常(图4)。

图4 地磁暴

2.2.2 降雨(融雪)、农田灌溉干扰

降雨(融雪)、农田灌溉干扰也是影响自然电场变化的重要因素。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。降雨(融雪)、农田灌溉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。测区雨水、雪水下渗引起地电场观测数据突跳或阶跃、短时间内大幅上升或下降，表现形态一般为趋势性的漂移变化。此类变化形态、幅度与降水量的大小、时间长短以及介质的渗透参数等诸多因素有关。降雨对测区环境的影响属局部自然电场发生变化从而导致地表电性结构发生改变，一般在一、两天后恢复复正常日变形态[14]。白水河台2018年8月1日、5～8日测区有降雨，降雨开始后在短时间内数据出现大幅度畸变，并且随着渗水量的增加，数据的畸变幅度也开始增大，随着降雨逐渐的结束，观测数据曲线开始逐步恢复到正常日变形态(图5a)。

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1.73 mv/km。如图5b所示，此类干扰随着水分的蒸发而消失，观测数据曲线会逐步恢复到正常的日变形态，一般需要持几天[15]。

拦隆口台2018年4月14日开始农民对农田进行浇灌，观测数据在短时间内出现大幅度的畸变，并且渗水量越多引起的台阶也越大。随着浇灌的结束，水分逐渐蒸发，农田干涸，观测数据曲线会逐步恢复到正常日变形态(图5c)。

2.2.3 雷电干扰

雷电属于一种场电物理变化现象，其各种放电形式、量度取决于雷暴云电场，在大气电场中与地表面地壤电导率及地电场变化强弱有关。大气电场与地电场除其他物理量的相互交换外，还有电的交换(相互作用)，雷电为其相互作用的产物,雷电会引起数据波动和扰动，未架空线路迅速传播的雷电波会对电子记录设备造成冲击，强雷电甚至造成仪器毁坏和停测[16-17]。2018年6月7日白水河台受雷雨天气影响，观测数据在16～21时受到明显干扰，在放电期间观测曲线日变形态发生畸变，观测值明显偏离正常变化，呈现出台阶变化。其中北南向长极距最大变化日幅度为359.64 mv/km为日正常变化的4～5倍，雷电天气结束后，数据逐渐恢复正常日变形态(图5d)。 在无雷暴云天气现象时，大气电场与地电场在场电疏密区呈相对平衡状态，形成对立统一的自然场电动态体系[18]。

2.2.4 大风干扰

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[19]，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[20]。

青海省深居内陆，远离海洋，又受地形影响，大部分地区属非季风区，降水量较同纬度的东部地区稀少，并且是全国大风(指8级以上的风)较多的地区之一，年平均大风日数以青南高原西部为最多。

大风干扰对白水河台、金银滩台和拦隆口台3个架空工作方式的地电场观测数据影响较大，金银滩台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，最大变化日幅度为18.33 mv/km，大风天气结束后数据形态恢复正常(图5e)。

图5 环境干扰

2.2.5 工频干扰

在地电场观测中，由电力系统产生的工频干扰(50 Hz及其倍频)是一种普遍存在的电磁环境干扰，俗称游散电流，又称杂散电流[21]。从图5f中可以看出拦隆口台地电场从2018年7月21日开始于每晚23时至凌晨6时开启路灯照明系统，地电场数据受到路灯漏电影响引起数据发生变化，均表现为台阶式突变，其阶跃突变与路灯照明系统的开关时间一致。路灯架设在地电观测场地周边，在开灯的瞬间，由于路灯线路漏电，引起路灯电杆附近土壤电位的变化，影响了埋设在土壤中的地电场观测仪器电极间的电场[22]。之后在路灯打开的状态下，入地电流保持稳定不变，周边电场亦在这一状态下保持不变，随着早上路灯熄灭的瞬间，之前路灯漏电间产生的入地电流随之消失，使得仪器所观测到的电位重新恢复至正常状态。路灯等用电系统漏电引起的数据干扰变化的特征主要表现为：观测数据以阶跃型突变为主要形态，阶跃幅度为正常背景的数十至上百倍，阶跃时间点与用电设备系统的启动、停用时间完全一致，并随着用电系统的启动和停用呈现出正反交替的周期性变化[23]。

3 结论与讨论

青海省地电场干扰因素主要有观测系统、降雨、融雪、农田灌溉、工频干扰、雷电干扰和地磁暴等，干扰数据形态表现为突跳、台阶、数据漂移及数据畸变等。

(1)观测系统故障一般通过检查能够及时发现原因，在有备机备件的情况下，可以及时恢复，如果没有备机备件，则会延长仪器的故障时间。

(2)环境干扰是工作中不可避免的，地电暴和地磁暴通过参考地磁数据及进行多台对比较容易识别，架空方式工作的白水河台、拦隆口台和金银滩台受到大风、打雷、降雨(融雪)的影响比较大，地埋方式工作的都兰台和大武台受环境干扰的因素相对较小。环境干扰的季节性较明显，可以增加巡检次数，及时了解测区情况。

(3)地电场地的选择应该严格按照地电观测规范要求，结合当地的气候条件来决定采用哪种敷设方式，架空和地埋各有其优缺点，找到适合本省的敷设方式。

本文对青海省地电场观测中的典型干扰情况进行了简单分析，具有区域性的特征，通过分析我们可以确认部分干扰源，可以进行一些针对性的措施。只有正确识别这些地电场观测数据的干扰变化，才可以对前兆异常数据的提取及为地震预报提供可靠的观测数据。