西安鄠邑台低频电扰动异常初步分析

唐好丛 朱 林 任慧琼

（中国陕西 710018 西安市地震监测中心）

0 引言

地震孕育过程中，岩石发生破裂会产生低频电磁辐射。研究表明，电磁扰动异常是地震前较敏感的地球物理观测异常。通过研究汶川地震和玉树地震前后的地电场、电磁扰动资料，认为震源孕育中激发的电磁辐射是造成震前电磁扰动的主要原因（范莹莹等，2014）。对芦山地震与岷县—漳县地震前电磁扰动异常变化的研究（刘君等，2015）以及对河北省及邻区电磁扰动观测资料的研究（乔子云等，2012）表明，震前电磁扰动观测记录均出现明显的高值突跳异常。但是由于观测技术和观测环境等因素的影响，在目前电磁扰动观测中常会出现与地震孕育及地壳区域应力状态无关的变化。研究表明，数字电扰动的主要干扰因素为供电或漏电干扰（乔子云等，2017）。对西安市鄠邑地球物理观测台（下文简称鄠邑台）低频电扰动观测数据进行研究，通过观测环境调查、观测资料对比分析、现场灌水试验等，探讨异常出现原因并尝试提出改善电磁扰动观测效果的建议。

1 研究背景

1.1 鄠邑台低频电扰动异常概述

鄠邑台配备珠海泰德公司生产的TDW-26 型电磁传感器，共4 个测项，分别为低频电扰动NS 向和EW 向、低频磁扰动NS 向和EW 向。该传感器的工作原理是，利用螺旋线圈感应环境电磁场变化。传感器频率响应范围为0.01—20 Hz，灵敏度≥2 mV/nT，测量范围为±1 000 nT，分辨率为0.1 nT。

自2013 年10 月仪器安装以来，鄠邑台电磁扰动各测项观测值平稳。2014 年8月，低频电扰动NS 向测值出现交替性波动异常，2015 年6 月恢复平稳。2016 年6月起，该测向测值突跳异常重新出现，且持续时间增加，春夏季异常现象较秋冬季活跃。鄠邑台低频电扰动测值稳定时处于±10 mV·km-1范围内，突跳最高值可达±2900mV·km-1，突跳日均值±250 mV·km-1左右（图1）。

图1 鄠邑低频电扰动日均值观测值Fig.1 The daily average observations of the low-frequency electric feild disturbances at Huyi Seismic Station

1.2 鄠邑台概况

鄠邑台位于西安市鄠邑区城区西北4 km 处，地貌上属于秦岭北麓山前洪积扇扇缘洼地，构造上属于渭河地堑。鄠邑台所在位置无断裂带穿过，但30 km 范围内，南有秦岭北缘断裂，北有渭河断裂，东有长安—临潼断裂（图2）。

图2 西安市鄠邑地球物理观测台位置Fig.2 The tectonic structure at Huyi Seismic Station

鄠邑台附近地区历史上发生多次中强地震，其中100 km 范围内曾发生过公元前780 年岐山7 级地震，1487 年临潼、咸阳间61/4级地震和1568 年西安东北63/4级地震。1970 年以来该区地震活动相对较弱，3 级以上地震发生10 次，影响较大的地震有1988 年周至3.8 级地震、1993 年4 月21 日周至3.0 级地震、1998 年泾阳4.8 级地震和2009 年高陵4.4 级地震。

2 异常分析

2.1 观测环境调查

调查发现，鄠邑台周边主要为农田，南侧有公路，东北方向为新建垃圾压缩站施工工地，西侧民居发现内有小加工作坊。以上干扰源距离均大于《中华人民共和国地震行业标准——地震地电观测方法电磁扰动观测》（DB/T 35—2009）中要求的干扰源避开布极区最小距离，由此排除周边环境干扰。

2.2 观测仪器排查

2018 年对仪器进行标定，结果正常，仪器运行良好。由于低频电扰动NS 向与EW 向观测原理相同，且EW 向测值持续稳定，将数据采集器NS 向与EW 向通道对调，突跳数值随之转移到数据采集器的EW 向通道，NS 向通道数值趋于平缓。同时，鄠邑台其他测项测值平稳。因此，测值突跳异常非数据采集器故障所致。

2.3 与周边其他台站观测数据对比

西安市共分布7 个电磁扰动观测台站，分别为灞桥台、未央台、高陵台、阎良台、周至台、鄠邑台和新城台。其中灞桥台、未央台、高陵台、周至台、新城台自建台以来测值均平稳变化，未出现明显异常（图3）。阎良台电磁扰动观测因探头布设区距主干道较近，长期受到行驶汽车影响，测值波动较大（图3）。

2.4 空间电磁环境分析

磁暴、气候变化引起的地球电磁场变化会对电磁扰动观测产生影响。Dst指数可用来监测全球环电流感应场的强度，当Dst指数≤-30 nT 时，即定义为磁暴。选用2019 年7月Dst指数（图4）（数据来源：http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/dst_realtime/index.html），与鄠邑低频电扰动观测资料（图5）进行对比。在电扰动异常发生前后，无较强空间电流活动出现，即鄠邑台低频电扰动异常变化与空间电磁环境变化无关。

图4 2019 年7 月Dst 指数Fig.4 Variation curve of geomagnetic Dst index in July 2019

图5 鄠邑台低频电扰动观测值Fig.5 The low-frequency electric field disturbances at Huyi Seismic Station

2.5 电磁扰动观测常见干扰

电磁扰动观测通常会受到观测系统自身运行不正常（如仪器电源部分故障、供电电压偏低引起仪器不正常工作等）的影响。仪器自身运行不正常会引起自激干扰。一般此类干扰会引起电磁扰动观测值出现高值突跳异常，且持续时间较短，仪器恢复正常干扰自动消失，对测值影响不大（李桂清等，2004）。

研究表明，降雨与电磁扰动观测的季节性变化之间存在较好的相关关系，特别是井下传感器会受到降雨与水位变化的影响。如金寨台电磁扰动观测数据与年降雨量有一定相关关系（陶方宇等，2018）。

随着城市化建设与工业的发展，电磁扰动观测台站通常会受到人工电磁干扰。分析发现，人工电磁干扰主要有：城市轨道交通干扰、超高压直流输电干扰、地电阻率观测干扰、车辆行驶产生的干扰等（谢凡，2011）。

2.6 与降雨的对比分析

分析发现，鄠邑台低频电扰动NS 向测值异常与降雨有一定相关性。将2014 年以来低频电扰动NS 向测值突跳异常与降水量进行对比，分析发现，自2016 年以来，异常与降水量对应关系较好，特别是2020 年的几次强降雨，测值均出现突跳现象（图6）。

图6 鄠邑台低频电扰动北南向测值与降水量对比Fig.6 Comparison of low-frequency electric field disturbances and rainfall at Huyi Seismic Station

2020 年5 月以来，降雨与测值异常对应较好。降雨后测值出现突跳，强降雨引起的突跳测值较高，弱降雨突跳测值较低。如果降雨持续时间较长，测值会长时间反复突跳。测值突跳一般发生在降雨出现后约0.5—1 h，降雨过程中突跳持续出现，降雨结束后测值高值持续一段时间后趋于平稳。在长时间无降雨时测值基本处于平稳状态（图7）。

图7 低频电扰动NS 向测值与降水量短趋势对比Fig.7 Comparison of the NS component observation of low-frequency electric field perturbations and rainfall

2.7 灌水试验

为了进一步研究降雨对低频电扰动NS 向测值的影响，2020 年6 月在传感器上方场地进行灌水试验。灌水时长为0.5 h，灌水量约0.5 m3，传感器上方土壤湿度与降雨所致基本相同，但低频电扰动NS 向测值未发生明显变化。

在管线处灌水，低频电扰NS 向测值出现突跳，最大幅度达-1 710 mV·km-1，灌水停止后测值逐步恢复平稳（图8）。通过灌水试验初步确定，低频电扰动NS 向测值异常与地上部分管线进水有关。

图8 现场灌水试验对应测值Fig.8 Field water fill test

2.8 鄠邑台电磁扰动观测异常处理

灌水试验后，发现管线接口连接处有松动，部分线路套管出现破损。将接口和破损处进行修补，并用防水胶布进行加固。经此处理后，低频电扰动NS 向测值突跳幅度明显减弱。

线路套管维护后，台站附近无降雨天气，低频电扰动NS 向测值持续平稳变化。2020 年8 月26 日鄠邑台出现降雨，低频电扰动NS 向测值波动不大，降雨干扰得到抑制（图9）。

图9 维护后鄠邑台低频电扰动NS 向测值与降水量对比Fig.9 Comparison of low-frequency electric field disturbances with rainfall after maintenance

3 结论

（1）西安市鄠邑台低频电扰动观测区域周边环境无明显改变，未发现明显干扰源，低频电扰动NS 向测值突跳现象为单点单项异常。

（2）通过对仪器传感器、供电系统、采集系统逐一排查及仪器标定，认为观测仪器运行正常。

（3）通过对观测资料对比分析并进行灌水试验，发现此次异常应为雨水沿线路套管破损处渗入受损线路所致，排除地震地球物理异常。

（4）对观测管线进行维护，降雨对线路的影响基本消除，测值突跳现象得到有效抑制。

针对电磁扰动观测常见干扰，提出以下建议：加强台站观测环境保护，严格按照各类干扰源的最小距离标准设置观测环境保护范围；加强对观测系统的维护，需定期对管线进行检查。