北京地电台网典型干扰及影响因素浅析＊

王丽红 朱石军 王同利 李菊珍 武敏捷 钟世军

（北京市地震局，北京 100080）

引言

中国地震局各省局区域地球物理台网数据跟踪分析工作自2014 年8 月开始大规模展开，旨在强化数据的质量监控，规范数据处理分析，促进监测预报紧密结合。数据跟踪分析工作使用统一软件，按照相关工作细则和技术规范，以地震台站为基本单元，定期开展，逐级审核，及时分析判定观测数据动态变化、产出事件分析记录并汇集到国家地球物理台网中心网站实现共享[1-2]。数据跟踪分析工作对观测数据的非正常变化进行干扰核实和分析，产生非正常变化事件分析记录，简称事件记录。数据跟踪分析工作的事件类型按干扰类别分为观测系统、自然环境、场地环境、人为干扰、地球物理事件和不明原因6 类。北京市地震局地球物理台网数据跟踪分析工作，在事件分类、事件描述、图形标注等关键环节，规范操作、严格把关，至今产出了大量事件分析记录，在实现了及时分析记录监测数据动态变化的同时，也为地震监测预测研究提供了新型数据产品。对事件分析记录进行归纳总结和分析研究，可提取典型干扰及其影响因素、变化特征，为台网提高观测数据质量、改进学科观测手段提供科学的技术指导，更好地服务地震预测研究[3-11]。

北京地电台网作为北京市地震局区域地球物理台网的重要组成部分，地电观测开始于20 世纪60年代末70 年代初，是全国较早开展地电观测的台网，地电阻率和地电场观测资料多次在全国单项观测资料评比中取得前3 名，在北京及邻区的震情跟踪及地震监测预测研究领域发挥着重要作用。近年来，随着首都城市化建设的快速发展，地电观测受到了越来越多的干扰[12-13]，观测数据质量有所下降。本文基于数据跟踪分析工作，抽取北京地电台网2015 年1月—2020 年12 月的事件分析记录，进行系统整理和汇总分析，研究北京地电台网的典型干扰及其影响因素、变化特征，对如何避免和减小干扰影响给出合理化建议，为提高北京地电台网数据观测质量，更好地应用于地震预测研究提供科学依据和技术参考。

1 北京地电台网概况

北京地电台网现有观测手段为地电阻率和地电场。地电阻率台站有3 个，分别是延庆张庄台、通州西集台和平谷马坊台；地电场台站有2 个，分别为延庆张庄台和通州西集台。作为定点观测台站，延庆张庄台和通州西集台为国家基本台，平谷马坊台为省级区域台。3 个地电台站分布在京西北、京东南和北京东部的断裂带附近，可以有效捕捉北京及邻区震前地质构造变化产生的地电前兆信息。其中，延庆张庄台位于延矾盆地北缘断裂东南约5 km；通州西集台位于夏垫新断裂东侧约4 km；平谷马坊台位于夏垫断裂和二十里长山断裂交汇部位（图1）。

图1 北京地电台站分布图Fig.1 Distribution map of geoelectric field observation stations in Beijing

地电阻率观测地下介质地电阻率随时间的变化。北京地电台网地电阻率观测布极采用对称四极装置（图2a），布设NS、EW 两个方向测道，NS 测道地下埋设供电电极A1、B1和测量电极M1、N1，EW测道地下埋设供电电极A2、B2和测量电极M2、N2。通过向测道两端的供电电极供入电流I，测量产生在该测道两个测量电极间的人工电位差ΔV。地电阻率ρs的计算公式为：ρs=K•ΔV/I。其中，K为具有长度量纲的装置系数，其大小由电极间相对位置决定。地电场观测对象是地电场地表分量及其随时间的变化，其主要构成有大地电场、自然电场。大地电场场源来自地球外部空间中的各种电流系，自然电场源于地下介质物理、化学作用。北京地电台网地电场观测采用三方向长短极距的电极布设方法（图2b），即在NS、EW、N45°E 3 个方向进行测量，每个方向布设长、短两种极距进行对比观测。长极距3 个方向测道称为第一装置，短极距3 个方向测道为称为第二装置。测道两端地下埋设测量电极，通过计算测道两端电极间测得的自然电位差与极距的比值得到该测道的地电场。北京地电台网地电阻率和地电场观测使用的电极均为1 m×1 m 的铅板电极，厚度0.005 m。电极地下埋设深度除通州西集台地电阻率和地电场的测量电极埋深20 m 外，其余台站电极均埋深2 m。

图2 北京地电台站布极图Fig.2 Electrodes arrangement of geoelectric field observation stations in Beijing

2015 年1 月—2020 年12 月，北京地电台网共有地电观测仪器5 套，其中地电阻率观测仪器3 套、地电场观测仪器2 套。地电阻率观测延庆张庄台使用ZD8M 地电仪，通州西集台和平谷马坊台使用ZD8MI地电仪。地电场观测延庆张庄台使用ZD9A-2B 地电场仪，通州西集台使用ZD9A-Ⅱ地电场仪。2015 年1 月—2020 年12 月，北京地电台网3 个台站5 套仪器数据跟踪分析产出事件记录604 条，占北京地球物理台网事件条数的42%，事件类型包括观测系统故障、自然环境影响、场地环境影响、人为干扰、地球物理事件和不明原因干扰6 类。其中3 个台站5 套仪器由观测系统故障引起事件记录50 条、由自然环境影响引起事件记录38 条、由场地环境影响引起事件记录455 条、由人为干扰引起事件记录19 条，2 个台站3 套仪器由地球物理事件引起事件记录31 条、由不明原因干扰引起事件记录11 条（表1）。

表1 2015—2020 年北京地电台网事件统计Table 1 Statistics of Beijing geoelectric network incidents from 2015 to 2020

2 典型干扰及影响因素分析

2.1 观测系统故障

2015 年1 月—2020 年12 月，北京市地电台网3个台站5 套仪器因观测系统故障引起数据非正常变化，共产生观测系统故障事件记录50 条，其中主机故障16 条，占观测系统故障事件总数的32%，是引起观测系统故障的主要因素。其余分别为地电阻率供电干扰9 条、外线路故障和供电故障各8 条、电极故障5 条、数采故障4 条。分析16 次主机故障发现，平谷马坊台ZD8MI 地电阻率仪发生3 次，通州西集台ZD8MI 地电阻率仪发生2 次，延庆张庄台ZD9A-2B 地电场仪发生1 次，其余10 次均为通州西集台ZD9A-Ⅱ地电场仪主机故障。通州西集台ZD9A-Ⅱ地电场仪主机故障多发的主要原因是该仪器为2009 年出厂，长期使用造成仪器原件老化所致。

例如：2017 年11 月16—18 日，通州西集台地电场第二装置观测数据多时段出现数据突跳、快速变化和阶变，变化幅度为7.84—91.38 mV/km（图3），多次巡视测区、外线路、电极坑，检查室内线路接头、避雷装置、配线板未见异常，经多次重启后，仪器及观测数据恢复正常，确认为仪器主机故障。

图3 2017 年11 月16—18 日通州西集台ZD9A-Ⅱ地电场仪主机故障观测曲线Fig.3 Observation curve of main engine fault of ZD9A-Ⅱ geoelectric field meter at Tongzhou Xiji seismic station in November 2017 from 16 to 18

2.2 自然环境影响

北京地电台网自然环境干扰影响因素为降雨、雷电和融雪等。2015 年1 月—2020 年12 月共引起3 个台站5 套仪器自然环境影响事件记录38 条。其中降雨干扰事件17 条，雷电干扰事件14 条，是自然环境影响干扰的主要影响因素。融雪造成布极区积水引起数据非正常变化事件记录4 条。降雨、融雪影响事件发生在电极埋深较浅的延庆张庄台和平谷马坊台地电阻率、地电场观测。由于地电阻率和地电场的观测电极埋深为2 m，短时快速强降雨或连降小到中雨，均会造成电极处积水引起地电信号幅值快速下降。降雨或融雪结束后随地表水份的蒸发，观测数据几日内逐渐恢复正常。通州西集台地电阻率和地电场观测由于测量电极埋深达20 m，不受降雨影响。雷电是一种场电物理变化现象，在放电的瞬间，能够改变区域电场分布环境，会引起电场观测数据大幅度变化。雷电干扰主要影响地电场观测，造成地电场第一装置、第二装置数据高频脉冲变化和地电阻率观测自然电位北南、东西测向数据快速变化，雷电结束后数据恢复正常。

降雨干扰：2018 年8 月12—13 日降大雨，降水量为61.5 mm，受降雨影响平谷马坊台地电阻率数据下降变化，北南测向地电阻率变化幅度为1.40 Ω•m，东西测向变化幅度为1.48 Ω•m，降雨结束后数据逐渐恢复正常（图4）。

图4 平谷马坊台ZD8MI 地电阻率仪降雨干扰曲线Fig.4 Rainfall interference curve of ZD8MI resistivity meter at Pinggu Mafang seismic station

雷电干扰：通州西集台地电场2017 年7 月4 日07:53—09:18 受短时强雷电干扰，东西、北东向第一、第二装置观测数据出现大幅高频脉冲突跳，变化幅度最大为167 mV/km，雷电过后数据恢复正常（图5）。

图5 通州西集台ZD9A-Ⅱ地电场仪雷电干扰曲线Fig.5 Thunder and lightning interference curve of ZD9A-Ⅱ geoelectric field meter at Tongzhou Xiji seismic station

2.3 场地环境影响

北京市地电台网近年来受场地环境影响严重。2015 年1 月—2020 年12 月，场地环境影响造成测区的区域电场原有分布环境发生变化，共引起3 个台站5 套仪器非正常变化记录455 条，占地电台网非正常变化记录的75%，影响因素主要有城市轨道交通、设备漏电、工程影响、抽水灌溉和高压直流输电等。其中，城市轨道交通引起场地环境影响记录320 条，占场地环境影响事件记录的70%，是北京市地电台网场地环境干扰的主要影响因素，造成3 个台站5 套仪器每日05—23 时观测数据出现密集高频变化。抽水灌溉引起场地环境影响事件记录46 条，占比10%，主要影响延庆张庄台地电阻率观测的自然电位和延庆张庄台、通州西集台的地电场观测，造成数据短时间内快速趋势性变化，一般灌溉结束后几日内数据可逐渐恢复正常。设备漏电引起通州西集台场地环境影响记录35 条，造成原因是由于2017—2018 年北京大七环高速公路建设穿过通州西集台地电阻率和地电场测区，施工期间用电设备漏电致使地电阻率观测数据数倍扰动变化和地电场观测数据大幅高频突跳。工程影响引起延庆张庄台地电场和地电阻率场地环境影响事件记录8 条，主要是由于测区打井、挖沟、建房、修路、路灯修建等施工建设造成测区电性结构改变，加之施工期间用电设备漏电，造成地电阻率观测数据出现突跳及趋势性变化和地电场的数据高频扰动及趋势性变化。高压直流输电影响是近年来随国家电网建设新出现的一种场地环境干扰，主要影响地电场观测，是由于高压直流输电线路不平衡，电流入地产生很大的附加电场造成的。延庆张庄台和通州西集台地电场观测高压直流输电干扰事件记录各1 条，干扰表现为第一装置、第二装置多测向数据呈同步阶跃变化且扰动形态相似，变化幅度不超过10 mV/km，干扰结束后数据即恢复正常。

城市轨道交通干扰：2017 年3 月30 日—4 月1 日，通州西集台地电场观测受地铁6 号线（距测区15 km）、地铁15 号线（距测区38 km）、地铁5 号线（距测区40 km）运行的影响，每日05—23 时第一装置和第二装置各测向数据同步出现密集的高频变化，变化幅度为10—20 mV/km（图6）。

图6 通州西集台ZD9A-Ⅱ地电场仪城市轨道交通干扰曲线Fig.6 Urban rail transit disturbance curve of ZD9A-Ⅱ geoelectric field meter at Tongzhou Xiji seismic station

2.4 人为干扰

人为干扰引起北京地电台网非正常变化记录共19 条，除延庆张庄台地电阻率未受影响外，其余各台地电阻率、地电场均受影响。影响因素为检测检修观测系统、装置系统改造、电阻率交流观测试验和电极检查，造成观测数据缺数或数据突跳、阶变。其中检测检修观测系统引起人为干扰事件记录11 条，占比58%，是人为干扰的主要影响因素。例如：2018 年1 月4 日，为测试延庆张庄台地电场第二装置观测数据趋势性渐变问题，当日15:54 将地电场第二装置与第一装置共用第一装置的中心点O1电极。第二装置电极改变后，测道原有电位差发生变化，造成第二装置北南测向和东西测向观测数据大幅阶变，北南测向阶升144 mV/km，东西测向阶降148 mV/km（图7）。

图7 延庆张庄台ZD9A-2B 地电场仪人为干扰曲线Fig.7 Man-made disturbance curve of ZD9A-2B geoelectric field meter at Yanqing Zhangzhuang seismic station

2.5 地球物理事件

2015 年1 月—2020 年12 月，北京地电台网2 个台站3 套仪器共产出地球物理事件记录31 条，影响因素为地电暴。地电暴与地球磁暴同源，是由太阳黑子活动等造成的强电磁辐射现象，在全球具有广域性，对地电观测的干扰表现为数据高频扰动或脉冲式突跳，变化幅度与地电暴强度正相关，并与地下介质电性结构有关。地电暴造成延庆张庄台、通州西集台地电场高频扰动，延庆张庄台扰动幅度为5—30 mV/km，通州西集台扰动幅度为7—10 mV/km。地电暴也引起延庆张庄台ZD8M 地电电阻率仪观测数据整点值数据突跳。事件记录显示，90%的地电暴事件记录由延庆张庄台ZD9A-2B 地电场仪产生，主要原因是由于延庆张庄台离地铁距离相对于另外两个地电台来说较远（约40 km），观测数据受地铁干扰较小，日变幅一般在4—5 mV/km，能够清晰地记录到地电暴造成的数据变化。例如：2016 年3 月11 日17:44—23:53 地电暴干扰，K指数最大为6，延庆张庄台ZD9A-2B 地电场观测数据第一装置、第二装置各测向均出现数据同步高频突跳，变化幅度为9.675—28.033 mV/km（图8）。

图8 延庆张庄台ZD9A-2B 地电场仪地电暴干扰曲线Fig.8 Geoelectric storm curve of ZD9A-2B geoelectric field meter at Yanqing Zhangzhuang seismic station

2.6 不明原因

2015—2020 年北京地电台网不明原因事件记录共11 条，其中中短期不明原因2 条，疑似故障或干扰9 条。中短期不明原因事件记录发生在通州西集台ZD9A-Ⅱ地电场仪，表现均为第二装置其中一测道数据出现几小时的较大变化。疑似故障或干扰事件记录发生在延庆张庄台，主要是ZD8M 地电阻率仪自然电位1 个测道几日和十几日趋势明显变化各1 次、地电阻率北南测项整点值单点突跳1 次，以及ZD9A-2B 地电场仪第一装置相邻两个测向同步阶跃或短期趋势明显变化、第二装置相邻两个测向的同步阶变。例如：2016 年5 月3—6 日，延庆张庄台地电场第一装置北南测向和北东测向同步出现不明原因下降，变化幅度分别为11.50 mV/km 和9.15 mV/km（图9），同时段内其他测向观测数据正常。检查测区环境未见异常，检测外线路、钢绞线的绝缘性、电极及室内线路等均正常。换备用观测仪器进行观测，该变化依旧存在，判断此变化非前兆异常，疑似故障或干扰。

图9 延庆张庄台ZD9A-2B 地电场仪不明原因干扰曲线Fig.9 Unknown disturbance curve of ZD9A-2B geoelectric field meter at Yanqing Zhangzhuang seismic station

3 讨论与认识

通过对北京地电台网2015 年1 月—2020 年12 月的非正常变化事件记录进行系统整理和汇总分析，研究得出北京地电台网的典型干扰及其影响因素、变化特征，并对如何避免和减小干扰影响给出合理化建议，为提高北京地电台网数据观测质量，更好地应用于地震预测研究提供科学依据和技术参考。

（1）北京地电台网的典型干扰为观测系统故障、自然环境影响、场地环境影响、人为干扰、地球物理事件和不明原因干扰6 类。其中场地环境干扰对地电台网的影响最为严重，占地电台网干扰的75%。

（2）场地环境干扰的影响因素主要有城市轨道交通、抽水灌溉、设备漏电、工程影响和高压直流输电。其中，城市轨道交通影响占场地环境干扰的70%，是主要影响因素，造成地电观测数据每日05—23 时出现密集高频变化。在场地环境干扰不可避免的情况下，开展井下地电观测[14-15]是减小抽水灌溉、设备漏电等场地环境干扰的有效办法。

（3）观测系统故障的影响因素为主机故障、地电阻率供电干扰、外线路故障、供电故障、电极故障和数采故障等。主机故障是观测系统故障的主要影响因素，原因主要为长期使用造成仪器原件老化所致。避免主机故障干扰要做好观测仪器设备的定期维护维修和备机备件。

（4）自然环境干扰影响因素为降雨、雷电和融雪等。其中降雨、融雪主要影响电极埋深较浅（2 m）的延庆张庄台和平谷马坊台地电观测。深埋电极或开展深井观测可有效避免或减小降雨、融雪等自然环境干扰。

（5）人为干扰的影响因素为检测检修观测系统、装置系统改造、电阻率交流观测试验和电极检查等，造成观测数据缺数或数据突跳、阶变。其中检测检修观测系统是人为干扰的主要影响因素。观测人员熟悉观测原理、仪器性能并可正确判断故障原因进行规范操作可最大限度地减小人为干扰。

（6）地球物理事件影响因素为地电暴。地电暴对地电观测的干扰表现为数据高频扰动或脉冲式突跳，变化幅度与地电暴强度正相关，并与地下介质电性结构有关。地电暴干扰影响可在一定程度上反映不同台址条件及观测仪器的映震效能。

（7）不明原因干扰影响因素为疑似故障或干扰及中短期不明原因干扰，多发生在地电场观测相邻两测向同步阶跃或趋势变化。改进装置系统，提高观测人员数据分析研究能力可有效减少不明原因干扰。