翁田台地电场观测受干扰的因素分析＊

张华美 刘 阳 陈祥开 张 帆 叶向顶

（海南省地震局，海南海口570203）

引言

地球表面天然存在的电场，因根据场源的不同可区分为大地电场和自然电场。大地电场为地球表面存在的天然变化电场，它与地磁场中的变化磁场相伴生，是由固体地球外部特别是电离层中的各种电流体系与地球介质相互作用，产生的分布于地表的感应电场，具有全球性或较大区域性特征。在地震预测研究中，地电场主要研究对象DC～0.1 Hz频带内的地表电场强度及其随时间和空间的变化规律，并在此基础上探索可能与地震孕育过程的关联以及将地电场观测用于地震预测研究实践的途径和方法[1-13]。因此，保证观测系统的正常运行，数据的准确性是至关重要的。

本文主要对文昌翁田台的地电场观测数据受干扰的情况进行分析，通过排查和比测，进而判断可能影响数据质量的因素，为观测系统的维护维修提供有力依据，从而提高该台站地电场观测系统维修效率及数据质量的准确性。

1 台站概况

1.1 台站的地理位置

文昌翁田台（以下简称为翁田台）位于海南省文昌市翁田镇抱虎岭东南脚下（19.96°N，110.87°E）（图1），高程约50 m，西北距海约4 km，地势平坦。周边为农田和荒地，远离人群活动圈，通信、供电和交通条件良好。

图1 文昌翁田台的地理位置图Fig.1 Location of Wengtian station in Wenchang

1.2 台站电极布设方式

文昌地电台场地限制，根据现场实际情况，翁田台地电分项方位分别为：北偏西5°，两个方向夹角95°。具体布设为：长极距（NS向O1B1123 m，EW向O1A1109 m，NE向A1B1172 m），短极距（NS向O2B2105 m，EW向O2A299 m，NE向A2B2144 m）（图2，图3）。长极距3个方向测道称为第一装置，短极距3个方向测道称为第二装置。

图2 台站平面分布图Fig.2 Plane distribution map of the station

图3 地电场布极图Fig.3 Electrodes arrangement of geoelectric field

1.3 台站仪器基本情况

翁田台始建于2009年，起初为测震观测台，海南“十一五”地震背景场项目建设时期，新增地电场观测项目。该台站为无人值守台站。台站地电场仪器于2012年12月安装，2014年6月6日起试运行，2015年8月18日通过国家局验收。2016年1月13日，安装辅助观测气象三要素仪器，仪器运行正常。台站使用的电极是Pb-PbCl2固体不极化电极；电缆线采用的是广州珠江电缆厂生产的YJV22系列2×4（2芯4 mm2）铜芯铠装电缆。

2 存在的问题

文昌翁田台地电场仪器自2014年开始试运行，数据连续运行良好且稳定；至2017年由于电极老化造成数据不稳定，2017年11月更换电极后，数据质量稳定，日变化明显且日相关性非常好，日相关系数保持在1左右。但也会有一些日相关系数不稳定的情况存在，主要是由降雨及观测系统造成的（图4和图5）。

图4 2018年1月翁田台日变曲线图Fig.4 Daily variation curves of Wengtian station in January 2018

图5 翁田台日相关系数图Fig.5 Daily correlation coefficient map of Wengtian station

从2019年3月20日起翁田台地电场NS向长极距观测日相关系数，出现逐渐下降趋势，甚至出现负值情况；EW向日相关系数在2020年3月18日开始下降至0.5以下，无法达到地电场观测规范要求（图6）。NS向长极与短极日变化曲线形态也不一致，呈反向变化形态（图7），并出现外线路绝缘度下降趋向于零等情况。

图6 日相关系数图(2019-03-01—2020-02-28)Fig.6 Daily correlation coefficient map（2019-03-01—2020-02-28）

图7 地电场NS向长短极曲线图Fig.7 North-south long and short pole curves of geoelectric field

3 干扰因素分析与排查

为了弄清楚干扰因素，解决数据干扰问题，对翁田台的地电场观测系统进行逐一的检查。

ZD9A-2B型大地电场仪观测系统是由装置系统和测量系统组成（图8）。室外测量电极被埋入电极坑内后，将采集到的大地电场信号通过电极引线、测量线、避雷装置等传输给室内的ZD9A-2B型大地电场仪存储处理，ZD9A-2B型大地电场仪将一天的数据包通过RJ45接口发送至省局台网中心做进一步分析处理。

图8 ZD9A-2B型大地电场仪观测系统框图Fig.8 Block diagram of ZD9A-2B geodetic electric field instrument observation system

3.1 室内观测装置系统排查

室内观测系统主要由仪器主机、防雷器装置和测量电缆线组成。目前测量电缆线与主机连接线通过卡槽器直接相连，仪器主机自2019年3月后标定6次，标定结果均合格（标定仪器2019年底送检，检查结果合格）。因此，排除了可能由室内观测装置系统带来干扰影响的因素。

3.2 室外外线路排查

常规外线路故障主要包括线路虚接与断开、线路漏电、线路连接错误等。当发生故障时，观测数据会出现两道或多道数据较大幅度的同步非正常变化。翁田台大地电场的电缆线由观测室分6条独立电缆线铺设至电极墩。翁田台地电场数据出现干扰问题后，我们分别对以下可能存在影响的因素进行了排查：①电缆线绝缘电阻的测量（表1）；②电缆线从观测室引出部分是否存在破损；③电缆线与电极引线接头是否漏电；④分别对NS向与EW向长极与短极进行电缆线比测实验。对外线路逐一排查的结果为：公共极长极与短极绝缘度为12 MΩ和15 MΩ；北南向与东西向长极与短极绝缘度低至0.2 MΩ；电缆线从观测室引出部分电缆线无破损现象；电缆线与电极引线接口无漏电现象。

表1 外线路绝缘度测量表（单位：兆欧）Table1 External circuit insulation measurement table （unit：MΩ）

为了进一步证明电缆与干扰源的关系，我们采用比测实验方式进行验证。

（1）2019年12月26—28日进行了NS向电缆线比测实验。实验目的是为了检测长极与短极电缆线绝缘度下降是否对数据造成影响并检验电缆线是否存在故障；实验结果为：①电缆线更换前后数据变化不大，数据变化形态没有改变；②NS向日变曲线变化不大（图9）。

图9 更换NS向长极与短极电缆线数据图Fig.9 Data diagram of replacing the long and short pole cables of north-south direction

（2）2020年9月3—4日进行了EW向电缆线比测实验。实验目的是针对EW向电缆线绝缘度趋向于零，电缆线对数据的影响情况。实验结果为：①电缆线对EW向短极数据影响较大，旧电缆产出的数据失真；②电缆线对东西向长极数据影响不大（图10）。

图10 更换EW向长短极电缆线前后对比图Fig.10 Comparison chart beforeand after replacing thelong and short polecablesof east-west direction

3.3 电极排查

地电场测量电极故障可分为两大类，一类为电极与线路连接处故障，主要为线路锈蚀造成的接触不良，可以进行现场排除；另一类为电极老化，包括电极与土壤接触不良和电极超过使用时限等，需要在附近地表埋设检测电极进行对比分析，确认后，需要对故障电极进行更换。电极故障特征如下：电极故障直接影响与之相关的测道数据，变化特征为不规律数据跳动；电极一旦出现故障，若不经过处理，不能自行修复；异常变化有可能朝单一方向缓慢漂移而不能自行恢复[14]。

3.3.1 电极与线路连接处排查

在现场我们对电极与线路连接处进行检查，发现连接电缆线有锈化现象，因此，剪切锈化部分后将电缆线与电极引线直接连接。之后再进行检查连接处，无锈化现象存在。

3.3.2 电极排查

对电极我们进行了2次三角形闭合回路测量和1次比测排查工作：

（1）针对NS向长、短极和公共极是否存在故障等问题，采用闭合回路测量，原理为：NS和EW向长极（短极）及公共极之间相当于一个三角形闭合回路，使用万用表两两测量NS、EW和NE之间的值，其和趋向于零，即：

① 2020年9月3—4日闭合回路测量结果为：长极，VNS=16.3 mV，VEW=−18.6 mV，VNE=3.4 mV；三者之和趋向于零。因此，NS向长极与EW向长极电极是正常的。测量短极时北南NS向短极数据不稳定，一直在跳动，故而判断NS向短极存在故障现象。

② 2020年9月21—23日再次进行闭合回路测量：测量结果与3—4日测量结果一致，NS向短极数据依然不稳定，一直在跳动，因此，判定NS向短极存在故障。

（2）电极比测实验：2020年9月21—23日同时还进行了电极比测实验。实验操作：①用测试电极替换公共极长极与NS向短极电极；②使用新的电缆线（电线）替换NS向短极电缆线、EW向短极电缆线和EW向长极电缆线（图11）。实验结果表明：NS向短极电极故障，公共极长极电极故障和EW向短极电缆线故障，导致数据失真（图12）。

图11 电极比测实验图Fig.11 Test diagram of electrode comparison

图12 电极比测曲线实验图Fig.12 Experimental diagram of electrode comparison curves

4 解决办法

（1）更换电极：①2020年7月22—23日更换NS向长极与短极电极。更换后，效果不理想，长极与短极日变化趋势仍不一致，日相关系数也没有上升，未达到我们预期的效果；并且NS向短极还出现数据上漂（大于仪器观测范围）和不定时的突跳干扰现象（图13和图14）。②2020年10月26—27日对NS向短极与公共极长短极电极进行了更换。更换后，数据曲线变化一致（图15），日相关系数达到0.8以上（图16），达到地电场观测规范要求。

图13 地电场2020-08-04—13日变曲线图Fig.13 Daily variation curves from 2020-08-04 to 13

图14 NS短极出现不定时干扰曲线图(2020-08-06—19)Fig.14 Irregular interference curves of NSshort pole（2020-08-06—19）

图15 2020-11-04—10地电场日变曲线Fig.15 Daily variation curvesof geoelectric field from 2020-11-04 to 10

图16 2020-11-01—12-31日相关系数图Fig.16 Correlation coefficient diagram from 2020-11-01 to 12-31

（2）替换电缆线：更换电缆检测墩至NS向（EW向）短极与长极电极电缆线；更换后，地电场数据日变化明显；NS向长极与短极数据形态呈一致变化；三测道日相关系数恢复达到0.8以上；NS向与EW向四测道电缆线绝缘度达到150 MΩ以上（表2）。

表2 2020年10月27日外线路绝缘度测量表(单位：兆欧)Table 2 External circuit insulation measurement table on 2020-10-27（unit：MΩ）

5 结论

观测数据是否能为地震预报服务关键在于数据的准确性。海南文昌翁田台地电数据质量下降，为了查找干扰源，从仪器本身出发，根据工作原理，再剖析观测数据相关因子，进而解决干扰因素。文昌翁田台大地电场观测数据受干扰的影响因素，经过一系列检查和排除，最后确定为电极故障与电缆线破损造成绝缘度下降。根据对翁田地电台干扰因素排查工作，获得以下几点结果：

（1）地电场日变化曲线良好，NS向长极与短极、EW向长极与短极、NE向长极与短极日变曲线呈一致变化趋势；

（2）长极距三测道日相关系数恢复到0.8以上；

（3）NS向与EW向四测道电缆线绝缘度达150 MΩ；

（4）目前NS向长极与EW向长极偶尔会出现台阶干扰现象，怀疑此现象是由公共极长极电极不稳定造成的。

（5）EW向短极与NE向短极偶尔出现向上缓升后，经过几小时或十几小时后缓降的干扰现象，此干扰需进一步查明原因。