夏县地电场观测系统典型干扰排除方法

刘国俊，李晓锐，刘垚坤，常 姣，姚林鹏

(1.山西省地震局运城地震监测中心站，山西 运城 044400;2.山西地震局，山西 太原 030021；3.太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站，山西 太原 030025)

0 引言

地电场是重要的地球物理场之一，地电场观测主要是观测地电场的地表分量及其时空变化[1]。运城地震监测中心站(以下简称运城站)南晋地电场是“十五”数字地震观测网络项目的新增测项,自2018年投入观测以来,仪器稳定性较好，观测数据连续，精度较高，能记录到静日(地电场曲线呈峰-谷型)、扰日(轻微扰动)变化,正常日变幅度为3～5 (mV/km)。观测以来，主要的干扰因素有观测环境(灌溉、雷电、高压直流)和观测系统(电极极化、仪器设备)。许多专家学者对地电场观测的干扰因素及其抑制技术进行研究。如，席继楼等针对影响地电场观测的主要工频干扰源、干扰方式、干扰机理等开展研究，对现阶段地电场观测领域抑制工频干扰的方法和技术等进行综合性分析和讨论。随着数据跟踪分析工作的推进，相关的研究也继续深入。笔者在综合分析夏县地电场观测数据和现场调查的结果的基础上,梳理出观测系统因素引起的典型干扰异常特征，对出现故障的原因进行分析与排查。

1 夏县地电场观测环境及观测系统

夏县大地电场在地质构造上处于祁连山、吕梁山、贺兰山“山”字形构造的东翼，新华夏系运城凹陷的北东边缘，中条山北麓断裂NE段的北部，中条山山前洪积扇上。观测场地地势较平坦，由东南向西北自高向低呈缓坡延伸，以北为大片平原，以南约10 m处有一条宽30 m，深5～6 m自然形成的河沟，再以南均为山前平原地带。经测试，该区地电场观测值变化小，视电阻率值高低主要受表土、亚黏土、砂、砂砾石及上部地层含水量大小等因素影响。布极区主要位于农田内，测区无影响观测的金属管线。因此，运城站南晋地电场所处的电磁环境符合GB/T l9531.2-2004[2]和DB/T 18.1-2006关于地电场台站电磁环境的要求[3](以下简称《规范》)。

夏县地电场观测系统建成于2018年7月，布极中心点距观测室约42 m，布设北南长、东西长、北45°西长、北南短、东西短、北45°西短六道测线。观测仪器采用中国地震局地壳应力研究所研制的GEF-Ⅱ型地电场仪，采样率为1次/min。电极采用兰州地震研究所研制、兰州高新开发区大地物探研究所生产的固体不极化电极(LGB-3型)，埋设深度5 m。电极布设、电极引线与仪器输入连接符合观测规范要求。信号线使用普通强度橡套软电缆，采用地埋方式，信号线与传感器线连接方式使用铜闸刀，闸刀固定在距地面30 cm不锈钢罩壁上(见第15页图1)。2018年7月1日试运行，2019年1月1日正式观测。自观测以来，观测系统运行稳定，观测数据质量较高，观测系统干扰主要可分为观测装置和观测仪器[4]。

图1 夏县地电场观测系统装置示意图Fig.1 Schematic diagram of Xiaxian geoelectric field observation system device

2 典型干扰检测方法及处理分析

2.1 观测装置典型干扰识别与处理方法

2020年8月15日至18日，地电场观测数据曲线连续出现台阶变化，最大变幅12 mV/km(见第15页图2)。根据《山西省地震异常核实管理办法》，结合《电磁学科观测资料异常变化现场核实工作报告编写要求(修订)》(中震测函〔2014〕65号)开展异常核实工作[5]。

图2 运城站南晋地电场长、短极距测道数据曲线图Fig.2 Curve chart of long and short pole distance channel data of the Nanjin geoelectric field of Yuncheng Seismic Station

(1) 调查核实。

该观测场地(布极区)处于山前洪积扇，地势较平坦，布极区内地形开阔、平坦，无铁、磁管线和其他铁、磁物体，无产生工业游散电流和其他电磁信号的干扰源。对观测环境检查后，未发现可疑干扰源，排除观测环境干扰的可能；地电场观测的供电系统使用UPS交流220 V，避雷接地电阻小于4 Ω，地埋线路绝缘电阻为250～500 MΩ,未发现明显干扰。

(2)分析研判。

六个通道连续三天的观测数据同步出现阶变现象，阶变时间在08时至15时左右，NS、EW、NW长短极距相关系数和归零差值明显降低，三分向长短极距的相关系数均低于0.6，差值大于1.0 mV/km。当两项指标超出《规范》要求的最低限时，需对地电场观测系统的工作状态和场地周边的电磁干扰状况进行检查。由于电极引线与外线路之间采用闸刀连接，用不锈钢外罩保护，闸刀距地面约30 cm,易受潮湿影响。17日下午检查发现6个外罩壁上都有水柱现象，清理后，观测数据呈下降台阶变化；查看中心站气象三要素观测数据，当18日气温发生突变时，地电场观测曲线发生台阶变化，记录曲线伴有锯齿状高频变化(见图3)，推测可能是闸刀铜刀片与夹口及接线座与铜线接触之间，由于空气中水分作用形成氧化铜，氧化铜属P型半导体，有电化学效应，能产生电动势，其强度与环境温度、压力、湿度关系较大，故认为其观测数据台阶干扰变化可能与线路连接点氧化有关(《化学通信》刊登拉杰西沃的论文、《化学和工程新闻》报道提到，氧化铜产生甲醇电化学效率高达95%)。

图3 夏县地电场长极距测道数据与气温数据曲线图Fig.3 Curve chart of long pole distance channel data and air temperature data of Xiaxian geoelectric field

(3) 处置方法。

按照DB/T18.2-2006行业标准，更换铜闸刀为铜线快速接线端子方式连接(见图4)。接线端子使用加厚纯铜导电体，导电性较好，电阻率低，表面有特殊电渡处理，杜绝氧化，外壳采用优质绝缘材料，耐腐蚀、老化。将电极引线、外线路分别接入接线端子两端，每端用双螺丝固定，外表涂上凡士林油防潮防氧化，接线端子由塑料外壳包裹。

图4 运城南晋地电场信号线路整改实物图Fig.4 Physical map of signal route rectification of Yuncheng Nanjin geoelectric field

(4) 处置结果。

对六通道接线端改造后，观测曲线阶变消失，相关系数>0.995，差值<1，数据质量提高。

2.2 观测仪器典型干扰分析与处理方法

2020年10月31日11:17至13:12，北南向长极距出现台阶变化，变幅达23.59 mV/km,伴有大幅脉冲振荡，其他测道均正常(见第17页图5)。结合六通道数据的相关性，初步判断该干扰非场内影响，排除共性干扰(如，供电、ARM控制板、电极)，根据以往工作经验，重点检查主机内的数据采集板。现场打开机箱，发现机内有灰尘。解决方案采用替代法[6]，用第六通道与第一通道采集板交换测试，结果两块板均正常。之后，对采集板接触性进行检查，用酒精擦拭采集板及底座后，数据恢复正常。分析故障原因有两点，一是由于数据采集板插座与插板之间连接铜片氧化，形成氧化铜，导致采集板接触不良(《自然·纳米技术》刊载文章提到，当带磁性的氧化铜晶体尺寸达到纳米级时，会表现出与通常情况相反的负热膨胀现象)；二是仪器机箱内灰尘会对观测数据有一定影响。

图5 夏县地电场长、短极距测道数据曲线图Fig.5 Curve chart of long and short pole distance channel data of the Xiaxian geoelectric field

3 结论与讨论

通过对运城站南晋地电场观测系统典型干扰及其排除方法的分析，可得出如下结论：

(1) 电极引线与外线路连接方式若使用闸刀，闸刀铜片表面可能受地面温度、潮湿影响形成氧化铜，导致信号线路接触不良，造成观测数据质量下降。建议使用接线端子并做好防潮防氧化措施，保证信号线路接触良好，避免数据干扰。

(2) 单通道数据突变一般与数据采集板接触不良有关，应加强日常维护，清理仪器设备的散热孔，保持观测室、观测仪器内部板件清洁，防止器件老化，减少故障频次。观测系统故障多与线路有关，做好导线的绝缘和防氧化工作，有利于排除干扰源，提高地电场观测资料质量。