山東地區地電場觀測資料分析研究*

董曉娜，魯成義，曲利，蘇道磊，張慧峰，劉海林

(1.山東省地震局，山東濟南250014;2.馬陵山地震臺，山東郯城276114;3.濟南市地震局，山東濟南250001;4.安丘地震臺，山東安丘262100)

山東地區地電場觀測資料分析研究*

董曉娜1，魯成義2，曲利1，蘇道磊3，張慧峰1，劉海林4

(1.山東省地震局，山東濟南250014;2.馬陵山地震臺，山東郯城276114;3.濟南市地震局，山東濟南250001;4.安丘地震臺，山東安丘262100)

介紹了山東地區7個地電場觀測臺的概況，選取各臺2007～2011年的觀測數據，從資料的完整性、內在質量 (包括相關系數和歸零差值)、數據變化及受干擾情況等幾個方面進行了分析和探討。結果表明:各臺地電場觀測資料保持了較好的連續性和完整性，數據能夠滿足分析預報使用的要求。從數據質量來看，郯城、菏澤、陵陽和大山臺的數據較好，其相關系數大于0.95，更換電極后歸零差值控制在1 mV/km左右，可為地震預測研究提供可靠的數據資料。在數據變化形態方面，山東地區地電場變化形態多數屬于潮汐型地電場，日常觀測中，主要受到了地電暴、雷電及外線路故障等干擾。

地電場;數據連續性;日變特征;山東地區

0 引言

地球表面存在天然的變化電場和穩定電場，總稱地電場。地電場是重要的地球物理場之一，地電場觀測主要觀測其地表分量及時空變化。根據不同的場源，分布于地表的地電場可劃分為大地電場和自然電場，大地電場是由地球外部的各種場源 (宇宙射線、太陽輻射與太陽風、地球自轉以及大氣層變化等)作用在地球表面感應產生的分布于整個地表或較大地域的變化電場，一般具有廣域性。自然電場是由地下場源產生的，是地下介質電性結構、地表、裂隙流體及地下金屬體的物理、化學變化引起的局部性電場變化，一般具有局部性 (地域性)。

中國地震系統的地電場觀測始于1966年邢臺地震之后，1985年在甘肅開展數字化地震地電場試測，1990年中國地震局蘭州地震研究所 (CEALIS)與法國國家科學研究院克萊蒙費朗地球物理觀象臺 (CNRS-OPGC)在甘肅天祝建立了中法國際合作地電、地磁場綜合觀測臺。隨著“九五”項目的實施，中國地震局開始了規范化的地電場觀測。“十五”項目完成之后，全國逐步形成了大規模的地電場觀測臺網。多年來，國內外對地電場觀測資料的分析研究取得了大量成果 (Varotsos，Alexopoulos，1984;毛恩桐等，1999;席繼樓等，2002;鄭兆苾，汪雪泉，2005;汪忠德，2008;趙潔等，2009;譚大誠等，2010;葉青等，2007)。通過對觀測資料的分析研究，有助于更好地認識地電場的變化特征，有效識別干擾及異常，從而提高大地電場觀測資料質量，為識別地震前兆異常提供依據。

1 臺站簡介

“九五”及“十五”項目完成后，山東地區共建立了7個地電場觀測臺郯城馬陵山臺 (簡稱郯城臺)、安丘臺、莒縣陵陽臺 (簡稱陵陽臺)、無棣大山臺 (簡稱大山臺)、菏澤臺、乳山臺、鄒城臺 (圖1)。

據張繼紅等 (2010)研究表明:沂沭斷裂帶及其周圍地區是大地震多發區，其附近地區的電性結構復雜，變化多，具有發生強震的孕震環境。沂沭斷裂帶位于郯廬斷裂帶中段，是連接魯西、魯東隆起之間的構造結合帶，其新構造變形沿走向表現不均一，斷裂活動具有明顯分段性 (晁洪太等，1997)。沂沭斷裂帶由4條斷裂組成，從東到西分別為:昌邑—大店斷裂、安丘—莒縣斷裂、沂水—湯頭斷裂、鄌郚—葛溝斷裂。這4條斷裂構成了兩側凹陷、中央凸起的“塹壘”結構。

圖1 山東地電場觀測臺空間分布Fig.1 Spatial distribution of geo-electric field observation stations in Shandong Province

為重點監測沂沭斷裂帶附近的地電場變化，沿沂沭斷裂帶陸續建立了安丘、郯城和陵陽3個觀測臺，其中安丘臺地處沂沭斷裂帶北段，在安丘—莒縣斷裂上;郯城臺地處沂沭斷裂帶中段，跨安丘—莒縣斷裂東側;陵陽臺地處昌邑—大店斷裂帶南端與陵陽—葛河斷裂交匯部位。之后，又相繼建立了其他4個臺。其中，大山臺地處新生代沉降帶埕寧隆起。菏澤臺地處魯西南平原，緊鄰聊考斷裂帶;乳山臺地處牟平—乳山斷裂附近;鄒城臺地處尼山—嶧山斷裂之間。

山東地區7個地電場臺的觀測儀器均使用中國地震局分析預報中心研制的ZD9A－Ⅱ數字化地電場儀，數據產出為1次/min。各臺嚴格按照《地震臺站觀測環境技術要求》 (GB/T 19531.2－2004)和《地震臺站建設規范》(DB/T 18.2－2006)進行了觀測環境勘選，布極區內地形開闊平坦，無鐵、磁管線和其它鐵、磁物體，區內及附近無較大河流、水渠和積水坑，無工業游散電流和其他電磁信號的干擾源產生。

各臺站均采用多方向、多極距觀測方法，即:在兩個以上的方向上進行測量，每個測向至少布設兩個以上的測道。“該方法可以準確判斷數據的可靠性，檢查和排除測量系統中出現的問題，識別降雨、電極極化、場地影響及近場電磁干擾等影響。與之對應的是雙“L”型布極方式，即在測區內共布設3個觀測方向:NS向、EW向及一個斜道方向 (NE或NW，具體方向根據當地實際觀測場地來確定);也可根據測區內地質構造的特點，布設為與臺站附近斷層走向平行、垂直、斜交的3個方向 (席繼樓等，2002)。在3個觀測方向上布設長、短兩個極距，長極距一般大于300 m，以保證高信噪比，長、短極距之比可為2∶1至1.5∶1。各臺線路均采用架空方式，并按照《地震臺站建設規范》(DB/T 18.2－2006)要求，地電臺站測量線加裝避雷裝置后與測量儀器相接，測量線與電極引線之間采用閘刀連接，并做防雨處理。各地電場觀測臺的基本信息如表1所示，布極類型如圖2所示。

圖2 地電場布極圖Fig.2 Poles layout of geo-electric field

2 資料的連續性和完整性

觀測數據的連續性和完整性是地震預測研究對前兆觀測數據的基本要求，通常用數據連續率和完整率來衡量。連續率的統計對象是原始觀測數據，即由測量儀器直接產出的未經任何處理的數據。完整率的統計對象是預處理數據，即按照學科要求經過相應處理后的數據。

連續率和完整率的計算公式分別為

根據式 (1)和 (2)，本文對2007～2011年山東地區地電場觀測數據的連續率和完整率分別進行了統計，結果詳見表2和表3。從表2中可以看出，各臺的連續率較高，5年的平均連續率為98.91%，除剛投入觀測的2007年較低外(96.80%)，其余4年均在99%以上。可見，觀測資料保持了較好的連續性，表明各臺儀器穩定性較高，觀測系統運轉基本正常。

表1 山東區域地電場觀測臺站基本信息表Tab.1 Basic information of geo-electric field observation stations in Shandong

表2 地電場觀測數據連續率(%)Tab.2 Continuous rate of geo-electric field observation data(%)

表3 地電場觀測數據完整率(%)Tab.3 Integrity rate of geo-electric field observation data(%)

相比較而言，完整率總體偏低，從表3中看出，5年的平均完整率為96.06%。投入觀測初期，由于預處理經驗不足及預處理尺度把握上的偏差，導致觀測數據的完整性較差。隨著經驗的不斷積累，每年平均完整率呈逐漸上升趨勢，由2007年的91.34%逐步提高到2011年的99.27%。綜上所述，山東地區7個臺的地電場觀測數據的連續性和完整性能夠滿足分析預報使用的要求。

3 數據內在質量

依據地電場廣域性，通過對同一測向不同測道的觀測數據在時域上進行相關分析和研究，可驗證觀測數據的可靠性，檢驗觀測結果的質量。簡言之，就是通過計算同一測向不同測道觀測數據的相關系數和歸零差值對地電場觀測數據質量進行評判和控制。

3.1 相關系數

由于在同一局部地區，自然地電場是基本穩定的，因此在理論上，同一測向不同測道的數據變化規律應該是比較一致的。用相關系數來衡量在同一方向上的長短極距變化趨勢，若趨勢一致，則說明數據可信度較高;若趨勢不一致，則需要考慮觀測系統是否正常工作，測區內是否存在干擾等。相關系數的計算方法:將每天的1 440個分鐘值數據分別參與計算，然后采用去極值的方法計算其算術平均值，得到該天數據的相關系數。相關系數的公式為

根據公式 (3)，本文對2007～2011年山東地區各地電場臺3個測向長短極距觀測數據的相關系數進行計算，結果詳見表4。從表中可以看出5年的平均相關系數為0.69，基本滿足相關系數不小于0.6的基本要求。從各年均值來看，剛投入觀測時，相關系數較好;隨著時間推移，由于電極老化等原因，相關系數下降較多，由2007年的0.71降至2008年的0.6;2009～2010年，有4個臺站更換了電極，相關性隨之大幅提高;到2011年，相關系數達到了0.83，數據質量保持在較高的水準。從表中可以看出，郯城、菏澤、陵陽和大山臺及震的相關性較好 (更換電極后大于0.95)，安丘和乳山的相關性一般，鄒城則較差。

表4 相關系數Tab.4 Correlation coefficient

3.2 歸零差值

由于在某一局部地區地電場是基本穩定的，因此在理論上，同一測向不同測道觀測數據的變化幅度應該是比較一致的。用歸零差值可以判斷同一方向的觀測數據變化幅度是否一致，是否存在漂移現象。歸零差值的計算方法:首先去掉地電場數據中的背景值。將所有觀測數據與該測道的00:00數據 (或第一個測量數據)相減，得到該測道的歸零日變化數據;然后計算同方向兩個測道歸零數據的差值序列;最后求出差值序列的算術絕對平均值，得到歸零差值。

式中，Xi、Yi為參與計算的兩個測道的分鐘測量數據(i=0，1，2，…)，N為參加計算的數據總數，X0、Y0為每天測量數據的初始值。

根據式 (4)本文2007～2011年山東地區各地電場臺3個測向長短極距觀測數據的歸零差值進行計算，結果詳見表5。從表中可以看出，5年的平均歸零差值為18.69，整體偏大。從各臺站看，歸零差值最好的是大山臺，5年的平均值僅為0.72 mV/km，其他臺歸零差值都偏大。郯城、菏澤、陵陽和大山臺觀測數據的歸零差值較好 (更換新電極后控制在1 mV/km左右)，說明這4個臺同一方向的觀測數據變化幅度比較一致，不存在漂移現象，觀測系統運行正常，具有較高穩定性。其他臺歸零差值則普遍較大，超出技術規范要求，主要原因是電極老化導致觀測系統不穩定，造成的數據變化幅度過大。

表5 歸零差值 (mV/km)Tab.5 Difference of return-to-zero(mV/km)

4 數據變化形態

地電場的變化受地理位置、地下構造、地形地貌、布極環境及觀測裝置系統運行狀況等諸多因素的影響，導致其變化形態呈現多樣性、復雜性的特點。目前，中國大陸地電場曲線的日變形態主要有“峰—谷”型、近直線型、無序變化型和混合型4種類型。

山東區域大部分臺站的地電場曲線形態屬于“峰—谷”型。“峰—谷”型地電場主要起源于潮汐現象，所以又稱為潮汐地電場。潮汐主要通過兩條途徑在地表產生地電場，一種是潮汐力直接作用于巖石，固體潮導致巖石裂隙水周期性滲流，產生過濾電場;另一種則是潮汐力作用于高層大氣后形成空間Sq電流系，通過磁場在地面產生了感應電場。根據產生途徑的不同，潮汐地電場又分為TGF-A型和TGF-B型 (譚大誠等，2010)。

4.1 TGF-A型潮汐地電場

一般情況下，地電場曲線形態呈“峰—谷”型，其記錄臺站多數位于海洋、湖泊等水域附近，因為在大水域附近，觀測到的地電場主要是由固體潮引起裂隙水周期性滲流形成的過濾電場。數據曲線擁有類似形變觀測數據的曲線特征，即:有比較規則的“雙峰—雙谷”形態，呈現連續的近正弦形態，這種地電場稱為TGF-A型潮汐地電場。山東區域僅有乳山臺和陵陽臺屬于TGF-A型潮汐地電場。

圖3 TGF-A型地電場日變形態圖Fig.3 Daily variation curves of TGF-A geo-electric field

乳山臺距離海洋較近，陵陽臺雖遠離海洋和大水域，但其所處的地理位置緊鄰小湖群，臺站西南側約0.2 km處有一個小水庫，北側約0.8 km處有一小水庫，北側及東側約2.5 km處分別有一小水庫。乳山臺日變形態見圖3a，陵陽臺日變形態見圖3b。兩個臺均可觀測到比較明顯的“雙峰—雙谷”形態，且多日的連續形態呈近似正弦形。但從峰值和谷值出現的時間點來看，兩個臺并不同步。乳山臺每日在7時左右及19時左右分別出現1個谷值，在2時左右及14時左右分別出現1個峰值。而陵陽臺每日在3時左右及15時左右分別出現1個谷值，在9時左右及21時左右分別出現1個峰值。兩個臺峰值和谷值的出現的時間相差約4 h，由此可見，TGF-A型潮汐地電場具有一定的區域性。

4.2 TGF-B型潮汐地電場

若臺站附近沒有水域或距離地表水域稍遠，但其地下巖石含水度高、透水性較好，那么觀測到的地電場主要是Sq電流系在地表的感應電場引起裂隙水周期性滲流產生大地電流場。數據曲線特征為:早晚相對平靜呈近直線狀，午時左右出現近正弦波形，連續多天呈近梯形狀，這種地電場稱為TGF-B型潮汐地電場。

山東區域多數地電場觀測臺屬于TGF-B型潮汐地電場，如:郯城臺、安丘臺、菏澤臺和大山臺，各臺曲線形態如圖4所示。從圖中可見，每個臺的波谷時間點相對穩定且一致，早晚相對平靜呈近直線狀，每日午時前后約6小時左右呈近似正弦形態，全天近正弦波形出現間斷，連續多日的形態呈近梯形狀。另外，各臺曲線形態的特征在時間點上具有很好的同步性。因此，TGF-B型潮汐地電場具有一定的廣域性。

圖4 山東區域TGF-B型潮汐地電場日變形態圖Fig.4 Daily variation curves of TGF-B geo-electric field

5 主要干擾

5.1 地電暴

大地電場主要起源是外空電流體系，它與地球外部磁場變化有直接關系。地球外部磁場的變化都會引起大地電場的變化。磁暴是來自外空電離層的天然電磁源之一，磁暴期間地電場會記錄到頻率較高、且幅度較大的擾動變化，一般稱之為“地電暴”。地電暴也是地電場天然背景變化的典型形態之一。地電暴發生時，數據產生突跳，各測向變化幅度可達到正常日變幅度的幾倍以上。由于它是全球同時性的強烈磁擾引起的，因此地電場臺站均可同步記錄到較明顯的波動異常 (張學民等，2006)。

北京時間2011年2月18日9時30分 (對應世界時為2011年2月18日1時30分)發生了地電暴事件，山東區域的7個地電場觀測臺站同時記錄到了該地電暴事件。該事件造成了本區域內7個觀測臺產生了持續約8小時的變化，并且各臺的變化時間段基本同步、變化形態相似、變化幅值近乎相等 (圖5a)。

5.2 雷電

大氣電場與地電場有對立統一性，既相互獨立、又相互影響并形成一種場電變化體系。它們除了其它物理量的相互交換外，還有電的交換，雷電就是它們相互作用的產物。在無雷暴云天氣時，大氣電場與地電場在場電的疏密區呈相對平衡狀態，形成對立統一的自然場電動態體系。地電場是一個相對穩定的、有一定自身變化規律的靜態電場，與大氣電場中雷暴云電場相比梯度要小的多，因為地球表面的電導率遠遠大于空氣的電導率。一般情況下，地電場高頻變化的場源是對流層中的雷電，主要是雷電改變了區域電場分布環境，特別是在雷雨天氣的情況下，雷電通常離得較近，在放電的瞬間，引起數據變化幅度也較大，可達正常時的數倍，持續時間也相對較長(張建國等，2003)。

圖5b為2010年4月22日出現雷電現象時，鄒城地震臺地電場數據變化形態，觀測值明顯偏離正常的變化。從圖中可以看出，雷電期間電場變化特征為:觀測數據離散度較大，特別是在放電期間，因強烈電流瞬間干擾，數據呈現出典型的畸變，地電場變幅可達幾百甚至上千mV/km，可達正常值的幾倍乃至幾十倍，最嚴重時還會將儀器直接擊壞。

5.3 外線路故障

(1)線路開路。2007年9月24日20時29分起，鄒城臺地電場數據各個測向同時出現大的變化，經檢查觀測系統及外線路發現，懸空架設的外線路被盜割。外線路使用的是7×φ1 mm軟銅線，以每檔約50 m計，共盜割約1 050 m，NS向8檔線中的5檔雙線和3檔單線全部被盜割，EW向8檔線中有4檔雙線被盜割，被盜割線路的示意圖如圖5c所示，盜割前后數據變化如圖5d所示。

(2)開關跳閘。2010年3月10日鄒城臺地電場NS向長極距和NW向長極距數據出現異常變化，在9時8分數據突然出現大的突跳。對觀測系統及外線路進行詳查，發現NS向長極距接線盒的空氣開關跳閘，閉合開關后，數據恢復正常。開關跳閘及閉合前后的數據變化情況，如圖5e所示。筆者分析認為此次數據突跳變化系NS向長極距接線盒的空氣開關跳閘所致。另外，存在因線路接觸不良引起的數據突變的可能性，線路接觸不良主要包括:室內接頭虛接 (應作焊接處理)、室外連接開關銹蝕或開關未接觸到位 (應作定期檢查)、避雷器接觸點螺釘未緊固或開關未接觸到位(應作定期檢查)。

6 結論

本文首先對山東地區7個地電場觀測臺的概況進行了簡單闡述，之后對2007～2011年各臺的觀測資料從連續性和完整性、內在質量 (包括相關系數和歸零差值)、數據變化形態和受干擾情況等幾個方面進行了分析和探討。

(1)各臺地電場觀測資料的連續率較高，5年的平均連續率為98.91%，投入觀測當年的連續率是96.80%，其余4年均在99%以上。完整率總體偏低，但呈逐年上升趨勢，由2007年的91.34%逐步提高到2011年的99.27%。總之，山東地區地電場自投入觀測以來，數據保持了較好的連續性和完整性，能夠滿足分析預報使用的要求。

(2)從內在質量來看，郯城、菏澤、陵陽和大山相關系數大于0.95，歸零差值控制在1 mV/km左右 (2011年更換電極后)，質量較好，精度較高，可為地震研究提供可靠的數據資料;而安丘臺、鄒城臺和乳山臺數據質量稍差，部分指標不合格，數據穩定性不高。經初步分析知，觀測環境、儀器穩定性、觀測裝置運轉狀況 (如電極工作狀態、測量線路絕緣及線路接觸情況等)、線路定期保養和維護檢查等都是影響地電場觀測數據精度的重要因素。

(3)在數據變化形態方面，山東地區地電場變化形態多數屬于潮汐型地電場。其中，乳山臺和陵陽臺屬于TGF-A型潮汐地電場，主要特征表現為:可觀測到比較明顯的“雙峰—雙谷”形態，且多日的連續形態呈近似正弦形。郯城臺、安丘臺、菏澤臺和大山臺屬于TGF-B型潮汐地電場，主要特征表現為:每個臺的波谷時間點相對穩定且一致，早晚相對平靜呈近直線狀，每日午時前后約6 h左右呈近似正弦，全天近正弦波形出現間斷，連續多日的形態呈近梯形狀。

(4)在日常觀測中，山東地區地電場主要受到了地電暴、雷電及外線路故障等干擾。地電場觀測中的干擾識別分析和排查，是一個不斷探索和經驗積累的過程，正確識別并及時排除各種干擾，對獲得真實數據、提取有用的地震前兆地電場信息有很大的幫助。

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Research on the Observation Data of Geo-electric Field in Shandong Region

DONG Xiao-na1，LU Cheng-yi2，QU Li1，SU Dao-lei3，ZHANG Hui-feng1，LIU Hai-lin4
(1.Earthquake Administration of Shandong Province，Jinan 250014，Shandong，China)
(2.Malingshan Seismic Station of Shandong Province，Tancheng 276114，Shandong，China)
(3.Earthquake Administration of Jinan Municipality，Jinan 250001，Yunnan，China)
(4.Anqiu Seismic Station，Earthquake Administration of Shandong Province，Anqiu 262100，Yunnan，China)

Introducing the general situation of 7 geo-electric field observation stations in Shandong region，we selected the observation data recorded by 7 stations from 2007 to 2011 and analyzed the integrity，intrinsic quality(including correlation coefficient and zero difference)，the shape of normal daily variation of the geo-electric observation data and the its situation of interferences.The results showed that the observation data kept the continuous and integrity and met the requirements of earthquake analysis and prediction.In the aspect of intrinsic quality，the quality of the geo-electric data recorded by Tancheng，Heze，Lingyang and Dashan stations was high，and the correlation coefficient of data was larger than 0.95，the return-to-zero difference was controlled less than 1 mV/km after replacing the electrode.It could provide reliable data for seismic research.And in the other aspect of daily variation shape，the shape of observation data in Shandong Region was tidal geo-electric field mostly.In daily observation，the data variation shape was mainly affected by various kinds of interferences such as geo-electrical storms，lightning and external line fault.

geo-electric field;data continuity;daily variation characteristics;Shandong Region

P319.3

A

1000－0666(2012)03－0420－09

2011－11－03.

中國地震局2011年度“地震監測、預報、科研”三結合項目 (201125)和2012年度山東省地震局合同制科研項目 (12Q24)聯合資助.