嘉山地震臺(tái)大地電場觀測異常干擾研究＊

張偉峰 潘 潔 趙桂寶 宋國華 吳 輝 李露露 肖 攀 宋 馳

（安徽省地震局蚌埠地震臺(tái)，安徽蚌埠233000）

嘉山地震臺(tái)大地電場觀測異常干擾研究＊

張偉峰 潘 潔 趙桂寶 宋國華 吳 輝 李露露 肖 攀 宋 馳

（安徽省地震局蚌埠地震臺(tái)，安徽蚌埠233000）

摘 要地電場觀測是地震電磁前兆觀測方法之一，由于其觀測物理量所受到的干擾因素較多，因此通過對(duì)嘉山地震臺(tái)大地電場觀測中常出現(xiàn)的地電阻率同場觀測干擾、雷電干擾、降雨影響、電極極化、磁暴干擾等5種干擾和典型變化形態(tài)進(jìn)行識(shí)別分析，可有效剔除干擾，從而為提取地震前兆信息，分析和運(yùn)用地電場資料進(jìn)行地震預(yù)報(bào)提供可靠依據(jù)，也為觀測場地大致相同的其他臺(tái)站提供參考。

關(guān)鍵詞嘉山地震臺(tái)；大地電場；干擾類型；變化特征

引言

大地電場觀測作為地震前兆監(jiān)測的重要手段，客觀上受到電暴（磁暴）、人類活動(dòng)、雷電、降水、觀測系統(tǒng)本身變化（包括更換電極）、電阻率測量、公用接地網(wǎng)等因素干擾，為地震前兆信息的識(shí)別帶來困難[1]。通過對(duì)嘉山地震臺(tái)大地電場典型時(shí)段數(shù)據(jù)的處理和分析，認(rèn)識(shí)無震時(shí)大地電場參數(shù)的變化特征，有效剔除干擾，從而為提取地震前兆信息，分析和運(yùn)用地電場資料進(jìn)行地震預(yù)報(bào)提供可靠依據(jù)。

1　嘉山地震臺(tái)觀測環(huán)境及觀測儀器

嘉山地震臺(tái)位于淮陽臺(tái)隆的張公嶺臺(tái)與金湖凹陷之間，屬下?lián)P子地塊，是郯廬斷裂帶東側(cè)離斷裂帶最近的地震臺(tái)之一。印支燕山期，該區(qū)受西側(cè)郯廬斷裂影響，有強(qiáng)烈變形，新生代該區(qū)仍表現(xiàn)上升，臺(tái)基巖性為玄武巖[2]。大地電場觀測儀器采用中國地震局分析預(yù)報(bào)中心研制的ZD9A-Ⅱ數(shù)字化地電場儀，采樣率為1次/min。布極區(qū)內(nèi)地形開闊、平坦，地下水位變化較小，無鐵、磁管線等物體，無工業(yè)游散電流和其他電磁信號(hào)的干擾源。布極區(qū)及其附近無較大的河流、水渠和大面積水坑等。在布極區(qū)布設(shè)了NS、EW、N45°W 3個(gè)方向的測線，采用長、短兩種極距，其長極距為240m，短極距為160m（圖1）。于2007年1月1日正式投入觀測。

圖1　嘉山地震臺(tái)大地電場布極圖

2　正常地電場的變化規(guī)律及特征

地球表面存在著天然變化的電場和穩(wěn)定的電場。變化電場主要是地球外部各種電流體系在地球內(nèi)部感應(yīng)產(chǎn)生的，它們分布于整個(gè)地球表面或廣大地區(qū)，一般具有較小的梯度；而穩(wěn)定電場主要是由礦體、地下水和各種水系產(chǎn)生的，分布于局部地區(qū)，一般具有較大的梯度[3]。變化電場的頻譜范圍很廣，在地震監(jiān)測中一般利用地電場的日變化來研究它與地震的關(guān)系。本文僅討論地電場的日變化，嘉山地震臺(tái)正常的日變化規(guī)律見圖2。電場日變化比較清楚，每天1個(gè)周期，具有雙峰雙谷，日常大地電場觀測本身容易受區(qū)域電磁環(huán)境以及氣候等因素干擾，隨著數(shù)字化儀器靈敏度和采樣率的提高，數(shù)據(jù)中夾雜的各類信息隨之增多，諸如雷電、降雨、直流供電干擾、氣溫（或季節(jié)）變化、震前異常信號(hào)（簡稱SES信號(hào)）等都有可能被記錄到。本文對(duì)嘉山地震臺(tái)在日常工作中遇到的各種干擾做了初步分析。

圖2　嘉山地震臺(tái)大地電場日變化圖

3　震前嘉山地震臺(tái)大地電場曲線圖

2014年7月25日合肥市肥東縣發(fā)生了MS3.2地震，距離嘉山地震臺(tái)約110km，經(jīng)分析，肥東地震前，21～24日嘉山地震臺(tái)東西長極距和東西短極距均出現(xiàn)了較為顯著的異常，該時(shí)段東西向數(shù)據(jù)曲線雙向快速變化異常（圖3），24日10～16時(shí)臺(tái)站周圍出現(xiàn)大的降雨，降雨量達(dá)到49mm，數(shù)據(jù)發(fā)生突跳，25日00時(shí)數(shù)據(jù)出現(xiàn)最大范圍的突跳，00時(shí)48分，肥東發(fā)生MS3.2地震。該大幅度雙向快速變化的地電場異常前兆信號(hào)，表明此時(shí)測區(qū)內(nèi)連續(xù)出現(xiàn)來自震源區(qū)產(chǎn)生的不

穩(wěn)定的電流場的變化。

圖3　嘉山地震臺(tái)大地電場2014年7月肥東震前曲線變化圖

4　典型干擾與觀測問題特征及原因分析

嘉山地震臺(tái)地電場的觀測干擾可以大體分為：①地電阻率同場觀測干擾；②雷電干擾；③降雨影響；④電極極化；⑤磁暴干擾等情況。在地震前兆分析過程中，對(duì)干擾的排除是非常重要的。本文對(duì)觀測中出現(xiàn)的這些干擾情況做了詳細(xì)分析。

圖4　嘉山地震臺(tái)大地電場與地電阻率同場干擾圖

4.1地電阻率同場觀測干擾

對(duì)于地電場和地電阻率同場觀測的地震綜合觀測臺(tái)站，地電場儀器必定會(huì)觀測到地電阻率觀測中產(chǎn)生的人工電場，而使地電場觀測結(jié)果受到嚴(yán)重影響。地電阻率觀測時(shí)需向大地供電，電流一般達(dá)2A，產(chǎn)生人工電場，疊加在大地電場上，對(duì)大地電場產(chǎn)生圈套干擾。目前嘉山地震臺(tái)的地電阻率觀測是1次/h，在地電場觀測的采樣率是1次/min時(shí)，可以通過硬件連接，使兩種儀器的觀測分時(shí)進(jìn)行，在地電場觀測開始時(shí)，電阻率觀測人工供電暫停，以達(dá)到避免干擾的目的。

地電阻率觀測供電時(shí)對(duì)地電場產(chǎn)生的干擾，其日變幅度達(dá)24mV/km以上，而去除干擾后同日的地電場數(shù)據(jù)的日變化幅度為2mV/km左右，干擾幅度為正常日變化幅度的12倍。地電阻率同場觀測產(chǎn)生的干擾，會(huì)降低地電場的相關(guān)系數(shù)，如2014年9月12日，因地電阻率同場觀測干擾，地電場NS、EW、NW向相關(guān)系數(shù)分別為0.860、0.861、0.880；而去除干擾后，地電場NS、EW、NW向的相關(guān)系數(shù)分別為0.917、0.887、

0.888（圖4）。

4.2雷電干擾

雷電屬于一種場電物理變化現(xiàn)象。它的各種放電形式、量度取決于雷暴云電場。大氣電場與地電場有對(duì)立統(tǒng)一性，既相互獨(dú)立、又相互影響，并形成一種場電變化體系。地電場是一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的、有一定自身變化規(guī)律的靜態(tài)電場，與大氣電場中雷暴云電場相比，梯度要小得多，因?yàn)榈厍虮砻娴碾妼?dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空氣的電導(dǎo)率。地球表面還是一個(gè)非均勻各向異性的無限大的導(dǎo)體表面，在這個(gè)導(dǎo)體表面上各種不同的土壤電導(dǎo)率決定著地電場及地物尖端放電的擊穿強(qiáng)弱程度。在外部場電變化的干擾下，兩種或以上的土壤電導(dǎo)率界面就形成帶電離子和自由離子的積累，并構(gòu)成形式各異的尖端放電場強(qiáng)，從而引起電場的畸變現(xiàn)象[4]。從圖5可以看出，08：00～16：00觀測值明顯偏離正常變化，6個(gè)測道的變化幅度達(dá)到72～108mV/km，干擾幅度約為正常日變化幅度的45倍。其表現(xiàn)特征為：觀測數(shù)據(jù)離散度較大，特別是在放電瞬間，引起數(shù)據(jù)變化幅度較大，有尖銳的脈沖形狀，致使電場發(fā)生畸變現(xiàn)象。

圖5　嘉山地震臺(tái)大地電場受雷電干擾圖

4.3降雨影響

2014年7月24日臺(tái)站周圍出現(xiàn)了一次降雨，影響表現(xiàn)為6個(gè)測道數(shù)據(jù)畸變比較密集、頻次更高，緩急程度不同的降雨造成的數(shù)據(jù)離散程度并非完全一致。中等以上降雨主要表現(xiàn)為數(shù)據(jù)叢簇出現(xiàn)，并伴有高頻的非極性相同的離散型數(shù)據(jù)。根據(jù)嘉山地震臺(tái)觀測日志統(tǒng)計(jì)，6個(gè)測道的變化為30～90mV/km，

每逢大雨期間，各測向相關(guān)系數(shù)均由正常的0.9左右降至0.7左右，甚至更低。降雨對(duì)測區(qū)環(huán)境的影響屬局部自然電場發(fā)生變化導(dǎo)致地表電性結(jié)構(gòu)發(fā)生的改變，一般在1～2天左右恢復(fù)正常日變形態(tài)。

圖6　嘉山地震臺(tái)大地電場受降雨影響圖

4.4電極極化

測量電極用于拾取觀測場地上的地電場信號(hào)，是地電場觀測系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件。當(dāng)測量電極出現(xiàn)故障、老化等問題以后，大地電場分鐘值觀測曲線出現(xiàn)臺(tái)階或者出現(xiàn)拐點(diǎn)變化。從圖7可以看出：在14時(shí)南北長、東西長、北東短、南北短測道觀測數(shù)據(jù)急劇變化，曲線形態(tài)呈大幅度下降狀態(tài)，在12時(shí)東西短、北東短測道觀測數(shù)據(jù)也是急劇變化，曲線形態(tài)呈大幅度上升狀態(tài)，變化形態(tài)與灌溉滲水干擾比較類似，但是，更換電極時(shí)數(shù)據(jù)變化幅度比其要大，嘉山地震臺(tái)南北向干擾幅度約為正常日變化幅度的100倍，東西向干擾幅度約為正常日變化幅度的200倍，北東向干擾幅度約為正常日變化幅度的400倍，而且恢復(fù)到正常趨勢變化也較灌溉遲緩，這是因?yàn)槁耠姌O需要與其周圍介質(zhì)充分接觸，極化電位需要一個(gè)穩(wěn)定的過程[5]。這可能與電極自身、電極坑內(nèi)土壤的結(jié)合以及自身極化調(diào)整的過程有關(guān)。

4.5磁暴干擾

全球性的強(qiáng)烈地磁場擾動(dòng)，即磁暴的出現(xiàn)會(huì)使電磁場產(chǎn)生劇烈擾動(dòng)。磁暴開始急，發(fā)展快，恢復(fù)慢，一般持續(xù)2～3天后恢復(fù)平靜。磁暴對(duì)大地電場的影響較突出，會(huì)使地電場數(shù)據(jù)突跳。電場變化與磁暴同步，同一方向長、短極距的變化不但時(shí)間同步且形態(tài)也基本一致[6]。受磁暴影響，嘉山地震臺(tái)各測向變化幅度可達(dá)到正常日變幅度的10倍

以上，在一定區(qū)域內(nèi)對(duì)地電場同方向長短極距的影響是同步的（圖8），故在大磁暴發(fā)生期間，地電場各測向的相關(guān)系數(shù)一般不會(huì)受到影響。

圖7　嘉山地震臺(tái)大地電場受電極極化影響圖

圖8　嘉山地震臺(tái)大地電場受磁暴干擾圖

5　結(jié)束語

對(duì)嘉山地震臺(tái)大地電場異常干擾進(jìn)行了分析，總結(jié)了影響大地電場觀測數(shù)據(jù)的一些因素，為觀測場地大致相同的其他臺(tái)站提供參考依據(jù)，這有助于我們今后對(duì)電場資料的各種干擾進(jìn)行識(shí)別，找到影響電場觀測資料的各種干擾源，對(duì)正確判斷數(shù)據(jù)、提取有用的地震前兆電場信息有很大幫助，對(duì)進(jìn)一步運(yùn)用分析資料具有重要意義。

（作者電子信箱，張偉峰：zhangweifeng116@ 163.com）

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Study on the abnormal interference of Jiashan seismic geoelectric field

Zhang Weifeng，Pan Jie，Zhao Guibao，Song Guohua，Wu Hui，Li Lulu，Xiao Pan，Song Chi

（Bengbu Seismic Station，Earthquake Administration of Anhui Province，Anhui Bengbu 233000，China）

AbstractGeoelectric field observation is one of the earthquake electromagnetic precursory observation methods.Due to the reasons for the observed variables，interference factors are more.In this paper，five kinds of interference and its typical changes，such as the interference encountered in the same field observation，lightning interference，rainfall，electrode polarization interference，storm disturbance are analyzed and recognized in Jiashan seismic geoelectric field observation.The interference are effectively eliminated so as to extract the information of earthquake precursors.The methods and analysis in this paper provide a reliable basis for the analysis and usage of the electric field data in the possible earthquake prediction，and also provides the reference for the stations with similar observation.

KeywordsJiashan seismic station；earth′electric field；interference type；change characteristics

收稿日期：＊2014-10-14；修回日期：2014-10-30。

中圖分類號(hào)：P315.72＋2；

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A； doi：10.3969/j.issn.0235-4975.2015.05.006