河北三河臺數字電擾動異常分析1

喬子云 張國苓 賈立峰 方召盟 劉國權 梁玉梅

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河北三河臺數字電擾動異常分析1

喬子云1）張國苓1）賈立峰1）方召盟2）劉國權3）梁玉梅3）

1）河北省地震局，石家莊050021?2）廊坊市地震局，廊坊065000?3）三河地震臺，三河065200

從2013年12月17日開始，三河臺數字電擾動觀測的NS和EW兩測道交替出現了背景值增大的高值異常，現場調查和分析表明，這種高值脈沖異常主要是受儀表廠的供電干擾所致，儀器本身的工作正常；對觀測系統數據采集軟件的數據存儲格式進行研究后發現，如果出現缺數，可能造成兩個測道的數據出現互換的現象，應盡快改進數據采集軟件，把兩個測道采集的數據改為兩個數據文件；同時，模擬觀測的對比結果表明，同時間段模擬觀測未出現異常；通過更換東西向線路和電極，觀測數據恢復正常。綜合分析認為，三河臺數字電擾動出現的高值異常是干擾造成的，并非震兆異常。

數字電擾動 三河臺 異常分析 干擾

引言

近年來，電磁擾動已成為重要的地震監測手段之一，眾多學者對此開展了大量的研究工作（陳化然等，2008；李美等，2009；張建國等，2010）。河北省的電磁擾動觀測臺網始建于上世紀80年代初，1987年正式組網觀測。觀測臺站主要有廊坊、三河、霸州、懷來、高碑店、寧晉、青縣、昌黎臺等。多年的觀測資料表明，電磁擾動觀測在地震前有較明顯的異常變化，可取得較好的地震預報效果，其在河北省和首都圈地區的地震監測預報工作中能夠發揮較好的短臨預報作用（陳智勇等，1989；關華平等，1995；2000）。同時，由于模擬觀測儀器嚴重老化，儀器的主要零備件生產廠家已不再生產，所以當儀器出現故障時很難進行維修。但自2006年下半年開始，河北省對電磁擾動觀測儀進行了數字化改造，使用了由廊坊市地震局和廊坊大地工程檢測技術開發公司合作生產的CNEM08-Ⅰ型電擾動儀后，提高了電磁臺網的觀測質量，為進行地震分析預報奠定了良好的觀測基礎（喬子云等，2012）。

本文針對從2013年12月17日開始，三河臺數字電擾動觀測的NS和EW兩測道交替出現的背景值增大的高值變化，進行了現場調查和分析，并從供電干擾、數據采集軟件的數據存儲格式、模擬觀測對比等方面探討了三河臺存在的問題及解決的方法，以期為同仁們提供借鑒和參考。

1 三河臺電擾動觀測概況

1.1 臺站概況

三河電擾動觀測臺站位于三河市科技局院內，在地質構造上位于冀中坳陷與燕山褶斷帶交匯部位，地質構造復雜。由于新生代的構造運動，形成了一系列斷陷盆地和凸起，其主要有大廠凹陷、大興凸起和寶坻凸起。區域內主要有北東向、東西向和北西向三組斷裂帶通過，如圖1所示。其中，夏墊斷裂是一條北東向斷裂帶，它是大廠凹陷的主控斷裂，走向北東45°，傾向南東。1679年發生的三河-平谷8級大地震的地表破裂帶就沿夏墊斷裂展布，夏墊斷裂是一條右旋走滑正斷層；而1536年發生在通縣東南的6級地震震中就在夏墊斷裂南段附近。香河斷裂也是一條走向北東的斷裂。同時，區域內還發育有東西向的寶坻斷裂，它是寶坻凸起與武清凹陷的分界線。此外，還有北西向的南口-孫河斷裂，它西起昌平南口，向東南經百泉莊、東三旗、孫河到通縣，總體走向北西，全長約80km。

1.2 觀測概況

三河臺電擾動模擬觀測始于20世紀80年代初，1994年河北省地震局將三河臺電擾動模擬觀測正式作為地震前兆觀測手段使用，觀測資料于1995年起被收入河北省地震局模擬觀測資料庫。三河臺使用的模擬觀測儀器為HBEM-03型電磁擾動儀，它是在DJ-1型記錄儀的基礎上改造而成的。其工作頻段為0.1—10Hz，記錄儀走紙速度為60mm/min，傳感器采用的是柱狀不銹鋼電極。自2006年下半年開始，三河臺安裝了電擾動數字觀測儀，該儀器由廊坊市地震局和廊坊大地工程檢測技術開發公司共同合作研制，儀器型號為CNEM08-Ⅰ電擾動儀，用一對埋地電極作為傳感器，接收一個方向（如NS向或EW向）的電位差，用電位差除以一對電極之間的距離即為觀測的電場。儀器可對地下電場實時記錄和顯示，并再現觀測頻段地下電場的波動變化（崔艷云等，2009）。三河臺的模擬和數字電擾動觀測分別使用兩套觀測系統，測向和電極布設情況基本相同，分別布設有正南北（NS）和正東西（EW）兩個測向，電極埋深為20m，極間距離為42m，布極情況如圖2所示。

數字電擾動儀的觀測頻段為0.05—10Hz，采樣率為20個/s，觀測的物理量為地下電場強度（單位：mV/km）。數據處理方式為對高采數據（20個/s）進行積分計算，并轉換成秒值，入庫數據也為秒值。圖3分別為三河臺電擾動同一時間段的數字觀測和模擬觀測日值的變化曲線。通過兩者的對比可以看出，它們的一致性較好，只是數字觀測的背景值大于模擬觀測。經統計，模擬觀測資料的連續率為100%；數字觀測資料的連續率為96.2%。

2 異常情況概述

三河臺數字電擾動觀測從2013年12月17日開始，NS和EW兩測道交替出現背景值增大的高值變化，其測值由500mV/km變為5000mV/km，如圖4所示。同時，兩測道的高值在時間和幅度上保持一致。2014年2月19日，廊坊市地震局到三河臺進行了現場核實，其鑒定結果為：根據初步調查判定，NS向異常有待確定，EW向數據無法采信。為了進一步了解儀器的實際工作情況和調查電磁擾動數據的干擾源以及查明該項異常的性質，河北省地震局預測研究中心電磁室特別邀請了中國地震臺網中心電磁學科組的盧軍研究員、李美副研究員、北京市地震局張洪魁研究員以及臺站一線觀測人員邯鄲廣平臺張小濤等，于2014年3月7日在三河臺開展了現場核實工作，進行了環境調研、觀測系統檢查、儀器比測實驗、兩測道數據互換分析、數模對比分析以及更換測線和電極等。

3 異常調查分析

3.1 環境調查

現場調查發現，測區周圍主要有居民樓、通訊塔、電纜存放倉庫和恒遠自動化儀表廠等，其中，居民樓、電纜存放倉庫和通訊塔在建臺前就存在，對觀測影響不大。通過對恒遠自動化儀表廠進行詳細詢問和調查后得知，該廠始建于2011年，現有工人20余人，有4臺數控機床，用電量較大，工作時間為6點半至11點、12點半至17點，周六、周日不休息。從三河臺數字電擾動的秒值觀測曲線上看，每天在北京時間6點50分至11點、12點40分至17點都出現過比背景值高約10倍的高值變化，這與恒遠自動化儀表廠的工作時間比較一致，因此，可以判定三河臺數字電擾動每天固定時間段出現的高值脈沖變化，主要是受儀表廠的供電干擾，如圖5所示。

3.2 觀測系統檢查

2014年3月20日上午10點30分左右，使用鼎陽SIGLENT SDG1020雙通道DDS函數信號發生器對三河臺數字電擾動觀測儀器進行了檢測，通道S1、E1通過導線連接到一起，N1、W1通過導線連接在一起，EW、NS兩通道并聯，向儀器輸入頻率為0.1Hz的正弦波信號，幅度輸出分別為5mV、10mV、30mV、50mV、100mV（有效值），5組波形如圖6所示，檢測結果表明儀器工作正常。同時，檢測中還用萬用表測試了傳輸線路間的電壓和電阻值，南北向和東西向的電壓值分別為320mV和0mV，電阻值如表1所示。測量結果表明，南北線路正常，東西線路不正常，南、北、西電極正常，東電極線路中斷。據觀測人員介紹，在埋設的傳輸線周圍近年來曾多次進行過不同程度的開挖，可能在開挖時將東西測向的傳輸線截斷，但截斷時間無法確定。

表1 傳輸線路間電阻值測量結果（單位：Ω）

3.3 儀器比測實驗

3月7日上午在三河臺又加裝了1臺儀器進行觀測對比，2臺儀器同時觀測的時間為3月7日—19日。從3月8—19日的秒值記錄曲線來看，2臺儀器的觀測數據基本一致，如圖7所示。同時從圖中還可以看出，除每天上午7點至11點、下午1點至5點固定時間段受恒遠自動化儀表廠供電干擾外，其它時間段數據較穩定。經計算，原觀測儀器與比測儀器南北、東西兩測向秒值的相關系數分別為0.77和0.70。對比測試結果表明，原觀測儀器工作正常，2臺儀器觀測數據較一致，觀測數據可信。

3.4 兩測道數據互換分析

圖8（a）為三河臺數字電擾動觀測2013年12月10日至2014年3月6日整點值的記錄曲線。從圖形上看，兩測道高值存在交替現象，這可能是兩測道串數引起的。考慮到數字電擾動觀測系統的數據采集軟件將南北向和東西向數據存儲在一個文件內，其存儲值均為秒鐘值，南北向和東西向依次存數，然后利用采集軟件把數據按南北、東西測向順序調用，當遇到儀器缺失記錄或者儀器校準時，兩測道調數會出現錯誤，將造成兩測道數據互換。通過分析筆者認為，三河臺數字電擾動觀測存在兩測道數據互換現象，其具體表現為南北測道記錄的高值數據應該是東西測道的記錄數據。例如，可將南北向記錄的高值段（如：2013年12月17日18時至2014年1月25日16時；2014年2月5日21時至7日15時；2月13日23時至15日21時；2月27日10時至3月6日14時）與東西向同一時間段的記錄數據交換，互換后記錄曲線如圖8（b）所示。從圖中可以看出，南北向記錄數據變化平穩，東西向記錄數據因線路中斷而出現高值變化。

圖8 2013年12月10日至2014年3月6日三河數字電擾動整點值曲線

3.5 模擬觀測分析

從2013年1月至2014年3月，三河臺模擬電擾動觀測未出現明顯的異常變化，圖9為三河臺模擬電擾動日總量曲線。從圖中可以看出，2014年2月25日兩個測向分別出現弱信息變化，其中，NS向變化幅度為0.3s.mV/m，EW向變化幅度為6.8s.mV/m，其變化幅度較小并沒有達到異常指標。

3.6 更換東西測向線路和電極

三河臺在2014年4月16日更換了數字電擾動EW測向線路和電極，用數字觀測儀的東西向接模擬觀測儀的東西向線路之后，兩測向的高值記錄消失，如圖10所示。根據傳輸線路間電阻值的測量結果（見表1），東電極與其它3個電極（南、北、西）傳輸線路間的電阻值測量結果均為∞，而其它3個電極每2個之間的電阻值均為700Ω。據此筆者判斷，這是東電極和傳輸線路出了問題，三河臺數字電擾動高值記錄是由于東電極和傳輸線路出現故障引起的。東電極和傳輸線路的不通，相當于在東電極和電壓表之間增加了一個電阻，當觀測的電壓值增大時，就會表現出東西向的記錄數據變大；當線路和電極恢復正常時，高值記錄隨之消失，記錄數據恢復正常變化。

4 異常分析與判定

自2013年12月17日以來，三河臺數字電擾動觀測的NS和EW兩測道交替出現了背景值增大的高值異常。經2013年3月7日至20日的現場調查核實，測區周圍主要有居民樓、通訊塔、電纜存放倉庫和恒遠自動化儀表廠等，其中，居民樓、電纜存放倉庫和通訊塔在建臺前就存在，其對觀測的影響不大。而三河臺數字電擾動觀測每天在北京時間6點50分至11點、12點40分至17點固定時間段出現的高值脈沖，與恒遠自動化儀表廠的工作時間比較一致，這表明高值脈沖主要是因儀表廠的供電干擾所致。

同時，通過測量電壓、電阻以及交換模擬儀器與數字儀器的電極測試后發現，三河臺數字電擾動東測量電極存在問題，東西向數據不可信；安裝新儀器進行對比觀測兩周后，新儀器與原來觀測儀器數據較一致，3月20日使用鼎陽SIGLENT SDG1020雙通道DDS函數信號發生器，對原觀測儀器進行了進一步的檢測后認定，原儀器的工作正常；對觀測系統數據采集軟件的數據存儲格式進行分析后發現，數字觀測儀的兩測道存在數據互換的現象，其南北測道的高值數據應該是東西測道的變化數據；模擬觀測的對比結果表明，同時間段模擬觀測未出現異常；通過更換東西向線路和電極，觀測數據恢復正常。綜合分析認為，三河臺數字電擾動出現的高值異常是東電極和傳輸線路出現故障及兩測道數據互換造成的，并非震兆異常。

5 結論與建議

自2013年12月17日以來，三河臺數字電擾動觀測的NS和EW兩測道交替出現了背景值增大的高值異常，這是東電極和傳輸線路出現故障及兩測道數據互換造成的，并非震兆異常。

考慮到數字電擾動觀測系統的數據采集軟件將南北向和東西向數據存儲在一個文件內，如果出現缺數，可能造成兩測道數據互換現象，應盡快改進數據采集軟件，把兩個測道采集的數據改為兩個數據文件。另外，考慮到電信號的相互干擾，建議對電源線、信號線采取必要的屏蔽措施。

陳化然，楊冬梅，李琪等，2008．1980年以來我國電磁輻射地震前兆信息的觀測與研究．中國地震，（2）：180—186．

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崔艷云，李玉堂，2009．CNEM08-Ⅰ電擾動儀的開發與研制．國際地震動態，367（7）：19—21.

關華平，陳智勇，肖愛華，徐東紅，1995．大同-陽高地震及強余震電磁輻射異常．山西地震，80（1）：39—44.

關華平，陳智勇，余素榮，2000．首都圈及其鄰近地區電磁輻射映震效果研究．地震，20（1）：66—70.

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喬子云，張躍剛，丁瑞同等，2012．河北省數字電磁擾動應用研究. 地震地磁觀測與研究，33（2）：67—73.

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Analysis on the Anomaly of Digital Electric Field Perturbations at Sanhe Station, Hebei

Qiao Ziyun1), Zhang Guoling1), Jia Lifeng1), Fang Zhaomeng2),Liu Guoquan3)and Liang Yumei3)

1) Earthquake Administration of Hebei Province, Shijiazhuang 050021, China?2) Seismological Bureau of Langfang, Hebei Province, Langfang 065000, China?3) Sanhe Seismic Station, Hebei Province, Sanhe 065200, China

On December 17, 2013, we detected great digital electric field perturbations in the NS and EW channel of at Sanhe station. After site visiting and analyzing the digital electromagnetic perturbations, we found that instrument is working OK, electrode and line east measuring is interrupt and the observation data is interference by instrument power supply. Through the analysis of data storage format of observation system data acquisition, we found that NS and EW channels data swaps. After changing the electrode and the line, the observation data is back to normal.Comprehensive analysis of the digital electromagnetic disturbances at Sanhe station indicates that high value change is caused by the interference, not a precursory anomaly.

Digital electric field perturbations; Sanhe Station; Anomaly analysis; Interference

國家自然科學基金（41274079）和震情跟蹤定向工作任務（2015010403）共同資助

2015-02-05

喬子云，女，生于1965年。1988年畢業于華北水利水電學院，學士學位，高級工程師。主要從事電磁分析和地震預測研究工作。E-mail：qzy@eq-he.ac.cn