電極更換對武威南營地電場的影響分析＊

孫點峰，王亞紅，魏東星

（甘肅省地震局張掖中心地震臺，甘肅 張掖 734000）

地電場監測作為地球物理場監測重要的方法之一，主要通過觀測地表電場強度及其時空變化特征，同時大地電場隨時間變化的尺度同變化磁場的起源基本上是一致的［1］，因此地電場監測在地球物理場、地震監測預測研究地位舉足輕重。

根據場源在地表的不同分布，可以將地電場分為大地電場和自然電場，觀測的是地表分量和時空變化。固體不極化電極具有電極差小、穩定性能好、噪聲低、頻帶寬、輕便耐用、易于保存、攜帶和使用方便等特點［2］，在國內地電場監測中運用較為廣泛。

本文通過分析武威南營地電場測區的地質條件、周邊歷史地震、測區干擾源，進一步分析了更換電極之后對于觀測的影響，為地震監測更加連續、可靠提供了有力保障。

1 武威南營電場基本情況

武威南營地電場測區位于甘肅省武威市南營鄉，該區地處青藏塊體東北緣、祁連山構造的中東段，第四系覆蓋厚度約300m以上，為亞砂土砂礫石，地下水距地表約10m。地震活動頻度高，是我國大陸中強地震高發區。武威南營地電場地形平坦、廣闊，距鐵路10km以上，測區內無金屬管線穿過。該地區所在的祁連山地震帶，地震活動自1927年開始進入強震活躍期，截至1996年底已發生5.7級以上地震19次，其中8級特大地震1次，7.0～7.5級地震 2 次［3］。

武威南營地電場觀測系統于2006年8月29日建設完成。南營地電場南北方向和東西方向長極距300m，短極距 200m，北東向呈 N45°E。使用 15根8m油浸電桿，絕緣敷設7×2.2的鋼線，再把電纜線懸掛于鋼線上。電極引線從地下至分線盒部分穿在鋼管內保護，電極處的電桿上絕緣接入分線盒，以斷開電極與線路，做線路檢測口用。圖1為武威南營地電場布極圖。

圖1 武威南營地電場布極圖

在觀測區的西南方向建有南營水庫，其中有大型用電設備，同時測區西側水渠有八個連續的小型發電站，每個發電站功率約為12kw。整個發電機組距離觀測場地300m左右，由于年久失修，發電站可能會有漏電現象，初步認為水庫和發電站可能是地電場資料異常的干擾源。

2 電極更換過程

2015年11月14日將相應電極接線斷開5min，并記錄斷開時間和接線時間，根據數據曲線的變化來判斷對應極性。如圖2所示。

圖2 11月14日武威南營地電場分鐘值曲線圖

因新電極電纜較短，需要對電纜進行加長。將經過加長的電纜接頭進行焊接，焊接目的是為了加強電纜的導電性，使測量數據更加穩定。焊接后對接頭進行防水處理，先將位接頭用絕緣膠布進行密封，后加一層熱縮管，再用絕緣膠布和防水膠布進行處理。如圖3所示。

圖3 焊接及防水處理示意圖

在原電極附近平整出空地，清掃地表干草等雜物，保證施工過程無雜物進入極坑，由于秋收之后農民已經將地犁過，土地松軟，用鐵鍬進度較為迅速，挖到砂石層時，停止深挖。對所有電極基坑進行統一測量發現，東西短極距土層較厚，北南短極距土層較薄，南段長極距在挖深1.8m時出現砂石層。

根據電極更換安裝說明書要求，使用細土對基坑底部進行覆蓋，為保證觀測數據以及觀測情況的統一性，采用統一1.7m的埋深深度。用繩子把電極放入挖好的電極坑中，然后用之前取出的松土倒灌如電極坑中，將飽和Nacl溶液倒入電極坑內，保證電極與土壤充分接觸性以保證觀測數據的穩定性，并把取出的原位土回填。

3 更換前后監測效能對比分析

武威南營地電場自建臺以來，觀測用電極未進行更換，電極嚴重老化，導致觀測數據質量明顯下降［4］。

從2015年9月13日到11月13日的觀測數據可以看出，更換前各個測道數據頻繁出現臺階，數據曲線尖峰突跳較多，記錄到的磁擾和日變都不清晰，變化形態與電極故障類似。判斷為電極老化。判斷數據曲線形態如圖4所示：

圖4 2015年9月13日-11月13日武威南營地電場分鐘值曲線圖

在2015年電場數據出現問題期間，武威臺還對可能造成干擾數據的外線路、觀測裝置、測區環境、避雷裝置進行過檢查。通過儀器標定、外線路絕緣檢查均合格，巡視環境發現南營水庫、小型發電站可能對測區環境有干擾。由于入冬以后，水庫不放水進行發電，所以冬季水庫、發電站干擾可以排除。基本排除外線路、觀測裝置、測區環境的影響。

武威地震臺于2015年11月15日對地電場電極進行了更換，更換后數據曲線尖峰突跳減少，記錄到的磁擾和日變清晰。圖5為電極更換后的數據曲線。

圖5 2015年11月15日-11月18日武威南營地電場分鐘值曲線圖

通過計算更換前后12d的日相關系數（見表1），發現更換前各道日相關系數變化幅度大，最低達到0.512；更換之后各道日相關系數均在0.9以上。

表1 更換電極前后12d相關系數表

4 結論與討論

2015年11月14日對武威南營地電場6個電極進行了更換。更換后觀測數據明顯改善。

1）更換前觀測數據日相關系數較低，數據相關性較差，更換后各測道觀測數據日相關系數均在0.9以上，相關性較好。

2）經過此次地電場電極的更換，使得武威臺地電場數據質量明顯提高，消除了因更換前電極故障造成的臺階、突跳、趨勢性變化等現象。

武威南營地電場觀測室位于村民家中、有電極桿出現傾斜情況。地電場觀測手段屬于長期觀測，放于村民房屋內有諸多不便，建議能考慮修建專門觀測室、電極桿需要盡快扶正，以免造成數據缺記或者是引起其他突發情況。